仿生無人平臺：陸?？照l領風騷？

劉暢+劉煥松

德國費斯托（FESTO）公司的仿生機器人系列之“智能小鳥”

德國FESTO公司的仿生機器人系列之“蜻蜓”微型仿生直升機

現(xiàn)代作戰(zhàn)對情報偵搜尤為重視，這一軍事需求即為仿生無人平臺開啟了更大的發(fā)展空間。

仿生無人平臺雖然目前在全球防務和安全市場上尚未大量涌現(xiàn)，但其使用效果已越來越得到肯定。像美國國防高級研究計劃局和麻省理工學院這類研究機構，以及卡內基梅隆大學這類研究型大學，一直致力于設計和改進能夠模仿包括魚類、昆蟲等動物的自由活動，能在陸、海、空不同自然環(huán)境下有效活動的無人平臺。

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

“幽靈游泳者”仿生無人艇的仿生設計使之能夠以和魚一樣的方式驅動航行，并且還具有同樣較低的噪聲特征，適于執(zhí)行隱蔽任務

一馬當先：海上仿生無人艇

目前正在研發(fā)中的較為成熟的仿生項目之一是美國海軍的“無聲尼莫”（尼莫為美國動畫片《海底總動員》中的一只小丑魚）計劃，其旨在研制一種模仿金槍魚擺動的自主式水下機器人，實際上就是一種間諜式仿生無人艇，用以執(zhí)行情報偵搜任務。該項目由美國海軍作戰(zhàn)部長領導的速成技術革新小組承擔，成為美國海軍和國防部在水上和水下作戰(zhàn)以及空中和地面環(huán)境下開發(fā)利用仿生技術的大型項目的一部分。

“無聲尼莫”仿生無人艇，又稱“幽靈游泳者”仿生無人艇，其由波士頓動力公司（2013年被谷歌公司收購）設計，長約1.52m，質量約45.4kg?？稍?00m深的水下隱秘活動，執(zhí)行一系列特定任務。其由擺尾和尾鰭驅動，有獨立的集成載荷倉，配備有用于情報監(jiān)視與偵察任務的傳感器載荷，以及用于定位數(shù)據(jù)的全球定位系統(tǒng)和聲吶裝置。出于技術保密考慮，對于續(xù)航時間這類關鍵數(shù)據(jù)，項目負責人目前尚未透露。

“幽靈游泳者”仿生無人艇正在進行測試中

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

另據(jù)該項目主管托馬斯·麥克納稱，繼2014年12月測試完成之后，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長的系繩與母艦相連活動，向控制臺往返發(fā)送與接收數(shù)據(jù)。因此，對障礙探測和規(guī)避的感應與控制技術將是有待集成的下一項技術。

“幽靈游泳者”活動敏捷，轉向半徑小，并且比較安靜，適于隱蔽任務。波士頓動力公司致力于該仿生無人艇的開發(fā)，就是要通過發(fā)覺和利用水族生物的生物學原理來開發(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)進行改進，直到其成為一個超越傳統(tǒng)無人駕駛水下航行技術的可行性產品。美國海軍旨在裝備能執(zhí)行更長任務時間和足以克服海洋流速的無人作戰(zhàn)系統(tǒng)，這兩項指標都與美國海軍作戰(zhàn)部長提出的提高水下載體持久力的要求直接相關。

突飛猛進：空中仿生無人機

仿生技術是微型無人機和納米無人機設計和開發(fā)需要考慮的一個非常關鍵的因素，尤其是模仿鳥類/昆蟲的軀體和視覺的仿生技術。

美國航空環(huán)境公司的“納米蜂鳥”無人機飛行速度可高達18km/h，并能夠上下左右運動

美國聯(lián)邦航空管理局無人技術關鍵研究改進試驗機構之一的俄克拉荷馬州大學發(fā)言人稱，微型無人機和納米無人機的重要特征是能夠與其周圍環(huán)境協(xié)調，能在執(zhí)行任務期間不易被發(fā)現(xiàn)，為此，仿生的微型無人機和納米無人機從遠處看時一個個都長得像各種類型的鳥一樣。然而，這些外觀的變化大多都對性能有影響。

