超前謀劃能力“孵化器”搶占前沿技術(shù)制高點(diǎn)
——2016年世界前沿科技發(fā)展回顧

吳 勤

超前謀劃能力“孵化器”搶占前沿技術(shù)制高點(diǎn)
——2016年世界前沿科技發(fā)展回顧

吳 勤

2016年，世界前沿科技探索取得了重要進(jìn)展，在腦和認(rèn)知、新材料、人工智能、光量子等領(lǐng)域，更高智能、更快速度、更大容量、更低功耗、更小尺寸、更深融合的顛覆性創(chuàng)新和群體性技術(shù)突破不斷涌現(xiàn)，正在深刻影響未來國防科技與武器裝備發(fā)展。

世界主要軍事強(qiáng)國繼續(xù)高度重視國防前沿科技發(fā)展，制定戰(zhàn)略規(guī)劃，超前部署方向，加大投入力度，創(chuàng)新發(fā)展模式，以保持其優(yōu)勢(shì)與發(fā)展后勁。

謀劃新的技術(shù)方向

積極規(guī)劃發(fā)展方向。美國發(fā)布了《21世紀(jì)國家安全科技與創(chuàng)新戰(zhàn)略》《聯(lián)合作戰(zhàn)環(huán)境2035》等戰(zhàn)略文件，預(yù)判未來軍事技術(shù)發(fā)展面臨的環(huán)境和重點(diǎn)方向；美國科學(xué)與技術(shù)委員會(huì)發(fā)布《人工智能研究與發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃》；在“第三次抵消戰(zhàn)略”下，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）重點(diǎn)圍繞復(fù)雜系統(tǒng)、信息爆炸、技術(shù)突襲等推進(jìn)顛覆性技術(shù)發(fā)展。日本防衛(wèi)省發(fā)布了《防衛(wèi)技術(shù)戰(zhàn)略》，明確了未來20年18個(gè)領(lǐng)域的軍事技術(shù)方向，提出了無人技術(shù)、智能與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、定向能技術(shù)等改變游戲規(guī)則的技術(shù)領(lǐng)域。歐盟委員會(huì)發(fā)布《量子宣言》，提出2018年啟動(dòng)總額10億歐元的“量子技術(shù)旗艦”計(jì)劃。英國國防部宣布推出為期10年的創(chuàng)新計(jì)劃，研究前沿國防技術(shù)、應(yīng)對(duì)未來挑戰(zhàn)。

借眾智促前沿創(chuàng)新。2016年3月，美國“國防創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)小組”為陸軍舉辦賽博創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽；美國航空航天局（NASA）舉辦了“突破、創(chuàng)新和改變游戲規(guī)則”創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽決賽和首屆太空機(jī)器人挑戰(zhàn)賽；8月，美國陸軍舉辦第三屆創(chuàng)新峰會(huì)與“瘋狂科學(xué)家”討論會(huì)，進(jìn)一步擴(kuò)大與工業(yè)界和學(xué)術(shù)界之間的協(xié)作。俄羅斯航天國家公司和先期研究基金會(huì)開展了系列競賽，挑選從事顛覆性技術(shù)研究的青年學(xué)者和專家，組建航天前沿技術(shù)青年實(shí)驗(yàn)室，以確保未來航天活動(dòng)中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

捕捉商業(yè)技術(shù)機(jī)遇。美國國防部長卡特就任后已經(jīng)四次造訪硅谷，參加多次商業(yè)創(chuàng)新會(huì)議，顯示了對(duì)商業(yè)技術(shù)的重視程度。2015年7月和2016年7月，美國國防部先后在硅谷和波士頓兩大商業(yè)創(chuàng)新生態(tài)圈設(shè)立“國防創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)”，以銜接軍方與企業(yè)，加速商業(yè)技術(shù)的國防轉(zhuǎn)化應(yīng)用。2016年3月，美國防部組建了由商業(yè)創(chuàng)新領(lǐng)袖組成的國防創(chuàng)新咨詢委員會(huì)，旨在將商業(yè)部門的創(chuàng)新人員和機(jī)構(gòu)融入國防領(lǐng)域。DARPA啟動(dòng)了“Improv”項(xiàng)目，重點(diǎn)識(shí)別能帶來顛覆性變革的商業(yè)技術(shù)。

