覃彬， 臧立伟， 高曈， 安硕， 罗湘娜

(中国兵器工业第208研究所 瞬态冲击技术重点实验室, 北京 102202)

0 引言

基层民警及武警人员在执行各类安防及反恐防暴行动过程中，打击对象多是情绪激动人员、暴恐人群等，少数情况下还可能面对醉酒或精神病患者等。电击武器被认为是一种不会直接造成人员死亡的“人道性”非致命武器，适用于对付各种非正常目标，因此在反恐安防领域具有较好应用前景。

以泰瑟(taser)电击器为代表，在欧美诸国已经应用多年，其效能在大多数时候得到较好的验证，数据表明配备电击武器后，军警遇袭及伤亡率都显著降低。因此，国内近年来也一直在呼吁放开电击武器的使用，但受限于国外大量使用后的少数死亡案例，说明电击武器可能存在的安全隐患及，因此一直未能实施。

在电击武器安全性研究方面，国内主要以输出电流评价电击武器安全性，或通过动物实验验证有效及安全。王德文及其团队较早并一直从事电击武器生物效应研究，主要基于猪、羊等大动物开展实验。在国内首次制定了医学伤情分级推荐标准及“电量”致伤阈值，提出了动物向人体转换的方案。雍香宇则采用比格犬为研究对象，通过的生理生化指标进行分析，验证所选用电击防暴器的安全性。国外以泰瑟公司的电击产品为主，通过志愿者实验及实战使用案例对产品安全性进行验证性研究。Baliatsas等综述性回顾了电击武器的人体效应。Kroll等深入分析了电击武器的心脏损伤效应及内在机制。Ho等分析了传统电击武器及新型电击武器在志愿者人体的传导电流及可能导致的生理效应，并基于任务设定分析了电击对目标的失能效应评估。Comeaux等则对比了方波脉冲与泰瑟x26电击器窄脉冲对肌电信号的干扰与肌肉控制效应。Kunz等通过生物与人体试验对比，分析了电击后心脏/骨骼肌的影响与电击安全性。总的来看，电击武器输出电流是普遍采用的安全性评价参量，但由于缺乏标准靶标，不同研究机构、人员采用不同的生物对象开展研究，其研究结果缺乏可对比性。

在电击武器研发领域，国内受限于生物实验难以开展的实际条件，更多参照国内外标准采用等效电阻代替人体开展研究，其中提及了电流是影响电击效应的主要因素，人体接触电阻、击穿作用电压也与电击效应密切相关。刘鑫等采用60 MΩ：36 kΩ的分压电路代替人体开展电击器输出特性测试；熊远波参考IEC 60479分析了人体电击阻抗特性，提出了以人体内阻抗取值为500～700 Ω表征电击武器负载较为适宜，并探讨了考虑电流及安全性的武器设计原则。杨启祥、崔斌洲、英克强则从高压脉冲发生器设计与损伤因素的角度，分析了以500～800 Ω作为人体模拟电阻的合理性及设计所需要的考虑的电流因素。国外由于具有较多生物试验结果，因此模拟靶标研究不多，例如Chiles等采用隔空电弧测试的方法检测电击武器输出阻抗，仍采用电阻替代法分析电击输出；Dawes等则是采用猪心脏安全模型代替人体开展电击武器测试。考虑电击武器与工业触电事故的电流路径差异，且人体电阻受电压、电频率影响较大，因此简单的以电阻代替生物体并不科学，而采用隔空电弧、生物组织替代等方式又缺乏一致性与可信度。

综上，从定量化对比不同电击武器性能，科学评估电击武器生物损伤效应并指导武器研发的角度来看，建立科学合理、性能稳定的非生物靶标非常有必要。电击武器的主要靶器官是人体的神经及肌肉组织，在轻武器杀伤研究过程中，曾提出了以明胶靶标等效肌肉组织的模拟实验与评估方法。明胶介质在化学组成上与肌肉非常接近，都是由10%～20%的蛋白质与80%～90%水组成。国内在电击防暴装备研制过程中，也提出采用活体组织或阻抗相似替代物开展电击效应研究的设想，其中明胶蛋白水解物是备选介质之一。

本文将基于某警用电击防暴棍的电击升压模块开展研究，分析升压模块对活体生物的输出特性，另一方面通过优选、调整模拟靶标组成含量并开展电击实验，通过输出电流、靶标等效负载及作用电压等参数验证相似性，探索以明胶介质模拟靶标替代生物靶标的可行性。

1 实验模型与方法

1.1 电击器高压模块与实验布置

市面上存在的电击类武器较多，针对其安全性所列举的输出参数各不相同，本文选用某型防暴叉电击器中的高压模块开展研究。图1所示高压模块采用2节18 650电池串联，低压端供电电压8.0～8.3 V，高压端输出10 kV量级的高压脉冲，可击穿空气实现放电。

