美軍將實兵測試鋼鐵俠
動力裝甲離“抬手放激光 踢腳出導彈”還有多遠
在近期上演的電影《復仇者聯(lián)盟》中，身披高科技鎧甲的鋼鐵俠托尼·史塔克上天入地，在“正義聯(lián)盟”中格外引人注目。而據(jù)美國媒體近日報道，美國特種作戰(zhàn)司令部采購主任吉姆·史密斯稱將在一年內(nèi)開始對“動力裝甲”實兵測試。據(jù)稱，這款裝置能讓特種部隊士兵成為活生生的鋼鐵俠。現(xiàn)實版“鋼鐵俠”真能實現(xiàn)嗎？它具備怎樣的威力？
追根
溯源
動力裝甲最早出現(xiàn)在科幻小說中
美軍即將測試的“動力裝甲”，簡單說就是一套特制“裝甲外衣”。穿在身上，可令士兵獲得各種強大戰(zhàn)斗力，如更強的防御力、機動力、更靈敏的信息獲取能力等等。
最早的動力裝甲，出現(xiàn)在1959年的科幻小說《星船傘兵》中。這套具備動作同步式驅(qū)動系統(tǒng)與核生化防護系統(tǒng)的動力服，外殼覆以輕合金，能有效地防護輕兵器或炸彈破片的攻擊。由于能同步運動再加上動力增幅，大幅地提升了士兵的防護力、運動能力與生存性。
根據(jù)小說中的描述：“動力服能給我們更敏銳的眼睛，更機警的耳朵，更強壯的后背以攜帶沉重武器和彈藥，更強大的火力，更持久的忍耐力，還令我們更不容易受傷。”
這種讓人入迷的設(shè)定，很快被許多后續(xù)的游戲、小說和影視所吸取，成為科幻戰(zhàn)場上的明星。而其中最著名的，當然就是鋼鐵俠史塔克。
值得一提的是，動力裝甲和機器人完全不同，它是由真人穿戴高科技裝置，而不是電腦AI操控的機器人。動力裝甲與常見的“人形兵器”也有很大區(qū)別，簡單說，后者是由人采用通常的方式(如按鍵、操縱桿等)操控武器作戰(zhàn)，而前者則是機器附著于人，跟隨人的動作而動作。譬如美國動畫片《太空堡壘》中，第一階段地球方面的變形戰(zhàn)斗機屬于“人形兵器”，而在第二階段破獲外星人技術(shù)后發(fā)展的通過操縱員神經(jīng)直接映射的機甲動作，則可以歸為“動力裝甲”。
動力裝甲的體形差異也很大。如鋼鐵俠史塔克的裝甲，穿上后只是略顯粗壯魁梧；《星船傘兵》中的動力裝甲，使用者穿著后身高超過2米，全備重量將近1噸；而《太空堡壘》中的機器人形裝甲更是高達數(shù)十米，重達上百噸。
神兵
概念
裝甲最大挑戰(zhàn)——傳感系統(tǒng)
現(xiàn)實中的動力裝甲，或者說在未來一段時間可以期待的動力裝甲，還做不到如小說、影視中那樣夸張，不過從實現(xiàn)功能來說，還是大同小異。
首先，動力裝甲能通過機械增強士兵的肢體能力。士兵一只手費盡力氣只能提起幾十千克的物品，而通過動力裝甲的機械力，能讓他單手提起上百千克甚至幾百千克的重物。其次，通過動力裝甲遮蓋士兵的肢體皮膚，形成防護力，可以擋住傷害士兵的彈片和沖擊波、熱浪等。此外，動力裝甲還能增強士兵的信息探查能力和攻擊力。而要讓士兵能夠靈活操控這種裝甲，使得裝甲能跟隨士兵的動作產(chǎn)生反應(yīng)，則需要有足夠精密的傳感系統(tǒng)。這才是整個裝甲項目最大的挑戰(zhàn)。
有趣的是，真實世界中對動力裝甲的研究，幾乎是緊跟著文藝領(lǐng)域進行的。早在1960年，也就是《星船傘兵》出版后的一年，美國通用電氣就開始了類似的研究。他們最早研究的是一只機械手臂，后來擴展為全身系統(tǒng)。這個項目被稱為Hardiman，可以實現(xiàn)拎起120千克的重物和平常人拎起5千克重物一樣輕松。這個項目在上世紀60年代中期取得了一定的進展。