形成新的技術(shù)能力

新材料方面，美國和德國科學(xué)家聯(lián)合開發(fā)了一種更加節(jié)能、可永久儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的相變材料，在執(zhí)行特定操作時(shí)速度比現(xiàn)有存儲(chǔ)器快1000倍。美國科研人員研發(fā)出一種柔性、可伸縮、具有調(diào)諧選擇性的超材料，在隱身飛機(jī)、電磁屏蔽等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用前景。華盛頓州立大學(xué)開發(fā)出可在光和熱的作用下改變形狀，具有形狀記憶、光激活及自修復(fù)能力的多功能“智能”材料。加拿大科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)材料中的電子云可以對(duì)齊并按照某個(gè)方向有序排列，即呈現(xiàn)向列相，這一新發(fā)現(xiàn)有助于懸浮列車和超級(jí)計(jì)算機(jī)等技術(shù)的研發(fā)。美國麻省理工學(xué)院和NASA科學(xué)家開發(fā)出一種可變形的超輕符合材料機(jī)翼，重量是傳統(tǒng)機(jī)翼的十分之一。

石墨烯的應(yīng)用研究繼續(xù)取得新的進(jìn)展，其潛力和價(jià)值不斷展現(xiàn)。美國倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室通過在氣凝膠電極石墨層間加入鋰離子和高氯酸根離子，發(fā)明了一種使3D打印石墨烯超級(jí)電容器性能提高一倍的方法。劍橋等多所大學(xué)的科學(xué)家聯(lián)合將石墨烯集成進(jìn)硅光電子電路，為硅基光電探測提供了簡單的解決方案。英國曼徹斯特大學(xué)的科學(xué)家使用石墨烯等離子體的特性開發(fā)了一款可調(diào)諧太赫茲激光器，改變了現(xiàn)有太赫茲激光器只能固定一個(gè)波長的限制。瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種通過功能化石墨烯納米薄片高效冷卻電子器件的技術(shù)，有助于開發(fā)出更小更節(jié)能的電子信息裝備。美國麻省理工學(xué)院將兩種晶格大小不一致的二硫化鉬和石墨烯集成在一層上，將有助于研制功能更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)。

無人集群技術(shù)持續(xù)進(jìn)行演示驗(yàn)證，未來將形成以無人蜂群式攻擊為代表的新型作戰(zhàn)能力。在無人機(jī)集群方面，美國空軍通過F-16戰(zhàn)斗機(jī)在指定空域進(jìn)行了快速布撒大量微型無人機(jī)的試驗(yàn)。在海上無人系統(tǒng)集群方面，波音公司為美海軍研發(fā)的“回聲航行者”“傳感器寄宿自主遠(yuǎn)程艇”等項(xiàng)目取得了新進(jìn)展，將對(duì)未來海上區(qū)域監(jiān)視產(chǎn)生重大影響；美國海軍年內(nèi)對(duì)集群式無人水面艦艇相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了多次演示驗(yàn)證。美喬治亞理工學(xué)院開發(fā)出新算法，可使多個(gè)機(jī)器人在彼此距離數(shù)厘米的范圍內(nèi)移動(dòng)且不會(huì)發(fā)生碰撞，以支持類似“蜂群”的無人系統(tǒng)自主協(xié)同作戰(zhàn)。

