仿生无人平台：陆海空谁领风骚？

2016-07-18刘畅刘焕松

轻兵器 2016年13期

刘畅+刘焕松

德国费斯托（FESTO）公司的仿生机器人系列之“智能小鸟”

德国FESTO公司的仿生机器人系列之“蜻蜓”微型仿生直升机

现代作战对情报侦搜尤为重视，这一军事需求即为仿生无人平台开启了更大的发展空间。

仿生无人平台虽然目前在全球防务和安全市场上尚未大量涌现，但其使用效果已越来越得到肯定。像美国国防高级研究计划局和麻省理工学院这类研究机构，以及卡内基梅隆大学这类研究型大学，一直致力于设计和改进能够模仿包括鱼类、昆虫等动物的自由活动，能在陆、海、空不同自然环境下有效活动的无人平台。

尽管目前的仿生机器人还没有达到足以适合在现代作战环境下使用的成熟程度，但在这一领域的持续研究和发展即将呈现出巨大的应用能力，如为专业部队提供隐蔽执行情报搜集、监视和侦察行动的能力。

“幽灵游泳者”仿生无人艇的仿生设计使之能够以和鱼一样的方式驱动航行，并且还具有同样较低的噪声特征，适于执行隐蔽任务

一马当先：海上仿生无人艇

目前正在研发中的较为成熟的仿生项目之一是美国海军的“无声尼莫”（尼莫为美国动画片《海底总动员》中的一只小丑鱼）计划，其旨在研制一种模仿金枪鱼摆动的自主式水下机器人，实际上就是一种间谍式仿生无人艇，用以执行情报侦搜任务。该项目由美国海军作战部长领导的速成技术革新小组承担，成为美国海军和国防部在水上和水下作战以及空中和地面环境下开发利用仿生技术的大型项目的一部分。

“无声尼莫”仿生无人艇，又称“幽灵游泳者”仿生无人艇，其由波士顿动力公司（2013年被谷歌公司收购）设计，长约1.52m，质量约45.4kg。可在100m深的水下隐秘活动，执行一系列特定任务。其由摆尾和尾鳍驱动，有独立的集成载荷仓，配备有用于情报监视与侦察任务的传感器载荷，以及用于定位数据的全球定位系统和声呐装置。出于技术保密考虑，对于续航时间这类关键数据，项目负责人目前尚未透露。

“幽灵游泳者”仿生无人艇正在进行测试中

“幽灵游泳者”仿生无人艇于2014年12月在弗吉尼亚州的利特尔·克里克-福特·斯道瑞联合远征基地完成测试，成功验证了其自主对抗能力以及适应水流和潮汐状况的海上和濒海环境隐蔽活动的能力。据美国政府的一个消息来源称，其生物仿生性能提高了其在低可视环境下执行情报监视与侦察任务的安全性。

另据该项目主管托马斯·麦克纳称，继2014年12月测试完成之后，研发工作的下一阶段工作包括感知与规避传感器载荷的集成。目前，“幽灵游泳者”还只能用150m长的系绳与母舰相连活动，向控制台往返发送与接收数据。因此，对障碍探测和规避的感应与控制技术将是有待集成的下一项技术。

“幽灵游泳者”活动敏捷，转向半径小，并且比较安静，适于隐蔽任务。波士顿动力公司致力于该仿生无人艇的开发，就是要通过发觉和利用水族生物的生物学原理来开发更加敏捷、有效和隐形的水下载体。

“幽灵游泳者”还将继续进行改进，直到其成为一个超越传统无人驾驶水下航行技术的可行性产品。美国海军旨在装备能执行更长任务时间和足以克服海洋流速的无人作战系统，这两项指标都与美国海军作战部长提出的提高水下载体持久力的要求直接相关。

