衛(wèi)錦萍

隨著士兵的生存力日益被重視，發(fā)展具有多種功能的作戰(zhàn)服已成為士兵裝備技術(shù)領(lǐng)域的新熱點。為保護(hù)負(fù)重士兵，美國國防高級研究計劃局正在牽頭研制“勇士織衣”（Warrior Web）智能作戰(zhàn)服。它是一種內(nèi)穿型作戰(zhàn)服，重量輕、柔韌性好，能自動變硬或變軟以避免士兵受傷，同時可增強(qiáng)士兵肌肉機(jī)能以減小作用在身體上的負(fù)荷，從而減少長時間負(fù)重、在崎嶇地形行軍的疲勞損耗。該作戰(zhàn)服功率小于100瓦，不到9千克重，電池重約4.5千克，在不充電情況下可持續(xù)工作24小時，士兵背負(fù)45千克重物、以1.25米/秒速度在平地行走時，可以減少25%代謝消耗。目前“勇士織衣”已制成樣服，進(jìn)行了兩輪測試評估。

現(xiàn)在士兵背負(fù)的裝備越來越重，一般要背負(fù)45千克重物巡邏或行軍，這些負(fù)重不僅會增加士兵關(guān)節(jié)（如膝蓋、腳踝、脊柱和髖關(guān)節(jié)等）和軟組織受傷的危險，而且還會加大士兵的體能消耗，以及受傷的幾率，降低作戰(zhàn)效能。為此，2011年9月，美國國防高級研究計劃局投資“勇士織衣”智能作戰(zhàn)服科研項目，由其下屬的國防科學(xué)辦公室負(fù)責(zé)管理，通過招標(biāo)方式研發(fā)。

按最初計劃，“勇士織衣”項目（總進(jìn)度為2011～2016財年）分兩個任務(wù)階段：2012財年第3季度～2015財年第1季度是任務(wù)A階段，共投資2 400萬美元，重點研究和評估多項核心部件技術(shù)，以減小士兵負(fù)重、降低士兵體力損耗、穩(wěn)定關(guān)節(jié)，使士兵背負(fù)重物時仍能正常行走；2013財年第4季度～2016財年第4季度為任務(wù)B階段，投資2 200萬美元，將第一階段的核心部件嵌入內(nèi)穿型作戰(zhàn)服系統(tǒng)及其后續(xù)產(chǎn)品，在作戰(zhàn)環(huán)境中進(jìn)行試驗。

經(jīng)過4年多的研發(fā)，“勇士織衣”作戰(zhàn)服項目已完成任務(wù)A，2013年進(jìn)入任務(wù)B階段，與此同時，美軍還評估了采用仿生技術(shù)的柔性外骨骼樣衣。

在任務(wù)A階段，“勇士織衣”項目推出了三種部件樣服，分別由國防高級研究計劃局、哈佛大學(xué)懷斯生物工程研究所（樣服又稱“智能服”）、波士頓動力公司研制。陸軍研究實驗室和納蒂克士兵中心參與了國防高級研究計劃局的研究工作，特拉華大學(xué)開展了先進(jìn)材料研究工作，斯坦福大學(xué)開展了生物力學(xué)模型的建模工作等?，F(xiàn)已研制成功多個核心部件（技術(shù)），主要是減輕士兵負(fù)重、降低士兵體能損耗、穩(wěn)定關(guān)節(jié)，同時演示了踝部、膝部和髖部等單個關(guān)節(jié)的控制模式，但還沒有對可穿戴系統(tǒng)的多關(guān)節(jié)控制模式進(jìn)行評估。

任務(wù)B的重點是進(jìn)行系統(tǒng)集成。2013年8月，美國國防高級研究計劃局向工業(yè)界招標(biāo)，分為兩個階段施行：第一階段開展基礎(chǔ)研究，包括單個技術(shù)方案和多個技術(shù)方案；第二階段開展備選研究項目。每個階段研究時間為15個月，在繼續(xù)研發(fā)部件技術(shù)的同時，重點進(jìn)行系統(tǒng)集成，并開展生物力學(xué)建模和仿真、測試和評估等研究工作。

