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未来战场的新成员:仿生无人机

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如果这些仿生武器投入实战,或将颠覆未来战争。

在俄罗斯“军队-2019”国际军事技术论坛上,一家参展的俄防务企业展示了一架不同寻常的“雪鸮”仿生无人机侦察机。从外观看,这架无人机酷似真正的雪鸮,具有一定的伪装欺骗效果。

未来战场的新成员:仿生无人机

有业界分析指出,在目前的仿生学研究中,军事技术占重要地位,如果这些仿生武器投入实战,或将颠覆未来战争。仿生,顾名思义是模仿鸟类、蝙蝠或者飞行类昆虫的外形构造。仿生无人机,主要是通过仿生优化无人机的设计外形及内在结构以提高飞行性能,进而增强无人机的环境适应性,是未来无人机研发的重要方向。

事实上,仿生武器早已不止一次在人类军事科技竞争中大放异彩,只是随着科技的不断发展,人们开始轻视或淡忘那些大自然生物馈赠给我们的灵感,但专注于军事科技新增长点的科学家们却不会放过那些“蛛丝马迹”。如今基础科学发展突破不易,应用科学的发展动力逐渐匮乏,或许又到了人类“问道”大自然的时候。

由浅入深

在人类发展早期,认知和观察自然界的手段完全依赖自身的视觉、触觉、听觉、嗅觉和味觉等生理感官,对于自然现象的内在规律和运行机理仅凭表面观察和猜测想象,仿生设计也是以外形和简单动作模仿为主,形成了具有原始特色的外形模仿方式。随着观测手段和测量器材的出现,人类认知突破了感官的边界,继而开辟了仿生领域的新深度。比如显微镜发明后,人们对事物的微观结构有了新的了解。

除了模仿生物外形特征、行为方式和生存方式,仿生武器研发者还希望能够模仿相关底层运动规律甚至战略战术。

无人机仿生设计

例如在自然界中,蜜蜂一旦遭遇外敌入侵,即刻会倾巢而出,依靠数量众多、飞行灵活的优势,对敌人进行迅速围攻,这种战法和狼的攻击战法也很类似,被称为“蜂群战术”或“狼群战术”。对这种战术的运用曾在人类历史的长河中大放光彩。

二战时期,德国潜艇部队为了对付盟军装备精良的护航舰队,趁着夜色掩护,在大西洋深处运用“狼群战术”实施侦察搜索和快速围攻,让盟军舰队头疼不已。仅在1942~1943年,德国潜艇通过该战术就击沉盟军船只约1600艘,而自身损失不足10%。

近代以来,由于单个小型无人机的成本比目前精确打击弹药或常规导弹要低得多,且可避免人员受伤,还可回收重复利用,对于无人机的运用产生了新的需求。美国海军重拾蜂群作战战术,美国国防高级研究计划局(DARPA)提出“拒止环境中指挥协同”(CODE)项目,即利用短时、快速发射低成本无人机,在信息共享条件下,快速实现协同和快速进攻防御。

无人机集群攻击模式

这种分布式集群攻击模式,既可以大幅降低作战成本,同时可减少大型作战平台及战斗人员的伤亡,因而无人机“蜂群”技术被美军视为一种可以改变作战游戏规则的“颠覆性技术”。

2018年1月,叙利亚反对派发射了13架携带“简易爆炸装置”的小型无人机“蜂群”,对叙利亚境内的赫梅明空军基地和塔尔图斯海军补给基地进行“蜂群”攻击。虽然此次无人机“蜂群”攻击技术水平较低,所采用的全部零配件和原材料均是市售商用无人机,而且做工粗糙;无人机“蜂群”的攻击规模也比较小,只有13架小型无人机,但还是给各军事大国上了一课,各国抓紧研究“蜂群”战术。

在美国和伊朗的较量中,美国海军军舰多次打着“航行自由”的旗号,频繁穿越关键海上通道,这显然是一种炫耀武力的挑衅行为。面对挑衅,伊朗近年来研究了“无人机蜂群”战术:只需派出大批无人机飞掠霍尔木兹海峡,保持对美军的监视,同时配合大批虽然武器装备简陋但却行动迅速的导弹攻击快艇,进而使美军不敢轻易对伊朗使用武力。

同时,数量巨大的无人机在进行察打一体化改装之后,实际上是非常好的火力平台。由于其极低的成本与无人员伤亡的优势,大量使用武装无人机可以使进入霍尔木兹海峡的美军舰队防空系统疲于奔命而无法应付饱和攻击。面对伊朗的“无人机蜂群”战术,美军也缺乏好的应对方法。

