軍事“納米”：納米機器人的發(fā)展

劉煥松+于保中

在第一次海灣戰(zhàn)爭中，軍用機器人、軍用無人機第一次獲得公眾的廣泛關(guān)注，此后，這類技術(shù)得到長足發(fā)展，并出現(xiàn)了微型機器人、微型無人機。

如今，機器人新生代——納米機器人登場了——它應(yīng)用于軍隊、國土防衛(wèi)、醫(yī)療以及幾乎無限的其他應(yīng)用領(lǐng)域，但其形體極其微小：從沙粒大小到昆蟲、蜂鳥、知更鳥大小不等。最小的要算細微傳感器了，微型傳感器散布在小道、公路、田野之中，互相連接起來就形成了一個傳感器網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)人員、動物或者車輛穿過這些傳感器聯(lián)成的電子網(wǎng)絡(luò)時，每個微型傳感器報告的信息由一臺小型監(jiān)控主機進行匯總、分析處理，然后中繼至一個指揮所，警示作戰(zhàn)人員監(jiān)視網(wǎng)內(nèi)情況，并可根據(jù)物體大小、速度，甚至質(zhì)量進行“最佳猜測”識別。

再大一點的傳感器組件，大小從小甲蟲到蜥蜴不等，設(shè)計有機械腿或者細小翅膀或者推進器，爬行、飛行、跳躍，乃至滑行，進入建筑物、洞穴內(nèi)或者繞至墻壁之后，向操作員提供聲音、視頻、熱量感應(yīng)或其他數(shù)據(jù)。這些信息可以指示出是否有人存在以及人數(shù)，包括在一定距離內(nèi)的狙擊手，以便為進攻或者人質(zhì)救援作準備。此外，這些傳感器機器人也可裝備各種武器，從小型炸藥到裝有一系列非致命或致命化學(xué)藥品的皮下注射針等應(yīng)有盡有，自主執(zhí)行任務(wù)。

納米技術(shù)的發(fā)展?jié)摿?/h3>

納米技術(shù)涉及到原子級和分子級材料，直徑通常小于100納米（一米的十億分之一），具有特殊的電氣特性或化學(xué)特性，可應(yīng)用于計算機存儲器、半導(dǎo)體、生物技術(shù)、制造工藝、能源、發(fā)電、傳感器等。納米技術(shù)概念可以追溯到1959年諾貝爾獎得者、美國理論物理學(xué)家理查德·費曼的一篇關(guān)于小型化的潛在量子效益的論文。不過，可行的現(xiàn)實研究在10年之后才成為可能。1960年代末～1970年代初阿爾弗雷德·丘與約翰·亞瑟在貝爾實驗室發(fā)明了分子束磊晶技術(shù)，這使得科學(xué)家可以控制單原子層的沉積，從而最終可以制造納米級的設(shè)備。

在美國官方的公開記錄中，1999年3月，國家科學(xué)基金會高級顧問、比爾·克林頓總統(tǒng)納米技術(shù)委員會主席米哈爾·C.洛克博士提出的聯(lián)邦納米技術(shù)倡議，可被認為是美國政府納米技術(shù)工作首次公開亮相。白宮科學(xué)與技術(shù)政策辦公室下屬的科學(xué)與技術(shù)委員會發(fā)布了由國家科學(xué)技術(shù)委員會納米科學(xué)、工程設(shè)計與技術(shù)跨部門工作小組起草的第一份題為《納米結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)》的報告，成為洛克博士所言的“下一次工業(yè)革命”的真正發(fā)端。之后不久又發(fā)布了《納米技術(shù)研究方向》，2000年2月又發(fā)布了《國家納米技術(shù)倡議》。

在解釋克林頓政府2001年納米技術(shù)研發(fā)預(yù)算申請設(shè)想時，時任科學(xué)技術(shù)政策辦公室主任、總統(tǒng)科學(xué)與技術(shù)助理尼爾·F.萊恩說：“納米技術(shù)的發(fā)展是化學(xué)、物理、生物、工程、醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等多門學(xué)科發(fā)展的結(jié)果，必將促進21世紀科學(xué)技術(shù)大軍的跨學(xué)科教育。美國政府認為納米技術(shù)將對21世紀初的經(jīng)濟與社會產(chǎn)生深刻影響，也許可與信息技術(shù)、細胞生物學(xué)、遺傳生物學(xué)與分子生物學(xué)的影響匹敵。”

集“群”式納米機器人

隨著時代進入21世紀的第2個十年，納米技術(shù)的研究已經(jīng)觸及現(xiàn)代生活的方方面面，從計算機、通信到醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、軍事。納米技術(shù)的發(fā)展以不同形式、不同程度發(fā)生著巨變。