正在研制的柔性外骨骼可能會集成到“勇士織衣”項目中。2014年9月，國防高級研究計劃局與哈佛大學(xué)懷斯生物工程研究所簽訂了一份價值290萬美元的合同，研制柔性外骨骼，并進(jìn)行概念演示驗證。因為自2012年以來，哈佛大學(xué)懷斯生物工程研究所一直致力于研制仿生智能服，采用新方案來增強(qiáng)士兵人體效能。這種仿生智能服采用大量織帶，內(nèi)置低功耗微處理器和柔性應(yīng)變傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過模仿人體腿部肌肉和肌腱的動作，降低士兵肌肉損傷的風(fēng)險。他們設(shè)計了臀部和踝部兩種不同的柔性外骨骼，開展試驗研究。研究團(tuán)隊還研制了與小型發(fā)動機(jī)交互的纜線和滑輪，在不影響穿戴者自由活動能力的前提下為其提供助力。

美軍在阿伯丁試驗場對“勇士織衣”樣服進(jìn)行了兩輪測試評估。2013年上半年，美國陸軍進(jìn)行的是為期5個月的首輪測試評估，測試中身穿“勇士織衣”作戰(zhàn)服的士兵背負(fù)27.7千克重物仍能正常行走。目前正在對“勇士織衣”項目下研制的未來柔性外骨骼樣衣進(jìn)行評估。從2014年10月進(jìn)行的第二輪評估看，“勇士織衣”研制進(jìn)展很快，已解決了2013年首輪評估中發(fā)現(xiàn)的舒適度和適配性等問題，系統(tǒng)功能變得更強(qiáng)大，不久將開展野外測試。

“勇士織衣”作戰(zhàn)服任務(wù)A和任務(wù)B的研究各有側(cè)重：任務(wù)A，即“阿爾法勇士織衣”，主要研究領(lǐng)域是損傷減輕、綜合分析表征、再生動力學(xué)、自適應(yīng)感知與控制以及作戰(zhàn)服“人-穿戴者”接口等。任務(wù)B，即“博悅勇士織衣”，主要研究領(lǐng)域是先進(jìn)控制、“技術(shù)-人員”接口與感知；損傷減輕和預(yù)防；人體機(jī)能增強(qiáng)；附加的輔助可穿戴技術(shù)等五大技術(shù)，涉及機(jī)械原理、運動學(xué)、力學(xué)、生物力學(xué)、再生動力學(xué)、能量學(xué)、信息學(xué)、材料科學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域，也將面臨如下技術(shù)挑戰(zhàn)。

先進(jìn)控制技術(shù)，重點研究先進(jìn)控制模式，使可穿戴技術(shù)用于多個關(guān)節(jié)，如下肢系統(tǒng)采用集中控制器，使膝部和踝部關(guān)節(jié)致動。任務(wù)A已經(jīng)演示了踝部、膝部和髖部等單個關(guān)節(jié)的控制模式，但迄今尚未評估可穿戴系統(tǒng)的多關(guān)節(jié)控制模式。

“技術(shù)-人員”接口與感知技術(shù)，主要研究與保形及可穿戴技術(shù)相關(guān)的織物材料、結(jié)構(gòu)、傳感器、傳感器接口和個體因素等；非侵入性生理感知則涉及生物感知、關(guān)節(jié)運動學(xué)和動力學(xué)等。

損傷減輕與預(yù)防技術(shù)，是為了減輕穿戴者因背負(fù)重物長時間行走或跑動而引起的肌肉骨骼損傷，主要研究運動中通過機(jī)械或從結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生緩沖效果，維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定；提供肌肉主動刺激，以保護(hù)關(guān)節(jié)和軟組織；通過產(chǎn)生反向力，使關(guān)節(jié)有效抵御那些超過其支撐能力或極限的外力等。目前還沒有明確開發(fā)減輕因爆炸、運動或心理反應(yīng)等因素引起的損傷技術(shù)。

