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可穿戴設備 賦能單兵作戰

2019-10-07  昵稱m5Gu5

      專門介紹輕武器的權威軍事刊物!

      核心內容提要

      可穿戴設備起源于1960年代,由麻省理工學院媒體實驗室首次提出,意指將多媒體、傳感器和無線通信等技術整合到衣服或其他可直接穿于身上的配件當中,實現人機信息實時交互的智能設備。經過多年的發展,伴隨著半導體器件集成化、小型化技術的不斷進步和移動互聯網的快速發展,越來越多的智能可穿戴設備從概念變成現實。

      4類可穿戴設備改變人類生活

      可穿戴設備的形態豐富多樣,其可穿戴于人體的多個部位,常見的有手環、手表、眼鏡等。按照穿戴部位不同,可穿戴設備分為頭頸類、上肢類、軀干類、下肢類等4大類。

      頭頸類可穿戴設備,主要有虛擬現實(VR,Virtual Reality)和增強現實(AR,Augmented Reality)類智能眼鏡。它可以將地圖、信息、照片、影音等內容投影在鏡片上,同時還具有搜索、拍照、通話、定位導航等功能。用戶可通過語音或者手勢對設備進行操控。其代表產品有谷歌公司的谷歌眼鏡和微軟公司的Hololens全息眼鏡。

      谷歌眼鏡


      上肢類可穿戴設備,主要有智能手環、智能手表等。除了傳統的時間顯示和鬧鐘提醒功能,這些設備還通過各類傳感器實時檢查使用者的心率、脈搏、步速、血氧等,從而獲得用戶運動或睡眠時的身體數據。與手機連接后,還能進行信息提醒顯示、地圖導航、手機應用操作等。這類設備比較常見的有小米手環、蘋果iWatch、三星Galaxy Watch、華為Watch等。

      智能手表


      軀干類可穿戴設備,主要有全身外骨骼和智能衣物等。它可以穿戴于人體軀干上,通過電子、機械、液壓等技術,輔助增強人體的機能或實現某種特定功能。例如美國雷神公司的XOS全身外骨骼,它由各種復雜的機械結構、傳感器、執行機構和控制器等組成,通過液壓驅動,可使穿戴者輕松舉起90kg的重物,還能擊穿76.2mm厚的木板。智能衣物主要是將小型傳感器、智能芯片等編織進衣物,可以感應周圍的環境并收集相關信息來實現特定的功能。2018年8月,美國麻省理工學院團隊通過一種新型制造方法,成功將發光二極管和傳感器直接編織入紡織級聚合物纖維中。這種纖維非常柔韌,可以織成衣服面料,未來這些面料將用于通信、照明、生理監測等。

      美國雷神公司XOS全身外骨骼


      下肢類可穿戴設備,常見有下肢外骨骼和智能鞋墊等。下肢外骨骼可以輔助增加穿戴者的下肢力量、分擔體力消耗,常見的有幫助殘障人士的助行外骨骼。美國洛克希德·馬丁公司最新設計的Onyx下肢外骨骼系統,膝關節采用電機驅動實現人機協同運動,能輔助膝關節屈伸來減少穿戴者下肢運動時的能量消耗,增強人員的耐力。哥倫比亞一家設計公司發明的智能鞋墊Save One Life,可通過感應周圍大型金屬與其產生的電磁場來提醒士兵改變前進路線。

      下肢外骨骼系統  

      智能鞋墊Save One Life

      可穿戴設備提升單兵綜合作戰能力

      雖然當前許多可穿戴技術仍處于研發初期,尚未成熟,但其在軍事領域的廣闊前景已形成廣泛共識。裝備可穿戴設備的智能士兵可強化信息交互,增強特定能力,更加符合未來信息化戰爭的需要,世界各國均投入大量財力物力發展軍用可穿戴裝備,形成了智能頭盔、外骨骼系統、智能作戰服等系列化軍用裝備,可大大增強單兵的綜合作戰能力。

      可穿戴裝備對單兵作戰能力的提升表現在以下幾個方面。

      通過信息無縫交互提高單兵態勢感知能力

      在未來復雜的數字化戰場中,態勢感知將成為決定戰爭勝負的關鍵。可穿戴設備的使用將極大地增強單兵的態勢感知能力。穿用可穿戴裝備的士兵可以在觀察戰場的同時,獲得行動路線、友鄰位置、敵方部署等戰場信息,幫助其更加快速準確地做出決策和響應。

