美國國防部高級研究計劃局生物交叉技術(shù)進展

薛曉芳，方 勇，耿國桐

美國國防部高級研究計劃局（defense advanced research projects agency，DARPA）作為美國國防部軍事能力的提供者，以“避免技術(shù)突襲并謀求對敵方的技術(shù)突襲”為目標(biāo)，不斷從頂層制定科技規(guī)劃，持續(xù)支持能“改變游戲規(guī)則”的高風(fēng)險、高回報技術(shù)研發(fā)，取得了重大創(chuàng)新成就，被譽為保持美國軍事技術(shù)領(lǐng)先地位的“國防技術(shù)引擎”。DARPA 的生物交叉技術(shù)研究一定程度上代表了美軍生物交叉技術(shù)應(yīng)用最前沿技術(shù)。隨著生物交叉技術(shù)在軍事應(yīng)用中發(fā)揮的作用越來越大，近幾年DARPA 在生物交叉領(lǐng)域投資持續(xù)增長，國內(nèi)已有針對DARPA每年項目投入的簡單梳理和分析研究［1-3］，但只是對DARPA 的某個財年科研預(yù)算的布局分析，鮮有針對DARPA 生物交叉技術(shù)領(lǐng)域在研項目的進展分析。研究2021 年DARPA 生物交叉領(lǐng)域在研項目的發(fā)展情況，將對我軍生物交叉技術(shù)發(fā)展決策有一定借鑒作用，可為我軍生物交叉技術(shù)相關(guān)研究提供一定參考。

1 生物交叉項目總體分析

本文以2021 年DARPA 生物交叉技術(shù)領(lǐng)域在研的34 個項目為研究對象，該領(lǐng)域投資金額共計4.31 億美元［4］，約占總預(yù)算的12.2%，同比增長15.2%。又針對每個項目進行作戰(zhàn)應(yīng)用和預(yù)期進展分析，總結(jié)34 個項目的作戰(zhàn)應(yīng)用效果，得出2021年DARPA 生物交叉技術(shù)聚焦方向和發(fā)展特點。

2021 年DARPA 生物交叉技術(shù)主要聚焦武器系統(tǒng)性能增強、作戰(zhàn)人員效能優(yōu)化和防護能力提升等方面，共計34 個項目。其中，武器系統(tǒng)性能增強相關(guān)項目15 個，共計1.47 億美元；作戰(zhàn)人員效能優(yōu)化相關(guān)項目10 個，共計1.58 億美元；生物威脅檢測與防護相關(guān)項目9 個，共計1.26 億美元。這些項目在材料制造、后勤保障技術(shù)與裝備、人效增強藥物與器械、疾病防護等方面取得進展。

2 生物交叉技術(shù)方向分析

2.1 武器系統(tǒng)性能增強

DARPA 長期關(guān)注利用合成生物學(xué)方法制備含能材料、聚合物、溶劑/涂料、纖維、織物、光學(xué)材料、粘合劑、無機材料等，提高武器系統(tǒng)的火力、防腐、耐高溫、表面粘合等性能；利用生物合成技術(shù)提升美軍后勤物資生產(chǎn)、建筑材料固化與再生、海岸防護加強、裝備腐蝕控制等能力；利用生物系統(tǒng)進行輻射、聲學(xué)和電磁學(xué)等復(fù)雜特征的監(jiān)測，增強作戰(zhàn)人員的戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力。

2.1.1 高性能材料合成

2021 年，DARPA 在高性能材料合成方面項目布局較多，在研項目共5 項，主要進行武器裝備超常材料、精密元器件稀土元素、蛋白質(zhì)和核酸制造，以及太空生物制造等研究。這些項目的技術(shù)進展較大。其中，“生命鑄造廠”項目主要利用合成生物學(xué)實現(xiàn)超常材料的設(shè)計與制造，提高按需生產(chǎn)能力。截至2021 年底，該項目已開發(fā)了多功能生物合成平臺，使生物合成設(shè)計時間縮短，生物制品的設(shè)計與生產(chǎn)提速，可生產(chǎn)低成本的耐高溫涂料，以及噴氣式飛機和導(dǎo)彈燃料等材料，涉及1 630 種分子，已向各軍種轉(zhuǎn)化高能燃料、熱穩(wěn)定聚合物、高性能復(fù)合材料等超常材料生物合成技術(shù)［5］。“環(huán)境微生物工程資源”項目旨在研發(fā)稀土元素的生物采礦平臺，實現(xiàn)美本地稀土元素提取，最終達到每周生產(chǎn)700 克以上單個稀土元素。“重塑蛋白質(zhì)制造”項目旨在研發(fā)“即時分布式”蛋白質(zhì)制造技術(shù)，提升美軍在惡劣環(huán)境中的蛋白質(zhì)醫(yī)療對策生產(chǎn)能力，最終實現(xiàn)24 小時內(nèi)生產(chǎn)5 類具有生物活性的復(fù)雜蛋白質(zhì)。“全球核酸按需制備”項目旨在研發(fā)可24 小時內(nèi)快速生產(chǎn)、配制與包裝數(shù)百種核酸制劑的移動平臺，用于美軍傳染病防控，2021 年2 月，DARPA 資助了美國莫德納公司和通用電氣公司，研制可快速生產(chǎn)、配制和包裝核酸藥物的平臺。“太空生物制造”項目旨在研究軌道環(huán)境下微生物替代原料的利用、可變重力下微生物生長優(yōu)化、太空輻射對微生物生長與生產(chǎn)的影響與緩解措施，最終形成太空中的生物制造能力，確保太空資產(chǎn)的供應(yīng)鏈彈性。

