外军可穿戴设备的现状及发展

来源：电子发烧友网

近年来，国外发展的军用可穿戴装备种类很多。如可穿戴外骨骼、作战服、头盔、单兵电台等，尤其是运用仿生技术的可穿戴外骨骼和智能作战服备受关注。美国已先后推出多款军用可穿戴外骨骼及“勇士织衣”智能作战服样服，并开展了测试评估。这类装备一旦投入使用，将大幅增强士兵的机动携行能力和综合防护能力，进而提高士兵的战斗力和生存能力。

一、发展现状

在现代高技术战争条件下，士兵遂行多种行动任务，需携带的装备和物资越来越多、负荷越来越大，严重影响士兵的行军速度、机动灵活性和持续作战能力，同时士兵生存能力也越来越受到重视。由此，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装备便应运而生。军用可穿戴外骨骼和智能作战服旨在扩充或增强人体的生理机能，提高士兵携行能力、减轻负重对士兵的损伤，从而提高士兵负重情况下的持久作战能力。

美国军用可穿戴外骨骼发展最快，已推出多款产品。美国已先后推出人体负重外骨骼、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·马丁公司的人体负重外骨骼由钛合金制成的机械腿、驱动装置、控制计算机及背部的负重部分、散热单元等组成，采用液压驱动，系统总重32千克，可完成直立行进、下蹲和匍匐等动作，使士兵能背负90千克重物、以16千米/小时的行进速度快速行进，充电一次可持续工作超过72小时。2010年以来，美国陆军对人体负重外骨骼进行了实验室测试、环境测试和野外试验等一系列测试评估。雷神公司的XOS外骨骼机器人是目前最为先进的全身式外骨骼，它可使穿戴者将90千克的重物反复举起几百次，而不会感到疲劳，同时还可重复击穿厚度为76.2毫米的木板。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、执行机构和控制器组成，利用液压驱动，重量更轻、速度更快、能力更强，其耗电量还降低了50%。另外，美国宇航局也在投资研发用于外星探险的X1机械外骨骼，海军则在用外骨骼修造舰船。

“勇士织衣”内穿型智能作战服概念图

英法等国家积极开展可穿戴外骨骼技术研究。除美国外，英国、法国、意大利、荷兰和澳大利亚等国也在研发可穿戴外骨骼。英国BAE系统公司“矫正负重辅助装置”采用铝和碳纤维复合材料制成，包括一副与士兵背包和靴子相连的机械腿，可帮助士兵分担背包负重，系统总重8千克（不含电池），已达6级技术成熟度。法国“大力神”可穿戴外骨骼由“机电”腿、背部支撑架和一对机械臂组成，使士兵能携带100千克重物、以4千米/小时的速度行进约20千米。意大利“V-盾”第一代人体脊柱外骨骼配有部分电动调节致动器，可将人体肩部重量转移至腿部肌肉，以减少压力并增强潜在负重能力。荷兰“外置伙伴”2外骨骼配有2条可伸缩的机械腿和致动器，重5千克，能大幅提升徒步士兵负载能力。澳大利亚被动式可穿戴外骨骼重量不到3千克，配有两条简易鲍登线，鲍登线从刚架背包绕至身体两侧，并通过腿部支架连至作战靴底部，能将士兵负重的2/3直接转移至地面。

美国“勇士织衣”智能作战服尚处于研发测试阶段。“勇士织衣”智能作战服是一种全新的内穿型作战服，具有独特的技术性能特点。

一是作战服上布满了小型传感器、功能结构件和致动器，负重智能分布于士兵全身，以减小作用力。

二是多种可穿戴在士兵踝部、臀部、膝部和上身的核心部件，能在需要时自动变硬或松弛，以减轻负重引起的肌肉骨骼损伤；减少人体代谢消耗，增强人体机能，从而有效提高士兵负重能力。

三是采用被动和主动控制技术，通过激发人体肌肉、肌腱和骨骼功能，利用与主动部件串联和并联的弹性元件储存和释放能量，并合理利用能量而不会有多余损耗，以降低能耗。同时还能为电池蓄电，重复使用能量来降低能耗。四是采用先进的防弹材料制成，柔韧性和灵活性好，且轻便、舒适、耐用。它还能与现有士兵作战服和装备兼容，可供美国陆军90%士兵使用。

目前，美国国防高级研究计划局、哈佛大学怀斯生物工程研究所、波士顿动力公司和SRI国际公司分别推出了各自的“勇士织衣”智能作战服样服，既有全身型样服，也有由臀部或踝部等组成的部件级样服。其中SRI公司的“超柔”（SuperFlex）机械外骨骼由生物传感器、运动预测与性能增强算法、计算机与电池、驱动与控制装置、运动跟踪传感器和织物组成，穿戴者需要时启动电源便可精确完成规定动作。

