【Military Biotechnology】颠覆未来作战的前沿技术系列之军用生物技术

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楼主 2018-12-09 11:08:33
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军用生物技术是将现代生物技术应用到军事技术领域的一门综合性交叉技术,涉及军事、生物、物理、材料、信息等诸多学科。军用生物技术通过借鉴和利用生物众多优异结构和特殊的功能,将为武器装备实现跨越式创新发展提供新的源泉,已成为武器装备变革的重要推动力量,并在不断催生新的作战样式和作战理念。近年来,以美国为代表的世界军事强国高度重视军用生物技术的发展,已在生物材料、仿生装备、生物计算、生物燃料等多个领域取得重大突破。



生物技术成为新的战略制高点

翻开历史画卷不难发现,变革人类战争样式的众多重大发明均与生物学的发展进步休戚相关。例如,基于对鸟类翅膀的解析,人类设计出飞行器翼型,不断促进作战飞机的进化;通过模仿蝙蝠超声定位,人类发明了雷达技术,使“千里眼”不再是神话;借鉴海豚超声波探测,人类发明了声呐技术,能够洞察水下世界。军用生物技术的发展,将使武器操作、战场指挥、通信和后勤保障等发生质的变化和跃升,将成为军事技术的制高点,为传统武器装备发展提供新的动力,主要包括:军用生物技术与武器装备融合;军用生物技术将带来新的武器操作模式,推动武器装备向“脑-机结合”方向发展;借鉴和利用生物众多的优异结构和特殊的功能,将为武器装备实现跨越式创新发展提供新的源泉;军用生物技术将提高战场信息感知和处理能力,为军队后勤保障提供新的方法。

美国科幻电影《机械战警》充分展示了“脑-机结合”的应用潜力

近年来,世界各国迎来一次生物技术发展的浪潮,产生了一批具有军事应用前景的颠覆性产品和技术。例如,新型神经形态芯片的研制令人类向认知计算时代迈进了一大步;生物电池、牡蛎壳结构护甲、生物粘合剂等生物材料制造的产品,展现出远超现有产品的优越性能;自组织机器人、商用仿生假肢、仿生潜航器、复眼相机等仿生装备与产品,能够扩展军事任务执行能力;生物燃料成功支持军用与商用飞机试飞,是能源领域的重大突破。


商用仿生假肢是目前生物技术应用较为引人注目的方向

美俄等国高度重视军用生物技术及其应用的研究,在技术开发、机构设置、研究计划以及经费等多个方面积极发展并推进其军事化应用。

美国现任国防部副部长罗伯特·沃克是军用生物技术的坚定支持者

近年来,美国实施了“生物监测计划”“生物盾牌计划”“生物传感计划”等生物计划,2013年发布了为期10年的脑科学研究计划。目前,美国已将军用生物技术列入国家顶层布局,成为美军重点资助和发展的八大战略领域之一。美国陆、海、空三军在《陆军科学规划与战略报告》《海军科技战略规划》《空军科技战略》等规划战略中均将生物技术列为投资重点。美国陆军于2003年成立陆军联合生物技术研究所,专门负责推动陆军生物科技研发,开展合成生物学、认知神经科学等研究。美国国防高级研究计划局(DARPA)从2003年开始在战略规划中将生物技术列为优先发展的重点之一,2014年成立生物技术办公室,统一管理原来分散于各办公室的生物技术项目。该办公室主要对包括从单细胞到复杂的生物系统在内的各种自然机制进行研究,重点研究以下三个方向:一是探索新技术与方法以维持作战人员能力的最大化,并确保作战人员在能力下降时尽可能迅速、充分地恢复能力;二是利用生物系统高度进化的功能性与综合性能力,研发出新产品和系统,以保障国家安全;三是通过更好地理解生物系统内部的动态交互作用,以催生增强机体健康的新方法。


美国国防预先研究局(DARPA)在2014年专门设立了研究生物技术的办公室(BTO)

俄罗斯先期研究基金会是俄罗斯惟一专门从事前沿技术研究的科研组织机构,其将生物化学和医学技术作为重点研究的三大领域之一。在生物与医学领域,该机构开展的项目包括:前沿医学、新型生物材料、仿生学、未来能源以及综合生物体等。


生物化学和医学技术是俄罗斯先期研究基金会重点研究的三大领域之一


生物材料为武器装备提供新的物质基础

军用生物材料主要是针对武器装备中的特殊需要,采用现代生物技术对材料进行改进或加工,能够产生出具有特殊性能的材料。目前,各国研究的生物材料主要有蛋白质纤维、粘合剂、涂料、光电材料等,具有重量轻、强度高、性能特异等特点,多种材料在军事领域具有广阔应用前景。

