一、顛覆未來作戰(zhàn)的前沿技術(shù)系列之腦科學

大腦是人體中最復雜的部分，也是宇宙中已知的最復雜的組織結(jié)構(gòu)。21世紀，被稱為“生命科學、腦科學的百年”或“腦研究世紀”，伴隨著腦科學和認知科學的興起與發(fā)展，以人類為中心的認知與智能活動研究，已進入發(fā)展新階段。腦科學相關技術(shù)的發(fā)展和應用能迅速提升武器裝備智能化和操控意識化程度，對武器裝備的發(fā)展、使用和國防軍事能力建設將產(chǎn)生難以預見的顛覆性影響。

多國啟動腦科學重大研究計劃

多年來，人類對腦奧秘的探究從未停止，已有數(shù)十位從事腦科學研究的科學家獲得諾貝爾獎，腦科學在發(fā)達國家已成為科學研究“皇冠上的明珠”。早在20世紀90年代，美國就率先提出“腦的十年計劃”，歐盟成立了“歐洲腦的十年”委員會，國際腦科學組織也采取多種舉措推動腦科學研究的發(fā)展。

奧巴馬宣布啟動美國“腦計劃”

2013年4月，美國宣布啟動“腦計劃”；2014年6月，美國國立衛(wèi)生研究院發(fā)布“腦計劃”路線圖，詳細闡述了腦科學計劃的研究目標、重點領域、實施方案、具體成果、時間與經(jīng)費估算等，提出將重點資助9個大腦研究領域：統(tǒng)計大腦細胞類型，建立大腦結(jié)構(gòu)圖，開發(fā)大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡記錄技術(shù)，開發(fā)操作神經(jīng)回路的工具，了解神經(jīng)細胞與個體行為之間的聯(lián)系，整合神經(jīng)科學實驗與理論、模型、統(tǒng)計學等，描述人類大腦成像技術(shù)的機制，為科學研究建立收集人類數(shù)據(jù)的機制，知識傳播與培訓。2014年8月，美國國家科學基金會宣布，將資助36項腦科學相關項目，涉及實時全腦成像、新的神經(jīng)網(wǎng)絡理論以及下一代光遺傳學技術(shù)等。美國國防高級研究計劃局（DARPA）近年來啟動了數(shù)十項旨在提高對大腦動態(tài)和機制的了解、推進相關技術(shù)應用的項目，包括可靠神經(jīng)接口技術(shù)項目、革命性假肢、恢復編碼存儲器集成神經(jīng)裝置、重組和加速傷勢恢復項目、將模擬大腦用于復雜信號處理和數(shù)據(jù)分析項目等。

2013年，歐盟委員會宣布將“人腦工程”列入“未來新興技術(shù)旗艦計劃”，力圖集合多方力量，為基于信息通信技術(shù)的新型腦研究模式奠定基礎，加速腦科學研究成果轉(zhuǎn)化。該計劃被認為是目前世界最先進的腦科學大型研究計劃，由瑞士洛桑理工學院統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，歐盟130家有關科研機構(gòu)組成，預算12億歐元，預期研究期限10年，旨在深入研究和理解人類大腦的運作機理，在大量科研數(shù)據(jù)和知識積累的基礎上，開發(fā)出新的前沿醫(yī)學和信息技術(shù)。該計劃首先利用30個月的時間，建設涉及神經(jīng)信息學、大腦模擬、高性能計算、醫(yī)學信息學、神經(jīng)形態(tài)計算和神經(jīng)機器人等6座大型試驗與科研基礎設施。這些設施將對全球科技人員開放，邀請世界頂尖科學家參與研究。

此外，日本、德國、英國、瑞士等國也都先后推出本國的腦科學研究計劃。

腦科學研究在全球掀起新熱潮

進入21世紀以來，隨著相關理論的完善和新實驗工具的涌現(xiàn)，大腦最深層的一些奧秘開始浮出水面。特別是近年來，歐美爆發(fā)“腦”競賽，全球圍繞大腦的研究掀起新一輪熱潮，與大腦有關的科學發(fā)現(xiàn)不斷涌現(xiàn)，為腦科學的大規(guī)模推進與應用奠定了基礎。

在研究與探索腦結(jié)構(gòu)方面，2012年，哈佛大學的科學家研究出了一種新的核磁共振掃描技術(shù)，用于探索人類大腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)；DARPA與美國威斯康辛大學麥迪遜分校合作，研發(fā)出探究人腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)與功能之間聯(lián)系的腦研究技術(shù)；2014年，在DARPA可靠神經(jīng)接口技術(shù)項目的支持下，威斯康辛大學麥迪遜分校的研究人員開發(fā)了新的腦結(jié)構(gòu)研究技術(shù)，這項技術(shù)對大腦中神經(jīng)網(wǎng)絡活動的可視化和量化研究具有重大貢獻。

在腦信息獲取技術(shù)方面，腦電信號破譯研究、神經(jīng)活動信息還原視覺圖像研究、神經(jīng)活動信息支持行為與神經(jīng)元關系研究、神經(jīng)活動信息再現(xiàn)人類夢境研究等均取得了新進展。例如，澳大利亞Emotiv公司開發(fā)出了一種能夠翻譯人類8種生理表現(xiàn)和7種表情的腦電信號裝置；美國、德國和英國的研究人員實現(xiàn)了利用磁共振成像技術(shù)將大腦活動信息轉(zhuǎn)換成想象物體圖形；DARPA近期正在開發(fā)新型大腦植入物，實現(xiàn)對大腦信號的實時跟蹤與響應；2014年，DARPA啟動“神經(jīng)功能、活動、結(jié)構(gòu)與技術(shù)”項目，加速和簡化對大腦的3D分析，使整個大腦成像只需220天。

在腦機接口技術(shù)方面，多國開展了一系列技術(shù)驗證并取得突破，實現(xiàn)了大腦控制外界設備以及大腦控制另一生物體的異體控制。2008年，位于美國北卡羅來納州的科學家從植入獼猴腦部的電極獲取神經(jīng)信號，通過互聯(lián)網(wǎng)將這些信號連同視頻一起發(fā)給日本的實驗室，最終美國獼猴成功地“用意念控制”日本實驗室里的機器人做出了相同的動作；美國布朗大學2013年研制出首個火柴盒大小的腦機接口無線連接裝置，可將腦部數(shù)據(jù)傳輸至1米內(nèi)的其他設備；2013年3月，英國研究人員開發(fā)出第一種用于控制飛船模擬器的腦機接口裝置，美國科研人員又創(chuàng)建了計算機模擬程序，將腦機接口裝置戴在頭上后，通過人腦意念便可控制飛船模擬飛行；2015年6月，俄羅斯“未來研究基金會”負責人表示，以思維控制機械的腦機接口在俄研發(fā)成功，該腦機接口使用在醫(yī)學上廣泛普及的腦電描記法來捕捉腦電活動。

在“腦對腦”控制方面，2013年2月，美國杜克大學的研究人員將分別位于美國和巴西的兩只大鼠的大腦，通過植入腦內(nèi)的芯片和計算機建立彼此之間的腦電波傳輸回路，實現(xiàn)了成功率為65%的腦對腦異體控制實驗；2013年8月，美國華盛頓大學公布了人類首次非侵入式腦對腦接口實驗，不需要在大腦內(nèi)插入電極，一人成功遙控了另一人的手部運動；2014年2月，美國哈佛大學醫(yī)學院等機構(gòu)利用一只作為發(fā)出指令的“主體”猴子和一只作為接收指令的猴子實現(xiàn)了異體操控，任務完成率高達98%。

用于模擬“腦控”飛船的實驗裝置

此外，近期腦研究與應用領域還取得了許多重要進展。例如，美國塔夫茨大學成功創(chuàng)建出三維腦狀組織模型，功能和結(jié)構(gòu)特征類似于大鼠腦組織，可用于研究腦功能，開發(fā)治療腦功能障礙新療法；2013年，德國比勒費爾德大學物理系的研究人員制造出有學習能力的納米憶阻器元件，每個大小只有人類頭發(fā)直徑的1/600，該憶阻器將作為設計人工大腦的關鍵部件；2014年9月，西班牙、法國、美國科學家聯(lián)合開展實驗，利用腦電波和儀器設備實現(xiàn)“人際交流”，成功將兩個單詞從一位印度志愿者腦中傳送到8000千米外的法國實驗人員腦中，這是人類首次“幾乎直接”地通過大腦收發(fā)信息；2015年7月，澳大利亞墨爾本皇家理工大學和美國加利福利亞大學的研究人員通過使用納米尺度的憶阻器矩陣，制造出了世界上第一個能模仿人腦的電子記憶細胞；當前，DARPA啟動了一個新項目，旨在研究“神經(jīng)重播”在形成記憶和回憶過程中的作用，從而幫助人腦更好地記住具體的偶發(fā)事件，更快地學會技能。

腦科學軍事應用潛力巨大

腦科學研究具有巨大的潛在軍事價值，可直接應用于現(xiàn)代戰(zhàn)場的多個領域，包括催生新型腦控武器和智能化裝備，提高作戰(zhàn)人員知識與作業(yè)能力，優(yōu)化軍事訓練與決策，改善軍人神經(jīng)與精神損傷的救治，推動心理戰(zhàn)的升級等。腦科學的軍事應用主要體現(xiàn)在“仿腦”“腦控”和“控腦”三個方面。

“仿腦”，即借鑒人腦構(gòu)造方式和運行機理，開發(fā)出全新的信息處理系統(tǒng)和更加復雜、智能化的武器裝備，甚至研發(fā)出與人類非常接近的智能機器人。近期“仿腦”的熱點領域主要包括開發(fā)模仿人腦的神經(jīng)形態(tài)芯片、具備人腦處理功能的仿腦處理器、開發(fā)認知計算技術(shù)等。這些“仿腦”技術(shù)的問世與應用將大幅提高無人系統(tǒng)的智能化水平，還可能給包括云服務、機器人、超級計算機在內(nèi)的多個領域帶來重大變革。

神經(jīng)形態(tài)芯片近期成為最令人矚目的“仿腦”技術(shù)應用，大名鼎鼎的《科學》雜志和美國麻省理工學院《技術(shù)評論》雜志均將神經(jīng)形態(tài)芯片評為2014年十大科技突破之一。2013年，瑞士和美國科學家聯(lián)合研制出了一種腦神經(jīng)形態(tài)芯片，能夠?qū)崟r模擬大腦處理信息的過程；美國陸軍研究室通過模擬人腦思考過程開發(fā)出一種量子神經(jīng)元計算機芯片；美國高通公司近期也通過模擬神經(jīng)結(jié)構(gòu)和大腦處理信息方式開發(fā)出了大腦芯片；2014年8月，在美國DARPA項目資助下，IBM公司宣布成功研制第二代類腦計算芯片“真北”，該芯片架構(gòu)類似人腦，集運算、通信、存儲功能于一體，與第一代芯片相比，“真北”神經(jīng)元由256個增加到100萬個，突觸數(shù)量由26.2萬個增加到2.56億個，包含54億個晶體管，每秒可執(zhí)行460億次突觸運算，總功率僅為70毫瓦；2015年，美國加州大學和紐約州立大學石溪分校的一個聯(lián)合研究小組，首次僅用憶阻器就創(chuàng)建出一個神經(jīng)網(wǎng)絡芯片，從而向創(chuàng)建更大規(guī)模的神經(jīng)網(wǎng)絡與人造大腦邁出了重要一步；英國嵌入式處理器廠商ARM與曼徹斯特大學、海德堡大學合作研究的神經(jīng)形態(tài)芯片已經(jīng)被納入歐洲人類大腦計劃，并得到支持。歐洲方案與美國方案相比，單位面積功耗較高，但神經(jīng)元模擬更接近生物神經(jīng)元，因此在模擬大腦方面也被報以更大希望。

在“仿腦”處理器方面，美國DARPA多年來致力于發(fā)展能夠模擬人腦認知和推理能力的類腦處理器，已經(jīng)開展了“傳感與分析自適應局部學習”等多個項目；2012年，谷歌公司實驗室的研究小組通過模擬人腦中相互連接、相互溝通、相互影響的“神經(jīng)元”，由1000臺計算機、1.6萬個處理器、10億個內(nèi)部節(jié)點相連接，形成一個“谷歌虛擬大腦”；2015年，IBM公司利用48塊“真北”試驗芯片構(gòu)建了一個“電子大腦”，每一塊芯片都可以模擬大腦的一個基本構(gòu)件，該試驗系統(tǒng)可以模擬4800萬個神經(jīng)細胞，基本可以與小型嚙齒動物大腦的神經(jīng)細胞數(shù)齊平。

IBM開發(fā)出的神經(jīng)元計算機原型，它搭載了16顆“真北”芯片

認知計算是一種模擬人的認知、智能和解決問題方式的計算技術(shù)。國外主要軍事強國以未來軍事應用為牽引，積極推進認知技術(shù)的發(fā)展。例如，美國通過實施自學電子攻擊技術(shù)、認知無線電臺技術(shù)、基于認知的協(xié)作決策感知認知模型、基于腦電波識別和認知算法的戰(zhàn)場威脅探測技術(shù)等項目，大力推進認知計算技術(shù)在武器裝備領域的應用。2014年，美國空軍研究實驗室授予通用電氣公司一份高性能嵌入式計算系統(tǒng)合同，以模擬人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)的信息路徑，該系統(tǒng)可推動開發(fā)與部署自適應學習、大規(guī)模動態(tài)數(shù)據(jù)分析和推理的先進神經(jīng)形態(tài)體系結(jié)構(gòu)和算法。

“腦控”，即通過大腦實現(xiàn)對外界物體或設備的直接控制，減少或替代人類肢體操作，從而提高作戰(zhàn)人員操控武器裝備的靈活性和敏捷性。近年來，“腦控”應用得到進一步發(fā)展：日德研發(fā)出了“腦控”車輛；德國慕尼黑工業(yè)大學飛行系統(tǒng)動力學研究所首次成功展示了“腦控”飛行；美國明尼蘇達大學成功研制出能夠用意念控制的四軸飛行器，其躲避障礙物成功率高達90%；英國科學家開發(fā)了專門的腦機接口裝置來控制飛機和飛船模擬器；美國DARPA開展了名為“阿凡達”的尖端軍事科研項目，旨在探索擴展人類機能，獲取神經(jīng)代碼進行整合，以控制進攻性武器和系統(tǒng)，DARPA還在2013財年投入700萬美元研發(fā)一種自主式雙腳機器人，能夠讓士兵在戰(zhàn)場上遠程控制，以替代士兵執(zhí)行部分作戰(zhàn)任務，如放置監(jiān)視設備、搜索并攻擊建筑物內(nèi)的威脅目標、救助傷員、設置障礙物等。