對于軍事領(lǐng)域來說尤其如此，納米技術(shù)的應(yīng)用潛力與基于納米技術(shù)的情報監(jiān)視與偵察、制導(dǎo)與追蹤、敵我識別、智能武器、精確殺傷、本土與戰(zhàn)區(qū)安全、通信、戰(zhàn)場醫(yī)學(xué)、假肢器官裝補學(xué)等隨時可以改變軍事生活、戰(zhàn)術(shù)技術(shù)與程序以及作戰(zhàn)方針的幾乎每一個方面。

納米機器人制造完成時不一定是納米級大小，但其由納米級部件組成，具有的非凡能力。實際上，一套基于納米技術(shù)的裝置可以完成B-2轟炸機與“亞布拉姆”主戰(zhàn)坦克能夠完成的任務(wù)。隨著納米技術(shù)不斷縮小裝備中部件的尺寸，設(shè)計者需要確定的是縮小最終部件或平臺的尺寸，還是保持原來尺寸而安裝更多的傳感器、計算機、武器等。

軍用納米技術(shù)中最可能的應(yīng)用是微型化情報監(jiān)視與偵察，因其產(chǎn)品微小，被稱為“智能沙?！被颉爸悄軌m?！薄＿@些應(yīng)用產(chǎn)品可以是一粒砂子大小的電子鼻（e-nose），能夠分析當(dāng)時環(huán)境、識別化學(xué)成分并向監(jiān)測系統(tǒng)報告。最終的監(jiān)測報告可以非常全面，因為能綜合來自成千上萬個電子鼻的數(shù)據(jù)，雖然每個采樣傳感器泡沫的監(jiān)測范圍只有幾英寸，但是串聯(lián)起來可以覆蓋一個區(qū)域，區(qū)域大小只限定于有多少可用的納米機器人或稱納米點。

試想，如果一個由智能沙粒組成的網(wǎng)絡(luò)中有各種不同的傳感器，將每個傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)融合，就會對一定范圍內(nèi)所發(fā)生的情況形成綜合、精確的實時圖像，而敵人卻根本不知道傳感器在哪里，而且對當(dāng)?shù)鼐用褚矝]有危險，這樣的方式將為己方展開行動具有無與倫比的優(yōu)勢。

在美國化學(xué)學(xué)會2010年7月的一篇論文中，一個來自美國、俄羅斯、德國、意大利等國的科學(xué)家組成的國際科學(xué)研究小組描述了他們?nèi)绾纬晒Φ刂圃煲桓凹{米帶”——一根單體契型氧化錫納米絲——用來模仿甚至有可能超過哺乳動物嗅覺系統(tǒng)的功能。

會飛的納米機器人

近年來，美軍在西南亞地區(qū)使用了一系列大多可手持發(fā)射的微型無人機，如“彈簧刀”、“蝗蟲”、“阿努比斯”、“烏鴉”等無人機，但它們不屬于納米級別。

當(dāng)前，美國國防高級研究計劃局與工業(yè)界正在致力于新一類的納米無人機的研制，其大小接近于昆蟲。其中有一種被稱為撲翼飛機，實際上就是使用了像昆蟲的撲翼的裝置。其他一些納米無人機大部分是微小的直升機。endprint

在海軍研究生院的一次演講中，空軍研究實驗室航空器部控制論資深科學(xué)家斯瓦·班達博士，描述了那些“飛墻走壁”的納米無人機的研究與應(yīng)用價值，那些納米無人機“不引人注目、會閃避、廉價但能干、可快速反應(yīng)、能持續(xù)行動而且有昆蟲般的靈敏性?！?/p>

納米飛行機器人最大的限制和頭號挑戰(zhàn)是比控制更難的機體的推進，需要尋找一個途徑將越來越多的機上用電裝到越來越小的電池中。使用目前的電源，充其量不過讓小型無人機飛行幾分鐘，而我們卻需要讓它們工作數(shù)小時。另一個較大的挑戰(zhàn)是實現(xiàn)可控的穩(wěn)定的撲翼飛行。

在懸停、有限電量和輕量化的限制條件下，很難制造出像鳥類和昆蟲這樣高度機動的仿生微型無人機。這需要非常復(fù)雜的算法，并使越來越大的機上信息處理裝置小型化。到2015年時，美國擬將能夠制造出對大規(guī)模殺傷武器偵測的鳥類大小的小型無人機。到2030年，一個非常雄心勃勃的目標是制造出昆蟲大小的微型無人機，具有對大規(guī)模殺傷武器偵測、跟蹤和目標鎖定能力，可以在對付智能對手的競爭性環(huán)境中單獨或者群集執(zhí)行任務(wù)。