美國陸軍研究、發(fā)展及工程司令部下屬的陸軍研究試驗室目前正與工業(yè)部門和學術界合作，提高無人機的自主技術水平，最終使部隊能夠使用微型無人機獲得態(tài)勢感知能力。目前，一個由陸軍研究試驗室牽頭的稱為微型自主系統(tǒng)與技術聯(lián)盟的集團，正在合作開發(fā)小型的自主平臺以及相應傳感器、電子設備。

2012年11月，美國陸軍的基礎研究項目獲得一項5年延續(xù)合同，每年價值約750萬美元，按此續(xù)約，研究工作將持續(xù)到2017年底。美國國防高級研究計劃局、美國海軍和美國陸軍工程兵合作，該項研究工作一直把重點放在采用仿生技術，使微型無人機能夠使用尾部和附件捕獲、發(fā)布目標回波。

據(jù)微型自主系統(tǒng)與技術聯(lián)盟的發(fā)言人向軍事新聞媒體解釋稱，“這項工作一切都是為了通過無人平臺的自主運行，提高徒步士兵在城市和復雜地形下的戰(zhàn)術態(tài)勢感知能力”。該項目的研究重點著眼于洞穴、叢林和城市環(huán)境軍事行動的要求，因為在這些環(huán)境下士兵攜帶的系統(tǒng)受到尺寸、質量和功耗以及操作等的限制，對無人機性能提出了許多特殊的要求。對無人機的另一個能力要求是抗陣風干擾的能力，這是該項目一個特別關注的問題。

目前對項目評估的參數(shù)包括自主導航能力、在全球定位系統(tǒng)被拒止的作戰(zhàn)地域的三維測繪與導航能力、高頻載荷能力以及感應與感知能力。

德國費斯托公司的“蜻蜓”微型仿生直升機看上去就像一只蜻蜓，其操作非常簡單，在地面控制站可使用智能手機進行遙控

微型無人機仿生設計這方面的例子包括“納米蜂鳥”——美國國防高級研究計劃局與航空環(huán)境公司合作設計的無人機系統(tǒng)。據(jù)航空環(huán)境公司稱，“這種飛行器應用極小尺寸的生物學模仿技術，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)體型就像一只真實的蜂鳥。其16cm的機翼驅動“蜂鳥”以高達18km/h的速度飛行，并使之能夠上下左右運動。該微型無人機飛行總質量僅19g，包括電池、馬達、通信系統(tǒng)以及攝像機載荷在內。

“蜂鳥”已驗證其精確懸停飛行和遇陣風穩(wěn)定飛行的能力;懸停續(xù)航時間最長8分鐘;從18km/h速度飛行到懸停姿態(tài)轉換;從戶內到戶外條件的轉換，反之亦然，以及通過門口進入建筑物內的方式;運動視頻流傳輸;依靠其鳥形機體和機翼快速前飛的能力。

此外，德國費斯托（FESTO）公司也已設計出微型仿生無人直升機，其看上去就像一只蜻蜓。

“蜻蜓”微型仿生直升機能夠自主控制振翅頻率和驅動翅膀進入各種位置，儼然一架傾轉旋翼飛行器，其所有4只翅膀的方向和推力都能夠單個獨立調節(jié)，使其可幾乎到達各個空間角落。

“蜻蜓”微型仿生直升機機長44cm，翼展63cm，飛行總質量175g，采用石墨纖維材料制造機身。其中央電源系統(tǒng)裝在機身胸腔，由9個伺服馬達提供動力。

該微型無人機盡管在設計上非常復雜，但在操作上卻非常簡單，在地面控制站可使用智能手機進行控制。

姍姍來遲：陸上仿生無人平臺

在地面環(huán)境中，無人車在防務和安全應用方面的發(fā)展一直落后于空中和海上同類產品。諸如洛克希德·馬丁公司的“步行式班用保障系統(tǒng)”和奧什科什防務公司的“TerraMax”自動駕駛系統(tǒng)等類項目僅僅完成了美軍的鑒定性試驗計劃，而在投入使用方面尚無進展。