明尼蘇達大學腦機接口裝置控制飛行器實驗場景

“控腦”，即利用外界干預技術(shù)手段，實現(xiàn)對人的神經(jīng)活動、思維能力等進行干擾甚至控制，導致出現(xiàn)幻覺、精神混亂甚至做出違背己方利益的行動，其關鍵是開發(fā)能夠監(jiān)測和干預大腦思維活動的信息系統(tǒng)。“控腦”目前產(chǎn)品應用還較少，美國DARPA聯(lián)合商業(yè)機構(gòu)開展了相關的概念研究，主要包括：通過計算機模擬腦電波控制人體的心理反應和思維，通過特殊頻率的無線電波與人體腦電波作用產(chǎn)生催眠效果，神經(jīng)系統(tǒng)腦電波聲音操縱項目等。

結(jié) 語

腦科學的發(fā)展對于人類了解自身神經(jīng)精神領域有著重要的價值與意義，同時也具有強大的軍事應用前景，將推動軍事領域的重大變革。當前，腦科學研發(fā)已經(jīng)成為時代潮流不可阻擋，其大規(guī)模進步必將為人類帶來一個日新月異的新世界，我們應該及時未雨綢繆，趨利避害。

二、顛覆未來作戰(zhàn)的前沿技術(shù)系列之人體增強

人體增強是綜合利用生物、信息、機械等領域的技術(shù)作用于人類的身體，使人的體力與腦力得到改進與提升的前沿技術(shù)。如果將自然給予人類的人體機能看做是最基本的1.0系統(tǒng)，那么通過人體增強技術(shù)，人體的綜合機能將得到大幅度提升，進入人體系統(tǒng)2.0時代。人體增強技術(shù)可以使普通人以及軍人獲取超越自己身體極限的神奇能力，在多領域的應用前景和顛覆性影響令人矚目。

多家機構(gòu)展望人體增強技術(shù)的巨大潛力多個世紀以來，人類一直夢想著能夠超越人類的一切束縛與限制，成為一個完美的“超人”，也一直在探索能夠使人類盡可能地變得更加強大的方法與技術(shù)。隨著科學技術(shù)的發(fā)展與應用，人們不再局限于利用一些自然的方法來循序漸進式地提高自身的基本能力，而是通過更直接和快速的方法來提高和完善人類的技能和能力。例如，通過藥物或芯片改善人類的情緒、認知和記憶，通過腦機接口控制或放大人的意念，通過外骨骼提升人的體能，通過人工耳蝸、芯片植入、智能眼鏡改善人的視聽感官能力等。 美國國家科學基金會對“人體機能增強”這個詞的解釋是，任何暫時性或永久性突破人類目前身體極限的嘗試，使用的手段可以是自然的也可以是人工的。美國科學院、英國皇家學會等重要的科學機構(gòu)與情報機構(gòu)相繼發(fā)表一系列報告，對人體效能改造，特別是人體增強給予高度關注，并預言人類即將迎來人體增強的新時代。美國國防高級研究計劃局（DARPA）于2014年4月新成立了生物技術(shù)辦公室，旨在研究使士兵保持最佳戰(zhàn)斗力以及迅速、全面恢復戰(zhàn)斗力的新技術(shù)。近期，各方重點關注的人體增強技術(shù)包括：視網(wǎng)膜植入、人工耳蝸等視聽增強技術(shù)；藥物、大腦植入、腦機接口等腦力增強技術(shù)；外骨骼等體力增強技術(shù)。

美國國家科學院研究并發(fā)布的名為《人體效能改造：國際研究現(xiàn)狀及未來展望》的報告指出，醫(yī)學、生物學、電子學和計算技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)使得改造人體的能力日益成熟，而且這類創(chuàng)新會被各國軍隊采用。2012年11月，英國皇家學會、英國科學院等4家機構(gòu)聯(lián)合發(fā)布了名為《人體增強與未來工作》的報告，指出人體增強技術(shù)未來將徹底改變?nèi)祟惖纳罟ぷ鞣绞剑瑘蟾骊P注的人體增強領域主要為認知增強與生理增強兩大類，包括認知增強藥物改善記憶力和注意力，使用助聽器和視網(wǎng)膜植入改善感知，使用仿生肢體恢復運動能力，以及認知訓練、大腦刺激等技術(shù)。 2012年12月，美國國家情報委員會發(fā)布《2030全球趨勢：多元化世界》報告，預測到2030年，人類有可能通過選擇一些科學手段讓自己變得更加聰明、健康與強壯，報告將這些能夠增強人類機能的科學手段統(tǒng)稱為人體機能增強裝置。全球技術(shù)研究和咨詢公司Gartner也在其2013年發(fā)布的《2012～2013年技術(shù)曲線成熟度》報告中預測，除了信息技術(shù)的多項前沿科技將突飛猛進地發(fā)展，另一項將在市場形成規(guī)模的技術(shù)就是人體機能增進裝置，將提高人類感知能力與體能。這其中包括機械外骨骼、腦機接口、視網(wǎng)膜植入、聽覺增進裝置，甚至是提高智力的神經(jīng)性藥物。

視聽增強——更有效的感知《2030年全球趨勢：多元化世界》和《2012～2013年技術(shù)曲線成熟度》報告均高度關注視覺增強技術(shù)。視覺增強技術(shù)包括兩類：一是指能夠修補視力的眼內(nèi)植入物，可以接收視覺影像，并轉(zhuǎn)化為電子信號刺激神經(jīng)，將信息傳入大腦；二是指利用伸縮式隱形眼鏡、夜視隱形眼鏡、智能眼鏡等新型可穿戴設備，實現(xiàn)對環(huán)境更好的感知。 通過眼內(nèi)植入技術(shù)，人類能恢復并提升原有視力。2013年，德國圖賓根大學的科學家開發(fā)出了一種微芯片，該芯片約為3毫米大小，由1500個像素點構(gòu)成，每個像素都有自己的放大器和電極。這種外部供電的光敏微芯片將通過手術(shù)植入患者的視網(wǎng)膜表面下方，能使視網(wǎng)膜病變的盲人重見光明。2013年7月，英國利用胚胎干細胞培養(yǎng)出視網(wǎng)膜感光細胞，將這些細胞植入盲鼠眼睛的視網(wǎng)膜，成功地在眼睛和大腦之間形成了神經(jīng)聯(lián)系。2015年，加拿大研究出一種新的仿生鏡片，眼內(nèi)植入這種鏡片后，視力有問題的人能將視力恢復到最佳水平。

利用先進的視覺增強可穿戴技術(shù)，及時感知和了解原來無法直接觀察的戰(zhàn)場環(huán)境，讓人們變成“千里眼”。士兵將告別對繁雜笨重的偵察、通信設備的依賴，實時接收來自數(shù)百千米以外指揮部傳輸?shù)闹噶睢⒌貓D等信息，查詢、獲取和感知來自其他偵察系統(tǒng)的動態(tài)情報。DARPA在“士兵視覺增強系統(tǒng)”項目下開始研發(fā)一種隱形眼鏡，該隱形眼鏡可以增強作戰(zhàn)人員的正常視力，佩戴該隱形眼鏡的作戰(zhàn)人員可以看到虛擬的、增強現(xiàn)實的圖像，整個過程無需借助龐大笨重的儀器。2014年，美國密歇根大學的科學家將可感應光子的石墨烯薄層嵌入到鏡片之中，發(fā)明了一種比指甲還小的夜視隱形眼鏡原型，使昏暗的圖像看起來更明亮，該技術(shù)的應用將使未來軍人取下頭盔上笨重的夜視鏡，代之以輕便的夜視隱形眼鏡。此外，DARPA目前正在資助一個新型隱形眼鏡項目，該隱形眼鏡能夠讓人眼具備2.8倍光學變焦能力。 除了視覺能力的增強，聽覺也是人體增強的重要內(nèi)容之一。人工耳蝸是一種電子裝置，由體外言語處理器將聲音轉(zhuǎn)換為一定編碼形式的電信號，通過植入體內(nèi)的電極系統(tǒng)直接興奮聽神經(jīng)來恢復或重建聾人的聽覺功能。目前，世界上已經(jīng)有超過30萬人使用耳蝸植入方式，替換在聽覺方面存在故障的耳朵，以恢復聽力。2013年5月，普林斯頓大學工程師利用3D打印技術(shù)制造出世界第一個仿生耳，該裝置可以接收聲波與超聲波信號。

腦力增強——更智慧的決策通過對人的腦力增強，可以提高士兵的學習效率與記憶力、減少疲勞和提高警覺性，甚至可以實現(xiàn)大腦對外部機器的意念控制，最終使人具有更好的認知與決策能力。使用電磁刺激、大腦植入和神經(jīng)性藥物等可以提高士兵的學習效率，讓人更長時間地集中注意力，減少疲勞和提高警覺性；使用腦機接口技術(shù)，大腦可以直接控制機器，也被稱為“意念控制”，其涵蓋的層面很廣，包括智慧型義肢、機器人甚至車輛和武器等。 在記憶增強方面，使用神經(jīng)性藥物可以提高人的記憶力和思考速度。此類藥物能讓人更長時間地集中注意力，提高學習能力。但神經(jīng)性藥物也存在巨大的副作用，會出現(xiàn)頭暈目眩、嘔吐、視力衰退、神志不清等。2012年，德國科學家發(fā)現(xiàn)大腦內(nèi)的神經(jīng)傳遞物質(zhì)多巴胺有提高記憶的能力，有助于研發(fā)提高記憶的藥物。

在利用電磁信號刺激大腦方面，當前研究的重點在于通過電、化學或生物方法來刺激人的神經(jīng)系統(tǒng)，加強人的精神和情感能力。神經(jīng)刺激方法可能包括：用電子設備直接刺激神經(jīng)組織的經(jīng)顱直流電刺激、經(jīng)顱磁刺激和腦深部電刺激。研究顯示，腦經(jīng)顱電磁刺激可以提高士兵的學習效率、減少疲勞和提高警覺性，通過大腦刺激學習更多知識的受試者對知識的記憶可延伸數(shù)月。近期，美國陸軍研究實驗正在研究利用最新的神經(jīng)刺激技術(shù)來檢測大腦狀態(tài)，以及改善理解能力、目標感知和決策能力。 利用大腦植入物提升人腦記憶能力、恢復因傷病引起的失憶已成為近期腦力增強的熱點。DARPA在該領域安排了多個項目。2013年，DARPA啟動了“恢復主動記憶”和“基于神經(jīng)技術(shù)的新興治療系統(tǒng)”兩個項目。前者目的在于開發(fā)神經(jīng)信號分析與解碼新方法，應用神經(jīng)刺激促進腦損傷后記憶編碼的恢復，開發(fā)植入式神經(jīng)設備幫助患者恢復記憶，以及了解如何對人類大腦的右半?yún)^(qū)進行刺激和鍛煉，以提高士兵的反應速度和瞬間記憶能力；后者目的在于開發(fā)能夠為患有創(chuàng)傷后應激障礙和其他神經(jīng)疾病的患者提供幫助的大腦植入物。DARPA于2015年新啟動了一個稱為“恢復活動記憶與回放”的項目，旨在研究確定大腦哪些部分決定著記憶和回憶的形成，從而幫助人腦更好地記住具體的偶發(fā)事件，更快地學會技能。

意念控制技術(shù)當前致力于輔助傷殘軍人重新獲得行動能力，未來則有可能實現(xiàn)對武器裝備的意識操控。在意念控制義肢方面，美國匹茲堡大學的研究項目在一位頸部以下癱瘓的女患者腦運動皮層植入傳感器，使其單憑意念即可操作機械手臂將一塊巧克力送入口中，比以往的研究更接近于一個正常人的肢體；2014年，DARPA在“革命性義肢”項目中，成功研發(fā)了名為“DEKA”的仿生機械手臂，該手臂具備近真實的控制能力，可用于幫助失去手臂的人員恢復生活能力；2015年，美國約翰·霍普金斯大學的研究團隊開發(fā)出新一代智能義肢，其擁有26個關節(jié)，能像正常的手臂一樣由人的大腦控制，可以抓舉20千克的重物。 在意念控制機器方面，2012年，DARPA啟動了“阿凡達”項目，目標是研制可通過意念控制的機器人，有望在未來代替士兵征戰(zhàn)沙場。美陸軍研究實驗室正在研究一項技術(shù)，使得士兵僅通過意識就可以實現(xiàn)對軍用系統(tǒng)的直接控制。在該研究方向下，陸軍實驗室正在資助研究兩個項目：一是通過實時記錄大腦活動，研制一種可探測潛在表達和監(jiān)控使用人員關注點、意圖的原型系統(tǒng)；二是尋求理解大腦信號的生理性生物標記，用于探測潛在表述和特征狀態(tài)。2014年，德國慕尼黑工業(yè)大學的研究人員首次成功展示了腦控飛行；2015年6月，俄羅斯“未來研究基金會”表示，以思維控制機械的腦機接口研發(fā)成功。