突飞猛进：空中仿生无人机

仿生技术是微型无人机和纳米无人机设计和开发需要考虑的一个非常关键的因素，尤其是模仿鸟类/昆虫的躯体和视觉的仿生技术。

美国航空环境公司的“纳米蜂鸟”无人机飞行速度可高达18km/h，并能够上下左右运动

美国联邦航空管理局无人技术关键研究改进试验机构之一的俄克拉荷马州大学发言人称，微型无人机和纳米无人机的重要特征是能够与其周围环境协调，能在执行任务期间不易被发现，为此，仿生的微型无人机和纳米无人机从远处看时一个个都长得像各种类型的鸟一样。然而，这些外观的变化大多都对性能有影响。

美国陆军研究、发展及工程司令部下属的陆军研究试验室目前正与工业部门和学术界合作，提高无人机的自主技术水平，最终使部队能够使用微型无人机获得态势感知能力。目前，一个由陆军研究试验室牵头的称为微型自主系统与技术联盟的集团，正在合作开发小型的自主平台以及相应传感器、电子设备。

2012年11月，美国陆军的基础研究项目获得一项5年延续合同，每年价值约750万美元，按此续约，研究工作将持续到2017年底。美国国防高级研究计划局、美国海军和美国陆军工程兵合作，该项研究工作一直把重点放在采用仿生技术，使微型无人机能够使用尾部和附件捕获、发布目标回波。

据微型自主系统与技术联盟的发言人向军事新闻媒体解释称，“这项工作一切都是为了通过无人平台的自主运行，提高徒步士兵在城市和复杂地形下的战术态势感知能力”。该项目的研究重点着眼于洞穴、丛林和城市环境军事行动的要求，因为在这些环境下士兵携带的系统受到尺寸、质量和功耗以及操作等的限制，对无人机性能提出了许多特殊的要求。对无人机的另一个能力要求是抗阵风干扰的能力，这是该项目一个特别关注的问题。

目前对项目评估的参数包括自主导航能力、在全球定位系统被拒止的作战地域的三维测绘与导航能力、高频载荷能力以及感应与感知能力。

德国费斯托公司的“蜻蜓”微型仿生直升机看上去就像一只蜻蜓，其操作非常简单，在地面控制站可使用智能手机进行遥控

微型无人机仿生设计这方面的例子包括“纳米蜂鸟”——美国国防高级研究计划局与航空环境公司合作设计的无人机系统。据航空环境公司称，“这种飞行器应用极小尺寸的生物学模仿技术，使这种异乎寻常的飞行器能够在城市环境提供新的侦察与监视能力”。

该系统体型就像一只真实的蜂鸟。其16cm的机翼驱动“蜂鸟”以高达18km/h的速度飞行，并使之能够上下左右运动。该微型无人机飞行总质量仅19g，包括电池、马达、通信系统以及摄像机载荷在内。

“蜂鸟”已验证其精确悬停飞行和遇阵风稳定飞行的能力;悬停续航时间最长8分钟;从18km/h速度飞行到悬停姿态转换;从户内到户外条件的转换，反之亦然，以及通过门口进入建筑物内的方式;运动视频流传输;依靠其鸟形机体和机翼快速前飞的能力。

此外，德国费斯托（FESTO）公司也已设计出微型仿生无人直升机，其看上去就像一只蜻蜓。

“蜻蜓”微型仿生直升机能够自主控制振翅频率和驱动翅膀进入各种位置，俨然一架倾转旋翼飞行器，其所有4只翅膀的方向和推力都能够单个独立调节，使其可几乎到达各个空间角落。

“蜻蜓”微型仿生直升机机长44cm，翼展63cm，飞行总质量175g，采用石墨纤维材料制造机身。其中央电源系统装在机身胸腔，由9个伺服马达提供动力。

该微型无人机尽管在设计上非常复杂，但在操作上却非常简单，在地面控制站可使用智能手机进行控制。

姗姗来迟：陆上仿生无人平台

在地面环境中，无人车在防务和安全应用方面的发展一直落后于空中和海上同类产品。诸如洛克希德·马丁公司的“步行式班用保障系统”和奥什科什防务公司的“TerraMax”自动驾驶系统等类项目仅仅完成了美军的鉴定性试验计划，而在投入使用方面尚无进展。

