仿生弹药时代的新浪潮＊

刘 方 肖玉杰 代 平 邱志明

（1.海军工程大学 武汉 430033）（2.总装武汉军事代表局 武汉 430312）（3.海军装备研究院 北京 100161）

1 引言

与传统的非仿生弹药相比，仿生弹药具有恶劣条件环境下的超常适应性、超常感知能力和蔽障能力、特定环境下的超常伪装能力、甚至是复杂环境下的超近距离精确探测、捕获与攻击能力等。在当前安全保障、反恐作战以及未来信息化战争中具有独特的应用优势，是无人系统研究领域的发展重点和方向之一。

仿生弹药的优势不在于某个单一装备的性能，而在于通过远距离大批量使用，实现全方位超近距精准探测、识别、捕获和攻击的能力，在侦察、监视和目标捕获、救援以及越野地形运输等方面具有独特的应用优势，可在城区作战、反恐作战、山地丛林作战及其他特种作战中发挥重要的作用，军事应用前景显著。目前，美国空军明确要制造小型甚至微型的攻击型仿生弹药，这些仿生无人协同作战弹药适用于复杂作战环境，并以“蜂群”协同方式使用，以打击城区内的目标。这类像生物一样“飞行与行走”的仿生弹药被认为是2025年后战场上的重要装备之一。

目前，美国的仿生弹药技术处于世界领先地位，学习和借鉴美国的成功经验，对于尽早规划和开展我国相关技术的研究具有重要的意义。

2 仿生弹药概念及内涵

仿生学是模仿生物系统的原理来建造技术系统，或者是人造技术系统具有生物系统特性的科学［1］。简言之，仿生学就是模仿生物的科学。

仿生无人系统是一类仿生物外形特征以及某些特定功能或行为（如模仿动物爬行、昆虫飞行以及鱼类潜水等）的无人系统。目前，国内外仿生无人系统的研究主要包括仿生机器人、仿生飞行器、仿生弹药等方面［2］，并主要集中在结构或运动形态仿生（如：水中仿生鱼、多栖仿生昆虫、空中仿生鸟等）和探测感知仿生（如：“蛇眼”制导系统、超宽带仿生声纳系统等）基础技术的研究上。

仿生弹药是仿生无人系统的重要组成部分，通过模仿生物外形特征以及某些特定功能或行为能够完成对敌目标的毁伤或其它战术任务的仿生无人系统，与传统弹药相比，具有外形更隐蔽，运动更灵活，侦察更清晰，毁伤更精确等特点。仿生弹药的内涵主要包含以下三个方面：

1）形态仿生［3］。外形结构和内部构架仿生的无人系统，这也是仿生无人系统的基本特征。

2）功能仿生［4］。功能特征（或部分功能特征）仿生弹药，具有爬行、运动、蠕动、飞行、跳跃、自动蔽障、隐身等功能。

3）原理仿生。采用复眼探测、超声定位、低雷诺数下机动飞行等生物原理的无人系统。

仿生弹药按照不同的分类方法，可以分为不同的类型。常用的分类方法如下所示。

1）根据使用区域的不同，可以分为空中仿生弹药、地面仿生弹药、水中仿生弹药和多栖仿生弹药等。

2）根据投放方式的不同，可以分为机载型、舰载型、车载型以及人工布设型仿生弹药。

3）根据仿生生物类型的不同，大体可以分为仿行走动物（仿人、仿犬、仿猫）、仿爬行动物、仿飞行动物（仿鸟、仿昆虫）以及仿水中动物（仿鱼、虾、蟹）等仿生弹药［5］。其中，仿鸟和仿飞行昆虫的无人系统也称为仿生扑翼飞行器，仿鱼、虾、蟹的无人系统也相应称为机器鱼、机器虾、机器蟹。

3 仿生弹药研究现状

2007年10月，美国空军研究实验室首次开始仿生弹药的概念开发工作。2009年6月，美国空军又明确提出了制造小型甚至微型的仿生弹药，这些弹药适用于复杂城区环境，并以“蜂群”协同方式使用。