生物材料在军事领域具有广阔应用前景

2011年2月,英国剑桥大学生物学家发现跳蚤卓越的弹跳能力依赖于节肢弹性蛋白,是现有弹性最强的物质,并且已在实验室里人工合成了这种蛋白;2011年5月,美国莱斯大学、马里兰大学和海洋生物研究所的学者发现了乌贼皮肤上独特的视蛋白,美国海军希望借此制造出新型伪装材料,能用与软体动物皮肤相同的方式看到光线并快速改变颜色;2013年3月,美国能源部阿贡国家实验室研究找到了一种从完整的蜘蛛丝上获取各种弹性成分的途径,未来可用于开发防弹背心、人工腱等多种弹性材料;2013年4月,日本东京大学科学家通过对大闪蝶翅膀碳纳米管结构的研究,研制出一种新型纳米生物复合材料,这种材料比原有碳纳米管加热更快,并表现出极高的导电性,有望在未来应用于可穿戴电子设备、高灵敏度光传感器以及可循环使用的电池产品中。


采用现代生物技术对材料进行改进或加工,能够产生出具有特殊性能的材料

2014年,美国麻省理工学院的研究人员发现牡蛎壳具有抵御多重撞击的技能,有望据此研发坚固透明的新一代玻璃材料以及“透明装甲”,成为新型的防弹材料;麻省理工学院的研究人员通过基因工程培养出一种新型细菌,能够将贻贝分泌出的蛋白质与其自身生物膜分泌出的蛋白质结合在一起,这种混合蛋白具有特殊的黏性,是当前能够在水下直接使用的强度最好的黏合剂,可用于修复舰船裂缝。2015年,墨西哥UAEM大学和Yucatan科研中心合作成功研发了全新的生物材料,试验中该材料能够减少50%的烧伤复原时间,在军人作战烧伤恢复中具有巨大应用价值。

当前研发的生物材料在军事领域具有广阔应用前景


生物电子与计算技术催生新型信息化装备

生物电子学一方面是将电子学用于生物领域,使其研究方式更加精确和科学;另一方面将生命过程中揭示出的许多规律,特别是将生物信息处理的优异特性借鉴于电子和信息学,使电子和信息学发生革命性的变革。生物计算具有生物体的一些特点,如能发挥生物本身的调节机能,自动修复芯片上发生的故障,模仿人脑的机制等,其将突破传统计算机空间、散热、并行等物理极限,有可能掀起军用计算机的一场革命。


近年来,生物电子技术的发展速度明显加快,生物芯片、DNA电路等多项成果问世

近年来,生物电子技术的发展速度明显加快,生物芯片、DNA电路等多项成果问世,为新型电子信息装备的研制奠定了基础。2012年,美国斯坦福大学的研究人员成功使用DNA构建了可擦写数字信号存储器,并开发出能在细胞间传递遗传信息的机制,2013年该团队构建了一种“生物晶体管”,通过它在活细胞内构建出6种基本电路进行逻辑运算,这些发现将为未来创建细胞计算机奠定基础。2013年,美国麻省理工学院和哈佛大学的科学家利用DNA构建出具有独特电子特性的石墨烯纳米结构。2015年,美国哥伦比亚大学的科学家研发出首个生物供能的电脑芯片,它由生物组件和固态电子组件构成,这一成果将引发新一代“半机械”生物芯片的产生。


利用DNA构建出具有独特电子特性的石墨烯纳米结构

生物计算技术在信息安全领域得到了充分重视,基于DNA的计算原理已经在理论上先后破解了多种经典密码体制。2012年2月,美国和以色列学者将DNA计算应用于图像保密通信领域,研制出能加密与破译图像的生物计算系统;2012年5月,英国利兹大学和日本东京农工大学研究利用磁性细菌制造与传统计算机元件类似的微小元件,未来有可能利用这些细菌建造生物计算机。

未来有可能利用细菌建造生物计算机

根据生物学原理设计的仿生计算系统一直受到重视,仿生计算系统具有自学习能力,能够在运行中积累经验,发现数据之间的深层次规律。2014年,美国空军研究实验室授予通用电气公司一份高性能嵌入式计算系统合同,该系统可推动用于自适应学习、大规模动态数据分析和推理的先进神经形态体系结构和算法的开发和部署。美国IBM公司在DARPA“突触”项目的资助下,研制出新一代神经形态计算机芯片“真北”,该芯片包含54亿个晶体管、100万个可编程神经元、2.56亿个可编程突触,形成一个网状结构,是近十年来相关领域研究取得的最重大进展。“真北”芯片将可能给云服务、智能手机、机器人、物联网、超级计算机等多个领域带来重大变革。


美国IBM公司在DARPA“突触”项目的资助下,研制出新一代神经形态计算机芯片“真北”


仿生技术可大幅提高作战能力

军用仿生技术通过模仿生物系统的原理和特异功能,应用到各类装备中去,创造出了全新的技术途径。军用仿生技术的应用不仅能够提高武器装备性能,还能够极大拓展人类能力。“大狗”机器人、“勇士织衣”、仿壁虎攀爬工具等仿生装备可从根本上突破人的物理极限,大幅提升士兵负重、奔跑、攀爬等行动能力,将可能推动作战样式、后勤保障模式等产生革命性变革。


