仿生無(wú)人平臺(tái)：陸海空誰(shuí)領(lǐng)風(fēng)騷？

劉暢+劉煥松

德國(guó)費(fèi)斯托（FESTO）公司的仿生機(jī)器人系列之“智能小鳥(niǎo)”

德國(guó)FESTO公司的仿生機(jī)器人系列之“蜻蜓”微型仿生直升機(jī)

現(xiàn)代作戰(zhàn)對(duì)情報(bào)偵搜尤為重視，這一軍事需求即為仿生無(wú)人平臺(tái)開(kāi)啟了更大的發(fā)展空間。

仿生無(wú)人平臺(tái)雖然目前在全球防務(wù)和安全市場(chǎng)上尚未大量涌現(xiàn)，但其使用效果已越來(lái)越得到肯定。像美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局和麻省理工學(xué)院這類研究機(jī)構(gòu)，以及卡內(nèi)基梅隆大學(xué)這類研究型大學(xué)，一直致力于設(shè)計(jì)和改進(jìn)能夠模仿包括魚類、昆蟲等動(dòng)物的自由活動(dòng)，能在陸、海、空不同自然環(huán)境下有效活動(dòng)的無(wú)人平臺(tái)。

盡管目前的仿生機(jī)器人還沒(méi)有達(dá)到足以適合在現(xiàn)代作戰(zhàn)環(huán)境下使用的成熟程度，但在這一領(lǐng)域的持續(xù)研究和發(fā)展即將呈現(xiàn)出巨大的應(yīng)用能力，如為專業(yè)部隊(duì)提供隱蔽執(zhí)行情報(bào)搜集、監(jiān)視和偵察行動(dòng)的能力。

“幽靈游泳者”仿生無(wú)人艇的仿生設(shè)計(jì)使之能夠以和魚一樣的方式驅(qū)動(dòng)航行，并且還具有同樣較低的噪聲特征，適于執(zhí)行隱蔽任務(wù)

一馬當(dāng)先：海上仿生無(wú)人艇

目前正在研發(fā)中的較為成熟的仿生項(xiàng)目之一是美國(guó)海軍的“無(wú)聲尼莫”（尼莫為美國(guó)動(dòng)畫片《海底總動(dòng)員》中的一只小丑魚）計(jì)劃，其旨在研制一種模仿金槍魚擺動(dòng)的自主式水下機(jī)器人，實(shí)際上就是一種間諜式仿生無(wú)人艇，用以執(zhí)行情報(bào)偵搜任務(wù)。該項(xiàng)目由美國(guó)海軍作戰(zhàn)部長(zhǎng)領(lǐng)導(dǎo)的速成技術(shù)革新小組承擔(dān)，成為美國(guó)海軍和國(guó)防部在水上和水下作戰(zhàn)以及空中和地面環(huán)境下開(kāi)發(fā)利用仿生技術(shù)的大型項(xiàng)目的一部分。

“無(wú)聲尼莫”仿生無(wú)人艇，又稱“幽靈游泳者”仿生無(wú)人艇，其由波士頓動(dòng)力公司（2013年被谷歌公司收購(gòu)）設(shè)計(jì)，長(zhǎng)約1.52m，質(zhì)量約45.4kg。可在100m深的水下隱秘活動(dòng)，執(zhí)行一系列特定任務(wù)。其由擺尾和尾鰭驅(qū)動(dòng)，有獨(dú)立的集成載荷倉(cāng)，配備有用于情報(bào)監(jiān)視與偵察任務(wù)的傳感器載荷，以及用于定位數(shù)據(jù)的全球定位系統(tǒng)和聲吶裝置。出于技術(shù)保密考慮，對(duì)于續(xù)航時(shí)間這類關(guān)鍵數(shù)據(jù)，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人目前尚未透露。