根据2007年10月举行的第33届空军航空武器研讨会上美国空军研究室弹药处披露的微型弹药，可以归纳出仿生弹药具备如下能力：增强的弹药灵活性；增强的态势感知能力；增强的弹药自主性；降低弹药的可观察性；在有限的空间内使用；增强的目标探测能力；极低的附带毁伤能力。此外，凯斯西储大学仿生机器人实验室也在研究空陆两栖变形飞行器，该微型弹药具备一枚弹药可以对付多个目标；可针对不同目标形成适当的杀伤力；难以被探测到和被摧毁；具有多次部署能力；附带毁伤极低等能力［6］。

目前，美国正在研制微小型仿生弹药。明确了仿生武器概念发展的四个阶段，如图1所示。即作战任务评估、侦察弹药、功能致瘫弹药、协同作战弹药。

图1 美国正在开展概念研究的仿生弹药及基本概念

4 仿生弹药的发展趋势

仿生弹药的产生，可以代替士兵完成一些特殊任务，这些任务甚至是士兵难以完成的，从而减少人员伤亡；仿生弹药也可以作为补给支援作战；随着技术的成熟，仿生弹药制作成本可以大幅度地降低，有效地提高武器的效费比，降低军费的开支，如若用仿生弹药对付敌方的常规武器，将导致战场上出现“尺度不均衡战争”，使传统武器作战效能显著降低。未来仿生弹药的发展趋势应有几下几种特点。

1）结构形态微小型化

当仿生弹药体积变小后，它易于隐蔽，反应速度快，机动性好，生存能力强，这些优点非常适应未来恶劣环境下的局部战争，未来仿生弹药甚至向纳米级方向发展［7］。

2）从结构仿生向功能仿生发展

研究生物独特的功能，在感性认识的基础上，除去无关因素，并加以抽象，提出一个生物功能模型。用模型模拟生物功能。目的是研究生物体本身的特有功能［8］。

3）从单一使用向协同化使用发展

仿生弹药由于体积小，携带弹药量少，大量的仿生弹药相互搭配协调一起作战可以弥补不足，大大地提高弹药的作战效果。协同作战是战斗力提升的一种“力量倍增器”，研究多仿生弹药的队形设计，有利于节省个体运动中的能量消耗，增强运动安全。研究多仿生弹药的协同指挥控制技术，如仿生弹药的任务分解与协作机制建模技术、基于动态分组组网的移动智能体协同定位与目标跟踪技术、基于协商的多仿生弹药分布式动态任务分配及任务协调等技术，对于实现仿生弹药效能的最大化具有重要意义。

4）从遥控操作向自主智能化发展

未来仿生弹药在执行任务时，应该能够通过识别目标的不同特征，进行比较后确定最佳作战方案，特别是在协同作战时，作战单位是一个群体，智能化的仿生弹药能大大地提高作战效果。

5）着眼实战向模块化方向发展

采用标准化方法，推进仿生弹药系统的通用化、系列化和模块化［9］。采用标准化方法走装备基本型派生发展的道路，一直是美军多、快、好、省地发展新型装备的重要政策。在颁布了总体规划、确立了军方需求之后即可制定标准，包括自主、使命负载、传感器数据格式和通信等四个方面。目标是向使命可重构结构发展，即具有可互换负载，只需更换传感器或者加装情报监视侦察模块，就可在许多不同任务中使用。由于工业部门熟知这些标准界面，可以集中模块化负载的开发，着重为军方提供核心自主、核心通讯、核心传感器、核心任务载荷，而不再开展新型系统的设计。

目前仿生弹药还处于研究阶段，国外取得了一定的成果，从研究成果来看，仿生弹药还有很多地方需要进一步完善。地面仿生弹药的使用范围进一步拓展、自主能力进一步提高、协同作业能力继续增强；空中仿生弹药需要低成本化和小型化、单一系统自主智能化、集群使用协同化、使用方式更加灵活。

5 仿生弹药若干关键问题

1）能源问题

仿生弹药体积相对较小，意味着能够携带的有效载荷越少，随之带来的问题是配用的电池或发动机更小，从而导致仿生无人协同的作用距离和时间越短且用途有限。通过编写好的程序代码，使用微型控制器等方式节约功耗，开发新能源延长仿生弹药的使用寿命。

