Впервые задуматься об умных материалах для военной экипировки и техники мне довелось лет в 12, как раз в период первого увлечения «Властелином колец» и эльфийскими плащами, кольчужками и клинками с подсветкой. Помню, именно тогда эта идея таких клинков показалась мне нелепой: разведгруппа тайно и по-эльфийски бесшумно в темноте подбирается к врагу и выдает себя из-за своего же оружия. Но вот мифрил и маскировочные плащи — отличная затравка, чтобы помечтать о чудо-доспехах, которые помогают носителю то ли на уровне магии, то ли на уровне той самой технологии, которая неотличима от магии. Поэтому давно хотелось поговорить об умных бронежилетах, экипировке и даже настоящих доспехах – тем более, что их разработка началась в ранние 90-е, когда я уже почитывал Толкина.
«Умные ткани», как и многие другие околобытовые артефакты современности, начинаются из военных КБ и НИИ (вообще о цифровизации и поумнении бытовых приборов рекомендую почитать книгу Дэвида Роуза «Будущее вещей»). Технология «умного текстиля» развивалась в рамках совершенствования брони и бронежилетов. Здесь я не буду подробно рассматривать имеющиеся достижения, связанные с технологической начинкой брони в боевых машинах, а затрону именно аспекты индивидуальной экипировки. Основные движущие факторы этих разработок таковы:
Бронежилет должен обладать баллистическими свойствами, то есть, либо уплотняться на месте попадания пули или осколка, либо менять структуру при ударе, чтобы пуля могла отскочить, увязнуть или пройти по касательной;
Бронежилет должен обладать соединяемостью с другими устройствами (которую, однако, нужно при необходимости отключать), чтобы служить солдату «маячком», когда его ищут свои, но не неприятель. Более того, бронежилет должен быть в состоянии сам «позвонить в участок» и указать, где находится, если носитель не в состоянии этого сделать;
При ранении бронежилет должен выполнить диагностику и/или оказать первую медицинскую помощь, например, ввести дозу обезболивающего;
Бронежилет должен обладать свойствами термостата и, соответственно, предохранять воина от переохлаждения или теплового удара.
Все эти аспекты для начала требуют концептуализировать, в чем же заключается «умность» одежды. Поговорим о том, как такая «умность» понималась в начале 90-х, как понимается сейчас, и какие изделия (прототипы) в этой области уже есть. В данном случае сразу просматривается два направления разработок: полицейское и военное. Полицейская экипировка по умолчанию работает в условиях хорошего покрытия связью и более пригодна для встраивания в «Интернет вещей», чем военно-полевая. Но на практике у умного доспеха нашлось еще, как минимум, два вектора развития: игровое (реконструкторское) и спортивное (для мотоциклистов и гонщиков).
Что такое интеллектуальность брони
В целом набор свойств у умной брони во многом схож с набором свойств «мирного» умного материала: умная структура должна контролировать вибрацию, обнаруживать разрывы ткани, активно менять форму. Но диапазон энергий, с которыми приходится иметь дело умному бронежилету – от 0,1 до 0,7 мегаджоулей, время отклика измеряется в микросекундах, скорость пули в момент контакта с броней составляет около 6 м/c, а еще материал сильно растрескивается. Поэтому при подборе материалов для такого снаряжения должны учитываться следующие параметры:
Защитная система должна как можно быстрее локализовать попадание и измерить силу удара. Более продвинутые системы также должны определить тип и масштаб урона, вызванного таким попаданием.
Вся броня должна быть рассчитана на целый град попаданий, гасить или поглощать и перераспределять энергию каждого такого удара.
Растрескивание должно купироваться или замедляться на уровне самих материалов, которые должны спонтанно реагировать на самые первые трещины.
Умная броня должна спонтанно самозалечиваться.