此后，其他一些公司陸續(xù)進行了相關(guān)研究。麻省理工學院從1978年開始研發(fā)，Sarcos公司在1983年開始研發(fā)XOS項目。2000年，XOS項目被美國國防部研究計劃署選中，打算將其應(yīng)用在軍隊中。后來Sarcos公司被美國著名軍火商雷神收購。美國國防部研究計劃署投資數(shù)千萬美元，為地面部隊開發(fā)外骨骼套裝。這種外骨骼又被叫作“戰(zhàn)術(shù)突擊輕型特種兵服裝”，不過美軍對其研發(fā)進度估計有些落后，原本他們計劃在2018年就能投入使用。
這次美國媒體報道的動力裝甲包括一層內(nèi)襯、一層外骨骼和一層裝甲。其中，裝甲負責保護步兵，外骨骼負責提升步兵力量，內(nèi)襯則是傳導步兵的身體動作。此外，還有一個復雜的頭盔系統(tǒng)，內(nèi)置情況傳感系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。
刀槍
不入
裝甲防護相對容易實現(xiàn)
既然稱為“裝甲”，大家的第一反應(yīng)當然是保護士兵被殺傷的防護力。鋼鐵俠影片中，史塔克穿上鎧甲后，別說普通的槍炮難以將其傷到，面對外星人的超能力攻擊也能支撐不少回合。
現(xiàn)實設(shè)計中，動力裝甲的幾大要素里面，防護力其實是相對容易實現(xiàn)的。因為現(xiàn)在的個人防護技術(shù)已經(jīng)比較成熟。較為先進的防彈衣是軟硬復合型，一般外部是金屬、陶瓷片、玻璃鋼等硬質(zhì)材料抵擋彈片，內(nèi)襯用凱夫拉、超高分子量聚乙烯纖維等減緩沖擊。對于一般的彈頭、彈片殺傷，防彈衣的強化很簡單，就是用更多的層數(shù)和厚度來實現(xiàn)，換句話說就是一層不夠上兩層，十層不夠上二十層，總能達到預期的防御目的。
但是，對于普通士兵來說，防彈衣當然不能無限增厚。因為穿得太多，會嚴重消耗士兵的體力和機動力。比如一件凱夫拉防彈背心就有好幾千克重，穿上后士兵承受的壓力很大。但動力裝甲卻獨具優(yōu)勢。因為動力裝甲本身具備動力系統(tǒng)和外骨骼，穿戴上動力裝甲的士兵，負重能力大大超過普通步兵。5千克或者10千克的防彈衣對普通士兵是不小的負擔，但一整套動力裝甲卻可能有上百千克乃至數(shù)百公斤的分量。這種情況下，稍微花費一些重量在裝甲防護上根本不是大問題，系統(tǒng)動力和外骨骼搬動這些分量也輕而易舉。這就使得現(xiàn)實版“鋼鐵俠”們能夠輕易地獲得遠勝于普通士兵的防護力。
從目前公布的照片來看，美軍動力裝甲在防御上，可能是以鈦合金作為外部防御，內(nèi)部以其他先進材料襯底。其厚度和覆蓋面積肯定遠遠超過普通的防彈背心，為士兵提供全方位的防護。
不過，對于更先進的一些防御模塊，如主動防御裝甲等，估計短期內(nèi)不可能采用。一則，這些技術(shù)常用在裝甲車輛上，其小型化未必成熟，系統(tǒng)本身對于能源、彈藥等的要求較高。二則，主動防御可能給本身和鄰近的友軍單位帶來損傷，對于裝甲車輛這種損傷可以接受，但對步兵而言這種損傷卻可能是致命的。
拔山
蓋世
外骨骼動力是核心技術(shù)