2）成本问题

为降低仿生弹药的成本，国外尽可能采用商业现货供应的零件制造，包括小型摄像机、发动机和计算机等，以最终实现大量装备。

3）安全问题

仿生弹药通常采用商业现货供应的零件制造，易被干扰，可依靠隐身技术避免被侦查，并采用加固设计避免被干扰。

4）高性能传感器问题

作为攻击型武器使用的仿生无人系统，需要低成本的高质量传感器。国外主要利用“蜂群”技术协同使用，可降低对单一系统的性能要求，利用整体优势提高整体作战效能，即使是在几个系统丢失的情况下仍能完成作战任务。

5）通信问题

仿生弹药通信问题水上容易实现，目前相关技术比较成熟，但是水下通信是一大难点，海洋环境有其独特的特点，由于海水的良好导电性，电磁波在海水中的传播衰减很大。要想在海水中传播较大的距离，就必须采用极低的频率和很高的发射功率，要架设很高很长的天线，这是难以实现的。故水下通信一般采用声波，由于声波的吸收大体上与频率的平方成正比，通信可用的带宽很窄。又由于声速很慢，传播速度只有大约1500m／s，这给仿生武器水声通信带来很多困难［10］。

6）联合作战问题

美国2011版无人路线图指出，无缝整合不同系统的能力，为联合作战提供灵活的选择。为了实现这一目标，就必须解决“互操作性”、“自主性”等技术难题。

互操作是实现网络中心战的基本使能技术，是实现联合作战和协同作战的基本概念。互操作性是为了实现跨领域，包括空中、地面和海上，以及与有人系统的无缝操作。包含四层含义：执行任务时协同行动的能力；利用和共享跨领域传感器的信息来实现无缝的智慧、控制和通信；能够接收数据、信息、素材和功能服务，并使得它们之间有效协作；能够提供数据、信息、素材和功能服务给其他作战单元。

自主性可以更高自主程度的技术和政策，减少决策回路时间。自主性不同于自动系统，自动系统是完全预先编程、重复作用、不受外界影响和控制的系统。而自主系统在没有外部控制的条件下，朝着一个目标进行自导引，并且自身受到行为规则或策略的限制。能够按照给定的一系列规则或限制实现行为决策。自动是实现自主的基础之一，一个不能自动的系统根本不可能自主。

6 结语

纵观历史，许多新武器装备的诞生都凝聚了许多人、甚至几代人的基础技术研究。2015年后，仿生弹药将在陆、海、空、天武器装备中得到广泛的应用，未来战场上将出现越来越多的微小型仿生弹药，其出现和使用将改变未来战争的作战模式，在人类战争史上具有划时代的意义。谁先掌握仿生弹药技术，谁将在未来战争中掌握主动权。

［1］孙毅.仿生学研究的若干重要进展［J］.科技情报开发与经济，2010，20（3）：163－164.

［2］林鹰，林一平.纳米军神秘仿生武器装备扫描［J］.飞航导弹，2002（6）：22－24.

［3］马平.产品设计中的形态仿生设计研究［J］.艺术与设计，2011（6）：174－176.

［4］葛华东.功能仿生在产品仿生设计中的重要地位［J］.科技传播，2012（22）：51－52.

［5］刘福林.仿生学发展过程的分析［J］.安徽农业科学，2007，35（15）：4404－4408.

［6］王丽慧，周华.仿生机器人的研究现状及其发展方向［J］.上海师范大学学报，2007，36（6）：58－62.

［7］王扬威，王振龙，李健.微小型水下仿生机器人研究现状及发展趋势［J］.微特电机，2010，12：105－106.

［8］姚善良.现代仿生设计研究［J］.科教文汇，2007（12）：232－233.

［9］聂澄辉，刘莉，陈恳.模块化可重构足式仿生机器人设计［J］.机械设计与制造，2009（2）：7－9.

［10］姜国兴，刘煜禹.方兴未艾的水下通信技术［J］.中国水运，2007，5（6）：105－106.