2.1.2 生物合成后勤補給物資

2021 年，DARPA 加強后勤補給物資的生物合成技術(shù)研發(fā)，聚焦戰(zhàn)場食品、水、潤滑油、血液、建筑材料等生物合成研究及裝備微生物防護研究。在研項目共7 項，這些項目技術(shù)進展較大，研發(fā)路線新奇，對我軍后勤物資裝備技術(shù)發(fā)展具有一定借鑒意義。其中，“原料按需生產(chǎn)”項目旨在研發(fā)后勤資源（食物、水和潤滑劑等）的按需生產(chǎn)系統(tǒng)，使作戰(zhàn)人員可利用能源密集型廢物獨立生產(chǎn)物資，延長作戰(zhàn)時間，提高作戰(zhàn)靈活性，2021 年1 月，DARPA 資助了美國勞倫斯伯克利國家實驗室等團隊，開發(fā)友好獨立集成的“變廢為寶”系統(tǒng)。“聚寶盆”項目旨在研發(fā)可在野外按需生產(chǎn)蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪和膳食纖維4 類食品的系統(tǒng)，滿足包括14名士兵的小分隊在45天惡劣環(huán)境下的口糧供應(yīng)。“大氣水提取”項目將研發(fā)大氣飲用水的提取設(shè)備，為單兵提供一定規(guī)模、重量、功率的水輸出，提高作戰(zhàn)人員飲用水自供給能力，受資助的美國通用電氣公司研發(fā)部門等正在開發(fā)輕便的“空氣變水”設(shè)備。“野外全血替代品”項目開發(fā)一種可部署、耐保存、通用的全血替代品，用于戰(zhàn)傷輸血，搶救嚴酷作戰(zhàn)環(huán)境下的戰(zhàn)傷人員生命，最終達到一周內(nèi)可生產(chǎn)50 個單位的全血產(chǎn)品，能在極端溫度環(huán)境中存儲6 個月，成本、重量與同量全血接近。“工程活體材料”項目開發(fā)的先進生物水泥已被用于遠征軍事設(shè)施建設(shè)等任務(wù)，2021 年試驗了CV-22傾轉(zhuǎn)旋翼機和C-17 戰(zhàn)略運輸機的機場建設(shè)［6-7］，有望幫助美國空軍在作戰(zhàn)區(qū)域快速、隱蔽地建成簡易機場群，起降搭載高超音速導(dǎo)彈、火箭炮的戰(zhàn)略/戰(zhàn)術(shù)運輸機，對對手發(fā)起“快打快撤”式突襲，實現(xiàn)未來空中分布式作戰(zhàn)。“海岸防護”項目旨在利用合成生物學(xué)開發(fā)工程化的珊瑚或牡蠣礁海岸防護系統(tǒng)，減輕海浪和風(fēng)暴潮對海岸的損害，最終可消減90%的波浪能。“裝備防腐蝕”項目旨在利用微生物菌群控制技術(shù)在軍用物資裝備表面生成保護性生物膜，緩解或去除裝備的微生物腐蝕，降低裝備維護成本。

2.1.3 生物傳感器感知戰(zhàn)場態(tài)勢

在生物傳感器方向，DARPA 主要研發(fā)人體表觀遺傳特征、轉(zhuǎn)基因植物、水生生物傳感器等，探測美軍事人員、陸地環(huán)境和海上所面臨的威脅。其中，“表觀遺傳特征監(jiān)測”項目旨在開發(fā)化生放核爆檢測設(shè)備，可在30 分鐘內(nèi)識別出某人攜帶的化生放核爆武器，提高對美軍大規(guī)模殺傷性武器威脅的診斷能力；“植物傳感器”項目旨在開發(fā)可遠程監(jiān)控環(huán)境變化的轉(zhuǎn)基因植物傳感器。“水生生物傳感器”項目旨在開發(fā)可監(jiān)測水下運載工具的生物傳感器硬件，提高美軍對海上威脅的偵察能力。