美军已对这些样服进行了多轮测试评估，且在减小负重对士兵的作用力、降低士兵体能损耗、稳定关节等方面取得阶段性研究成果，并解决了舒适度和适配性等人因问题。从评估结果来看，身穿“勇士织衣”智能作战服的士兵背负27.7千克重物仍能正常行走，下一步将开展野外测试。在对哈佛大学样衣进行的3英里越野测试（包括公路、半崎岖小路和丛林地带）中，美军检测了士兵的步长和频率、肌肉活动及能力损耗等。按计划，2016年年底将进行“勇士织衣”样服的最终测试评估。

2012年以来，哈佛大学怀斯生物工程研究所的研究人员一直致力于仿生智能服研制，旨在采用新方案增强士兵人体效能。这种仿生智能服采用大量织带，内置低功耗微处理器和柔性应变传感器网络，通过模仿人体腿部肌肉和肌腱的动作，降低士兵肌肉损伤风险。怀斯生物工程研究所设计了臀部和踝部两种不同的柔性外骨骼，用于试验研究。研究团队还研制了与小型发动机交互的缆线和滑轮，从而在不影响穿戴者自由活动能力的前提下为其提供助力。

当前，可穿戴外骨骼技术已在微处理器和生物电传感器方面取得突破，其发展还面临步态稳定控制、多传感器数据融合、能源与动力驱动技术、轻质先进材料及优化控制算法等技术挑战；“勇士织衣”智能作战服已在减小负重对士兵的作用力、降低士兵体能损耗、稳定关节等方面取得阶段性研究成果，并解决了舒适度和适配性等人因问题，其发展还面临先进控制、“技术-人员”接口与感知、损伤减轻与预防、人体机能增强等技术挑战。

二、应用前景

军用可穿戴外骨骼可大幅提升徒步士兵携行能力。军用可穿戴外骨骼采用柔性设计，既能使士兵完成爬行、深蹲、提举重物等一系列动作，又可减轻士兵因提举重物而引发的肌肉骨骼损伤。美国人体负重外骨骼采用模块化设计，除机械腿外，还可挂装月牙形抓钩、搬运辅助装置等，不仅使士兵能背负重物徒步行军，还能便于抓起或搬运重物。未来的外骨骼机器人就像人的衣服一样，是为士兵量身定做的，能大幅增强士兵负重能力、延长持久机动性、提高运动速度，使之成为“大力士”，从而彻底解决当前徒步士兵携行能力不足的问题。

SRI公司“超柔”机械外骨骼

智能作战服使士兵具有综合防护能力。“勇士织衣”智能作战服像是肌肉、关节的感应“增强器”，不仅具有传统的防弹功能，而且还能增强人体机能，可使士兵成为“钢铁侠”甚至是“超人”。将来，作战服还会织入光纤丝线，将受伤士兵的伤情实时传送给医疗救护中心，为士兵的身体健康安全提供保障；甚至能融入四周环境，使士兵成为“变色龙”。智能作战服是一种具有自主学习能力、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。

三、未来发展

军用可穿戴装备未来重点开展可穿戴外骨骼和智能作战服的测试评估，改善性能、促进技术成熟并投入装备使用，以及利用先进控制、新材料、仿生和生物医学等新技术，开发更先进的脑控外骨骼、智能作战服。

一是通过改进减轻军用可穿戴外骨骼的重量、简化结构，提高性能。美国人体负重外骨骼发展目标是使士兵负重达到120～180千克。现有第二代XOS外骨骼机器人是带缆线型，预计到2020年将研制成无缆线型XOS外骨骼机器人，其技术更先进、性能更好。未来外骨骼机器人能学习士兵的步法和肌肉运动，在士兵负伤或行动受限时协助士兵移动。

二是积极研发脑控外骨骼。美国国防高级研究计划局的有感知假肢就是一种脑控外骨骼，旨在研发能灵巧控制上肢假肢的完全植入式、模块化、可重构的神经接口。俄罗斯也在加快研制新一代“单兵外骨骼”装甲作战服，有望在2020年装备使用。

三是发展全身型“勇士织衣”智能作战服。美国将进行“勇士织衣”系统集成，并开展生物力学建模与仿真、测试与评估等研究工作，向全身型智能作战服发展。美军对其性能要求是：重量控制在9千克以下；功率需求不超过100瓦；将背负45千克重物，以1.25米/秒速度在平地行走的士兵的代谢消耗减少25%；电池重量不超过4.5千克，在不充电的情况下可持续工作24小时。

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