可穿戴设备赋能单兵作战

2019-09-18 06:09:08 轻兵器 2019年7期

郑鹏 黄天智 史云胜

4类可穿戴设备改变人类生活

可穿戴设备的形态丰富多样,其可穿戴于人体的多个部位,常见有手环、手表、眼镜等。按照穿戴部位不同,可穿戴设备分为头颈类、上肢类、躯干类、下肢类等4大类。

头颈类可穿戴设备,主要有虚拟现实(VR,Virtual geality)和增强现实(AR,Augmented Reality)类智能眼镜。它可以将地图、信息、照片、影音等内容投影在镜片上,同时还具有搜索、拍照、通话、定位导航等功能。用户可通过语音或者手势对设备进行操控。其代表产品有谷歌公司的谷歌眼镜和微软公司的Hololens全息眼镜。

上肢类可穿戴设备,主要有智能手环、智能手表等。除了传统的时间显示和闹钟提醒功能,这些设备还通过各类传感器实时检查使用者的心率、脉搏、步速、血氧等,从而获得用户运动或睡眠时的身体数据。与手机连接后,还能进行信息提醒显示、地图导航、手机应用操作等。这类设备比较常见的有小米手环、苹果iWatch、三星GalaxyWatch、华为Watch等。

躯干类可穿戴设备,主要有全身外骨骼和智能衣物等。它可以穿戴于人体躯干上,通過电子、机械、液压等技术,辅助增强人体的机能或实现某种特定功能。例如美国雷神公司的XOS全身外骨骼,它由各种复杂的机械结构、传感器、执行机构和控制器等组成,通过液压驱动,可使穿戴者轻松举起90kg的重物,还能击穿76.2mm厚的木板。智能衣物主要是将小型传感器、智能芯片等编织进衣物,可以感应周围的环境并收集相关信息来实现特定的功能。2018年8月,美国麻省理工学院团队通过一种新型制造方法,成功将发光二极管和传感器直接编织入纺织级聚合物纤维中。这种纤维非常柔韧,可以织成衣服面料,未来这些面料将用于通信、照明、生理监测等。

微软公司的Hololens全息眼镜

下肢类可穿戴设备,常见有下肢外骨骼和智能鞋垫等。下肢外骨骼可以辅助增加穿戴者的下肢力量、分担体力消耗,常见有帮助残障人士的助行外骨骼。美国洛克希德·马丁公司最新设计的Onyx下肢外骨骼系统,膝关节采用电机驱动实现人机协同运动,能辅助膝关节屈伸来减少穿戴者下肢运动时的能量消耗,增强人员的耐力。哥伦比亚一家设计公司发明的智能鞋垫Save OneLife,可通过感应周围大型金属与其产生的电磁场来提醒士兵改变前进路线。

谷歌眼镜

智能手环

智能手表

可穿戴设备提升单兵综合作战能力

虽然当前许多可穿戴技术仍处于研发初期,尚未成熟,但其在军事领域的广阔前景已形成广泛共识。装备可穿戴设备的智能士兵可强化信息交互,增强特定能力,更加符合未来信息化战争的需要,世界各国均投入大量财力物力发展军用可穿戴装备,形成了智能头盔、外骨骼系统、智能作战服等系列化军用装备,可大大增强单兵的综合作战能力。

智能鞋垫SaveOne Life

可穿戴设备能够增强士兵的战场态势感知能力

可穿戴装备对单兵作战能力的提升表现在以下几个方面。

通过信息无缝交互提高单兵态势感知能力

美国雷神公司的XOS全身外骨骼

下肢外骨骼系统

在未来复杂的数字化战场中,态势感知将成为决定战争胜负的关键。可穿戴设备的使用将极大地增强单兵的态势感知能力。穿用可穿戴装备的士兵可以在观察战场的同时,获得行动路线、友邻位置、敌方部署等战场信息,帮助其更加快速准确地做出决策和响应。

美国麻省理工学院团队将发光二极管和传感器直接编织入纺织级聚合物纤维中

通过身体状态实时监测提高单兵战场生存能力

智能作战服、手环等设备可实时监测士兵的生理指标,为指挥员评估其战场状态提供帮助,并使士兵得到及时救治。当士兵负伤时,他的生命体征和位置信息将发送给战场医务人员,伤员能够得到及时救助,从而提高战场生存能力。

