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講武談兵|機器鷹、機器魚……軍用仿生機器人嶄露頭角
近期,在解放軍新聞傳播中心舉辦的“槍王挑戰賽”上,一款外形很像一只老鷹的小型撲翼無人機引發外界的熱議。
近年來,軍用仿生機器人越來越受到各國軍方的重視。在影視、新聞報道以及網絡圖文中,我們會經常看到很多軍用仿生機器人的身影。由于軍用仿生機器人采用了仿生技術,在外形、結構設計以及行動姿態上與動物、鳥類、魚類以及昆蟲有很多相似之處,我們也可以很容易地將軍用仿生機器人與其他類型的無人裝備區分開。
外形很像一只老鷹的小型撲翼無人機亮相演兵場。
走向現實的仿生機器人
按照仿生類型的不同,筆者認為軍用仿生機器人大致可以分為三類:一是模仿鳥類和飛行昆蟲、具備飛行能力的撲翼式機器人,比如機器鷹、機器雀、機器甲蟲等;第二類是模仿魚類以及水中爬行類動物、具備水下航行能力的潛游式機器人,比如機器鯊魚、機器蝠鲼、機器鱷魚等;第三類則是筆者之前在專欄文章中提到的模仿陸生動物和昆蟲、具備陸上行走能力的多足機器人,比如機器狗、機器騾子、機器蛇、機器蜘蛛等。
當然,還有一類更為特殊的仿生機器人,就是模仿人類進行設計的雙足行走式機器人,最為著名的型號當屬波士頓動力公司的ATLAS,馬斯克的特斯拉公司也推出了名為“擎天柱”的雙足機器人。不過,以目前雙足機器人技術水平想要發展到科幻電影中“終結者”T-800那樣先進的戰斗機器人,恐怕還需要很長的時間。所以,筆者在本文介紹軍用仿生機器人時,暫時將雙足機器人排除在外了。
相比傳統的無人機、無人車以及無人潛航器等無人裝備,軍用仿生機器人一個較為顯著的不同之處就在于其偽裝性和隱蔽性非常好。在外形設計以及涂裝上,軍用仿生機器人都盡可能地接近其模仿的動物及昆蟲。而且,軍用仿生機器人的行動姿態,無論是在空中撲翼飛行,還是在地面利用肢體行走,還是在水中搖擺游動,都與其模仿的對象非常相似。一般來說,除非將軍用仿生機器人俘獲或者擊落,查看其內部結構,才能發現其并非真正的動物和昆蟲。否則,只是依靠目視在較遠距離觀察,人們很難分辨出哪些是真的動物,哪些是有可能構成威脅的軍用仿生機器人。
未來仿生機器人在情報和戰場上的運用可能會越來越多。
在2017年上映的美國軍事題材電影《天空之眼》中,就有不少鏡頭表現了軍用仿生機器人利用其偽裝,對可疑人員目標實施近距離偵察的場面。其中出現的軍用仿生機器人為兩種撲翼式機器人,一種為模仿當地常見小型鳥類的機器雀,另一種則是體積更小的機器甲蟲。
機器雀主要降落在目標房屋周圍的高處,比如電線桿上實施長時間的監視和偵察。在發現可疑人員目標后,操作人員還可以遙控機器雀飛行到更接近房屋窗口的地方,進行抵近偵察。而機器雀頭部張開的鳥喙內就是偵察所用的高清攝像頭,飛行時的噪聲非常小,與真實的鳥類幾乎一模一樣。
更讓人拍手叫絕的當屬全身黑褐色的機器甲蟲,其體積要比機器雀小得多,撲翼設計與真實的甲蟲完全相同。由于體積更小且并不引人注意,機器甲蟲就可以通過窗口或者大門進入到室內,進行更近距離的偵察監視。在影片中,機器甲蟲飛入室內,落在房梁上,利用其頭部安裝的高清攝像頭拍攝室內的人員,而帶有金屬光澤的腹部無疑就是提供動力能源的電池了。
技術難度不小的仿生機器人
