新材料在軍事可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用

中國(guó)人民解放軍93114部隊(duì) 邱 婧 吳國(guó)棟 趙鳳艷

北京衛(wèi)戍區(qū)參謀部 宋新川

智能穿戴設(shè)備即可穿戴的智能設(shè)備，其融合了多媒體、無(wú)線通信、微傳感、柔性屏幕、GPS定位系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、生物識(shí)別、人工智能等最前沿的技術(shù)，通過(guò)與大數(shù)據(jù)平臺(tái)、智能云、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，隨時(shí)隨地對(duì)信息進(jìn)行搜集、處理、反饋、共享?？纱┐骷夹g(shù)在民用領(lǐng)域得到大規(guī)模應(yīng)用，在其帶動(dòng)下，各國(guó)競(jìng)相將智能可穿戴技術(shù)引入軍事領(lǐng)域，著手軍事領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，并取得了一定的成果。

一、智能穿戴設(shè)備在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用

未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)正逐漸向信息化、數(shù)字化方向轉(zhuǎn)變，在這種新的戰(zhàn)爭(zhēng)模式下，作戰(zhàn)形式已發(fā)生巨大變化，從過(guò)去的短兵相接到今天的超視距作戰(zhàn)，從晝間為主作戰(zhàn)到晝夜全天作戰(zhàn)，這些變化對(duì)戰(zhàn)士的作戰(zhàn)功效提出了新的要求，即必須在戰(zhàn)爭(zhēng)中具備反應(yīng)迅速、高防護(hù)力、猛烈殺傷、高適應(yīng)性、協(xié)同作戰(zhàn)能力。

智能穿戴設(shè)備具備信息化戰(zhàn)爭(zhēng)所需要的多個(gè)要素：體積小、質(zhì)量輕，由用戶穿戴和控制并持續(xù)運(yùn)行，提升人的智力、延伸人的感官、增強(qiáng)人的體能、保護(hù)人的安全等；將智能穿戴設(shè)備用于軍事領(lǐng)域，會(huì)對(duì)士兵作戰(zhàn)任務(wù)的完成產(chǎn)生巨大影響，能夠幫助士兵在信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中更準(zhǔn)確、快速地感知、獲取、利用和分發(fā)信息，最終實(shí)現(xiàn)信息制勝。同時(shí)隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等高科技的迅猛發(fā)展，目前智能可穿戴設(shè)備在軍事領(lǐng)域已經(jīng)得到一定應(yīng)用，應(yīng)用范圍涵蓋了作戰(zhàn)指揮、武器裝備、日常監(jiān)管等方面[1，2]。

作戰(zhàn)指揮類應(yīng)用是將可穿戴技術(shù)引入實(shí)戰(zhàn)，著眼于提升作戰(zhàn)人員的態(tài)勢(shì)感知、數(shù)據(jù)顯示和指揮通信等能力，如智能頭盔式裝備、單兵頭盔式夜視鏡、智能眼鏡等。武器裝備類應(yīng)用通過(guò)智能織造技術(shù)將微型計(jì)算機(jī)、微型傳感器等智能設(shè)備集成“在身上”，極大地拓展了士兵的人體生理功能，如單兵綜合戰(zhàn)斗系統(tǒng)、智能防護(hù)裝具、智能外骨骼系統(tǒng)等。日常監(jiān)管類應(yīng)用將智能穿戴設(shè)備應(yīng)用于日常安全管理、軍事訓(xùn)練和后裝保障中，如穿戴式安防管理器材、穿戴式生理檢測(cè)與醫(yī)療輔助設(shè)備、穿戴式裝備檢修設(shè)備等。

二、軍事可穿戴設(shè)備發(fā)展的瓶頸

軍用設(shè)備更加注重設(shè)備的易操作性及攜帶的便利性，能夠保證數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確的傳輸，以及能量及時(shí)長(zhǎng)久的供應(yīng)。軍事可穿戴設(shè)備存在以下幾個(gè)技術(shù)瓶頸仍需攻關(guān)突破。