2.2 作戰(zhàn)人員效能優(yōu)化

DARPA開發(fā)可監(jiān)測并預(yù)測作戰(zhàn)人員效能的傳感器，確定作戰(zhàn)人員效能增強的標(biāo)志物和代謝模型等；開發(fā)個性化的認知能力的評估、維持與增強方法，提高作戰(zhàn)人員的認知能力；研究人類微生物組及其遺傳信息的表征與建模，提高人體防御力和恢復(fù)力。

2.2.1 研究人體效能標(biāo)志物，實現(xiàn)人效增強

在人體效能標(biāo)志物方向，DARPA 主要研發(fā)人員戰(zhàn)備狀態(tài)監(jiān)測、人體器官代謝延遲、人效增強工程化細胞、恢復(fù)力提升藥物、人體表觀基因組調(diào)節(jié)平臺等，增強人體耐受力和效能。其中，“生物能力測量”項目旨在開發(fā)可實時監(jiān)測作戰(zhàn)人員選拔與訓(xùn)練狀態(tài)的傳感器，提高人員選拔訓(xùn)練效率，改善任務(wù)團隊組建和人員恢復(fù)能力。“生物停滯”項目開發(fā)能干預(yù)人體分子、細胞、器官代謝進程的長效藥物，延長戰(zhàn)傷黃金救治時間。“生理超配”項目開發(fā)可減輕熬夜或污染造成人體效能退化的工程細胞，降低作戰(zhàn)人員受到的病毒、細菌或毒素等威脅。“萬能藥”項目開發(fā)新型多靶點藥物，提升極端環(huán)境下作戰(zhàn)人員的恢復(fù)力。“表觀基因組調(diào)節(jié)”項目開發(fā)可暫時調(diào)節(jié)人體表觀基因組的模塊化普適平臺，抵御病原體、藥物和輻射等對人體的威脅，重點關(guān)注流感病毒、阿片藥物、有機磷和γ 射線輻射。2021 年2-3 月，DARPA 研發(fā)了新冠病毒CRISPR靶向治療劑，可延緩或阻止新冠病毒的復(fù)制。

2.2.2 研發(fā)器械藥物，實現(xiàn)認知恢復(fù)與增強

在認知力恢復(fù)與增強方向，DARPA 注重便攜、高分辨率和智能的腦機接口系統(tǒng)。在研項目共2項。其中，“下一代非手術(shù)神經(jīng)接口”項目主要開發(fā)安全、便攜、高分辨率的雙向腦機接口系統(tǒng)，實現(xiàn)人與系統(tǒng)的高速交互，提高作戰(zhàn)人員的戰(zhàn)場認知和快速決策能力。“智能脊柱接口”項目將開發(fā)新型自適應(yīng)智能接口，恢復(fù)脊髓損傷人員的呼吸、腸道與膀胱控制、運動、接觸和本體感覺等功能，如2021 年1 月加拿大加里大學(xué)的一項研究，通過對患者脊髓進行電刺激控制患者血壓。“聚焦醫(yī)藥”項目是延續(xù)性項目，旨在開發(fā)快速治療退伍軍人神經(jīng)疾病的藥物，革新美軍的精神保健服務(wù)。

2.2.3 研發(fā)微生物組和生物工程技術(shù)，實現(xiàn)恢復(fù)力增強

在人員恢復(fù)力增強方向，DARPA 通過微生物組和生物工程技術(shù)提升人體免疫力、耐受力和傷口愈合能力等。在研項目共2 項，其中，“擴展人體彈性”項目主要研究人類胃腸道、呼吸系統(tǒng)、皮膚或口腔內(nèi)的微生物群落與人體的免疫、代謝、耐受、情緒、決策等的關(guān)系，開發(fā)菌群控制藥物，提高作戰(zhàn)人員的免疫力、代謝力、耐受力及凝聚力等作戰(zhàn)效能。“戰(zhàn)傷快速恢復(fù)”項目主要開發(fā)加速傷口愈合的閉環(huán)自適應(yīng)系統(tǒng)，由傳感器和執(zhí)行器組成，傳感器評估傷口狀態(tài)并跟蹤身體反應(yīng)，執(zhí)行器傳遞生化信號并加快愈合，最終實現(xiàn)復(fù)雜傷口的智能愈合，為作戰(zhàn)人員提供更快、更精準(zhǔn)的恢復(fù)力。

