軍事“納米”：納米機(jī)器人的發(fā)展

劉煥松+于保中

在第一次海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，軍用機(jī)器人、軍用無(wú)人機(jī)第一次獲得公眾的廣泛關(guān)注，此后，這類技術(shù)得到長(zhǎng)足發(fā)展，并出現(xiàn)了微型機(jī)器人、微型無(wú)人機(jī)。

如今，機(jī)器人新生代——納米機(jī)器人登場(chǎng)了——它應(yīng)用于軍隊(duì)、國(guó)土防衛(wèi)、醫(yī)療以及幾乎無(wú)限的其他應(yīng)用領(lǐng)域，但其形體極其微?。簭纳沉４笮〉嚼ハx、蜂鳥、知更鳥大小不等。最小的要算細(xì)微傳感器了，微型傳感器散布在小道、公路、田野之中，互相連接起來(lái)就形成了一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)人員、動(dòng)物或者車輛穿過(guò)這些傳感器聯(lián)成的電子網(wǎng)絡(luò)時(shí)，每個(gè)微型傳感器報(bào)告的信息由一臺(tái)小型監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行匯總、分析處理，然后中繼至一個(gè)指揮所，警示作戰(zhàn)人員監(jiān)視網(wǎng)內(nèi)情況，并可根據(jù)物體大小、速度，甚至質(zhì)量進(jìn)行“最佳猜測(cè)”識(shí)別。

再大一點(diǎn)的傳感器組件，大小從小甲蟲到蜥蜴不等，設(shè)計(jì)有機(jī)械腿或者細(xì)小翅膀或者推進(jìn)器，爬行、飛行、跳躍，乃至滑行，進(jìn)入建筑物、洞穴內(nèi)或者繞至墻壁之后，向操作員提供聲音、視頻、熱量感應(yīng)或其他數(shù)據(jù)。這些信息可以指示出是否有人存在以及人數(shù)，包括在一定距離內(nèi)的狙擊手，以便為進(jìn)攻或者人質(zhì)救援作準(zhǔn)備。此外，這些傳感器機(jī)器人也可裝備各種武器，從小型炸藥到裝有一系列非致命或致命化學(xué)藥品的皮下注射針等應(yīng)有盡有，自主執(zhí)行任務(wù)。

納米技術(shù)的發(fā)展?jié)摿?/h3>

納米技術(shù)涉及到原子級(jí)和分子級(jí)材料，直徑通常小于100納米（一米的十億分之一），具有特殊的電氣特性或化學(xué)特性，可應(yīng)用于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器、半導(dǎo)體、生物技術(shù)、制造工藝、能源、發(fā)電、傳感器等。納米技術(shù)概念可以追溯到1959年諾貝爾獎(jiǎng)得者、美國(guó)理論物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼的一篇關(guān)于小型化的潛在量子效益的論文。不過(guò)，可行的現(xiàn)實(shí)研究在10年之后才成為可能。1960年代末～1970年代初阿爾弗雷德·丘與約翰·亞瑟在貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了分子束磊晶技術(shù)，這使得科學(xué)家可以控制單原子層的沉積，從而最終可以制造納米級(jí)的設(shè)備。

在美國(guó)官方的公開記錄中，1999年3月，國(guó)家科學(xué)基金會(huì)高級(jí)顧問(wèn)、比爾·克林頓總統(tǒng)納米技術(shù)委員會(huì)主席米哈爾·C.洛克博士提出的聯(lián)邦納米技術(shù)倡議，可被認(rèn)為是美國(guó)政府納米技術(shù)工作首次公開亮相。白宮科學(xué)與技術(shù)政策辦公室下屬的科學(xué)與技術(shù)委員會(huì)發(fā)布了由國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)納米科學(xué)、工程設(shè)計(jì)與技術(shù)跨部門工作小組起草的第一份題為《納米結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)》的報(bào)告，成為洛克博士所言的“下一次工業(yè)革命”的真正發(fā)端。之后不久又發(fā)布了《納米技術(shù)研究方向》，2000年2月又發(fā)布了《國(guó)家納米技術(shù)倡議》。

