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    生物技术的发展及其在军事领域的应用

    时间:2022-06-07 10:47:17 来源:达达文档网 本文已影响 达达文档网手机站

    生物技术的发展及其在军事领域的应用

      围绕脑机接口技术、仿生技术、会聚技术的发展与应用,生物技术已经在军事领域得到了广泛的应用。近年来,以美国为代表的世界军事强国高度重视生物技术的发展,已在生物材料、仿生装备、生物计算等多个领域取得重大突破。在生物技术这一新兴领域,谁先抢占先机和主动,谁就能谋求更大、更长远的优势,谁就能在国际军事竞争中占据主动。

      一、生物技术在军事领域的应用前景

      生物技术是指以现代生命科学为基础,结合其他基础学科的科学原理,采用先进的工程技术手段,按照预先设计来改造生物体或加工生物原料,为人类生产出所需产品或达到某种目的。当前生物技术的专业研究,综合了基因工程、分子生物学、生物化学、遗传学、细胞生物学、胚胎学、免疫学、有机化学、无机化学、物理化学、物理学、信息学及计算机科学等多学科、多领域的技术。

      生物学的研究对象是宇宙特定演化阶段的产物,即便是最简单的单细胞生物,也包含有38亿年的丰富演化信息。漫长的演化过程,赋予生物体既具有制造各种极端复杂事件的能力,也具有应对各种极端复杂势态的能力。每一种生物物种,都是在经历多种复杂“进化战争”后才脱颖而出的。早在农耕时代,人类就已经开始挖掘并利用生物中所蕴含的军事价值,并通过借用生物有机体以达成某种特定的训练或作战目的,如驯养战马以打造高速机动的骑兵,驯养信鸽以充当传递情报的工具等。近代以来,生物概念原理的运用重点,转移到借用生物进化获得结构和功能原理上来,侧重对鸟类飞翔、鱼类沉降、蝙蝠和海豚超声定位、斑马伪装、苍蝇楫翅等生物优势功能的功能性仿生。虽然生物体不能承受超高温、超高压、超高磁等极端物质条件,也不具备承担特定的高强度任务的作战性能,但将生物体的整体作为军事科技手段,理论上会产生与单一运用物质、能量或信息行为截然不同的效果。生物技术与工程机械、纳米科学、信息科学、材料科学等学科融合交叉,在分子生物机器人、生物电池、生物材料、生物传感、生物制造、生物仿生、生物计算、生物密码、脑机接口等诸多领域不断掀起创新热潮。

      生物技术的迅猛发展及其在军事领域的广泛应用,使人和武器装备完美结合,武器装备在一定意义上成为人身体延伸出的一个“特殊器官”,发挥最大的作战效能。例如,脑机接口技术通过采集大脑皮层神经系统活动产生的脑电信号,经过放大、滤波等多种方法,将其转化为可以被计算机识别的信号,即利用人的意识去操纵机器。近年来引人注目的人体机能增强剂、心理武器、神经武器等新概念生物武器,将生物概念原理在军事领域的应用全面扩展到冲突主体和冲突对象。

      美军已将生物技术列为重点资助和发展的八大战略领域之一。美国陆、海、空三军在《陆军科学规划与战略报告》《海军科技战略规划》《空军科技战略》等规划战略中,均将生物技术列为投资重点。美国陆军于2003年成立陆军联合生物技术研究所,专门负责推动陆军生物技术研发,开展合成生物学、认知神经科学等研究。美国陆军研究实验室正在研究利用最新的神经科学技术来检测大脑状态,以改善理解能力、目标感知和决策能力。到2030年,传感器将嵌入到士兵头盔和衣物中,监测士兵的大脑信号和生命体征。陆军医学研究与装备司令部正在研究伤口愈合技术,包括开发可注入士兵血液中的人造血液。

