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军事机器人技术发展应用研究 | 机器人正在崛起: 未来美国军队将由谁来指挥?

战略前沿技术  · 公众号  · 科技媒体  · 2017-07-26 08:16

正文

本文由海鹰资讯(ID:hiwing_news)授权转载,作者: 张翼麟,本文刊载自2017年《无人系统技术》第3期

【提示】战场上,模拟昆虫形态的小型飞行器集群飞进一座建筑物,执行简易爆炸装置(IED)的侦察工作。经过分析,模式识别软件辨别出建筑物中的恐怖分子,与此同时,其他传感器探测出简易爆炸装置的存在。随后,处于视距外的一架高空无人机释放杀伤性武器对建筑物进行打击。在成功实施精确打击后,武装无人车释放小型自主移动机器人,搜索尚未爆炸的IED并对其进行处理,同时蛇形机器人在建筑物残骸中搜索幸存者。最后,数据经链路传输至后方指挥中心,对作战效果进行最终评估。

虽然这仅是一个作战想定的场景,甚至与特效电影场景有些类似,但随着研究的不断深入,军用机器人的相关装备和技术已经取得一定的成果,是当前研究的热点之一。本文旨在对当前军用机器人的使用和发展进行分析研究。

欢迎戳下方视频,观看“TED演讲-军事机器人和战争的未来”。在这场强有力的演讲中,P.W.辛格展示了军事机器人的广泛应用正在如何改变着战争的现状。



一、发展现状概述



当前,多种类型的军用机器人已常规部署,其中无人机(UAV)和小型无人地面车辆(UGV)两种最为普遍。无人机已经在战场侦察监视和打击任务中发挥了突出作用;而目前应用比较广泛的UGV通常是小型、遥控、使用电池驱动的,采用轮式或履带式移动,后期增加了全地形作战能力,可以在泥地、沙地、雨雪天气中使用,并已经具备了跳跃和攀爬台阶等能力。这些机器人主要对IED进行定位、检查和处理,并可用于执行侦察任务。图1为MARCbot IV机器人,它是一种低成本、轮式无人平台,可以搭载照相机,在伊拉克战场广泛应用于可疑物体探测。图2为Dragon Runner,一种履带式机器人,用于侦察和炸弹处理。这些类型的无人装备能够在局部战争中避免人员伤亡。

MARCbot IV机器人探测可疑IED

Dragon Runner机器人

除了防御型战场机器人外,各国也研制了多种搭载武器装备的UGV,执行攻击任务。典型的包括俄罗斯在2013年推出的Platforma-M无人地面车。Platforma-M是一个电池驱动的遥控履带式机器人平台,装有四个榴弹发射器和卡拉什尼科夫步枪。该无人地面车质量800kg,最大速度12km/h,在叙利亚战场上投入使用。

Platforma-M无人地面车

随着前沿技术,如人工智能、高级计算能力、传感器系统、新型材料、制导与定位技术、电源和推进技术等领域不断取得进展,军用机器人技术也在不断发展成熟。军用机器人的类别十分广泛,包括双足拟人机器人、外骨骼机器人、微型及其他先进无人机、自主无人地面车、履带式/足式载重机器人、医疗救援机器人以及其他各种水面/水下机器人等。


二、仿人机器人



近年来,仿人机器人都是机器人领域的研究热点,在战场应用,特别是在搜索救援工作中有很大的应用空间。其中,最具代表性的军用拟人机器人当属Boston Dynamics公司研发的Atlas机器人。该机器人在早期PETMAN机器人的基础上进行研制,四肢采用液压驱动,使用铝和钛搭建而成。站立时,Atlas机器人高6ft(约1.83m),重量330lb(约299kg),装备了激光测距装置和立体摄像机,手部具有较好的运动能力。机器人四肢具有28自由度,能够在复杂地形中导航,并具备一定的攀爬能力。在2015年DARPA机器人大赛中,Atlas能够驾驶特定的汽车,穿过废墟,移开挡住出口的碎石,打开门进入建筑,攀爬梯子,穿过通道,使用工具击碎混凝土板,定位漏水水管的阀门位置并关闭阀门,将消火栓连接到水管上。

