新材料在軍事可穿戴設備中的應用

中國人民解放軍93114部隊 邱 婧 吳國棟 趙鳳艷

北京衛戍區參謀部 宋新川

智能穿戴設備即可穿戴的智能設備，其融合了多媒體、無線通信、微傳感、柔性屏幕、GPS定位系統、虛擬現實、生物識別、人工智能等最前沿的技術，通過與大數據平臺、智能云、移動互聯網的結合，隨時隨地對信息進行搜集、處理、反饋、共享。可穿戴技術在民用領域得到大規模應用，在其帶動下，各國競相將智能可穿戴技術引入軍事領域，著手軍事領域相關技術的研發與應用，并取得了一定的成果。

一、智能穿戴設備在軍事領域中的應用

未來戰場正逐漸向信息化、數字化方向轉變，在這種新的戰爭模式下，作戰形式已發生巨大變化，從過去的短兵相接到今天的超視距作戰，從晝間為主作戰到晝夜全天作戰，這些變化對戰士的作戰功效提出了新的要求，即必須在戰爭中具備反應迅速、高防護力、猛烈殺傷、高適應性、協同作戰能力。

智能穿戴設備具備信息化戰爭所需要的多個要素：體積小、質量輕，由用戶穿戴和控制并持續運行，提升人的智力、延伸人的感官、增強人的體能、保護人的安全等；將智能穿戴設備用于軍事領域，會對士兵作戰任務的完成產生巨大影響，能夠幫助士兵在信息化戰爭中更準確、快速地感知、獲取、利用和分發信息，最終實現信息制勝。同時隨著互聯網、云計算等高科技的迅猛發展，目前智能可穿戴設備在軍事領域已經得到一定應用，應用范圍涵蓋了作戰指揮、武器裝備、日常監管等方面[1，2]。

作戰指揮類應用是將可穿戴技術引入實戰，著眼于提升作戰人員的態勢感知、數據顯示和指揮通信等能力，如智能頭盔式裝備、單兵頭盔式夜視鏡、智能眼鏡等。武器裝備類應用通過智能織造技術將微型計算機、微型傳感器等智能設備集成“在身上”，極大地拓展了士兵的人體生理功能，如單兵綜合戰斗系統、智能防護裝具、智能外骨骼系統等。日常監管類應用將智能穿戴設備應用于日常安全管理、軍事訓練和后裝保障中，如穿戴式安防管理器材、穿戴式生理檢測與醫療輔助設備、穿戴式裝備檢修設備等。

二、軍事可穿戴設備發展的瓶頸

軍用設備更加注重設備的易操作性及攜帶的便利性，能夠保證數據快速準確的傳輸，以及能量及時長久的供應。軍事可穿戴設備存在以下幾個技術瓶頸仍需攻關突破。

（一）輕量化問題

雖然當前軍用可穿戴設備能夠使士兵在負重能力方面有所提升，但受技術現狀和成熟度的限制，當前軍用可穿戴設備的技術還不成熟，給使用者帶來的體驗舒適度尚有待提升。尤其是頭頸類的可穿戴裝備，由于質量過重，士兵極易產生壓迫感和疲勞感，影響開展有效的作戰行動。加持在士兵身上的人體負重外骨骼系統等可穿戴設備仍顯得很笨重，這將嚴重影響士兵的機動靈活性。運用智能制造、柔性制造和新材料等技術研發更加輕量、更為便捷化，以及具有更高環境適應性的軍用可穿戴設備已成為必然趨勢。

（二）電池續航問題

為了更好地實現其功能，可穿戴設備需增加更多更強的傳感器、控制器等電子元件，設備功率需求也隨之增加。另外，實時監測和隨時響應的工作機制也使得可穿戴設備的功耗高于其他設備。可穿戴設備效能的發揮高度依賴電源支持，電能耗盡后即成為負擔。尤其是在激烈對抗的實際戰場中，戰地環境經常面臨很長時間都無法補充能源的情況，士兵執行戰斗任務時很難得到額外的電源支持，因此，續航時間問題是制約可穿戴設備在軍事領域應用的另一關鍵因素。盡管自20世紀90年代以來電池小型化及輕便化研究取得了巨大進展，但是在延長電池續航時間方面還有很多的工作要做。一是需要進一步優化電源管理，同時發展低功耗器件，盡可能降低系統運行功耗。二是尋找高效的新能源材料，迫切需要找到能量密度更高，同時更可靠、更安全的電池技術。三是可以沿人體體能發電技術方向進行研究，即通過采集士兵的運動體能，采用特定的方式轉換為可穿戴設備補充能源，以滿足持久作戰的實際需求。