（一）輕量化問(wèn)題

雖然當(dāng)前軍用可穿戴設(shè)備能夠使士兵在負(fù)重能力方面有所提升，但受技術(shù)現(xiàn)狀和成熟度的限制，當(dāng)前軍用可穿戴設(shè)備的技術(shù)還不成熟，給使用者帶來(lái)的體驗(yàn)舒適度尚有待提升。尤其是頭頸類的可穿戴裝備，由于質(zhì)量過(guò)重，士兵極易產(chǎn)生壓迫感和疲勞感，影響開(kāi)展有效的作戰(zhàn)行動(dòng)。加持在士兵身上的人體負(fù)重外骨骼系統(tǒng)等可穿戴設(shè)備仍顯得很笨重，這將嚴(yán)重影響士兵的機(jī)動(dòng)靈活性。運(yùn)用智能制造、柔性制造和新材料等技術(shù)研發(fā)更加輕量、更為便捷化，以及具有更高環(huán)境適應(yīng)性的軍用可穿戴設(shè)備已成為必然趨勢(shì)。

（二）電池續(xù)航問(wèn)題

為了更好地實(shí)現(xiàn)其功能，可穿戴設(shè)備需增加更多更強(qiáng)的傳感器、控制器等電子元件，設(shè)備功率需求也隨之增加。另外，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和隨時(shí)響應(yīng)的工作機(jī)制也使得可穿戴設(shè)備的功耗高于其他設(shè)備?？纱┐髟O(shè)備效能的發(fā)揮高度依賴電源支持，電能耗盡后即成為負(fù)擔(dān)。尤其是在激烈對(duì)抗的實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)中，戰(zhàn)地環(huán)境經(jīng)常面臨很長(zhǎng)時(shí)間都無(wú)法補(bǔ)充能源的情況，士兵執(zhí)行戰(zhàn)斗任務(wù)時(shí)很難得到額外的電源支持，因此，續(xù)航時(shí)間問(wèn)題是制約可穿戴設(shè)備在軍事領(lǐng)域應(yīng)用的另一關(guān)鍵因素。盡管自20世紀(jì)90年代以來(lái)電池小型化及輕便化研究取得了巨大進(jìn)展，但是在延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間方面還有很多的工作要做。一是需要進(jìn)一步優(yōu)化電源管理，同時(shí)發(fā)展低功耗器件，盡可能降低系統(tǒng)運(yùn)行功耗。二是尋找高效的新能源材料，迫切需要找到能量密度更高，同時(shí)更可靠、更安全的電池技術(shù)。三是可以沿人體體能發(fā)電技術(shù)方向進(jìn)行研究，即通過(guò)采集士兵的運(yùn)動(dòng)體能，采用特定的方式轉(zhuǎn)換為可穿戴設(shè)備補(bǔ)充能源，以滿足持久作戰(zhàn)的實(shí)際需求。

（三）傳感器技術(shù)問(wèn)題

傳感器是可穿戴設(shè)備的觸角，也是其智能化的基礎(chǔ)。軍用可穿戴設(shè)備對(duì)傳感器的需求主要為運(yùn)動(dòng)傳感、生物傳感和環(huán)境傳感等[3]。運(yùn)動(dòng)傳感技術(shù)主要用于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)探測(cè)、導(dǎo)航、人機(jī)交互功能，進(jìn)而達(dá)到測(cè)量、記錄和分析人體活動(dòng)的作用。生物傳感技術(shù)主要用于實(shí)現(xiàn)人體生理機(jī)能參數(shù)測(cè)定、評(píng)估士兵作戰(zhàn)狀態(tài)，為支援保障提供數(shù)據(jù)支撐。環(huán)境傳感技術(shù)主要用于對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)感知。隨著技術(shù)發(fā)展進(jìn)步，可穿戴設(shè)備的智能化要求越來(lái)越高，需要獲得的數(shù)據(jù)也會(huì)越來(lái)越多，這就需要更多傳感器，同時(shí)對(duì)傳感器的測(cè)量精度和穩(wěn)定性也提出了更高的要求。民用可穿戴設(shè)備的傳感器測(cè)量失誤也許僅會(huì)給使用者一個(gè)不正確的運(yùn)動(dòng)建議，作為輔助功能來(lái)說(shuō)影響并不大，但在軍事領(lǐng)域出現(xiàn)這樣的錯(cuò)誤則可能會(huì)引起災(zāi)難性的后果。因此，在軍事應(yīng)用中傳感器的精度和穩(wěn)定性必須得到足夠的重視，以確保其能夠在高度惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中準(zhǔn)確可靠地感知使用者的狀態(tài)和周邊環(huán)境情況，為戰(zhàn)場(chǎng)決策提供有效支撐。同時(shí)，沙漠、高濕高熱、高鹽霧、腐蝕性液體等高度惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境還要求軍用可穿戴設(shè)備的傳感器必須具有一定的抗破壞和耐腐蝕能力。

