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DARPA研究项目展示日:未来就在这些黑科技项目中

模块化假肢(Modular Prosthetic Limb)

燕鸥无人机(Tern UAV)浮沉有效载荷(Upward Falling Payloads)可垂直起降的 X 飞机(VTOL X-Plane)移动热点(Mobile Hotspots)透明护甲(Transparent Armor)柔性体外骨骼(Soft Exosuit)自我摧毁的电子设备(Self-Destructing Electronics)光计算机(Photonic Computer)

微结构材料(Microstructured Materials)微工厂(MicroFactory)快速自动无人机(Fast Autonomous Drone)芯片内冷却(IntraChip Cooling)世上最快的芯片(World’s Fastest Chip)芯片上的 LIDAR (LIDAR On a Chip)细胞星(Satlets)机器人卫星服务(Robotic Satellite Servicing)

1. 模块化假肢(Modular Prosthetic Limb)

DARPA研究项目展示日:未来就在这些黑科技项目中

Johnny Matheny 展示了约翰·霍普金斯大学的模块化假肢。他通过一对肌电臂章来控制假肢。模块化假肢具有和人一样的力量和动作灵活性,另外,还具有高分辨的感知功能以及位置感知功能,另外,模块化假肢还有拟人化外观。

DARPA项目:假肢革新(Revolutionizing Prosthetics )

假肢革新项目启动于2006年。当时上肢假肢技术远远落后下肢假肢技术,因为先进的上肢假肢技术面临医学和工程学难题更加不容易解决。

经过六年的研发工作,这个项目已经开发出两个拟人的先进模块化假肢系统的原型,包括增大动作范围、动作灵活性以及控制选择的套接口(sockets)。

该项目的承包方之一是 DEKA 综合解决方案公司(DEKA Integrated Solutions Corporation)。2012年4月,公司已经向FDA提交了上市前通知,希望药监局批准假肢系统商业化。

该项目的另一个承包方约翰·霍普金斯大学应用物理实验室,在大脑控制的先进假肢系统方面,也取得了颇有潜力的初步成果。

DARPA研究项目展示日:未来就在这些黑科技项目中

应用物理实验室研发了一款假肢装有扭矩传感器,能够侦测到手指承受的压力,生成包含这一信息的电子信号,并将之传输给大脑。大脑被植入了两组电极:一组电极排列在控制身体运动的运动皮层,另一组被置于控制触觉的感觉皮层。28岁的瘫痪受式不仅能够控制新的假肢,还能拥有触觉,试验正确率近乎100%。

目前,这个项目仍在进行中,旨在继续增加假肢系统功能。另外,该项目研发出的灵巧手部功能已经被用于小型机器人系统,用来处理未爆炸的军火,防止军人在这种情况下失去前肢。

2. 燕鸥无人机

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这款燕鸥、长航时无人机实物模型可以垂直起飞和降落。被设计成具有侦察和攻击的功能,全尺寸试飞展示拟定于2018年。

DARPA 项目:战术拓展侦察节点(Tactically Exploited Reconnaissance Node )

21世纪的高效战争要求军队具有实施机载情报、监控以及侦察的能力(简称ISR),并能连续整天在任何地方打击移动目标。但是,当前的技术存在不同程度的局限性。比如,直升机存在着相对于有限的飞行间隔和续航时间,固定翼飞机和无人机可以飞得更远和在空中延续飞行更长时间,然而需要依靠于航空母舰或陆上基地。树立这些基地或部署航空母舰需要具备实力的财政、外交和安全等许诺,没法与实行快速反映调和一致。

为了克服这些局限性,增加国防部的选择,2014年5月,DARPA 和海军研究办公室(ONR)签署备忘录协议,合力打造 TERN 。致力于打造出一种「捕食者」级别的中空长航时舰载无人机,尝试将现役小型军舰变身为无人机航母,从而极大地拓展美国海军的空中侦探与打击能力。假如研制工作顺利,终极投入出产的无人机将陆续设备到美国海军的各种军舰上,承当起情报、监督和侦探(ISR)任务,并可以对敌方小型目标实行有效打击。