體力增強——更強大的行動外骨骼是一種人員可穿戴的機電一體化設備，主要用于增強穿戴者的力量、速度、耐力等，一般由感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、仿生機械系統(tǒng)和能源系統(tǒng)組成。未來，隨著技術(shù)的發(fā)展，外骨骼埋植技術(shù)將可以實現(xiàn)把外骨骼埋植在機體內(nèi)，成為一種替代骨骼，大大增強人類先天的能力，修復喪失的機體功能。近年來，美國、俄羅斯等國軍隊陸續(xù)啟動了多個軍用外骨骼項目，以增強士兵的作戰(zhàn)能力，同時保障士兵的身體健康。 美國DARPA的“增強人體機能外骨骼”項目旨在研制可幫助地面士兵攜帶更多武器、更好護甲和更多補給的外骨骼系統(tǒng)。在該項目資助下，美國加州大學伯克利分校開發(fā)出了BLEEX下肢外骨骼系統(tǒng)，雷聲公司開發(fā)出XOS全身式外骨骼系統(tǒng)。BLEEX整體由1個用于負重的背包式外架、2條機械腿及相關的液壓驅(qū)動裝置組成，自重45千克，可負重35千克，使用者感覺只有2千克。 洛克希德·馬丁公司聯(lián)合加州大學伯克利分校在BLEEX基礎上，共同推出了被稱為“人體負重外骨骼”的仿人體結(jié)構(gòu)特點設計的外穿型機械骨骼，系統(tǒng)由鈦合金制成的機械腿、驅(qū)動裝置及控制計算機，以及背部的負重部分、散熱單元等組成，其既能夠使士兵完成爬行、深蹲、提舉重物等一系列動作，又可減少士兵因提舉較重戰(zhàn)斗載荷而引發(fā)的肌肉骨骼損傷。“人體負重外骨骼”總重約32千克，最大負重超過100千克，可保證穿戴者以4.8千米/每小時的速度背負90千克重物連續(xù)行走1個小時。2010年初，雷神公司推出改進型XOS 2外骨骼系統(tǒng)，《時代》雜志將這一裝備評選為2010年“最具震懾力”的發(fā)明。XOS 2是由一系列結(jié)構(gòu)、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)和控制器組成的，主要利用高壓液壓驅(qū)動，堪稱真實版的“鋼鐵俠戰(zhàn)衣”。該外骨骼可使穿戴者將重約90千克的重物反復舉起幾百次，而且不會感到疲勞，同時還可重復擊穿厚度為3英寸的木板。 法國的“大力神”可穿戴式外骨骼能夠輔助士兵，并增強其在戰(zhàn)場上的負重能力和持久作戰(zhàn)能力。“大力神”外骨骼主要由機械腿（結(jié)合了機械裝置、計算機和電子裝置）和背部支撐架組成，使穿戴者能夠輕松背負重物。“大力神”可攜帶100千克重物，使穿戴者以4千米/小時的速度行進大約20千米。2015年，德國斯圖加特一家工程研究機構(gòu)研發(fā)出一種名叫Robo-Mate的可穿戴外骨骼系統(tǒng)，可為體力勞動者提供手臂、腿和背部的金屬機械支撐，令他們工作時托舉、負重能力提高到10倍。 可穿戴在士兵作戰(zhàn)服里面的輕質(zhì)、柔性外骨骼，成為軍用外骨骼發(fā)展的新方向。“勇士織衣”是DARPA組織研制的一種重量輕、柔韌性好的內(nèi)穿型作戰(zhàn)服，它更像是肌肉、關節(jié)的感應“增強器”，不僅具有傳統(tǒng)的防彈功能，還能增強人體機能，使士兵能背負重物長時間行軍。美軍對“勇士織衣”的作戰(zhàn)指標要求為：功率小于100瓦，不到9千克重，電池重約4.5千克，在不充電情況下可持續(xù)工作24小時，士兵背負45千克重物、以1.25米/秒的速度在平地上行走時，可以減少25%的代謝消耗。“勇士織衣”的特點主要有4個方面：一是負重智能分布于士兵全身，以減小作用力；二是可減輕和預防士兵損傷，增強體能；三是可重復使用能量，以降低能耗；四是柔韌性和靈活性好，輕便舒適耐用。2013年5月，美軍特種作戰(zhàn)司令部提出研制供士兵使用的“戰(zhàn)術(shù)突擊輕型作戰(zhàn)服”，這種作戰(zhàn)服采用外骨骼裝置減輕士兵負重的體力消耗，并集成了可瞬間固化的液體防護裝甲、溫度調(diào)節(jié)裝置、救護裝置和態(tài)勢感知裝置等。三、顛覆未來作戰(zhàn)的前沿技術(shù)系列之石墨烯

石墨烯是一種由碳原子組成的六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜。2004年，英國曼徹斯特大學的物理學家成功地從石墨中剝離出了石墨烯，證明了石墨烯可以單獨存在，因此榮獲2010年諾貝爾物理學獎，從而掀起了石墨烯制備、改性和應用的全球熱潮。石墨烯優(yōu)異的性能使得它在多個領域具備變革潛力，已經(jīng)有所建樹的領域包括散熱材料、柔性觸摸面板、微型傳感器、電容、芯片材料等，在信息技術(shù)、航空航天、生物環(huán)保等領域顯現(xiàn)了巨大的應用前景，將對人類社會產(chǎn)生廣泛影響，被稱為“改變未來世界的革命性材料”。如果說20世紀是硅的世紀，神奇的石墨烯則是21世紀新材料的寵兒。

“材料之王”性能優(yōu)異

石墨烯自初次被發(fā)現(xiàn)就被賦予“神奇材料”“材料之王”等美譽，單原子納米結(jié)構(gòu)賦予了它許多無以倫比的獨特性能，是迄今發(fā)現(xiàn)的厚度最薄、強度最高、結(jié)構(gòu)最致密的材料，并擁有與眾不同的電學、熱學、光學、磁學等特性。

石墨烯是已知最薄最輕的材料之一，它是單碳原子層，厚度僅有0.34納米，相當于一根頭發(fā)的1/200000；石墨烯是已知強度最高的物質(zhì)，比最好的鋼鐵還要高上100倍；石墨烯是已知最堅硬的納米材料，比鉆石還堅硬；石墨烯是已知導電性最好的材料，其電子運動速度高達光速的1/300，遠遠超過電子在一般導體中的運動速度，常溫下其電子遷移率是硅的100倍，其可耐受的電流密度是銅耐受量的100倍左右；石墨烯是已知導熱性最好的材料，導熱系數(shù)高達5300瓦/米·度，高于碳納米管和金剛石，更遠高于常用的散熱材料銅以及最好的導熱金屬銀（420瓦/米·度），有望成為劃時代的散熱材料；石墨烯還具備高透光率、高性能傳感、高吸附強過濾，常溫可實現(xiàn)無散射傳輸?shù)葍?yōu)良而獨特的性能。

石墨烯的單層結(jié)構(gòu)

近期，美國、日本等在制備石墨烯上取得了重要進展。2013年，英國牛津大學團隊通過控制碳原子在銅箔上的排列，同時輔以適當壓力，從而能夠控制石墨烯的厚度、邊緣形狀以及晶界，向大規(guī)模制備石墨烯邁進了一步。2014年，韓國三星公司和成均館大學聯(lián)合成功研制出在硅晶圓上合成單晶單層石墨烯的工藝，實現(xiàn)了在硅晶圓上的氫端鍺緩沖層生長無皺單晶單層石墨烯，有望解決石墨烯大面積生產(chǎn)問題。2015年，美國能源部橡樹嶺國家實驗室表示，其研究團隊采用化學氣相沉積法制備出了2英寸見方的單原子厚度的碳復合材料，能消除石墨烯片狀集聚問題，這意味在聚合物中可以用更少的石墨烯材料獲得更好的導電效果。

全球涌動石墨烯研發(fā)熱潮

由于石墨烯在能源、材料等各大領域都具有巨大的應用潛力，多個國家紛紛將石墨烯及其應用技術(shù)研發(fā)作為長期戰(zhàn)略予以重點關注。在各方的重視下，石墨烯的研究持續(xù)升溫，新的發(fā)現(xiàn)不斷涌現(xiàn)，大大加速了其產(chǎn)業(yè)化進程。

多國政府積極布局

美國全面布局石墨烯技術(shù)。美國的重點集中在石墨烯替代硅材料技術(shù)和電子元器件、儲能電池等應用方面，主要由美國國家自然科學基金會、美國國防部及其下屬的以國防高級研究計劃局為首的政府與軍方支持。2006~2011年，美國國家自然科學基金會關于石墨烯的資助項目有200項，包括石墨烯超級電容器應用、石墨烯連續(xù)和大規(guī)模納米制造等項目；2013年8月，美國國家自然科學基金會設立專項，資助石墨烯熱性能和批量制備技術(shù)研究。

石墨烯的優(yōu)異性能

歐盟將石墨烯研究提升至戰(zhàn)略高度。歐洲是石墨烯的誕生地，長期以來，一直通過框架計劃支持石墨烯研究。2013年，歐盟委員會選定石墨烯項目作為歐盟首個10年投入10億歐元的“未來和新興技術(shù)旗艦項目”，這一項目的使命是幫助石墨烯從實驗室走向社會。該項目由瑞典查爾姆斯理工大學牽頭、歐盟15個成員國的100多個研發(fā)團隊組成，其中包括4名諾貝爾獎得主。2011年，英國政府把石墨烯作為國家今后四個重點發(fā)展方向之一，宣布投入7150萬英鎊支持石墨烯研究，包括建立國家石墨烯研究院。2014年，英國政府聯(lián)合馬斯達爾公司宣布，繼續(xù)投資6000 萬英鎊在曼徹斯特大學成立石墨烯工程創(chuàng)新中心，作為國家石墨烯研究院的補充。

日韓等國加大投入力度。日本學術(shù)振興機構(gòu)從2007年起開始對石墨烯材料、器件的技術(shù)進行資助，并以實現(xiàn)綠色低碳為目標重點，支持碳納米管和石墨烯的批量合成技術(shù)研發(fā)。韓國預計2012～2018年間向石墨烯領域提供總額為2.5億美元的資助。

研發(fā)應用取得重大進展

石墨烯的發(fā)現(xiàn)雖然僅10年左右，卻引發(fā)了席卷全球的一波又一波研究開發(fā)浪潮。特別是近兩年來，石墨烯的研究繼續(xù)升溫，新的發(fā)現(xiàn)不斷涌現(xiàn)，大大加速了其實用化進程，引發(fā)了人們的高度關注。

在石墨烯材料研發(fā)方面，2013年，美國麻省理工學院研究發(fā)現(xiàn)，將具備高電子遷移率的石墨烯薄膜材料置于兩片鐵電材料之間，石墨烯薄膜材料可以產(chǎn)生太赫茲信號，利用該機理，有望為光電信號互換提供新方式。美國加州大學圣巴巴拉分校研究人員與萊斯大學合作，在2014年展示了可實現(xiàn)大面積Bernal型（或AB型）堆疊雙層石墨烯薄膜的新技術(shù)。

在能源方面，石墨烯的應用主要集中在氫能存儲、超級電容器制造、鋰離子電池和鋰-空氣電池制造等方面。2013年，美國萊斯大學制造出高比容微型石墨烯鋰電池，比容達到204毫安時/克，厚度僅10納米，充放電時間20秒。試驗表明，充放電1000次后電容量僅損耗10%。2014年，麻省理工學院利用兩張褶皺的石墨烯紙制作了簡單的超級電容器。研究人員證實，這種石墨烯紙可以平復1000次，且制造的超級電容性能不發(fā)生明顯降低。這種將石墨烯起皺的技術(shù)不僅可用于制造超級電容器，也可用于制作柔性電池的電極，或者為特定的化學或生物分子制造可伸縮傳感器等。

在探測與傳感器方面，2012年，德國慕尼黑工業(yè)大學的科學家成功制成石墨烯光電探測器，能非常快速地處理和引導光電信號。2014年，美國密歇根大學的科學家通過將可感應光子的石墨烯薄層嵌入到隱形眼鏡之中，從而使昏暗的圖像看起來更明亮。

在顯示屏方面，2014年，英國劍橋大學的研究人員展示了首個可彎曲的石墨烯柔性屏幕，采用軟塑料和石墨烯底板取代了傳統(tǒng)的金屬電極。2014年，韓國三星先進技術(shù)研究院與成均館大學聯(lián)合宣布，他們已經(jīng)合成一種能在更大尺度內(nèi)保持導電性的石墨烯晶體，這是一種可以用在柔性顯示屏和可穿戴設備上的屏幕顯示技術(shù)。

近期各國主要石墨烯發(fā)展計劃與項目

在芯片材料方面，石墨烯被譽為“21世紀取代硅的材料”，有望成為新一代的電子元件或晶體管材料。2012年，韓國三星公司利用石墨烯研制出了新的晶體管結(jié)構(gòu)，形成了一個叫做“肖特基勢壘”的能源壁壘，通過調(diào)整壁壘高度可以實現(xiàn)電流的開關。2014年，IBM公司發(fā)布由片級石墨烯材料制造的全功能集成電路，它是最先進的全功能石墨烯集成電路，可使電子設備以速度更高、能效更低、成本更低的方式傳遞數(shù)據(jù)信息。

在環(huán)保與生物方面，近期進展主要集中在污染物的吸附、海水淡化等。美國萊斯大學和俄羅斯國立羅蒙諾索夫大學的研究人員發(fā)現(xiàn)，僅有原子厚度的氧化石墨烯薄片能快速吸附天然和人造的放射性核素，并凝結(jié)成固體，陸地、水下都能使用。2012年，麻省理工學院研究人員借助石墨烯開發(fā)出了一種海水淡化的新方法，通過精確控制多孔石墨烯的孔徑并向其中添加其他材料的方法，從而改變石墨烯小孔邊緣的性質(zhì)，使其能夠排斥或吸引水分子。這種特制的石墨烯就如同篩子一樣，能快速地濾掉海水中的鹽。2013年，美國洛克希德·馬丁公司也研發(fā)了一種新的石墨烯海水凈化系統(tǒng)，其采用的薄膜厚度是目前市場上最好薄膜的1/500，強度卻達到了它的1000倍，過濾同樣多的鹽分所需的能源和壓力也是它的百分之一。

巨大應用前景改變未來戰(zhàn)場

石墨烯具有卓越而獨特的電學、光學、力學、化學性能，這些優(yōu)越的性質(zhì)及特殊的二維結(jié)構(gòu)使其在國防軍事上有著難以估量的應用前景，將對未來作戰(zhàn)產(chǎn)生顛覆性的重大影響。

利用石墨烯超薄超輕、抗壓力強的特性，通過與其他材料復合，研制出了具有超薄、超柔和超輕特性的新型超強材料，可用于機翼、彈翼等。利用石墨烯的導電性和導熱性，可代替硅、鍺等材料制成電容、晶體管、集成電路，成為新一代電子元件，可用于超級計算機、雷達、通信設備等未來新型軍用電子裝備上。石墨烯還有望蘊育出新型寬帶激光器，并取代半導體可飽和吸收鏡成為飛秒光纖激光器的核心材料。