三、新材料在軍事可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用前景

攜帶方便、供電充足是復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)軍用電子設(shè)備的基本要求，也是擺在軍事智能可穿戴設(shè)備研發(fā)與運(yùn)用面前的重要問(wèn)題。首先，可折疊顯示器等柔性材料、碳纖維等輕質(zhì)材料的運(yùn)用，能夠使軍用智能可穿戴設(shè)備更加小巧貼身，最大限度地提高人員佩帶的舒適性和減小設(shè)備對(duì)戰(zhàn)斗動(dòng)作的影響。其次，傳感器技術(shù)的發(fā)展依賴于新材料的研究開(kāi)發(fā)，例如，半導(dǎo)體材料和新工藝的技術(shù)進(jìn)步促進(jìn)了半導(dǎo)體傳感器的迅速發(fā)展,并最終促進(jìn)一批新型半導(dǎo)體傳感器研制成功；同時(shí)，壓電半導(dǎo)體材料促進(jìn)了壓電集成傳感器的形成。第三，運(yùn)用各類新型電池技術(shù)可解決野戰(zhàn)條件下供電難的問(wèn)題，以此提高智能可穿戴設(shè)備的續(xù)航能力。

（一）柔性電子材料

新型柔性電子材料與器件在近10年得到迅速發(fā)展，其較強(qiáng)的可折疊性、多能力符合結(jié)構(gòu)等特性對(duì)未來(lái)信息技術(shù)發(fā)展和系統(tǒng)應(yīng)用的影響巨大。目前，柔性電子器件的應(yīng)用主要集中于柔性顯示器、柔性應(yīng)變傳感器和薄膜太陽(yáng)能電池等方面[4]。柔性顯示器具有質(zhì)輕、輕薄、耐用和可收卷等優(yōu)點(diǎn)，可用于軍事可穿戴設(shè)備中的高度集成顯示裝置。柔性應(yīng)變傳感器能夠滿足軍事可穿戴設(shè)備的特性需求，包括質(zhì)量輕、應(yīng)變承受度高、可自行修復(fù)等。柔性太陽(yáng)能電池是具有能量采集、轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)功能的柔性能量系統(tǒng)，可適應(yīng)軍事可穿戴設(shè)備中移動(dòng)、共形和全時(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景。

柔性電子器件的柔性主要由超薄的韌性基底材料提供，為實(shí)現(xiàn)器件在高形變程度下仍保持結(jié)構(gòu)和功能的完整性，需要結(jié)合具有高延展性、耐疲勞的導(dǎo)體材料和具有高穩(wěn)定性的半導(dǎo)體材料，共同實(shí)現(xiàn)電子器件的柔性化。特別是，由于碳納米管和石墨烯均具有良好的柔性、出色的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性、優(yōu)異的物理與化學(xué)穩(wěn)定性、具有結(jié)構(gòu)和性能易于調(diào)控等特點(diǎn)，因此，這2種材料近年來(lái)在柔性導(dǎo)體材料領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注和實(shí)質(zhì)性的發(fā)展[5]。