波士顿动力公司开发的“大狗”机器人

在DARPA项目的资助下,由波士顿动力公司研制的“大狗”机器人,可在崎岖山地运送辎重,已经可以通过军队行军70%~80%的地形,试验型号可以背负重达数百千克的装备,大大减轻了士兵负担。此外,波士顿动力公司还开发了“猎豹”“野猫”“阿特拉斯”等仿生机器人。“阿特拉斯”机器人是世界上最先进的人形机器人,能像人类一样用双腿直立行走,能在实时遥控下穿越复杂的地形。美国陆军研究实验室研制的蛇形机器人,具备游泳、攀爬和穿越狭窄区域的能力,能够用于救援、侦察等多种任务。DARPA投资的“Z-Man”项目旨在依据生物学原理研制辅助攀爬工具,以让作战人员可在不使用绳子或梯子的情况下,攀爬用一般建筑材料建造的垂直墙壁,在2014年的测试中,重约98.9千克的攀爬人员携带22.7千克的负重,借助一副手持式、模仿壁虎的“壁虎皮”攀爬板在玻璃墙面上向上、向下攀爬了7.6米。


DARPA模仿壁虎“攀爬皮”开发的“Z-Man”项目

美国海军研制的“间谍水母”可在水下对目标进行持续侦察、监视、探测。美国海军研制的新型无人潜航器—“机器鱼”能像鱼那样通过来回摆动尾鳍前进,是无人驾驶系统技术和独特推进控制技术的有效组合,“机器鱼”无人潜航器的形状和游动方式类似于鲨鱼、金枪鱼等大型鱼类,其长度约为1.2米,重约45千克,能够在水下约0.25~90米处活动。“机器鱼”无人潜航器采用摆动尾巴的方式前进,可保持静音性和较高的推进效率,航速能很快加速到40节。

美国海军研制的“间谍水母”可在水下对目标进行持续侦察、监视、探测

美国马里兰大学研制的轻型高仿真飞行器“机器乌鸦”,质量只有9.7克,翼展0.34米,可携带近6克的有效负荷执行侦察任务。微系统技术的突飞猛进使仿生机械在尺度上大大缩小,微型飞行器将在战场上担负起侦察、目标指示、通信中继等角色。2011年2月,美国亚利桑那大学研发出模仿鸟类及蜜蜂飞行的无人驾驶飞行器,能在空中长久停留,不受气流影响;8月,英国牛津大学学者揭示了昆虫飞行的原理,基于这一原理可以设计出全新的扑翼,用于制造仿昆虫微型飞行器。


英国牛津大学学者揭示了昆虫飞行的原理,基于这一原理可以设计出全新的扑翼,用于制造仿昆虫微型飞行器


生物燃料有望改变传统能源格局

生物燃料技术利用生物质制造含碳的生物燃料,可以减少各类武器装备对石油类燃料的依赖,为保障部队作战提供可替代的能源解决方案。未来,随着生物燃料技术的发展及生产规模的扩大,生物燃料成本已经接近化石燃料,其使用成本也将进一步降低。美国、法国、德国和巴西等国均抢先开展了生物燃料技术研究,并取得了多项突破。


生物燃料技术利用生物质制造含碳的生物燃料

2010年,美国海军部与农业部提出共同研究生物能源以满足海军需求,同时还宣布了海军和海军陆战队的生物能源目标:到2020年,轮船、飞机、坦克、车辆和地上设备总能源消耗的50%为替代能源。2011年,美国总统奥巴马宣布,美国农业部、能源部和美国海军将在未来3年投资5.1亿美元,用于生产替代型航空、航海生物燃料。美国生物燃料技术已经发展到第三代,其安全性、可靠性均已通过实际测试。美国已经完成了在F-22战斗机、“苍鹰”教练机、“火力侦察兵”无人机、1600级通用登陆艇等多型装备上使用生物燃料的试验。当前,美军已经开始在其武器装备中使用一定比例的生物燃料,并计划逐步扩大这一比例。


未来美国海军大绿色舰队对生物燃油的需求


结  语

未来,随着大量生物材料、生物芯片、生物动力、仿生装备的装备与使用,将对军队作战、后勤保障等产生重大影响,有望实现战场作战能力的显著提升,将极大颠覆未来作战模式。


文字来源:《军事文摘》杂志(微信公众号:mildig)

作者:吴勤

责任编辑:彭振忠

转载请注明出处:“电科防务研究”微信公众号(CETC-ETDR)


本期文章由《军事文摘》杂志授权发表,将刊登在2016年第2期(目录如下),敬请关注!


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There isn’t time, so brief is life, for bickerings, apologies, heartburnings, callings to account, there is only time for loving, and but an instant, so to speak, for that.

——Mark Twain

生命如此短暂,没有时间,去争吵、道歉、心伤、斤斤计较。时间只够去爱,遗憾的是那一瞬却稍纵即逝。


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