（三）傳感器技術問題

傳感器是可穿戴設備的觸角，也是其智能化的基礎。軍用可穿戴設備對傳感器的需求主要為運動傳感、生物傳感和環境傳感等[3]。運動傳感技術主要用于實現運動探測、導航、人機交互功能，進而達到測量、記錄和分析人體活動的作用。生物傳感技術主要用于實現人體生理機能參數測定、評估士兵作戰狀態，為支援保障提供數據支撐。環境傳感技術主要用于對戰場環境進行實時感知。隨著技術發展進步，可穿戴設備的智能化要求越來越高，需要獲得的數據也會越來越多，這就需要更多傳感器，同時對傳感器的測量精度和穩定性也提出了更高的要求。民用可穿戴設備的傳感器測量失誤也許僅會給使用者一個不正確的運動建議，作為輔助功能來說影響并不大，但在軍事領域出現這樣的錯誤則可能會引起災難性的后果。因此，在軍事應用中傳感器的精度和穩定性必須得到足夠的重視，以確保其能夠在高度惡劣的戰場環境中準確可靠地感知使用者的狀態和周邊環境情況，為戰場決策提供有效支撐。同時，沙漠、高濕高熱、高鹽霧、腐蝕性液體等高度惡劣的戰場環境還要求軍用可穿戴設備的傳感器必須具有一定的抗破壞和耐腐蝕能力。

三、新材料在軍事可穿戴設備領域的應用前景

攜帶方便、供電充足是復雜戰場環境對軍用電子設備的基本要求，也是擺在軍事智能可穿戴設備研發與運用面前的重要問題。首先，可折疊顯示器等柔性材料、碳纖維等輕質材料的運用，能夠使軍用智能可穿戴設備更加小巧貼身，最大限度地提高人員佩帶的舒適性和減小設備對戰斗動作的影響。其次，傳感器技術的發展依賴于新材料的研究開發，例如，半導體材料和新工藝的技術進步促進了半導體傳感器的迅速發展,并最終促進一批新型半導體傳感器研制成功；同時，壓電半導體材料促進了壓電集成傳感器的形成。第三，運用各類新型電池技術可解決野戰條件下供電難的問題，以此提高智能可穿戴設備的續航能力。

（一）柔性電子材料

新型柔性電子材料與器件在近10年得到迅速發展，其較強的可折疊性、多能力符合結構等特性對未來信息技術發展和系統應用的影響巨大。目前，柔性電子器件的應用主要集中于柔性顯示器、柔性應變傳感器和薄膜太陽能電池等方面[4]。柔性顯示器具有質輕、輕薄、耐用和可收卷等優點，可用于軍事可穿戴設備中的高度集成顯示裝置。柔性應變傳感器能夠滿足軍事可穿戴設備的特性需求，包括質量輕、應變承受度高、可自行修復等。柔性太陽能電池是具有能量采集、轉化和存儲功能的柔性能量系統，可適應軍事可穿戴設備中移動、共形和全時的應用場景。

柔性電子器件的柔性主要由超薄的韌性基底材料提供，為實現器件在高形變程度下仍保持結構和功能的完整性，需要結合具有高延展性、耐疲勞的導體材料和具有高穩定性的半導體材料，共同實現電子器件的柔性化。特別是，由于碳納米管和石墨烯均具有良好的柔性、出色的導電和導熱性、優異的物理與化學穩定性、具有結構和性能易于調控等特點，因此，這2種材料近年來在柔性導體材料領域得到了廣泛的關注和實質性的發展[5]。

1.石墨烯

石墨烯由于具有極其優異的導電能力，電阻率幾乎為零，因此被廣泛應用于柔性電池和超級電容器中。目前，美國麻省理工學院已經研制出以石墨烯復合材料為主體的柔性光伏電池板，可以在手機、數碼相機等電子產品中使用。此外，石墨烯還可制成化學傳感器，利用其表面吸附性來完成檢測工作。因石墨烯具有獨特的二維結構，其對周圍的變化很敏感，因此用石墨烯研制出來的傳感器靈敏度極高，可用于軍用夜視系統、太空望遠鏡等。同時，石墨烯具有優越的力學性能，在抗彈防護方面具有廣泛的應用前景，將石墨烯與其他輕質高強材料復合，有望獲得高性能輕型裝甲系統。

2.碳納米管

碳納米管具有獨特的結構，以及優異的力學、電學和熱學等性能，其被廣泛應用于柔性晶體管、記憶存儲器、太陽能電池、超級電容器等產品。目前，國外某實驗室正牽頭研發一種能夠對外提供電能的新型服裝。這種將碳納米管用于紡織面料的服裝，將為戰場上使用的照明裝置、夜視儀和通信設備等提供電力供應，勢必將進一步減輕單兵負擔。