“幽靈游泳者”仿生無(wú)人艇正在進(jìn)行測(cè)試中

“幽靈游泳者”仿生無(wú)人艇于2014年12月在弗吉尼亞州的利特爾·克里克-福特·斯道瑞聯(lián)合遠(yuǎn)征基地完成測(cè)試，成功驗(yàn)證了其自主對(duì)抗能力以及適應(yīng)水流和潮汐狀況的海上和瀕海環(huán)境隱蔽活動(dòng)的能力。據(jù)美國(guó)政府的一個(gè)消息來(lái)源稱，其生物仿生性能提高了其在低可視環(huán)境下執(zhí)行情報(bào)監(jiān)視與偵察任務(wù)的安全性。

另?yè)?jù)該項(xiàng)目主管托馬斯·麥克納稱，繼2014年12月測(cè)試完成之后，研發(fā)工作的下一階段工作包括感知與規(guī)避傳感器載荷的集成。目前，“幽靈游泳者”還只能用150m長(zhǎng)的系繩與母艦相連活動(dòng)，向控制臺(tái)往返發(fā)送與接收數(shù)據(jù)。因此，對(duì)障礙探測(cè)和規(guī)避的感應(yīng)與控制技術(shù)將是有待集成的下一項(xiàng)技術(shù)。

“幽靈游泳者”活動(dòng)敏捷，轉(zhuǎn)向半徑小，并且比較安靜，適于隱蔽任務(wù)。波士頓動(dòng)力公司致力于該仿生無(wú)人艇的開(kāi)發(fā)，就是要通過(guò)發(fā)覺(jué)和利用水族生物的生物學(xué)原理來(lái)開(kāi)發(fā)更加敏捷、有效和隱形的水下載體。

“幽靈游泳者”還將繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn)，直到其成為一個(gè)超越傳統(tǒng)無(wú)人駕駛水下航行技術(shù)的可行性產(chǎn)品。美國(guó)海軍旨在裝備能執(zhí)行更長(zhǎng)任務(wù)時(shí)間和足以克服海洋流速的無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)，這兩項(xiàng)指標(biāo)都與美國(guó)海軍作戰(zhàn)部長(zhǎng)提出的提高水下載體持久力的要求直接相關(guān)。

突飛猛進(jìn)：空中仿生無(wú)人機(jī)

仿生技術(shù)是微型無(wú)人機(jī)和納米無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)需要考慮的一個(gè)非常關(guān)鍵的因素，尤其是模仿鳥(niǎo)類/昆蟲的軀體和視覺(jué)的仿生技術(shù)。

美國(guó)航空環(huán)境公司的“納米蜂鳥(niǎo)”無(wú)人機(jī)飛行速度可高達(dá)18km/h，并能夠上下左右運(yùn)動(dòng)

美國(guó)聯(lián)邦航空管理局無(wú)人技術(shù)關(guān)鍵研究改進(jìn)試驗(yàn)機(jī)構(gòu)之一的俄克拉荷馬州大學(xué)發(fā)言人稱，微型無(wú)人機(jī)和納米無(wú)人機(jī)的重要特征是能夠與其周圍環(huán)境協(xié)調(diào)，能在執(zhí)行任務(wù)期間不易被發(fā)現(xiàn)，為此，仿生的微型無(wú)人機(jī)和納米無(wú)人機(jī)從遠(yuǎn)處看時(shí)一個(gè)個(gè)都長(zhǎng)得像各種類型的鳥(niǎo)一樣。然而，這些外觀的變化大多都對(duì)性能有影響。

美國(guó)陸軍研究、發(fā)展及工程司令部下屬的陸軍研究試驗(yàn)室目前正與工業(yè)部門和學(xué)術(shù)界合作，提高無(wú)人機(jī)的自主技術(shù)水平，最終使部隊(duì)能夠使用微型無(wú)人機(jī)獲得態(tài)勢(shì)感知能力。目前，一個(gè)由陸軍研究試驗(yàn)室牽頭的稱為微型自主系統(tǒng)與技術(shù)聯(lián)盟的集團(tuán)，正在合作開(kāi)發(fā)小型的自主平臺(tái)以及相應(yīng)傳感器、電子設(shè)備。

