顛覆未來作戰的前沿技術系列之軍用生物技術

吳勤

軍用生物技術是將現代生物技術應用到軍事技術領域的一門綜合性交叉技術，涉及軍事、生物、物理、材料、信息等諸多學科。軍用生物技術通過借鑒和利用生物眾多優異結構和特殊的功能，將為武器裝備實現跨越式創新發展提供新的源泉，已成為武器裝備變革的重要推動力量，并在不斷催生新的作戰樣式和作戰理念。近年來，以美國為代表的世界軍事強國高度重視軍用生物技術的發展，已在生物材料、仿生裝備、生物計算、生物燃料等多個領域取得重大突破。

DARPA生物技術辦公室宣傳圖片

生物技術成為新的戰略制高點

翻開歷史畫卷不難發現，變革人類戰爭樣式的眾多重大發明均與生物學的發展進步休戚相關。例如，基于對鳥類翅膀的解析，人類設計出飛行器翼型，不斷促進作戰飛機的進化;通過模仿蝙蝠超聲定位，人類發明了雷達技術，使“千里眼”不再是神話;借鑒海豚超聲波探測，人類發明了聲吶技術，能夠洞察水下世界。軍用生物技術的發展，將使武器操作、戰場指揮、通信和后勤保障等發生質的變化和躍升，將成為軍事技術的制高點，為傳統武器裝備發展提供新的動力，主要包括：軍用生物技術與武器裝備融合;軍用生物技術將帶來新的武器操作模式，推動武器裝備向“腦-機結合”方向發展;借鑒和利用生物眾多的優異結構和特殊的功能，將為武器裝備實現跨越式創新發展提供新的源泉;軍用生物技術將提高戰場信息感知和處理能力，為軍隊后勤保障提供新的方法。

近年來，世界各國迎來一次生物技術發展的浪潮，產生了一批具有軍事應用前景的顛覆性產品和技術。例如，新型神經形態芯片的研制令人類向認知計算時代邁進了一大步;生物電池、牡蠣殼結構護甲、生物粘合劑等生物材料制造的產品，展現出遠超現有產品的優越性能;自組織機器人、商用仿生假肢、仿生潛航器、復眼相機等仿生裝備與產品，能夠擴展軍事任務執行能力;生物燃料成功支持軍用與商用飛機試飛，是能源領域的重大突破。

美俄等國高度重視軍用生物技術及其應用的研究，在技術開發、機構設置、研究計劃以及經費等多個方面積極發展并推進其軍事化應用。

近年來，美國實施了“生物監測計劃”“生物盾牌計劃”“生物傳感計劃”等生物計劃，2013年發布了為期10年的腦科學研究計劃。目前，美國已將軍用生物技術列入國家頂層布局，成為美軍重點資助和發展的八大戰略領域之一。美國陸、海、空三軍在《陸軍科學規劃與戰略報告》《海軍科技戰略規劃》《空軍科技戰略》等規劃戰略中均將生物技術列為投資重點。美國陸軍于2003年成立陸軍聯合生物技術研究所，專門負責推動陸軍生物科技研發，開展合成生物學、認知神經科學等研究。美國國防高級研究計劃局（DARPA）從2003年開始在戰略規劃中將生物技術列為優先發展的重點之一，2014年成立生物技術辦公室，統一管理原來分散于各辦公室的生物技術項目。該辦公室主要對包括從單細胞到復雜的生物系統在內的各種自然機制進行研究，重點研究以下三個方向：一是探索新技術與方法以維持作戰人員能力的最大化，并確保作戰人員在能力下降時盡可能迅速、充分地恢復能力;二是利用生物系統高度進化的功能性與綜合性能力，研發出新產品和系統，以保障國家安全;三是通過更好地理解生物系統內部的動態交互作用，以催生增強機體健康的新方法。

采用軍用生物技術的培養皿

俄羅斯先期研究基金會是俄羅斯惟一專門從事前沿技術研究的科研組織機構，其將生物化學和醫學技術作為重點研究的三大領域之一。在生物與醫學領域，該機構開展的項目包括：前沿醫學、新型生物材料、仿生學、未來能源以及綜合生物體等。

生物材料為武器裝備提供新的物質基礎

軍用生物材料主要是針對武器裝備中的特殊需要，采用現代生物技術對材料進行改進或加工，能夠產生出具有特殊性能的材料。目前，各國研究的生物材料主要有蛋白質纖維、粘合劑、涂料、光電材料等，具有重量輕、強度高、性能特異等特點，多種材料在軍事領域具有廣闊應用前景。