2.3 傳染病防護能力提升

由于新冠疫情肆虐全球，DARPA 持續(xù)投資病原體的檢測、治療藥物研發(fā)和傳染病媒介控制等領(lǐng)域。

2.3.1 病原體檢測與監(jiān)測

在病原體檢測與監(jiān)測方向，DARPA 主要開發(fā)基因編輯病原體檢測器、細菌監(jiān)測設(shè)備、大規(guī)模殺傷性武器監(jiān)測系統(tǒng)、個性化生物防御系統(tǒng)，提升美軍生物防御能力。在研項目4 項。其中，“CRISPR病原體檢測儀”項目旨在將基因編輯器整合于分布式生物檢測器中，開發(fā)15 分鐘內(nèi)可篩查10 種以上病原體或宿主樣本的設(shè)備，以及可同時篩查1 000個臨床樣本的大規(guī)模多個病原體檢測平臺，提高美軍的傳染病防控能力。2021 年8 月，DARPA 開發(fā)了串聯(lián)核酸酶檢測方法，可在20 分鐘內(nèi)對每微升RNA 約30 個分子進行穩(wěn)定檢測。“細菌監(jiān)視”項目主要開發(fā)工程化或未知細菌性病原體的檢測設(shè)備，為美軍提供新型生物防護能力。“大規(guī)模恐怖威脅防御”項目前期已開發(fā)了可經(jīng)濟、可靠、廣域監(jiān)測大規(guī)模殺傷性武器的傳感器網(wǎng)絡(luò)SIGMA，抵御人口密集中心的化生放核爆威脅。2021 年1 月，DARPA 將SIGMA 系統(tǒng)壓縮為輕巧（移動電話大小）、便宜的（400 美元）的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備，該設(shè)備已成為美國國家安全基礎(chǔ)設(shè)施。“個性化生物防護系統(tǒng)”項目將開發(fā)先進的單兵化生防護裝備，研發(fā)新的生物材料，以及能捕獲、中和或消除化生制劑的化合物和輕質(zhì)耐用系統(tǒng)，提高作戰(zhàn)人員的生存能力。2021 年4 月，DARPA 資助美國菲力爾公司等3 家公司開發(fā)輕質(zhì)材料和強適應(yīng)性化生防護方法。

2.3.2 抗病原體藥物研發(fā)

在傳染病治療藥物方向，DARPA 主要開發(fā)病毒源頭干預(yù)制劑、病毒干擾顆粒、多重耐藥細菌藥物，以及強化病毒和細菌性傳染病的治療方法。在研項目3 項，其中，“預(yù)防新興致病威脅”項目旨在開發(fā)病毒性傳染病的源頭干預(yù)方法，包括移除病毒突變和減少病毒載量的抗病毒劑、疫苗和干擾顆粒等。“干預(yù)、共同預(yù)防及治療”項目主要利用病毒的治療性干擾顆粒干擾病毒復(fù)制，開發(fā)針對病毒變異的廣譜性抗病毒制劑。2021 年4 月，該項目資助的巴斯德研究所利用有缺陷的寨卡病毒基因組序列，研制出可治療寨卡病毒感染的干擾顆粒，可降低蚊子和小鼠體內(nèi)的病毒活性。“多重耐藥細菌的治療劑”項目將開發(fā)新的多重耐藥性細菌治療方法，包括篩選宿主的結(jié)合配體，開發(fā)細菌的細胞降解或失活方法，生成宿主配體治療劑。

2.3.3 傳染病媒介控制

在傳染病媒介控制方向，DARPA 主要利用基因驅(qū)動技術(shù)阻斷蚊蟲等傳染病媒介的繁殖。其中，“安全基因”項目主要開發(fā)可以隨時隨地修改或恢復(fù)經(jīng)基因編輯后的序列，安全控制基因編輯技術(shù)的方法，如限制、消除基因編輯的藥物，防止基因編輯濫用風(fēng)險。2021 年，DARPA 研發(fā)團隊開發(fā)了可降低按蚊繁殖能力的基因驅(qū)動抑制技術(shù)，研發(fā)了分子遺傳控制系統(tǒng)，控制多個病媒野生種群，使伊蚊不育，降低疾病傳播［8］。

3 生物交叉技術(shù)布局特點

通過分析DARPA 在2021 年生物交叉技術(shù)的總體資金投入與研究重點，可看出DARPA 不斷提升后勤保障和作戰(zhàn)人員效能及生物防護能力等方面的研究，呈現(xiàn)出以下特點。

