顛覆未來作戰(zhàn)的前沿技術(shù)系列之軍用生物技術(shù)

吳勤

軍用生物技術(shù)是將現(xiàn)代生物技術(shù)應(yīng)用到軍事技術(shù)領(lǐng)域的一門綜合性交叉技術(shù)，涉及軍事、生物、物理、材料、信息等諸多學(xué)科。軍用生物技術(shù)通過借鑒和利用生物眾多優(yōu)異結(jié)構(gòu)和特殊的功能，將為武器裝備實現(xiàn)跨越式創(chuàng)新發(fā)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(zhàn)樣式和作戰(zhàn)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(shù)的發(fā)展，已在生物材料、仿生裝備、生物計算、生物燃料等多個領(lǐng)域取得重大突破。

DARPA生物技術(shù)辦公室宣傳圖片

生物技術(shù)成為新的戰(zhàn)略制高點

翻開歷史畫卷不難發(fā)現(xiàn)，變革人類戰(zhàn)爭樣式的眾多重大發(fā)明均與生物學(xué)的發(fā)展進步休戚相關(guān)。例如，基于對鳥類翅膀的解析，人類設(shè)計出飛行器翼型，不斷促進作戰(zhàn)飛機的進化;通過模仿蝙蝠超聲定位，人類發(fā)明了雷達技術(shù)，使“千里眼”不再是神話;借鑒海豚超聲波探測，人類發(fā)明了聲吶技術(shù)，能夠洞察水下世界。軍用生物技術(shù)的發(fā)展，將使武器操作、戰(zhàn)場指揮、通信和后勤保障等發(fā)生質(zhì)的變化和躍升，將成為軍事技術(shù)的制高點，為傳統(tǒng)武器裝備發(fā)展提供新的動力，主要包括：軍用生物技術(shù)與武器裝備融合;軍用生物技術(shù)將帶來新的武器操作模式，推動武器裝備向“腦-機結(jié)合”方向發(fā)展;借鑒和利用生物眾多的優(yōu)異結(jié)構(gòu)和特殊的功能，將為武器裝備實現(xiàn)跨越式創(chuàng)新發(fā)展提供新的源泉;軍用生物技術(shù)將提高戰(zhàn)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(shù)發(fā)展的浪潮，產(chǎn)生了一批具有軍事應(yīng)用前景的顛覆性產(chǎn)品和技術(shù)。例如，新型神經(jīng)形態(tài)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(jié)構(gòu)護甲、生物粘合劑等生物材料制造的產(chǎn)品，展現(xiàn)出遠超現(xiàn)有產(chǎn)品的優(yōu)越性能;自組織機器人、商用仿生假肢、仿生潛航器、復(fù)眼相機等仿生裝備與產(chǎn)品，能夠擴展軍事任務(wù)執(zhí)行能力;生物燃料成功支持軍用與商用飛機試飛，是能源領(lǐng)域的重大突破。

美俄等國高度重視軍用生物技術(shù)及其應(yīng)用的研究，在技術(shù)開發(fā)、機構(gòu)設(shè)置、研究計劃以及經(jīng)費等多個方面積極發(fā)展并推進其軍事化應(yīng)用。

近年來，美國實施了“生物監(jiān)測計劃”“生物盾牌計劃”“生物傳感計劃”等生物計劃，2013年發(fā)布了為期10年的腦科學(xué)研究計劃。目前，美國已將軍用生物技術(shù)列入國家頂層布局，成為美軍重點資助和發(fā)展的八大戰(zhàn)略領(lǐng)域之一。美國陸、海、空三軍在《陸軍科學(xué)規(guī)劃與戰(zhàn)略報告》《海軍科技戰(zhàn)略規(guī)劃》《空軍科技戰(zhàn)略》等規(guī)劃戰(zhàn)略中均將生物技術(shù)列為投資重點。美國陸軍于2003年成立陸軍聯(lián)合生物技術(shù)研究所，專門負責(zé)推動陸軍生物科技研發(fā)，開展合成生物學(xué)、認知神經(jīng)科學(xué)等研究。美國國防高級研究計劃局（DARPA）從2003年開始在戰(zhàn)略規(guī)劃中將生物技術(shù)列為優(yōu)先發(fā)展的重點之一，2014年成立生物技術(shù)辦公室，統(tǒng)一管理原來分散于各辦公室的生物技術(shù)項目。該辦公室主要對包括從單細胞到復(fù)雜的生物系統(tǒng)在內(nèi)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(shù)與方法以維持作戰(zhàn)人員能力的最大化，并確保作戰(zhàn)人員在能力下降時盡可能迅速、充分地恢復(fù)能力;二是利用生物系統(tǒng)高度進化的功能性與綜合性能力，研發(fā)出新產(chǎn)品和系統(tǒng)，以保障國家安全;三是通過更好地理解生物系統(tǒng)內(nèi)部的動態(tài)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(shù)的培養(yǎng)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(shù)研究的科研組織機構(gòu)，其將生物化學(xué)和醫(yī)學(xué)技術(shù)作為重點研究的三大領(lǐng)域之一。在生物與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，該機構(gòu)開展的項目包括：前沿醫(yī)學(xué)、新型生物材料、仿生學(xué)、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(zhì)基礎(chǔ)