图1 防暴叉电击器高压模块Fig.1 Booster of anti-riot electric shock fork

高压模块的原理如图2所示，低压供电端输入通过RC振荡电路形成低压交流脉冲，通过增压线圈实现升压放大并输出至负载。高压模块对电压的增幅作用与负载特性相关，输入功率10～20 W，输出峰值功率不超过1 W，很大一部分输入电能以高压模块热能损耗的形式耗散。

图2 高压模块原理及测试组成Fig.2 Booster model and testing system

1.2 生物靶标及模拟靶标

生物实验中，猪、羊、犬都曾被选作受试对象。考虑体重及人体组织相似性，本文采用某医学实验后麻醉未醒的长白猪作为实验对象，体重约70 kg，分别对心前区(心脏位置至右侧胸肋间)、右侧胸腹(胸肋间至腹部)、背部(心脏后侧至腰侧)、左侧臀部进行电击测试；参考近距离有线电击枪使用情况，采用直径1.5 mm电针作为刺入电极，电针距离设置为20 cm，刺入深度2 cm。

模拟靶标选用明胶，采用骨胶颗粒与淡盐水按照1∶9的比例预混加热形成溶液，试制的3种靶标液含NaCl质量分数分别为0.1%、0.2%及0.4%，溶解成胶液后注入28 cm×18 cm×18 cm的7 L容器内，4 ℃冷凝保温24 h后可开展测试。

1.3 实验测试参数

实验测试原理图如图2所示，高压模块输出端选用=10 Ω精密电阻与图3、图4所示靶标串联形成负载。同时为减少接触电阻影响，采用表面打磨光滑的铜针分别刺入图3、图4所示的猪肉靶标及明胶模拟靶，参考某型防暴叉设计说明及泰瑟系列电击器常见案例，铜针间隔20 cm进行电击测试。

图3 电击实验用活体猪靶标Fig.3 Living pig target for electric shock test

图4 实验用明胶模拟靶标Fig.4 Gelatin simulation target for test

测试输出参数包括总输出电压()及测流电阻端电压()。通过测流电阻端电压可换算出负载电流()，并可通过(1)式的串联分压关系换算出不同负载的实际等效电阻：

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2 电击模块对生物靶输出特性

2.1 电击生物体的典型输出特征曲线

如图5所示，是电击作用于动物后臀肌肉丰满区域的输出电压及输出电流；输出高压脉冲的频率约16 kHz，负载电压()峰值可达约13.5 V；测流电阻端电压约0.56 V，计算得到负载电流()峰值约56 mA。

图5 动物左后臀区电击的输出电压U(t)及输出电流I(t)Fig.5 Electrical shock output Voltage U(t) and output Current I(t) for Living Target left Buttock

从时间轴上看，负载电流与电压波形近乎同步，但电流仍略微超前，其原因主要是生物体不是纯电阻，而是具有一定的“电容特性”，在建立负载电压之前要先通过形成大电流快速注入电荷，因此电流略先于电压。

如图6所示是根据(1)式计算出的靶标等效电阻曲线，表现为与输出电压反相，即在电击脉冲电压上升波峰期间等效电阻呈现出波谷，等效电阻()可低至30～50 Ω，远小于文献[11-13]提及的500～800 Ω人体模拟电阻值。图6中为脉冲周期。等效电阻的波谷源于生物体的“电容特性”阻抗，呈现出3个阶段：

图6 动物左后臀区电击的等效电阻RT(t)Fig.6 Electrical shock output equivalent resistance RT(t) for living target’s left buttock

1) 充电加载段：建立负载电压期间负载电流()的上升快于输出电压()-()，“低电压高电流”导致等效电阻()也处于波谷；

2) 压降段：负载电压()到达峰值后的下降段，负载电流()的下降也快于输出电压()，“高电压低电流”导致等效电阻()也不断上升；

3) 截止段：单个放电周期结束，负载电压()和负载电流()的都接近于零，阻抗曲线表现为高阻截止。

2.2 电击生物体不同部位的输出差异

实验中获得电击作用于生物体心前区、腹部、背部、臀部的输出电压()和等效电阻()曲线特征波形相似，但在幅值上稍有不同。将等效电阻()曲线进行处理，选取如图6所示的从单个脉冲起始点计0.7个脉冲周期时长区域进行均值计算，作为等效电阻的特征值，测试结果如表1数据所示。由表1可知：

表1 电击生物体不同部位输出参数Table 1 Electrical shock output parameters for different parts of living Target

1) 输出电压介于12.82～15.6 V之间，输出电流介于53.6～57.2 mA之间，对不同部位输出变化不大；

2) 生物体腹部位置的均值等效电阻最低，腹部、后臀居中，心前区等效电阻最高，平均值介于400 Ω左右；等效电阻差异说明生物体皮肤较薄或肌肉丰满区域组织导电性或更好——生物体腹部和心前区皮肤较薄，后臀的肌肉组织较为厚实，而背部则皮肤及皮下脂肪较厚，刺入肌肉相对较薄，因此等效电阻值偏高。