3.1 聚力后勤自主補給與維護能力，全面提升一體化后勤保障能力

近2 年，DARPA 聚焦水、食品、超常材料、潤滑劑、血液、建筑材料等物資的生物合成技術(shù)，開發(fā)作戰(zhàn)單元或單兵可使用的自主快速物資生產(chǎn)設(shè)備，保障邊緣部隊的自主后勤補給能力，降低后勤運輸成本。同時，利用合成生物學(xué)建造自修復(fù)海岸防護系統(tǒng)，利用微生物菌群控制進行裝備維護，利用由生物細菌和土壤制備的生物水泥快速隱蔽建設(shè)前沿機場和基地，實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施的快速建設(shè)和自主維護能力。2021 年3 月，美國陸軍的《多域轉(zhuǎn)型：在競爭和沖突中獲勝》報告強調(diào)，將為聯(lián)合部隊提供持續(xù)的后勤保障、維護兵力投送能力。DARPA 將生物交叉技術(shù)布局在一體化后勤保障能力的全面提升上，未來這些技術(shù)裝備將在各軍種全面運用，將大大提升美軍的后勤自主補給與維護能力，支撐分布式作戰(zhàn)。

3.2 深耕人體效能恢復(fù)與增強技術(shù)，打造超級士兵

近幾年，DARPA 廣泛布局“生物能力測量”“生物停滯”“生理超配”“萬能藥”“表觀基因組調(diào)節(jié)”“聚焦醫(yī)藥”“擴展人體彈性”“智能脊柱接口”“非手術(shù)神經(jīng)接口”“戰(zhàn)傷快速恢復(fù)”，聚焦人體效能恢復(fù)與增強技術(shù)，研究與人體效能相關(guān)的生物標(biāo)志物，開發(fā)相關(guān)藥物、工程細胞、神經(jīng)接口和植入式電子設(shè)備等，提高在極端作戰(zhàn)環(huán)境下人體的恢復(fù)力與效能，打造恢復(fù)快、環(huán)境耐受力強、人體效能超強的“超級士兵”。

3.3 聚焦武器系統(tǒng)材料的生物合成技術(shù)，提升供應(yīng)鏈安全

DARPA 自2011 年發(fā)布“生命鑄造廠”項目以來，長期致力于超常材料的生物合成技術(shù)，已實現(xiàn)了1 630 種分子的低成本快速制備，可生產(chǎn)隱身雷達吸波材料、耐高溫涂料、噴氣式飛機和導(dǎo)彈燃料等，目前正與空軍研究實驗室、海軍空戰(zhàn)中心等部門進行更多新材料的研發(fā)合作。近2 年，DARPA又推出了稀土元素、蛋白質(zhì)和核酸等物質(zhì)的高效生物合成項目，以及太空生物制造項目，未來有望打通戰(zhàn)區(qū)前沿供應(yīng)鏈，實現(xiàn)物資裝備的低成本快速生產(chǎn)，提升單兵或小型分隊的人員和武器裝備的補給與維護能力。

4 結(jié)語

總體來看，2021 年DARPA 生物交叉技術(shù)主要布局在高性能材料制造、后勤補給和戰(zhàn)場態(tài)勢感知提升等武器系統(tǒng)性能增強領(lǐng)域，在人體的體力、恢復(fù)力、認知力效能增強領(lǐng)域長期研究，在傳染病檢測與監(jiān)測、藥物研發(fā)和疫苗研制等方面持續(xù)研究。未來，DARPA 還將利用人工智能、合成生物學(xué)、腦機接口等技術(shù)的交叉融合，持續(xù)增強美軍生物交叉技術(shù)應(yīng)用，大幅提升美軍的裝備和人員效能，維持美軍全球領(lǐng)先的軍事科技代差優(yōu)勢。我們應(yīng)密切關(guān)注其進展情況，時刻警惕其顛覆性技術(shù)帶來的軍事變革。

本文梳理了2021 年DARPA 生物交叉技術(shù)領(lǐng)域在研項目，分析了2021 年生物交叉技術(shù)在研項目布局和主要進展，總結(jié)了其生物交叉技術(shù)發(fā)展重點和特點及未來發(fā)展趨勢，對我軍生物交叉技術(shù)發(fā)展具有一定借鑒意義。但針對DARPA 生物交叉技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展情況還需更加關(guān)注其在研項目涉及的技術(shù)領(lǐng)域，以及項目后續(xù)主要進展和成果轉(zhuǎn)化情況，還需深入分析項目公告書，進一步分析相關(guān)技術(shù)和軍事應(yīng)用成果，獲得更有效的決策支撐價值。