此种场面颇像动物世界中看到的“万兽之王”被成群结队的小蜜蜂折腾得遍地打滚,而又无计可施的情景,但也绝非毫无对策。

自然界对付蜜蜂最好的方法是捣毁蜂巢或者用另一群蜜蜂来对其进行针对性攻击。无独有偶,面对伊军的“无人机蜂群”战术,美军表示,计划使用“无人机蜂群”战术和直捣无人机指挥控制平台等方式进行反击。

复杂变革

然而,随着人工智能发展和指挥链路的进一步强化,无人机通过人工智能技术革新改造之后,能自动自发实施侦察攻击,“无人机蜂群”战术实现零中心化,所谓的攻击指挥控制平台将无的放矢。那时又会产生另外一种战争需求,进而引发对仿生武器和仿生技术的变革需求。

无人机人工智能

当然,仿生武器对于生物模仿的程度不仅仅是模仿狼群和蜜蜂战术这么简单。比如在现代战争中,为了减少或避免附带损伤,降低作战成本,精确制导弹药小型化成为一种发展趋势。然而小型化精确制导弹药对于高速运动的目标进行追踪,按照旧有的导引律,被追踪目标很容易逃出制导弹药导引头视场,所以需要寻找新型的制导律,来弥补传统制导律的不足。对此,人们又将注意力转向了生物界。

美国生物学家发现蜻蜓在捕食人工果蝇的追踪轨迹过程中,不管在铅垂平面还是在水平平面内,也不管蜻蜓的初始位置和身体朝向如何,在目标捕捉点附近,蜻蜓的身体朝向都与目标运动方向接近,并且追踪过程中果蝇基本上都保持在蜻蜓的视场25度内。这表明,蜻蜓在追踪目标时始终要让自身在尾追的情况下进入目标的捕获点,如果自身初始处于迎击的状态,就在追踪初始段快速调整自身状态,进而进入尾追模式。

研究人员受蜻蜓这种捕获猎物方式的启发,为微小型巡飞导弹设计出一种仿生的分段复合制导律,从而从理论上解决了目标逃逸出导引头视场的问题。目前已经通过仿真模拟,效果较好,相信不久的将来就会在战场上见到这种微小型弹药。

未来活力

当我们运用一定手段将伪装技术与仿生技术完美融合,达到肉眼或者侦测真假难辨的程度,就会让仿生武器焕发新活力。

近些年来,随着战场环境的迅速变化,多种高级智能机器识别算法在侦察情报处理方面正逐步得到应用。传统的迷彩光学伪装图案设计已不能满足伪装要求,研究人员正在研究破解生物遗传进化的基本机理,希望利用遗传算法对伪装图案进行优选复制、交叉繁殖和变异繁殖等仿生化处理,改进传统伪装图案设计方法,提高伪装效果。

设想有一天,某国的边境线上飞来一群迁徙的大雁,而这个时而排成一字时而排成十字的雁群中,有一只是仿生大雁,它能逼真到骗过真实的大雁。这只大雁飞过边境,时而在剑拔弩张的军事基地上空盘旋,时而停下来站在枝头晒太阳(补充能源)。

无人机伪装技术与仿生技术完美融合

在军事基地附近,从“大雁”肚子里走出若干个仿真“生物”:苍蝇从此地出发,通过下水管道、通风口飞进基地的办公室,完成它该完成的使命;一只“小鸟”站在大型设备动力的电线上,在火线和零线之间搭了一条漂亮的弧线,“啪”的一声,所有电源全部损毁;一只鸽子突然出现在军用飞机即将起飞的跑道上,让飞机的飞行员心惊胆战。

这类似我们在电影和动画片中才能出现的场景,如果成为现实,将让你大吃一惊。据报道,有关国家研制的高技术仿生无人机“信鸽”,其外形和动作与真正的鸽子无异,已进行过实际测试。新无人机从空中对地面人员进行监测,而地面人员只会认为从他们上方飞过的是普通鸟类。

与俄罗斯的“雪鸮”仿生无人侦察机类似,未来这类仿生无人机能以逼真的外观骗过敌方肉眼识别和侦测,又可以躲过敌人的雷达等探测技术的侦察,并且可以混入普通鸟类以假乱真,飞进敌方的军事禁区。如此,仿真武器将会在丛林地带、边境巡逻、高原侦察、城市巷战、特战等场景中发挥重要作用。

随着前沿技术的不断发展,类似在科幻大片中才能看到的场景,将会陆续出现在战场,各种“形神兼备”的仿生武器在未来将焕发新的生命力。

未来战场的新成员:仿生无人机认证作者,无人机行业知名站长,知乎无人机专栏创作者。
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