外軍軍事醫(yī)學前沿技術與裝備研究

李 鵬，刁天喜，吳 東

外軍軍事醫(yī)學前沿技術與裝備研究

李 鵬，刁天喜，吳 東

介紹了外軍軍事醫(yī)學與裝備年度發(fā)展概況，分析了外軍軍事醫(yī)學與裝備年度發(fā)展特點，重點分析了該領域出現的新概念、技術和裝備,得出了相關技術發(fā)展趨勢以及可能的軍事意義，以期對軍隊相關裝備的研究起到一定的啟示作用。

外軍軍事醫(yī)學；技術裝備；前沿領域；情報分析

0 引言

科學技術的進步是裝備戰(zhàn)技術指標提升的根本動力，科學技術驅動裝備更新換代。因此，跟蹤研究裝備研發(fā)領域中的前沿理論和技術等相關最新科技成果，對于指導裝備發(fā)展、提升裝備戰(zhàn)技術指標和性能至關重要。

1 外軍軍事醫(yī)學與裝備發(fā)展概況

軍事醫(yī)學技術是指能維持、改善和提高部隊戰(zhàn)斗力的相關技術。隨著生物交叉技術、生物材料技術、聚合技術的出現和發(fā)展，軍事醫(yī)學技術的研究對象范圍已大大擴展，部隊人員、后勤裝備和武器裝備等都是其研究對象。軍事醫(yī)學技術推動裝備的發(fā)展主要表現在2個方面：一方面，相關軍事醫(yī)學技術能直接提高或增強武器裝備的戰(zhàn)技術性能和指標；另一方面，相關軍事技術能提高戰(zhàn)場作戰(zhàn)單兵的綜合能力和素質，進而改變作戰(zhàn)模式和方式。近年來，國外在裝備發(fā)展領域出現了許多新概念、技術、材料和工藝等，總結起來主要有以下幾方面。

1.1 技術出現領域

2012年，美國防部高級研究計劃局（defense advanced research projects agency，DARPA）提出“思維頭盔計劃”，該計劃的目的是通過讀取和識別人腦電波，開發(fā)出能輔助戰(zhàn)場士兵決策的裝備；2013年，DARPA提出“阿凡達計劃”，目的是打造一支可人腦遠程控制、“零傷亡”的機器人作戰(zhàn)軍團；同年，DARPA在其2012—2013財年預算中列入一項預算金額為400萬美元的預研科技項目——“心理幻覺武器”，目的是操縱對手的感官知覺，從而取得戰(zhàn)爭勝利；同年，荷蘭研究人員還進行了“防彈皮膚”生物材料工藝的研究，未來防彈裝備研發(fā)領域將出現新的突破。

1.2 技術突破領域

美國科羅拉多大學研究人員利用特殊植物在受到萜烯類化合物釋放物激發(fā)時作出反應的原理，設計能夠用來反恐的植物；埃及研究人員在植物指示潛在威脅和細菌排雷研究領域取得了重要進展；美國愛荷華州立大學研究人員發(fā)現了蜘蛛絲在導電方面具有的獨特優(yōu)越性；麻省理工學院的研究人員利用深海細菌吸收弱光的強大能力，研制“太陽能細菌電池”；DARPA啟動基因改造計劃，目的是通過基因選擇和修改技術打造可以連續(xù)數天不吃飯和具有斷肢再生功能的“超級戰(zhàn)士”；仿生機械領域出現了很多新產品，如病原菌偵查機器人、撲翼機器人等。

1.3 技術應用領域

2012年，毫米波遠程生物特征識別和跟蹤系統（millimeter wave remote biometric identi-fication and tracting，MMWRBIT）取得突破，它能幫助識別可疑敵方人員和恐怖分子，該系統于2012年10月開始部署于美國各重大安全領域；由美國國家航空航天局和佛羅里達州人機認知機器研究所共同開發(fā)的太空機械外骨骼取得成功，并將很快應用于航天領域；法國研發(fā)出一種名為Second-Sight的立體式遠程攝像監(jiān)測儀，可實時監(jiān)控任何有毒工業(yè)氣體或者化學氣體的泄露，并能提供及時預警。

2 外軍軍事醫(yī)學與裝備發(fā)展特點

近幾年，軍事醫(yī)學技術在裝備研發(fā)領域的技術成果主要表現在進行人體效能提升、開發(fā)智能化戰(zhàn)場輔助裝備、進行裝備微型化電池基礎研究、研制微型仿生偵查裝備、發(fā)展仿生偽裝材料等，歸納起來主要表現在以下3個方面。