项目分三个阶段,前两个节点主要关注燕鸥系统的设计和风险降低。第三阶段展示全尺寸的燕鸥无人机原型,进行地面测试,以及海上相关演示。

2013年10月,DARPA分别授与了诺格公司、极光飞行科学公司、航空环境公司、卡特航空技术公司和海事运用物理公司等5家承包商价值220280万美元的钻研合同,用于发展各自的「燕鸥」概念。

三个月后,DARPA在9月22日和24日分别将价值1900万美元的第二阶段合同授与诺格公司和航空环境公司,用于技术成熟和风险降低方面的钻研。

2015年12月24日,第三阶段合同正式授予诺格公司,由航空航天系统分部负责设计、制造和测试一架全尺寸无人驾驶原型机,旨在验证这种全新设计的垂直起降(VTOL)飞行器具备在「阿利·伯克」级驱逐舰或濒海战斗舰等小型舰船上自由起降的能力。

假如地面实验取得成功,2017年11月前,诺格公司将应用停靠于太平洋的一艘驳船或退役军舰上验证这类战术无人机是不是达到了预期设计机能。

3. 浮沉有效载荷

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这个提升管节点(riser node)安装在海洋底部,可以遥控启动。然后上升至洋面水平,释放有效载荷,包括无人艇或者无人机。

DARPA 项目:沉浮有效载荷(Upward Falling Payloads ——UFP)

2014年,1月11日发布公告,向外界征询「沉浮有效载荷(Upward Falling Payloads ——UFP)」计划方案,目的是寻求可放置在海底的非致命性武器或战场感知传感器设计方案,以及发射有效载荷的海洋表面和投放通信系统的推进技术,能使这些装备部署在僵持海域范围。

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项目还将研发一系列的海上装备,当中包括海底间谍卫星、置于海床的无人机发射平台,以及全自动的追踪潜艇。

据介绍,发射平台平常会部署在海底,有需要时方启动。平台具备多项功能,一方面能在出现电子通讯挤塞时,为美军充当通讯工具;另一方面又能升上水面,或在海中发射监察无人机。发射平台又能发射各种装备,执行部分现时由潜艇进行的任务。

整项计划料须克服重大技术困难,包括启动发射器令其浮上水面,以及提供充足电力的方法。在财政有限的环境下,较之当前已有的人为操作或远程无人海军装备,UFP 性价比会更高些。

这个系统有三个关键组成部分:有效载荷,部署在水面后,负责执行水载、或机载任务;提升管,抗压密封舱,并负责启动有效载荷;通信部分,启动提升管。为了成功,这个项目必须证实一个系统具有以下三个方面的性能:在极端压力环境中,存在多年;可靠的远程启动;快速升至水面,部署有效载荷。

目前,这个项目处在第二阶段(共分三个阶段),正在建造和测试提升管以及通信部分。第三阶段,计划在海底综合展示提升管以及通信系统(包括部署不同载荷)。

4. 可垂直起飞降落的 X 飞机

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极光飞行科学公司的雷击(Aurora Flight Science’s Lightning Strike)的实物模型。「雷击」机和过去所有的飞机外表都很不同,不是以螺旋桨推动,而是总共24具的电动导风扇(ducted fan),导风扇安排在主翼与前翼的里面,电力来自于劳斯莱斯的AE1107C涡轴发动机,来驱动汉尼威尔设计的分散式发电机( electric distributed propulsionEDP),再由电力来运转导风扇。如果测试顺利,首架原型机将在2018年完成。

DARPA 项目:可垂直起落的试验型飞机(Vertical Takeoff and Landing Experimental Plane )

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现行的垂直起降机有2种,一种是垂直起降喷射战斗机,比如AV-8B和F-35B。而另一种是运输型的,具直升机和螺旋桨飞机特点的倾转旋翼机(Tiltrotor),贝尔公司的V-22鱼鹰 (Osprey)是当中的代表,X飞机属于这一种。