      美国国防部高级研究计划局从2003年开始在战略规划中将生物技术列为优先发展的重点之一,并于2014年4月宣布设立生物技术办公室,提出将合成生物学、重大传染病和神经功能研究作为最具潜力的军事生物技术领域,实施“防止工程生物学技术突袭”计划,目的是研究使士兵保持最佳战斗力以及迅速、全面恢复战斗力的新技术。相关项目包括高科技机器人假肢,以及植入士兵大脑以帮助士兵在受伤后恢复记忆的设备。美国国防部高级研究计划局于2016年1月公开宣称开展一个名为“神经工程系统设计”的前沿性研究项目,目的是开发出一种可植入人体的神经接口,实现人脑与电脑的直接联接。具有高级人工智能的战略战役级战争研判系统,以及复合有高级信息处理功能、全能型“未来战士”,通过偶联新一代武器装备,将系统提升或削弱作战主体(对手)的态势感知、决策能力、作战机能和效果评估。美国国防部于2017年成立国防科学委员会生物学特别工作组,重点关注有望在2040年前实现突破的生物技术。俄罗斯的“未来保卫者”综合项目,旨在重点发展先进医学、集成生物系统和军事仿生学等。

      除了脑机接口技术,动力外骨骼技术同样是世界各国在军事领域应用生物技术的聚焦热点。在外骨骼的辅助下,使用者将如同电影中的钢铁侠一般拥有强大的力量,甚至可以将武器装备和护甲等直接“穿戴”在身体上,从而大大提升单兵的作战能力。

      生物技术具有自然性、社会性、可持续性等特性,可综合作用于作战主体、武器装备、战场环境、人-武器-环境耦合等战斗力生成主要素,既可以作为配角支撑武器装备研发和后勤保障,也可通过精确影响特定参战对象的身份与意识、战争环境或者削弱武器装备的性能,将战争化为隐形的跨域战。当前,生物技术的军事应用已经扩展到武器操作、战场感知、新概念武器等诸多领域,应用于基因武器、信息探测、军事生物材料、伪装隐身等方面。生物技术在军事领域的应用主要集中在三个方面:

      一是提高己方的战场认知和作战决策能力。借助生物技术提高军人的认知能力,将有力提升其信息理解力和判断决策力,从而使作战人员发挥出最佳状态。有些国家已经研究出具有特殊功能的感应器,作战人员通过此类感应器即可读取彼此的意识传递,有效提升复杂危险战场的沟通能力。生物特征识别是以人体惟一的生物特征(如指纹、虹膜、脸部、掌纹等)为依据,采用计算机的强大功能和网络技术进行图像处理和模式识别,用以鉴别人的身份。它具有安全、保密、方便、不易遗忘、防伪性能好、不易伪造或被盗、随身“携带”和随时随地可用等优点。近年来,随着模式识别、图像处理和信息传感等技术的不断发展,生物特征识别技术在军事上已显示出广阔的应用前景。例如,将虹膜、指纹、DNA等人体本身的生物特征作为开机或登录密码,成为高安全性信息系统的一种全新身份认证方式。这种基于生物特征识别的密码,通过电脑扫描来读取一个人的眼底视网膜特征、指纹等方面的信息,然后与信息中心储存的数据进行比对确认,从而将非法用户拒之门外。将诸如虹膜识别技术之类的生物特征识别技术应用于数字化士兵的交互通信设备中,进而进行敌我识别,已成为数字化战场识别研究的新方向。借助计算机技术,利用人类自身生理或行为特征来进行身份认定,将面相识别系统引入对敌打击,是生物特征识别技术在这一新领域的新应用。