在之前筆者參加的國防類展會上,也曾經看到過國內企業研發的仿生潛游式機器人,包括機器鯊魚和機器蝠鲼。機器鯊魚的身體分為幾段,背鰭、尾鰭和腹鰭都是按照真實鯊魚的樣子設計的,通過身體的擺動來前進,速度也并不比真實的鯊魚慢。這樣的機器鯊魚如果與其他水面艦艇、潛艇配合作戰,在敵方海岸或者近海長時間活動,監視敵方艦艇的活動,可以說是非常有效的。不過,在展會上更多吸引參展觀眾目光的還要數機器金龍魚,其外形設計非常逼真,游泳的姿態也很自然,如果不仔細看很難分辨出是仿生機器人。
此外,軍用仿生機器人在戰場上并不只是利用其可以迷惑敵人的外表來進行監視偵察,如果其內部安裝戰斗部或者進行某種改裝設計,同樣可以具備攻擊能力。比如,體型較大的機器鷹可以裝備高強度合金制造的鷹爪和喙,從空中俯沖殺傷敵方人員。機器鯊魚可以在魚嘴內安裝鋒利的牙齒殺傷敵方蛙人,或者利用堅硬的頭部沖撞敵人。如何有效地對付蛙人一直是世界各國的難題之一,美國海軍甚至曾經訓練海豚來執行反蛙人任務。那么,隨著仿生機器人技術的進一步發展,以后就可以批量裝備機器鯊魚這類水下潛游式機器人來作為反蛙人的利器之一。
展會上展示的機器金龍魚,其外形設計非常逼真,游泳的姿態也很自然,如果不仔細看很難分辨出是仿生機器人。
不過,從技術角度來講,想要研發成功一款軍用仿生機器人,除了要對要模仿的對象生物有足夠的研究和了解之外,還需要幾個方面先進技術的支持。首先就是動力系統,不同于其他類型的無人裝備還可以采用燃油發動機,軍用仿生機器人只能采用電驅動系統。一方面是因為軍用仿生機器人一般體積都比較小,無法安裝燃油發動機。
另一方面,燃油發動機都存在噪聲較大的缺陷,如果軍用仿生機器人采用這種發動機,很容易就會被敵方發現識破,進而也失去了偽裝隱蔽的價值了。所以,軍用仿生機器人在要求電驅動系統體積小、重量輕的同時,也要求其具備盡可能更大的續航力。
其次,軍用仿生機器人對于所使用材料的要求也比較高,既要足夠輕,又要強度高,而且成本上也可以承受,最好是非金屬材料,以減少雷達反射截面。所以,例如高強度碳纖維等復合材料都是用來制造軍用仿生機器人的最佳選擇。
最后,對于要模仿的對象生物的生理結構、行動方式等必須有全面深入的了解,再以機械動力學與結構設計,特別是控制系統的設計有機融合在一起,才能夠成功完成軍用仿生機器人的研制。
仿生機器蝠鲼外形上與動物蝠鲼非常相似。
比如,對于飛行的撲翼式機器人,其飛行過程中翅膀在不停擺動,機器人的重心與氣動中心在不斷變化,氣動力學特性與采用螺旋槳或者噴氣式動力的無人機完全不同。而潛游式機器人要模仿魚類的游動,身體擺動的幅度和頻率如何確定,背鰭、尾鰭以及腹鰭之間如何配合以保持穩定,都是需要攻克的技術難關。特別是在空中和水下運動時,撲翼式機器人和潛游式機器人都會分別受到復雜氣流和水流的影響。如何在這種情況下保持穩定運行,而不至于遭到一股強力氣流和水流的沖擊便失控,也是軍用仿生機器人能否成功的關鍵之一。
目前,世界上研究軍用仿生機器人技術水平最高的還是美國,而且絕大多數都受到了美國國防高級研究計劃局的資助和支持,類型也非常多樣化。比如,美國東北大學在美國國防高級研究計劃局的資助下研制了一款機器龍蝦,其不僅具備潛游能力,還可以利用8條機械腿在海底行走,主要用于掃雷作業。而同樣可以執行掃雷任務的還有美國iRobot公司研發的機器螃蟹。在其他類型的軍用仿生機器人方面,美國密歇根大學工程學院研制了可以飛行的機器蝙蝠,大名鼎鼎的波士頓動力公司則與其他機構合作,聯合研制了“沙蚤”跳躍機器人和機器壁虎。
可以預見,隨著AI技術的飛速發展,未來的軍用仿生機器人將更加聰明,可以在很大程度上擺脫對于操控人員以及預設程序的依賴,而具備一定的自主執行任務的能力。
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