      通過身體狀態實時監測提高單兵戰場生存能力

      智能作戰服、手環等設備可實時監測士兵的生理指標,為指揮員評估其戰場狀態提供幫助,并使士兵得到及時救治。當士兵負傷時,其生命體征和位置信息將發送給戰場醫務人員,使傷員能夠得到及時救助,從而提高戰場生存能力。 

      通過機能輔助增強提高單兵機動行軍能力

      在現代高技術戰爭條件下,士兵遂行的行動任務增多,需要攜帶的裝備和物資也相應增多,負荷越來越重,體能消耗大大增加,嚴重影響著士兵的行軍速度、機動靈活性和持續作戰能力。通過穿戴外骨骼系統和智能作戰服,可以輔助增強人體的生理機能,減少代謝消耗,提高士兵負重能力,延長持久機動能力并提高機動速度。

      通過威脅探測預警提高單兵戰場防護能力

      戰場環境惡劣復雜,各種危險時刻威脅著戰士的生命。除敵方火力打擊這種可見的威脅外,還有狙擊手、地雷、核輻射、生化武器等隱匿的危險。規避這些威脅,可穿戴設備能夠發揮積極的作用。未來戰場上,戰士通過穿戴探測狙擊手位置的背負式反狙擊手探測裝置、感知爆炸物的智能鞋墊、自動預警核生化威脅的生物傳感器等便攜式可穿戴設備,能夠提前對周圍的威脅源進行感知預警,相應地采取規避措施,從而有效提高單兵的主動防護能力。

      可穿戴設備能夠增強士兵的多重能力

      軍事應用之路任重而道遠

      可穿戴設備在民用領域已有很多成熟產品,但在軍事領域的應用仍處于萌芽階段。主要原因是軍事應用對可穿戴設備的可靠性、魯棒性、安全性等要求更加嚴苛。

      當前可穿戴設備相關技術還有不少問題亟待解決——

      系統質量問題

      受技術現狀和成熟度的限制,當前軍用可穿戴設備的質量解決還不成熟,給使用者帶來的體驗并不理想。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,影響作戰行動有效進行。針對這個問題,一方面可以尋求材料方面的突破,找到一種更加輕盈,同時足夠結實耐用的新型材料來降低可穿戴設備的系統質量。另一方面,需要持續大力推動集成化和微型化技術攻關,采用先進的封裝技術,通過系統級封裝微型化技術,將元件整合到極小的單一封裝中,以簡化電路板設計和小型化裝備設計,努力減小系統整體質量,爭取達到可“忽視存在”的效果。

      新型輕質材料的使用可有效減小可穿戴設備的質量

      續航時間問題

      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。而在激烈對抗的實際戰場中,士兵完成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關鍵因素之一。

      破解這個問題,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。二是迫切需要找到更高能量密度,同時更可靠、更安全的電池技術。就目前已知的電池類型來看,擁有最高能量密度的鋰氟化碳電池具有較好的發展前景。2018年,美國橡樹嶺國家實驗室通過使用固態電解質成功增加鋰氟化碳電池容量,實現了超大電量的可能。三是進一步提高環境發電的轉化效率。高效太陽能發電、人體運動微發電、體溫感應微發電、血液微發電等技術的不斷發展成熟,可以直接為可穿戴設備提供不間斷的能源供給,解決續航時長問題。

      可穿戴設備需要更加高效的能源

      人機適應性問題

      可穿戴設備是人機緊耦合設備,其對人機協調性、穿戴舒適性有較高的要求。目前可穿戴設備在軍事上的應用仍處在基礎功能實驗階段。如何在增強士兵機能的同時不影響士兵的靈活性,如何在額外增加設備的同時不影響士兵對武器的操控等人機適應性問題,還需要不斷探索與改進。

      在穿戴舒適性方面,柔性器件的發展研究應在可穿戴設備后續發展中得到更多重視,使得產品更加柔軟舒適、更加貼合人體,最終達到與士兵身體的完美結合。

      在操作便捷性方面,設計過程中將對人機工效給予更加充分考慮,隨著手勢控制、語音控制等技術更加成熟,以及肌電、腦電等新型控制技術的不斷發展,士兵的雙手將被真正解放出來,可穿戴設備的人機交互方式變得更加多元與友好。