在解釋克林頓政府2001年納米技術(shù)研發(fā)預(yù)算申請(qǐng)?jiān)O(shè)想時(shí)，時(shí)任科學(xué)技術(shù)政策辦公室主任、總統(tǒng)科學(xué)與技術(shù)助理尼爾·F.萊恩說(shuō)：“納米技術(shù)的發(fā)展是化學(xué)、物理、生物、工程、醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等多門學(xué)科發(fā)展的結(jié)果，必將促進(jìn)21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)大軍的跨學(xué)科教育。美國(guó)政府認(rèn)為納米技術(shù)將對(duì)21世紀(jì)初的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)產(chǎn)生深刻影響，也許可與信息技術(shù)、細(xì)胞生物學(xué)、遺傳生物學(xué)與分子生物學(xué)的影響匹敵?！?p>

集“群”式納米機(jī)器人

隨著時(shí)代進(jìn)入21世紀(jì)的第2個(gè)十年，納米技術(shù)的研究已經(jīng)觸及現(xiàn)代生活的方方面面，從計(jì)算機(jī)、通信到醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、軍事。納米技術(shù)的發(fā)展以不同形式、不同程度發(fā)生著巨變。

對(duì)于軍事領(lǐng)域來(lái)說(shuō)尤其如此，納米技術(shù)的應(yīng)用潛力與基于納米技術(shù)的情報(bào)監(jiān)視與偵察、制導(dǎo)與追蹤、敵我識(shí)別、智能武器、精確殺傷、本土與戰(zhàn)區(qū)安全、通信、戰(zhàn)場(chǎng)醫(yī)學(xué)、假肢器官裝補(bǔ)學(xué)等隨時(shí)可以改變軍事生活、戰(zhàn)術(shù)技術(shù)與程序以及作戰(zhàn)方針的幾乎每一個(gè)方面。

納米機(jī)器人制造完成時(shí)不一定是納米級(jí)大小，但其由納米級(jí)部件組成，具有的非凡能力。實(shí)際上，一套基于納米技術(shù)的裝置可以完成B-2轟炸機(jī)與“亞布拉姆”主戰(zhàn)坦克能夠完成的任務(wù)。隨著納米技術(shù)不斷縮小裝備中部件的尺寸，設(shè)計(jì)者需要確定的是縮小最終部件或平臺(tái)的尺寸，還是保持原來(lái)尺寸而安裝更多的傳感器、計(jì)算機(jī)、武器等。

軍用納米技術(shù)中最可能的應(yīng)用是微型化情報(bào)監(jiān)視與偵察，因其產(chǎn)品微小，被稱為“智能沙?！被颉爸悄軌m埃”。這些應(yīng)用產(chǎn)品可以是一粒砂子大小的電子鼻（e-nose），能夠分析當(dāng)時(shí)環(huán)境、識(shí)別化學(xué)成分并向監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)告。最終的監(jiān)測(cè)報(bào)告可以非常全面，因?yàn)槟芫C合來(lái)自成千上萬(wàn)個(gè)電子鼻的數(shù)據(jù)，雖然每個(gè)采樣傳感器泡沫的監(jiān)測(cè)范圍只有幾英寸，但是串聯(lián)起來(lái)可以覆蓋一個(gè)區(qū)域，區(qū)域大小只限定于有多少可用的納米機(jī)器人或稱納米點(diǎn)。

試想，如果一個(gè)由智能沙粒組成的網(wǎng)絡(luò)中有各種不同的傳感器，將每個(gè)傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合，就會(huì)對(duì)一定范圍內(nèi)所發(fā)生的情況形成綜合、精確的實(shí)時(shí)圖像，而敵人卻根本不知道傳感器在哪里，而且對(duì)當(dāng)?shù)鼐用褚矝]有危險(xiǎn)，這樣的方式將為己方展開行動(dòng)具有無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)。

在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)2010年7月的一篇論文中，一個(gè)來(lái)自美國(guó)、俄羅斯、德國(guó)、意大利等國(guó)的科學(xué)家組成的國(guó)際科學(xué)研究小組描述了他們?nèi)绾纬晒Φ刂圃煲桓凹{米帶”——一根單體契型氧化錫納米絲——用來(lái)模仿甚至有可能超過(guò)哺乳動(dòng)物嗅覺系統(tǒng)的功能。

會(huì)飛的納米機(jī)器人

近年來(lái)，美軍在西南亞地區(qū)使用了一系列大多可手持發(fā)射的微型無(wú)人機(jī)，如“彈簧刀”、“蝗蟲”、“阿努比斯”、“烏鴉”等無(wú)人機(jī)，但它們不屬于納米級(jí)別。