軍用生物材料主要是針對武器裝備中的特殊需要，采用現(xiàn)代生物技術(shù)對材料進行改進或加工，能夠產(chǎn)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(zhì)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(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

2011年2月，英國劍橋大學(xué)生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)跳蚤卓越的彈跳能力依賴于節(jié)肢彈性蛋白，是現(xiàn)有彈性最強的物質(zhì)，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(xué)、馬里蘭大學(xué)和海洋生物研究所的學(xué)者發(fā)現(xiàn)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(fā)防彈背心、人工腱等多種彈性材料;2013年4月，日本東京大學(xué)科學(xué)家通過對大閃蝶翅膀碳納米管結(jié)構(gòu)的研究，研制出一種新型納米生物復(fù)合材料，這種材料比原有碳納米管加熱更快，并表現(xiàn)出極高的導(dǎo)電性，有望在未來應(yīng)用于可穿戴電子設(shè)備、高靈敏度光傳感器以及可循環(huán)使用的電池產(chǎn)品中。

穿有生物偽裝衣的士兵

2014年，美國麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)牡蠣殼具有抵御多重撞擊的技能，有望據(jù)此研發(fā)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(xué)院的研究人員通過基因工程培養(yǎng)出一種新型細菌，能夠?qū)①O貝分泌出的蛋白質(zhì)與其自身生物膜分泌出的蛋白質(zhì)結(jié)合在一起，這種混合蛋白具有特殊的黏性，是當(dāng)前能夠在水下直接使用的強度最好的黏合劑，可用于修復(fù)艦船裂縫。2015年，墨西哥UAEM大學(xué)和Yucatan科研中心合作成功研發(fā)了全新的生物材料，試驗中該材料能夠減少50%的燒傷復(fù)原時間，在軍人作戰(zhàn)燒傷恢復(fù)中具有巨大應(yīng)用價值。

生物電子與計算技術(shù)催生新型信息化裝備

生物電子學(xué)一方面是將電子學(xué)用于生物領(lǐng)域，使其研究方式更加精確和科學(xué);另一方面將生命過程中揭示出的許多規(guī)律，特別是將生物信息處理的優(yōu)異特性借鑒于電子和信息學(xué)，使電子和信息學(xué)發(fā)生革命性的變革。生物計算具有生物體的一些特點，如能發(fā)揮生物本身的調(diào)節(jié)機能，自動修復(fù)芯片上發(fā)生的故障，模仿人腦的機制等，其將突破傳統(tǒng)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(shù)的發(fā)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(chǔ)。2012年，美國斯坦福大學(xué)的研究人員成功使用DNA構(gòu)建了可擦寫數(shù)字信號存儲器，并開發(fā)出能在細胞間傳遞遺傳信息的機制，2013年該團隊構(gòu)建了一種“生物晶體管”，通過它在活細胞內(nèi)構(gòu)建出6種基本電路進行邏輯運算，這些發(fā)現(xiàn)將為未來創(chuàng)建細胞計算機奠定基礎(chǔ)。2013年，美國麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)的科學(xué)家利用DNA構(gòu)建出具有獨特電子特性的石墨烯納米結(jié)構(gòu)。2015年，美國哥倫比亞大學(xué)的科學(xué)家研發(fā)出首個生物供能的電腦芯片，它由生物組件和固態(tài)電子組件構(gòu)成，這一成果將引發(fā)新一代“半機械”生物芯片的產(chǎn)生。