Только после решения четырех вышеперечисленных задач в работу должны вступать датчики и передатчики (которые к этому моменту должны уцелеть, хотя бы некоторые): собрать и передать на анализ информацию о масштабе и характере ущерба, а также, возможно, задать вектор для первой медицинской помощи.
Минимизация ущерба может быть пассивной (благодаря тем свойствам, которыми обладает сам материал): например, действовать путем поглощения или рассеивания энергии. На уровне физики этого можно добиться путем фазового перехода материала или придания ему нужных реологических свойств. Сила сжатия должна возрастать локально, и здесь можно говорить об активной минимизации ущерба, например, при помощи пьезоэлектрического эффекта. Именно пьезоэлектрический эффект может обеспечивать и создание индикаторов, а также полноценных GUI на броне, и об этом мы также поговорим ниже. Залечивание брешей и трещин также относится к активному устранению ущерба: в полевых условиях доспех можно «подлатать», лишь перераспределив материал самого доспеха; поэтому вещество должно само перетекать в пустоты и трещины. Желательно, чтобы материал бронежилета управлялся на молекулярном уровне или состоял из жидкого металла или аналогичного вещества. Более продвинутые модели могли бы работать по бионическому принципу, то есть, выделять аналоги гноя и фибриногена для обволакивания и нейтрализации коррозионных и токсичных веществ.
Ниже будет рассмотрен и электронный (IoT-ориентированный) компонент умного бронежилета, но уже сейчас отметим, каким минимальным набором датчиков и управляющих элементов он должен быть оснащен:
1. Датчики: нужны вшитые, вплетенные или непосредственно встроенные в бронежилет датчики, распознающие природу и интенсивность внешнего воздействия (давление, разрыв, а также термическое, электрическое, магнитное, химическое, радиационное воздействие).
2. Исполнительные механизмы: также могут быть встроенными или вшитыми (вплетенными). Должны реагировать на показания датчиков.
3. Управляющий модуль: с этим блоком работает сам носитель бронежилета, можно сказать, что это пользовательский интерфейс. Пользователь регулирует чувствительность датчиков, порядок и силу реагирования на их показания, выбирает вариант отклика, если есть несколько возможных вариантов отклика. По-видимому, можно доверить пользователю и скорость реагирования брони (с учетом расхода энергии), но по умолчанию она должна быть как можно более высокой.
В идеале умная броня также должна использовать специальный механизм обучения с подкреплением или, вместе с этим механизмом, эволюционные стратегии. Броня должна приспосабливаться к характеру и интенсивности повреждений, чтобы после ремонта бронежилет действовал «умнее», в частности, при самозалечивании. Базовые знания такого рода в него можно было бы заложить на этапе проектирования и испытаний, но датасет, адекватно характеризующий меняющиеся боевые условия, вряд ли возможно собрать. Поэтому броня должна не только «накапливать опыт» в режиме реального использования, но и сохранять полученные данные, чтобы по возвращении с задания их можно было снять и проанализировать.
Наконец, броня должна выполнять двоякую защитную функцию: предохранять от урона как носителя, так и собственную электронику/датчики. Поэтому датчики должны быть распределены по всему доспеху, вшиты в него с избыточностью, а также защищены от взлома или обратной разработки, которую мог бы предпринять неприятель, завладевший таким бронежилетом как трофеем.
Далее рассмотрим, какие разработки и проекты умной брони существуют в наши дни. Сейчас для таких доспехов существует три основных варианта применения: военный, полицейский и спортивно-игровой. В некоторых отношениях умный бронежилет сближается с экзоскелетом, но тему экзоскелетов лучше отложим до отдельной публикации.