當(dāng)前，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局與工業(yè)界正在致力于新一類的納米無(wú)人機(jī)的研制，其大小接近于昆蟲。其中有一種被稱為撲翼飛機(jī)，實(shí)際上就是使用了像昆蟲的撲翼的裝置。其他一些納米無(wú)人機(jī)大部分是微小的直升機(jī)。endprint

在海軍研究生院的一次演講中，空軍研究實(shí)驗(yàn)室航空器部控制論資深科學(xué)家斯瓦·班達(dá)博士，描述了那些“飛墻走壁”的納米無(wú)人機(jī)的研究與應(yīng)用價(jià)值，那些納米無(wú)人機(jī)“不引人注目、會(huì)閃避、廉價(jià)但能干、可快速反應(yīng)、能持續(xù)行動(dòng)而且有昆蟲般的靈敏性。”

納米飛行機(jī)器人最大的限制和頭號(hào)挑戰(zhàn)是比控制更難的機(jī)體的推進(jìn)，需要尋找一個(gè)途徑將越來(lái)越多的機(jī)上用電裝到越來(lái)越小的電池中。使用目前的電源，充其量不過(guò)讓小型無(wú)人機(jī)飛行幾分鐘，而我們卻需要讓它們工作數(shù)小時(shí)。另一個(gè)較大的挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)可控的穩(wěn)定的撲翼飛行。

在懸停、有限電量和輕量化的限制條件下，很難制造出像鳥類和昆蟲這樣高度機(jī)動(dòng)的仿生微型無(wú)人機(jī)。這需要非常復(fù)雜的算法，并使越來(lái)越大的機(jī)上信息處理裝置小型化。到2015年時(shí)，美國(guó)擬將能夠制造出對(duì)大規(guī)模殺傷武器偵測(cè)的鳥類大小的小型無(wú)人機(jī)。到2030年，一個(gè)非常雄心勃勃的目標(biāo)是制造出昆蟲大小的微型無(wú)人機(jī)，具有對(duì)大規(guī)模殺傷武器偵測(cè)、跟蹤和目標(biāo)鎖定能力，可以在對(duì)付智能對(duì)手的競(jìng)爭(zhēng)性環(huán)境中單獨(dú)或者群集執(zhí)行任務(wù)。

開發(fā)中的納米機(jī)器人技術(shù)

目前，賓夕法尼亞大學(xué)正在一個(gè)稱為“自主機(jī)器人與移動(dòng)傳感器可重組集群”的項(xiàng)目中研究這種平臺(tái)的應(yīng)用。維杰·庫(kù)馬爾教授稱，項(xiàng)目集中了人工智能、控制論、機(jī)器人技術(shù)、系統(tǒng)工程以及自然群集行為生物學(xué)方面的專家，其目的是要將受生物啟發(fā)的群集行為運(yùn)用于工程系統(tǒng)中。

在美國(guó)乃至與各國(guó)合作的大學(xué)試驗(yàn)室里，研究中的各種納米技術(shù)顯示了其巨大的潛力。這些納米技術(shù)及器件包括：

自體愈合金屬

納米結(jié)構(gòu)材料，比鋁合金結(jié)實(shí)10倍，設(shè)計(jì)用于“自體愈合”裂紋、彈孔等，目前正在由威斯康星州密爾沃基大學(xué)在美國(guó)陸軍120萬(wàn)美元的資助下開展研究。

核酸機(jī)器人

合成的納米級(jí)裝置，如“DNA漫步者”，參與研究工作的有紐約大學(xué)、加州理工學(xué)院、杜克大學(xué)、普渡大學(xué)以及牛津大學(xué)。

定位納米裝配技術(shù)

來(lái)自4個(gè)國(guó)家10個(gè)機(jī)構(gòu)的23名研究人員集中開發(fā)定位控制鉆石機(jī)械合成技術(shù)，包括建立一個(gè)能夠制造鉆石形醫(yī)療納米機(jī)器人的納米工廠。