Atlas机器人


三、外骨骼机器人



外骨骼机器人也一直是多年来的研究重点。最早的外骨骼机器人是20世纪60年代由美国军方和通用电气公司研制的Hardiman外骨骼机器人,能够协助穿戴者拎起1500lb(约680kg)的重物。经过多年的发展,现在,商用外骨骼机器人已能够协助受伤或体弱的人完成动作。而在军用领域,外骨骼机器人主要用于加强战斗人员的体力和持续战斗能力。特别是在当前战场环境中,作战士兵的载重越来越大的情况下,这种装备变得尤为重要。美国军方联合多个公司开展了外骨骼机器人的演示验证工作,包括洛克希德马丁公司的Human Universal Load Carrier(HULC),Sarcos公司的Berkeley Lower Extremity Exoskeleton(BLEEX)和XOS机器人等,但这些装备尚未在战场上取得应用。外骨骼机器人通常由电机或液压驱动,目前面临的主要问题在于如何产生并保持足够的功率,并同时使重量和体积最小化。

在DARPA合同资助下,美国陆军研究实验室联合哈佛大学的研究机构,正在评估一种“软式”外骨骼机器人。与大多数早先的外骨骼机器人不同,这是一种轻型装备,名为Soft Exosuit,能够克服传统重型外骨骼机器人的一些缺点,如需要大功率电池组、刚性组件影响关节的自然活动,等等。该机器人重9kg,功率40W,由织物、柔性线缆和多个小型电机组成,能够在每个动作时为装置提供能量,并使机器人能够自由活动。理论上,相比重型外骨骼机器人,在严酷地形条件下使用时,软式外骨骼机器人能够减轻由大载重带来的疲劳,并降低受伤的风险。


四、载重机器人



21世纪初,在DARPA的资助下,Boston Dynamics公司开始研制一种四足载重机器人,名为“大狗”。“大狗”机器人由两冲程发动机驱动液压泵,液压泵驱动腿部作动器完成动作。每条腿上装有4个作动器,其中髋关节装有2个作动器,膝盖和脚踝各装1个。每个作动器包括液压缸、伺服阀、力/位置传感器等。“大狗”机器人体长0.91m,高0.76m,重110kg,能够搭载150kg的载荷在复杂地形上以6.4km/h的速度奔跑,并能够攀爬35°的斜坡。

“大狗”机器人

2008年,新一代“大狗”机器人——名为AlphaDog——的视频发布,在受到冲击的情况下,它可以自动调整步态,恢复到平衡状态。随后,2012年,在DARPA的进一步资助下,Boston Dynamics公司开展了军用的Legged Squad Support System(LS3)项目,并在弗吉尼亚州的森林中进行了测试。实验中测试了机器人对语音指令的识别和响应能力。

2015年12月,“大狗”项目终止。尽管在战场载重方面的需求较为强烈,但其汽油驱动的发动机噪声过大,容易暴露目标,且野外修理维护难度太大,导致项目最终取消。Boston Dynamics公司还研制过类似功能的全电动机器人,名为Spot,噪声小,但载重能力仅为18kg,项目最终也未能延续。

另外,麻省理工学院(MIT)的研究人员在DARPA的部分资助下,研制了电池驱动的四足机器人,叫做Cheetah,能够以5mph(约8km/h)的速度奔跑。其改进型Cheetah2,装备了LIDAR系统,可以自主跃过18英寸(约45.7cm)高的障碍物。这得益于由三个模块组成的算法:(1)第一部分实现机器人对障碍物的探测,并对障碍物的大小和距离进行估计;(2)第二部分首先使机器人调整前进路线,并根据与障碍物的距离计算出跳跃的最佳位置,再预留出机器人所需的步数,然后调整机器人的速度(加速或减速),最终达到最佳起跳点;(3)第三部分主要用于确定跳跃轨迹,根据障碍物的高度和机器人的速度,计算出跳跃需要的力。

Cheetah机器人


五、小型无人机/机械昆虫



小型无人机和微型无人机由于不易探测,在隐蔽监视任务中能够发挥重要作用。多家研究机构对此类装备进行过研究,类型涵盖旋翼无人机、扑翼无人机等等。DARPA甚至在其Hybrid Insect Mirco-Electro-Mechanical Systems(HI-MEMS)项目中研发了针对昆虫集群的遥控技术。虽然这个项目并未能够顺利开展下去,但类似的想法在其他研究项目中得以延续。美国北卡罗来纳州立大学的研究机构近期通过采用向处于蛹期的飞蛾的肌肉中植入微型机械装置的方法,“研发”了一种可以遥控的半机械飞蛾。使用这种方法,使肌肉纤维包裹着机械装置生长,飞蛾成熟后即可通过电激励对其进行控制。

