超级士兵，美国打造未来步兵系统

美国智库新美国安全中心曾发布报告《新兴技术》。该报告作为新美国安全中心“超级士兵”系列专题研究成果之一，探讨如何利用新兴技术提高未来美军步兵的战场生存能力，报告主要作者保罗·斯查瑞，是新美国安全中心技术和国家安全项目主任是目前美国内研究未来战争的权威学者。那么，美军打造“超级士兵”借助哪些新技术？

二战时期，步兵的高死亡率在美军中排第三，仅次于轰炸机机组成员和潜艇兵。如今，随着技术的发展,后两者的生存率大大提高，但步兵仍是高死亡率职业。导致步兵战场存活率迟迟不能提高的一个重要因素，是人类有限的承重能力。现代科技之所以能提高飞机和潜艇的战场生存能力，是因为这些平台本身能被重新设计，可在不牺牲机动性的同时，变得更庞大。然而，对于人类而言，更多的重量意味着机动性的丧失。

不过，新兴技术会从以下几方面彻底改变这一状况：一是，减少单兵装备的重量，增加机动性；二是，增强士兵的力量，使其在不损失机动性的情况下承受更多的重量；三是，帮士兵分担负荷；四是，在不增加额外负荷的情况下，提高士兵的战场生存能力和表现。

这主要将依赖五大颠覆性技术来实现——新型材料、体外骨骼、机器人、轻型作战能源和人类增强技术。其中，人类增强技术，是指通过改进体能训练方式、改善营养和膳食补充、改善睡眠、使用药物等方式，来提高士兵的生理和认知表现。前四类技术则着眼于通过提供外界支持，来提高士兵的战场表现。

士兵防护的一个关键因素，是防弹衣的基本构件——基础材料。防弹衣的材料具有3个重要属性：硬度、韧度和强度。硬度指材料抵抗外力穿透的能力，韧度指材料能够吸收的最大能量，强度则指材料在不变形的情况下能承受的最大力量。

在硬度和韧度之间，一般存在着此消彼长的关系。例如，钻石虽极硬，但易碎。强度和韧度之间的关系同样如此。一种韧性材料或许能在破碎前吸收大量能量，但在此过程中可能发生防弹衣所不能接受的变形。

因此，理想的防弹衣材料应当同时具备较高的硬度、韧度和强度，应足够坚硬以抵御子弹，同时不会破碎，应能分散弹道冲击的能量，又不会发生彻底变形。在自然界很难发现这样的材料，但通过使用复合材料可以“鱼和熊掌兼得”。报告认为，能使防弹衣性能出现重大提升的材料主要有两种。

钻石。从硬度上来说，据估计其比钢高10倍。同时，与很多现有的防弹衣材料相比，钻石更轻。不过，钻石的应用面临诸多限制：一是，昂贵。对此，一个可能的解决方案是扩大人造钻石市场。目前，与天然钻石相比，人造钻石便宜三至四成。二是，韧度低，易碎。三是，当制成较大的片材时，因硬度高可能会妨碍士兵的运动。因此，钻石更具前景的运用，是将其制作成较小的零部件或作为复合材料的一种成分，从而在提高防弹衣整体硬度的同时，不损失其韧度和强度。

二维高分子化合物。高分子化合物是由重复的简单分子结构单元构成的复合体分子。目前，软质防弹衣主要由芳族聚酰胺、聚脂类和聚乙烯类纤维制造。此类纤维虽强度较高，但不足以抵挡穿透型枪弹。相比高分子化合物，二维高分子化合物强度更高。

比较具有前景的二维高分子化合物是石墨烯。它的强度比钢高200倍，每平方米质量仅0.77毫克。然而，因生产所采用的方法较为复杂、耗费劳力，高品质石墨烯的价格昂贵。此外，石墨烯是导电性最好的材料之一，这一特性与士兵防护服隔热绝缘的要求相悖。