      二是提升武器装备的性能。采用现代生物技术对材料进行改进或加工,能够产生出具有特殊性能的材料。目前,各国研究的生物材料主要有蛋白质纤维、粘合剂、涂料、光电材料等,具有重量轻、强度高、性能特异等特点,多种材料在军事领域具有广阔应用前景。2011年2月,英国剑桥大学生物学家发现跳蚤卓越的弹跳能力依赖于节肢弹性蛋白,是现有弹性最强的物质,并且已在实验室里人工合成了这种蛋白;2011年5月,美国莱斯大学、马里兰大学和海洋生物研究所的学者发现了乌贼皮肤上独特的视蛋白,美国海军希望借此制造出新型伪装材料,能用与软体动物皮肤相同的方式看到光线并快速改变颜色;2013年3月,美国能源部阿贡国家实验室研究找到了一种从完整的蜘蛛丝上获取各种弹性成分的途径,未来可用于开发防弹背心、人工腱等多种弹性材料;2013年4月,日本东京大学科学家通过对大闪蝶翅膀碳纳米管结构的研究,研制出一种新型纳米生物复合材料,这种材料比原有碳纳米管加热更快,并表现出极高的导电性,有望在未来应用于可穿戴电子设备、高灵敏度光传感器以及可循环使用的电池产品中。2014年,美国麻省理工学院的研究人员发现牡蛎壳具有抵御多重撞击的技能,有望据此研发坚固透明的新一代玻璃材料以及“透明装甲”,成为新型的防弹材料。

      三是提高对敌方采取特定攻击的技术能力。未来40年内,有可能出现针对基因、基因组和蛋白质组的生物技术武器,以及针对特定种族的认知和神经系统、能量代谢和体能消耗的攻击武器。基因武器就是运用基因工程技术,按设计者的需要,通过基因重组,把一些特殊的致病基因移植到微生物体内,而制造出新一代生物战剂,其本质是研究不同种族、不同人群的特异性基因, 采用一定策略将其适用于目标人群, 从而导致一个种族的毁灭。对生物战剂和生物武器进行持续研发改进,导致其在传染途径、致病性、操作方法和污染方面,可能更加具有针对性和操纵使用方面的可控性。还有国家正在开发脑控武器,可以影响人脑细胞,传输心理暗示,操纵对手大脑感知功能,从而控制目标行为。

      美国“9.11”恐怖事件和随后的炭疽菌案件使大部分美国人感到,今后的生物恐怖事件可能发生,对生物恐怖事件的防卫必须予以重视。美国生物技术公司与官方合作,提出生物武器的防卫战略,但大多数试验仅是模拟。在“9.11”事件以前,美国卫生部用于生物防恐的研究经费为5000万美元,“9.11”事件以后该预算大大增加。专家们预测,生物反恐将成为国防的新领域,美国将利用生物技术防卫各种可能的生物恐怖袭击。生物反恐将与公共健康系统、传统国防工业、生物技术和制药业紧密关联。“9.11”事件后,美国迅速开发了针对炭疽和天花的疫苗,大约有24家美国生物技术公司正参与其它疫苗和药品研究与开发,美国政府拟支付6.4亿美元用于存积有关的疾病疫苗,以防止各种可能的生物恐怖事件。例如,研制新型抗菌素和抗病毒处理剂以对付已是抗病性的病原体。一家公司正在研究利用单克隆抗体清除血液中的毒素,其它研制中的产品包括专用酶制剂,用于修复被有意污染的环境、快速大气监测仪、传染物诊断试剂、新的药物运送系统等。

      生物技术在新兴武器装备研发、作战主体健康与战斗力保障、战略战术决策支撑方面,已经发挥着越来越重要的支撑作用。随着生命科学革命的深入推进,源于生物新结构、新功能、新机制的发现,基于数学、神经科学、传感器设计、微系统、计算机科学、计算科学等不同学科的交叉会聚和相互启示,力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿生等,将掀开军事科技领域创新发展的新篇章。未来新概念生物技术及武器装备,如生物气象武器、生物地球工程工具、精准生态武器等,应用方式和对象可能会更加隐蔽,甚至可以精确影响海洋、陆地、空中的生态微环境,从而达到战略威慑和精准杀伤的双重效果。

      二、仿生无人系统将成为未来战场上的主力军

      军事科技发展史上的每一次重大突破,都离不开对自然界生物体的学习与借鉴,其中的典型代表就是仿生学。仿生学就是通过模仿天赋的生物功能,发明创造出实用科技的一门新兴边缘学科,主要是通过研究自然界生物系统的结构、性状、原理和行为,为工程技术和社会科学提供新的设计思想、工作原理和系统构成。仿生学的问世开辟了人类全方位向生物学习的道路,大大开阔了人们的眼界,不仅在工程技术中得到广泛的应用,在军事中也有极为重要的应用价值。