挪威Prox Dynamics公司研发了一种商业化的高度小型化的电动旋翼无人机——PD100 black hornet。PD-100尺寸约为10×2.5cm,质量18g,最大飞行速度18km/h。它可以持续飞行25分钟,搭载长波红外传感器或可见光成像传感器,通过数据链将视频或静止图像传送1.6km外的阵地。英国陆军在阿富汗战场上使用了PD100 Black Hornet无人机,美国陆军也在2015年3月对其进行了测试。

PD-100 Black Hornet机器人


六、无人地面车辆



无人地面车辆在军用和民用方面都有较大的应用潜力,现在已有无人车在公路上完成过测试。使用无人地面车辆,埋伏在路旁的IED不会造成有生力量的伤亡,因此在军用领域可发挥一定作用。例如,部队可以使用无人地面车辆带领车队经过危险地区,确保跟随车辆及人员的安全。如洛克希德马丁公司研制的Autonomous Mobility Applique System,计划使用线控安全系统对车辆进行驾驶、加速和刹车,采用GPS、LIDAR和自主RADAR的方式进行车辆导航。该系统还具备碰撞缓解制动、车道保持辅助、翻车警告系统、电子稳定控制、自适应巡航控制等功能,并适用于几乎所有军用车辆。目前,AMAS已完成了多次战场测试。在其中一次测试中,车辆在遵守交通规则的情况下成功穿越复杂交通路段,可对行人和其他障碍物进行识别和规避,并利用智能决策系统使车辆在错综复杂的测试区域中回到预定线路上。

试验中的搭载AMAS系统的重型车辆

军事机器人能够减少人员伤亡、执行情报侦察监视任务,在战场上的重要作用不言而喻。以美国陆军未来战斗系统(FCS)旅级战斗队现代化项目为例,该项目已经验证了战场机器人能够提升载人地面车辆的生存能力,并在敌方部队定位等作战使用中发挥着重要作用。未来,随着平台机动性的增强和相关技术(如武器化、自主化、人机交互和人工智能等)的成熟,机器人系统必将在未来战场上发挥更加重要的作用。



机器人正在崛起:

未来美国军队将由谁来指挥?


来源:网易科技,编译:小小

(原标题:The Rise Of The Robots: What The Future Holds For The World’s Armies)

网易科技讯 6月15日消息,据Fastcopany报道,单纯从科幻小说的角度来看,军事机器人似乎是个糟糕的主意。从《终结者》(The Terminator)到《黑客帝国》(The Matrix),流行文化充满了强大机器肆虐横行的故事,它们总是努力摆脱制造者的控制,击败任何试图阻止它们的力量。早在20世纪20年代,捷克作家卡雷尔·查佩克(Karel Capek)就在舞台剧《罗森的万能机器人》(Rossum's Universal Robots)中首次提出了机器人(robot)这个词,并预言人类命运将终结在人工生命之手。

尽管有这些电影发出警告,但是陆地、空中以及海上机器人依然不断从科幻小说中涌现,成为现代武器库的标准部分,现在甚至有人正认真讨论开发杀手机器人和无人机,它们不仅可独立思考,甚至还能相互交流。

自从2011年9/11恐怖袭击发生以来,美国军方已经部署了数以万计的遥控机器人。在中东,无人机已成为一种常见的作战武器。无人驾驶陆地战车已经帮助美国军队在伊拉克和阿富汗安全地摧毁了大量路边炸弹。水下无人机被用来收集科学和侦察数据,并帮助排除水雷。

其他国家军队和各种武装组织也正在开发自己的战斗机器人,通过开发进攻性和防御性的机器人技术,很可能引发类似冷战式的军备竞赛。支持者认为,军事机器人会拯救更多生命,而不是危及生命,比如那些已经应用到实践中的炸弹排爆机器人。

各国军队正开始着手进行整合,包括考虑何时以及如何将越来越多的自主机器人应用到各种军事行动中。然而与民用自动化卡车、拖拉机或铲车相似,他们也面临安全性和有效性等相同的问题。世界各国领导人也在积极考虑,如果没有人类发出的明确命令,机器人是否应被允许开火或启用其他武器。所以,以完成任务为使命、类似终结者的杀人机器可能不再那样遥远。