Общая характеристика материалов
Умные ткани, умные волокна и интерактивные ткани — это шитые или плетеные материалы, способные отслеживать или оптимизировать взаимодействия носителя с окружающей средой. В частности, такие ткани могут регистрировать и интерпретировать входящие стимулы, а также реагировать на них, собирать те данные, которые укажет «в настройках» пользователь (то есть, кастомизироваться). Волокна умной ткани постоянно взаимодействуют друг с другом в пределах костюма, а также с датчиками, вшитыми в костюм (см. выше). С физической точки зрения такие реакции, как правило, являются электрическими, реже – химическими или механическими (далее я остановлюсь на неньютоновских жидкостях). Следующие поколения таких тканей и волокон должны усиленно компьютеризироваться, возможно, на микро- и наноуровне. Фактически, на наших глазах формируется новая научно-инженерная дисциплина «текстроника» («текстиль+электроника») — именно так она названа в этой обзорной статье, вышедшей в 2021 году. Материалы, разрабатываемые в рамках текстроники, должны быть гибкими, (само)ремонтирующимися, моющимися, обладать хорошей проводимостью, а потенциально – и сверхпроводимостью, так как затраты энергии на обеспечение функционала самого материала и встроенной в него электроники должны быть минимальными; в идеале для этого должно быть достаточно тепла человеческого тела либо энергии самых легких аккумуляторов. Основные потенциальные сферы применения текстроники – военные (и военно-реконструкторские), полицейские, использование в спецоперациях, в космосе, в гоночном спорте. Кроме того, с текстроникой смыкаются умные доспехи, которые, однако, представляются мне тупиковой веткой. Ниже рассмотрим несколько конкретных примеров.
Разбор моделей
Начнем с военного научно-исследовательского института TARDEC, работающего на оборонку США уже более 30 лет. Среди изобретений компании – датчики, внедряемые как в танковую броню, так и в пехотные бронежилеты. Сами датчики похожи на пластины, равномерно расставленные по броне. К каждой такой пластине подведены два пьезоэлектрических сенсора. В один сенсор поступает пьезоэлектрический ток, и пластина преобразует электрическую энергию в механическую (получается волнообразная вибрация). Другой пьезоэлектрический датчик преобразует вибрацию в электрический сигнал и передает далее. Естественно, если броня будет повреждена (разорвана), то некоторые из таких путей работать не будут, а энергия будет теряться. Эти данные передаются на командный пункт, где можно дистанционно определить, в какой именно точке брони возникла брешь и насколько она серьезна. В настоящее время TARDEC изыскивает способы оценивать целостность брони прямо на поле боя.
Металлический состав пуль, шрапнели и осколков существенно различается, поэтому отличаются и электромагнитные свойства этих инородных тел. Таким образом, по составу осколков и силе попаданий броня определяет, с какого расстояния, с какой интенсивностью и из какого оружия ведется огонь.
Вышеуказанные функции более типичны для танковой брони, чем для индивидуальных бронежилетов; но пьезоэлектрические датчики уже находят применение и в личных защитных средствах солдата. Пьезоэлектрической энергии достаточно, чтобы выводить на запястье аналоговые данные о тяжести повреждений бронежилета, получается светящаяся полоска, похожая на «health bar» в компьютерной игре.
Реологические свойства брони пока сводятся к корректировке плотности и вязкости. С начала 2000-х в Массачусетском технологическом институте (MIT) ведутся опыты с дилатантами — жидкостями, затвердевающими при ударе. Это класс неньютновских жидкостей (или коллоидных взвесей), чья вязкость резко возрастает, как только скорость сдвига (shear rate) в веществе превысит некоторое пороговое значение. При низких значениях скорости сдвига дилатант является жидкостью, при высоких — твердым телом, а при пороговом значении и немного выше — это гель с нарастающей вязкостью. Логично использовать дилатанты в качестве прослоек для личной брони, но применять их в боевых условиях стало возможно лишь к началу 2020-х, когда были синтезированы составы, обладающие свойством DST (скачкообразный переход в узком диапазоне напряжений). Кроме военно-баллистического применения такие неньютоновские жидкости также исследуются в различных амортизирующих устройствах, при обволакивании инородных тел в жидкости, особенно в горючем, а также для защиты от столкновений с космическим мусором. Амортизирующие свойства важны и в конструкции бронежилета, так как позволяют перераспределить нагрузку от пойманной пули на широкую площадь; в результате снижается риск перелома грудины или инфаркта из-за удара в область сердца.