2012年11月，美國(guó)陸軍的基礎(chǔ)研究項(xiàng)目獲得一項(xiàng)5年延續(xù)合同，每年價(jià)值約750萬(wàn)美元，按此續(xù)約，研究工作將持續(xù)到2017年底。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局、美國(guó)海軍和美國(guó)陸軍工程兵合作，該項(xiàng)研究工作一直把重點(diǎn)放在采用仿生技術(shù)，使微型無(wú)人機(jī)能夠使用尾部和附件捕獲、發(fā)布目標(biāo)回波。

據(jù)微型自主系統(tǒng)與技術(shù)聯(lián)盟的發(fā)言人向軍事新聞媒體解釋稱，“這項(xiàng)工作一切都是為了通過(guò)無(wú)人平臺(tái)的自主運(yùn)行，提高徒步士兵在城市和復(fù)雜地形下的戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢(shì)感知能力”。該項(xiàng)目的研究重點(diǎn)著眼于洞穴、叢林和城市環(huán)境軍事行動(dòng)的要求，因?yàn)樵谶@些環(huán)境下士兵攜帶的系統(tǒng)受到尺寸、質(zhì)量和功耗以及操作等的限制，對(duì)無(wú)人機(jī)性能提出了許多特殊的要求。對(duì)無(wú)人機(jī)的另一個(gè)能力要求是抗陣風(fēng)干擾的能力，這是該項(xiàng)目一個(gè)特別關(guān)注的問(wèn)題。

目前對(duì)項(xiàng)目評(píng)估的參數(shù)包括自主導(dǎo)航能力、在全球定位系統(tǒng)被拒止的作戰(zhàn)地域的三維測(cè)繪與導(dǎo)航能力、高頻載荷能力以及感應(yīng)與感知能力。

德國(guó)費(fèi)斯托公司的“蜻蜓”微型仿生直升機(jī)看上去就像一只蜻蜓，其操作非常簡(jiǎn)單，在地面控制站可使用智能手機(jī)進(jìn)行遙控

微型無(wú)人機(jī)仿生設(shè)計(jì)這方面的例子包括“納米蜂鳥(niǎo)”——美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局與航空環(huán)境公司合作設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。據(jù)航空環(huán)境公司稱，“這種飛行器應(yīng)用極小尺寸的生物學(xué)模仿技術(shù)，使這種異乎尋常的飛行器能夠在城市環(huán)境提供新的偵察與監(jiān)視能力”。

該系統(tǒng)體型就像一只真實(shí)的蜂鳥(niǎo)。其16cm的機(jī)翼驅(qū)動(dòng)“蜂鳥(niǎo)”以高達(dá)18km/h的速度飛行，并使之能夠上下左右運(yùn)動(dòng)。該微型無(wú)人機(jī)飛行總質(zhì)量?jī)H19g，包括電池、馬達(dá)、通信系統(tǒng)以及攝像機(jī)載荷在內(nèi)。

“蜂鳥(niǎo)”已驗(yàn)證其精確懸停飛行和遇陣風(fēng)穩(wěn)定飛行的能力;懸停續(xù)航時(shí)間最長(zhǎng)8分鐘;從18km/h速度飛行到懸停姿態(tài)轉(zhuǎn)換;從戶內(nèi)到戶外條件的轉(zhuǎn)換，反之亦然，以及通過(guò)門口進(jìn)入建筑物內(nèi)的方式;運(yùn)動(dòng)視頻流傳輸;依靠其鳥(niǎo)形機(jī)體和機(jī)翼快速前飛的能力。

此外，德國(guó)費(fèi)斯托（FESTO）公司也已設(shè)計(jì)出微型仿生無(wú)人直升機(jī)，其看上去就像一只蜻蜓。

“蜻蜓”微型仿生直升機(jī)能夠自主控制振翅頻率和驅(qū)動(dòng)翅膀進(jìn)入各種位置，儼然一架傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器，其所有4只翅膀的方向和推力都能夠單個(gè)獨(dú)立調(diào)節(jié)，使其可幾乎到達(dá)各個(gè)空間角落。