今后，在防弹衣材料方面，美军一方面应对人造钻石、二维高分子化合物等最具前景的领域进行投资，开展基础性研究；另一方面，继续改进现有材料。

机械护甲(Exosuits) 和体外骨骼（Exo-skeletons），长期以来一直存在于科幻小说中，如今技术上正不断取得进展。

体外骨骼现已成功运用于医疗领域，为病人提供运动辅助。现有的军用外骨骼装备，包括全身套装、用于佩戴更重头盔的肩部辅助设备等类型。目前，美军受关注的体外骨骼装备项目是“塔罗斯”（TALOS)和ONYX。前者的全称为“战术突击轻型作战服”（Tactical Assault LightOperator Suit)，以提高士兵生存能力为目标，通过“钢铁侠”式的穿戴设备来保护美国大兵。

美国TALOS战术套装

现有的“塔罗斯”样机是由电池驱动带有防弹外壳的液压刚性外骨骼。按照这种设计，该设备将通过扩大硬质护甲的防护面积来增强防护，还可通过先进的医疗技术来监控穿戴者的身体状态，及时发现脱水、低血糖等风险，并在子弹穿透护甲，对人体造成伤害时释放伤口凝血泡沫。外骨骼本身具备负荷能力，因此，能使士兵携带更多的载荷，这使得其成为长远上唯一具备同时增强步兵防护性和机动性潜力的技术。在短期内“塔罗斯”项目的目标是提供概念验证，以吸引更多的关注和投资。

在不远的将来，那些将设计目标定得更低的体外骨骼，如仅仅是为了提高机动性减少体能消耗和肌肉骨骼损伤的下半身外骨骼，可能会更有前景。目前，美陆军已于2018年开始测试由洛克希德-马丁公司研制的ONYX外骨骼。该设备将设计重点放在增强士兵的膝关节上，以提高其在非平坦地形上的负重能力。相比全身穿戴式外骨骼，其耗电更少，现有设计型号能在真实地形条件下持续运行8至16个小时。据美陆军官方透露，如果测试成功，该设备最早可能于2023年列装部队。

近期可能服役的另一种装备，是柔性机械护甲。电气和电子工程师协会对机械护甲的定义是，一种使用纺织面料与人体对接，在肌肉发力的同时，通过拉力在体表运用关节力矩并利用骨骼结构，来支撑压缩负荷的设备。体外骨骼的作用方式，类似于一种外部肌肉骨骼系统，而机械护甲仅仅是增强肌肉，并依靠穿戴者本身的骨骼去承受负荷。覆盖目标肌肉群的纺织物传动器为人体运动提供辅助，以减轻体能消耗。机械护甲的目的在于，在不影响人体自然运动的情况下、“不动声色”地为穿戴者提供辅助，同时预防非自然运动造成的损伤。其穿戴体验类似在电动步道上行走。当行人踏上这种设备时，移动速度的尴加并响自然步态，通常是在其离开传送带时才会意识到设备的存在。

机械护甲所具备的一些相对优势使其更可能在中期未来列装部队。其质地柔软，适用于不同体型的穿戴者，更便于实现量产和大规模使用；重量较轻，且很可能随着材料和电池技术的进步变得更轻；功耗远远低于体外骨骼。

目前，比较具有前景的机械护甲，是由美国国防高级研究计划局（DARPA)研发的“勇士织衣”(Warrior Web)项目。其设计初衷是，提高步兵的机动能力并减少其受伤几率。不同于“塔罗斯”体外骨骼，“勇士织衣”旨在补充而非取代现有的士兵防弹衣，证明进一步研发的可行性，而非形成完全成熟的产品。目前已生产了多款概念验证型原型设备。

展望未来，体外骨骼、机械护甲等体外穿戴辅助设备，需要重点解决两大技术难题。一是，电源。提到体外骨骼，人们往往会想到好莱坞大片《钢铁侠》，不过，更接近于当前现实的影视作品，其实是科幻电影《明日边缘》。该片中，由汤姆·克鲁斯饰演的男主角，因体外骨骼的电池耗尽不得不将其遗弃。目前，能在合理的作战时间内或至少是在数小时内提供充足电力的电池过于沉重，无法被用于体外骨骼。研发人员曾探索将内燃机作为替代电源，但由于其噪音过大，不适合某些低噪特征的任务，同时，可能发生电源故障并给士兵安全带来影响，于是不得不放弃。

