世界軍用生物交叉技術發(fā)展淺析

劉杰　王韜　張麗平

當前，世界軍用生物交叉技術發(fā)展速度明顯加快。美國國家科學院、工程院與醫(yī)學院發(fā)布《保護生物經濟》報告，展望生物交叉經濟發(fā)展趨勢及相關風險。美國蘭德公司發(fā)布《腦機接口：軍事應用與影響的初步評估》報告，探索腦機接口技術在當前和未來的作戰(zhàn)價值、相關弱點與風險，以及技術部署之前應制定的政策規(guī)范。歐盟委員會發(fā)布《生命科學中的跨技術方法交叉發(fā)展》報告，旨在指導和促進生物科學中的交叉技術發(fā)展。俄羅斯、亞太地區(qū)多國重視軍用生物交叉技術發(fā)展。

各國積極探索生物計算新概念新技術

生物計算是當前推進軍用生物交叉技術創(chuàng)新的基礎性使能技術。通過大規(guī)模、多類型的數(shù)據(jù)和信息的存儲、管理、獲取和計算技術支撐，生物計算技術為軍用生物交叉技術創(chuàng)新提供必要、高效的數(shù)據(jù)支撐。以美俄為首的軍事強國正通過多個項目推動生物芯片和生物存儲技術研究。

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與多國科學家合作，提出了一種“憶阻性神經混合芯片”的概念，這種芯片可用于緊湊型生物傳感器和神經假體。該概念是基于神經細胞和微流體技術組合的前瞻性解決方案，這種解決方案使“空間有序活動神經網(wǎng)絡”的植入成為可能。

美國利用蠶絲蛋白實現(xiàn)高容量生物存儲。2020年8月，美國紐約州立大學石溪分校與德州大學奧斯汀分校等高校合作，實現(xiàn)了基于蠶絲蛋白的高容量生物存儲技術。這種存儲技術以生物兼容性好、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，近場紅外納米光刻技術作為數(shù)字信息寫入方式。

生物傳感技術實用化程度不斷提高

生物傳感是使用對生物物質敏感的傳感器將物質濃度轉換為電信號進行檢測的技術，主要實現(xiàn)感受、觀察、反應三個功能，廣泛應用于醫(yī)學、生物芯片、環(huán)境檢測、軍事監(jiān)測等領域。美國等軍事科技強國正著力推動生物傳感技術向著實用化方向邁進。

美國研發(fā)新型生物傳感材料實時監(jiān)測環(huán)境變化。2020年6月，美國塔夫茨大學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構從而實時進行生物分子的局域化檢測。當周圍環(huán)境發(fā)生變化或釋放特定分子時，具有生物活性的傳感材料可以與之發(fā)生反應，從而發(fā)生顏色變化。

美DARPA持續(xù)推進水生生物傳感器項目以監(jiān)視水下區(qū)域。2020年9月，美國防高級研究計劃局（DARPA）持久性水生生物傳感器（PALS）項目進入第二階段，預計將持續(xù)到2021年11月。該項目于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，并對其進行解釋，以識別、表征和報告在戰(zhàn)略水域作業(yè)的有人/無人潛水器。這種技術將增強美國現(xiàn)有的基于硬件的海上監(jiān)視系統(tǒng)的能力，極大地擴展美軍水下監(jiān)視能力的范圍、靈敏度和壽命。

美DARPA設立仿生海岸防護項目強化沿?；?。2021年6月，DARPA在2022財年申請預算中新增仿生海岸防護項目，該項目以持久性水生生物傳感器項目積累的技術為基礎，旨在開發(fā)人造與生物混合的、具有可持續(xù)性的珊瑚礁結構，為美國在低洼沿海地區(qū)的基地提供防護。

持久性水生生物傳感器項目概念圖

腦機接口技術熱度猛增，前沿突破持續(xù)涌現(xiàn)

腦機接口是指在人或動物大腦與外部設備之間創(chuàng)建直接連接，實現(xiàn)大腦與設備信息交互的技術。腦機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國及創(chuàng)新型企業(yè)的高度關注，并取得了一系列突破性成果。

美國使用極細微型導線傳遞腦電信號。2020年3月，美國斯坦福大學的研究人員開發(fā)出一種新設備，可以將大腦直接連接到硅芯片上。該設備將一束比人類頭發(fā)還細的微型導線插入大腦，并將導線直接連接到外部硅芯片上，芯片可以記錄通過每根導線傳遞的腦電信號。與現(xiàn)有設備相比，該設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)膜細胞上進行了測試，得到了有意義的信號。

美國通過腦機接口傳遞視覺信息，幫助盲人恢復視力。2020年5月，美國貝勒醫(yī)學院的研究團隊在國際頂級期刊《細胞》上刊登了一項研究成果，通過腦機接口技術，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，恢復視力。

美空軍利用腦機接口提取腦信號確定人腦學習狀態(tài)。2020年10月，美空軍研究實驗室宣布，與微軟研究院、麻省理工學院林肯實驗室等多個行業(yè)合作伙伴共同開發(fā)“個性化神經學習系統(tǒng)”，創(chuàng)建人腦和計算機之間的接口，通過實時提取腦信號和其他生理數(shù)據(jù)確定人腦學習狀態(tài)，以提高飛行員學習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接口實驗。2021年4月，美國布朗大學的研究人員展示了人類首次使用高帶寬無線腦機接口的場景。該系統(tǒng)可以以單神經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)進行物理綁定。這是邁向完全可植入皮質內腦機接口系統(tǒng)的重要一步。

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

蘭德公司《腦機接口：軍事應用與影響的初步評估》報告封面圖

Festo 公司開發(fā)的仿生雨燕

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

軍用生物交叉技術發(fā)展特點分析

軍用生物交叉技術是未來科學技術的戰(zhàn)略制高點。目前世界公認的四大科學難題包括生命起源、意識本質、物質結構和宇宙演化，軍用生物交叉技術與前兩者都有著密切的關系，是世界軍事強國紛紛發(fā)力搶占的戰(zhàn)略制高點。未來，軍用生物交叉技術將參照生物有機體的運轉方式，實現(xiàn)生命的半合成、生命組成的高效利用和認知記憶思考等高級神經功能的有意義解析。具有戰(zhàn)略監(jiān)測、自主可控等國防應用價值的合成生物體，將成為實驗室研究層面的熱點，而讀腦、仿腦、控腦、腦控等技術將在特定場景得到應用。

軍用生物交叉技術未來發(fā)展勢頭迅猛。作為軍事顛覆性技術突破的重要來源，軍用生物交叉技術正在向大融合、大交叉、大突破的方向發(fā)展，尤其是與機器學習、人工智能、高性能計算、微納制造、認知神經等方法和工具結合之后，軍用生物交叉技術進入了發(fā)展上升期和戰(zhàn)略機遇期，并將在軍事領域產生巨大的應用價值。目前已成為世界軍事強國重點投資的國防關鍵技術，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)變革產生重要影響。

軍用生物交叉技術將成為未來新興軍事科技力量。以神經科學與腦科學、生物傳感與生物計算、仿生材料與仿生機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)機能，以適應信息化戰(zhàn)爭下的精確戰(zhàn)、軟殺傷對軍事科技的新要求。未來，軍用生物交叉技術將在新型武器裝備目標識別和敵友判斷、智能定向武器偵察監(jiān)視傳感器、后勤保障裝備能源供給、大型生物計算機研制、未來戰(zhàn)士單兵可穿戴設備、生命體組織修復和戰(zhàn)場救護等多個領域大顯身手。

責任編輯：張傳良