仿蛇機(jī)器人

軍用領(lǐng)域的研究重點(diǎn)大部分放在可以飛行、盤旋、爬行、跳躍、步行等的機(jī)器人上。當(dāng)前，納米技術(shù)可能帶來(lái)重大進(jìn)步的一個(gè)方面是“身體波動(dòng)”，即蛇的移動(dòng)方式。例如，馬里蘭大學(xué)的研究人員相信這種移動(dòng)方式“在某些情況下也許要比通常的有腿移動(dòng)或輪式移動(dòng)設(shè)計(jì)具有更重要的意義。”試想，納米伺服器、納米液壓裝置、納米電源以及納米傳感器——所有這些裝入一個(gè)大小從作戰(zhàn)地帶土生土長(zhǎng)的大型蛇到小至蚯蚓的機(jī)器人中——對(duì)作戰(zhàn)人員特別是特種作戰(zhàn)部隊(duì)非常有幫助。但是，制造起伏波動(dòng)式移動(dòng)的機(jī)器人面臨更多難題。

開源納米生物技術(shù)

繼采用有助于加快計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的開源結(jié)構(gòu)之后，一種運(yùn)用于納米技術(shù)的類似方法已提交聯(lián)合國(guó)，作為加速發(fā)展納米機(jī)器人的途徑。提議者稱，按倫理習(xí)慣，將開源結(jié)構(gòu)應(yīng)用于納米生物技術(shù)為后代建成一種“人類遺產(chǎn)”，可以加速和平發(fā)展。與此同時(shí)，軍隊(duì)已經(jīng)采用開放式體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)加快新的能力添加進(jìn)入并運(yùn)行于傳統(tǒng)的平臺(tái)中，這一途徑將大大加快納米技術(shù)在跨越多種軍事系統(tǒng)與設(shè)備之間運(yùn)用的速度。

如同1960年代和1970年代美國(guó)與蘇聯(lián)之間的“太空競(jìng)賽”加速了從計(jì)算機(jī)技術(shù)到微波技術(shù)再到陶瓷技術(shù)的發(fā)展那樣，一場(chǎng)發(fā)展納米技術(shù)能力的全球競(jìng)賽將會(huì)極大地推動(dòng)納米技術(shù)的發(fā)展。

尤其是美國(guó)工業(yè)界早已行動(dòng)起來(lái)，他們或單獨(dú)或合作將納米技術(shù)運(yùn)用于多種產(chǎn)品中；醫(yī)學(xué)界也提出了多種運(yùn)用納米技術(shù)的治療方法；政府向大學(xué)與實(shí)驗(yàn)室投入了數(shù)十億美元來(lái)開發(fā)新的納米技術(shù)；金融機(jī)構(gòu)正在對(duì)納米技術(shù)研究進(jìn)行戰(zhàn)略性投資，希望從未來(lái)納米機(jī)器人的商業(yè)化中獲利。在谷歌中搜索“nanotech patent”（納米技術(shù)專利），會(huì)返回一百萬(wàn)條結(jié)果，反映出納米技術(shù)研發(fā)的速度與范圍。

以醫(yī)學(xué)為例，納米技術(shù)的應(yīng)用包括針對(duì)體內(nèi)特定細(xì)胞的靶向藥物傳輸系統(tǒng)、生物醫(yī)療手術(shù)器械，以及改變藥物代謝動(dòng)力學(xué)（研究身體對(duì)藥物的反應(yīng)）與藥效學(xué)（研究藥物對(duì)身體的反應(yīng)）性質(zhì)技術(shù)。

在未來(lái)的醫(yī)療應(yīng)用中，非自我復(fù)制的納米機(jī)器人將注射進(jìn)患者身體，以修復(fù)細(xì)胞或者預(yù)防細(xì)胞損傷。雖然這種能力目前仍處于理論研究階段，但納米技術(shù)發(fā)展的速度會(huì)在10年之內(nèi)就將其交到醫(yī)生手中。這種快速的細(xì)胞級(jí)療法在很多方面可能會(huì)產(chǎn)生明顯的好處，如戰(zhàn)場(chǎng)上處理戰(zhàn)士傷口、治療民眾疾患。

納米技術(shù)更廣泛的軍事應(yīng)用

今天的地面作戰(zhàn)士兵所面臨的最大問(wèn)題之一是，沒有足夠的電池與充電設(shè)備來(lái)完成一個(gè)不確定時(shí)長(zhǎng)的任務(wù)，而他們需要使所有廢電池可以重新使用而不是就地處置。

