无人机蜂群作战示意图。资料图片
类似蚂蚁寻路的蚁群算法示意图。资料图片
在最近举行的“军队-2022”国际军事技术论坛上，俄罗斯某公司展出一款M-81作战仿生机器狗。技术展示中，这只机器狗安装了一具RPG26反坦克火箭筒。据该公司发言人介绍，M-81既可以在战场上携带武器，执行多项军事任务；也可以在受灾地区搜救人员、运送药品，用于民用领域。这款机器人的外观和运动，很大程度上受到仿生学原理的启发。
向生物学习，与生物“相爱相杀”是人类研发武器装备、获取战争技巧的启蒙一课。从远古时代模仿鸟嘴造矛、模仿龟壳铸盾，到现代战场无人机“蜂群”作战等智能作战样式初见端倪，军事仿生和军事行动一路伴行，并随着战争实践的演进不断优化发展，或将成为形塑未来战争的关键要素。本期科技大讲堂，由陆军工程大学研究生院教授为您讲述——
仿形
点亮装备技术之光
所谓仿形，就是以模仿生物形态结构、借鉴生物体材料功能为主要形式的军事仿生模式。
许多生物体不仅外形精巧，而且功能神奇。自古至今，几乎所有武器装备在研制过程中，都直接或间接地受到生物功能的启示，汲取着生物学的“基因”。不论是古代中国人模仿动物的嘴、角、爪、牙而造出弓箭、长矛、戈、戟、刀、抓、钩、鞭等十八般兵器，还是古埃及人照着牛腿的样子设计出著名的克赫帕什镰形刀；也不论人类祖先模仿鱼的体形“刳木为舟”、模仿鱼尾发明船橹，还是近代模仿鱼鳔解决潜艇的浮沉问题……都无不始于对生物外形或直观构造的机械模仿。
伴随着生物学和解剖技术的进步，人们对生物内部机能结构原理的认识逐渐深入，军事仿生由模仿生物形状，发展到模仿生物的运动机理和功能结构。飞机机翼的设计思路就来源于对鸟类飞行时翅膀结构状态的研究。1809年，英国科学家凯利经过细致观察和深入研究，发表了《论空中航行》一文，揭示了飞行的基本原理，并模仿鸟的双翼设计了一种机翼曲线。20世纪初，俄国科学家茹可夫斯基在前人基础上，提出了航空动力学理论，将模仿鸟类的成果进一步理论化。终于，在大功率轻便发动机的帮助下，美国莱特兄弟发明了第一架飞机并在1903年试飞成功。
“保存自己，消灭敌人”是战场铁律。借鉴生物合成策略和源于自然的仿生原理来设计合成的各种结构材料和功能材料，能够极大提高军人个体或军事设施的防卫防护能力。1997年初，美国生物学家安妮·穆尔发现“黑寡妇”蜘蛛吐出的丝比其它任何蛛丝的强度都高。借鉴这种特性，科学家运用合成生物学原理，在微生物中合成了蛛丝蛋白，制造出新材料“生物钢”，可用做制造防弹衣、防弹车、坦克装甲车的结构材料。科学家发现，一种号称“水下蜘蛛侠”的八目鳗鱼所分泌的黏液同样具有类似特异功能。当八目鳗鱼遭到捕食者攻击时，会朝捕食者的嘴巴和鳃部喷射出一种对温度毫不敏感的黏液。这种黏液一经喷出就能形成外形复杂的三维立体网络，体积甚至会扩大到原来的1万倍，从而为鳗鱼提供一个比尼龙韧性还要强10倍的“保护罩”。受此启发，人们尝试在实验室里人工合成类似八目鳗鱼黏液具有“以柔克刚”特性的新型蛋白质防护材料。
近年来，一款款军事仿生新材料不断涌现，并辐射应用到工业、医学等多个领域，展现出广阔的发展前景。
仿性
解码战争制胜机理
所谓仿性，就是通过对生物个体、群体运动方式的借鉴，或通过对生物与环境之间互动性、适应性的模仿，凝练形成作战指导的军事仿生模式。
人类学家认为，早期人类通过模仿动物猎食进攻行为，形成了原始的作战方式。