石墨烯可用于防彈衣、裝甲車輛的新材料中，用于代替凱夫拉、芳綸等高性能材質(zhì)，在減輕重量的同時還能提高防護能力。近期實驗數(shù)據(jù)顯示，石墨烯可以迅速分散沖擊力，并能中斷通過材料的外展波，承受沖擊的性能遠勝鋼鐵和凱夫拉等材質(zhì)。用石墨烯制成的防彈衣?lián)碛?倍于現(xiàn)有防彈衣技術(shù)（凱夫拉纖維）的防護能力。美國萊斯大學的研究人員進行了一次微觀彈道測試，以一顆微小的硅粒以3000米/秒的速度射向單層石墨烯，發(fā)現(xiàn)這種蜂巢形結(jié)構(gòu)的材料可有效分散動能，其能力比凱夫拉強2倍，比鋼材強10倍。

利用石墨烯透光性好、對環(huán)境敏感度高的特性制成的高效光傳感器，可用于紅外夜視儀和紅外熱像儀等光電探測裝備中，也可以生產(chǎn)導彈用的非制冷紅外導引頭，提高導彈的精度和毀傷目標的能力。IBM公司已經(jīng)研制出石墨烯/絕緣體超晶格，使石墨烯具有光子特性，并制成可實現(xiàn)太赫茲級頻率的濾波器與線性偏光片等光學元件，有助于在未來擴展至中紅外和遠紅外波段的光電設備應用中。2014年3月，美國密歇根大學的研究人員利用石墨烯開發(fā)出一種只有指甲蓋大小的紅外線圖像傳感器，其實現(xiàn)方式是在兩層石墨烯之間放置一個絕緣層，然后施加電流，當接觸到紅外光后，可產(chǎn)生足夠的電流生成紅外圖像。該新技術(shù)無需笨重的冷卻裝置就能運行，首次實現(xiàn)了在室溫下對全紅外光譜的觀測。

石墨烯具有高透明性、強韌性以及優(yōu)良的導電性，可用于制作各類武器裝備上的儀表盤、屏幕面板等。尤其是利用石墨烯制作的柔性屏幕，不僅清晰度高、安全性好，而且重量輕、便于折疊與攜帶，在單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)、增強現(xiàn)實裝置、軍用可穿戴設備上優(yōu)勢明顯。

美國國防高級研究計劃局開發(fā)的生物組織傳感器

在能源方面，石墨烯作為負極材料能夠大幅提升鋰電池性能，并提高電池的彎曲、拉伸等力學特性；石墨烯同時兼具高透過性和高導電性，使其可成為透明電極應用于太陽能電池；利用石墨烯類膜材料特性，有望解決燃料電池核心部件質(zhì)子傳導膜的燃料滲透難題；石墨烯符合高能量密度和高功率密度的超級電容器對電極材料的要求，普遍認為它有希望成為理想的超級電容器極板料。2012年，美國陸軍研究實驗室首次證明，在柔性襯底上采用噴墨打印技術(shù)可以制備出石墨烯超級電容器電極，并進一步制造出柔性超級電容器原型。運用石墨烯開發(fā)的柔性超級電容器可以增強超級電容器的性能并減少尺寸，與電池相比，其功率密度更高、壽命更長，可增加武器和無人系統(tǒng)的動力并減輕重量。

此外，石墨烯還可以制成特殊涂料，用于軍艦的艦體防護上，抵御海浪沖擊以及水氣、鹽霧等的侵蝕，大幅提高武器裝備的抗腐蝕能力；石墨烯良好的密閉性，不透氣透水，且能抑制細菌滋生，可用于制作戰(zhàn)地醫(yī)療物品、軍用食品包裝袋等；石墨烯的薄層結(jié)構(gòu)對固體、氣體、離子都有著很高的吸附容量，可用于戰(zhàn)場污染物的清理，從而降低對生態(tài)環(huán)境的損害。

結(jié) 語

石墨烯的問世不過短短的十余年光景，但其獨特的二維晶體結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理、化學特性，使它迅速成為眾多領域的研究熱點，并在國防和軍事等領域扮演重要角色。但是，石墨烯的更廣闊利用仍面臨很多問題需要解決，我們必須統(tǒng)籌規(guī)劃，精心布局，緊緊抓住石墨烯研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化所帶來的重大發(fā)展機遇，努力掌握未來科技競爭的制高點。

四、顛覆未來作戰(zhàn)的前沿技術(shù)系列之超材料

超材料是通過在材料關鍵物理尺寸上的結(jié)構(gòu)有序設計，突破某些表觀自然規(guī)律的限制，獲得超出自然界原有普通物理特性的超常材料的技術(shù)。超材料是一個具有重要軍事應用價值和廣泛應用前景的前沿技術(shù)領域，將對未來武器裝備發(fā)展和作戰(zhàn)產(chǎn)生革命性影響。

新型材料顛覆傳統(tǒng)理論

盡管超材料的概念出現(xiàn)在2000年前后，但其源頭可以追溯到更早。1967年，蘇聯(lián)科學家維克托·韋謝拉戈提出，如果有一種材料同時具有負的介電常數(shù)和負的磁導率，電場矢量、磁場矢量以及波矢之間的關系將不再遵循作為經(jīng)典電磁學基礎的“右手定則”，而呈現(xiàn)出與之相反的“負折射率關系”。這種物質(zhì)將顛覆光學世界，使光波看起來如同倒流一般，并且在許多方面表現(xiàn)出有違常理的行為，例如光的負折射、“逆行光波”、反常多普勒效應等。這種設想在當時一經(jīng)提出，就被科學界認為是“天方夜譚”。

隨著傳統(tǒng)材料設計思想的局限性日漸暴露，顯著提高材料綜合性能的難度越來越大，材料高性能化對稀缺資源的依賴程度越來越高，發(fā)展超越常規(guī)材料性能極限的材料設計新思路，成為新材料研發(fā)的重要任務。2000年，首個關于負折射率材料的報告問世；2001年，美國加州大學圣迭戈分校的科研人員首次制備出在微波波段同時具有負介電常數(shù)和負磁導率的超材料；2002年，美國麻省理工學院研究人員從理論上證實了負折射率材料存在的合理性；2003年，由于超材料的研究在世界范圍內(nèi)取得了多項研究成果，被美國《科學》雜志評為當年全球十項重大科技進展之一。此后，超材料研究在世界范圍內(nèi)取得了多項成果，維克托·韋謝拉戈的眾多預測都得到了實驗驗證。

現(xiàn)有的超材料主要包括：負折射率材料、光子晶體、超磁材料、頻率選擇表面等。與常規(guī)材料相比，超材料主要有3個特征：

一是具有新奇人工結(jié)構(gòu)；

二是具有超常規(guī)的物理性質(zhì)；

三是采用逆向設計思路，能“按需定制”。

負折射率材料具有介電常數(shù)與磁導率同時為負值的電磁特性，電磁波在該介質(zhì)中傳播時，電場強度、磁場強度與傳播矢量三者遵循負折射率螺旋定則，因此存在負折射效應、逆多普勒效應、逆切侖科夫輻射和理想透鏡等多種奇特物理現(xiàn)象。負折射率材料的實現(xiàn)使人類具備了自由調(diào)控電磁波的能力，這對未來的新一代通信、光電子/微電子以及隱身、探測、強磁場、太陽能和微波能利用等技術(shù)將產(chǎn)生深遠的影響。

光子晶體是指具有光子帶隙特性的人造周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)，是一種介電常數(shù)周期性分布的電介質(zhì)復合結(jié)構(gòu)，可以阻止某一種頻率的光波在其中的傳播。由于光子晶體具有固有的頻率選擇特性，被認為是未來的半導體，對光電子、光通信、微諧振腔、集成光路、紅外/雷達隱身等領域?qū)a(chǎn)生重大影響。

部分超材料示例

“電磁黑洞”是一種采用電磁超材料制造的人工黑洞，能夠全向捕捉電磁波，引導電磁波螺旋式行進，直至被黑洞吸收，使基于引力場的黑洞很難在實驗室里模擬和驗證的難題迎刃而解。這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，不僅將為太陽能利用技術(shù)增加新的途徑，產(chǎn)生全新的光熱太陽能電池，還能應用于紅外熱成像技術(shù)，大幅度提高紅外信號探測能力。

頻率選擇表面是由大量無源諧振單元組成的單屏或多屏周期性陣列結(jié)構(gòu)，由周期性排列的金屬貼片單元或在金屬屏上周期性排列的孔徑單元構(gòu)成。其可對不同頻段的入射電磁波進行有選擇性的發(fā)射或傳輸，已被廣泛應用于微波天線和雷達罩的設計中，也可用于反射面天線的負反射器，以實現(xiàn)頻率復用 ，提高天線的利用率。

巨大價值引發(fā)全球關注

超材料研究的重大科學價值及其在諸多應用領域呈現(xiàn)出的革命性應用前景，使其得到了美國、歐洲、俄羅斯、日本等國政府，以及波音、雷神等機構(gòu)的強力關注，現(xiàn)在已是國際上最熱門、最受矚目的前沿高技術(shù)之一。2010年，美國《科學》雜志將超材料列為21世紀前10年自然科學領域的10項重大突破之一。當前，國外的研究領域己涉及超材料基本原理和特性、超材料實驗驗證、超材料設計、超材料加工制造和超材料的應用。

美國國防部長辦公室把超材料列為“六大顛覆性基礎研究領域”之一（請參閱：【科技資訊】美國國防部瞄準未來六大顛覆性基礎研究領域），美國國防部專門啟動了關于超材料的研究計劃；美國空軍科學研究辦公室把超材料列入“十大關鍵領域”；美國最大的6家半導體公司英特爾、AMD和IBM等也成立了聯(lián)合基金資助這方面的研究。歐盟組織了50多位相關領域頂尖的科學家聚焦這一領域的研究，并給予高額經(jīng)費支持。日本在經(jīng)濟低迷之際出臺了一項研究計劃，至少支持兩個關于超材料技術(shù)的研究項目，每個項目約為30億日元（約合1.5億人民幣），同時將超材料列為下一代隱形戰(zhàn)斗機的核心關鍵技術(shù)。

在多個項目的支持下，超材料技術(shù)取得了一系列新進展。例如，美國能源部勞倫斯·伯克利國家實驗室與加利福尼亞大學合作完成了負折射率材料太赫茲頻率特性的研究探索；美國加利福尼亞大學完成了利用負折射率材料精確控制光線速度和方向的研究；美國普渡大學和諾福克州立大學合作完成了負折射率材料對光線吸收的研究；2013年以來，美國陸軍和普渡大學研究了在特定的電磁頻譜波段具有光譜選擇性的新型等離子體隱身材料；美國勞倫斯·伯克利國家實驗室的研究團隊制造出了全球首個非線性零折射率超材料，通過這種材料的光在各個方向都會得到增強；2014年，法國國家科學研究中心和法國波爾高等化學物理學院的研究人員通過結(jié)合物理化學組成和微流體技術(shù)，研發(fā)出了第一個三維超材料。

使用超材料的隱身衣

在超材料應用方面，有關國家和機構(gòu)近年來啟動了多項研究計劃。如DARPA實施的負折射率材料研究計劃；美國杜克大學開展的高增益天線超材料透鏡研究，以及可升級和可重構(gòu)的超材料研究等。此外，還有近百家美國企業(yè)獲得小企業(yè)創(chuàng)新計劃和企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移資助計劃資助，對超材料技術(shù)進行了大量研究和產(chǎn)品轉(zhuǎn)化。目前，超材料領域已初步形成的產(chǎn)品包括超材料智能蒙皮、雷達天線、吸波材料、電子對抗雷達、通信天線、無人機載雷達等。

神奇功能改變未來作戰(zhàn)

超材料因其獨特的物理性能而一直備受人們的青睞，在軍事領域具有重大的應用前景。近年來，超材料在隱身、電子對抗、雷達等領域的應用成果不斷涌現(xiàn)，展現(xiàn)出巨大應用潛力和發(fā)展空間。

隱身是近年來出鏡率最高的超材料應用，也是迄今為止超材料技術(shù)研究最為集中的方向，如美國的F-35戰(zhàn)斗機與DDG1000大型驅(qū)逐艦均應用了超材料隱身技術(shù)。未來，超材料在電磁隱身、光隱身和聲隱身等方面具有巨大應用潛力，在各類飛機、導彈、衛(wèi)星、艦艇和地面車輛等方面將得到廣泛應用，使軍事隱身技術(shù)發(fā)生革命性變革。超材料實現(xiàn)隱身與傳統(tǒng)隱身技術(shù)的區(qū)別是，超材料使入射的電磁波、可見光或聲波繞過被隱藏的物體，在技術(shù)上實現(xiàn)真正意義上的隱身。

在電磁隱身方面，2006年，美國杜克大學與英國帝國學院合作提出了一種微波頻段的電磁隱身設計方案，這種設計方案由10個同心圓筒組成，采用矩形開口環(huán)諧振器單元結(jié)構(gòu)，實驗結(jié)果證實負折射率材料用于物體的隱身是可行的。2012年，美國東北大學采用摻雜鈧的M型鋇鐵氧薄片和銅線組合，設計和試驗了可在33～44吉赫茲電磁波段實現(xiàn)可調(diào)的負折射率材料。美國雷神公司開發(fā)了“透波率可控人工復合蒙皮材料”，該材料采用嵌入了可變電容的金屬微結(jié)構(gòu)頻率選擇表面，通過控制加載在可變電容上的偏置電壓，可以改變頻率選擇表面的電磁參數(shù)，從而實現(xiàn)材料透波特性的人工控制，可應用于各種先進雷達系統(tǒng)和下一代隱身戰(zhàn)機的智能隱身蒙皮。

