新材料在军事可穿戴设备中的应用

中国人民解放军93114部队 邱 婧 吴国栋 赵凤艳

北京卫戍区参谋部 宋新川

智能穿戴设备即可穿戴的智能设备，其融合了多媒体、无线通信、微传感、柔性屏幕、GPS定位系统、虚拟现实、生物识别、人工智能等最前沿的技术，通过与大数据平台、智能云、移动互联网的结合，随时随地对信息进行搜集、处理、反馈、共享。可穿戴技术在民用领域得到大规模应用，在其带动下，各国竞相将智能可穿戴技术引入军事领域，着手军事领域相关技术的研发与应用，并取得了一定的成果。

一、智能穿戴设备在军事领域中的应用

未来战场正逐渐向信息化、数字化方向转变，在这种新的战争模式下，作战形式已发生巨大变化，从过去的短兵相接到今天的超视距作战，从昼间为主作战到昼夜全天作战，这些变化对战士的作战功效提出了新的要求，即必须在战争中具备反应迅速、高防护力、猛烈杀伤、高适应性、协同作战能力。

智能穿戴设备具备信息化战争所需要的多个要素：体积小、质量轻，由用户穿戴和控制并持续运行，提升人的智力、延伸人的感官、增强人的体能、保护人的安全等；将智能穿戴设备用于军事领域，会对士兵作战任务的完成产生巨大影响，能够帮助士兵在信息化战争中更准确、快速地感知、获取、利用和分发信息，最终实现信息制胜。同时随着互联网、云计算等高科技的迅猛发展，目前智能可穿戴设备在军事领域已经得到一定应用，应用范围涵盖了作战指挥、武器装备、日常监管等方面[1，2]。

作战指挥类应用是将可穿戴技术引入实战，着眼于提升作战人员的态势感知、数据显示和指挥通信等能力，如智能头盔式装备、单兵头盔式夜视镜、智能眼镜等。武器装备类应用通过智能织造技术将微型计算机、微型传感器等智能设备集成“在身上”，极大地拓展了士兵的人体生理功能，如单兵综合战斗系统、智能防护装具、智能外骨骼系统等。日常监管类应用将智能穿戴设备应用于日常安全管理、军事训练和后装保障中，如穿戴式安防管理器材、穿戴式生理检测与医疗辅助设备、穿戴式装备检修设备等。

二、军事可穿戴设备发展的瓶颈

军用设备更加注重设备的易操作性及携带的便利性，能够保证数据快速准确的传输，以及能量及时长久的供应。军事可穿戴设备存在以下几个技术瓶颈仍需攻关突破。

（一）轻量化问题

虽然当前军用可穿戴设备能够使士兵在负重能力方面有所提升，但受技术现状和成熟度的限制，当前军用可穿戴设备的技术还不成熟，给使用者带来的体验舒适度尚有待提升。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，影响开展有效的作战行动。加持在士兵身上的人体负重外骨骼系统等可穿戴设备仍显得很笨重，这将严重影响士兵的机动灵活性。运用智能制造、柔性制造和新材料等技术研发更加轻量、更为便捷化，以及具有更高环境适应性的军用可穿戴设备已成为必然趋势。

（二）电池续航问题

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。尤其是在激烈对抗的实际战场中，战地环境经常面临很长时间都无法补充能源的情况，士兵执行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另一关键因素。尽管自20世纪90年代以来电池小型化及轻便化研究取得了巨大进展，但是在延长电池续航时间方面还有很多的工作要做。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。二是寻找高效的新能源材料，迫切需要找到能量密度更高，同时更可靠、更安全的电池技术。三是可以沿人体体能发电技术方向进行研究，即通过采集士兵的运动体能，采用特定的方式转换为可穿戴设备补充能源，以满足持久作战的实际需求。