2011年2月，英國劍橋大學生物學家發現跳蚤卓越的彈跳能力依賴于節肢彈性蛋白，是現有彈性最強的物質，并且已在實驗室里人工合成了這種蛋白;2011年5月，美國萊斯大學、馬里蘭大學和海洋生物研究所的學者發現了烏賊皮膚上獨特的視蛋白，美國海軍希望借此制造出新型偽裝材料，能用與軟體動物皮膚相同的方式看到光線并快速改變顏色;2013年3月，美國能源部阿貢國家實驗室研究找到了一種從完整的蜘蛛絲上獲取各種彈性成分的途徑，未來可用于開發防彈背心、人工腱等多種彈性材料;2013年4月，日本東京大學科學家通過對大閃蝶翅膀碳納米管結構的研究，研制出一種新型納米生物復合材料，這種材料比原有碳納米管加熱更快，并表現出極高的導電性，有望在未來應用于可穿戴電子設備、高靈敏度光傳感器以及可循環使用的電池產品中。

穿有生物偽裝衣的士兵

2014年，美國麻省理工學院的研究人員發現牡蠣殼具有抵御多重撞擊的技能，有望據此研發堅固透明的新一代玻璃材料以及“透明裝甲”，成為新型的防彈材料;麻省理工學院的研究人員通過基因工程培養出一種新型細菌，能夠將貽貝分泌出的蛋白質與其自身生物膜分泌出的蛋白質結合在一起，這種混合蛋白具有特殊的黏性，是當前能夠在水下直接使用的強度最好的黏合劑，可用于修復艦船裂縫。2015年，墨西哥UAEM大學和Yucatan科研中心合作成功研發了全新的生物材料，試驗中該材料能夠減少50%的燒傷復原時間，在軍人作戰燒傷恢復中具有巨大應用價值。

生物電子與計算技術催生新型信息化裝備

生物電子學一方面是將電子學用于生物領域，使其研究方式更加精確和科學;另一方面將生命過程中揭示出的許多規律，特別是將生物信息處理的優異特性借鑒于電子和信息學，使電子和信息學發生革命性的變革。生物計算具有生物體的一些特點，如能發揮生物本身的調節機能，自動修復芯片上發生的故障，模仿人腦的機制等，其將突破傳統計算機空間、散熱、并行等物理極限，有可能掀起軍用計算機的一場革命。

近年來，生物電子技術的發展速度明顯加快，生物芯片、DNA電路等多項成果問世，為新型電子信息裝備的研制奠定了基礎。2012年，美國斯坦福大學的研究人員成功使用DNA構建了可擦寫數字信號存儲器，并開發出能在細胞間傳遞遺傳信息的機制，2013年該團隊構建了一種“生物晶體管”，通過它在活細胞內構建出6種基本電路進行邏輯運算，這些發現將為未來創建細胞計算機奠定基礎。2013年，美國麻省理工學院和哈佛大學的科學家利用DNA構建出具有獨特電子特性的石墨烯納米結構。2015年，美國哥倫比亞大學的科學家研發出首個生物供能的電腦芯片，它由生物組件和固態電子組件構成，這一成果將引發新一代“半機械”生物芯片的產生。

披掛偽裝網的美軍M1A1主戰坦克

生物計算技術在信息安全領域得到了充分重視，基于DNA的計算原理已經在理論上先后破解了多種經典密碼體制。2012年2月，美國和以色列學者將DNA計算應用于圖像保密通信領域，研制出能加密與破譯圖像的生物計算系統;2012年5月，英國利茲大學和日本東京農工大學研究利用磁性細菌制造與傳統計算機元件類似的微小元件，未來有可能利用這些細菌建造生物計算機。

根據生物學原理設計的仿生計算系統一直受到重視，仿生計算系統具有自學習能力，能夠在運行中積累經驗，發現數據之間的深層次規律。2014年，美國空軍研究實驗室授予通用電氣公司一份高性能嵌入式計算系統合同，該系統可推動用于自適應學習、大規模動態數據分析和推理的先進神經形態體系結構和算法的開發和部署。美國IBM公司在DARPA“突觸”項目的資助下，研制出新一代神經形態計算機芯片“真北”，該芯片包含54億個晶體管、100萬個可編程神經元、2.56億個可編程突觸，形成一個網狀結構，是近十年來相關領域研究取得的最重大進展。“真北”芯片將可能給云服務、智能手機、機器人、物聯網、超級計算機等多個領域帶來重大變革。