安德瓦机器人公司推出的机器人

无人机战争

美国军方的机器人计划同样令人担忧。2001年10月7日,也就是9/11恐怖袭击发生1个月后,机器人首次证明了它是一种致命武器的价值。到阿富汗战争爆发时,名为MQ-1的捕食者无人机首次发动了致命空袭。这架无人驾驶飞机现在已成为华盛顿国家航空航天博物馆的重要象征。

在小布什总统(George W. Bush)使用无人机取得初步成功后,捕食者和更大的收割者无人机的使用迅速增加。小布什的继任者巴拉克·奥巴马(Barack Obama)同样大力支持使用无人机,促使其数量进一步扩大。外交关系高级研究员迈卡·曾科(Micah Zenko)估计,奥巴马授权的无人机袭击高达506次,而布什授权还不到50次。

批评人士表示,由数百或数千公里以外的操作员远程操控无人机很难做到万无一失。婚礼和其他平民集会遭到意外袭击事件屡见不鲜,成为无人机项目的最大困扰之一。奥巴马在2013年演讲中说,利用无人机对恐怖分子发动袭击依然是最佳方案。他说:“与无人机相比,传统的空军或导弹更不准确,并有可能造成更多平民伤亡和引发更多地方愤怒。这些入侵领土行为使我们被视为占领军队,会产生许多意想不到而难以控制的后果,进而造成大量平民伤亡,导致暴力冲突加剧。”

2013年,美国参议员林赛·格雷厄姆(Lindsey Graham)估计,约有4700人在美国无人机袭击中身亡。他说:“有时你会攻击到无辜的人,我讨厌这样,但我们正处于战争中,我们已经击毙了许多基地组织高级成员。”唐纳德·特朗普(Donald Trump)在就任总统后的头几个月里,继续授权CIA增加无人机袭击次数。在去年大选期间,他甚至提倡使用捕食者无人机进行边境巡逻。

据美国智囊机构New America Foundation估计,美国面临装备无人机的敌军威胁日益加剧,现在已经有86个国家拥有某种无人机,其中包括19个已经拥有或正在获得武装无人机技术的国家。该基金会报告说:“2011年研究发现,世界各国政府、公司和研究机构共有约680个活跃的无人机开发项目,而六年前只有195个。”恐怖组织也在关注这项空中技术:IS使用商业和定制无人机进行监视,最近甚至还向伊拉克部队投放炸弹。

收割者无人机

地面机器人

在伊拉克和阿富汗,路边炸弹和简易爆炸装置已经造成数以千计的美军士兵伤残或者死亡,无人地面车辆可以帮助拆除它们,地面机器人已经展示出拯救生命的巨大潜力。New America Foundation战略专家、《连线战争:机器人革命和21世纪冲突》(Wired for War: The Robotics Revolution and Conflict in the 21st Centur)的作者彼得·辛格(Peter Singer)2009年写道,部署在伊拉克的军用地面机器人数量2004年末大约为150个,4年后已经增加到大约12000个。

美国军方发言人多弗·施瓦茨(Dov Schwartz)承认:“多达1000辆无人地面车辆已在伊拉克和阿富汗被炸毁,但它们挽救了无数生命。”早在2002年初,类似坦克的便携式遥控汽车PackBots就被部署在阿富汗,帮助搜寻布满陷阱的洞穴和隐藏的敌人。当时,这些机器由麻省理工学院分拆的公司iRobot制造,以Roomba和Braava等自动地板清洗机为基础。该公司的军事部门去年剥离出来,组建了总部位于马萨诸塞州的Endeavor Robotics公司。

PackBot:排爆技术人员使用遥控机器来帮助检测和拆除简易爆炸装置

PackBot被证明在前线部队中很受欢迎。一位陆军上校在2003年称,与损失士兵相比,更换机器人显然更划算。iRobot公司推出了新的模型,可以拆除拆除炸弹和应对伏击,也能用于侦察和处理炸弹。Endeavor Robotics首席执行官肖恩·比拉特(Sean Bielat)表示:“在与客户和最终用户的协调中,我们在不断学习。因为与我们的遐想相比,他们总是知道自己更需要什么。我们总是需要这样的迭代过程:把设备交给他们,他们提供反馈,然后我们进行重新设计,最终帮助他们完成任务。”