二是，控制模式或传感机制。目前，绝大部分的研究和设计都局限于行走、跑步等在平地上的运动。在实际作战使用中，穿戴体外骨骼或机械护甲的士兵必须能做出各种战术动作，包括灵活改变位置、装弹、开火和全副武装奔跑 穿戴设备在为士兵提供运动辅助的同时，应避免妨碍人体自然运动。这一点很关键。

报告认为，体外穿戴辅助设备，是最具前景的提升士兵生存能力的技术创新。美军应设立相关装备发展项目，以完善相关技术和概念。今后，应在5年内启动下半身体外穿戴设备采办计划，10年内启动全身穿戴型体外骨骼采办计划。

在战场上，快速补给机器人系统或被编入步兵班组的机器人队友，可帮助士兵分担部分或全部行军负重。目前，由DARPA和海军陆战队联合研发的“有腿班组支援系统”，能运输约181公斤重的装备。该系统已接受过测试，展现出在不利地形条件下自主移动的能力。轮式或履带式机器人系统，甚至可以运送更多的载荷。

战术头盔系统

例如，美陆军的“班组任务装备运输”(SMET）履带式机器人系统，可携带多达907公斤的装备，已经在多种环境下完成演示，两台这样的设备更可承担整个步兵排的负重。

除发挥“骡子”的作用外，机器人队友还能增强步兵班组的态势感知、防护和杀伤能力，从而提高士兵存活率。在战场上。机器人侦察兵可作为士兵的耳目，分布在队列周围，及时发现潜在威胁。在步兵编队中，机器人可以扮演“尖刀班”的角色。成为接敌作战的主力。事实上，“第一个闯进敌方大门”的，甚至不必是穿着体外骨骼的人类士兵，而是一台机器人。

在战斗中，由互相协作的自主系统组成的“蜂群”，可以在步兵班组周围形成防护罩，及时发现威胁并迅速做出反应，从而为人类士兵赢得决策时间。低成本的微型无人系统，可在部队抵达之前对建筑物和隧道进行侦察。

配备武器的机器人系统，还可以在人类控制下，大幅提高轻装步兵部队的火力，从而提高其战场存活率。此外，机器人队友还可直接保护士兵。例如，以抵挡子弹和弹片，为地面部队提供被动式机动掩护，甚至是自主对威胁做出响应。像特工保护高价值目标一样，面对可能的威胁迅速将士兵挡在身后。值得一提的是，机器人系统携带的护盾无须担心内侧变形，其可使用更为柔韧的高弯曲性材料。这意味着机器人装甲可能使用新式轻型材料。

目前，已有研究人员提出，使用能吸收爆炸压力波的海绵状薄膜来提供被动防护。

对于机器人“队友”而言，噪音是一个需要关注的问题。以SMET机器人为例，在试验中，其柴油发动机过大的噪音，使得部队不得不在距离目标1公里处关停该系统。接下来，士兵只能携带装备前行。电力系统相对更为安静，但续航时间不尽如人意。最佳的解决方案，或许是采用气电混合系统，这样一来，既可满足较长时间作战的需要，也能控制噪音。

战场快速补给机器人，通过减少部队对自带备用电池、水、弹药等补给的需求，来减轻士兵的负重。自主技术的发展，使得机器人能在人类监督下自主作战。例如，美海军研发的“自主空运/通用运输系统”(AACUS)，可搜索战场临时着陆点并自主着陆，在此过程中负责监督的地面部队无须特殊训练。目前，无人运输直升机已在阿富汗战场上投入使用。相比有人驾驶直升机 ，自主式无人直升机不用训练飞行员，运营成本低很多。美军将部署更多的无人系统，构建起一个自主机器人网络，按需快速补给作战部队。

