世界軍用生物交叉技術(shù)發(fā)展淺析

劉杰　王韜　張麗平

當(dāng)前，世界軍用生物交叉技術(shù)發(fā)展速度明顯加快。美國國家科學(xué)院、工程院與醫(yī)學(xué)院發(fā)布《保護(hù)生物經(jīng)濟(jì)》報(bào)告，展望生物交叉經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢及相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。美國蘭德公司發(fā)布《腦機(jī)接口：軍事應(yīng)用與影響的初步評估》報(bào)告，探索腦機(jī)接口技術(shù)在當(dāng)前和未來的作戰(zhàn)價(jià)值、相關(guān)弱點(diǎn)與風(fēng)險(xiǎn)，以及技術(shù)部署之前應(yīng)制定的政策規(guī)范。歐盟委員會發(fā)布《生命科學(xué)中的跨技術(shù)方法交叉發(fā)展》報(bào)告，旨在指導(dǎo)和促進(jìn)生物科學(xué)中的交叉技術(shù)發(fā)展。俄羅斯、亞太地區(qū)多國重視軍用生物交叉技術(shù)發(fā)展。

各國積極探索生物計(jì)算新概念新技術(shù)

生物計(jì)算是當(dāng)前推進(jìn)軍用生物交叉技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)性使能技術(shù)。通過大規(guī)模、多類型的數(shù)據(jù)和信息的存儲、管理、獲取和計(jì)算技術(shù)支撐，生物計(jì)算技術(shù)為軍用生物交叉技術(shù)創(chuàng)新提供必要、高效的數(shù)據(jù)支撐。以美俄為首的軍事強(qiáng)國正通過多個(gè)項(xiàng)目推動生物芯片和生物存儲技術(shù)研究。

俄羅斯與多國合作提出新型生物芯片概念。2020年6月，俄羅斯羅巴切夫斯基州立大學(xué)與多國科學(xué)家合作，提出了一種“憶阻性神經(jīng)混合芯片”的概念，這種芯片可用于緊湊型生物傳感器和神經(jīng)假體。該概念是基于神經(jīng)細(xì)胞和微流體技術(shù)組合的前瞻性解決方案，這種解決方案使“空間有序活動神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”的植入成為可能。

美國利用蠶絲蛋白實(shí)現(xiàn)高容量生物存儲。2020年8月，美國紐約州立大學(xué)石溪分校與德州大學(xué)奧斯汀分校等高校合作，實(shí)現(xiàn)了基于蠶絲蛋白的高容量生物存儲技術(shù)。這種存儲技術(shù)以生物兼容性好、易于功能化、降解速率可控的天然蠶絲蛋白作為信息存儲介質(zhì)，近場紅外納米光刻技術(shù)作為數(shù)字信息寫入方式。

生物傳感技術(shù)實(shí)用化程度不斷提高

生物傳感是使用對生物物質(zhì)敏感的傳感器將物質(zhì)濃度轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行檢測的技術(shù)，主要實(shí)現(xiàn)感受、觀察、反應(yīng)三個(gè)功能，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物芯片、環(huán)境檢測、軍事監(jiān)測等領(lǐng)域。美國等軍事科技強(qiáng)國正著力推動生物傳感技術(shù)向著實(shí)用化方向邁進(jìn)。

美國研發(fā)新型生物傳感材料實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境變化。2020年6月，美國塔夫茨大學(xué)的研究人員通過在可穿戴襯底上印刷具有生物活性的高精度生物傳感結(jié)構(gòu)從而實(shí)時(shí)進(jìn)行生物分子的局域化檢測。當(dāng)周圍環(huán)境發(fā)生變化或釋放特定分子時(shí)，具有生物活性的傳感材料可以與之發(fā)生反應(yīng)，從而發(fā)生顏色變化。

