机器小鸟和昆虫

机器小鸟和昆虫

制造纳米武器的第一步是制造出能够受人控制的微小机器。武器专家首先是想制造出微小的飞行器，也就是人们所说的机器小鸟和机器昆虫。

美国国防高级研究计划局正在研制微型空中飞行器，翼展约15厘米，形状如空中普通飞鸟。作为未来战场上探测装置的一部分，它的主要功能是完成包括空中监视、生化武器探测、目标确认、通信转播、空中布雷以及对大型建筑物和设施内部的侦察任务。这是未来城区作战中尤为重要的装备之一。

微型空中飞行器的研制方案，是由麻省理工学院的林肯实验室在研制一种小型空中监视平台时提出的。美国国防高级研究计划局宣称:“尽管此类飞行器的探测装置尚未成型，但目前的技术水平已基本具备，该方案代表着微型探测装置的发展趋势。”美国国防高级研究计划局已经组成了包括工业界和军方代表在内的专题研究小组，帮助确定任务和探讨如何最佳地应用现有技术;同时，还通过一些商用研究计划来进行研究，并决定从1998年开始，在几年内对该项研究投资3500万美元。

专题研究小组已经为微型空中飞行器提出了一系列参数，并计划在未来3年内对各个参数进行测试。这些参数为:飞行器长度6～20厘米、总质量10～100克、平台承载质量1～18克、巡航速度每小时30～65公里、续航时间20～60分钟、最大飞行距离1～10公里。

研制此类微型空中飞行器面临的最大挑战是解决其体积问题。美空军战术技术办公室主任迈克·弗朗西斯认为:“飞行器翼展确定为15厘米。这个数字是建立在对其体积和飞行速度充分考虑的基础上。鸟类和昆虫可以更小的体积在空中自由飞行，尽管人类对此已有充分的了解，但要使微型装置以更小的体积在空中飞行，还要对其原理进行认真的探索研究。”在空中飞行控制方面，面临的挑战是解决其转向力的问题，转向力甚至能比正常飞行动力高出100倍。有关人士认为，微米涡轮发动机可作为一种备选方案。

另一个难点是解决能量贮存问题，为实现持续飞行，目前用于贮存能量的高能锂电池需要进一步改进，使其贮存的能量达到现有水平的两倍。

微型飞行器的核心技术是机体结构设计。由于机体结构体积极小，其容量和承载质量都受到限制，因而不能像通常的侦察装置那样，给其元器件加上外壳且不影响其他部件的性能。专家们还指出，该飞行器的电子器件的集成度要远高于今天所能达到的水平，制造工艺同样是这项研究工作所面临的最大困难。通信能力的提高也是亟待解决的问题之一。采用超短波通信，其最大传输距离在未来3年内可望从3公里延伸到10公里。而且导航系统也要重新设计。因此，如何对该飞行器进行导航和飞行控制仍然需要进一步探索。

目前，美国高级国防研究计划局已与有关公司签订了合同，抓紧进行系统的研制或发展一些特种技术。瓦伊伦门特航空公司的微型飞机方案主要用于较开阔的地形、城区和丛林地区。这种微型飞机必须克服的技术难点之一就是要能在城市和丛林地区上空悬停。为了更有效地进行这方面的研究，瓦伊伦门特航空公司专门制造了悬停试验台。

美国另一家航空器公司的方案也十分奇特而有趣。看上去活脱脱就是一个超小型的空中飞碟。该公司给它起了一个十分响亮的名字——“超级空中飞行器”。这个空中飞碟重约300克，能在空中悬停，飞行器的动力来自高能量的液体燃料，不过，对于“超级空中飞行器”飞碟的动力，有关公司还提出了其他方案。其中，菲尼克斯公司为它研制的是一种能产生6.2牛顿推力的涡轮燃气发动机;该发动机长7.62厘米、直径4.3厘米。另一种动力则是由ICR事业公司研制的，这家公司研制的是固体氧化物燃料电池。该电池产生的电能可供50克重的微型飞行器在空中持续飞行几个小时，同时电池还能提供机内其他用电设备所需的动力。但是，这种电池目前还无法用于这个“超级空中飞行器”上。因为这个飞行器的质量约为300克，现有的电力难以驱动它。下一步的解决办法:一是最大限度地使“超级空中飞行器”的部件微型化，使它的质量进一步降低;二是增大固体氧化物燃料电池的推动力。

从目前进展速度看，瓦伊伦门特航空公司研制的方案最有望取得突破。除了前面提到的推进动力外，该公司在微型飞机的部件微型化和减轻质量方面都取得了阶段性的进展。

以后，瓦伊伦门特航空公司的微型飞机上将携带一台彩色摄像机，操纵距离为3公里，续航时间将延长1倍，达20分钟。

1998年夏季，美国纳什维里·范德比尔特大学的一间实验室里来了几位“不速之客”。他们几个人来此的目的不是别的，而是看一种“昆虫”。当然，这种“昆虫”不是从自然界里捕捉到的昆虫，也不是几位昆虫学家在实验室里培育的昆虫。这种全新概念、特殊功能的“昆虫”是由该大学的两位机械工程学教授伊夫拉赫姆·加西亚和米切尔·戈尔德法布领导的小组，经过多年的研制，装配出来的。几位“不速之客”就是美国国防高级研究计划局主管此方面业务的官员。他们曾经为两位教授领导的攻关小组提供了17阗万美元的研制经费，如今可以说有了初步的成果。当场为客人表演的是两只会爬行的“昆虫”，它们的学名叫微型机器虫，又被简称为机器虫。它有一副棱棱角角的躯体;大小约有7厘米，尽管体形还不够小，但质量相当轻，仅有18克。它的躯体较长，主要原因就在于它的爬行和行走靠的是6条细而长的腿。