實際上，地面無人系統(tǒng)還沒有一個較為成熟的采用仿生技術的系統(tǒng)，盡管在這一領域的研制工作波士頓動力公司以其“大狗”四足機器人方案一直在進行，這一方案后來發(fā)展為“步行式班用保障系統(tǒng)”。這種較為特別的系統(tǒng)在設計上模仿了四足動物的身體動作，使之能夠“走、跑、爬”，能在各種地形條件下運載大負荷，包括傳感器負荷或者班組一級的補給裝備。

美國陸軍“大狗”四足機器人正在進行野外測試，這一方案后來發(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2m，總質量390kg。

在美國海軍陸戰(zhàn)隊和美國陸軍的鑒定性試驗中，“步行式班用保障系統(tǒng)”驗證了運載最大有效載荷180kg時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，包括光探測和測距、陀螺儀、立體視覺技術等。

該機器人的動力由帶減震和能量循環(huán)功能的4足液壓傳動系統(tǒng)提供。由機載計算機系統(tǒng)控制運動、傳感器載荷和平衡，包括車輛的液壓、油溫、發(fā)動機運行和蓄電池充電。

該項目最初由美國國防高級研究計劃局提供經費保障，美國陸軍研究試驗室的機器人合作技術聯(lián)盟負責研制，其主要目的是“創(chuàng)造未來高度自主的無人系統(tǒng)，使之能夠在混合環(huán)境下有效執(zhí)行軍事行動”。然而，在2015年12月“步行式班用保障系統(tǒng)”項目被美國海軍陸戰(zhàn)隊作戰(zhàn)試驗室以用于班組戰(zhàn)術行動噪聲太大和行動笨重遲緩為由而正式取消。

這一項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)：一種設計為最小化噪聲的電動系統(tǒng)?！靶」贰毕到y(tǒng)的尺寸約為“步行式班用保障系統(tǒng)”的1/4，只能運載18kg載荷，它同樣也配備了情報監(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：無人平臺的仿生支持技術

仿生研究不僅涉及到平臺本身，而且也涉及到集成到這些平臺上的支持技術。

2015年9月，麻省理工學院材料科學與工程設計系將仿生技術競賽一等獎授予一個學生小組，該小組基于“玻璃翅膀”蝴蝶原理研制出了一種太陽能電池涂層。這一概念能用于微型無人機和納米無人機的機翼上，使之能夠在白天飛行期間太陽能充電達到最優(yōu)化。

據(jù)麻省理工學院發(fā)言人稱，反射問題是許多光電子設備的一個通病，包括光電池、智能手機顯示屏甚至窗戶。比如說，普通太陽能電池是由硅制成的，要反射高達30%的陽光，這就大大降低了能源轉換利用效率。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構。這些納米錐形柱結構實質上起著反射涂層的作用，從蝴蝶翅膀上反射的陽光僅2～5%。

這一技術被證實對提高諸如“納米蜂鳥”等微型無人機的續(xù)航時間至關重要，例如，能使微型無人機有更長的空中待機時間，以更有效執(zhí)行關鍵性任務的情報監(jiān)視與偵察。

此外，美國陸軍正在研究昆蟲的寬視場能力，將其集成到微型無人機上，用以實現(xiàn)機載三維測繪與運動測定。按美國陸軍一位發(fā)言人的說法，盡管這一技術目前還不能有效運用，但它指明了今后研究的注意力應該聚焦在哪里。因為今天有人平臺與無人平臺的協(xié)同還需要士兵的大量實戰(zhàn)參與，但無人平臺在設計上需要具有在沒有士兵參與的情況下自主通過三維迷宮和規(guī)避障礙物的導航能力。一方面，技術可能提供最前沿的能力，而另一方面，技術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和跟蹤小目標的能力。

試驗型“步行式班用保障系統(tǒng)”正在接受測試。該項目因噪聲太大、行動笨重遲緩而于2015年12月被取消。地面作戰(zhàn)環(huán)境下的仿生無人平臺的發(fā)展相對滯后于海、空領域

任重道遠：仿生無人平臺需不斷突破

仿生無人平臺的發(fā)展在海、空領域各領風騷，陸地運用相對滯后。仿生技術的廣泛應用無疑將會對特種作戰(zhàn)部隊和偵察部隊的戰(zhàn)術、技術產生重大影響。

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

編輯/劉蘭芳