近年来,国外开发了多种类型的军用可穿戴设备。
如可穿戴外骨骼、作战服、头盔、单兵无线电等,尤其是采用仿生技术的可穿戴外骨骼和智能作战服备受关注。
美国已推出多款军用可穿戴外骨骼和“勇士编织者”智能作战服原型机,并进行了测试和评估。
该型装备一旦投入使用,将极大增强士兵的机动性和综合防护能力,从而提高士兵的战斗力和生存能力。
一、发展现状 现代高技术战争条件下,士兵执行多种作战任务,需要携带的装备物资越来越多、负重不断增加,严重影响了士兵的行军速度、机动能力和持续作战能力。
与此同时,士兵的生存能力也越来越受到关注。
于是,应用仿生技术的军用可穿戴外骨骼、智能作战服等军用可穿戴设备应运而生。
军用可穿戴外骨骼和智能作战服旨在扩展或增强人体生理功能,提高士兵的负重能力,减少士兵负重时的损伤,从而提高士兵在重负重情况下的持久作战能力。
美军的可穿戴外骨骼发展最快,并推出了多款产品。
美国先后推出了人体负重外骨骼、第二代XOS全身外骨骼、“麦克法斯”手臂外骨骼等多款产品。
洛克希德·马丁公司的人体承重外骨骼由钛合金制成的机械腿、驱动装置、控制计算机、背部承重部分、冷却装置等组成,采用液压驱动。
系统总重量为32公斤,可以直立行驶。
蹲爬式,可以让士兵承载90公斤的重量,以每小时16公里的速度快速行进,一次充电可以续航72小时以上。
自2006年以来,美国陆军对人体负重外骨骼进行了一系列实验室测试、环境测试和现场测试。
雷神公司的XOS外骨骼机器人是目前最先进的全身外骨骼机器人。
它可以让佩戴者反复举起90公斤的重物数百次而不会感到疲劳。
它还可以反复穿透厚度为76.2毫米的木材。
新推出的第二代XOS外骨骼机器人由一系列机械结构、传感器、执行器和控制器组成。
它由液压驱动,更轻、更快、能力更强。
其功耗也降低了50%。
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此外,NASA还投资开发用于地外探索的X1机械外骨骼,海军正在利用外骨骼建造船舶。
“武士织衣”内穿式智能作战服概念图。
英国、法国等国家正在积极开展可穿戴外骨骼技术的研究。
除美国外,英国、法国、意大利、荷兰、澳大利亚等国家也在研发可穿戴外骨骼。
英国BAE系统公司的“矫正承重辅助装置”采用铝和碳纤维复合材料制成。
它包括一对连接到士兵背包和靴子上的机械腿,以帮助士兵分担背包的负载。
系统总重量为8公斤(不含电池)。
其技术成熟度已达到6级。
法国“大力士”可穿戴外骨骼由“机电”腿、背部支撑架和一对机械臂组成,可以让士兵携带公斤重量,以每小时4公里的速度行驶约20公里。
意大利“V-Shield”第一代人体脊柱外骨骼配备部分电动调节执行器,可以将人体肩膀的重量转移到腿部肌肉,以减轻压力,增强潜在的承载能力。
荷兰“外部伙伴”2外骨骼配备了2条可伸缩机械腿和执行器。
它重5公斤,可以大大增加徒步士兵的负重能力。
澳大利亚的被动可穿戴外骨骼重量不到3公斤,配备两根简单的鲍登线。
鲍登线从刚性背包缠绕到身体两侧,并通过腿部支架连接到作战靴的底部,可以承载士兵的重量。
2/3直接转移到地面。
美军“勇士织布者”智能作战服仍处于研发和测试阶段。
“武士织衣”智能作战服是一种全新的内穿作战服,具有独特的技术性能特点。
首先,作战服布满小型传感器、功能结构件和执行器,将负载智能分配到士兵全身,以减少受力。
其次,多种可穿戴在士兵脚踝、臀部、膝盖和上半身的核心部件,可以在需要时自动变硬或放松,减少因负重而造成的肌肉骨骼损伤;减少人体代谢消耗,增强人体机能,从而有效提高士兵的负重能力。
三是采用被动和主动控制技术,通过刺激人体肌肉、筋腱和骨骼的功能,利用与主动元件串联、并联的弹性元件来储存和释放能量,合理利用能量,不造成过多损失,从而减少能量消耗。
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同时,还可以为电池储存电能,重复利用能源,减少能源消耗。
四是采用先进防弹材料制成,具有良好的柔韧性和柔韧性,轻便、舒适、耐用。
它还与现有的士兵作战制服和装备兼容,可供90%的美国陆军士兵使用。
目前,美国国防高级研究计划局、哈佛大学维斯生物工程研究所、波士顿动力公司和SRI国际公司都推出了自己的“织布战士”智能战斗服原型,有全身的和从头开始制作的。