人體機(jī)能增強(qiáng)技術(shù)，能提高士兵在跑動、提舉、攀爬、負(fù)重、射擊等過程中的體能和耐力。研究集中在提高士兵負(fù)重或非負(fù)重狀態(tài)下的跑步速度；減少人體代謝消耗；增強(qiáng)士兵提舉能力；通過耐力訓(xùn)練，提升士兵射擊技能或認(rèn)知任務(wù)效能等方面。

生物力學(xué)建模與仿真，是對可穿戴系統(tǒng)的效能進(jìn)行預(yù)測。人機(jī)建模將由斯坦福大學(xué)應(yīng)用其生物力學(xué)模型軟件，以人體生理學(xué)為基礎(chǔ)（任務(wù)A已開發(fā)了一種開源生物力學(xué)建模環(huán)境），預(yù)測“勇士織衣”作戰(zhàn)服的效能，包括在負(fù)重或非負(fù)重狀態(tài)下，士兵行走、跑步或完成其它任務(wù)中的損傷減輕、能量學(xué)和力學(xué)等。

一是負(fù)重智能分布于士兵全身，以減小作用力?！坝率靠椧隆鄙厦娌紳M了小型傳感器、功能結(jié)構(gòu)件和致動器，使負(fù)重智能分布于士兵全身，從而減小負(fù)重對士兵的作用力。

二是減輕和預(yù)防士兵損傷，增強(qiáng)體能。“勇士織衣”致力于研發(fā)多種可穿戴在士兵踝部、臀部、膝部和上身的核心部件/技術(shù)，在需要時自動變硬或變松軟，以減輕穿戴者因背負(fù)重物長時間行走或跑動而引起的肌肉骨骼損傷，減少人體代謝消耗，增強(qiáng)人體機(jī)能，有效地提高士兵負(fù)重能力。

三是重復(fù)使用能量，以降低能耗。“勇士織衣”采用被動和主動控制技術(shù)，通過激發(fā)人體肌肉、肌腱和骨骼功能，利用與主動部件串聯(lián)和并聯(lián)的彈性元件儲存和釋放能量，并合理利用能量，以降低能耗，同時還能為電池蓄電。

四是柔韌性和靈活性好，輕便舒適耐用?！坝率靠椧隆眱?nèi)穿型智能作戰(zhàn)服采用先進(jìn)的防彈材料制成，柔韌性和靈活性好，重量輕，而且舒適耐用。它還能與現(xiàn)有士兵作戰(zhàn)服和裝備兼容，可供美國陸軍90%士兵使用。

隨著“勇士織衣”智能作戰(zhàn)服、數(shù)字化士兵系統(tǒng)和一體化外骨骼的裝備使用，將使未來士兵具備網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)能力、超強(qiáng)的負(fù)重與機(jī)動能力，徹底改變步兵傳統(tǒng)的單打獨斗的作戰(zhàn)模式，成為真正的“超人”。美軍“奈特勇士”士兵系統(tǒng)的作戰(zhàn)服集防彈衣、微氣候制冷系統(tǒng)和生化防護(hù)服為一體，既能防彈，又能減小爆炸沖擊波對士兵的傷害，還能為士兵提供生化戰(zhàn)劑保護(hù)，是智能化作戰(zhàn)服的“雛形”?！坝率靠椧隆弊鲬?zhàn)服既不同于傳統(tǒng)的防彈衣，也不同于“奈特勇士”系統(tǒng)的外穿型作戰(zhàn)服，它更像是肌肉、關(guān)節(jié)的感應(yīng)“增強(qiáng)器”，不僅具有傳統(tǒng)的防彈功能，還能增強(qiáng)人體機(jī)能，使士兵背負(fù)重物長時間行軍。將來作戰(zhàn)服還會織入光纖絲線，將受傷士兵的傷情實時傳送給醫(yī)療救護(hù)中心，為士兵提供遠(yuǎn)程救護(hù)，甚至能融入四周環(huán)境，使士兵成為“變色龍”。

“勇士織衣”智能作戰(zhàn)服不僅能提高士兵的作戰(zhàn)效能，還能保障士兵的健康安全。這是對生命的尊重，也是作戰(zhàn)服發(fā)展的革命性進(jìn)步。