美國(guó)軍用地面仿生機(jī)器人發(fā)展

近年來(lái)，仿生機(jī)器人技術(shù)越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。軍用地面仿生機(jī)器人作為一類新的地面無(wú)人裝備，不僅豐富了現(xiàn)有地面無(wú)人裝備類型，推動(dòng)了仿生機(jī)器人技術(shù)的全面發(fā)展，同時(shí)也將極大地?cái)U(kuò)展地面無(wú)人系統(tǒng)的作戰(zhàn)任務(wù)范圍。美國(guó)作為地面無(wú)人裝備發(fā)展最快的國(guó)家，其軍用地面仿生機(jī)器人已成為陸軍作戰(zhàn)力量建設(shè)必需的新型裝備，是當(dāng)前美軍新型裝備技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。

軍用地面仿生機(jī)器人的概念與分類

軍用地面仿生機(jī)器人指模仿生物體的結(jié)構(gòu)、功能和工作原理設(shè)計(jì)的軍用機(jī)器人，是地面無(wú)人系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向。通過(guò)在軍用機(jī)器人設(shè)計(jì)中應(yīng)用仿生技術(shù)，可以賦予機(jī)器人獨(dú)特的作戰(zhàn)能力。目前，軍用地面仿生機(jī)器人大致可分為具有出色機(jī)動(dòng)、運(yùn)輸能力的四足機(jī)器人；擁有人類行為能力，并可以替代士兵執(zhí)行部分主要作戰(zhàn)任務(wù)的人形機(jī)器人；具有跳躍和垂直攀爬功能的微型機(jī)器人3類。

美國(guó)軍用地面仿生機(jī)器人研發(fā)現(xiàn)狀

目前，在軍用地面仿生機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，美國(guó)是研究投入最大、技術(shù)水平最高的國(guó)家。近年來(lái)，美國(guó)在開(kāi)展軍用地面仿生機(jī)器人技術(shù)研究的的過(guò)程中，陸續(xù)推出了“大狗”“野貓”“阿特拉斯”“沙蚤”、蛇形機(jī)器人等多款產(chǎn)品，代表了當(dāng)前國(guó)外軍用地面仿生機(jī)器人的最高水平。

軍用地面仿生機(jī)器人分類

美國(guó)軍用地面仿生機(jī)器人的研發(fā)力量美國(guó)是目前軍用地面仿生機(jī)器人研發(fā)能力最強(qiáng)、科研體系最完備的國(guó)家。研發(fā)機(jī)構(gòu)包括政府科研機(jī)構(gòu)、軍方科研單位、高等院校和工業(yè)界科研機(jī)構(gòu)。以國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局、陸軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)為代表的政府和軍方科研機(jī)構(gòu)從事部分探索研究、應(yīng)用研究工作、試驗(yàn)鑒定任務(wù)；高等院校如卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)等主要從事基礎(chǔ)研究。工業(yè)界科研機(jī)構(gòu)是地面仿生機(jī)器人的主要研發(fā)力量，從事與產(chǎn)品和工藝結(jié)合緊密的發(fā)展研究和系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

美國(guó)具備地面仿生機(jī)器人系列研發(fā)能力的機(jī)構(gòu)包括：波士頓動(dòng)力公司、卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)國(guó)家機(jī)器人工程中心、德雷塞爾大學(xué)、雷神公司、SCHAFT公司、弗吉尼亞理工大學(xué)、美國(guó)航天航空局約翰遜空間中心和美國(guó)航天航空局噴氣推進(jìn)試驗(yàn)室等。在地面機(jī)器人控制技術(shù)方面擁有較強(qiáng)實(shí)力的機(jī)構(gòu)主要包括：美國(guó)航天航空局噴氣推進(jìn)試驗(yàn)室、卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)、洛克希德·馬丁公司先進(jìn)技術(shù)試驗(yàn)室、RE2公司、堪薩斯州大學(xué)、麻省理工學(xué)院、TRAC試驗(yàn)室、華盛頓大學(xué)、佛羅里達(dá)人類與機(jī)器認(rèn)知研究所以及TORC機(jī)器人公司等。