2013年,DARPA 提出可垂直起落的试验型飞机项目。目标是比V-22更高的空中盘悬效率和高速飞行性能,具体目标希望至少达到时速300节到400节(时速550公里到740公里),具有携带10,000磅到12000 磅(4.5公吨到5.4公吨)的酬载量。简单的说,就是让一架喷气式战斗机能够像直升机一样盘旋、起飞和着陆,却仍然拥有闪电般的速度、广泛的任务范围以及良好的燃油效率。

5. 移动热点

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两个可变换位置的天线,通过一个可以飞行移动的热点,每秒可以传输十亿字节的数据。在 影子无人机上安装一对这样的装备,就能为偏远地区的士兵(比如前线士兵)提供相当于4G网速的移动连接,无人机团队也可以合作创造出灵活网络。

DARPA 项目:移动热点

将从战场中退役的就无人机加以改造,成为控制的移动热点,让位于野外且各部队之间相距遥远的军队,维持联系,获得安全、持久且高速的无限链接。

DARPA最近刚完成了「三步走」中的第一阶段——装备的设计和测试。这种「移动热点」旨在为全军上下提供可靠的移动带宽来源,而如果要使用老办法,其规模将不可想象。

首阶段最重要内容,就是找到小尺寸、轻质量、低能耗的解决方案。移动热点所需的全部装备,都会塞到RQ-7影子无人机的机翼吊舱那里。

首轮测试成功了验证了可操纵毫米波天线的可行性,因为它需要提供迅速追踪和获取目标的能力。如此一来,移动平台就为之搭建好了一个稳定的通信链路。

第一阶段还测试了一些其它系统,包括项目所需的、能够覆盖50公里(32英里)范围的Wi-Fi信号和功率放大器。电源效能方面,系统也显示了20%的提升——部分归功于「单氮化镓芯片」的采用。

第二阶段,其实已经在3月份就开始了。一 阶段的成果也已经被纳入其中。本轮测试计划结合4架无人机、2辆汽车、以及一个固定的地面节点。

6. 透明盔甲

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透明盔甲由叠层的陶瓷、玻璃以及聚合物做成,仅6厘米厚,可以抵挡7.62毫米子弹的多次攻击。陶瓷水晶般的结构有助于预防盔甲不被第一次射击击碎,是战略车辆窗户玻璃的理想选择。

DARPA 项目:士兵保护系统(Soldier Protection Systems )

DARPA正在研发和展示轻便的盔甲材料系统,用来抵抗当前以及潜在的子弹和爆炸威胁,效果要比当前的保护系统好很多。

目前,DARPA关注的是材料和可以控制射击或爆炸能量吸收和蔓延的材料系统。在基于力学的模型指导下,他们正在研发具有超级力学特性的材料,并将这种材料用于新奇的防射击或爆炸护甲系统中。除此之外,他们还在研发一种层级结构,它可以让穿戴者在高密集的底部爆炸情况下(比如车辆底部安置炸弹爆炸),生存下来。这些研究旨在让可以抵抗各种武器综合性威胁的新型轻便盔甲成为现实。

7. 柔性体外骨骼

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来自哈佛Wyss研究院的Patrick Murphy展示了一款柔性体外骨骼,可以让穿戴者的力量和耐力增加25%。系在穿戴者大腿上电缆上装备了微型电机,可以接管行走时,肌肉负责的部分工作。目前,这套装备正在陆军研究实验室接受军人的测试。特殊织物制作,轻便易穿戴,只有7.5Kg重。软性材料让这套设备不会影响衣着舒适,而且在精心的人机交互设计下,穿戴者只需正常行走就能与设备协同工作。

DARPA 项目:勇士织衣(Warrior Web )

