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步入战场的可穿戴“黑科技”

发布时间:2018-05-09 11:25:00 文章来源:未来智库    
    随着技术的进步,士兵需要携带越来越多的设备步入战场,比如无线电或卫星通信终端、导航仪和电子计算机。科研人员们不断致力于提高这些设备的便携性,可穿戴技术是尤为关键的一环。当常用设备的小型化程度能够满足随身穿戴的要求时,士兵的双手就可以解放出来去做更紧迫的事情。
    增强现实技术借士兵一双慧眼
    增强现实技术,也就是近年来在消费级市场日趋活跃的AR技术,能够在展现真实环境的同时叠加显示虚拟信息,极大地拓展了人类的感知范畴。在我们身边,AR技术最初从手机游戏领域爆发,目前正逐渐走向主流,AR电商、AR运动、AR参观等都已经成为了现实。
    在军事领域,增强现实技术也具有光明的前景。比如美国国防部高级研究规划局的“超可视”(ULTRA-VIS)项目,就是为地面部队开发的一款类似于“谷歌眼镜”的轻量化、低功耗显示系统。采用增强现实(AR)技术的“超可视”系统可以为使用者提供目前所处的位置信息、帮助使用者辨明敌我和识别目标。所有数据被投射到全息显示器上,内嵌多个传感器用来追踪使用者头部的运动,即使扭过头去,信息仍会显示在与目标物体重合的位置上。
美军陆战队员配合BAE公司测试“超可视”的样品,由于投影模块安装在头盔的一侧造成不平衡,所以测试者用手按着头盔,此外突出的眼镜也略显单薄,这些问题将在后续研制过程中逐步解决

    没错,刚才提到了“全息显示”,但它并不能像科幻电影中那样在士兵面前映射出一个活灵活现的三维影像,而是利用安装在头盔侧方的一个不足150克重的微型投影模块,向镀有特殊涂层的眼镜上投射854×480大小的2D图像,大部分是图形和文字,比如指示方向的箭头、友军的描述信息等。投影高度的设计与使用者的自然视线相一致,让士兵不需要像使用谷歌眼镜那样使劲向上转动眼球,也不需要像美国陆军的“奈特勇士”计划那样低下头才能查看智能终端显示器,更不会像早期“陆地勇士”项目中的单片眼镜显示器那样牺牲宝贵的视野。
    在巷战中,当分队指挥员对下属说“当我靠近那扇门时掩护我”时,那扇门就会在其他人的“超可视”眼镜中高亮显示,或者指挥员确定了某栋楼是恐怖分子的藏匿点之后,第二天,在这里巡逻的另一支小队会在自己的眼镜中看到这栋楼已被特别标注出来。同时,在投影模块的背面有一个旋钮,使用者可以根据任务需要来选择显示信息的类型和详实程度,信息的显示绝非多多益善,比如一次只需与5千米内的友军协同的小规模战斗,就完全没有必要显示100千米内的友军信息,否则士兵就会被眼镜中密密麻麻的光圈和标识弄得眼花缭乱。
◎ 图中的士兵正在使用“奈特勇士”项目的智能终端,由于显示屏挂在胸前,所以他必须要低下头才能操作,这在采用AR技术的“超可视”系统中不会出现

    “超可视”还具备通信功能,士兵们可以借助其与基地、友军和空中支援力量建立联系。同时,士兵们可以在“超可视”上查看卫星或无人机传来的最新侦察影像――尽管目前受投影模块的清晰度限制,观看体验还比较差。
    目前,“超可视”系统已经能够实现的标注显示功能包括:队友的位置和行进方向、敌我识别、目标物的高程、距离和移动速度等。未来,士兵还可以借助图像识别技术和自动化网络来获取更多的信息,例如排除爆炸物、战伤救护、操作陌生兵器、识别有毒植物等等,应用前景非常广阔。
◎ “超可视”系统可以让丰富的战场信息与现实世界重合,大大拓展士兵的感知范畴,图为“超可视”系统界面示意图

    智能化战衣粉墨登场
    如今,战场上的士兵们越来越离不开各类电子设备的支持。在各国军队形形色色的“未来战士”计划中,都无法绕开同一个问题――如何在不增加士兵负载的前提下,将功能各异的电子设备联接成一个有机整体。想想时不时缠绕在一起的耳机线或充电线是如何让你抓狂的吧,让士兵们身上缠满了电缆可不是个好主意,因为那样会严重影响佩戴者的战术动作,而且容易被其它突出物钩挂,闹不好会让士兵搭上性命。而蓝牙等无线技术也不适用于战场复杂的电磁环境。更重要的是,无线电信号存在被敌侦测的隐患,易使士兵的行动丧失隐蔽性。
◎ BAE系统公司�_发的“刀背”装具系统在不增加士兵负载的前提下,将功能各异的电子设备联接成一个有机整体