在光學隱身方面，2012年，加拿大超隱形生物公司發(fā)明了一種名為“量子隱身”的神奇材料。它能使周圍光線折射而發(fā)生彎曲，從而使其覆蓋的物體或人完全隱身，不僅能“騙”過人的肉眼，在軍用夜視鏡、紅外探測器的探測下也能成功隱身。這種材料不僅能幫助特種部隊在白天完成突襲行動，而且有望在下一代隱形戰(zhàn)機、艦艇和坦克上應用。2014年，美國佛羅里達大學的研究團隊研制出一種可實現(xiàn)可見光隱身的超材料，實現(xiàn)這一技術(shù)突破的關鍵是利用納米轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)制造出一種多層三維超材料。納米轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)可改變這種超材料的周圍折射率，使光從其周圍繞過而實現(xiàn)隱身。

在聲隱身方面，2011年，美國杜克大學卡默爾教授的團隊開發(fā)出一種二維聲學斗篷，能使10厘米大小的木塊不被聲波探測到。2014年3月，杜克大學制造出世界上首個三維聲學斗篷，它是一種利用聲隱身超材料制成的聲隱身裝置，能使入射聲波沿斗篷表面?zhèn)鞑ィ环瓷湟膊煌干洌瑢崿F(xiàn)對探測聲波的隱身。三維聲學斗篷由一些具有重復排列小孔的塑料板組成，能在3千赫茲的聲波下表現(xiàn)出完美的隱身效果，驗證了聲學斗篷應用于主動聲吶對抗的可行性。此外，美海軍自主開發(fā)一種名為“金屬水”的潛艇聲隱身技術(shù)，制造一種六角形晶胞結(jié)構(gòu)的鋁材料，并將其納入潛艇艇殼外覆蓋的靜音材料內(nèi)，實現(xiàn)對聲波引導，達到隱身目的。聲隱身超材料技術(shù)的發(fā)展將對潛艇等水下裝備的隱身產(chǎn)生變革性影響，有可能改變未來水下戰(zhàn)場的“游戲”規(guī)則。

除了傳統(tǒng)意義上的隱身，最近超材料在觸覺隱形上也有了新的突破。2014年，德國卡爾斯魯厄理工學院的研究人員利用機械超材料制成觸覺隱形斗篷。這是一種全新的隱身技術(shù)，可以欺騙人體和探測設備的傳感器。這種觸覺隱形斗篷由超材料聚合物制成，具有特殊設計的次微米精度的晶體結(jié)構(gòu)。晶體由針尖相接觸的針狀錐組成，接觸點的大小需精確計算，以滿足所需的機械性能。利用這種超材料制造的隱形斗篷可以屏蔽儀器或人體的觸覺，如用隱形斗篷覆蓋住放在桌面上的一個突出物體，雖然可見突出物，但用手撫摸時無法感到物體突出，就像撫摸平整的桌面一樣。該技術(shù)雖然還在純粹的基礎物理研究階段，但是將會為近幾年的國防應用開辟一條新路。

超材料將圓柱體隱藏起來，使其無法被手指感覺到

天線與天線罩是超材料的另一個用武之地。國外眾多實驗表明，將超材料應用到導彈、雷達、航天器等天線上，可以大大降低天線能耗，提高天線增益，拓展天線工作的帶寬，有效增強天線的聚焦性和方向性。

天線方面，雷神公司研發(fā)了超材料雙頻段小型化GPS天線，通過精確的人工微結(jié)構(gòu)設計，可提升天線單元間的隔離度，減少天線原件之間的電磁耦合，從而使天線的帶寬得到大幅拓展，其可應用于對天線尺寸要求苛刻的飛機平臺與個人便攜式戰(zhàn)術(shù)導航終端。2011年2月，洛克希德·馬丁公司與賓夕法尼亞大學聯(lián)合開發(fā)了一種新型電磁超材料，可用于在喇叭形衛(wèi)星天線上，使產(chǎn)品體積更小，制造成本更低，并能夠顯著提高航天器天線的性能。2014年，英國BAE系統(tǒng)公司開發(fā)出一種可用于無人機通信的超材料平面天線，可使電磁波在透過平面天線后進行聚焦，在實現(xiàn)對電磁波聚焦的同時保留了平面天線的寬帶性能，克服了傳統(tǒng)拋物面天線變?yōu)槠矫嫣炀€所帶來的帶寬損失、低增益等問題，同時可實現(xiàn)一個天線替換多個天線，減少天線的數(shù)量。這一技術(shù)突破可能使飛機、艦艇、衛(wèi)星等天線的設計產(chǎn)生劃時代的變革。

雷達天線罩方面，在美國海軍的支持下，美國公司成功研發(fā)出雷達罩用超材料智能結(jié)構(gòu)，并應用于美軍新一代的E2“鷹眼”預警機，大幅提高了其雷達探測能力。通過采用超材料的特殊設計，該項目提供了解決傳統(tǒng)雷達罩圖像畸變的問題，同時這種超材料電磁結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，方便后期的改裝和維護，極大提高了E2“鷹眼”預警機的整體性能。

導彈天線罩方面，美國雷神公司研制了基于超材料的導彈天線罩，可以使穿過導彈天線罩的電磁波不產(chǎn)生有效折射，有效提高導彈打擊精度。

用于制作光學透鏡的超材料，可以制作不受衍射極限限制的透鏡、高定向性透鏡以及高分辨能力的平板型光學透鏡。其中不受衍射極限限制的透鏡主要應用于微量污染物質(zhì)探測、醫(yī)學診斷成像、單分子探測等領域；高定向性透鏡主要應用于透鏡天線、小型化相控陣天線、超分辨率成像系統(tǒng)等領域；高分辨能力的平板型光學透鏡主要應用于集成電路的光學引導原件等領域。2012年，美國密西根大學完成一種新型超材料透鏡研究，可用于觀察尺寸小于100納米的物體，且在從紅外光到可見光和紫外光的頻譜范圍內(nèi)工作性能良好。

結(jié) 語

超材料的重要意義不僅體現(xiàn)在幾類主要的人工材料上，最主要的是它提供了一種全新的思維方法—人們可以在不違背物理學基本規(guī)律的前提下，獲得與自然界中的物質(zhì)具有迥然不同的超常物理性質(zhì)的“新物質(zhì)”。“一代材料，一代裝備”，創(chuàng)新材料的誕生及發(fā)展必將會催生出新的武器裝備與作戰(zhàn)樣式。誕生不久就受到全世界擁躉的“超級材料”能否成為下一個新材料傳奇？不禁令人無限地遐想和期待。

五、顛覆未來作戰(zhàn)的前沿技術(shù)系列之太赫茲技術(shù)

太赫茲波泛指頻率位于紅外和微波之間、0.1～10THz波段內(nèi)的電磁波，處于宏觀電子學向微觀光子學的過渡階段。由于處于交叉過渡區(qū)，太赫茲波既不完全適合用光學理論來處理，也不完全適合用微波的理論來研究。過去很長一段時間，太赫茲波段兩側(cè)的紅外和微波技術(shù)的發(fā)展相對比較成熟，但是人們對太赫茲波段的認識仍然非常有限，形成了所謂的“太赫茲空白”。近年來，太赫茲波以其獨特的性能和廣泛的應用而越來越受到世界各國的關注，已被國際科學界公認為是高科技領域的必爭之地，其研究和應用對于未來作戰(zhàn)與國家安全將具有重大的戰(zhàn)略意義。

不同電磁頻譜及其應用

太赫茲波性能獨特，蘊含巨大應用前景

太赫茲技術(shù)之所以引起科學界廣泛的關注，是由于太赫茲波頻率上要高于微波，低于紅外線；能量大小則在電子和光子之間，與其他頻率的電磁波相比，具有很多獨特的性質(zhì)。

高穿透性，太赫茲波對許多介電材料和非極性物質(zhì)具有良好的穿透性，可對不透明物體進行透視成像，是X射線成像和超聲波成像技術(shù)的有效互補；

低能量性，太赫茲光子能量只是X射線光子能量的約1%，太赫茲輻射不會導致光致電離而破壞被檢質(zhì)，非常適用于針對人體或其他生物樣品的檢查；吸水性，水對太赫茲輻射有極強的吸收性，太赫茲波不易穿透含水物體；

瞬態(tài)性，太赫茲脈沖的典型脈寬在皮秒數(shù)量級，通過取樣測量技術(shù)，能夠有效地抑制背景輻射噪聲的干擾；

相干性，太赫茲的相干性源于其相干產(chǎn)生機制，能夠直接測量電場的振幅和相位，從而方便提取樣品的折射率、吸收系數(shù)、消光系數(shù)、介電常數(shù)等參數(shù)；

指紋光譜，大多數(shù)極性分子和生物大分子的振動和轉(zhuǎn)動能級間距都處在太赫茲波段，通過特有的光譜特征可以識別分子結(jié)構(gòu)并分析物質(zhì)成分，具有指紋般的惟一性，就像利用指紋可以識別不同的人一樣，根據(jù)這些指紋譜，太赫茲光譜成像技術(shù)能夠鑒別物體的組成成分。

太赫茲技術(shù)可用于安檢

太赫茲波的獨特性能給通信、雷達、電子對抗、電磁武器、醫(yī)學成像、安全檢查等領域帶來了深遠的影響。太赫茲的應用仍然在不斷的開發(fā)研究當中，其廣袤的科學前景為世界所公認。

軍事作戰(zhàn)領域太赫茲波的頻率很高、波長很短，具有很高的時域頻譜信噪比，且在濃煙、沙塵環(huán)境中傳輸損耗很少，可以穿透墻體對房屋內(nèi)部進行掃描，是復雜戰(zhàn)場環(huán)境下尋敵成像的理想技術(shù)。目前，太赫茲波已能識別出50多種爆炸物；利用太赫茲波照射路面，還可以遠距離探測地下的雷場分布和炸彈情況；太赫茲雷達對隱身目標、高超音速目標等具有較強的探測能力，會在軍事上對現(xiàn)有隱身技術(shù)產(chǎn)生顛覆性影響；太赫茲波集成了微波通信與光通信的優(yōu)點，具有傳輸速率高、容量大、方向性強、安全性高及穿透性好等諸多特性，可以在大風、沙塵以及濃煙等惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境下以極高的帶寬進行定向、高保密軍事通信，在軍事通信應用上的前景誘人。

安全與反恐領域太赫茲波是天生的反恐和安檢“專家”，許多爆炸物及其相關成分和毒品在太赫茲波段都有指紋譜，再加上太赫茲波的非電離性、強穿透性，可使其在機場、車站、碼頭等人口密集區(qū)提供遠距離、大范圍的預警。現(xiàn)有金屬探測器和X光安檢等設備無法識別陶瓷刀具、塑料炸藥等新型作案工具或武器，但這些材料在太赫茲波段的透明度較低，可以利用太赫茲成像技術(shù)有效地對隱藏在衣服下、包裹中的違禁品進行成像鑒別，同時還能保證對生物體危害極小，因此在安檢和反恐領域受到各國高度關注。

檢驗檢測領域太赫茲時域光譜技術(shù)可用于對儲油層巖石的性質(zhì)及其內(nèi)部構(gòu)造形態(tài)進行測量，并根據(jù)測量結(jié)果對巖石類型進行區(qū)分和鑒別；太赫茲光譜儀信噪比高，可以對炸藥進行無損、非電離、高靈敏度的光譜測量，適合于危化品鑒別與檢測，國內(nèi)外已經(jīng)建立了大量有關危化品的太赫茲指紋譜數(shù)據(jù)庫；利用太赫茲技術(shù)可進行食品檢測，包括水含量檢測、有害成分檢測、禁用化學成分檢測等；太赫茲三維成像還可以用于檢測汽車儀表盤、建筑物內(nèi)的墻后和地板材料表面完整性、瓷磚和紙張等的表面平整度、印刷電路板是否脫層等問題。

航天領域?qū)⑻掌澨綔y器與光學遙感技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)空間高分辨率、快速成像和波譜探測功能，空間太赫茲被動遙感技術(shù)是目前太赫茲技術(shù)在天文和深空探測領域的主流應用方向。許多歐美發(fā)達國家已經(jīng)實施或計劃實施太赫茲空間計劃，利用空間太赫茲設備在一定程度上實現(xiàn)了對地球大氣成分、對流層的化學性質(zhì)及其動力學、溫度壓力等情況的科學研究工作。利用太赫茲技術(shù)可對航天器進行損傷、疲勞和化學剝蝕檢查，太赫茲成像技術(shù)現(xiàn)已成為美國航天局用來檢測航天器缺陷的四大技術(shù)之一，如利用太赫茲技術(shù)有效地檢測出了導致“哥倫比亞”號慘劇的原因（外部燃料箱泡沫脫粘所致）。

生物與醫(yī)學領域太赫茲成像技術(shù)可應用于檢查人體組織以發(fā)現(xiàn)病變區(qū)域，診斷疾病程度以及監(jiān)測醫(yī)療藥品的制造等；太赫茲時域光譜技術(shù)則可用于檢驗藥品質(zhì)量、測定藥品成分等；由于生物大分子的振動和轉(zhuǎn)動頻率的共振頻率均在太赫茲波段，因此太赫茲在糧食選種、優(yōu)良菌種的選擇等農(nóng)業(yè)和食品加工行業(yè)有著良好的應用前景。

太赫茲成像裝置

受到各國高度關注，多項技術(shù)逐漸成熟

隨著對太赫茲價值認識的不斷深入，各國紛紛加快了針對這一波段的探索，掀起一股研究太赫茲的熱潮。太赫茲技術(shù)在美國得到了很大的重視和發(fā)展，2004年被列為“改變未來世界的十大技術(shù)”之一，2006年被列為國防重點科學，目前美國有多個研究機構(gòu)正在積極發(fā)展此項技術(shù)。美國國防高級研究計劃局（DARPA）開展了TIFT項目研究，開發(fā)安全應用方面的小型高感度太赫茲感測系統(tǒng)；美國勞倫斯·伯克利國家實驗室開展了先進太赫茲光源以及基于新型半導體材料的太赫茲器件的研究等；美國斯坦福國家加速器實驗室在開展基于加速器和基于激光等離子體相互作用的超短高峰值功率的太赫茲脈沖光源；與加州理工大學聯(lián)合的噴氣推進實驗室已經(jīng)在太赫茲遠距離成像、太赫茲光譜成像生物醫(yī)學應用等方面做出了突出貢獻。