3 电击模块对明胶模拟靶输出特性

3.1 电击模拟靶标输出特征

如图7所示，电击作用于7 kg 0.1%含盐量明胶靶标的输出电压脉冲峰值约17～18 V，都较生物体略高；输出电流峰值介于57～62 mA之间，与生物体差异不大。

图7 电击7 kg 0.1%含盐量明胶靶标的输出电压U(t)及输出电流I(t)Fig.7 Electrical shock output voltage U(t) and output current I(t) for 7 kg gelatin target containing 0.1% salt

如图8所示，含盐明胶靶标表现出的阻抗特性曲线与生物体也非常相似，即都表现出与输出电压反相、“电容特性”阻抗特征等。其等效电阻曲线()在高频加载导通期间阻抗值可低至100 Ω以下，在放电过程至低频段阻抗逐步上升。

图8 电击7 kg 0.1%明胶靶标的等效电阻RT(t)Fig.8 Electrical shock output equivalent resistance RT(t) for 7 kg gelatin target containing 0.1% salt

3.2 明胶模拟靶的分段阻抗特性

与生物体阻抗曲线到达谷值后缓慢上升不同，明胶靶标表现显著的“升压加载段”和“平台段”，两端之间有显著的阻抗曲线拐点。

将单个电击脉冲的输出电压、电流与等效负载电阻曲线放大对比，如图9所示。由图9可见：

图9 电击明胶靶标的输出电压U(t)与等效电阻RT(t)对比Fig.9 Electrical shock output voltage U(t) vs equivalent resistance RT(t) from electrical shock on gelatin target

1) 升压加载段的持续时间约5～6 μs，升压加载期间负载等效阻抗快速降低；阻抗降的原因是“电容特性”使得加载初期呈现出低电压和大电流，在电荷释放达到输出电压最高值后，阻抗曲线到达拐点；

2) 等效负载曲线拐点后是较为显著的平台段，持续时间约100 μs，平台段阻抗值变化不大，是表征明胶靶标负载特性的重要参数；

3) “升压加载段”和“平台段”以外的区段，由于输出电压和电流都较小，测试误差导致形成等效负载曲线的“紊乱区”，在理论上分析，紊乱区对应的是高阻截止状态。

4 含盐量对明胶模拟靶影响极其生物等效性

采用同一型电击模块对不同含盐量的明胶靶标进行测试，并将获得的等效负载电阻曲线在同一坐标下进行对比。如图10所示，3种不同含盐量的明胶靶标，表现为含盐量越高，等效电阻越低。

图10 不同含盐量明胶靶与生物体等效电阻RT(t)对比Fig.10 Comparison of equivalent resistance RT(t) between living target and gelatin target with different salt contents

生物靶标的负载平台段不太明显，但总体对比发现，0.1%含盐量的明胶靶标等效负载曲线与生物体最为接近，与生物体均值的误差为14.19%。

综合电击器对生物体与不同含盐量明胶靶标的输出参数，可以发现最重要的对比参数“输出电流峰值”的最大误差是7.72%，“等效电阻”及“输出负载电压”的误差分别为-14.20%及25.63%。不管是输出负载电压、输出电流及均值等效电阻，明胶靶标与生物体的偏差都已经小于30%。考虑到生物体本身具强烈的不稳定性，因生物体个体差异及年龄、生理状况、体表湿润度等差别，生物实验的结果偏差可能达到倍数级别。而能将模拟靶与生物体均值的差异控制在30%以内，在工学与生物医学交叉领域已属非常不易。从输出电流最大误差7.72%及等效电阻最大误差14.2%来看，可以说两类靶标具有较好的相似性，含盐明胶靶的稳定性与一致性更好，具有代替生物体进行电击武器评估的可行性。

表2 电击7 kg 0.1%明胶靶标的输出参数Table 2 Electrical shock output parameters for 7 kg gelatin target containing 0.1% salt

5 结论

本文针对某防暴电击器高压模块对生物靶及不同含盐量明胶靶的输出特性进行了实验研究，重点分析了不同靶标输出阻抗特性的差异。得出主要结论如下：

1) 电击武器性能评估过程中，生物体与含盐明胶靶标都表现为“阻容耦合”的高通阻抗特性。

2) 不同含盐量明胶靶标对比结果表明，含盐量越高，等效负载越低，导电能力越强。

3) 0.1%含盐量明胶靶标与生物体对比，在输出电流方面的误差不超过7.72%，在输出电压与等效负载电阻方面的误差都不超过25.63%，验证了两类靶标的相似性，含盐明胶靶具有代替生物体进行电击武器评估的可行性。

6 讨论

本文研究发现0.1%的明胶靶导电能力与生物体更为接近，该值比医学上采用的生理盐水浓度0.9%(与人体体液电解质浓度相当)低很多。

明胶靶是均质导体，而生物组织差异、细胞膜对细胞内液/外液的阻隔，可能是导致生物体与明胶靶在不同含盐量是呈现相近特性的主要原因。但该解释或还需更多的分析及试验验证。