美國軍用地面仿生機器人發展

近年來，仿生機器人技術越來越受到世界各國的重視。軍用地面仿生機器人作為一類新的地面無人裝備，不僅豐富了現有地面無人裝備類型，推動了仿生機器人技術的全面發展，同時也將極大地擴展地面無人系統的作戰任務范圍。美國作為地面無人裝備發展最快的國家，其軍用地面仿生機器人已成為陸軍作戰力量建設必需的新型裝備，是當前美軍新型裝備技術發展最活躍的領域之一。

軍用地面仿生機器人的概念與分類

軍用地面仿生機器人指模仿生物體的結構、功能和工作原理設計的軍用機器人，是地面無人系統的一個重要發展方向。通過在軍用機器人設計中應用仿生技術，可以賦予機器人獨特的作戰能力。目前，軍用地面仿生機器人大致可分為具有出色機動、運輸能力的四足機器人；擁有人類行為能力，并可以替代士兵執行部分主要作戰任務的人形機器人；具有跳躍和垂直攀爬功能的微型機器人3類。

美國軍用地面仿生機器人研發現狀

目前，在軍用地面仿生機器人技術領域，美國是研究投入最大、技術水平最高的國家。近年來，美國在開展軍用地面仿生機器人技術研究的的過程中，陸續推出了“大狗”“野貓”“阿特拉斯”“沙蚤”、蛇形機器人等多款產品，代表了當前國外軍用地面仿生機器人的最高水平。

軍用地面仿生機器人分類

美國軍用地面仿生機器人的研發力量美國是目前軍用地面仿生機器人研發能力最強、科研體系最完備的國家。研發機構包括政府科研機構、軍方科研單位、高等院校和工業界科研機構。以國防高級研究計劃局、陸軍和海軍陸戰隊為代表的政府和軍方科研機構從事部分探索研究、應用研究工作、試驗鑒定任務；高等院校如卡內基·梅隆大學等主要從事基礎研究。工業界科研機構是地面仿生機器人的主要研發力量，從事與產品和工藝結合緊密的發展研究和系統設計工作。

美國具備地面仿生機器人系列研發能力的機構包括：波士頓動力公司、卡內基·梅隆大學國家機器人工程中心、德雷塞爾大學、雷神公司、SCHAFT公司、弗吉尼亞理工大學、美國航天航空局約翰遜空間中心和美國航天航空局噴氣推進試驗室等。在地面機器人控制技術方面擁有較強實力的機構主要包括：美國航天航空局噴氣推進試驗室、卡內基·梅隆大學、洛克希德·馬丁公司先進技術試驗室、RE2公司、堪薩斯州大學、麻省理工學院、TRAC試驗室、華盛頓大學、佛羅里達人類與機器認知研究所以及TORC機器人公司等。

研發項目概況美國軍用地面仿生機器人研究主要由國防高級研究計劃局投資支持。目前主要通過兩個項目支持研究。

2010年，國防高級研究計劃局啟動了"腿形班組支援系統"項目。該項目旨在開發一種用于在車輛不易通行的惡劣地形條件下，為士兵運輸裝備的全自主四足機器人，要求其能夠感知地形并做出相應調整動作，滿載重量不超過567.5千克，能攜帶181.6千克物資在24小時內行走32千米。為推動該項目發展，國防高級研究計劃局于2010年2月與美國波士頓動力公司簽訂了為期30個月、總投資3200萬美元的研發合同，用于研制“腿形班組支援系統”樣機。“大狗”機器人就是波士頓動力公司為該項目研制的一款樣機。2014年，在環太平洋軍事演習期間，海軍陸戰隊作戰實驗室把“大狗”機器人編入海軍陸戰隊連隊，進行了作戰實驗測試。

2011年3月，國防高級研究計劃局啟動了“機動性與操縱性最優化”項目，旨在通過采用新的設計工具、制造方法和控制算法在機器人機動和操縱性能方面實現突破。波士頓動力公司先后為該項目開發了“獵豹”、“野貓”和“阿特拉斯”仿生機器人。

典型產品“大狗”系列機器人，主要包括“大狗”機器人和“阿爾法狗”機器人。“大狗”是一種采用四足行走模式的仿生機器人，最初也被稱為“機器騾”。它重約109千克，高1米，長1.1米，寬0.3米，全身安裝有50個傳感器，能通過控制四條腿實現站立、下蹲、爬行、小跑以及快速跳躍前進，在平坦地形條件下能攜帶154千克物資，爬行速度為0.7千米/小時，小跑速度為5.6千米/小時，快步跑速度為7千米/小時，實驗測試中跳躍前進的最大速度可達11千米/小時。“大狗”機器人由一名操作員使用控制單元向它發送無線電指令實施控制。控制單元包括廣播天線、無線電接收裝置、方向盤控制器和頭盔顯示裝置。

目前，“大狗”機器人正在進行實驗以增加一些新功能，具體包括：增加“聽覺”傳感器使其能夠接收并執行班組成員發出的語音指令；將其作為遠程輔助電源為士兵裝備充電；具有像軍犬一樣的快速反應能力；達到多功能通用的運輸能力；視覺傳感器也將進行改進。2013年3月，“大狗”成功進行了拋擲重物試驗。