该项目旨在开发能够保护和降低由运动产生的肌肉骨骼损伤的技术,这种损伤通常会发生在作战军人身上。终极目标让轻便内衣一般的柔性体外骨骼(就像潜水员的潜水服)成为现实。

这套装备采用一套由封闭环路控制触动、传送以及功能型结构的系统,保护易于受伤的部位(主要是指与骨骼系统交接的软组织)。另外,也在研究其他防止、减少、或协助治愈急、慢性肌肉骨骼损伤的技术。

除了减轻损伤程度之外,战士织衣还必须具有增强肌肉,减轻身体负担的功能。减轻负载典型攻击装备的新陈代谢成本,补偿装备本身的重量,同时,电力消耗少要于100瓦特。

这个项目包括两个独立但相关的项目任务:任务A,Warrior Web Alpha,研发实现战士织衣功能最关键的核心技术。有五个关键技术领域:核心的损伤减轻技术;综合分析表征;生成性触发;自适性感知和控制;以及从人到穿戴者接口。

B 任务,Warrior Web Bravo,充分利用A阶段研发成果,将最合适的突破性技术融入战服中,获取最佳效果。最后,寻找合适任务内容,在背负真实装备的情况下,评估装备效果。

其中,美国国防高级研究计划局与哈佛大学怀斯生物启发工程研究所签订了一份价值290万美元的第一阶段后续合同,研制一种仿生智能服。根据合同规定,怀斯生物启发工程研究所的研究团队将进行柔性外骨骼的概念演示验证,有望使携带重物的士兵行进距离更长、减轻疲劳程度并最大程度降低其肌肉损伤风险。

8.会自我毁灭的电子设备

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图右是配有强化玻璃的电子芯片,左边是类似芯片在接到自我摧毁信号后,自我毁灭的结果。通过为电子设备组件设定特定生命周期(一旦到期就自我毁灭),有利于防止技术落入他人之手。

DARPA项目:会消失的可编程资源(The Vanishing Programmable Resources,VAPR)

在战场上,技术成熟的电子设备随处可见,隐患在于,由于无法一一追回,可能会被其他人非法使用,甚至危害技术拥有方的知识产权和科技优势。

DARPA研究项目展示日:未来就在这些黑科技项目中

DARPA 启动了会消失的可编程资源(The Vanishing Programmable Resources ,VAPR),希望能够研发出能够以一种可控、可触发实物消失的电子设备系统。DARPA旨在让这些具有特定生命周期的设备变成可加以部署和利用的技术。

具有特定生命周期的电子设备会让许多革命性军用功能成为现实,比如,可降解的环境感知器,或者战场上用于诊断、治疗以及健康监测的医疗设备。可以在自然环境下分解的大面积分布式传感器,可以在特定时长内提供关键数据后消失。能被身体吸收的设备,可用于协助持续性健康监测和治疗(在战地上),也不失为一种选择。

9. 光计算机

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这是一个光子计算机,使用光子(激光)而非电子作为内部通信。激光能以更快的速度传输更多的数据,耗费的能量也非常少。与非光子版本、有相似性能的芯片相比,这种芯片耗费能量低了 20 倍。

DARPA 项目: 光优化内嵌微处理器(Photonically Optimized Embedded Microprocessors)

旨在通过研发芯片大小的集成光技术,使以低能量/比特提供所要求带宽、芯片内和芯片外的无缝光通信,成为可能 ,从而克服电子通信连接的局限性。这种技术特别适用于军方,通常,军方平台小、重量轻和能量少,但是,却需要有极致的功能效果。

10. 微结构材料

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在固态铜棒旁边(上边那个)的是一种已经编织进晶体结构的铜。使用多种不同的技术,铜和其他的金属能够印入或者织入紧密控制的微型或纳米结构中,从而产生独特特性,包括定制要求的密度、孔隙度、可塑度、重量、强度等。

使用体材料(bulk material)和微结构材料的区别就相当于金字塔和埃菲尔铁塔的区别,而且它潜在的应用非常巨大。

DARPA 项目:控制型微结构体系材料(MCMA ,Materials with Controlled Microstructural Architecture)