在歐洲，政府和企業(yè)圍繞太赫茲技術(shù)的廣泛應用，加強產(chǎn)學研合作的研發(fā)日益活躍。英國開展了WANTED項目研究，開發(fā)了l～10THz的廣域半導體振動器和檢波器，開展了TERAVISION項目，開發(fā)應用高功率、小型近紅外短脈沖激光的小型醫(yī)用太赫茲脈沖成像裝置；法國實施了NANO-TERA項目，研究太赫茲波段信號處理裝置。

2005年1月，日本政府把太赫茲技術(shù)確立為十年內(nèi)重點開發(fā)的“國家支柱技術(shù)十大重點戰(zhàn)略目標”之首，其標志性成果是2006年研制出的1500米太赫茲無線通信演示系統(tǒng)，完成世界首例太赫茲通信演示。

在各國多項研究計劃的帶動下，太赫茲技術(shù)取得了重要突破，為其實用化與商業(yè)化奠定了基礎。

應用研究持續(xù)推進，軍事價值日益顯現(xiàn)

近年來，太赫茲應用研究發(fā)展迅速，應用范圍已從基礎科學逐漸向武器裝備、航空航天、雷達探測、通信、反恐緝毒等方面不斷擴展，在軍事領域的應用持續(xù)推進，潛在的巨大價值日益顯現(xiàn)。

太赫茲成像技術(shù)用于公共區(qū)域安全監(jiān)視巡邏

開展各類目標在太赫茲頻段散射特性的研究，建立相關的目標特性數(shù)據(jù)庫，對于研究武器裝備在太赫茲頻段隱身與反隱身突防具有重要作用。美歐等國已經(jīng)建立了多個太赫茲波特性實驗室。其中比較典型的有美國麻省羅尼爾大學所屬的太赫茲波實驗室，其建立了多套連續(xù)太赫茲波實驗裝置，并對多種頻率的目標特性進行了深入研究。丹麥技術(shù)大學的研究人員搭建了一套太赫茲準后向模擬目標散射測量系統(tǒng)，后向散射角約6.6°，系統(tǒng)測試頻率覆蓋了0～3THz。

利用太赫茲成像可以有效地分辨爆炸物、生化制劑以及槍支刀具等危險物品，可作為傳統(tǒng)安檢手段有力的補充，用于對危險物體和目標的預警和識別。2007年，DARPA立項資助了太赫茲成像與安全監(jiān)控技術(shù)研究，該計劃重點研究了太赫茲隱蔽目標探測技術(shù)及太赫茲焦平面成像應用概念設計，將太赫茲成像技術(shù)用于戰(zhàn)場營地安全防護和公共區(qū)域安全監(jiān)視巡邏。2009年，英國ThruVision公司展示了一種利用太赫茲成像技術(shù)的新型安檢系統(tǒng)，能夠在3～15米的安全距離對人群成像，并篩選出隱藏了不明物體的人員。2013年，美國密歇根大學開發(fā)出一種光導太赫茲組件，該組件比現(xiàn)有器件的輸入功率高出50倍，接收靈敏度高出30倍，總體性能增強1500倍，采用這種高靈敏度新型太赫茲組件，能探測更遠距離、更小劑量的爆炸物和毒品。2013年1月，美國加州理工大學開發(fā)出一種低成本的微小成像硅芯片，這種芯片能夠產(chǎn)生并發(fā)射出太赫茲波，激發(fā)出比現(xiàn)有器件強近1000倍的信號，成為世界上第一個集成的太赫茲掃描陣列。

與傳統(tǒng)微波雷達相比，太赫茲雷達的波長更短，能提供更寬的帶寬，能對目標實現(xiàn)高精度成像。太赫茲雷達發(fā)射的波束極窄，可提高對多目標的區(qū)分和識別能力。由于太赫茲雷達具有極寬的帶寬，不管目標采用外形隱身或雷達吸波隱身，對它都“無處遁形”，因此它又是一種反隱身雷達。

噴氣推進實驗室研制的太赫茲雷達

美國在太赫茲雷達領域取得了較多成果，馬薩諸塞大學、噴氣推進實驗室、DARPA等機構(gòu)均開展了太赫茲雷達技術(shù)的研究，并通過實驗對其關鍵技術(shù)進行了驗證。2010年，馬薩諸塞大學用太赫茲量子級聯(lián)激光器制造了一部2.408THz的相干雷達，并對1:72的T-80BV坦克模型進行了逆合成孔徑雷達成像，獲得了整體輪廓清楚的坦克模型圖像。2012年，噴氣推進實驗室利用0.675THz掃描成像雷達探測到了隱藏在厚衣服下面的聚氯乙烯管。2012年，DARPA開展“視頻合成孔徑雷達”項目，研制能夠透過云層、灰塵和其他遮蔽物進行視頻合成孔徑成像的太赫茲探測雷達。2014年2月，噴氣推進實驗室稱，其研制的工作頻率0.6THz的雷達能迅速探測出25米外隱藏武器的人員。該太赫茲雷達有如此高的分辨率，是因為采用了頻率調(diào)制連續(xù)波雷達技術(shù)。

其他國家在太赫茲雷達領域也有所進展。2007年，德國高頻物理與雷達技術(shù)研究所研制了工作頻率0.22THz的太赫茲成像雷達COBRA-220，作用距離500米，成像分辨率達到1.8厘米。2010年，瑞典查爾姆斯科技大學基于倍頻鏈路與外差接收鏈路制造了一部0.34THz的太赫茲成像雷達。

結(jié) 語

太赫茲技術(shù)是一門極具活力的前沿領域，其應用非常廣泛。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，太赫茲技術(shù)領域的新理論、新現(xiàn)象、新方法和新應用層出不窮。經(jīng)過不懈的努力，中國已經(jīng)在太赫茲技術(shù)這一“真空地帶”有所建樹，我們要有高度的緊迫感和責任感，努力推動太赫茲技術(shù)及其應用更進一步的發(fā)展，在這一重要戰(zhàn)略前沿領域占據(jù)制高點和主動權(quán)。

六、顛覆未來作戰(zhàn)的前沿技術(shù)系列之微系統(tǒng)技術(shù)

微系統(tǒng)是以微納尺度理論為支撐，以微納制造及工藝等為基礎，不斷融入微機械、微電子、微光學、微能源、微流動等各種技術(shù)，具有微感知、微處理、微控制、微傳輸、微對抗等功能，并通過功能模塊的集成，實現(xiàn)單一或多類用途的綜合性前沿技術(shù)。微系統(tǒng)是一項多學科交叉的新興高新技術(shù)，在信息、生物、航天、軍事等領域具有廣泛的應用前景，對于國家保持技術(shù)領先優(yōu)勢具有重要意義。

1、引發(fā)武器裝備重大變革

與傳統(tǒng)裝置相比，微系統(tǒng)由于將各種功能高度集成，因此具有微型化、成本低、性能高等優(yōu)點，廣泛應用于儀器測量、無線通信、軍事國防、生物化學、能源環(huán)境等領域。微系統(tǒng)技術(shù)正處于向大規(guī)模應用轉(zhuǎn)化的關鍵階段，由微器件技術(shù)制造的芯片已經(jīng)在諸多領域得到應用，將對武器裝備發(fā)展與作戰(zhàn)影響深遠。

微系統(tǒng)對于武器裝備發(fā)展具有革命性的影響。微系統(tǒng)技術(shù)將多種先進技術(shù)高度融合，將傳統(tǒng)各自獨立的信息獲取、處理、命令執(zhí)行等系統(tǒng)融為一體，能夠促進武器裝備微小型化和智能化，對于加速武器裝備系統(tǒng)性能的全面提高，有效降低尺寸、重量與成本等具有革命性的影響。例如，采用微系統(tǒng)技術(shù)制造的導彈加速度計和陀螺儀的價格僅為原來的1/50，采用微系統(tǒng)技術(shù)研制的芯片級原子鐘將比傳統(tǒng)原子鐘體積縮小100倍；由美國國防高級研究計劃局（DARPA）主持、霍尼韋爾公司研制的“T-鷹”微型無人機已在阿富汗戰(zhàn)場得到了實戰(zhàn)檢驗，其質(zhì)量僅為9千克，可飛行50分鐘。

微系統(tǒng)技術(shù)是DARPA近十年來大力發(fā)展的現(xiàn)代前沿技術(shù)，對美國保持其國防科技領先優(yōu)勢具有重要意義。自1992年以來，DARPA微系統(tǒng)技術(shù)辦公室已經(jīng)對微處理器、微機電系統(tǒng)和光子元器件等微電子產(chǎn)品進行了預先戰(zhàn)略投資，取得了顯著成果。近年來，DARPA微系統(tǒng)技術(shù)辦公室先后組織實施了上百項與先進微系統(tǒng)技術(shù)密切關聯(lián)的研究開發(fā)計劃，所涉及的項目全面覆蓋了先進電子元器件和集成電路發(fā)展的前沿領域，例如寬禁帶半導體技術(shù)、先進微系統(tǒng)技術(shù)、電子和光子集成電路、焦點中心研究計劃、自適應焦平面陣列、光纖激光器革命、太赫茲成像焦平面技術(shù)、微機電系統(tǒng)（MEMS）、微型同位素電源等幾十項研究計劃。

為了應對新的安全挑戰(zhàn)，DARPA微系統(tǒng)辦公室目前已著手開發(fā)新一代微系統(tǒng)技術(shù)。2013年1月，DARPA和美國半導體研究聯(lián)盟共同宣布開展半導體技術(shù)跨代研究，實施“半導體技術(shù)先期研究網(wǎng)絡”（STARnet）計劃。該計劃的目標是，攻克影響下一代半導體技術(shù)長期性發(fā)展的全局性重大技術(shù)難題，發(fā)展新原理、新材料、新技術(shù)、新器件、新型片內(nèi)微架構(gòu)、新型系統(tǒng)集成方式和全新應用方式，使微納電子技術(shù)發(fā)展擺脫CMOS器件的固有模式和局限，改變數(shù)十年來“依靠器件微型化提升芯片性能”的范式，使下一代半導體技術(shù)在新基礎上獲得更大發(fā)展空間，使美國半導體技術(shù)在未來數(shù)十年繼續(xù)保持領先地位。

圖 采用14納米工藝的英特爾處理器

2、微系統(tǒng)關鍵技術(shù)取得多項突破

微系統(tǒng)涉及微處理器、微機電系統(tǒng)、微電子、微集成等多個技術(shù)領域。近年來，微系統(tǒng)相關技術(shù)發(fā)展迅速，微系統(tǒng)集成方法與工藝有了新的突破，微電子器件特征尺寸繼續(xù)減小，微處理器、微射頻器等性能進一步提升，碳化硅與氮化鎵等第三代半導體材料器件日益成熟并進入應用階段，為微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展提供了有效支撐。

微傳感器是傳感技術(shù)微型化的基礎，是微系統(tǒng)的重要基礎技術(shù)。近年來，微傳感器性能不斷提升，可感知對象不斷豐富，在生物醫(yī)學及消費電子產(chǎn)品等領域中得到了廣泛應用，對各種傳感裝備的微型化發(fā)展起著巨大的推動作用。例如，DARPA近年來開展研制獨立的芯片級慣性導航和精確制導系統(tǒng)部件，降低武器系統(tǒng)對GPS系統(tǒng)的依賴，新器件比傳統(tǒng)慣性器件尺寸更小、重量更輕、功耗更低，其工作功率不超過幾十毫瓦。

微處理器向著小線寬、低功耗、高性能、智能化方向發(fā)展。2011年，三柵晶體管結(jié)構(gòu)微處理器實現(xiàn)量產(chǎn)，標志著晶體管結(jié)構(gòu)從平面到立體的根本性轉(zhuǎn)變，其性能提升37%，功耗降低了50%，成為半導體發(fā)展50年來最重要的突破；2013年，美國啟動下一代空間微處理器項目，其目標是發(fā)展24個支持32位計算的處理器內(nèi)核，支持100億次/秒浮點運算，功率不超過7瓦，具有4～8個第三代或第四代雙倍速率同步存儲器端口；2014年，IBM公司宣布成功研制第二代類腦計算芯片“真北”，該芯片架構(gòu)類似人腦，集運算、通信、存儲功能于一體。

微系統(tǒng)制造工藝有了大幅提高，微電子器件特征尺寸繼續(xù)減小。2014年，美國和日本先后展示了采用14納米工藝實現(xiàn)的微處理器和現(xiàn)場可編程門陣列產(chǎn)品，以及15納米工藝實現(xiàn)的閃存；2014年，三星公司14納米三柵極FinFET芯片工廠已經(jīng)開始批量生產(chǎn)，相比20納米半導體工藝，14納米工藝可以將處理器芯片的性能提高20%，功耗能降低35%，占用面積減少15%。借助14納米工藝，微處理的性能在進一步提高的同時，功耗和成本有所降低。

微集成技術(shù)正在由平面集成向三維集成發(fā)展，由芯片級向集成度和復雜度更高的系統(tǒng)級發(fā)展。微集成技術(shù)的成熟將帶動具備傳感、處理、控制等多種功能的微系統(tǒng)快速發(fā)展，在大幅提升性能的同時，實現(xiàn)能耗和體積數(shù)十至數(shù)百倍的降低。在集成技術(shù)方面，開展了“三維集成電路”和“多方式異構(gòu)集成”等三維集成技術(shù)研究，多個低功率、小信號、同質(zhì)微電子器件的三維集成已成為標準工藝；微/光電子、微機電系統(tǒng)等多種器件間的集成獲較大進展。DARPA在2011年啟動“電子-光子混雜集成”（E-PHI）計劃，目標是將高速電子直接與芯片級的光子微系統(tǒng)集成到一個微型硅芯片上，2014年該項目成功地在硅片上集成數(shù)十億個發(fā)光點，發(fā)出有效的硅基激光。