（三）传感器技术问题

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[3]。运动传感技术主要用于实现运动探测、导航、人机交互功能，进而达到测量、记录和分析人体活动的作用。生物传感技术主要用于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。环境传感技术主要用于对战场环境进行实时感知。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会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则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，以确保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支撑。同时，沙漠、高湿高热、高盐雾、腐蚀性液体等高度恶劣的战场环境还要求军用可穿戴设备的传感器必须具有一定的抗破坏和耐腐蚀能力。

三、新材料在军事可穿戴设备领域的应用前景

携带方便、供电充足是复杂战场环境对军用电子设备的基本要求，也是摆在军事智能可穿戴设备研发与运用面前的重要问题。首先，可折叠显示器等柔性材料、碳纤维等轻质材料的运用，能够使军用智能可穿戴设备更加小巧贴身，最大限度地提高人员佩带的舒适性和减小设备对战斗动作的影响。其次，传感器技术的发展依赖于新材料的研究开发，例如，半导体材料和新工艺的技术进步促进了半导体传感器的迅速发展,并最终促进一批新型半导体传感器研制成功；同时，压电半导体材料促进了压电集成传感器的形成。第三，运用各类新型电池技术可解决野战条件下供电难的问题，以此提高智能可穿戴设备的续航能力。

（一）柔性电子材料

新型柔性电子材料与器件在近10年得到迅速发展，其较强的可折叠性、多能力符合结构等特性对未来信息技术发展和系统应用的影响巨大。目前，柔性电子器件的应用主要集中于柔性显示器、柔性应变传感器和薄膜太阳能电池等方面[4]。柔性显示器具有质轻、轻薄、耐用和可收卷等优点，可用于军事可穿戴设备中的高度集成显示装置。柔性应变传感器能够满足军事可穿戴设备的特性需求，包括质量轻、应变承受度高、可自行修复等。柔性太阳能电池是具有能量采集、转化和存储功能的柔性能量系统，可适应军事可穿戴设备中移动、共形和全时的应用场景。

柔性电子器件的柔性主要由超薄的韧性基底材料提供，为实现器件在高形变程度下仍保持结构和功能的完整性，需要结合具有高延展性、耐疲劳的导体材料和具有高稳定性的半导体材料，共同实现电子器件的柔性化。特别是，由于碳纳米管和石墨烯均具有良好的柔性、出色的导电和导热性、优异的物理与化学稳定性、具有结构和性能易于调控等特点，因此，这2种材料近年来在柔性导体材料领域得到了广泛的关注和实质性的发展[5]。

1.石墨烯

石墨烯由于具有极其优异的导电能力，电阻率几乎为零，因此被广泛应用于柔性电池和超级电容器中。目前，美国麻省理工学院已经研制出以石墨烯复合材料为主体的柔性光伏电池板，可以在手机、数码相机等电子产品中使用。此外，石墨烯还可制成化学传感器，利用其表面吸附性来完成检测工作。因石墨烯具有独特的二维结构，其对周围的变化很敏感，因此用石墨烯研制出来的传感器灵敏度极高，可用于军用夜视系统、太空望远镜等。同时，石墨烯具有优越的力学性能，在抗弹防护方面具有广泛的应用前景，将石墨烯与其他轻质高强材料复合，有望获得高性能轻型装甲系统。

2.碳纳米管

碳纳米管具有独特的结构，以及优异的力学、电学和热学等性能，其被广泛应用于柔性晶体管、记忆存储器、太阳能电池、超级电容器等产品。目前，国外某实验室正牵头研发一种能够对外提供电能的新型服装。这种将碳纳米管用于纺织面料的服装，将为战场上使用的照明装置、夜视仪和通信设备等提供电力供应，势必将进一步减轻单兵负担。

3.石墨烯/碳纳米管复合材料

为了结合石墨烯和碳纳米管的优点，人们将两者共同制作成复合材料。石墨烯和碳纳米管复合材料形成二维网状结构，两者的协同效应，使该复合材料表现出比任意一种单一材料更加优异的性能，如更好的各向同性导热性、各向同性导电性、二维空间微孔网络等特性[6]。基于以上性质，石墨烯/碳纳米管复合材料在超级电容器、太阳能电池、显示器等方面具有良好的应用前景，能够有效解决未来单兵作战系统的轻型化和电池续航问题。