1.石墨烯

石墨烯由于具有極其優(yōu)異的導(dǎo)電能力，電阻率幾乎為零，因此被廣泛應(yīng)用于柔性電池和超級(jí)電容器中。目前，美國(guó)麻省理工學(xué)院已經(jīng)研制出以石墨烯復(fù)合材料為主體的柔性光伏電池板，可以在手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等電子產(chǎn)品中使用。此外，石墨烯還可制成化學(xué)傳感器，利用其表面吸附性來(lái)完成檢測(cè)工作。因石墨烯具有獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)，其對(duì)周圍的變化很敏感，因此用石墨烯研制出來(lái)的傳感器靈敏度極高，可用于軍用夜視系統(tǒng)、太空望遠(yuǎn)鏡等。同時(shí)，石墨烯具有優(yōu)越的力學(xué)性能，在抗彈防護(hù)方面具有廣泛的應(yīng)用前景，將石墨烯與其他輕質(zhì)高強(qiáng)材料復(fù)合，有望獲得高性能輕型裝甲系統(tǒng)。

2.碳納米管

碳納米管具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，以及優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)等性能，其被廣泛應(yīng)用于柔性晶體管、記憶存儲(chǔ)器、太陽(yáng)能電池、超級(jí)電容器等產(chǎn)品。目前，國(guó)外某實(shí)驗(yàn)室正牽頭研發(fā)一種能夠?qū)ν馓峁╇娔艿男滦头b。這種將碳納米管用于紡織面料的服裝，將為戰(zhàn)場(chǎng)上使用的照明裝置、夜視儀和通信設(shè)備等提供電力供應(yīng)，勢(shì)必將進(jìn)一步減輕單兵負(fù)擔(dān)。

3.石墨烯/碳納米管復(fù)合材料

為了結(jié)合石墨烯和碳納米管的優(yōu)點(diǎn)，人們將兩者共同制作成復(fù)合材料。石墨烯和碳納米管復(fù)合材料形成二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，兩者的協(xié)同效應(yīng)，使該復(fù)合材料表現(xiàn)出比任意一種單一材料更加優(yōu)異的性能，如更好的各向同性導(dǎo)熱性、各向同性導(dǎo)電性、二維空間微孔網(wǎng)絡(luò)等特性[6]?；谝陨闲再|(zhì)，石墨烯/碳納米管復(fù)合材料在超級(jí)電容器、太陽(yáng)能電池、顯示器等方面具有良好的應(yīng)用前景，能夠有效解決未來(lái)單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)的輕型化和電池續(xù)航問(wèn)題。

（二）智能材料

智能材料是指除了具備普通材料的承載能力外，還能感知、處理內(nèi)部和外部信息的一種新型材料。通過(guò)對(duì)環(huán)境的變化做出響應(yīng)，智能材料實(shí)現(xiàn)了材料的自變形、自診斷、自適應(yīng)、自修復(fù)等功能[7]。當(dāng)前，較為流行的智能材料體系有形狀記憶材料、磁致伸縮材料、壓電材料、電活性聚合物和光驅(qū)動(dòng)聚合物材料等。

1.形狀記憶材料

形狀記憶聚合物(Shape Memory Polymers，SMPs)是一種能夠在外界激勵(lì)條件下由臨時(shí)形狀恢復(fù)到其原始形狀，實(shí)現(xiàn)變形功能的高分子材料，是智能材料的一個(gè)重要分支。SMPs具有密度小、變形量大、加工便捷、原料廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)外界刺激的響應(yīng)程度可通過(guò)化學(xué)方法來(lái)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)材料的多功能化。基于SMPs復(fù)合材料的4D打印結(jié)構(gòu)在生物醫(yī)療、航空航天、智能器件及仿生領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。研究人員將相關(guān)SMPs進(jìn)行結(jié)合，將其作為3D打印的油墨，打印出應(yīng)變傳感器，將其固定在人手指關(guān)節(jié)和手腕關(guān)節(jié)處，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手指和手腕的運(yùn)動(dòng)，響應(yīng)迅速，可反復(fù)多次使用[8]。