      生物在长期的演化中不断地与周围环境作斗争,发展了许多独特的功能,借此才能在残酷的生存斗争中存活下来。从人类发展史看,变革战争形态和作战样式的众多重大发明,大都与生物学的发展进步休戚相关。例如,基于对鸟类翅膀的解析,人类设计出飞行器翼型,不断促进战斗机的进化;通过模仿蝙蝠超声定位,人类发明了雷达技术,使“千里眼”不再是神话;借鉴海豚超声波探测,人类发明了声呐技术,能够洞察水下世界。

      经过长期的自然选择,生物系统发展出许多自我保护的功能。这些功能对提高人员和装备的战场生存能力有很大的启示。所谓拟态就是有些动物在进化过程中形成与生活环境相似的外表形态,这种形态对动物自己有保护作用。拟态最著名的例子就是竹节虫和枯叶蝶,它们能让自身完全融入周围的环境中,使鸟类、蜘蛛等天敌难以发现其存在。受动物拟态的启发,我国研制出一种新型的反航母武器——仿生鱼雷。这种新型鱼雷的外表就和鲨鱼一样,首、尾、鳍、鱼鳞俱全,平时靠摆动的鱼尾实现巡航。当仿生鱼雷隐蔽地接近敌人的舰队时,便会迅速抛掉尾部,利用内置的高速喷水推进器的推力,向锁定的目标发动致命攻击。

      近年来,世界各国迎来一次生物技术发展的浪潮,产生了一批具有军事应用前景的颠覆性产品和技术。例如,新型神经形态芯片的研制令人类向认知计算时代迈进了一大步;生物电池、牡蛎壳结构护甲、生物粘合剂等生物材料制造的产品,具备远超现有产品的优越性能;自组织机器人、商用仿生假肢、仿生潜航器、复眼相机等仿生装备与产品,能够扩展军事任务执行能力;生物燃料的出现,成功支持军用与商用飞机试飞,是新能源领域的重大突破。

      仿生技术通过模仿生物系统的原理和特异功能,应用到各类武器装备中,创造出全新的技术途径,不仅能够提高武器装备性能,还能够极大拓展人类能力。象“大狗”机器人、“勇士织衣”、仿壁虎攀爬工具等仿生装备,可以从根本上突破人的物理极限,大幅提升士兵负重、奔跑、攀爬等行动能力,推动作战样式、后勤保障模式等产生革命性变革。目前仿生学在军事领域最有可能的应用是无人系统。为最大限度地减少人员伤亡,越来越多的军用机器人代替自然人,走上现代战场,发挥了独特的不可替代的作用。军用机器人的制造一般都参考了某种特定生物,如仿飞禽制造各类型无人机,仿走兽的四足制造仿生机器人,模拟出类人的机器人战士。军用机器人自从上世纪60年代在印支战场崭露头角以来,日益受到各国军方的高度重视,其巨大的军事潜力、超人的作战效能,预示着军用机器人在未来的战争舞台上是一支不可忽视的新型作战力量。例如,“鲨鱼一样的低耗能、虾一样的悄无声息、鱼一样的低速操纵性”的仿生自主水下载具,打造近海水下持续监视网络,有望从根本上变革海底作战样式。

      美、俄、日、英等军事强国都制订了发展军用机器人的宏伟计划,仅美国列入研制计划的各类军用机器人就达100多种,有的已获得可喜成果。如美国装备陆军的一种名叫“曼尼胡”机器人,就是专门用于防化侦察和训练的智能机器人。该机器人身高1.8米,全行走、蹲伏、呼吸和排汗、其内部安装的传感器,能感测到万分之一盎司的化学毒剂,并能自动分析、探测毒剂的性质,向军队提供防护建议和洗消的措施等。2011年2月,美国亚利桑那大学研发出模仿鸟类及蜜蜂飞行的无人驾驶飞行器,能在空中长久停留,不受气流影响。外刊报道的“决策机器人”凭借“发达的大脑”,能够根据输入或反馈的信息,向指挥员提供多种可供选择的军事行动方案。随着智能机器人的相继问世和人工智能技术的新突破,军用机器人将在未来战场上扮演越来越重要的角色。