2.1 開辟新的模式，著力提升人的能力

機器人一直是裝備研發(fā)的一個重要領域，如偵查機器人、救護機器人、后送機器人等。2012年，DARPA第一次提出將機器人用于未來作戰(zhàn)，即作戰(zhàn)機器人，其作戰(zhàn)指令來自人腦，相關技術為人腦遠程控制技術，該設想的提出改變了人們對未來戰(zhàn)場和未來作戰(zhàn)模式的認識。在提升人的能力方面，開發(fā)具有腦電識別和決策功能的思維頭盔、研制功能更多的機械外骨骼等，目的是最大限度地提升戰(zhàn)場作戰(zhàn)人員的綜合能力和素質。而通過基因技術打造的“超級戰(zhàn)士”，則是從人體基礎機能上提升單兵的能力和素質。

2.2 著眼裝備模塊，提高裝備戰(zhàn)技術指標

笨重的電力保障模塊一直是制約裝備輕型、便攜化發(fā)展的主要因素，因此，發(fā)展功率大、體積小、質量小的新型電池組成為解決裝備輕型便攜化發(fā)展問題的關鍵。新型微生物電池具有小巧、輕便等特點，成為該領域關注的焦點。目前，美軍依靠麻省理工學院等知名高校進行了前期基礎研究。研究人員也積極探索蜘蛛絲在軍事領域的應用，如防彈背心、抗菌殺毒、船舶羽翼等。蜘蛛絲的導電特性在裝備電子系統領域的應用主要表現在2個方面：一方面，可以提升裝備電子系統的性能；另一方面，可替代傳統金屬材料，達到降低裝備質量的目的。

2.3 加強仿生技術研發(fā)，注重裝備靈活機動

仿生技術是工程技術與生物技術相結合的交叉學科，其研究對象是自然界中的各種動物。目前，對仿生技術的研究主要涉及2個領域：一個是仿生材料，另一個是仿生機械?！胺缽椘つw”是一種通過將蜘蛛絲與山羊奶混合而制造出的比Kevlar纖維還要堅固的山羊蜘蛛絲織物將其與人類皮膚混合，可以獲得具有防彈功能的材料。仿生機械方面，通過模擬魚類利用腹鰭擺動而在水中前行的原理，既能研制出適合在近岸淺海處進行偵查的水下裝置；又能研制出模仿蜜蜂、撲翼等不受氣流影響而在空中長時間停留的微型無人偵察飛行器。

3 外軍軍事醫(yī)學與裝備發(fā)展重點

3.1 人腦控制技術

人腦遠程控制技術實施的目的是打造一支可人腦遠程控制的機器人作戰(zhàn)軍團。其技術原理是：以人腦電信號為信息載體，通過直接采集來自大腦的神經元信號，并將其轉換為機器人能識別的輸出指令，然后將輸出指令通過腦機接口傳遞給戰(zhàn)場作戰(zhàn)機器人，以實現對遠程作戰(zhàn)范圍內機器人的控制[1-2]。人腦遠程控制技術提出的背景源于美軍“技術制勝”的軍事戰(zhàn)略思維，由美國防部于2013年3月份提出，項目名稱為“阿凡達計劃”。人腦遠程控制技術涉及神經科學、計算機、生物工程、人工智能、傳感器等多個領域和“讀腦卡”、“操控術”等多個技術環(huán)節(jié)[3-4]。該項研究最初是以老鼠、猴子等為研究對象[2]，通過采集和識別其腦電波，然后完成相應的動作指令，如圖1所示。

圖1 腦控技術原理及示例

同時，一項由美國國立衛(wèi)生研究院、美軍海軍研究所和DARPA共同資助，麻省理工學院林肯實驗室負責的“植入式腦機接口葡萄糖燃料電池”項目實驗也取得成功，解決了未來人機接口的電力保障問題，如圖2所示。

圖2 植入式腦機接口葡萄糖燃料電池

“阿凡達計劃”的提出從根本上轉變了人們對未來戰(zhàn)爭模式的思考。因此，腦控技術、神經接口技術等都將是軍事醫(yī)學領域未來的研究重點，加快進行該領域的基礎研究是取得未來戰(zhàn)爭主動，贏取戰(zhàn)爭勝利的關鍵。