“机器虫爬行起来是很迅捷的，而且它的本领十分高强!”伊夫拉赫姆·加西亚教授说这话时，神情极为得意。“你们看，机器虫的爬行主要靠两块金属薄板。”顺着米切尔·戈尔德法布教授的手指之处，的确可以看到两块金属薄板。

这两块金属薄板就是导致机器虫爬行的关键部件，在它们的外部涂有一层压电陶瓷。它们是由铅、氧化铝和二氧化钛层共同组成的层状结构部件，也就是压电晶体促动器。每当有微量电流流过促动器时，使得促动器薄板的一面膨胀，另一面收缩，从而引起弯曲。当短暂的能量脉冲一终止，薄板又立即恢复到原来的形状，同时开始了另一循环过程。

由于这种循环周期很短，薄板的反复膨胀与收缩就变成了摆动。通过巧妙的设计就可将摆动转成移动。机器虫凭借薄板的每一次摆动向前移动2毫米。可别小看这2毫米，虽然它与我们人行走步幅相比是微不足道的，但是它的摆动周期加快，爬行起来就相当神速了。事实果真如此，机器虫的周期性摆动，就和人行走时双腿围绕着臀部前后摆动相仿，向前移动速度相当快捷。更重要的是，机器虫爬行所需的动力非常小，这就像小孩子打秋千似的，一旦开始运动，只要外界对它施加一个很小的作用力就可以使秋千维持摆动。

微型机器虫应用于高技术战场已是指日可待的事。但是，在将机器虫正式应用于战场之前，还存在一些有待于进一步解决的问题。其中最主要的有电源和控制两大问题。

从上述可知，微型机器虫仅重18克，但它“五脏俱全”。它体内所能够携带的有效载荷为数不少:有红外探测器、声音传感器、电视摄像机，还装有可致死的病毒等;同时也要求它至少能够爬行55米甚至更远的距离。要完成这么多功能，担负如此繁杂的任务，就需要装设一种质量轻、体积小、强度大、蓄电量高，且不需要经常充电的电池，以及能放大电流的电路系统。经过多年试验研究表明:这个电池的输出电压最低可为3.6伏，最高不能超过60伏。如果要使微型机器虫的爬行距离更远，那么必须使电池能够提供更多的能量。当然，首要前提是电池和电路系统的尺寸要小到足以能方便地安装到机器虫的身体构架上。

未来的微型机器虫作战方式将可能采取“大兵团作战”，即无论是向敌方发起“短兵相接”的作战还是大量散布的广泛侦察，只要战场需要就会释放或投放数以千计甚至万计的不同类机器虫。如此大量机器虫铺天盖地向敌方发起进攻，万一敌方目标转移或攻击阵地发生改变，这些“大兵团人马”将如何指挥调遣?

这个问题说起来简单，但研制操作起来就不那么容易了。不过，目前已找到了解决办法。

研制小组负责人加西亚教授说:“我们研制一个‘母舰’，由‘母舰’去指挥操纵其他微型机器虫。”他所说的“母舰”，就是由战场指挥官利用专门遥控器控制走在最前面的那个微型机器虫，当它接到指令时就会将指令迅速传给其他机器虫。万一“母舰”被敌方擒拿或毁坏，其角色就可由另一个未受到任何损坏的机器虫来代替。这种单级逐一委托的辐射式指挥控制方式应该说是非常符合微型机器虫“大兵团”作战的，但是由于它们的控制指挥方式眼下还有一些技术难点没有攻克，所以美国纳什维里·范德比尔特大学的研制小组现在正在加紧攻关。

美国国防高级研究计划局的官员们对加西亚教授和戈尔德法布教授小组研制的微型机器虫相当满意。该小组的几位专家也都认为:微型机器虫的所有技术问题很快就会全部得以解决。

预计机器昆虫可能在2010年投入使用，每只机器昆虫的造价将不超过10美元，使用时一次可以同时投放1000～10000个。机器昆虫具有目标小、无噪声、易隐蔽、侦察范围大等特点。主要用途有:弥补侦察卫星和侦察飞机的空白区，侦察它们监视不到的死角;执行间谍侦察任务，可在和平时期秘密收集敌军各类情报;可进入人类不能进入的核污染区从而及时控制污染区;装备给前沿作战部队，帮助士兵观察障碍物背后、建筑物和掩体内的敌情;执行特种作战任务，如进入敌指挥所内，向敌指挥官喷射有毒的气体或协助特种作战部队行动。