仿生技術可大幅提高作戰能力

軍用仿生技術通過模仿生物系統的原理和特異功能，應用到各類裝備中去，創造出了全新的技術途徑。軍用仿生技術的應用不僅能夠提高武器裝備性能，還能夠極大拓展人類能力。“大狗”機器人、“勇士織衣”、仿壁虎攀爬工具等仿生裝備可從根本上突破人的物理極限，大幅提升士兵負重、奔跑、攀爬等行動能力，將可能推動作戰樣式、后勤保障模式等產生革命性變革。

基于人腦特征的全新計算架構腦控機器示意圖

在DARPA項目的資助下，由波士頓動力公司研制的“大狗”機器人，可在崎嶇山地運送輜重，已經可以通過軍隊行軍70%～80%的地形，試驗型號可以背負重達數百千克的裝備，大大減輕了士兵負擔。此外，波士頓動力公司還開發了“獵豹”“野貓”“阿特拉斯”等仿生機器人。“阿特拉斯”機器人是世界上最先進的人形機器人，能像人類一樣用雙腿直立行走，能在實時遙控下穿越復雜的地形。美國陸軍研究實驗室研制的蛇形機器人，具備游泳、攀爬和穿越狹窄區域的能力，能夠用于救援、偵察等多種任務。DARPA投資的“Z-Man”項目旨在依據生物學原理研制輔助攀爬工具，以讓作戰人員可在不使用繩子或梯子的情況下，攀爬用一般建筑材料建造的垂直墻壁，在2014年的測試中，重約98.9千克的攀爬人員攜帶22.7千克的負重，借助一副手持式、模仿壁虎的“壁虎皮”攀爬板在玻璃墻面上向上、向下攀爬了7.6米。

美國海軍研制的“間諜水母”可在水下對目標進行持續偵察、監視、探測。美國海軍研制的新型無人潛航器—“機器魚”能像魚那樣通過來回擺動尾鰭前進，是無人駕駛系統技術和獨特推進控制技術的有效組合，“機器魚”無人潛航器的形狀和游動方式類似于鯊魚、金槍魚等大型魚類，其長度約為1.2米，重約45千克，能夠在水下約0.25～90米處活動。“機器魚”無人潛航器采用擺動尾巴的方式前進，可保持靜音性和較高的推進效率，航速能很快加速到40節。

波士頓動力公司的“大狗”機器人

美國馬里蘭大學研制的輕型高仿真飛行器“機器烏鴉”，質量只有9.7克，翼展0.34米，可攜帶近6克的有效負荷執行偵察任務。微系統技術的突飛猛進使仿生機械在尺度上大大縮小，微型飛行器將在戰場上擔負起偵察、目標指示、通信中繼等角色。2011年2月，美國亞利桑那大學研發出模仿鳥類及蜜蜂飛行的無人駕駛飛行器，能在空中長久停留，不受氣流影響;8月，英國牛津大學學者揭示了昆蟲飛行的原理，基于這一原理可以設計出全新的撲翼，用于制造仿昆蟲微型飛行器。

生物燃料有望改變傳統能源格局

生物燃料技術利用生物質制造含碳的生物燃料，可以減少各類武器裝備對石油類燃料的依賴，為保障部隊作戰提供可替代的能源解決方案。未來，隨著生物燃料技術的發展及生產規模的擴大，生物燃料成本已經接近化石燃料，其使用成本也將進一步降低。美國、法國、德國和巴西等國均搶先開展了生物燃料技術研究，并取得了多項突破。

2010年，美國海軍部與農業部提出共同研究生物能源以滿足海軍需求，同時還宣布了海軍和海軍陸戰隊的生物能源目標：到2020年，輪船、飛機、坦克、車輛和地上設備總能源消耗的50%為替代能源。2011年，美國總統奧巴馬宣布，美國農業部、能源部和美國海軍將在未來3年投資5.1億美元，用于生產替代型航空、航海生物燃料。美國生物燃料技術已經發展到第三代，其安全性、可靠性均已通過實際測試。美國已經完成了在F-22戰斗機、“蒼鷹”教練機、“火力偵察兵”無人機、1600級通用登陸艇等多型裝備上使用生物燃料的試驗。當前，美軍已經開始在其武器裝備中使用一定比例的生物燃料，并計劃逐步擴大這一比例。

結語

未來，隨著大量生物材料、生物芯片、生物動力、仿生裝備的裝備與使用，將對軍隊作戰、后勤保障等產生重大影響，有望實現戰場作戰能力的顯著提升，將極大顛覆未來作戰模式。

責任編輯：彭振忠