至于技术限制，主要有两点。一是，自主化。凭借现有科技，无人机已能进行完全自主作战，而地面机器人的自主化难度相对更高，因为在地面移动需要通过很多的障碍物，如现有传感器难以探测的坑洼、树叶等。自动驾驶汽车所行驶的道路，通常已被完整地在地图上绘制出来，而军用无人地面系统则没有如此便利的条件。尽管地面机器人已能实现简单的跟随式自主作战，但做到这一点所需的传感器价格极其昂贵，甚至超出平台本身。

报告认为，自主化领域在未来几十年可能会出现较大进步，深度学习神经网络等新的人工智能（AI)方式，已展现出令人惊叹的进展，解决了一些看似不可能被AI解决的问题，如物件辨识和语音识别等。

二是，电源。在今后一段时间里，较大型的无人系统可使用噪声较大的内燃机来缓解续航限制，小型机器人很可能使用电池提供动力，还可将大型无人系统作为“母舰”，供小型机器人充电。

美国ONYX外骨骼

战场上的新科技往往需要更多能源，但是，作战的基本需求仍主要是武器、弹药和水，“赋能”设备无疑加大了士兵的行军负担，如电台、笔记本电脑、GPS 设备、夜视仪等。一名美军士兵在时长8小时的任务中，需携带1.4公斤至2.3公斤重的电池。一支150人的连队，如果执行为期多天的任务，所携带的电池重量将超过635公斤。

减少士兵的能源类负荷，可通过提高技术效率或减少电源本身的重量来实现。不过，电池技术在过去几十年里并未发生重大变革，电池只是细微之处有了改进。例如，特斯拉与电池制造商松下公司合作，通过改进工程设计、生产制造和化学反应等环节，实现了在成本减少近半的同时，将电池的蓄电量提升60%。

除了进一步提升化学电池的性能外值得美军关注的其他能源技术包括：

新型发电方案。例如，光热发电系统可将热能转化为电能，如果结合能产生热能的放射性同位素使用，组成放射性同位素光热发电系统，将能实现超长寿命（长达数年）的小型电源。该技术的另一个好处是，具备热屏蔽特征，但其输出功率相对有限。

无线电源。目前，无线无辐射充电技术，可在几米内，为功率为几十瓦的低功耗设备供电。减少士兵能源类负荷的另一种构想，是利用机器人队友为整个班组成员的穿戴设备远程供电。

集成电源。直接将电池集成进单兵装备，也可减少士兵负荷。例如，新型钾离子纤维可将电池织入现成的纺织品或制造能充电的新衣物。0.09平方米的锂离子纤维纺织物，可提供6.8瓦时电量足够为一部手机充电24小时。

能量采集。士兵的人体运动本身就是一种可能的电源。同弹簧一样，人体关节的每一次运动，都会产生可以被捕获的能量。加拿大仿生电力公司，研发出一种能利用士兵在战场上的运动为电池或设备充电的系统。该系统名为“力量行走动能收割机”，重1.1公斤，能从人体运动中捕获10至12瓦的电能。单兵背囊经过改装，也可被用于收集能量。目前，美军已对一种名为“能量收集突击背包”(En-ergy Harvesting Assault Pack)的系统进行测试。该背包可容纳23 公斤重的负荷，在士兵行走时最多可发电35瓦，奔跑时可发电40瓦。

生物电池。生物电池，是一种靠有机化合物供电的电池。人体运动时，葡萄糖进行分解，形成乳酸并提供能量，这一过程称为糖酵解。通过绷带式皮肤贴、临时纹身等形式的生物电池，可收集汗液中的乳酸，将其转换成能量，为士兵穿戴的iPod、GPS定位仪、健康监测仪等设备供电。不过，由于糖酵解过程是人体疲劳的产物，士兵的体能越好，其汗液中的乳酸成分越低，这就可能限制此类生物电池技术的军事运用。

报告认为，在可预见的未来，能量储存和新能源开发技术领域不太可能出现重大突破，但短期内的一些改进仍可能一定程度上减轻单兵负荷。今后，美军应尽可能地利用电动汽车电池等现有商用能源技术，同时对生物电池、能量收集、混合动力发动机等具有较高军用价值的技术进行投资，开展相关研究。