形狀記憶合金具有很強(qiáng)的可彎曲性，并且能夠記憶自身的形狀。如果能將這種材料應(yīng)用于軍事可穿戴設(shè)備，則能夠自動(dòng)記憶人體曲線，在接觸人體時(shí)自動(dòng)適應(yīng)每個(gè)人的體型并自動(dòng)固定。甚至，如果把戰(zhàn)場(chǎng)通信設(shè)備或定位設(shè)備直接制作在形狀記憶合金之上，那么整個(gè)可穿戴設(shè)備將能夠更貼合于人體，實(shí)現(xiàn)真正的“與人融合”。

2.磁致伸縮材料

磁致伸縮材料是一類具有電磁能/機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換功能的材料，可以作為可穿戴設(shè)備的動(dòng)力原件，被評(píng)為未來(lái)最具發(fā)展?jié)摿Φ男虏牧现?。傳統(tǒng)的微型驅(qū)動(dòng)裝置主要是微型電動(dòng)馬達(dá)，但相對(duì)于可穿戴設(shè)備來(lái)說(shuō)，仍然體積過(guò)大，而且存在能量轉(zhuǎn)換效率不高、反應(yīng)速度慢、容易發(fā)熱等缺點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)的電動(dòng)馬達(dá)，用磁致伸縮材料可以制成毫米甚至是微米級(jí)的驅(qū)動(dòng)元器件，具有極高的能量轉(zhuǎn)換效率、精準(zhǔn)度和反應(yīng)速度，這些都是傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)所難以達(dá)到的。由磁致伸縮材料制作的微型馬達(dá)可以用在軍事可穿戴設(shè)備的振動(dòng)器、相機(jī)的變焦裝置和快門控制上等。此外磁致伸縮材料可以作為一種優(yōu)秀的主動(dòng)降噪裝置，通過(guò)與噪聲的聲波做反向振動(dòng)，達(dá)到抵消噪聲的效果，可以運(yùn)用在軍事智能頭盔中實(shí)現(xiàn)降噪功能。

3.壓電材料

壓電材料是實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料，是一類對(duì)機(jī)、電、聲、光、熱敏感的電子材料，廣泛應(yīng)用在信息、激光、導(dǎo)航和生物等高技術(shù)領(lǐng)域。壓電材料給穿戴設(shè)備帶來(lái)的革命將更為巨大，將其植入軍事可穿戴設(shè)備中，能夠?qū)?zhàn)士的每一次活動(dòng)中微小的能量都收集起來(lái)，這將能夠?yàn)檐娛驴纱┐髟O(shè)備提供源源不斷的電力供應(yīng)，讓其擺脫電池的束縛，實(shí)現(xiàn)真正的輕量化和長(zhǎng)續(xù)航。

4.其他智能材料

電活性聚合物、光驅(qū)動(dòng)型聚合物材料和智能高分子材料等材料能夠監(jiān)測(cè)戰(zhàn)士的各項(xiàng)生命體征，以及戰(zhàn)場(chǎng)外部環(huán)境的變化，并通過(guò)自身變化直觀地將其表示出來(lái)。

四、結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)前許多可穿戴技術(shù)仍處于研發(fā)初期，尚未成熟，但人們對(duì)其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用廣闊前景已達(dá)成廣泛共識(shí)。裝備可穿戴設(shè)備的智能士兵可強(qiáng)化信息交互，增強(qiáng)特定作戰(zhàn)能力，更加符合未來(lái)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的需要?？纱┐骷夹g(shù)的發(fā)展與新材料的研究進(jìn)展密不可分，各種新型可穿戴設(shè)備的研制都孕育于新材料技術(shù)發(fā)展之中，伴隨著新材料技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，相信當(dāng)前制約軍事可穿戴設(shè)備發(fā)展的諸多問(wèn)題都能夠得以逐步解決。