      三、生物技术与其他高技术的会聚融合及其在军事领域的应用

      进入新世纪以来,不同学科门类、不同科技领域之间的界限越来越模糊,而会聚技术成为新时代科技发展的新潮流。为了使被分解成为单独部门的科学技术重新焕发出新的生机和活力, 2001年12月美国商务部技术管理局、国家科学基金会、国家科学技术委员会纳米科学工程与技术分委会在华盛顿联合发起了一次有科学家、政府官员等各界顶级人物参加的圆桌会议,商讨“会聚四大技术,提升人类能力”,首次提出综合纳米技术、生物技术、信息技术和认知科学的会聚技术,目的是将这四类尖端科技融合起来形成综合型科技。这四个领域的技术发展潜力巨大,其中任何技术的交叉融合、会聚或集成,都将对人类社会产生难以估量的影响。简言之,会聚技术在纳米的尺度,以生物特别是神经系统(主要是大脑)为对象,以信息技术为工具,以揭示和提升智能化水平为目的。会聚技术不仅仅是技术的会聚,而且反映了科学的统一,体现了“科学要统一,技术要汇聚,人类要进步”的发展新思维。

      会聚技术代表着21世纪科学技术发展最新的前沿趋势,将显著改善人类生命的质量,提升和扩展人的技能,提升智能化水平。在四大领域中,认知科学又是会聚技术的基本点,起着设计、指挥和协调的作用。正如美国国家科学基金会主持编写的《提升人类能力的会聚技术》报告中所说:“如果认知科学家能够想到它,纳米科学家就能够制造它,生物科学家就能够使用它,信息科学家就能够监视和控制它。”认知科学涉及生物学、心理学、细胞学、脑科学、遗传学、神经科学、语言学、逻辑学、信息科学、人工智能、数学、人类学等多个领域,是多科学交叉研究的学科,在会聚技术中起着设计、指挥和协调的重要作用。会聚技术与人类以往所有技术的不同之处,是把提升人类自身能力作为其最终目标。应用会聚技术,人类将拥有成本低廉、各量级的传感器网络和实时信息系统,机器人和软件都将实现个性化,所有器件都可以由智能新型材料构成,现代军队也将拥有更高效的便携式战斗系统、免受攻击的数据网络和更先进的情报汇总系统。

      会聚技术拓展连接人类神经系统的脑对脑和脑对机的界面,产生包括脑—脑交流在内的高效通讯手段,必将进一步增强人类的自身能力。在会聚技术的驱动下,现代战争形态和作战样式必将得到重塑,而基于生物技术的新质作战力量也将在未来战场获得新的用武之地。抢占生物技术的制高点,将与制海权、制空权、制电磁权、制信息权、制太空权一样,成为敌我双方争夺战场制权的又一焦点。美国国防先进技术研究计划署对会聚技术的关键基础领域,如通讯技术、机器人、传感器、先进材料以及机械系统等方面的研究投入了巨额的资金支持。在不久的将来,操作员通过脑机接口远程控制无人系统在战场上对决厮杀,拥有外骨骼保护的“超级战士”将不畏惧复杂战场环境发起冲锋,军用机器人和士兵一起被纳入战斗序列实行人机编组,在未来战场上发挥独特的作用。

      源于生物新结构、新功能和新机制的发现,基于数学、神经科学、传感器设计、微系统、计算机科学等不同学科的交叉会聚和相互启示,力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿生等,将掀开军事技术创新和武器装备发展的新篇章。随着大量生物材料、生物芯片、生物动力、仿生无人系统在军事领域的广泛应用,将对军队作战指挥、武器装备、后勤保障等领域产生重大影响,大幅提升军队战斗力,从根本上颠覆未来战争形态和作战样式。

     

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