研發(fā)項(xiàng)目概況美國(guó)軍用地面仿生機(jī)器人研究主要由國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局投資支持。目前主要通過(guò)兩個(gè)項(xiàng)目支持研究。

2010年，國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局啟動(dòng)了"腿形班組支援系統(tǒng)"項(xiàng)目。該項(xiàng)目旨在開(kāi)發(fā)一種用于在車(chē)輛不易通行的惡劣地形條件下，為士兵運(yùn)輸裝備的全自主四足機(jī)器人，要求其能夠感知地形并做出相應(yīng)調(diào)整動(dòng)作，滿載重量不超過(guò)567.5千克，能攜帶181.6千克物資在24小時(shí)內(nèi)行走32千米。為推動(dòng)該項(xiàng)目發(fā)展，國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局于2010年2月與美國(guó)波士頓動(dòng)力公司簽訂了為期30個(gè)月、總投資3200萬(wàn)美元的研發(fā)合同，用于研制“腿形班組支援系統(tǒng)”樣機(jī)?！按蠊贰睓C(jī)器人就是波士頓動(dòng)力公司為該項(xiàng)目研制的一款樣機(jī)。2014年，在環(huán)太平洋軍事演習(xí)期間，海軍陸戰(zhàn)隊(duì)作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)室把“大狗”機(jī)器人編入海軍陸戰(zhàn)隊(duì)連隊(duì)，進(jìn)行了作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

2011年3月，國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局啟動(dòng)了“機(jī)動(dòng)性與操縱性最優(yōu)化”項(xiàng)目，旨在通過(guò)采用新的設(shè)計(jì)工具、制造方法和控制算法在機(jī)器人機(jī)動(dòng)和操縱性能方面實(shí)現(xiàn)突破。波士頓動(dòng)力公司先后為該項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了“獵豹”、“野貓”和“阿特拉斯”仿生機(jī)器人。

典型產(chǎn)品“大狗”系列機(jī)器人，主要包括“大狗”機(jī)器人和“阿爾法狗”機(jī)器人?！按蠊贰笔且环N采用四足行走模式的仿生機(jī)器人，最初也被稱為“機(jī)器騾”。它重約109千克，高1米，長(zhǎng)1.1米，寬0.3米，全身安裝有50個(gè)傳感器，能通過(guò)控制四條腿實(shí)現(xiàn)站立、下蹲、爬行、小跑以及快速跳躍前進(jìn)，在平坦地形條件下能攜帶154千克物資，爬行速度為0.7千米/小時(shí)，小跑速度為5.6千米/小時(shí)，快步跑速度為7千米/小時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試中跳躍前進(jìn)的最大速度可達(dá)11千米/小時(shí)?！按蠊贰睓C(jī)器人由一名操作員使用控制單元向它發(fā)送無(wú)線電指令實(shí)施控制?？刂茊卧◤V播天線、無(wú)線電接收裝置、方向盤(pán)控制器和頭盔顯示裝置。

目前，“大狗”機(jī)器人正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以增加一些新功能，具體包括：增加“聽(tīng)覺(jué)”傳感器使其能夠接收并執(zhí)行班組成員發(fā)出的語(yǔ)音指令；將其作為遠(yuǎn)程輔助電源為士兵裝備充電；具有像軍犬一樣的快速反應(yīng)能力；達(dá)到多功能通用的運(yùn)輸能力；視覺(jué)傳感器也將進(jìn)行改進(jìn)。2013年3月，“大狗”成功進(jìn)行了拋擲重物試驗(yàn)。