    BAE系统公司和ITL公司合作研发的“刀背”装具尝试解决这一问题。“刀背”采用了由导电纤维编织而成的“电子织物”,使得衣物本身成为了一块电路板,让士兵可以和成卷的电源线和数据线说再见。“刀背”包括一个背负式的电池组,通过纤维线缆与8个USB口相连,能够输出180瓦的功率,穿上它,士兵们能非常方便地将无线电、夜视仪、GPS等设备联接到他们的战术背心、腰带或夹克上,并通过USB2.0接口进行集中供电和数据传输。
      
◎ “超可视”显示界面实拍图,下方的圆环上显示的是360度范围的敌我军方位和距离

    由于电子织物省去了大量线缆,集中供电减少了电池的种类和数量,“刀背”的重量较传统装具减轻了40%,这使得士兵们不仅能够携带更多其它物品,也让他们不用再担心为找到某个设备的专用电池而在口袋或背囊中翻个遍了。同时,士兵可以通过一个智能软件来查看电池电量和接口的使用情况,并结合战术背景和电池消耗来选择开启或关闭某些设备。
◎ “刀背”使用了前卫的“电子织物技术”,将战术背心本身变成了一块电路板,让士兵告别了身上成团的线缆

    除此之外,GPS作为现代战场不可或缺的一个要素,它不仅仅可以为士兵提供导航定位,还可以与态势感知相融合,让指挥员和士兵们能够知晓战区内每支部队、每台车辆和空中平台的实时位置。所以,树大招风的GPS也是敌方实施电子干扰的主要对象之一。特别是对于城市战中的士兵而言,获取稳定可靠的GPS信号还会遇到更多困难。由于GPS接收机需要同时接收到3~4颗卫星的信号才能解算定位,所以要求使用者尽量处于相对开阔的地方,而在城市作战中,GPS信号会受到建筑的遮挡,尤其是当士兵需要进入室内作战时,GPS信号就会丢失。
    英国国防科技实验室牵头的4家机构展示了他们共同研发的“步兵近战传感器”(DCCS)技术,致力于解决这一难题。当GPS信号不可用时,DCCS会参考最后一次获得的有效GPS定位数据,结合头盔摄像头获取的图像信息和惯性导航传感器来精确计算出使用者的位置,这使得为建筑内或隧道内的兵力定位成为可能。
◎ “刀背”拥有8个通用接口,可供各类电子设备使用

    DCCS的应用也不仅仅是简单的定位。在单兵武器上安置的一系列摄像头、激光和方位传感器可以让使用者按下按钮就能够为友邻部队、无人机和支援战机标识目标,这比起传统的语音呼叫更为便捷和精确。其它应用包括识别伤病员、平民的方位和潜在的直升机着陆场等等。
    此外,声学定位和摄像技术使其具备火力点探测能力,只要敌军武器一开火,无论士兵自己是否看到或者听到,DCCS都可自动判明敌火的来袭方位。随后这一信息将被传送至使用者及其指挥员,以便让他们针对威胁采取进一步行动。根据目前的研制进度,DCCS有望于2020年投入英军部队使用。
◎ “刀背”在佩戴者背部�O置了一块大容量电池,为全身的设备提供电力供应,士兵无需再携带不同制式的电池

    走向现实的“钢铁侠”
    在大众眼中,托尼・斯塔克的钢铁侠战衣也许是下一代战场可穿戴技术要实现的目标。但很少有人知道对相关技术的探索从上世纪60年代就已经开始了。
    1965年,通用电气公司推出了制造实用化有源外骨骼的“哈迪曼”计划。根据设计指标,“哈迪曼”能够将穿戴者的手臂力量增大25倍,最多能允许其提起680千克的重物。但受制于当时的技术条件,“哈迪曼”十分笨重,2只机械手、28个关节被复杂的电力和液压管线联接,其自重就达到了680千克,行驶速度更是仅有2.7千米/小时,严重限制了其实际使用。最终,体积、重量、稳定性和供电等一连串问题让“哈迪曼”仅仅停留在了试验原型机阶段。
◎ 20世纪60年代的“哈迪曼”计划是人类对有源外骨骼技术的第一次尝试