新型器件發(fā)展取得重要突破，一批超越現(xiàn)有能力的存儲(chǔ)器、處理器等問世，將推動(dòng)信息技術(shù)的躍升。美國哥倫比亞大學(xué)研制出首個(gè)同時(shí)同頻全雙工射頻通信元件，有望使無線射頻通信能力提高一倍，在雷達(dá)、通信等領(lǐng)域應(yīng)用后將極大提升裝備效能。美國加州大學(xué)在DARPA資助下研制出全球首個(gè)芯片級(jí)光頻合成器，在光頻梳技術(shù)上取得重大突破，該技術(shù)應(yīng)用后可將現(xiàn)有授時(shí)精度提高3個(gè)數(shù)量級(jí)，將對(duì)定位導(dǎo)航、激光通信等領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。荷蘭的研究團(tuán)隊(duì)將存儲(chǔ)器密度提高到目前最好商業(yè)硬盤的500倍，這種存儲(chǔ)密度能把人類目前為止創(chuàng)作的所有書籍都寫到一張郵票上。美國洛·馬公司成功研制出新型微流體散熱片，較傳統(tǒng)芯片冷卻效果提升6倍，可大幅提升集成電路散熱能力。美國麻省理工學(xué)院和快速電容公司合作開發(fā)出一種新型超級(jí)電容器，存儲(chǔ)能量和能量密度均達(dá)到現(xiàn)有水平的10倍。美國愛荷華州立大學(xué)科學(xué)家研制出一種新型實(shí)用瞬態(tài)電池，其自毀速度在原有基礎(chǔ)上大幅提升，這一突破將使研發(fā)自毀型電子器件成為可能。美國威斯康星大學(xué)的料學(xué)家成功研制出性能首次超越硅晶體管和砷化鎵晶體管的碳納米晶體管，將促進(jìn)碳納米管在邏輯電路、高速無線通信和其他半導(dǎo)體電子器件領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

拓展新的技術(shù)途徑

先進(jìn)制造技術(shù)在增材制造、特種工藝、智能組裝等方面有新的突破，將開辟新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造途徑。軌道ATK公司成功試驗(yàn)了3D打印制造的高超聲速發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室；美國休斯實(shí)驗(yàn)室使用3D打印方法制造出超強(qiáng)陶瓷材料，不僅可擁有復(fù)雜的形狀，還能耐受超過1700攝氏度的高溫；美國哈佛大學(xué)研究人員利用3D打印出世界首個(gè)全柔性自主機(jī)器人。在美國將3D打印機(jī)送入國際空間站后，俄羅斯研究人員也宣布制成了該國首臺(tái)太空3D打印機(jī)樣機(jī)，計(jì)劃在進(jìn)一步完善后，在2018年送入國際空間站進(jìn)行測試。美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室研究人員使用電子束光刻蝕模式，直接將多個(gè)分子模式自組裝到單一材料上，實(shí)現(xiàn)了自組裝概念的重要突破，將改變電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造途徑。美國德克薩斯大學(xué)的研究人員首次演示了利用莫爾紋納米球光刻技術(shù)制備大面積可調(diào)石墨烯超穎表面的方法。

新能源方面，美海軍從海水中提取二氧化碳和氫氣的技術(shù)已發(fā)展至第二代，每日產(chǎn)量可供合成1加侖液態(tài)碳?xì)浠衔锶剂?。美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家首次證明了使用太陽熱光伏設(shè)備，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率可突破理論限制。美國斯坦福大學(xué)科學(xué)家設(shè)計(jì)出一種鈣鈦礦太陽能電池驅(qū)動(dòng)的光解水復(fù)合體系，利用該方法后光到氫的能源轉(zhuǎn)換效率有望提升到新高度，為獲取綠色氫能源提供一個(gè)重要途徑。新型太陽能電池發(fā)展迅速，美國科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了小分子有機(jī)太陽能電池效率近50%的增長，麻省理工學(xué)院開發(fā)出一種超輕、超薄的柔性太陽能電池。美國哈佛大學(xué)開發(fā)出一種人工仿生葉，能“吃”進(jìn)二氧化碳產(chǎn)出生物乙醇，效率比自然光合作用高出10倍。加拿大多倫多大學(xué)科學(xué)家利用硅將二氧化碳轉(zhuǎn)換成高能燃料，這種通過納米結(jié)構(gòu)氫化物的還原能力直接利用太陽光生產(chǎn)燃料是概念上的一大創(chuàng)新。德國啟動(dòng)了最大的仿星器核聚變反應(yīng)設(shè)備并首次制造出氫等離子體，預(yù)計(jì)4年后可實(shí)現(xiàn)等離子體脈沖持續(xù)時(shí)間30分鐘，向?qū)崿F(xiàn)受控核聚變邁出重要一步。美國麻省理工學(xué)院科學(xué)家在阿爾卡特C-Mod托卡馬克聚變反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，等離子體壓強(qiáng)首次超過兩個(gè)大氣壓。