動力裝甲更為核心的技術(shù)是外骨骼。我們可以把外骨骼理解為一個機器人，它緊貼著士兵的身體，并且模仿士兵的動作。這樣，當士兵需要舉起重物時，實際上是模仿他的機器人在舉起。外骨骼不但使士兵能夠攜帶更多武器和軍需品，也能使士兵穿上較重的防護設(shè)備，增強裝甲防護力?？梢哉f，對于這一套肯定會很沉重的動力裝甲而言，外骨骼是一切的基礎(chǔ)。20世紀60年代，通用電氣公司開發(fā)的Hardiman，首先就是一套外骨骼系統(tǒng)。
對外骨骼的研發(fā)而言，重點不是外骨骼能有多大的力量，畢竟比起人力來說，機械力是可以輕易超越十倍、百倍的。實現(xiàn)外骨骼的難度，主要在于要選擇合適的構(gòu)造材料，既堅韌又要有彈性，足以用不太夸張的重量支撐整個系統(tǒng)；要實現(xiàn)外骨骼系統(tǒng)在機械性能方面的靈活，帶有能夠彎曲的關(guān)節(jié)，使得其可以與士兵做到相同的動作。最后，還要實現(xiàn)對外骨骼有效的控制，使士兵穿上外骨骼后能夠正?；顒?，促使機器順暢移動。
基本上，制造外骨骼就和制造仿真機器人一樣，唯一不同的是前者由穿戴的士兵控制，后者由AI自行操控。
在外骨骼傳動的研究中，美國科學家通過人體上幾個接觸點的信息反饋，使得外骨骼的AI電腦理解操作者的動作意圖，再配合行動。為此，系統(tǒng)要包含微型傳動裝置和壓力感應(yīng)器等，通過液壓或電傳系統(tǒng)產(chǎn)生聯(lián)系。
這些感應(yīng)器，以每秒幾百次甚至幾千次的速度，把測量到的數(shù)據(jù)傳給中央處理器，然后由中央處理器經(jīng)過緊張計算，判斷操作者的意圖，并根據(jù)結(jié)果進行模仿，指揮每個關(guān)節(jié)內(nèi)的每條人工肌肉如何運動。
在實驗中，操作員伸手從架子上拉下杠鈴，手上的感應(yīng)器立刻檢測到變化，并啟動外骨骼。在外骨骼系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)下，操作員輕易地將100磅的杠鈴舉起了數(shù)十次，而自身的手臂肌肉只承受了很輕微的壓力，體力消耗很低。
項目負責人詹姆斯·米勒上校透露，目前最大的困難正是在于外骨骼。當前的外骨骼系統(tǒng)還存在很多問題。其原型機由800個部件構(gòu)成，大量使用碳纖維塑料，但是價格過于昂貴，而且不能滿足“粗暴”操作的需要。他們下一步可能會用鈦合金來制造外骨骼。
了如
指掌
信息與通信系統(tǒng)較為成熟
現(xiàn)代鋼鐵俠中還有一些較為成熟的子系統(tǒng)，例如信息與通信系統(tǒng)以及與之適應(yīng)的內(nèi)襯系統(tǒng)。畢竟，戰(zhàn)場信息傳輸和網(wǎng)絡(luò)化平臺是美軍已經(jīng)研究了數(shù)十年的系統(tǒng)，技術(shù)比較成熟。在具體應(yīng)用中，如同防彈衣一樣，通常由于體積和重量的約束攜帶不便，制約信息設(shè)備的廣泛和深入使用。而在動力裝甲中，由于外骨骼令士兵負重能力提高了許多倍，自然也可以承載更為全面和完善的信息與通信系統(tǒng)。
動力裝甲的內(nèi)襯系統(tǒng)，具備熱特征管理能力，有一整套分布式傳感器，安裝在身體各個位置，來監(jiān)控士兵的生理情況，包括體溫、心跳、呼吸、血壓、血糖等參數(shù)，然后根據(jù)這套參數(shù)，完成適宜的操作，比如向士兵提出警告和建議、聯(lián)絡(luò)附近友軍和醫(yī)療單位，或者調(diào)解裝甲的內(nèi)部溫度等。這幾項功能，作為美軍單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)的組成部分，現(xiàn)在已經(jīng)實用化了。例如溫度調(diào)節(jié)，是通過在內(nèi)襯的管路里注入冷或熱的液體來實現(xiàn)的。