Другая американская разработка, которая на момент написания статьи находится в состоянии НИОКР в Управлении научных исследований ВМС США — это система BLAST (Blast Load Assessment Sense and Test), частично гасящая близкие взрывы и оценивающая тяжесть травмы. Прибор представляет собой сеть мелких сенсоров, встроенных в броню и в шлем, их наиболее продвинутая черта — определение факта контузии и оценка её тяжести. Датчики измеряют взрывное давление, передают это значение в медпункт, а также дают первичное заключение о тяжести урона (нуждается ли солдат в немедленной эвакуации). Кроме того, в экипировку входят и пьезоэлектрические элементы, преобразующие часть энергии взрыва в слабый электрический ток, подаваемый на пальцы солдата и по ответной реакции оценивающий, в сознании ли человек, контужен ли он.
Наиболее логичным развитием BLAST-подобных технологий в мирной жизни является разработка умных костюмов и шлемов для мотоциклистов. В 2012 году два иранских института (Тегеранский государственный университет и медицинский институт города Илам) разработали мотоциклетный защитный костюм и шлем, выглядящий так:
В оригинальной работе также можно посмотреть, как этот шлем выглядит изнутри, но здесь я только упомяну, что в него встроен электромотор, пружины, подшипники и кабели, позволяющие при падении или ударе защитить мотоциклиста от перелома шеи, контузии и черепно-мозговых травм.
Такой шлем до сих пор не попал в серийное производство, поскольку концепт-модель получается слишком громоздкой (и при этом некрасивой), а также потребляет много энергии. Поэтому шлем работает, только будучи подключённым к мотоциклу (питающие элементы расположены под сиденьем):
Тем не менее, вектор развития такой защитной экипировки логичен, перспективен и укладывается в канву военных разработок, описанных выше: датчики регистрируют входящую механическую энергию, в ответ на что включаются либо электрические компоненты, либо электроника. Принцип действия экипировки — снижение силы и травматичности удара (попадания) путём коррекции свойств материалов.
Интереснейшим развитием этой тенденции является интеллектуальный доспех «Lorica», представленный в 2014 году австралийским стартапом «Unified Weapons Master». Такая лорика (буквально по-латыни «кольчуга», но она ближе к пластинчатому доспеху) предназначена для спортивных рыцарских единоборств.
Прототип лорики (весом всего 22 кг) является многослойным доспехом из современных композитных материалов. Лорика оснащена многочисленными датчиками, измеряющими силу ударов. Также в распоряжении игрока – камера, через которую можно посмотреть на поле боя глазами соперника, облаченного в другую лорику, и микрофон для двусторонней связи. Планировалось, что в усовершенствованных моделях также будет устанавливаться GPS-модуль для связи при командных состязаниях и различные биометрические датчики, измеряющие пульс, температуру тела и пр. Впрочем, насколько мне удалось уточнить, в серийное производство лорика пока не поступила.
Заключение
По-видимому, упомянутые изделия лишь внешне кажутся изолированными разработками, а на самом деле их правомерно трактовать как первые детали большого паззла. Когда он откроется полностью, мы увидим новую научно-техническую сферу, которая объединит материаловедение и дополненную реальность. У меня нет сомнений, что, с одной стороны, эти модели перекликаются с разработкой экзоскелетов. Но с другой стороны, (и эту связь я пока назвал бы гипотетической) текстроника может привести нас к созданию совершенно новой синтетической кожи, которая, в частности, значительно снижала бы вред от облучения в космосе и на Марсе, а также могла бы ускоренно регенерировать и при этом оставаться съёмной.