仿生技術(shù)發(fā)展迅猛、軍事應(yīng)用前景廣闊。哈佛大學(xué)研發(fā)了類似蜜蜂的“機(jī)器峰”，高2厘米、重約100毫克，將在軍事偵察領(lǐng)域發(fā)揮重要作用；該大學(xué)還研制出半透明、硬幣大小的機(jī)器魚，可在藍(lán)光控制下像魚一樣游泳。波蘭、意大利和英國合作利用光電機(jī)械液晶彈性體單片電路研發(fā)出一款長約15毫米的軟體機(jī)器人，可模仿毛蟲不同步態(tài)、爬坡、推動(dòng)比自身重10倍的物體，具有在挑戰(zhàn)性環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)的能力。英國研究人員設(shè)計(jì)出一種模仿蝙蝠的新型薄膜可變機(jī)翼，利用這種機(jī)翼制作出的微型無人機(jī)可以飛得更遠(yuǎn)并節(jié)省更多燃料。美國斯坦福大學(xué)研究人員首次制備出一種可用于制作晶體管的可自愈彈性聚合物，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜電子表面模仿人類皮膚，是仿生學(xué)發(fā)展的重大突破，將為新一代類皮膚可穿戴裝備奠定基礎(chǔ)。

先進(jìn)動(dòng)力技術(shù)在航空動(dòng)力、空間推進(jìn)、核動(dòng)力技術(shù)方面取得新進(jìn)展，有望改變傳統(tǒng)動(dòng)力的物理極限。 美國國家航空航天局近日公布了一種新型推進(jìn)系統(tǒng)“電子帆”，它能和太陽釋放出的粒子相互作用產(chǎn)生推力，將大幅縮短將航天器送往星際空間的時(shí)間。俄羅斯成功進(jìn)行了脈沖爆震火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，該技術(shù)改變了傳統(tǒng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，使火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力效率大大提升，成本和質(zhì)量大幅降低。

奠定新的技術(shù)基礎(chǔ)

人工智能技術(shù)受到前所未有的高度關(guān)注，將推動(dòng)武器裝備向更高智能化方向發(fā)展，形成新的能力優(yōu)勢(shì)。美國科學(xué)家發(fā)明了一種被稱為結(jié)構(gòu)映射引擎的新模型，能使計(jì)算機(jī)類人分析和學(xué)習(xí)能力顯著增強(qiáng)。谷歌“深度思維”公司發(fā)表了一項(xiàng)人工智能重要成果，描述了一種集神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)優(yōu)點(diǎn)于一身的混合型學(xué)習(xí)機(jī)器，既能像神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)那樣學(xué)習(xí)，又能像計(jì)算機(jī)那樣處理復(fù)雜數(shù)據(jù)。微軟公司開發(fā)出一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，使計(jì)算機(jī)對(duì)指定主題對(duì)話的語音識(shí)別率增至94.1%，首次與人類水平相當(dāng)。

腦和認(rèn)知方面，腦圖譜繪制、認(rèn)知計(jì)算、腦控等技術(shù)取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，為人類認(rèn)知能力的增強(qiáng)，以及腦科學(xué)的軍事應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。DARPA首次成功地在動(dòng)物受試者上測試了一種通過血管進(jìn)入腦部，記錄神經(jīng)活動(dòng)的微型傳感器。 美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室和IBM公司聯(lián)合公布了以“真北”仿腦處理器芯片為基礎(chǔ)的具有認(rèn)知能力的深度學(xué)習(xí)超級(jí)計(jì)算機(jī)，標(biāo)志著人類進(jìn)入認(rèn)知計(jì)算的新時(shí)代，深度學(xué)習(xí)超級(jí)計(jì)算機(jī)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)安全、核武器模擬等具有重大意義。韓國科學(xué)家在一塊10厘米的晶圓上，構(gòu)建了144個(gè)突觸晶體管，研制出迄今為止能耗最低的人造突觸，這一突破有望使研制大型類腦計(jì)算機(jī)成為現(xiàn)實(shí)。美國科學(xué)家研制出了一種新型“擴(kuò)散式憶阻器”，能逼真地模擬人腦突觸內(nèi)鈣離子的行為，新設(shè)備有助于開發(fā)類腦（神經(jīng)形態(tài)）計(jì)算機(jī)。美國亞利桑那州立大學(xué)試驗(yàn)了腦控多架無人機(jī)的技術(shù)，已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)單人對(duì)4架無人機(jī)的控制。美國普林斯頓大學(xué)研制出全球首枚光子神經(jīng)形態(tài)芯片，其中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有神經(jīng)元一樣的響應(yīng)特征，實(shí)驗(yàn)中比現(xiàn)有運(yùn)算速度快3個(gè)數(shù)量級(jí)，該芯片有望開啟全新的光子計(jì)算產(chǎn)業(yè)。