微射頻集成芯片實現(xiàn)新突破，二維光學相控陣列等新型光電集成器件問世。DARPA在“高效線性全硅發(fā)射機集成電路”項目下成功研制出首個可工作在94吉赫的全硅單片集成信號發(fā)射機系統(tǒng)級芯片，將原本由多個電路板、單獨的金屬屏蔽裝置和多條輸入/輸出連線組成的發(fā)射機集成到了一個只有半個拇指指甲蓋大小的硅芯片上，實現(xiàn)了硅基射頻器件輸出功率和效率的大幅提升，以及硅數(shù)字信號器件和射頻器件的單片集成，標志著全硅系統(tǒng)級芯片首次達到毫米波范圍。此項技術(shù)有望為未來軍用射頻系統(tǒng)提供新的設計架構(gòu)，使下一代軍用射頻通信系統(tǒng)體積更小、重量更輕、成本更低、功能更強。2013年，DARPA開發(fā)出二維光學相控陣芯片，將4096個納米天線集成到一個硅基底上，尺寸只有一個針尖大小，該芯片的成功表明異質(zhì)、異構(gòu)硅基光電集成技術(shù)取得重要進展。實現(xiàn)這一突破的關鍵是：一種可以擴展以容納大量納米天線的設計；新的微尺寸加工工藝；將電子和光學部件集成到一塊單獨的芯片。

3、轉(zhuǎn)化應用進入快車道

隨著微系統(tǒng)技術(shù)不斷發(fā)展，其應用領域也在不斷擴展。微系統(tǒng)技術(shù)在導彈、飛行器、雷達、生物醫(yī)學等領域應用日益廣泛，產(chǎn)生了顯著的效益。

利用微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的微慣性測量裝置具有體積小、成本低、質(zhì)量輕、抗振動、抗沖擊能力強和集成化程度高等優(yōu)點，適用于各種武器的制導系統(tǒng)、光學伺服穩(wěn)定機構(gòu)、姿態(tài)控制系統(tǒng)等，對于小型飛行器導航、制導與控制領域的發(fā)展具有重要意義。國外研制的部分微型慣性測量裝置已經(jīng)具有戰(zhàn)術(shù)級精度，在制導武器中開始大量應用。例如，美國諾斯羅普·格魯曼公司制造的SiACTM加速度計，具有戰(zhàn)術(shù)和導航兩種級別的精度，已經(jīng)在“先進中程空空導彈”“制導多管火箭系統(tǒng)”以及指揮直升機上得到應用。微處理器是微系統(tǒng)技術(shù)在導彈中的另一個主要應用，高性能微處理器的應用使導彈制導能力得到進一步提升。

微系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展促進了微小無人裝備的發(fā)展，近期在微小無人飛行器和微型機器人等方面均取得了新進展。DARPA從2009年就啟動了混合昆蟲微機電計劃，目的是發(fā)展可以控制昆蟲運動的技術(shù)，該項目承研單位美國密歇根大學和猶他大學2012年研發(fā)出一個原型，可以讓半機械甲蟲通過植入方式，利用翅膀震動產(chǎn)生電能。2014年5月，美國洛克希德·馬丁公司推出“矢量鷹”多任務微型無人機，起飛總重只有約1.8千克，其縱向剖面只有約10厘米，擁有一流的載荷、速度和航時能力。“矢量鷹”微型無人機可以在戰(zhàn)場上根據(jù)各種任務重新配置，包括固定翼型、垂直起降型和傾轉(zhuǎn)旋翼型。由于具備開放式體系結(jié)構(gòu)、可重構(gòu)的型式、自適應數(shù)據(jù)鏈以及載荷可擴展等特性，“矢量鷹”具備廣泛的使用范圍和較強的適應能力。

2014年，美國哈佛大學的一個研究小組開發(fā)出了一款名為Kilobot的機器人。這款機器人直徑約為2.5厘米，能夠與其他同種類型的機器人共同協(xié)作完成任務。機器人系統(tǒng)是一個由1024個Kilobot機器人組成的“團隊”，可以依靠自身的振動來移動，并能與附近其他的Kilobot機器人交流。Kilobot機器人內(nèi)置微處理器，能維持至少3小時的操作，帶有兩個振動馬達，通過三個腿向左、向右或水平向前移動。Kilobot底部配有一個廣角紅外收發(fā)器，可以發(fā)射光束到光滑面上，同時也可以接受相鄰Kilobot反射的光束，通過這種方式實現(xiàn)彼此間的互動，判斷彼此間的距離。同時，美國陸軍研究實驗室正在研發(fā)面向未來的軍用微型機器人，能執(zhí)行隱蔽監(jiān)聽和監(jiān)視可疑敵對目標任務，幫助士兵和指揮員進行態(tài)勢評估。美國陸軍研究實驗室演示驗證了利用微機電系統(tǒng)制造工藝開發(fā)出的仿昆蟲三關節(jié)腿式毫米級自主機器人系統(tǒng)，目前正在開發(fā)和測試毫米級的機器人腿形結(jié)構(gòu)，包括壓電薄膜制動器和銅薄膜分段結(jié)構(gòu)，目的是用于模擬腿部動力學，使其具備移動、提升和抗沖擊能力。

微系統(tǒng)在雷達方面得到了廣泛應用，在提高雷達性能的同時大幅縮小其重量和體積。2014年10月，美國“陸軍聯(lián)合陸上巡航導彈組網(wǎng)防御傳感器系統(tǒng)”（JLENS）系統(tǒng)通過關鍵里程碑測試，并于12月在美國馬里蘭州的阿伯丁地面試驗場正式部署，標志著由MEMS開關組成的雷達天線已經(jīng)進入應用階段。JLENS上安裝了X波段的MEMS電掃描相控陣，該天線陣面積僅0.4平方米，使用了2.5萬只射頻 MEMS開關，實現(xiàn)了±60°電掃描角度，空中探測距離超過20千米。

利用微系統(tǒng)技術(shù)可以制造體積非常小且具有一定功能的產(chǎn)品，在醫(yī)療植入、生命體征檢測等生物與健康領域取得了較大進展。DARPA與美國國立衛(wèi)生研究院研發(fā)了基于MEMS的“片上人體系統(tǒng)”，該項目基于MEMS技術(shù)開發(fā)微流體芯片來模擬人體的實際生理反應，目的是加速新藥物的研發(fā)速度和效率，并提供快速檢測不明物質(zhì)毒性的方法。2014年1月，谷歌公司發(fā)布了一款智能隱形眼鏡，可通過分析佩戴者淚液中的葡萄糖含量幫助糖尿病患者監(jiān)測血糖水平，從而免去糖尿病患者取血化驗的痛苦。該隱形眼鏡內(nèi)置上萬個微型晶體管和細如發(fā)絲的天線，以無線形式發(fā)送到智能手機等移動設備上。2014年11月，美敦力公司發(fā)布了全球最小的心臟起搏器Micra，Micra通過微創(chuàng)方式，由腿部血管進入心臟，體積僅為傳統(tǒng)起搏器的1/6。

圖 運用微系統(tǒng)技術(shù)的隱形眼鏡

4、結(jié)語

當前，微系統(tǒng)技術(shù)正從平面集成到三維集成、從微機電/微光電到異質(zhì)混合集成、從結(jié)構(gòu)/電氣一體化到多功能一體化集成等方向發(fā)展，并正與生命科學、量子技術(shù)、微納前沿交織融合。微系統(tǒng)相關產(chǎn)品也正從芯片級、組部件級向復雜程度更高的系統(tǒng)級(微型飛行器、片上實驗室)等發(fā)展，成為聚集前沿科技創(chuàng)新發(fā)展的重要領域。微系統(tǒng)技術(shù)對武器系統(tǒng)小型化、智能化和輕量化將產(chǎn)生顛覆性影響，在一定程度上將改變未來戰(zhàn)爭作戰(zhàn)模式。

七、顛覆未來作戰(zhàn)的前沿技術(shù)系列之量子信息技術(shù)

科學家預測：在21世紀，信息科學將從經(jīng)典時代跨越到量子時代。量子信息技術(shù)是量子物理與信息技術(shù)相結(jié)合的戰(zhàn)略性前沿科技，因其建構(gòu)于顛覆性的堪比相對論的基礎理論—量子物理之上，從而極富神秘氣質(zhì)，主要包括量子通信、量子計算、量子探測等領域。量子信息技術(shù)在確保信息安全、提高運算速度和探測精度等方面具有顛覆性的影響，是目前最引人矚目的前沿技術(shù)領域之一。正如相對論造就了核動力與核武器，量子信息技術(shù)造就的量子計算機、量子通信、量子雷達等，勢必在未來重新涂抹戰(zhàn)爭的面孔。

超強能力—量子計算

傳統(tǒng)的二進制計算技術(shù)以“0”和“1”為基礎，進行二進制計算和邏輯判斷，因此普通計算機中只存在兩種狀態(tài)。量子計算是利用量子態(tài)的相干疊加性進行編碼、存儲和計算的一種新興計算技術(shù)，基本信息單位是量子比特。在信息長度都為N時，量子位的存貯容量是傳統(tǒng)信息位的2N倍，量子計算速度是傳統(tǒng)計算速度的2N倍。從理論上講，一個250量子比特（由250個原子構(gòu)成）的存儲器，可以存儲的數(shù)目達2250，比現(xiàn)有已知宇宙中的全部原子數(shù)目還多。

量子計算示意圖

量子計算機是存儲及處理量子信息、運行量子算法的裝置，突出優(yōu)點是存儲能力強、運算速度快。傳統(tǒng)計算機采用單路串行操作，而量子計算機采用多路并行操作，它們運算速度的差異，就如同萬只蝸牛排隊過獨木橋與萬只飛鳥同時升上天空的區(qū)別。

當前，量子計算研究受到了全世界的關注，世界主要軍事國家正在以巨大的熱情追尋著它。美國為推進量子計算芯片研究，啟動了“微型曼哈頓”計劃，這表明美國對量子計算的重視程度不亞于核武器。日本和歐洲也啟動了類似計劃。2014年1月，斯諾登披露美國國家安全局正在研制能破譯多種密碼的量子計算機，代號為“攻克難關”和“掌握網(wǎng)絡”兩個秘密項目。

迄今為止，世界上還沒有嚴格意義上的量子計算機，但量子計算已經(jīng)取得了多項重要進展。2011年5月11日，加拿大D-Wave公司發(fā)布了號稱“全球第一款商用型量子計算機”的計算設備D-WaveⅠ；2013年10月，以全新超導處理器為基礎的512量子比特D-WaveⅡ商用型量子計算機通過測試，開始服務于美國國家航空航天局的量子人工智能實驗室，極大提高了運算速度。

商用型量子計算機D-Wave

如何產(chǎn)生出高純度的硅晶體，一直是量子計算的重要問題。2014年，美國宣布研制出了世界上純度最高的硅晶體，硅28的含量為99.9999%，解決了量子高速運算的關鍵問題。

在軍事應用方面，量子計算具有廣闊的前景：一是運用量子計算快速破譯現(xiàn)有密碼體系，對現(xiàn)有的以數(shù)學為基礎的密鑰體系形成整體顛覆，從而掌握信息主動權(quán)。破譯現(xiàn)有密碼體系，經(jīng)典計算需要1000年，而量子計算只需花不到4分鐘。因而有科學家宣稱：“沒有量子計算機的國家與擁有它的國家進行戰(zhàn)爭，就像一個瞎子和一個明眼人打架。”二是運用量子計算可以對海量情報數(shù)據(jù)進行實時分析處理，進一步提升作戰(zhàn)評估與決策能力。三是運用量子計算可以有效解決高性能、大數(shù)據(jù)計算問題，可加快導彈攻防系統(tǒng)、新一代空海作戰(zhàn)平臺、軍用航天裝備等復雜武器系統(tǒng)的設計和試驗進程，縮短建模仿真時間，有效提升武器裝備的研發(fā)效率。

跨越時空—量子通信

量子通信是利用量子力學基本原理或量子特性進行信息傳輸?shù)囊环N新型通信技術(shù)，主要包括量子密鑰傳輸和量子隱形傳態(tài)兩種技術(shù)。

量子密鑰傳輸量子計算顛覆了傳統(tǒng)密碼，但是同時量子信息提供了一個傳輸守護神，即一種理論上無法破解的密碼—量子密碼。量子密碼利用量子態(tài)不可復制的特點，解決了密鑰傳輸?shù)陌踩珕栴}。其具體原理是，甲方利用量子通信把密鑰發(fā)送給乙方；如果在甲乙雙方傳送密鑰的過程中，有竊聽者丙方企圖經(jīng)由探測竊取密鑰，必定會破壞粒子的量子態(tài)，從而產(chǎn)生誤碼；甲乙雙方通過抽樣對比就可以確認該密鑰是否被竊聽過；當證實密鑰未被竊聽后，再用這個密鑰通過實施“一次一密”進行加密。量子密鑰從理論上提供了一種不可竊聽、不可破譯的絕對安全的密碼體制。因此，量子密碼具有絕對安全性，它在軍事上擁有廣闊前景。由于量子密碼具有不可破譯和竊聽可知性，且量子加密設備可與現(xiàn)在的光纖通信設備融合，因此可以用來改進目前軍用光網(wǎng)的信息傳輸保密性，從而提高信息保護和信息對抗能力。

量子通信示意圖

近期，量子密鑰領域取得了一系列重大進展，技術(shù)日益成熟，已有部分實際應用，但傳輸距離依然受限。2007年，由奧地利、英國、德國等組成的聯(lián)合小組創(chuàng)造了144千米的量子密鑰通信距離紀錄；2013年4月，德國研究人員采用激光束發(fā)射系統(tǒng)，實現(xiàn)了空地量子密鑰傳輸，試驗中密鑰傳輸速率為145量子比特/秒，通信鏈路持續(xù)時間8分鐘，誤碼率僅4.5%。

量子隱形傳態(tài)真正意義上的量子通信是利用量子信道傳送量子信息，主要依靠量子隱形傳態(tài)方式實現(xiàn)。量子隱形傳態(tài)是以量子態(tài)作為信息載體，利用量子糾纏效應，使量子態(tài)從一個地方傳至另一個地方。

現(xiàn)實生活中，兩個相距遙遠的陌生人不約而同地想做同一件事，這種神奇現(xiàn)象可謂“心靈感應”。與此類似，所謂“量子糾纏”，是指在微觀世界里，有共同來源的兩個微觀粒子之間存在著糾纏關系，不管它們距離多遠，只要一個粒子狀態(tài)發(fā)生變化，另一個粒子狀態(tài)也會隨即發(fā)生相應變化。量子隱形傳態(tài)的基本原理是，將由一個源產(chǎn)生的兩個相互糾纏的粒子分發(fā)到通信雙方，其中一方對粒子做量子態(tài)測量，在該粒子的量子態(tài)確定的同時，通信另一方的粒子會產(chǎn)生感應，量子態(tài)立刻變?yōu)楸粶y量粒子的量子態(tài)，實現(xiàn)信息傳輸。