2005年,PackBot成为环纳斯达克交易所首个开市敲钟的机器人,预示着iRobot公司7200万美元的IPO活动开市。到2012年,iRobot公司宣布已经向国防机构和警察机构售出超过5000个机器人,包括能够携带68公斤负重的超级战士PackBot、重量仅2.3公斤的FirstLook。其中,FirstLook属于通常被称为“异类”的机器人,因为它们可以被扔到很难看到的地方,或者从车上滚下去,甚至被扔到建筑物里面检查潜在威胁。

专为军方和执法机构提供各种设备的ReconRobotics公司首席执行官兼总裁马克·特雷纳(Mack Traynor)表示:“军队将使用机器人侦察道路、下涵洞,以及进入狭窄的地方。曾有海军陆战队上士告诉我,当他被外派执行任务的时候,负责连队里最大的家伙。他要做的,就是把它尽量扔到远处。”

濒海战斗舰“独立号”(LCS-2)正在部署远程多任务车辆(RMMV),以测试该舰的反水雷任务包(MCM)

海底机器人

同样,美国海军始终在使用机器人定位水雷。2003年,被称为远程环境监控单元(REMUS)的鱼雷形无人潜艇第一次被用于在伊拉克港口城市乌姆盖斯尔(Umm Qasr)周围寻找水雷。这些装置帮助水手在水面下发现了几十个可疑物体。

作为侦察工具,这些机器人过去几十年已被证明非常有价值,包括1985年帮助找到泰坦尼克号的残骸。它们还被用来寻找沉船和失事飞机的“黑匣子”。1999年,美国海军水下无人机Deep Drone在楠塔基特附近成功找到发生空难的埃及航班飞行数据记录仪。

但到目前为止,反水雷无人机大多辜负了人们的期望。所谓的遥控猎雷系统(Remote Minehunting System,简称RMS)去年被正式取消,因为此前参议院武装部队委员会主席约翰·麦凯恩(John McCain)发表了一份措辞严厉的报告,称该系统斥资7.06亿美元、历时开发16年,却依然没有提供任何帮助。麦凯恩写道:“简单地说,虽然RMS的总体支出只比原计划略高一点,但它只产出了半数系统,这意味着超过了单位成本的两倍,并要花两倍的时间来解决这个问题。而且,它也不起作用。”

存在争议的地方在于,海军始终在使用训练有素的海豚和海狮寻找水雷。官员们称,一旦证明有机器能够胜任这些工作,他们计划执行淘汰海洋哺乳动物的计划。2016年11月份,美国国防部总检查官办公室警告说,这个计划中的机器名叫Knifefish,可部署在浅水区,与海军中新开发的濒海战斗舰协同作战。可是,它们可能无法在2017年使用。Knifefish是美国海军淘汰海豚等动物计划的重要组成部分。

机器人革命

军事机器人的革命还有很多需要改进的地方。随着美国五角大楼从快速的战时收购转变为长期的机器人项目,它面临着许多挑战。这些挑战与普通科技项目差不多,而非像科幻小说中描述的那样恐怖。比如,它需要确保来自不同厂商的设备能够很好地兼容,还要弄清楚哪些新工具能让操作变得更安全、更高效。

2013年发布的25年路线图强调,确保未来机器人能够共享数据并相互协作非常重要。该计划要求机器人使用标准化接口,以便机器人可以使用其他厂商的传感器以及工具等附加硬件,就像来自不同制造商的计算机可以与相同的USB设备进行通信那样。报告中警告称:“升级现有的专有零部件可能是昂贵的,在后勤上也是不可行的,因为整个平台可能都需要更换。这种封闭的发展方式导致许多不利的特点,阻碍了进步技术的应用和新能力的采用。”

施瓦茨透露,美国陆军去年启动了两个标准模块化机器人平台的采购流程,初步计算需要采购大约4400台设备。他们的目标是最终能够从不同的供应商那里购买到能够兼容的硬件,如辐射传感器和机器人手臂,而不必更换车身,只需保持零部件更新即可。

这种做法至少得到了部分承包商的赞赏,这将使他们能够把精力集中在专门的知识领域上。诺斯洛普-格鲁曼公司地面部队和防护系统主管林肯·哈德逊(Lincoln Hudson)说:“作为机动性提供商,我们可以真正专注于那些使特定平台能够去做其他事情的东西,而不必跟上最新技术的发展,比如说摄像头。”







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