“大狗”機器人

繼“大狗”之后，波士頓動力公司于2012年1月推出了改進型“阿爾法狗”機器人，并進行了首次戶外測試。與“大狗”相比，“阿爾法狗”更加靈巧堅固，無需專門操作員，依靠視覺傳感器就能實現自主跟隨行進，也能利用地形傳感器和GPS行進至指定地點。目前“阿爾法狗”機器人仍在改進中，最終目標是可攜帶182千克物資，24小時內不充電的狀態下可行進32千米。

“獵豹”機器人是一種注重機動性的四足機器人，也是目前世界上速度最快的腿形機器人，擁有關節式脊椎骨、鉸接式頭/頸結構、四條腿和一條尾巴，能迅速加速、減速以及停止運動，還能在奔跑中急轉彎，做Z字形運動，以追捕和逃避追捕。它采用的鉸接式背部結構，使其能像動物一樣每邁一步就做一次收縮與伸張運動，有效增加了它的步幅和奔跑速度。目前，“獵豹”機器人動力由外置液壓泵提供，其最快速度記錄是在實驗室跑步機上測得的46千米/小時。

“野貓”機器人是“獵豹”機器人的改進型。該機器人能夠完成急跑、躍進和轉彎動作，最快速度達到約26千米/小時。演示中，該機器人奔跑方式是四足騰空，同時身體也以一定角度進行前后擺動，使其跑動步幅得到增加。它采用四足著地式休息方式，不會增加其他部件的磨損。與“獵豹”機器人相比，“野貓”機器人動力裝置防彈能力得到增強，擴展了它的作戰范圍。與“大狗”著重強調轉矩和穩定性相比，“野貓”更關注速度，同時還表現出良好的轉彎能力。另據波士頓動力公司公布的視頻顯示，“野貓”機器人具有摔倒后快速恢復的能力。未來發展目標是進一步降低發動機噪聲，且在各種地形條件下運動速度達到80千米/小時。

“阿特拉斯”機器人

2013年7月，“阿特拉斯”人形機器人首次向公眾展示。它由頭、軀干、四肢組成，重150千克，高1.88米，軀干厚0.56米，肩寬0.76米，由功率為15千瓦的480伏三相電源提供動力；全身裝有液壓驅動關節、實時控制計算機、液壓泵和熱管理系統，具有防摔保護功能；頭部傳感器組件采用感覺算法，包括激光雷達、立體傳感器和專用傳感器電子設備；手腕可以安裝模塊化的第三方機械手；可接入傳輸率為10吉比特/秒的光纖以太網。“阿特拉斯”在傳送帶上大步前進時，能躲開傳送帶上突然出現的木板；從高處跳下時能穩穩落地；能兩腿分開從陷阱兩邊走過；能單腿站立，被從側面襲來的球撞擊后不會摔倒；也能在樓梯上跑步。

“沙蚤”機器人是波士頓動力公司和桑迪亞國家實驗室在2012年根據國防高級研究計劃局的需求，聯合研制的一款微型跳躍機器人。它大小類似鞋盒，重量僅為4.99千克，最高可跳躍9米，最大速度達到5.47千米/小時，能獨立越過壕溝和障礙，配備一部攝像機和操作控制單元，能通過掌上電腦或筆記本電腦進行控制。“沙蚤”最初被稱為“精確的城市跳躍者”，設計思想源自昆蟲的跳躍行為，旨在通過杰出的跳躍能力，為地面部隊提供在隱蔽情況下進入建筑物和營區的能力。它能跨越柵欄，遙控偵察目標區域，并通過圖像接口向操控人員傳送詳細的視頻圖像或高分辨率快照。美國陸軍已在阿富汗對這種機器人進行了測試。

蛇形機器人由美國陸軍研究實驗室研制，具備游泳、攀爬和穿越窄地的能力，能夠用于救援、偵察等多種任務。該機器人由3個蛇形組件構成，有一個木桶型的身體，更像一只三足爬蟲。它可以借助自身的扭曲能力以及對機械手的控制，來打開各種門的手柄，未來或許能夠解決“機器人不會開門”的難題。

仿生機器人對陸軍裝備發展和作戰能力的影響

仿生機器人引領軍用地面無人裝備發展。仿生機器人的發展豐富了軍用地面無人裝備類型，也推動了地面無人裝備的發展。仿生機器人作為一類新的地面無人裝備，能夠滿足部隊更多的作戰任務需求，使未來陸軍能更好地面對威脅環境的變化，適應日益復雜的未來戰場環境。

仿生機器人將賦予未來陸軍部隊新的作戰能力。隨著技術的不斷成熟，仿生機器人投入戰場后將會把當前地面無人系統擔負的物資運輸等輔助作戰任務向偵察監視、火力打擊、機動突擊等主要作戰任務拓展，尤其是在機器人自主技術和互操作技術發展的推動下，其自主作戰能力和系統間的協同作戰能力將不斷增強。比如人形機器人可在現有地面無人系統的基礎上利用神經網絡等多種通訊技術進行敵我識別，實現部署作戰。

仿生機器人將成為未來新興作戰形態下的中堅力量。機器人士兵、四足機器人、微型仿生機器人等軍用仿生機器人將在未來戰場上充分發揮其多功能性、持久性的特點，能極大地減少士兵傷亡，逐漸成為各國執行現代化作戰任務不可或缺的作戰手段，并將引領地面無人系統由輔助作戰裝備向陸軍裝備信息化、城區與戰場高危環境、跟隨式保障等多個任務領域拓展，逐漸成為陸軍作戰裝備建設的重要方向。