作者:王君榮 石海明 (國防科技大學)
制作:光明網(wǎng)軍事科技前沿
出品:科普中國
現(xiàn)代生物科學及其技術(shù)的發(fā)展,已將認知的矛頭直指人類進化黑箱,引起廣泛關(guān)注;現(xiàn)代心理科學及其技術(shù)的進步,更將探索的觸角伸向人的意識、大腦和心靈,使人類的認識進入到一個廣袤的精神天地。
事實上,20世紀以來,生理領(lǐng)域信息的發(fā)展不能不令人刮目相看。從20世紀上半葉孟德爾遺傳學的再發(fā)現(xiàn),50年代中葉DNA雙螺旋體結(jié)構(gòu)的解讀,到20世紀末克隆技術(shù)的問世,最后到人類基因組計劃的出臺,現(xiàn)代生物信息科技正以日新月異的強勁勢頭,迅速崛起在人類文明的前沿舞臺。
近年來,有關(guān)生物科技方面的研究逐漸成為各國關(guān)注的焦點。2014年4月1日,DARPA成立生物技術(shù)辦公室(BTO),主要進行生物學、工程學和計算機科學的交叉研究,旨在借助最新的生物學研究成果保障國家安全,維護美國國家利益。2015年3月26日,DARPA官網(wǎng)發(fā)布DARPA兩年一版的《保障國家安全的突破性技術(shù)》(Breakthrough Technologies for National Security)報告。報告中,DARPA重點關(guān)注四個領(lǐng)域:復雜軍事系統(tǒng)再思考(Rethink Complex Military Systems);信息爆炸主宰(Master The Information Explosion);生物技術(shù)利用(Harness Biology As Technology);技術(shù)前沿擴展(Expand The Technological Frontier)。2016年2月,DARPA生物技術(shù)辦公室(BTO)發(fā)布了《生物控制》(Biological Control)報告,旨在為生物系統(tǒng)控制建立新的跨尺度能力——從納米級到厘米級,幾秒到幾周,生物分子到生物族群——運用生物材料的嵌入式控制器來運行系統(tǒng)行為。由此為美國生理信息戰(zhàn)的發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。從近期DARPA在生物科技方面的創(chuàng)新計劃入手,可以將生理信息戰(zhàn)有關(guān)科技發(fā)展的前沿動態(tài)概括為:認知神經(jīng)科學、仿生材料與系統(tǒng)、生物合成與制造、生物傳感與生物計算等方面。
DARPA發(fā)布的《國家安全突破性技術(shù)》報告
認知神經(jīng)科學。大腦是高級動物體結(jié)構(gòu)和功能最為復雜的器官,也是人與一般動物的典型區(qū)別。大腦由1千億個神經(jīng)元細胞和其他類型的細胞相互連接,從而形成結(jié)構(gòu)復雜、功能強大的網(wǎng)絡體系。從19世紀的顱相學,到21世紀日臻成熟的神經(jīng)科學,再到如今的“腦科學時代”,人類從來沒有停下過探索大腦認知神經(jīng)的步伐。在軍事領(lǐng)域,認知神經(jīng)科學可以被概括為“保護腦,增強腦,干擾腦”三個方面。即利用生物技術(shù)、信息技術(shù)等最新研究進展來增強戰(zhàn)斗人員的認知能力,并能有效地防御敵方對我戰(zhàn)斗人員的認知干擾行為。DARPA在認知神經(jīng)科學領(lǐng)域的創(chuàng)新計劃主要有:學習加速計劃、認知技術(shù)威脅告警系統(tǒng)計劃、機動性和操作性最大化計劃等。這就為美軍智能作戰(zhàn)輔助的構(gòu)建及未來“制腦權(quán)”戰(zhàn)爭的實現(xiàn)提供了技術(shù)前提。
仿生材料與系統(tǒng)。大自然中的生物在“物競天擇、適者生存”的進化規(guī)律下,展現(xiàn)出非凡的創(chuàng)造力,并因此在一定程度上成為科學家們進行技術(shù)創(chuàng)新研制的“靈感來源”。在軍事領(lǐng)域,仿生主要指的是從生命體的智能現(xiàn)象中汲取靈感,揭示出自然現(xiàn)象中的規(guī)律,進而為軍事技術(shù)的創(chuàng)新研制提供基礎(chǔ)。DARPA在仿生材料與系統(tǒng)領(lǐng)域的創(chuàng)新計劃主要有:仿生光子學計劃、納米飛行器計劃、Z-戰(zhàn)警計劃等。以Z-man計劃為例,它根據(jù)仿生學原理,使士兵在不借助任何梯子、助繩之類爬行工具的條件下,就能夠攀爬上垂直的高墻,從而提高了作戰(zhàn)的機動性與裝備的防護能力。從DARPA的創(chuàng)新計劃來看,仿生材料與系統(tǒng)已逐步多樣化與智能化,并已展現(xiàn)出許多實質(zhì)性的進展。
在DARPA的資助下,仿生手臂的研制有很大進展
生物合成與制造。2015年,美國國防部在其2013-2017年科技發(fā)展的“五年計劃”中,提出未來重點關(guān)注的顛覆性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域(Six Disruptive Basic Research Areas)。其中,合成生物學(Synthetic Biology)被予以高度關(guān)注。在軍事領(lǐng)域,生物合成與制造主要體現(xiàn)在高價值材料和設(shè)備的“按需生產(chǎn)”,以及傷員的快速損傷修復上。DARPA在生物合成與制造領(lǐng)域的創(chuàng)新計劃主要有:活體內(nèi)納米裝置計劃、生命工廠計劃、革命性義肢計劃等。以生命工廠計劃中的ATCG計劃(Advanced Tools and Capabilities for Generalizable Platforms, 全稱為具有先進工具和性能的通用平臺計劃)為例,它是DARPA在2012年開展的旨在利用生物合成技術(shù),開發(fā)基于生物學的制造平臺,生產(chǎn)、開發(fā)新型材料、功能和制造模式的生物科技計劃。較之傳統(tǒng)的開發(fā)模式,ATCG將在時間與成本上壓縮至少10倍,這將為美軍在生物科技領(lǐng)域帶來新一輪的變革。
基于人腦特征的全新計算架構(gòu)腦控機器示意圖
生物傳感與生物計算。生物傳感與生物計算是生物技術(shù)與信息技術(shù)相融合之下的一個新興產(chǎn)物。目前計算機普遍存在能耗高、數(shù)據(jù)密度低等問題,并成為信息技術(shù)繼續(xù)發(fā)展的一個重大瓶頸。生物傳感與生物計算能夠有效地解決這個問題。生物計算機的誕生,將能夠使計算機的能耗比現(xiàn)有計算機的能量消耗降低至少2個量級,儲存數(shù)據(jù)能力將提高12個量級,并行度也將提高10個量級,在信息通信、信息存儲、信息保密方面都具有巨大的潛力。DARPA在生物傳感與生物計算領(lǐng)域的創(chuàng)新計劃主要有:七天生物防御計劃、抗體技術(shù)計劃、生物長期性計劃計劃等。復雜的軍事行動需要信息系統(tǒng)精確的信息感知、處理與傳播能力,生物傳感與生物計算的發(fā)展,使得信息在復雜環(huán)境下依然能夠有效地協(xié)調(diào)和控制,這在很大程度上提高了信息在軍事任務中的應用程度。