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MCMA 项目旨在通过克服现在材料特性的限制,从而超越其特性范围:对材料的成分排列和空隙有足够的控制。为了解决这一难题,MCMA 将利用微级别控制和材料特性两种技术的结合。

如果成功了,通过 MCMA 获得的知识将使开发具有突破特性的新材料成为可能,超越如今建立材料特性关系的模式。比如,开发出具有钢铁强度、塑料密度的材料。这一项目也计划促进其他的材料结构特性,比如硬度、断裂韧度、热膨胀系数、热扩散。

11. 微工厂

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这一轻量碳纤维 truss 架由来自 SRI 国际的一群微型机器人构成,里面也包含嵌入式电子。如今,这一机器人用于构建外壳,当结合 truss 架和电子的时候,能用于创建结构框架,甚至有潜力创建汽车。

DARPR 项目:开放制造(Open Manufacturing)

开放制造是 DARPA 2015 年宣布的推出的计划,该计划的目的旨在提高对于增材制造及其它先进制造相关的各种工艺和材料的理解。DARPA 指出,为了使 3D 打印成为复杂军工部件——比如飞机机翼——制造的主流技术,就需要对基于不同属性和性能材料的各种制造方法所产生的细微差别有深入的了解。

为此他们成立了两个新的生产示范设施(MDF)。第一个MDF位于宾州州立大学大学,专注于金属增材制造;而另一个MDF则被安置在陆军研究实验室,专注于研究复合材料。

12. 高速自动无人机

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真正的自动无人机要能够感知障碍物,并且使用自载的传感和计算能力躲避障碍物。这个无人机搭载了一对立体相机,从而让其能够在 1 m/s 的速度下直觉躲避障碍物。到 2018 年,DARPA 希望这样的无人机能够自动的在室内、户外导航,甚至希望无人机穿越窗口的速度达到 20 m/s。

DARPA 项目:快速轻重自动化(Fast Lightweight Autonomy)

计划中无人机的灵感来源是飞行敏捷的苍鹰,它们可以在细小和多障碍物的空间里面快速飞行,而且它们翼长虽然很长,不过却懂得在森林内穿越树与树之间的空隙时,快速收起双翼穿越。DARPA 的目标就是设计出像苍鹰那样敏捷的无人机,可以充满障碍物的环境下飞行。不过这可不是唯一目标呢,因为他们还希望无人机可以在没有 GPS 协助、通过最少运算、通讯和人类操作的情况下,以每小时 45 哩的速度在上述复杂环境下飞呢;它也须懂得自行辨认出自己是否在一间房间内。

13. 芯片内部冷却

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不仅是冷却计算机处理器的顶部,活性循环冷却液通过处理器本身能够大幅度的增加性能。这是一个底层内置微流通道的芯片,可用于高性能计算机和固态激光发射器。

DARPR 项目:内置芯片/内部芯片增强冷却(Intrachip/Interchip Enhanced Cooling)

DARPA 的内置芯片/内部芯片增强计划想要客服远程冷却(ICECool)的限制,通过将微流通道冷却液置入底座、芯片、封装处,探索内含的热管理,其中也使用到了早期电子设计的热管理方法。在电脑、RF 器件和固态激光雷达这样的高性能电子系统中,ICECool 的成功可能会有助于缩小芯片水平的热产生密度与系统水平热消除密度之间的差距。

14. 世界上最快的芯片

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你正看到的就是「世界上最快的芯片」,支持 850 GHZ 的无线连接操作。据 DAPRA 表示,这是所有演示过的芯片中无线连接频率最高的。在 RF 频谱越来越密集的今天,这样的超高频率无线电意味着设备传输数据更多、更快。

DARPA 项目:太赫兹电子项目(THz Electronics)