3.2 裝備電池模塊

新型微生物電池是指選擇病毒和細菌類中的有益且對人體無害的微生物，利用其強大的繁殖和復制能力，通過基因工程設計而產生強壓電效應，進而產生電量[5]，其功能結構如圖3所示。

圖3 微生物電池功能結構

微生物電池具有小巧、輕便等優(yōu)點，能解決單兵在行進和作戰(zhàn)過程中碰到的設備電力裝備數量多、體積大等缺點，從而減輕通信類電子裝備電力模塊的質量，提高作戰(zhàn)效率。該項研究由美國陸軍研究辦公室協作技術研究所和美國國家科學基金會資助，麻省理工學院負責技術研發(fā)，并取得了一定成果[6]。2009年4月，麻省理工學院的研究人員利用M13噬菌體以及碳納米管研制出一款“病毒電池”；2012年，麻省理工學院的研究人員利用深海細菌吸收弱光的強大能力，開始嘗試研制“太陽能細菌電池”[5]；美國宇航局設計了一種利用芽孢桿菌發(fā)電的方案，利用微生物中的芽孢桿菌來處理尿，生產出氨氣，以氨作為電極活性物質，就得到了微生物電池，這樣既處理了尿，又得到了電能[7]，如圖4所示。

圖4 可發(fā)電的芽孢桿菌

3.3 仿生偵查裝備

仿生機械技術是指模仿動物爬行、昆蟲飛行以及魚類潛水的原理，研制出一類能在復雜環(huán)境和地域中執(zhí)行偵查、探測任務的機械動力裝置。仿生微型無人飛行器是指一種模仿昆蟲、鳥類的飛行原理，能在空中長久停留，具有潛在軍事偵查功能的無人飛行裝置。2011年2月，研究人員研發(fā)出一種既能在空中長久停留，又不受氣流影響，模仿鳥類及蜜蜂飛行的無人駕駛飛行器，如圖5所示。

2011年8月，英國牛津大學科學家設計出革新性的撲翼用于制造仿昆蟲微型飛行器。該研究成果引起了北約、美國空軍和歐洲宇航研發(fā)辦公室的關注，如圖6所示。如果取得突破，其將在軍事偵查、危險因素探測等領域發(fā)揮巨大的作用。仿生偵查裝備以其小巧、靈活的優(yōu)點成為偵查、探測裝備研發(fā)領域的一個熱點。

圖5 蜜蜂及飛鳥類無人飛行器

圖6 撲翼微型飛行器

3.4 生物工程防彈材料

防彈材料研究是裝備研發(fā)領域的重要方向。研究人員嘗試利用蜘蛛絲的物理化學特性，通過一定的設計和加工得到堅固度非常高的材料，然后將該材料與人類皮膚混合而得到“防彈皮膚”新材料。該材料不僅能作為裝備的防護材料，而且極有可能作為皮膚組織植入人體。“防彈皮膚”屬于人造皮膚的一種，人造皮膚最初的需求背景源自對燒燙傷和戰(zhàn)傷受損皮膚進行尋找合適的皮膚組織時遇到的痛苦和困難，其概念最早由醫(yī)學家伯克于1981年首先提出。發(fā)展到現在，人造皮膚已經不再僅僅滿足于組織再生功能，其功能得到無限的擴展，例如，皮膚可拉伸、具有觸覺感知，甚至具有防彈功能。這項名為“蜘蛛絲工程”的研究項目是由荷蘭法醫(yī)基因組學聯盟支持的，又名“2.6 g 329 m/s工程”，目的是通過將山羊奶與蜘蛛絲材料混合，制造出10倍于鋼鐵硬度、4倍于防彈背心所用的Kevlar纖維堅固度的山羊蜘蛛絲織物，然后將該織物與人類皮膚混合，從而獲得具有防彈功能的皮膚。“2.6 g 329 m/s”是指點22口徑步槍子彈的質量和速度，因此該“防彈皮膚”的要求就是能阻止速度在329 m/s內的子彈穿過，如圖7、8所示。

圖7 子彈擊中前瞬間

圖8 子彈被阻止在皮膚材料內

未來“防彈皮膚”將會在防護背心、防護頭盔等防彈裝備研發(fā)領域展示出很大的應用潛力和價值，如果“防彈皮膚”能植入人體組織，還可以將蜘蛛絲的基因與人的基因進行結合從而打造出“防彈人”。