“大狗”機(jī)器人

繼“大狗”之后，波士頓動(dòng)力公司于2012年1月推出了改進(jìn)型“阿爾法狗”機(jī)器人，并進(jìn)行了首次戶外測(cè)試。與“大狗”相比，“阿爾法狗”更加靈巧堅(jiān)固，無(wú)需專門(mén)操作員，依靠視覺(jué)傳感器就能實(shí)現(xiàn)自主跟隨行進(jìn)，也能利用地形傳感器和GPS行進(jìn)至指定地點(diǎn)。目前“阿爾法狗”機(jī)器人仍在改進(jìn)中，最終目標(biāo)是可攜帶182千克物資，24小時(shí)內(nèi)不充電的狀態(tài)下可行進(jìn)32千米。

“獵豹”機(jī)器人是一種注重機(jī)動(dòng)性的四足機(jī)器人，也是目前世界上速度最快的腿形機(jī)器人，擁有關(guān)節(jié)式脊椎骨、鉸接式頭/頸結(jié)構(gòu)、四條腿和一條尾巴，能迅速加速、減速以及停止運(yùn)動(dòng)，還能在奔跑中急轉(zhuǎn)彎，做Z字形運(yùn)動(dòng)，以追捕和逃避追捕。它采用的鉸接式背部結(jié)構(gòu)，使其能像動(dòng)物一樣每邁一步就做一次收縮與伸張運(yùn)動(dòng)，有效增加了它的步幅和奔跑速度。目前，“獵豹”機(jī)器人動(dòng)力由外置液壓泵提供，其最快速度記錄是在實(shí)驗(yàn)室跑步機(jī)上測(cè)得的46千米/小時(shí)。

“野貓”機(jī)器人是“獵豹”機(jī)器人的改進(jìn)型。該機(jī)器人能夠完成急跑、躍進(jìn)和轉(zhuǎn)彎動(dòng)作，最快速度達(dá)到約26千米/小時(shí)。演示中，該機(jī)器人奔跑方式是四足騰空，同時(shí)身體也以一定角度進(jìn)行前后擺動(dòng)，使其跑動(dòng)步幅得到增加。它采用四足著地式休息方式，不會(huì)增加其他部件的磨損。與“獵豹”機(jī)器人相比，“野貓”機(jī)器人動(dòng)力裝置防彈能力得到增強(qiáng)，擴(kuò)展了它的作戰(zhàn)范圍。與“大狗”著重強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)定性相比，“野貓”更關(guān)注速度，同時(shí)還表現(xiàn)出良好的轉(zhuǎn)彎能力。另?yè)?jù)波士頓動(dòng)力公司公布的視頻顯示，“野貓”機(jī)器人具有摔倒后快速恢復(fù)的能力。未來(lái)發(fā)展目標(biāo)是進(jìn)一步降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，且在各種地形條件下運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到80千米/小時(shí)。

“阿特拉斯”機(jī)器人

2013年7月，“阿特拉斯”人形機(jī)器人首次向公眾展示。它由頭、軀干、四肢組成，重150千克，高1.88米，軀干厚0.56米，肩寬0.76米，由功率為15千瓦的480伏三相電源提供動(dòng)力；全身裝有液壓驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)、實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)、液壓泵和熱管理系統(tǒng)，具有防摔保護(hù)功能；頭部傳感器組件采用感覺(jué)算法，包括激光雷達(dá)、立體傳感器和專用傳感器電子設(shè)備；手腕可以安裝模塊化的第三方機(jī)械手；可接入傳輸率為10吉比特/秒的光纖以太網(wǎng)。“阿特拉斯”在傳送帶上大步前進(jìn)時(shí)，能躲開(kāi)傳送帶上突然出現(xiàn)的木板；從高處跳下時(shí)能穩(wěn)穩(wěn)落地；能兩腿分開(kāi)從陷阱兩邊走過(guò)；能單腿站立，被從側(cè)面襲來(lái)的球撞擊后不會(huì)摔倒；也能在樓梯上跑步。