光量子技術(shù)不斷取得重要突破，在糾纏原子數(shù)量、光量子電路、量子位穩(wěn)定性等方面有了里程碑式進(jìn)展，讓人們看到了光計(jì)算、量子計(jì)算與量子通信的曙光。俄羅斯科學(xué)家成功將鍺原子合成到金剛石晶格中，可用于替換現(xiàn)有計(jì)算機(jī)中的硅和砷化鎵芯片，標(biāo)志著光計(jì)算機(jī)技術(shù)向前邁出重要一步。美國麻省理工學(xué)院科學(xué)家使用量子的反饋控制技術(shù)將量子疊加時(shí)長提高了1000多倍，向最終研制出可靠的量子計(jì)算機(jī)邁出了重要一步。歐洲科學(xué)家將一臺(tái)激光器內(nèi)的光子“播種”進(jìn)另一臺(tái)激光器內(nèi)，成為研制實(shí)用量子加密系統(tǒng)的里程碑進(jìn)展。美國哈佛大學(xué)科學(xué)家成功實(shí)現(xiàn)在超導(dǎo)材料內(nèi)傳輸電子自旋信息，從而克服了量子計(jì)算的一個(gè)主要挑戰(zhàn)，這種三明治結(jié)構(gòu)獨(dú)特的超導(dǎo)性能也將帶來全新的量子材料，為構(gòu)建量子傳導(dǎo)裝置奠定基礎(chǔ)。美、俄等國際研究團(tuán)隊(duì)利用釔鋁石榴石晶體產(chǎn)生了超短激光脈沖，在激光總能量基本不變下，將功率提高了3倍、達(dá)到0.5太瓦，有望推動(dòng)激光領(lǐng)域的變革。

微納技術(shù)具有重大的發(fā)展?jié)摿?，微納感知、傳輸、集成等發(fā)展十分迅猛，微系統(tǒng)的研制與應(yīng)用將在近期取得實(shí)質(zhì)性突破。DARPA正式啟動(dòng)了“從原子到產(chǎn)品”的項(xiàng)目，旨在開發(fā)相關(guān)技術(shù)和工藝將接近原子尺寸的納米級(jí)碎片組裝成至少毫米級(jí)尺寸的系統(tǒng)、部件或材料，并保留其在納米尺寸時(shí)具備的特性；在該項(xiàng)目下，勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室采用3D打印工藝在厘米級(jí)尺度制備出具有納米級(jí)特性的多層金屬超材料。DARPA微系統(tǒng)辦公室正在開展相關(guān)項(xiàng)目，致力于發(fā)展下一代微系統(tǒng)的模塊化芯片以及處理效率提升1000倍的智能圖像微處理器等顛覆性技術(shù)。DARPA 和NASA聯(lián)合開展了輕型光學(xué)系統(tǒng)，將利用微系統(tǒng)技術(shù)在硅材料上通過極精確的激光燒錄成上千個(gè)望遠(yuǎn)鏡陣列，該領(lǐng)域的突破可將傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡的尺寸、質(zhì)量和功耗降至百分之一。美國工程師制作出首個(gè)無需半導(dǎo)體的光控微電子器件，在施加低電壓和低功率激光激活時(shí)，電導(dǎo)率可增加10倍，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)為研制速度更快、功率更強(qiáng)的無半導(dǎo)體微電子設(shè)備及更高效的太陽能板鋪平了道路。（航天科工集團(tuán)）