图像仪器、雷达、光谱仪、通信系统在电磁波频谱的毫米波(MMW)和 亚毫米波段上很难进行研发,因为涉及到这种波长高频率信号的生成、探测、处理、发射等技术挑战。为了掌握、控制这种 RF 频谱上的放射,开发出的新的电子设备必须能够在 1 太赫兹上频率上进行操作,也就是每秒 1 万亿周期。

DARPA计划分三个阶段探索次毫米波波长范围,第一阶段目标是670GHz、第二阶段是850GHz以及最终目标即在于1.03THz。

15. 芯片上的 LIDAR

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图片中,上部的小型薄片是一个操作型固态激光雷达,它使用了一个红外激光发射器确定目标的方向和距离。这个雷达可探测一米内的目标,但到今年年底,探测距离可以达到 10 米,潜在探测距离可以达到 100 米或者更远。大部分机器人(包括自动驾驶汽车)依靠大型、复杂、昂贵的 LIDAR 系统,而低成本的固态 LIDAR 可使所有新型的、廉价的机器人应用成为可能。

DARPA 项目:光电多项集成项目(E-PHI)

该项目主要用于制造多种光电子微系统,如电信业使用的收发机、激光雷达传感器、激光通信上使用的相关光学系统、光学随机波形发生器、带有集成图像处理和读出电路的多波段成像仪等。光电多相集成项目是 DARPA 多种原件/部件集成大型计划的一部分,该计划旨在为电子、光电和微机电系统等多种材料和器件领域开发可制造的器件级技术,在普通硅衬底上制造出复杂的结构。

E-PHI 项目开始于 2011 年,当时带头参与 E—PHI 项目的组织包括:Aurrion 公司、MIT、加州大学伯克利分校、加州大学圣迭戈分校。

16. 细胞星

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当回收轨道上的废弃卫星部件时,你仍然需要一个可提供动力和控制的基础结构能够放置这些部件。这些模块化的细胞星(satlets) 能被组装成任意量的结构,灵活性高还能降低成本。图片中的模块预定于今年 8 月携带一个望远镜搭载 SpaceX 的 Falcon 9 火箭进入太空。

17. 机器人卫星服务

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一个卫星的实体模型,它可在地球同步轨道中服务其他卫星,这些轨道是现在的解决方案无法触及到的。有了它可以检查、修复卫星,安装新的有效载荷,甚至将卫星移到其他轨道,节省发送成本、减少轨道碎片。

DARPA 项目:凤凰(Phoenix)

卫星从研制到部署周期漫长,与近地轨道航天器不同,卫星进入地球同步轨道(GEO)后难以维修。DARPA 的凤凰项目旨在解决这些严峻挑战。凤凰尝试实现 GEO 机器人服务,延长在轨资产寿命,同时开发新的卫星结构减少天基系统成本,借以改变这种现状。具体而言,凤凰的目标就是开发并演示验证可在GEO检查,并利用机器人维修合作性太空系统的技术。

据介绍,凤凰第一阶段任务:轨道机器人与卫星构型研究已经完成;第二阶段重点开展三项技术研究:

先进 GEO 太空机器人:DARPA 正在开发多种机器人技术,以解决地球同步轨道恶劣环境下的关键在轨任务需求,包括装配、维修、资产寿命延长、燃料再加注等。开发活动包括机械臂和多个通用、专用工具的成熟度。这些技术将用于未来的机器人装配平台——服务星/守护星。

细胞星:一种新型低成本、几乎可无限扩展的模块化卫星体系结构。细胞星是小型的独立性模块(重约7千克),其上配有必要的卫星功能模块(如电源、运动控制、传感器等)。细胞星将共用数据、电力和热管理功能。

有效载荷在轨交付系统(POD):该系统将建成标准化的机制,将用于商业通信卫星,使其安全携带各种分离性元素进入轨道,包括有效载荷、细胞星和电子器件,充分利用商业卫星的频率和寄宿有效载荷服务。DARPA正在追求以低风险的飞行方式验证 POD 技术。

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