披掛偽裝網(wǎng)的美軍M1A1主戰(zhàn)坦克

生物計算技術(shù)在信息安全領(lǐng)域得到了充分重視，基于DNA的計算原理已經(jīng)在理論上先后破解了多種經(jīng)典密碼體制。2012年2月，美國和以色列學(xué)者將DNA計算應(yīng)用于圖像保密通信領(lǐng)域，研制出能加密與破譯圖像的生物計算系統(tǒng);2012年5月，英國利茲大學(xué)和日本東京農(nóng)工大學(xué)研究利用磁性細菌制造與傳統(tǒng)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(jù)生物學(xué)原理設(shè)計的仿生計算系統(tǒng)一直受到重視，仿生計算系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)能力，能夠在運行中積累經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的深層次規(guī)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(tǒng)合同，該系統(tǒng)可推動用于自適應(yīng)學(xué)習(xí)、大規(guī)模動態(tài)數(shù)據(jù)分析和推理的先進神經(jīng)形態(tài)體系結(jié)構(gòu)和算法的開發(fā)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(jīng)形態(tài)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(jīng)元、2.56億個可編程突觸，形成一個網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，是近十年來相關(guān)領(lǐng)域研究取得的最重大進展?！罢姹薄毙酒瑢⒖赡芙o云服務(wù)、智能手機、機器人、物聯(lián)網(wǎng)、超級計算機等多個領(lǐng)域帶來重大變革。

仿生技術(shù)可大幅提高作戰(zhàn)能力

軍用仿生技術(shù)通過模仿生物系統(tǒng)的原理和特異功能，應(yīng)用到各類裝備中去，創(chuàng)造出了全新的技術(shù)途徑。軍用仿生技術(shù)的應(yīng)用不僅能夠提高武器裝備性能，還能夠極大拓展人類能力?！按蠊贰睓C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(zhàn)樣式、后勤保障模式等產(chǎn)生革命性變革。

基于人腦特征的全新計算架構(gòu)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(jīng)可以通過軍隊行軍70%～80%的地形，試驗型號可以背負重達數(shù)百千克的裝備，大大減輕了士兵負擔(dān)。此外，波士頓動力公司還開發(fā)了“獵豹”“野貓”“阿特拉斯”等仿生機器人?！鞍⑻乩埂睓C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(fù)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(qū)域的能力，能夠用于救援、偵察等多種任務(wù)。DARPA投資的“Z-Man”項目旨在依據(jù)生物學(xué)原理研制輔助攀爬工具，以讓作戰(zhàn)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(biāo)進行持續(xù)偵察、監(jiān)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(tǒng)技術(shù)和獨特推進控制技術(shù)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?！皺C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(jié)。

波士頓動力公司的“大狗”機器人

美國馬里蘭大學(xué)研制的輕型高仿真飛行器“機器烏鴉”，質(zhì)量只有9.7克，翼展0.34米，可攜帶近6克的有效負荷執(zhí)行偵察任務(wù)。微系統(tǒng)技術(shù)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(zhàn)場上擔(dān)負起偵察、目標(biāo)指示、通信中繼等角色。2011年2月，美國亞利桑那大學(xué)研發(fā)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(xué)學(xué)者揭示了昆蟲飛行的原理，基于這一原理可以設(shè)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(tǒng)能源格局

生物燃料技術(shù)利用生物質(zhì)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(zhàn)提供可替代的能源解決方案。未來，隨著生物燃料技術(shù)的發(fā)展及生產(chǎn)規(guī)模的擴大，生物燃料成本已經(jīng)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(shù)研究，并取得了多項突破。

2010年，美國海軍部與農(nóng)業(yè)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(zhàn)隊的生物能源目標(biāo)：到2020年，輪船、飛機、坦克、車輛和地上設(shè)備總能源消耗的50%為替代能源。2011年，美國總統(tǒng)奧巴馬宣布，美國農(nóng)業(yè)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(chǎn)替代型航空、航海生物燃料。美國生物燃料技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到第三代，其安全性、可靠性均已通過實際測試。美國已經(jīng)完成了在F-22戰(zhàn)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(dāng)前，美軍已經(jīng)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(jié)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(zhàn)、后勤保障等產(chǎn)生重大影響，有望實現(xiàn)戰(zhàn)場作戰(zhàn)能力的顯著提升，將極大顛覆未來作戰(zhàn)模式。

責(zé)任編輯：彭振忠