開發(fā)中的納米機器人技術(shù)

目前，賓夕法尼亞大學(xué)正在一個稱為“自主機器人與移動傳感器可重組集群”的項目中研究這種平臺的應(yīng)用。維杰·庫馬爾教授稱，項目集中了人工智能、控制論、機器人技術(shù)、系統(tǒng)工程以及自然群集行為生物學(xué)方面的專家，其目的是要將受生物啟發(fā)的群集行為運用于工程系統(tǒng)中。

在美國乃至與各國合作的大學(xué)試驗室里，研究中的各種納米技術(shù)顯示了其巨大的潛力。這些納米技術(shù)及器件包括：

自體愈合金屬

納米結(jié)構(gòu)材料，比鋁合金結(jié)實10倍，設(shè)計用于“自體愈合”裂紋、彈孔等，目前正在由威斯康星州密爾沃基大學(xué)在美國陸軍120萬美元的資助下開展研究。

核酸機器人

合成的納米級裝置，如“DNA漫步者”，參與研究工作的有紐約大學(xué)、加州理工學(xué)院、杜克大學(xué)、普渡大學(xué)以及牛津大學(xué)。

定位納米裝配技術(shù)

來自4個國家10個機構(gòu)的23名研究人員集中開發(fā)定位控制鉆石機械合成技術(shù)，包括建立一個能夠制造鉆石形醫(yī)療納米機器人的納米工廠。

仿蛇機器人

軍用領(lǐng)域的研究重點大部分放在可以飛行、盤旋、爬行、跳躍、步行等的機器人上。當(dāng)前，納米技術(shù)可能帶來重大進步的一個方面是“身體波動”，即蛇的移動方式。例如，馬里蘭大學(xué)的研究人員相信這種移動方式“在某些情況下也許要比通常的有腿移動或輪式移動設(shè)計具有更重要的意義?！痹囅?，納米伺服器、納米液壓裝置、納米電源以及納米傳感器——所有這些裝入一個大小從作戰(zhàn)地帶土生土長的大型蛇到小至蚯蚓的機器人中——對作戰(zhàn)人員特別是特種作戰(zhàn)部隊非常有幫助。但是，制造起伏波動式移動的機器人面臨更多難題。

開源納米生物技術(shù)

繼采用有助于加快計算機系統(tǒng)發(fā)展的開源結(jié)構(gòu)之后，一種運用于納米技術(shù)的類似方法已提交聯(lián)合國，作為加速發(fā)展納米機器人的途徑。提議者稱，按倫理習(xí)慣，將開源結(jié)構(gòu)應(yīng)用于納米生物技術(shù)為后代建成一種“人類遺產(chǎn)”，可以加速和平發(fā)展。與此同時，軍隊已經(jīng)采用開放式體系結(jié)構(gòu)設(shè)計來加快新的能力添加進入并運行于傳統(tǒng)的平臺中，這一途徑將大大加快納米技術(shù)在跨越多種軍事系統(tǒng)與設(shè)備之間運用的速度。

如同1960年代和1970年代美國與蘇聯(lián)之間的“太空競賽”加速了從計算機技術(shù)到微波技術(shù)再到陶瓷技術(shù)的發(fā)展那樣，一場發(fā)展納米技術(shù)能力的全球競賽將會極大地推動納米技術(shù)的發(fā)展。

尤其是美國工業(yè)界早已行動起來，他們或單獨或合作將納米技術(shù)運用于多種產(chǎn)品中；醫(yī)學(xué)界也提出了多種運用納米技術(shù)的治療方法；政府向大學(xué)與實驗室投入了數(shù)十億美元來開發(fā)新的納米技術(shù)；金融機構(gòu)正在對納米技術(shù)研究進行戰(zhàn)略性投資，希望從未來納米機器人的商業(yè)化中獲利。在谷歌中搜索“nanotech patent”（納米技術(shù)專利），會返回一百萬條結(jié)果，反映出納米技術(shù)研發(fā)的速度與范圍。

以醫(yī)學(xué)為例，納米技術(shù)的應(yīng)用包括針對體內(nèi)特定細胞的靶向藥物傳輸系統(tǒng)、生物醫(yī)療手術(shù)器械，以及改變藥物代謝動力學(xué)（研究身體對藥物的反應(yīng)）與藥效學(xué)（研究藥物對身體的反應(yīng)）性質(zhì)技術(shù)。

