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仿生技术:赋予美海军更灵活隐蔽的作战能力

作者:米诺

7月1日,美海军学院《论文集》刊文《动若鲨鱼隐如乌贼——海军必须投资仿生学以维持在公海上的主导地位》。文章概述了人类探索研究仿生学的历史,指出仿生技术有利于未来的海军架构和作战,赋能作战平台更具隐蔽性、灵活性和敏捷性,可在关键领域中发挥重要作用,最后建议海军领导人将仿生船体设计与建造工程尽快纳入海军架构,有效提高美海军的作战能力。

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一、仿生学的研究历史

仿生学是指研究生物体的结构与功能工作的原理,利用模仿自然体的人工机制合成类似产品。几个世纪以来,人类一直探索研究仿生学,尝试像复杂的动物生命体一样移动和行动。人们甚至可以在古希腊神话中找到仿生学的影子,比如阿芙罗狄蒂和她儿子厄洛斯伪装成鱼,从长得像水蛇的提丰身边滑过。在前工业化时代,水手梦想木质和包钢的帆船能像海龟和海豚一样,可以在大海中平稳快速地航行,但因为技术限制而未能实现。

直到现在,物理学家、工程师、计算机科学家和技术人员可在物理实验中密切合作,进行更深层次的仿生学研究。科学界以前人的知识为基础,利用人工机器,混合纺织品、化合物与各种合金,取得了卓越的成就。太平洋西北国家实验室的科学家和工程师复制出了自然界中骨骼形成和愈合的过程,麻省理工学院的仿生机器人实验室,在机器人身上重现了动物的运动和生理特征。

尽管仿生学尚未像5G、人工智能或分布式云计算等新兴技术那样受到重视,但是在未来,仿生学将改变国家安全的游戏规则。因此,为了保持领先于竞争对手的优势,美国海军需要将仿生舰队的概念由设想转变为现实。

二、在关键领域中利用仿生技术

仿生技术将有利于未来的海军架构和作战,主要用于拒止与欺骗、移动与机动等关键领域。

拒止与欺骗。美国对手依靠“反介入/区域拒止”战略在美军处于不利地位的地点实施打击。在世界上最重要的国际阻塞点之一——霍尔木兹海峡,伊朗一直在波斯湾地区建设海军能力,以保持对霍尔木兹海峡的控制。而在当今全球化的时代,利用开源信息就能够跟踪舰船的踪迹,可以广泛使用精确武器和人工智能瞄准目标。因此,在像霍尔木兹海峡这样狭窄环境中具备欺骗敌人的能力对美国海军的行动越来越重要。海军平台应该尽可能地模拟拒止环境以及海洋生物的表象特征,以规避探测,同时欺骗、拒止对手渗透到美国的行动中。

海军技术人员利用仿生技术研发了“幽灵泳者”无人潜航器,其外观和游动方式都像鲨鱼。然而,随着仿生学应用更加精细化、更具欺骗性, “幽灵泳者”的技术远不能满足未来作战需求。

2015年,材料科学家研发出一种电激活分子仿生材料,可自动调整适应周边环境的色调。海军可以利用该技术制造由飞机或潜艇投放发射的鱼雷或水雷,只要这些武器系统的重要组件(如引信、雷管和传感器)保持不变,涂装上“人造智能皮肤”,它们的外观、行为和移动方式就类似于海胆、海星或其他无脊椎动物。

灵活的仿生鲨鱼皮肤技术已经面世7年,移植到小型自主水下潜航器后,这些航行器就可以像鱼群一样,实现有机的水动力功能。自主水下潜航器还可以携带粘合剂,模拟乌贼手臂上的吸盘,附着在对手舰船的龙骨,在规避水下探测系统的同时还可以暗中投放深水炸弹或完成情报、监视与侦察任务。

移动与机动。随着强大的竞争对手在高超声速武器、远程传感和卫星探测,以及下一代高端平台上的进一步发展,海军规避敌人打击、实现和保持主导优势的能力比以往任何时候都更加重要。因此,赢得未来战争可能会更多地依赖于快速和敏捷,而不是传统意义上的火力交战或大规模作战等特征。

大自然掌握着建造一支更快、更敏捷海军的一些关键技术。经过数十亿年的进化,海洋生物在深海中移动的能力远超舰船。它们可以灵活转身,向后游动,瞬间包围威胁,较舰船和潜艇消耗更少的动能。据研究表明,大多数鱼类的扑翼、鳍动力推进系统总体上比军舰上的常规螺旋桨更高效,后者会因为尾流而损失效率。太阳鱼特别灵活,旋转外鳍就能使身体水平转动,而靠近重心的鳍则直接向前推进。海洋生物学家已经确定,鳗鱼可以通过增加身体的中线弯曲度,利用行体波前后游动。章鱼的手臂也有近乎无限360度的活动范围,并且可以在其长度上的任何一点弯曲、缩短和拉长。深海将不断提供新的灵感来源,并有可能运用于未来重新设计快速武器、反制措施或军舰。

一些实验室在仿生技术方面取得了重大进展,预示着未来海军仿生军舰或潜艇技术将有巨大的飞跃。其中包括使用设计有中线的鱼状机器人,可以像鳗鱼一样弯曲,或者能够使用四关节推进机制在水中滑行,从而实现与鱼尾相同的运动。科学家们还创造了许多新材料,如新铸泡沫金属比钣金轻 70%,可弯曲,吸收能量是钢的 80 倍。

未来,这些早期技术会挑战人们对刚性船体舰队的设想。由新发现的柔性材料(如硼烯)组成的仿生海军舰队可以重现鱼尾运动,可能比旧平台设计的舰队对危险做出更快的反应。美国最先进的潜艇可能根本不依赖涡轮机,取而代之的是,由鳍动力尾翼、鳗鱼状外壳和背鳍组成的复杂组合驱动前进。

三、政策建议

为了推进仿生船体设计和建造工程尽快纳入海军架构,海军领导人将需要:

1. 发展仿生增强和平台优势战略,以满足和确保未来作战需求。

2. 将仿生学集成至原型和现有概念中,实现海军平台现代化。可以先在无人和小型平台上测试概念,随后扩展到有人驾驶的军舰。

3. 将专门研究仿生学的生物力学工程师、材料科学家和海洋生物学家纳入海军的教育系统,包括海军学院和海军研究生院,以及海军研究办公室开展的研发项目。

4. 克服海军原有根深蒂固的偏见,接受现代海军部队外观、移动或行动方式。

5. 定期与动物学家和生物动力学专家讨论新物种的发现,特别是海洋环境中的新物种,探索重新设计海军仿生平台的可能性和方法。

四、结束语

利用仿生技术将增强海军更有效和更致命的作战能力,通过密切研究和模仿自然界的构思,海军将实现更快速、更隐蔽、更机动、更高效的舰艇设计,助力海军在拒止的作战环境中更有效地打击对手。

国防科技要闻授权转载

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