3.5 遠程生物識別技術

遠程生物識別技術是借助紅外穿墻雷達、多普勒和電子傳感器等設備，對人體自身發(fā)出來的生命信號，如心跳、呼吸以及紅外輻射等進行人員發(fā)現和生命跡象探測的技術。該項目由阿貢國家實驗室和美國西北大學共同研制，是第一個基于毫米波技術的人體心跳、呼吸和身體運動的遠程識別和跟蹤系統，具有便攜、遠程監(jiān)測、反應時間短、環(huán)境適應能力強等優(yōu)點，可用于生物安全識別、戰(zhàn)場傷員鑒別分流、災后搜索重要生命跡象、監(jiān)測患者的心臟狀況和行動。2012年4月，MMWRBIT取得突破，毫米波遠程生物識別和跟蹤是一種利用毫米波信息容量大、抗干擾性好、靈敏度高的優(yōu)點，通過對人體各項生理參數和指標進行識別和跟蹤，以達到對人體各項行為舉止進行實時監(jiān)控目的的技術，如圖9、10所示。

圖9 系統工作狀態(tài)

圖10 系統結構和應用領域

4 結語

通過分析軍事醫(yī)學技術當前研究領域和研究重點，可以看出加強前沿技術創(chuàng)新研究是取得技術領先的關鍵，美軍“阿凡達”計劃一經提出便引起廣泛關注，未來隨著腦機接口、腦控、神經接口等理論和技術的發(fā)展，必然會催生新的作戰(zhàn)理念和作戰(zhàn)方式。首先，應做好頂層設計，進行前沿技術研究，這是贏取主動、取得戰(zhàn)爭勝利的關鍵。其次，提升裝備偽裝防護能力也是研發(fā)設計中不可忽略的方面。裝備的生存能力主要體現在裝備的偽裝防護和抗炮火攻擊2個方面。偽裝防護能力體現在最大程度避免被偵查到，抗炮火攻擊能力則體現在被發(fā)現后最大程度地減少裝備損毀。美軍陸軍研究辦公室、海軍研究辦公室、空軍研究辦公室都特設有裝備防護材料研究小組，目的是研究如何將最新的技術、材料和工藝運用到裝備的生存防護能力上。最后，應依靠高校進行基礎研究。在美軍所有的研究項目中，83%左右都是在軍方的資助下，由麻省理工學院、哈佛大學等研究實力較強的高校完成，特別是基礎性研究和軍民兩用性研究，基本都是交給地方大學完成。因此，我們要轉變研究思路，充分利用地方高校硬件實力強、人才隊伍綜合和科研思路創(chuàng)新的優(yōu)點，積極進行前沿基礎研究。

[1]Vallabhaneni A.Brain-computer interface[J].A Vallabhanenietal，2011，3：85-122.

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[3]Burns J.Brain waves can cut braking distance[EB/OL].（2011-07-29）[2012-10-19].http：//www.bbci.de/.

[4]Wolpaw J R，Birbaumer N，McFarland D J，et al.Brain-computer interfaces for communication and control[J].Clinical Neurophysiology，2002，113：767-791.

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[6]Christopher J.Brigham bacterial carbon storage to value added products[J].J Microbial Biochem Technol，2011，S3：1-13.

[7]Tervest M A Li.Development of bacteria-based cellular computing circuits for sensing and control in biological system[M].Washington DC：Biomolecular Information Processing，2003：256-277.

（收稿：2013-08-17 修回：2014-03-04）

（欄目責任編校：邢 楠）

Study on frontier technologies and equipment of foreign military medicine

LI-Peng,DIAO Tian-xi,WU Dong
(Institute of Health Service and Medical Information,Academy of Military Medical Sciences,Beijing 100850,China)

The annual development of foreign military medicine and equipment is introduced,and some new concepts, technologies and equipment emerging in this year are analyzed to make clear the trends and military significances of the technology and equipment,so that the military medical equipment can find references for its future development.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（11）：109-112]

foreign military medicine;technology and equipment;frontier;intelligence analysis

R318；R82

A

1003-8868（2014）11-0109-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.11.109

總裝基礎管理中心（JDJYS20121）

李 鵬（1983—），男，博士，助理研究員，主要從事情報追蹤、分析與發(fā)展戰(zhàn)略研究方面的工作，E-mail：58301561@qq.com。

100850北京，軍事醫(yī)學科學院衛(wèi)生勤務與醫(yī)學情報研究所（李鵬，刁天喜，吳 東）