通过机能辅助增强提高单兵机动行军能力

在现代高技术战争条件下,士兵遂行的行动任务增多,需要携带的装备和物资也相应增多,负荷越来越重,体能消耗大大增加,严重影响着士兵的行军速度、机动灵活性和持续作战能力。通过穿戴外骨骼系统和智能作战服,可以辅助增强人体的生理机能,减少代谢消耗,提高士兵负重能力,延长持久机动能力并提高机动速度。

通过威胁探测预警提高单兵战场防护能力

战场环境恶劣复杂,各种危险时刻威胁着战士的生命。除敌方火力打击这种可见的威胁外,还有狙击手、地雷、核辐射、生化武器等隐匿的危险。规避这些威胁,可穿戴设备能够发挥积极的作用。未来战场上,战士通过穿戴探测狙击手位置的背负式反狙击手探测装置、感知爆炸物的智能鞋垫、自动预警核生化威胁的生物传感器等便携式可穿戴设备,能够提前对周围的威脅源进行感知预警,相应地采取规避措施,从而有效提高单兵的主动防护能力。

军事应用之路任重而道远

可穿戴设备在民用领域已有很多成熟产品,但在军事领域的应用仍处于萌芽阶段。主要原因是军事应用对可穿戴设备的可靠性、鲁棒性、安全性等要求更加严苛。

当前可穿戴设备相关技术还有不少问题亟待解决——

系统质量问题

受技术现状和成熟度的限制,当前军用可穿戴设备的质量解决还不成熟,给使用者带来的体验并不理想。尤其是头颈类的可穿戴装备,由于质量过重,士兵极易产生压迫感和疲劳感,影响作战行动有效进行。针对这个问题,一方面可以寻求材料方面的突破,找到一种更加轻盈,同时足够结实耐用的新型材料来降低可穿戴设备的系统质量。另一方面,需要持续大力推动集成化和微型化技术攻关,采用先进的封装技术,通过系统级封装微型化技术,将元件整合到极小的单一封装中,以简化电路板设计和小型化装备设计,努力减小系统整体质量,争取达到可“忽视存在”的效果。

新型轻质材料的使用可有效减小可穿戴设备的质量

续航时间问题

为了更好地实现其功能,可穿戴设备需增加更多更强的传感器、控制器等电子元件,设备功率需求也随之增加。另外,实时监测和随时响应的工作机制也使得可穿戴设备的功耗高于其他设备。可穿戴设备效能的发挥高度依赖电源支持,电能耗尽后即成为负担。而在激烈对抗的实际战场中,士兵完成战斗任务时很难得到额外的电源支持。因此,续航时间问题是制约可穿戴设备在军事领域应用的关键因素之一。破解这个问题,一是需要进一步优化电源管理,同时发展低功耗器件,尽可能降低系统运行功耗。二是迫切需要找到更高能量密度,同时更可靠、更安全的电池技术。就目前已知的电池类型来看,拥有最高能量密度的锂氟化碳电池具有较好的发展前景。2018年,美国橡树岭国家实验室通过使用固态电解质成功增加锂氟化碳电池容量,实现了超大电量的可能。三是进一步提高环境发电的转化效率。高效太阳能发电、人体运动微发电、体温感应微发电、血液微发电等技术的不断发展成熟,可以直接为可穿戴设备提供不问断的能源供给,解决续航时长问题。

人机适应性问题

可穿戴设备是人机紧耦合设备,其对人机协调性、穿戴舒适性有较高的要求。目前可穿戴设备在军事上的应用仍处在基础功能实现阶段。如何在增强士兵机能的同时不影响士兵的灵活性,如何在额外增加设备的同时不影响士兵对武器的操控等人机适应性问题,还需要不断探索与改进。在穿戴舒适性方面,柔性器件的发展研究应在可穿戴设备后续发展中得到更多重视,使得产品更加柔软舒适、更加贴合人体,最终达到与士兵身体的完美结合。在操作便捷性方面,设计过程中将对人机工效给予更加充分考虑,随着手势控制、语音控制等技术更加成熟,以及肌电、脑电等新型控制技术的不断发展,士兵的双手将被真正解放出来,可穿戴设备的人机交互方式变得更加多元与友好。