在未來的醫(yī)療應(yīng)用中，非自我復(fù)制的納米機器人將注射進患者身體，以修復(fù)細胞或者預(yù)防細胞損傷。雖然這種能力目前仍處于理論研究階段，但納米技術(shù)發(fā)展的速度會在10年之內(nèi)就將其交到醫(yī)生手中。這種快速的細胞級療法在很多方面可能會產(chǎn)生明顯的好處，如戰(zhàn)場上處理戰(zhàn)士傷口、治療民眾疾患。

納米技術(shù)更廣泛的軍事應(yīng)用

今天的地面作戰(zhàn)士兵所面臨的最大問題之一是，沒有足夠的電池與充電設(shè)備來完成一個不確定時長的任務(wù)，而他們需要使所有廢電池可以重新使用而不是就地處置。

2010年，位于俄亥俄州的納米技術(shù)設(shè)備公司研究人員展示了一種打破所有蓄電和再充電記錄的基于納米石墨烯的超級電容器。項目負責(zé)人博爾·詹稱，該設(shè)備可以儲存相當(dāng)于一塊鎳氫電池的電量，但再充電只需幾秒鐘時間。另外，其單位能量密度達到至今各類電池的最高能量值。

此外，研究人員正在研制一種納米材料，這種材料可以用作輕便的個人防護服。這種織物鑲嵌有靈敏的納米機器人，可以在戰(zhàn)場上自我修復(fù)，并對天氣變化作出反應(yīng)，當(dāng)需要為作戰(zhàn)人員降溫或者加溫時即從多孔透氣與無孔不透氣之間轉(zhuǎn)換。這種材料輕便、結(jié)實、耐火，防化學(xué)、生物與放射性物質(zhì)，防水并且吸濕。

由于有靈敏的納米機器人遍布整個作戰(zhàn)服，還可以讓其中一些納米機器人來給作戰(zhàn)人員的裝備供電，而這些裝備本身也由于納米技術(shù)而變得更輕和更通用。這些裝備可能包括班內(nèi)通信和遠距離通信裝置、頭盔式視頻顯示器、足夠滿足任何任務(wù)（或者個人）需求的數(shù)據(jù)儲存裝置，以及望遠鏡、顯微鏡、紅外裝置和全色譜瞄準鏡等專用圖像增強裝置。此外，還可能包括與外部傳感器如智能砂粒、昆蟲大小的無人機/無人車等的集成裝置，加上數(shù)據(jù)融合，可為作戰(zhàn)人員提供對任務(wù)成功和個人生存至關(guān)重要的實時態(tài)勢感知信息。

與此同時，國防高級研究計劃局也正在尋求納米技術(shù)如何運用于人工智能的開發(fā)中。如果真正的人工智能的關(guān)鍵是復(fù)制人類大腦，它擁有約1千億個神經(jīng)元和100萬億個神經(jīng)鍵，那么納米技術(shù)是至關(guān)重要的智能技術(shù)。人工智能的關(guān)鍵是憶阻器，它是一種新的納米級電路元件，是一種具有記憶能力的電阻，即使沒有外在電源，仍然可以長期保留資訊。憶阻器與大腦神經(jīng)元行為存在毋庸置疑的相似性，憶阻器對于國防高級研究計劃局在芯片上模擬大腦中神經(jīng)元處理信息的“模塊化神經(jīng)探索搜索主體”項目非常重要。

國防高級研究計劃局的另一相關(guān)項目稱為“神經(jīng)形態(tài)自適應(yīng)塑料可伸縮電子系統(tǒng)”，其旨在提供一種與大腦神經(jīng)元和神經(jīng)鍵相當(dāng)?shù)碾娮友b置，帶有促使更快存儲與計算能力可能達到人工智能水平的憶阻器。

納米技術(shù)應(yīng)用展望

從應(yīng)用的范圍和潛力方面講，無論是軍用還是民用，納米技術(shù)的未來是不可估量的，正如美國阿拉巴馬大學(xué)納米材料研究小組主任尼迪·喬普拉教授在其論文《研制下一代納米級異晶結(jié)構(gòu)》中的總結(jié)：

“由于其不同的功能，高表面積與體積比，納米結(jié)構(gòu)對于化學(xué)和生物傳感器、醫(yī)療設(shè)備、觸媒、光電材料和納米元件非常重要。多種材料選擇加上不同的合成策略，產(chǎn)生了不同形態(tài)的納米材料，如納米級薄膜、納米線、納米管、納米帶、納米粒子、和納米多孔結(jié)構(gòu)等?！?/p>

“這種多功能的和多成分分層的異晶結(jié)構(gòu)是非常有用的，必將在許多方面影響我們的生活，從汽車到納米電子技術(shù)。”