【军事文摘】美国军用地面仿生机器人发展
本文由《军事文摘》杂志授权发布，刊载于2015年第7期，转自军事文摘微信号(mildig)
近年来，仿生机器人技术越来越受到世界各国的重视。军用地面仿生机器人作为一类新的地面无人装备，不仅丰富了现有地面无人装备类型，推动了仿生机器人技术的全面发展，同时也将极大地扩展地面无人系统的作战任务范围。美国作为地面无人装备发展最快的国家，其军用地面仿生机器人已成为陆军作战力量建设必需的新型装备，是当前美军新型装备技术发展最活跃的领域之一。
军用地面仿生机器人的概念与分类
军用地面仿生机器人指模仿生物体的结构、功能和工作原理设计的军用机器人，是地面无人系统的一个重要发展方向。通过在军用机器人设计中应用仿生技术，可以赋予机器人独特的作战能力。目前，军用地面仿生机器人大致可分为具有出色机动、运输能力的四足机器人；拥有人类行为能力，并可以替代士兵执行部分主要作战任务的人形机器人；具有跳跃和垂直攀爬功能的微型机器人3类。
美国军用地面仿生机器人研发现状
目前，在军用地面仿生机器人技术领域，美国是研究投入最大、技术水平最高的国家。近年来，美国在开展军用地面仿生机器人技术研究的的过程中，陆续推出了“大狗”“野猫”“阿特拉斯”“沙蚤”、蛇形机器人等多款产品，代表了当前国外军用地面仿生机器人的最高水平。
美国军用地面仿生机器人的研发力量 美国是目前军用地面仿生机器人研发能力最强、科研体系最完备的国家。研发机构包括政府科研机构、军方科研单位、高等院校和工业界科研机构。以国防高级研究计划局、陆军和海军陆战队为代表的政府和军方科研机构从事部分探索研究、应用研究工作、试验鉴定任务；高等院校如卡内基·梅隆大学等主要从事基础研究。工业界科研机构是地面仿生机器人的主要研发力量，从事与产品和工艺结合紧密的发展研究和系统设计工作。
美国具备地面仿生机器人系列研发能力的机构包括：波士顿动力公司、卡内基·梅隆大学国家机器人工程中心、德雷塞尔大学、雷神公司、SCHAFT公司、弗吉尼亚理工大学、美国航天航空局约翰逊空间中心和美国航天航空局喷气推进试验室等。在地面机器人控制技术方面拥有较强实力的机构主要包括：美国航天航空局喷气推进试验室、卡内基·梅隆大学、洛克希德·马丁公司先进技术试验室、RE2公司、堪萨斯州大学、麻省理工学院、TRAC试验室、华盛顿大学、佛罗里达人类与机器认知研究所以及TORC机器人公司等。
研发项目概况 美国军用地面仿生机器人研究主要由国防高级研究计划局投资支持。目前主要通过两个项目支持研究。
2010年，国防高级研究计划局启动了"腿形班组支援系统"项目。该项目旨在开发一种用于在车辆不易通行的恶劣地形条件下，为士兵运输装备的全自主四足机器人，要求其能够感知地形并做出相应调整动作，满载重量不超过567.5千克，能携带181.6千克物资在24小时内行走32千米。为推动该项目发展，国防高级研究计划局于2010年2月与美国波士顿动力公司签订了为期30个月、总投资3200万美元的研发合同，用于研制“腿形班组支援系统”样机。“大狗”机器人就是波士顿动力公司为该项目研制的一款样机。2014年，在环太平洋军事演习期间，海军陆战队作战实验室把“大狗”机器人编入海军陆战队连队，进行了作战实验测试。
2011年3月，国防高级研究计划局启动了“机动性与操纵性最优化”项目，旨在通过采用新的设计工具、制造方法和控制算法在机器人机动和操纵性能方面实现突破。波士顿动力公司先后为该项目开发了“猎豹”、“野猫”和“阿特拉斯”仿生机器人。
典型产品 “大狗”系列机器人，主要包括“大狗”机器人和“阿尔法狗”机器人。“大狗”是一种采用四足行走模式的仿生机器人，最初也被称为“机器骡”。它重约109千克，高1米，长1.1米，宽0.3米，全身安装有50个传感器，能通过控制四条腿实现站立、下蹲、爬行、小跑以及快速跳跃前进，在平坦地形条件下能携带154千克物资，爬行速度为0.7千米/小时，小跑速度为5.6千米/小时，快步跑速度为7千米/小时，实验测试中跳跃前进的最大速度可达11千米/小时。“大狗”机器人由一名操作员使用控制单元向它发送无线电指令实施控制。控制单元包括广播天线、无线电接收装置、方向盘控制器和头盔显示装置。
目前，“大狗”机器人正在进行实验以增加一些新功能，具体包括：增加“听觉”传感器使其能够接收并执行班组成员发出的语音指令；将其作为远程辅助电源为士兵装备充电；具有像军犬一样的快速反应能力；达到多功能通用的运输能力；视觉传感器也将进行改进。2013年3月，“大狗”成功进行了抛掷重物试验。