由臀部或脚踝组成的组件级样本服装。
其中,SRI的“SuperFlex”机械外骨骼由生物传感器、运动预测和性能增强算法、计算机和电池、驱动和控制装置、运动跟踪传感器和织物组成。
佩戴者可以在需要时准确启动电源。
完成规定的动作。
美军对这些样本军服进行了多轮测试和评估,在减轻士兵负重受力、减少士兵体力损失、稳定关节等方面取得了阶段性研究成果,解决了以下问题:舒适度和适应性。
由于问题。
从评测结果来看,穿着“织勇士”智能作战服的士兵在负重27.7公斤的情况下仍能正常行走。
下一步将进行现场测试。
在哈佛大学原型机上进行的3英里越野测试(包括道路、半崎岖小道和丛林地区)中,美军测试了士兵的步长和频率、肌肉活动和能力损失。
按照计划,“武士织衣”样衣的最终测试和评估将在年底进行。
自2008年以来,哈佛大学维斯生物工程研究所的研究人员一直致力于仿生智能套装的开发,旨在利用新的解决方案来增强士兵身体的效能。
这款仿生智能套装采用大量织带、内置低功耗微处理器和灵活的应变传感器网络,通过模仿人类腿部肌肉和肌腱的运动,降低士兵肌肉受伤的风险。
维斯生物工程研究所为臀部和脚踝设计了两种不同的柔性外骨骼,用于实验研究。
研究团队还开发了与小型电机相互作用的电缆和滑轮,以在不影响佩戴者自由移动能力的情况下提供帮助。
目前,可穿戴外骨骼技术在微处理器和生物电传感器方面取得了突破。
其发展还面临步态稳定控制、多传感器数据融合、能源动力驱动技术、轻量化先进材料、优化控制算法等技术。
挑战; “武士织衣”智能作战服在减轻士兵负重、减少士兵体力损耗、稳定关节等方面取得了阶段性研究成果,解决了舒适性、适应性等人为因素问题,其发展还面临先进控制、“技术-人”界面和感知、减少和预防损害、增强人体功能等技术挑战。
2、应用前景军用可穿戴外骨骼可以极大地提高徒步士兵的运载能力。
军用可穿戴外骨骼采用柔性设计,不仅可以让士兵完成爬行、下蹲、举重物等一系列动作,还可以减少举重物造成的肌肉骨骼损伤。
美国人体负重外骨骼采用模块化设计。
除了机械腿外,还可以配备月牙形抓斗、搬运辅助装置等,不仅可以让士兵背负重物徒步行进,还可以更轻松地抓取或搬运重物。
未来的外骨骼机器人就像人类的衣服一样,为士兵量身定做。
它可以大大增强士兵的负重能力,延长持久的机动能力,提高移动速度,使其成为“大力士”,从而彻底解决目前士兵徒步面临的问题。
承载能力不足的问题。
SRI的“超软”机械外骨骼智能作战服赋予士兵全面的防护能力。
“织武士”智能作战服就像是肌肉和关节的传感器“增强器”。
它不仅具有传统的防弹功能,还增强了人体功能,让士兵成为“钢铁侠”甚至“超人”。
未来,作战服还将采用光纤线编织,将受伤士兵的伤情实时传输到医疗救援中心,保障士兵的健康和安全;他们甚至可以融入周围环境,将士兵变成“变色龙”。
智能作战服是一种具有自主学习能力和人机协作的颠覆性技术,符合美军第三次“抵消战略”的指导思想。
3。
军用可穿戴装备的未来发展未来,我们将重点对可穿戴外骨骼和智能作战服进行测试和评估,提高性能,促进技术成熟和投入使用,以及利用先进控制、新材料、仿生学和生物医学。
新技术开发更先进的脑控外骨骼和智能战斗服。
首先是减轻军用可穿戴外骨骼的重量,简化结构,通过改进提高性能。
美国人体负重外骨骼的发展目标是使士兵能够承受~kg的重量。
目前的第二代XOS外骨骼机器人是有缆式的,预计到2020年将开发出无缆式的XOS外骨骼机器人,技术更先进,性能更好。
未来,外骨骼机器人可以学习士兵的步法和肌肉动作,并在他们受伤或行动受限时协助他们移动。
二是积极研发脑控外骨骼。
美国国防高级研究计划局的感知假肢是一种大脑控制的外骨骼,旨在开发一种完全可植入、模块化和可重构的神经接口,可以灵巧地控制上肢假肢。
俄罗斯也在加快研发新一代“单兵外骨骼”装甲作战服,预计2018年投入使用。
三是研发全身“武士织衣”智能作战服。
美国将整合“战士编织”系统,开展生物力学建模与仿真、测试评估等研究工作,向全身智能作战服发展。
美军的性能要求是:重量要控制在9公斤以下;功率要求不应超过瓦特;士兵负重45公斤在平地以1.25米/秒的速度行走时代谢消耗减少25%;电池重量不超过4.5公斤,无需充电即可连续工作24小时。