除此之外，裝甲的頭盔部分還裝有小型顯示器，安裝在士兵的眼睛下方，只要向下一瞥就能看到所需的各種信息。這些信息除了士兵和裝甲系統(tǒng)自身參數(shù)，還包括來自友軍和上級的指示、消息，來自偵查設(shè)備包括衛(wèi)星傳輸?shù)臄城楹蛻?zhàn)場信息等。利用傳感器和全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器，士兵可以了解有關(guān)他們正在穿越的地形信息，計算機還能找出行進到指定位置的最佳路線。當然，這些本來就是美軍獨立的科技模塊，只不過被集成到動力裝甲中而已。
尚需
努力
離史塔克還差很遠
在提高士兵的攻擊力方面，動力裝甲無疑具備先天優(yōu)勢。依靠外骨骼產(chǎn)生的承載力，士兵可以攜帶更重而且威力更大的武器、更充足的彈藥、更敏銳的偵查和火控設(shè)備等，從而直接提升戰(zhàn)斗力。
此外，穿戴動力裝甲的士兵，其操作武器可以不只是局限于兩手，還能攜帶更多的自動裝彈設(shè)備，更靈活地切換武器的狀態(tài)。在未來，用裝甲上附加戰(zhàn)斗攻擊模塊，通過某些特殊動作(如打個響指)的方式來操作，將使士兵更具備全方位的殺傷力。不過，目前的研究尚且停留在基礎(chǔ)外骨骼層次，畢竟只有外骨骼問題解決了，加裝武器模塊不過是分分鐘的事。當然，要做到電影中史塔克那種抬手放激光、踢腳出導彈的效果，那還差得遠。
相對來說，如何為這些機器提供能量更令人頭疼。如此力量巨大、功能齊全的設(shè)備，消耗的能量不是小數(shù)目。根據(jù)設(shè)計需要，士兵們的動力裝甲應(yīng)該能在充滿能量之后，堅持24個小時的運行而不需要補給。
目前使用的能源裝置實在做不到這一點。而一旦能量耗盡，龐大的動力裝甲將成為致命的鐵皮罐頭，穿著它的士兵寸步難行。據(jù)稱，該系統(tǒng)曾經(jīng)使用鋰聚合物電池，但現(xiàn)在已被放棄。美軍米勒上校表示，目前該系統(tǒng)準備采用的能源是一種固態(tài)氧化物燃料電池。這種電池原本在日本為建筑物供電。當然，固體氧化物燃料電池的小型化是很難的，面臨著工作高溫的挑戰(zhàn)。
至于動力裝甲的機動力，也是一個老大難。在電影中，史塔克穿著動力裝甲能夠翻山越嶺，這個當然是幻想。如此沉重的玩意要飛上天，在新式發(fā)動機出現(xiàn)前根本就不可能。
實際上對當前的動力研究來說，如何驅(qū)使穿戴這套外骨骼模仿人類走路，其實比讓它提起上百千克重物要難得多。畢竟后者只需要增加機械的功率，前者需要研究和實現(xiàn)許多個精細的微觀工作。通過增強機械力量和減少體力消耗，理論上可以讓士兵實現(xiàn)更快的速度和更持久的奔走，但前提是先要讓它學會調(diào)節(jié)平衡。據(jù)稱，目前一種獨立開發(fā)的放大行走器的時速可超過16千米，還能讓士兵跳得更高更遠。
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