（二）智能材料

智能材料是指除了具备普通材料的承载能力外，还能感知、处理内部和外部信息的一种新型材料。通过对环境的变化做出响应，智能材料实现了材料的自变形、自诊断、自适应、自修复等功能[7]。当前，较为流行的智能材料体系有形状记忆材料、磁致伸缩材料、压电材料、电活性聚合物和光驱动聚合物材料等。

1.形状记忆材料

形状记忆聚合物(Shape Memory Polymers，SMPs)是一种能够在外界激励条件下由临时形状恢复到其原始形状，实现变形功能的高分子材料，是智能材料的一个重要分支。SMPs具有密度小、变形量大、加工便捷、原料廉价等优点，对外界刺激的响应程度可通过化学方法来调节，从而实现材料的多功能化。基于SMPs复合材料的4D打印结构在生物医疗、航空航天、智能器件及仿生领域得到了广泛应用。研究人员将相关SMPs进行结合，将其作为3D打印的油墨，打印出应变传感器，将其固定在人手指关节和手腕关节处，可实时监测手指和手腕的运动，响应迅速，可反复多次使用[8]。

形状记忆合金具有很强的可弯曲性，并且能够记忆自身的形状。如果能将这种材料应用于军事可穿戴设备，则能够自动记忆人体曲线，在接触人体时自动适应每个人的体型并自动固定。甚至，如果把战场通信设备或定位设备直接制作在形状记忆合金之上，那么整个可穿戴设备将能够更贴合于人体，实现真正的“与人融合”。

2.磁致伸缩材料

磁致伸缩材料是一类具有电磁能/机械能相互转换功能的材料，可以作为可穿戴设备的动力原件，被评为未来最具发展潜力的新材料之一。传统的微型驱动装置主要是微型电动马达，但相对于可穿戴设备来说，仍然体积过大，而且存在能量转换效率不高、反应速度慢、容易发热等缺点。相对于传统的电动马达，用磁致伸缩材料可以制成毫米甚至是微米级的驱动元器件，具有极高的能量转换效率、精准度和反应速度，这些都是传统的电动机所难以达到的。由磁致伸缩材料制作的微型马达可以用在军事可穿戴设备的振动器、相机的变焦装置和快门控制上等。此外磁致伸缩材料可以作为一种优秀的主动降噪装置，通过与噪声的声波做反向振动，达到抵消噪声的效果，可以运用在军事智能头盔中实现降噪功能。

3.压电材料

压电材料是实现机械能与电能相互转换的功能材料，是一类对机、电、声、光、热敏感的电子材料，广泛应用在信息、激光、导航和生物等高技术领域。压电材料给穿戴设备带来的革命将更为巨大，将其植入军事可穿戴设备中，能够将战士的每一次活动中微小的能量都收集起来，这将能够为军事可穿戴设备提供源源不断的电力供应，让其摆脱电池的束缚，实现真正的轻量化和长续航。

4.其他智能材料

电活性聚合物、光驱动型聚合物材料和智能高分子材料等材料能够监测战士的各项生命体征，以及战场外部环境的变化，并通过自身变化直观地将其表示出来。

四、结 语

当前许多可穿戴技术仍处于研发初期，尚未成熟，但人们对其在军事领域的应用广阔前景已达成广泛共识。装备可穿戴设备的智能士兵可强化信息交互，增强特定作战能力，更加符合未来信息化战争的需要。可穿戴技术的发展与新材料的研究进展密不可分，各种新型可穿戴设备的研制都孕育于新材料技术发展之中，伴随着新材料技术的进一步发展，相信当前制约军事可穿戴设备发展的诸多问题都能够得以逐步解决。