美DARPA持續(xù)推進(jìn)水生生物傳感器項(xiàng)目以監(jiān)視水下區(qū)域。2020年9月，美國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）持久性水生生物傳感器（PALS）項(xiàng)目進(jìn)入第二階段，預(yù)計(jì)將持續(xù)到2021年11月。該項(xiàng)目于2018年2月公布，旨在開發(fā)新型傳感器系統(tǒng)，用于探測和記錄大石斑魚等海洋生物的行為，并對其進(jìn)行解釋，以識別、表征和報(bào)告在戰(zhàn)略水域作業(yè)的有人/無人潛水器。這種技術(shù)將增強(qiáng)美國現(xiàn)有的基于硬件的海上監(jiān)視系統(tǒng)的能力，極大地?cái)U(kuò)展美軍水下監(jiān)視能力的范圍、靈敏度和壽命。

美DARPA設(shè)立仿生海岸防護(hù)項(xiàng)目強(qiáng)化沿海基地。2021年6月，DARPA在2022財(cái)年申請預(yù)算中新增仿生海岸防護(hù)項(xiàng)目，該項(xiàng)目以持久性水生生物傳感器項(xiàng)目積累的技術(shù)為基礎(chǔ)，旨在開發(fā)人造與生物混合的、具有可持續(xù)性的珊瑚礁結(jié)構(gòu)，為美國在低洼沿海地區(qū)的基地提供防護(hù)。

持久性水生生物傳感器項(xiàng)目概念圖

腦機(jī)接口技術(shù)熱度猛增，前沿突破持續(xù)涌現(xiàn)

腦機(jī)接口是指在人或動物大腦與外部設(shè)備之間創(chuàng)建直接連接，實(shí)現(xiàn)大腦與設(shè)備信息交互的技術(shù)。腦機(jī)接口因具有顛覆性的軍事用途和開創(chuàng)性的醫(yī)療用途，近年來得到世界主要軍事強(qiáng)國及創(chuàng)新型企業(yè)的高度關(guān)注，并取得了一系列突破性成果。

美國使用極細(xì)微型導(dǎo)線傳遞腦電信號。2020年3月，美國斯坦福大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種新設(shè)備，可以將大腦直接連接到硅芯片上。該設(shè)備將一束比人類頭發(fā)還細(xì)的微型導(dǎo)線插入大腦，并將導(dǎo)線直接連接到外部硅芯片上，芯片可以記錄通過每根導(dǎo)線傳遞的腦電信號。與現(xiàn)有設(shè)備相比，該設(shè)備可以記錄更多的數(shù)據(jù)，而且侵入性更小。研究人員在大鼠的視網(wǎng)膜細(xì)胞上進(jìn)行了測試，得到了有意義的信號。

美國通過腦機(jī)接口傳遞視覺信息，幫助盲人恢復(fù)視力。2020年5月，美國貝勒醫(yī)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在國際頂級期刊《細(xì)胞》上刊登了一項(xiàng)研究成果，通過腦機(jī)接口技術(shù)，使用動態(tài)電流刺激大腦皮層，將視覺信息直接傳遞給大腦，幫助失明患者繞過受損的眼部和神經(jīng)，恢復(fù)視力。

美空軍利用腦機(jī)接口提取腦信號確定人腦學(xué)習(xí)狀態(tài)。2020年10月，美空軍研究實(shí)驗(yàn)室宣布，與微軟研究院、麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室等多個(gè)行業(yè)合作伙伴共同開發(fā)“個(gè)性化神經(jīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)”，創(chuàng)建人腦和計(jì)算機(jī)之間的接口，通過實(shí)時(shí)提取腦信號和其他生理數(shù)據(jù)確定人腦學(xué)習(xí)狀態(tài)，以提高飛行員學(xué)習(xí)和快速有效決策的能力。

美國首次完成人類使用無線高帶寬腦機(jī)接口實(shí)驗(yàn)。2021年4月，美國布朗大學(xué)的研究人員展示了人類首次使用高帶寬無線腦機(jī)接口的場景。該系統(tǒng)可以以單神經(jīng)元分辨率和全寬帶保真度傳輸腦信號，而無需與解碼系統(tǒng)進(jìn)行物理綁定。這是邁向完全可植入皮質(zhì)內(nèi)腦機(jī)接口系統(tǒng)的重要一步。