各国军队都十分重视军事仿生，并创造了许多形象逼真的仿生战术，如蚂蚁战术、麻雀战术、狼群战术等。刘伯承元帅曾说：“作战有三种战术，一是牛抵角；二是马的战术，尥后蹄；三是狼的战术，乘人不备，突然袭击。”他对狼的战术尤为欣赏，评价最高。狼的战术同样引起了西方军事家们的高度关注。二战中，德军采取“狼群”战术实施潜艇协同，众多U型潜艇在广阔的海域搜索目标，一旦其中任何一艘潜艇发现目标，其余潜艇就会立即合围过来，凭借数量优势以及出其不意的进攻，彻底击溃对方舰队。
当然，从自然界直接获取作战灵感，还只是感性认识，只能称之为“假说”。要把“假说”演化为科学的新战法、新理论，还必须纳入军事体系的框架结构之中，结合军事实践进行本土化、信息化的提炼加工，或通过作战实验进行反复迭代验证，上升为理性认识，形成真正意义上的新型作战概念。一个典型的应用就是对蜂群运动方式的借鉴。
研究发现，鸟、鱼、青蛙、蚂蚁甚至细菌等，在觅食或猎食过程中，通过对环境的不断适应、群体协作和自组织可以突现出强大的群体智能。比如，蜜蜂在成群飞行时能够通过与同伴间简单交流而保持一定队形，朝一个方向移动，并确保同伴之间互相不碰撞。在整个复杂的飞行过程中，没有一个明确的指挥者。基于集群机理的无人机蜂群作战概念的灵感正源于此。其基本设想是通过集群算法，将大量低成本无人机进行集成协同，模仿蜂群集体协同的战术行动，构建自主智能的群体作战体系，实现蜂群“仿生作战”。
从20世纪90年代开始，外军已经关注起无人机蜂群作战。2021年年底，美国DARPA“进攻性蜂群使能战术”项目完成了最后野外试验；今年年初，英国陆军发布了新版“机械人与自主系统战略”，并采购了大量的蜂群无人机以支持该战略；德国正在开发一款无人机蜂群战术级人工智能快速决策系统，预计2024年底完成。
仿智
颠覆未来战场格局
仿智是对生物智慧的模仿，这是军事仿生的最高层次，也是生物技术、信息技术、机械技术和人工智能等学科高度融合的结果。自然界中智能水平最高的是人，因此仿智更多体现在对人类自身的模仿，特别是对人类感知力、思维力和判断力的模拟。
仿生模式识别是新投入应用的新兴仿生技术之一。该技术模仿人类“认识”事物的过程，是一种利用数学方法让机器“认识”不同事物从而加以区分的理论模型。在军事领域，仿生模式识别可以帮助军队寻找目标、在人群中辨认打击对象、识别网络攻击行为以及检测电路系统故障等。2020年1月3日，伊朗伊斯兰革命卫队“圣城旅”指挥官卡西姆·苏莱曼尼遭猎杀就是一个典型战例。美军正是依靠MQ-9“死神”无人机强大的搜索感知与模式识别能力，牢牢锁定了苏莱曼尼的行踪，并且一路跟随，最终在巴格达机场发射地狱火导弹成功实施斩首行动。
仿生学的加入，为算法注入了新的生机。仿生算法的优势在于不仅提高了算法的可用性，而且大大减少了针对大规模问题的搜索次数和时间，在要求快速精准决策的军事领域具有天然的应用优势。
目前具有代表性的仿生算法有：模拟蚁群觅食行为的蚁群算法（ACA/ACO）、模拟鸟群编队飞行的粒子群算法（PSO）、模拟蜂群采蜜和繁殖机理的蜂群算法（BCO）、模拟青蛙觅食过程中群体信息共享和交流机制而提出的人工混合蛙跳算法（SFLA）等。在维护信息系统安全、构建军事目标识别系统、作战行动的优化、作战效能的评估和火力分配等多方面，仿生算法都已得到了应用。未来战场最具发展前景的自主集群作战系统，其机理和原理，就是结合蚁群算法、粒子群算法、蜂群算法、人工势场算法、主体协商算法等多种算法模型，实现自组织群体作战。
来源： 解放军报