“蜻蜓”微型仿生直升機(jī)機(jī)長(zhǎng)44cm，翼展63cm，飛行總質(zhì)量175g，采用石墨纖維材料制造機(jī)身。其中央電源系統(tǒng)裝在機(jī)身胸腔，由9個(gè)伺服馬達(dá)提供動(dòng)力。

該微型無(wú)人機(jī)盡管在設(shè)計(jì)上非常復(fù)雜，但在操作上卻非常簡(jiǎn)單，在地面控制站可使用智能手機(jī)進(jìn)行控制。

姍姍來(lái)遲：陸上仿生無(wú)人平臺(tái)

在地面環(huán)境中，無(wú)人車在防務(wù)和安全應(yīng)用方面的發(fā)展一直落后于空中和海上同類產(chǎn)品。諸如洛克希德·馬丁公司的“步行式班用保障系統(tǒng)”和奧什科什防務(wù)公司的“TerraMax”自動(dòng)駕駛系統(tǒng)等類項(xiàng)目?jī)H僅完成了美軍的鑒定性試驗(yàn)計(jì)劃，而在投入使用方面尚無(wú)進(jìn)展。

實(shí)際上，地面無(wú)人系統(tǒng)還沒(méi)有一個(gè)較為成熟的采用仿生技術(shù)的系統(tǒng)，盡管在這一領(lǐng)域的研制工作波士頓動(dòng)力公司以其“大狗”四足機(jī)器人方案一直在進(jìn)行，這一方案后來(lái)發(fā)展為“步行式班用保障系統(tǒng)”。這種較為特別的系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上模仿了四足動(dòng)物的身體動(dòng)作，使之能夠“走、跑、爬”，能在各種地形條件下運(yùn)載大負(fù)荷，包括傳感器負(fù)荷或者班組一級(jí)的補(bǔ)給裝備。

美國(guó)陸軍“大狗”四足機(jī)器人正在進(jìn)行野外測(cè)試，這一方案后來(lái)發(fā)展為“步行式班用保障系統(tǒng)”

“步行式班用保障系統(tǒng)”高1.75m，長(zhǎng)2m，總質(zhì)量390kg。

在美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)和美國(guó)陸軍的鑒定性試驗(yàn)中，“步行式班用保障系統(tǒng)”驗(yàn)證了運(yùn)載最大有效載荷180kg時(shí)在崎嶇巖石地形上以1.5～4.5km/h步行和小跑，再到8km/h快跑和35°爬坡的能力。它擁有一系列傳感器載荷，包括光探測(cè)和測(cè)距、陀螺儀、立體視覺(jué)技術(shù)等。

該機(jī)器人的動(dòng)力由帶減震和能量循環(huán)功能的4足液壓傳動(dòng)系統(tǒng)提供。由機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制運(yùn)動(dòng)、傳感器載荷和平衡，包括車輛的液壓、油溫、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行和蓄電池充電。

該項(xiàng)目最初由美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局提供經(jīng)費(fèi)保障，美國(guó)陸軍研究試驗(yàn)室的機(jī)器人合作技術(shù)聯(lián)盟負(fù)責(zé)研制，其主要目的是“創(chuàng)造未來(lái)高度自主的無(wú)人系統(tǒng)，使之能夠在混合環(huán)境下有效執(zhí)行軍事行動(dòng)”。然而，在2015年12月“步行式班用保障系統(tǒng)”項(xiàng)目被美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)作戰(zhàn)試驗(yàn)室以用于班組戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)噪聲太大和行動(dòng)笨重遲緩為由而正式取消。

這一項(xiàng)目的取消也影響到了比“步行式班用保障系統(tǒng)”更小和更安靜型的“小狗”系統(tǒng)：一種設(shè)計(jì)為最小化噪聲的電動(dòng)系統(tǒng)。“小狗”系統(tǒng)的尺寸約為“步行式班用保障系統(tǒng)”的1/4，只能運(yùn)載18kg載荷，它同樣也配備了情報(bào)監(jiān)視與偵察載荷，但與“步行式班用保障系統(tǒng)”相比，自主能力也有限。