美國神經(jīng)連接公司成功進(jìn)行猴子通過侵入式腦機(jī)接口玩游戲的實(shí)驗(yàn)。2021年4月，埃隆·馬斯克創(chuàng)辦的神經(jīng)連接公司展示了一只猴子通過腦機(jī)接口系統(tǒng)LINK V0.9玩電子游戲的場景。該系統(tǒng)具有體積小、排異反應(yīng)小、信號采集通道數(shù)量多、可無線通信和充電，實(shí)用化程度高的優(yōu)點(diǎn)，為加速實(shí)用型“腦控”系統(tǒng)研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。預(yù)計(jì)該設(shè)備可用于解決許多神經(jīng)系統(tǒng)問題，例如記憶力減退、中風(fēng)和成癮等，目前已獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局許可，有望在短期內(nèi)開展人體試驗(yàn)。在此之前，神經(jīng)連接公司曾于2020年8月將侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)植入豬的大腦并獲得了清晰的腦電信號。

蘭德公司《腦機(jī)接口：軍事應(yīng)用與影響的初步評估》報(bào)告封面圖

Festo 公司開發(fā)的仿生雨燕

美國使用腦機(jī)接口傳遞文字信息，速度可媲美正常打字。2021年5月，斯坦福大學(xué)研究人員研發(fā)出新型腦機(jī)接口，可將人類大腦中想象的“筆跡”轉(zhuǎn)為屏幕文本，準(zhǔn)確率超過99%。該設(shè)備每分鐘能準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換90個(gè)字符，速度可以與正常手寫或在智能手機(jī)上打字相媲美，比之前用眼動追蹤系統(tǒng)打字的速度快一倍多。

軍用生物交叉技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)分析

軍用生物交叉技術(shù)是未來科學(xué)技術(shù)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。目前世界公認(rèn)的四大科學(xué)難題包括生命起源、意識本質(zhì)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)和宇宙演化，軍用生物交叉技術(shù)與前兩者都有著密切的關(guān)系，是世界軍事強(qiáng)國紛紛發(fā)力搶占的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。未來，軍用生物交叉技術(shù)將參照生物有機(jī)體的運(yùn)轉(zhuǎn)方式，實(shí)現(xiàn)生命的半合成、生命組成的高效利用和認(rèn)知記憶思考等高級神經(jīng)功能的有意義解析。具有戰(zhàn)略監(jiān)測、自主可控等國防應(yīng)用價(jià)值的合成生物體，將成為實(shí)驗(yàn)室研究層面的熱點(diǎn)，而讀腦、仿腦、控腦、腦控等技術(shù)將在特定場景得到應(yīng)用。

軍用生物交叉技術(shù)未來發(fā)展勢頭迅猛。作為軍事顛覆性技術(shù)突破的重要來源，軍用生物交叉技術(shù)正在向大融合、大交叉、大突破的方向發(fā)展，尤其是與機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、高性能計(jì)算、微納制造、認(rèn)知神經(jīng)等方法和工具結(jié)合之后，軍用生物交叉技術(shù)進(jìn)入了發(fā)展上升期和戰(zhàn)略機(jī)遇期，并將在軍事領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的應(yīng)用價(jià)值。目前已成為世界軍事強(qiáng)國重點(diǎn)投資的國防關(guān)鍵技術(shù)，并不斷催生新的作戰(zhàn)樣式和作戰(zhàn)概念，未來將對軍事能力生成和戰(zhàn)爭形態(tài)變革產(chǎn)生重要影響。

軍用生物交叉技術(shù)將成為未來新興軍事科技力量。以神經(jīng)科學(xué)與腦科學(xué)、生物傳感與生物計(jì)算、仿生材料與仿生機(jī)械為代表的新概念生物武器正在迅速崛起，可提升或削弱作戰(zhàn)主體的態(tài)勢感知、決策評估和作戰(zhàn)機(jī)能，以適應(yīng)信息化戰(zhàn)爭下的精確戰(zhàn)、軟殺傷對軍事科技的新要求。未來，軍用生物交叉技術(shù)將在新型武器裝備目標(biāo)識別和敵友判斷、智能定向武器偵察監(jiān)視傳感器、后勤保障裝備能源供給、大型生物計(jì)算機(jī)研制、未來戰(zhàn)士單兵可穿戴設(shè)備、生命體組織修復(fù)和戰(zhàn)場救護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域大顯身手。

責(zé)任編輯：張傳良