      操作系統問題

      操作系統作為可穿戴設備的大腦,是設備的基礎核心,它的性能直接決定著設備的優劣。與電腦、手機等設備相比,可穿戴設備需要更加簡潔高效的操作系統。目前常見的可穿戴設備操作系統主要有VxWorks、μClinux等實時操作系統(RTOS),以及定制裁減版Android、Android Wear等Android系統,還有三星的Tizen系統和蘋果的IOS Wear系統。這4類操作系統均具有一定的成熟度,使用方面各有優缺點,民用可穿戴設備可以根據產品特點進行自由選擇。

      但是作為軍事應用,對可穿戴設備有著特殊的要求。操作系統作為其核心關鍵技術,應該采用國產系統,做到自主可控。由于這類操作系統技術難度高、需求量小等原因,國內的科技公司在該領域鮮有建樹,這也是我國可穿戴設備軍事應用所面臨的最大問題之一。當前,實際得到應用的國產可穿戴設備只有華為的LiteOS操作系統。未來應不斷加大對國產操作系統開發的資金投入,盡快研發出更多更好用的國產操作系統。

      利用腦電控制無人裝備


      華為LiteOS是用于可穿戴設備的國產操作系統

      傳感器問題

      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。運動傳感技術包括加速度傳感器、陀螺儀、電磁傳感器、大氣傳感器等,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效果。

      生物傳感技術主要采用血壓傳感器、心電傳感器、肌電傳感器、體溫傳感器、腦電波傳感器,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。

      環境傳感技術主要采用溫濕度傳感器、氣壓傳感器、紫外線傳感器、麥克風、圖像視頻采集設備等,對戰場環境實時感知。

      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僅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,使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的幫助。

      一種可貼在身體表面的柔性傳感器

      數據交流通信問題

      隨著可穿戴設備功能的日漸強大,復雜的設備可能由多個功能組件構成,各組件之間必須建立可靠的數據交流通道。另外,可穿戴設備不會獨立地存在,為了實現其潛能,必須采用某種方式接入更廣泛的物聯網生態系統當中,以便與其他設備進行交互。因此,設備內部組件之間、設備與設備之間如何進行快速穩定的數據交換,如何避免連接線纜對士兵運動的干擾等亦是可穿戴設備軍事應用需要面對的重要問題。

      針對這一問題,采用柔性材料將電子線路編織到衣物中和采用短距無線實時傳輸技術是目前比較主流的兩種解決方案。智能編織物的方案可以較好解決設備內部數據交流通信的問題,對于不同設備之間的交流通信,采用短距無線實時傳輸技術的方案則更加可行。該方案圍繞單兵構建了無線傳輸通信網絡,能夠實現可穿戴設備之間的無線實時傳輸功能,有效降低線纜連接的復雜度,減小對士兵戰術動作的影響。

      數據安全問題

      軍用可穿戴設備的應用將會成為指揮網絡中的關鍵節點,必須保證其數據安全。一方面需對其數據采用必要的加密手段,降低信息被盜取或冒用的風險。另一方面,由于可穿戴設備本身的便攜屬性,必須考慮設備遺失后的安全保密問題。設備在使用時應具有身份認證環節,必要時可采用人體生理特征進行認證。當認定用戶非法時,設備應被拒絕入網,能夠自行鎖定并銷毀數據,防止設備泄密。

      數據安全問題必須得到足夠重視

      隨著科技的不斷發展,以及制造工藝的日益進步,可穿戴設備在軍事領域的應用前景會更加廣闊。應用可穿戴設備的戰士將由普通士兵轉變成信息時代的“智兵”,其戰場感知能力、機動能力、防護能力與生存能力都將得到巨大提升。同時,每名士兵就像一個個信息的“觸角”,將戰場信息及時反饋給上級指揮員,為分析和把握戰場態勢、做出指揮決策等提供技術支撐。

      可穿戴設備將成為單兵作戰能力的“倍增器”,勢必會在未來數字化戰場中發揮更重要的作用。

      構建短距無線通信網絡成為未來可穿戴設備通信的主流

      編輯:王曉濤 曾振宇 王晨陽

      校對:曾振宇

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