可穿戴设备需要更加高效的能源

利用脑电控制无人装备

操作系统问题

操作系统作为可穿戴设备的大脑,是设备的基础核心,它的性能直接决定着设备的优劣。与电脑、手机等设备相比,可穿戴设备需要更加简洁高效的操作系统。目前常见的可穿戴设备操作系统主要有VxWorks、μClinux等实时操作系统(RTOS),以及定制裁减版Android、Android Wear等Android系统,还有三星的Tizen系统和苹果的IOSWear系统。这4类操作系统均具有一定的成熟度,使用方面各有优缺点,民用可穿戴设备可以根据产品特点进行自由选择。但是作为军事应用,对可穿戴设备有着特殊的要求。操作系统作为其核心关键技术,应该采用国产系统,做到自主可控。由于这类操作系统技术难度高、需求量小等原因,国内的科技公司在该领域鲜有建树,这也是我国可穿戴设备军事应用所面临的最大问题之一。当前,实际得到应用的国产可穿戴设备只有华为的Liteos操作系统。未来应不断加大对国产操作系统开发的资金投入,尽快研发出更多更好用的国产操作系统。

华为LiteOS是用于可穿戴设备的国产操作系统

传感器问题

传感器是可穿戴设备的触角,也是其智能化的基础。军用可穿戴设备对传感器的需求主要为运动传感、生物传感和环境传感等。运动传感技术包括加速度传感器、陀螺仪、电磁传感器、大气传感器等,实现运动探测、导航、人机交互功能,进而达到测量、记录和分析人体活动的效果。生物传感技术主要采用血压传感器、心电传感器、肌电传感器、体温传感器、脑电波传感器,实现人体生理机能参数测定、评估士兵作战状态,为支援保障提供数据支撑。环境传感技术主要采用温湿度传感器、气压传感器、紫外线传感器、麦克风、图像视频采集设备等,对战场环境实时感知。随着技术发展进步,可穿戴设备的智能化要求越来越高,需要获得的数据也会越来越多,这就需要更多传感器,同时对传感器的测量精度和稳定性也提出了更高的要求。民用可穿戴设备的传感器测量失误也许仅仅给使用者一个不正确的运动建议,作为辅助功能来说影响并不大,但在军事领域,出现这样的错误可能会引起灾难性的后果。因此,在军事应用中传感器的精度和稳定性必须得到足够的重视,使其能够在高度恶劣的战场环境中准确可靠地感知使用者的状态和周边环境情况,为战场决策提供有效的帮助。

一种可贴在身体表面的柔性传感器

数据安全问题必须得到足够重视

数据交流通信问题

随着可穿戴设备功能的日渐强大,复杂的设备可能由多个功能组件构成,各组件之间必须建立可靠的数据交流通道。另外,可穿戴设备不会独立地存在,为了实现其潜能,必须采用某种方式接入更广泛的物联网生态系统当中,以便与其他设备进行交互。因此,设备内部组件之间、设备与设备之间如何进行快速稳定的数据交换,如何避免连接线缆对士兵运动的干扰等亦是可穿戴设备军事应用需要面对的重要问题。针对这一问题,采用柔性材料將电子线路编织到衣物中和采用短距无线实时传输技术是目前比较主流的两种解决方案。智能编织物的方案可以较好解决设备内部数据交流通信的问题,对于不同设备之间的交流通信,采用短距无线实时传输技术的方案则更加可行。该方案围绕单兵构建了无线传输身体网络,能够实现可穿戴设备之间的无线实时传输功能,有效降低线缆连接的复杂度,减小对士兵战术动作的影响。

数据安全问题

军用可穿戴设备的应用将会成为指挥网络中的关键节点,必须保证其数据安全。一方面需对其数据采用必要的加密手段,降低信息被盗取或冒用的风险。另一方面,由于可穿戴设备本身的便携属性,必须考虑设备遗失后的安全保密问题。设备在使用时应具有身份认证环节,必要时可采用人体生理特征进行认证。当认定用户非法时,设备应被拒绝入网,能够自行锁定并销毁数据,防止设备泄密。

随着科技的不断发展,以及制造工艺的日益进步,可穿戴设备在军事领域的应用前景会更加广阔。应用可穿戴设备的战士将由普通士兵转变成信息时代的“智兵”,其战场感知能力、机动能力、防护能力与生存能力都将得到巨大提升。同时,每名士兵就像一个个信息的“触角”,将战场信息及时反馈给上级指挥员,为分析和把握战场态势、做出指挥决策等提供技术支撑。

可穿戴设备将成为单兵作战能力的“倍增器”,势必会在未来数字化战场中发挥更重要的作用。

编辑/高燕燕

构建短距无线通信网络成为未来可穿戴设备通信的主流

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