“沙蚤”機(jī)器人是波士頓動(dòng)力公司和桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在2012年根據(jù)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的需求，聯(lián)合研制的一款微型跳躍機(jī)器人。它大小類似鞋盒，重量?jī)H為4.99千克，最高可跳躍9米，最大速度達(dá)到5.47千米/小時(shí)，能獨(dú)立越過(guò)壕溝和障礙，配備一部攝像機(jī)和操作控制單元，能通過(guò)掌上電腦或筆記本電腦進(jìn)行控制?！吧吃椤弊畛醣环Q為“精確的城市跳躍者”，設(shè)計(jì)思想源自昆蟲(chóng)的跳躍行為，旨在通過(guò)杰出的跳躍能力，為地面部隊(duì)提供在隱蔽情況下進(jìn)入建筑物和營(yíng)區(qū)的能力。它能跨越柵欄，遙控偵察目標(biāo)區(qū)域，并通過(guò)圖像接口向操控人員傳送詳細(xì)的視頻圖像或高分辨率快照。美國(guó)陸軍已在阿富汗對(duì)這種機(jī)器人進(jìn)行了測(cè)試。

蛇形機(jī)器人由美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室研制，具備游泳、攀爬和穿越窄地的能力，能夠用于救援、偵察等多種任務(wù)。該機(jī)器人由3個(gè)蛇形組件構(gòu)成，有一個(gè)木桶型的身體，更像一只三足爬蟲(chóng)。它可以借助自身的扭曲能力以及對(duì)機(jī)械手的控制，來(lái)打開(kāi)各種門(mén)的手柄，未來(lái)或許能夠解決“機(jī)器人不會(huì)開(kāi)門(mén)”的難題。

仿生機(jī)器人對(duì)陸軍裝備發(fā)展和作戰(zhàn)能力的影響

仿生機(jī)器人引領(lǐng)軍用地面無(wú)人裝備發(fā)展。仿生機(jī)器人的發(fā)展豐富了軍用地面無(wú)人裝備類型，也推動(dòng)了地面無(wú)人裝備的發(fā)展。仿生機(jī)器人作為一類新的地面無(wú)人裝備，能夠滿足部隊(duì)更多的作戰(zhàn)任務(wù)需求，使未來(lái)陸軍能更好地面對(duì)威脅環(huán)境的變化，適應(yīng)日益復(fù)雜的未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。

仿生機(jī)器人將賦予未來(lái)陸軍部隊(duì)新的作戰(zhàn)能力。隨著技術(shù)的不斷成熟，仿生機(jī)器人投入戰(zhàn)場(chǎng)后將會(huì)把當(dāng)前地面無(wú)人系統(tǒng)擔(dān)負(fù)的物資運(yùn)輸?shù)容o助作戰(zhàn)任務(wù)向偵察監(jiān)視、火力打擊、機(jī)動(dòng)突擊等主要作戰(zhàn)任務(wù)拓展，尤其是在機(jī)器人自主技術(shù)和互操作技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，其自主作戰(zhàn)能力和系統(tǒng)間的協(xié)同作戰(zhàn)能力將不斷增強(qiáng)。比如人形機(jī)器人可在現(xiàn)有地面無(wú)人系統(tǒng)的基礎(chǔ)上利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種通訊技術(shù)進(jìn)行敵我識(shí)別，實(shí)現(xiàn)部署作戰(zhàn)。

仿生機(jī)器人將成為未來(lái)新興作戰(zhàn)形態(tài)下的中堅(jiān)力量。機(jī)器人士兵、四足機(jī)器人、微型仿生機(jī)器人等軍用仿生機(jī)器人將在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上充分發(fā)揮其多功能性、持久性的特點(diǎn)，能極大地減少士兵傷亡，逐漸成為各國(guó)執(zhí)行現(xiàn)代化作戰(zhàn)任務(wù)不可或缺的作戰(zhàn)手段，并將引領(lǐng)地面無(wú)人系統(tǒng)由輔助作戰(zhàn)裝備向陸軍裝備信息化、城區(qū)與戰(zhàn)場(chǎng)高危環(huán)境、跟隨式保障等多個(gè)任務(wù)領(lǐng)域拓展，逐漸成為陸軍作戰(zhàn)裝備建設(shè)的重要方向。