实际上，地面无人系统还没有一个较为成熟的采用仿生技术的系统，尽管在这一领域的研制工作波士顿动力公司以其“大狗”四足机器人方案一直在进行，这一方案后来发展为“步行式班用保障系统”。这种较为特别的系统在设计上模仿了四足动物的身体动作，使之能够“走、跑、爬”，能在各种地形条件下运载大负荷，包括传感器负荷或者班组一级的补给装备。

美国陆军“大狗”四足机器人正在进行野外测试，这一方案后来发展为“步行式班用保障系统”

“步行式班用保障系统”高1.75m，长2m，总质量390kg。

在美国海军陆战队和美国陆军的鉴定性试验中，“步行式班用保障系统”验证了运载最大有效载荷180kg时在崎岖岩石地形上以1.5～4.5km/h步行和小跑，再到8km/h快跑和35°爬坡的能力。它拥有一系列传感器载荷，包括光探测和测距、陀螺仪、立体视觉技术等。

该机器人的动力由带减震和能量循环功能的4足液压传动系统提供。由机载计算机系统控制运动、传感器载荷和平衡，包括车辆的液压、油温、发动机运行和蓄电池充电。

该项目最初由美国国防高级研究计划局提供经费保障，美国陆军研究试验室的机器人合作技术联盟负责研制，其主要目的是“创造未来高度自主的无人系统，使之能够在混合环境下有效执行军事行动”。然而，在2015年12月“步行式班用保障系统”项目被美国海军陆战队作战试验室以用于班组战术行动噪声太大和行动笨重迟缓为由而正式取消。

这一项目的取消也影响到了比“步行式班用保障系统”更小和更安静型的“小狗”系统：一种设计为最小化噪声的电动系统。“小狗”系统的尺寸约为“步行式班用保障系统”的1/4，只能运载18kg载荷，它同样也配备了情报监视与侦察载荷，但与“步行式班用保障系统”相比，自主能力也有限。

广泛研究：无人平台的仿生支持技术

仿生研究不仅涉及到平台本身，而且也涉及到集成到这些平台上的支持技术。

2015年9月，麻省理工学院材料科学与工程设计系将仿生技术竞赛一等奖授予一个学生小组，该小组基于“玻璃翅膀”蝴蝶原理研制出了一种太阳能电池涂层。这一概念能用于微型无人机和纳米无人机的机翼上，使之能够在白天飞行期间太阳能充电达到最优化。

据麻省理工学院发言人称，反射问题是许多光电子设备的一个通病，包括光电池、智能手机显示屏甚至窗户。比如说，普通太阳能电池是由硅制成的，要反射高达30%的阳光，这就大大降低了能源转换利用效率。而“玻璃翅膀”蝴蝶的透明翅膀上有一层类似锥形柱的纳米结构。这些纳米锥形柱结构实质上起着反射涂层的作用，从蝴蝶翅膀上反射的阳光仅2～5%。

这一技术被证实对提高诸如“纳米蜂鸟”等微型无人机的续航时间至关重要，例如，能使微型无人机有更长的空中待机时间，以更有效执行关键性任务的情报监视与侦察。

此外，美国陆军正在研究昆虫的宽视场能力，将其集成到微型无人机上，用以实现机载三维测绘与运动测定。按美国陆军一位发言人的说法，尽管这一技术目前还不能有效运用，但它指明了今后研究的注意力应该聚焦在哪里。因为今天有人平台与无人平台的协同还需要士兵的大量实战参与，但无人平台在设计上需要具有在没有士兵参与的情况下自主通过三维迷宫和规避障碍物的导航能力。一方面，技术可能提供最前沿的能力，而另一方面，技术缺乏成熟度又使之最易于失败。今后仍将致力于研究昆虫探测和跟踪小目标的能力。