3.石墨烯/碳納米管復合材料

為了結合石墨烯和碳納米管的優點，人們將兩者共同制作成復合材料。石墨烯和碳納米管復合材料形成二維網狀結構，兩者的協同效應，使該復合材料表現出比任意一種單一材料更加優異的性能，如更好的各向同性導熱性、各向同性導電性、二維空間微孔網絡等特性[6]。基于以上性質，石墨烯/碳納米管復合材料在超級電容器、太陽能電池、顯示器等方面具有良好的應用前景，能夠有效解決未來單兵作戰系統的輕型化和電池續航問題。

（二）智能材料

智能材料是指除了具備普通材料的承載能力外，還能感知、處理內部和外部信息的一種新型材料。通過對環境的變化做出響應，智能材料實現了材料的自變形、自診斷、自適應、自修復等功能[7]。當前，較為流行的智能材料體系有形狀記憶材料、磁致伸縮材料、壓電材料、電活性聚合物和光驅動聚合物材料等。

1.形狀記憶材料

形狀記憶聚合物(Shape Memory Polymers，SMPs)是一種能夠在外界激勵條件下由臨時形狀恢復到其原始形狀，實現變形功能的高分子材料，是智能材料的一個重要分支。SMPs具有密度小、變形量大、加工便捷、原料廉價等優點，對外界刺激的響應程度可通過化學方法來調節，從而實現材料的多功能化。基于SMPs復合材料的4D打印結構在生物醫療、航空航天、智能器件及仿生領域得到了廣泛應用。研究人員將相關SMPs進行結合，將其作為3D打印的油墨，打印出應變傳感器，將其固定在人手指關節和手腕關節處，可實時監測手指和手腕的運動，響應迅速，可反復多次使用[8]。

形狀記憶合金具有很強的可彎曲性，并且能夠記憶自身的形狀。如果能將這種材料應用于軍事可穿戴設備，則能夠自動記憶人體曲線，在接觸人體時自動適應每個人的體型并自動固定。甚至，如果把戰場通信設備或定位設備直接制作在形狀記憶合金之上，那么整個可穿戴設備將能夠更貼合于人體，實現真正的“與人融合”。

2.磁致伸縮材料

磁致伸縮材料是一類具有電磁能/機械能相互轉換功能的材料，可以作為可穿戴設備的動力原件，被評為未來最具發展潛力的新材料之一。傳統的微型驅動裝置主要是微型電動馬達，但相對于可穿戴設備來說，仍然體積過大，而且存在能量轉換效率不高、反應速度慢、容易發熱等缺點。相對于傳統的電動馬達，用磁致伸縮材料可以制成毫米甚至是微米級的驅動元器件，具有極高的能量轉換效率、精準度和反應速度，這些都是傳統的電動機所難以達到的。由磁致伸縮材料制作的微型馬達可以用在軍事可穿戴設備的振動器、相機的變焦裝置和快門控制上等。此外磁致伸縮材料可以作為一種優秀的主動降噪裝置，通過與噪聲的聲波做反向振動，達到抵消噪聲的效果，可以運用在軍事智能頭盔中實現降噪功能。

3.壓電材料

壓電材料是實現機械能與電能相互轉換的功能材料，是一類對機、電、聲、光、熱敏感的電子材料，廣泛應用在信息、激光、導航和生物等高技術領域。壓電材料給穿戴設備帶來的革命將更為巨大，將其植入軍事可穿戴設備中，能夠將戰士的每一次活動中微小的能量都收集起來，這將能夠為軍事可穿戴設備提供源源不斷的電力供應，讓其擺脫電池的束縛，實現真正的輕量化和長續航。

4.其他智能材料

電活性聚合物、光驅動型聚合物材料和智能高分子材料等材料能夠監測戰士的各項生命體征，以及戰場外部環境的變化，并通過自身變化直觀地將其表示出來。

四、結 語

當前許多可穿戴技術仍處于研發初期，尚未成熟，但人們對其在軍事領域的應用廣闊前景已達成廣泛共識。裝備可穿戴設備的智能士兵可強化信息交互，增強特定作戰能力，更加符合未來信息化戰爭的需要。可穿戴技術的發展與新材料的研究進展密不可分，各種新型可穿戴設備的研制都孕育于新材料技術發展之中，伴隨著新材料技術的進一步發展，相信當前制約軍事可穿戴設備發展的諸多問題都能夠得以逐步解決。