继“大狗”之后，波士顿动力公司于2012年1月推出了改进型“阿尔法狗”机器人，并进行了首次户外测试。与“大狗”相比，“阿尔法狗”更加灵巧坚固，无需专门操作员，依靠视觉传感器就能实现自主跟随行进，也能利用地形传感器和GPS行进至指定地点。目前“阿尔法狗”机器人仍在改进中，最终目标是可携带182千克物资，24小时内不充电的状态下可行进32千米。
“AlphaDog”机器人
“猎豹”机器人是一种注重机动性的四足机器人，也是目前世界上速度最快的腿形机器人，拥有关节式脊椎骨、铰接式头/颈结构、四条腿和一条尾巴，能迅速加速、减速以及停止运动，还能在奔跑中急转弯，做Z字形运动，以追捕和逃避追捕。它采用的铰接式背部结构，使其能像动物一样每迈一步就做一次收缩与伸张运动，有效增加了它的步幅和奔跑速度。目前，“猎豹”机器人动力由外置液压泵提供，其最快速度记录是在实验室跑步机上测得的46千米/小时。
“猎豹”机器人
“野猫”机器人是“猎豹”机器人的改进型。该机器人能够完成急跑、跃进和转弯动作，最快速度达到约26千米/小时。演示中，该机器人奔跑方式是四足腾空，同时身体也以一定角度进行前后摆动，使其跑动步幅得到增加。它采用四足着地式休息方式，不会增加其他部件的磨损。与“猎豹”机器人相比，“野猫”机器人动力装置防弹能力得到增强，扩展了它的作战范围。与“大狗”着重强调转矩和稳定性相比，“野猫”更关注速度，同时还表现出良好的转弯能力。另据波士顿动力公司公布的视频显示，“野猫”机器人具有摔倒后快速恢复的能力。未来发展目标是进一步降低发动机噪声，且在各种地形条件下运动速度达到80千米/小时。
“野猫”机器人
2013年7月，“阿特拉斯”人形机器人首次向公众展示。它由头、躯干、四肢组成，重150千克，高1.88米，躯干厚0.56米，肩宽0.76米，由功率为15千瓦的480伏三相电源提供动力；全身装有液压驱动关节、实时控制计算机、液压泵和热管理系统，具有防摔保护功能；头部传感器组件采用感觉算法，包括激光雷达、立体传感器和专用传感器电子设备；手腕可以安装模块化的第三方机械手；可接入传输率为10吉比特/秒的光纤以太网。“阿特拉斯”在传送带上大步前进时，能躲开传送带上突然出现的木板；从高处跳下时能稳稳落地；能两腿分开从陷阱两边走过；能单腿站立，被从侧面袭来的球撞击后不会摔倒；也能在楼梯上跑步。
“沙蚤”机器人是波士顿动力公司和桑迪亚国家实验室在2012年根据国防高级研究计划局的需求，联合研制的一款微型跳跃机器人。它大小类似鞋盒，重量仅为4.99千克，最高可跳跃9米，最大速度达到5.47千米/小时，能独立越过壕沟和障碍，配备一部摄像机和操作控制单元，能通过掌上电脑或笔记本电脑进行控制。“沙蚤”最初被称为“精确的城市跳跃者”，设计思想源自昆虫的跳跃行为，旨在通过杰出的跳跃能力，为地面部队提供在隐蔽情况下进入建筑物和营区的能力。它能跨越栅栏，遥控侦察目标区域，并通过图像接口向操控人员传送详细的视频图像或高分辨率快照。美国陆军已在阿富汗对这种机器人进行了测试。
蛇形机器人由美国陆军研究实验室研制，具备游泳、攀爬和穿越窄地的能力，能够用于救援、侦察等多种任务。该机器人由3个蛇形组件构成，有一个木桶型的身体，更像一只三足爬虫。它可以借助自身的扭曲能力以及对机械手的控制，来打开各种门的手柄，未来或许能够解决“机器人不会开门”的难题。
蛇形机器人
仿生机器人对陆军装备发展和作战能力的影响
仿生机器人引领军用地面无人装备发展。仿生机器人的发展丰富了军用地面无人装备类型，也推动了地面无人装备的发展。仿生机器人作为一类新的地面无人装备，能够满足部队更多的作战任务需求，使未来陆军能更好地面对威胁环境的变化，适应日益复杂的未来战场环境。
仿生机器人将赋予未来陆军部队新的作战能力。随着技术的不断成熟，仿生机器人投入战场后将会把当前地面无人系统担负的物资运输等辅助作战任务向侦察监视、火力打击、机动突击等主要作战任务拓展，尤其是在机器人自主技术和互操作技术发展的推动下，其自主作战能力和系统间的协同作战能力将不断增强。比如人形机器人可在现有地面无人系统的基础上利用神经网络等多种通讯技术进行敌我识别，实现部署作战。
仿生机器人将成为未来新兴作战形态下的中坚力量。机器人士兵、四足机器人、微型仿生机器人等军用仿生机器人将在未来战场上充分发挥其多功能性、持久性的特点，能极大地减少士兵伤亡，逐渐成为各国执行现代化作战任务不可或缺的作战手段，并将引领地面无人系统由辅助作战装备向陆军装备信息化、城区与战场高危环境、跟随式保障等多个任务领域拓展，逐渐成为陆军作战装备建设的重要方向。
(来源：《军事文摘》杂志，作者：兵器工业集团 孙毅)
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