    但随着技术的不断发展,进入21世纪以来,高度功能化的外骨骼目前已不再是一个幻想。2009年,伯克利大学机器人学和人类工程实验室声明将和洛克希德・马丁公司合作研发一款军用外骨骼系统,名为“人类通用负载运输器”(HULC)。
◎ 着HULC外骨骼大大提升了单兵的作战效能

    HULC是一种下肢外骨骼,最高负重90千克,行军速度4.8千米/小时,短时冲刺速度可达16千米/小时。其革新性的液压架构非常高效,使系统可以依靠电池供电,而不像雷锡恩公司的XOS2系统需要绑定一个小型发电机,不仅如此,HULC还在评估以燃料电池供能的方案,这样可以将续航时间提升至96小时。HULC的穿着过程简便,运动灵活,穿着者在步行、奔跑、跪姿和匍匐时都不会受到影响。
    当穿着者运动时,传感器会自动感知,所以HULC不需要诸如操纵杆之类的操纵机构,微型计算机会根据传感器传来的信息控制液压系统跟上穿着者的身体动作。HULC系统坚固的钛合金架构和强有力的液压动力大幅增加了士兵的力量和耐力,模块化设计也让部件的更换更为简单。
         在军事后勤领域,洛克希德・马丁公司于2014年发布的FORTIS外骨骼是最早投入市场的外骨骼之一。FORTIS无需外部能源,可以将原本由人体所承受的负荷通过机械臂和一系列关节传递到地面,而且还能够隔绝大部分震动,从而让操作者获得更为轻松舒适的体验。FORTIS外骨骼可以帮助操作者提升约25千克的重物,并减轻2/3的疲劳度,在提高工作效率的同时减少肌肉损伤的发生。目前,FORTIS已被美国海军采购,用于装备码头和船厂的重负荷工程人员。
◎ �o需外部能源的FORTIS机械外骨骼系统能够大大减轻船厂、码头等重负荷工程人员的劳动强度,提高工作效率,在军事后勤领域应用前景广泛

    在目前公开的军用作战服研制计划中,技术指标最先进、与“钢铁侠”战衣最接近的当属美国“战术突击轻型作战服”(TALOS)。2013年,美国特种作战司令部披露了这种超级战衣的研发计划。次年,时任总统的奥巴马也表示美国“正在研发自己的钢铁侠”。TALOS旨在为特战分队特别是破门而入的第一名战士提供有史以来最为全面的防护和战斗力提升,包括全身防弹、四肢助力、综合加热和降温系统、嵌入式传感器和计算机、动态调谐天线、3D音效系统和夜视仪等等。除此之外,这位幸福的TALOS穿着者还将享有核心体温、体表温度、心率、肌体含水量等实时检测,当他受伤时,还能够第一时间获得维持生命的氧气或止血措施。与其它采用的刚性材料防护服不同的是,TALOS采用了麻省理工学院开发的液态防护材料,这种材料平时为流体,但在特定磁场或电流作用下会在数毫秒内变为固态,与陶瓷或凯芙拉材质相比,流体防护材料在防护面积、舒适度和抗多次打击能力方面都有显著优势。由于TALOS的技术指标全面而超前,不仅在披露伊始就吸引了媒体和公众的纵情想像,其研发团队的阵容也颇为“豪华”,共有多达56家公司、16家政府机构、13所大学和10个国家实验室参与研发进程,将有源外骨骼、全身防弹衣、态势感知全息显示器等多项概念技术进行深度整合。
    然而,美国国内对于TALOS的研发进度还存在争议,美国特种作战司令部计划于2018年7月获得“独立运作的作战服原型”并开始测试,但有科研机构认为TALOS囊括的部分全新技术至少要到2026年左右才能实现。在它所面临的挑战中,电源系统是最大问题,现有发电系统的小型化和轻量化程度与TALOS的需求相距甚远。同时,项目的资金投入也备受关注,特种作战司令部所做8 000万美元的预算貌似难以维系,与之类比的是先前美国陆军的“陆地勇士”计划,从1996年研发开始,到2006年全部技术实现实用化的漫长进程中共耗资5亿美元之多。
◎ TALOS作战服样品计划于2018年中交付美军特战部队测试,它将外骨骼、液态防弹衣、供暖/降温系统、身体数据监测和生命维持等黑科技集于一身。图中士兵所展示的是TALOS作战服可能采用的一种设计

    总的来说,尽管可穿戴技术的突飞猛进能够让士兵在信息、防护甚至体能上获得前所未有的支持,但其距离真正的战场应用仍然有很长的路要走。虽然没有谁能预测下一个10年会发生什么,但技术的不断发展正在让科幻世界中的超能战士离现实越来越近。
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