廣泛研究：無(wú)人平臺(tái)的仿生支持技術(shù)

仿生研究不僅涉及到平臺(tái)本身，而且也涉及到集成到這些平臺(tái)上的支持技術(shù)。

2015年9月，麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程設(shè)計(jì)系將仿生技術(shù)競(jìng)賽一等獎(jiǎng)授予一個(gè)學(xué)生小組，該小組基于“玻璃翅膀”蝴蝶原理研制出了一種太陽(yáng)能電池涂層。這一概念能用于微型無(wú)人機(jī)和納米無(wú)人機(jī)的機(jī)翼上，使之能夠在白天飛行期間太陽(yáng)能充電達(dá)到最優(yōu)化。

據(jù)麻省理工學(xué)院發(fā)言人稱，反射問(wèn)題是許多光電子設(shè)備的一個(gè)通病，包括光電池、智能手機(jī)顯示屏甚至窗戶。比如說(shuō)，普通太陽(yáng)能電池是由硅制成的，要反射高達(dá)30%的陽(yáng)光，這就大大降低了能源轉(zhuǎn)換利用效率。而“玻璃翅膀”蝴蝶的透明翅膀上有一層類似錐形柱的納米結(jié)構(gòu)。這些納米錐形柱結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上起著反射涂層的作用，從蝴蝶翅膀上反射的陽(yáng)光僅2～5%。

這一技術(shù)被證實(shí)對(duì)提高諸如“納米蜂鳥(niǎo)”等微型無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間至關(guān)重要，例如，能使微型無(wú)人機(jī)有更長(zhǎng)的空中待機(jī)時(shí)間，以更有效執(zhí)行關(guān)鍵性任務(wù)的情報(bào)監(jiān)視與偵察。

此外，美國(guó)陸軍正在研究昆蟲的寬視場(chǎng)能力，將其集成到微型無(wú)人機(jī)上，用以實(shí)現(xiàn)機(jī)載三維測(cè)繪與運(yùn)動(dòng)測(cè)定。按美國(guó)陸軍一位發(fā)言人的說(shuō)法，盡管這一技術(shù)目前還不能有效運(yùn)用，但它指明了今后研究的注意力應(yīng)該聚焦在哪里。因?yàn)榻裉煊腥似脚_(tái)與無(wú)人平臺(tái)的協(xié)同還需要士兵的大量實(shí)戰(zhàn)參與，但無(wú)人平臺(tái)在設(shè)計(jì)上需要具有在沒(méi)有士兵參與的情況下自主通過(guò)三維迷宮和規(guī)避障礙物的導(dǎo)航能力。一方面，技術(shù)可能提供最前沿的能力，而另一方面，技術(shù)缺乏成熟度又使之最易于失敗。今后仍將致力于研究昆蟲探測(cè)和跟蹤小目標(biāo)的能力。

試驗(yàn)型“步行式班用保障系統(tǒng)”正在接受測(cè)試。該項(xiàng)目因噪聲太大、行動(dòng)笨重遲緩而于2015年12月被取消。地面作戰(zhàn)環(huán)境下的仿生無(wú)人平臺(tái)的發(fā)展相對(duì)滯后于海、空領(lǐng)域

任重道遠(yuǎn)：仿生無(wú)人平臺(tái)需不斷突破

仿生無(wú)人平臺(tái)的發(fā)展在海、空領(lǐng)域各領(lǐng)風(fēng)騷，陸地運(yùn)用相對(duì)滯后。仿生技術(shù)的廣泛應(yīng)用無(wú)疑將會(huì)對(duì)特種作戰(zhàn)部隊(duì)和偵察部隊(duì)的戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)產(chǎn)生重大影響。

目前，仿生平臺(tái)在續(xù)航時(shí)間、自主能力以及“感知與規(guī)避”等多方面技術(shù)上仍有缺口，仿生無(wú)人平臺(tái)的發(fā)展仍然任重而道遠(yuǎn)。

編輯/劉蘭芳