2010年，位于俄亥俄州的納米技術(shù)設(shè)備公司研究人員展示了一種打破所有蓄電和再充電記錄的基于納米石墨烯的超級(jí)電容器。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人博爾·詹稱，該設(shè)備可以儲(chǔ)存相當(dāng)于一塊鎳氫電池的電量，但再充電只需幾秒鐘時(shí)間。另外，其單位能量密度達(dá)到至今各類電池的最高能量值。

此外，研究人員正在研制一種納米材料，這種材料可以用作輕便的個(gè)人防護(hù)服。這種織物鑲嵌有靈敏的納米機(jī)器人，可以在戰(zhàn)場(chǎng)上自我修復(fù)，并對(duì)天氣變化作出反應(yīng)，當(dāng)需要為作戰(zhàn)人員降溫或者加溫時(shí)即從多孔透氣與無(wú)孔不透氣之間轉(zhuǎn)換。這種材料輕便、結(jié)實(shí)、耐火，防化學(xué)、生物與放射性物質(zhì)，防水并且吸濕。

由于有靈敏的納米機(jī)器人遍布整個(gè)作戰(zhàn)服，還可以讓其中一些納米機(jī)器人來(lái)給作戰(zhàn)人員的裝備供電，而這些裝備本身也由于納米技術(shù)而變得更輕和更通用。這些裝備可能包括班內(nèi)通信和遠(yuǎn)距離通信裝置、頭盔式視頻顯示器、足夠滿足任何任務(wù)（或者個(gè)人）需求的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存裝置，以及望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、紅外裝置和全色譜瞄準(zhǔn)鏡等專用圖像增強(qiáng)裝置。此外，還可能包括與外部傳感器如智能砂粒、昆蟲大小的無(wú)人機(jī)/無(wú)人車等的集成裝置，加上數(shù)據(jù)融合，可為作戰(zhàn)人員提供對(duì)任務(wù)成功和個(gè)人生存至關(guān)重要的實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)感知信息。

與此同時(shí)，國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局也正在尋求納米技術(shù)如何運(yùn)用于人工智能的開發(fā)中。如果真正的人工智能的關(guān)鍵是復(fù)制人類大腦，它擁有約1千億個(gè)神經(jīng)元和100萬(wàn)億個(gè)神經(jīng)鍵，那么納米技術(shù)是至關(guān)重要的智能技術(shù)。人工智能的關(guān)鍵是憶阻器，它是一種新的納米級(jí)電路元件，是一種具有記憶能力的電阻，即使沒有外在電源，仍然可以長(zhǎng)期保留資訊。憶阻器與大腦神經(jīng)元行為存在毋庸置疑的相似性，憶阻器對(duì)于國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局在芯片上模擬大腦中神經(jīng)元處理信息的“模塊化神經(jīng)探索搜索主體”項(xiàng)目非常重要。

國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的另一相關(guān)項(xiàng)目稱為“神經(jīng)形態(tài)自適應(yīng)塑料可伸縮電子系統(tǒng)”，其旨在提供一種與大腦神經(jīng)元和神經(jīng)鍵相當(dāng)?shù)碾娮友b置，帶有促使更快存儲(chǔ)與計(jì)算能力可能達(dá)到人工智能水平的憶阻器。

納米技術(shù)應(yīng)用展望

從應(yīng)用的范圍和潛力方面講，無(wú)論是軍用還是民用，納米技術(shù)的未來(lái)是不可估量的，正如美國(guó)阿拉巴馬大學(xué)納米材料研究小組主任尼迪·喬普拉教授在其論文《研制下一代納米級(jí)異晶結(jié)構(gòu)》中的總結(jié)：

“由于其不同的功能，高表面積與體積比，納米結(jié)構(gòu)對(duì)于化學(xué)和生物傳感器、醫(yī)療設(shè)備、觸媒、光電材料和納米元件非常重要。多種材料選擇加上不同的合成策略，產(chǎn)生了不同形態(tài)的納米材料，如納米級(jí)薄膜、納米線、納米管、納米帶、納米粒子、和納米多孔結(jié)構(gòu)等?！?/p>

“這種多功能的和多成分分層的異晶結(jié)構(gòu)是非常有用的，必將在許多方面影響我們的生活，從汽車到納米電子技術(shù)。”