神秘的量子糾纏現(xiàn)象

量子通信有著不可思議的優(yōu)勢。首先，信息在兩位通話者之間的傳輸根本不需要時間，完全同步，無論這兩人相隔的距離是100千米、100萬千米，還是100光年。其次，量子信道中光子的信息效率，比傳統(tǒng)信道高幾十倍。最后，量子通信沒有電磁輻射，任何無線電探測系統(tǒng)都對其無能為力，從某種意義上說，量子通信在現(xiàn)有理論環(huán)境中實現(xiàn)了絕對隱身。

在國防和軍事應用方面，量子通信有著無與倫比的燦爛前景，可以利用量子隱形傳輸、超大信道容量、超高通信速率等特點，建立滿足軍事特殊需求的超光速軍事信息網(wǎng)絡，這與要求苛刻的軍事通信簡直是天作之合。量子通信更能夠應用于深海安全通信，當前使用的對潛通信系統(tǒng)規(guī)模龐大，通信質(zhì)量差，效率低，造價高，嚴重影響水下通信的質(zhì)量。量子通信因其與傳輸媒介無關，不受海水影響，獲得可靠通信所需的信噪比比光、電等傳統(tǒng)通信手段低30~40分貝左右，為遠洋深海安全通信開辟了一條嶄新的途徑。

目前，量子隱形傳態(tài)雖然有了一些新的突破，但距離實際應用依然遙遠，面臨糾纏光源獲取困難、傳輸成功率尚不能滿足實用要求等問題。

無處遁形—量子探測

量子探測是利用量子糾纏和疊加特性，對物體進行測量或成像。目前，量子探測的熱點主要集中在量子成像、量子雷達、量子傳感等領域。雖然這些技術(shù)的成熟度較低，但是其潛在應用將對未來作戰(zhàn)模式產(chǎn)生深遠影響，可真正實現(xiàn)全天候、反隱身、抗干擾作戰(zhàn)。

量子成像量子成像是利用量子光場實現(xiàn)的一種超高分辨率成像方法，基本過程是將光源產(chǎn)生的光束輸送到兩個不同的光學線性系統(tǒng)中，在其中一個光學系統(tǒng)中放置物體和點光源探測器，在另一個光學系統(tǒng)中只放置一個高分辨率探測器，通過將點光源探測器得到的光強度與高分辨率探測器得到的圖像進行強度關聯(lián)，就可以獲得物體的像。由于量子成像可通過一定的手段，在沒有物體的光路上得到物體的像，因此這種成像方式又被稱為“鬼成像”。

由于量子成像技術(shù)受障礙物、煙塵霧霾、大氣湍流等環(huán)境因素的影響較小，其在戰(zhàn)場上的潛在應用引發(fā)了國外軍事強國的關注，尤其是美國陸軍，早在2003年就開始研究量子成像技術(shù)。2013年，美國陸軍研究實驗室申請了“用于圖像增強和改進的系統(tǒng)與方法”的創(chuàng)新技術(shù)專利，該專利是關于在紅外波段進行量子成像的技術(shù)。同時，美國陸軍實驗室還進行了距離2.33千米的紅外量子成像測試，在低光和氣流紊亂情況下獲取了非常清晰的圖像。2014年，奧地利科學院量子光學與量子信息研究所、維也納量子科技中心和維也納大學研究人員，開發(fā)出一種全新的違反直覺特征的量子成像技術(shù)，首次實現(xiàn)了無需探測光照射被拍攝物體便可獲得物體圖像，光不需接觸被拍攝物體即可顯示圖像。

量子雷達量子雷達是基于量子糾纏理論，將量子信息調(diào)制到雷達信號中，從而實現(xiàn)目標探測的一種設備，主要包括單光子量子雷達、糾纏光子量子雷達及量子激光雷達。量子雷達的靈敏度遠遠高于傳統(tǒng)雷達，可以探測到目前最先進的隱形目標。目前，量子雷達技術(shù)的相關基本理論已經(jīng)成熟，但受量子雷達關鍵技術(shù)及器件性能的限制，技術(shù)上還處于探索階段。量子雷達為反隱身提供了一種全新的技術(shù)發(fā)展途徑，在探測隱身目標方面具有重大的發(fā)展及應用價值。例如，如果有一架隱身飛機通過攔截光子并重新發(fā)送虛假信號實現(xiàn)隱身，那么只要雷達回波僅相當于一只鳥的大小，就可以掩蓋自身的真實位置，但量子雷達在這一欺騙過程中可以輕易發(fā)現(xiàn)飛機的蹤跡。2012年12月，美國羅切斯特大學研究所披露了利用量子增強型激光雷達對隱身目標進行探測的試驗情況，這次試驗證明了量子雷達不僅能探測到隱身飛機，還能探測到具有欺騙能力的隱身飛機。

量子羅盤

量子傳感量子傳感是利用量子信號對環(huán)境變化的極高敏感性，提高測量精度的一種新型傳感方法。美國國防高級研究計劃局正在開展的“生物環(huán)境中的量子效應”項目，利用生物環(huán)境量子效應研究電磁噪聲對鳥類內(nèi)部磁羅盤的干擾，有助于新興仿生傳感器、先進人造傳感器的研制。2013年7月，美國陸軍利用激光冷卻原子的方法實現(xiàn)了在量子傳感器領域的突破，大幅提高了全球定位系統(tǒng)拒止環(huán)境下的導航和探測能力。2014年，英國國防科學技術(shù)實驗室開發(fā)出“量子羅盤”導航系統(tǒng)原型機，其具體原理是，通過把一些離子“囚禁”在超低溫狀態(tài)，并減少外部電波造成的影響，使被囚禁的離子僅對地球產(chǎn)生的電磁擾動敏感，通過測量地球產(chǎn)生的電磁擾動對這些離子的影響，就能以極高精度實現(xiàn)導航和定位功能。目前，科學家把主要精力用于將該設備的小型化，以便用于戰(zhàn)場。

結(jié) 語

戰(zhàn)略博弈的贏家，只能是那些見一葉而知天下秋，并立即付諸行動的智者。作為一種戰(zhàn)略性前沿技術(shù)，量子信息技術(shù)在軍事應用方面有著無與倫比的廣闊前景，對于國家安全具有重大戰(zhàn)略意義。面對量子信息技術(shù)的機遇與挑戰(zhàn)，只有盡早規(guī)劃，提前部署，才能在未來戰(zhàn)爭中占據(jù)先機和主動。正如制空權(quán)理論的建構(gòu)者、意大利軍事家杜黑的名言：“勝利只向那些能預見戰(zhàn)爭特性變化的人微笑，而不是向那些等待變化發(fā)生才去適應的人微笑。”

八、顛覆未來作戰(zhàn)的前沿技術(shù)系列之增強現(xiàn)實技術(shù)

增強現(xiàn)實技術(shù)是將計算機生成的虛擬信息合成到用戶感知的真實世界中的一種技術(shù)，可以實現(xiàn)對真實世界的增加和強化。從武器裝備設計研制、維修保障、作戰(zhàn)訓練到作戰(zhàn)指揮，增強現(xiàn)實技術(shù)均能大顯神通。作為一項重要的軍民通用前沿技術(shù)，目前增強現(xiàn)實技術(shù)的許多應用已經(jīng)令人矚目，隨著研究和應用的日趨成熟，必將對未來作戰(zhàn)產(chǎn)生深遠和顛覆性的影響。

從“人適應世界”到“世界適應人”

增強現(xiàn)實技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基礎上發(fā)展起來的，該技術(shù)將計算機生成的虛擬物體、場景、聲音或系統(tǒng)提示信息疊加到真實場景中，從而實現(xiàn)對現(xiàn)實場景的增強，增加用戶對現(xiàn)實世界的感知。使用者不僅能夠通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)感受到在客觀世界中所經(jīng)歷的，而且能夠突破空間、時間以及其他限制，感受到在真實世界中無法親身經(jīng)歷的體驗。

增強現(xiàn)實技術(shù)的最大優(yōu)勢在于，通過真實世界和虛擬世界相互結(jié)合，使真實世界得到增加和加強，從而以新的方式大幅提升了人們認知和改造真實世界的能力，出現(xiàn)了從“人適應世界”到“世界適應人”的重大變化。

電影中的增強現(xiàn)實技術(shù)

增強現(xiàn)實與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的主要區(qū)別在于虛擬現(xiàn)實技術(shù)是創(chuàng)造一個全新的虛擬世界出來，用戶將完全沉浸于一個虛擬的合成世界中，無法看到所處的現(xiàn)實世界。而增強技術(shù)則是強調(diào)虛實結(jié)合，讓用戶看到真實世界的同時也能看到疊加在真實世界上的虛擬對象。增強現(xiàn)實系統(tǒng)中真實物體和虛擬物體必須無縫結(jié)合在一起，并能夠進行交互。在增強現(xiàn)實的環(huán)境中，使用者可以在看到周圍真實環(huán)境的同時，看到計算機產(chǎn)生的增強信息。這種增強的信息可以是在真實環(huán)境中與真實環(huán)境共存的虛擬物體，也可以是關于存在的真實物體的非幾何信息。增強現(xiàn)實系統(tǒng)具有虛實結(jié)合、實時交互、3D定位3種主要功能，整個系統(tǒng)由信息輸入、信息處理和信息輸出3部分組成。

增強現(xiàn)實系統(tǒng)需要采用圖形圖像渲染技術(shù)、界面和可視化技術(shù)、跟蹤和定位技術(shù)、標定技術(shù)、模式識別技術(shù)等。其中圖形圖像渲染技術(shù)用于渲染虛擬物體和場景；界面和可視化技術(shù)用于實現(xiàn)友好的人機交互界面，并將渲染的物體和場景清晰顯示出來；跟蹤和定位技術(shù)與標定技術(shù)共同完成對位置與方位的檢測，并將數(shù)據(jù)報告給增強現(xiàn)實系統(tǒng)，實現(xiàn)被跟蹤對象在真實世界里的坐標與虛擬世界中的坐標統(tǒng)一，達到讓虛擬物體與用戶環(huán)境無縫結(jié)合的目標。為了生成準確定位，增強現(xiàn)實系統(tǒng)需要進行大量的標定，測量值包括攝像機參數(shù)、視域范圍、傳感器的偏移、對象定位以及變形等。模式識別技術(shù)用于圖像等特征信息的識別和提取。

增強現(xiàn)實技術(shù)的研究，最早可以追溯至1968年美國麻省理工學院研制出的，世界上第一臺采用陰極射線管的光學透明頭戴式顯示器，用于實時顯示計算機生成的圖形，在這項研究的基礎上，此后的頭戴顯示器在飛機、地面車輛以及艦只訓練方面都取得了不俗的成績。1986年，美國北卡大學研制出用于實現(xiàn)生物、化學和建筑可視化的STHMD系統(tǒng)。20世紀90年代，波音公司設計了一個輔助飛機線纜連接與裝配的增強現(xiàn)實系統(tǒng)，工程師在該系統(tǒng)的指導下，完成飛機線纜的布線工作。進入21世紀，增強現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展迅速，逐步從實驗室走向工程應用。2003年，歐洲Starmate系統(tǒng)和德國Arvika系統(tǒng)的研制成功，顯示了增強現(xiàn)實技術(shù)在復雜機電系統(tǒng)維修裝配領域的巨大應用潛力。2007年，牛津大學研究人員開發(fā)了實時追蹤與繪圖并行的增強現(xiàn)實系統(tǒng)。2009年，哥倫比亞大學開發(fā)了基于移動增強現(xiàn)實的城市設計規(guī)劃輔助軟件。2012年谷歌眼鏡的推出以及微軟2015年展示的HoloLens增強現(xiàn)實設備，進一步激發(fā)了全球增強現(xiàn)實技術(shù)研發(fā)與應用的新熱潮。

經(jīng)過多年的發(fā)展，各國研究者在跟蹤技術(shù)、顯示技術(shù)、交互技術(shù)等增強現(xiàn)實關鍵與支撐技術(shù)上不斷取得突破，其應用領域也在被不斷擴展。當前，隨著計算機軟硬件計算能力的提高，以及物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，增強現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)逐步從實驗室理論研究階段開始轉(zhuǎn)入大眾與行業(yè)應用階段，為人們提供了認知與體驗周圍事物的全新方式，被眾多知名機構(gòu)預測為未來最有前景的技術(shù)之一。

多領域應用前景令人矚目

由于具有對真實環(huán)境進行增強輸出的特性，增強現(xiàn)實技術(shù)在武器裝備研制、軍事作戰(zhàn)、裝備組裝與維修、工程設計、數(shù)據(jù)模型的可視化、虛擬訓練、醫(yī)療救護、娛樂與藝術(shù)等多個領域展示了廣闊的應用前景。

在工業(yè)領域，增強現(xiàn)實技術(shù)可用于工業(yè)設計、復雜機械的裝配、維護和維修。未來增強現(xiàn)實技術(shù)在工業(yè)上的發(fā)展趨勢，將從工業(yè)設計、運動裝配、維修過程，擴展到制造業(yè)的各個階段，在國外的一些發(fā)達工業(yè)國，已經(jīng)在開始設想增強現(xiàn)實技術(shù)在未來的智慧工廠中的應用。美國Marine公司使用哥倫比亞大學圖形和用戶界面實驗室設計制造的增強現(xiàn)實輔助維修系統(tǒng)（頭戴式顯示器），將增強現(xiàn)實技術(shù)應用于裝甲炮塔的制造。索尼公司的TransVision增強現(xiàn)實樣機系統(tǒng)能通過頭盔顯示器將多種輔助信息顯示給用戶，包括虛擬儀表的面板、被維修設備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、被維修設備零件圖等。

增強現(xiàn)實技術(shù)讓醫(yī)生在手術(shù)中能夠查看隱藏的血管

在航天方面，增強現(xiàn)實技術(shù)在太空維修、航天員訓練、輔助操作等領域的巨大應用潛力已逐漸顯現(xiàn)出來。2009年，歐洲航天局設計了WEAR可穿戴增強現(xiàn)實系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用了空間站上的工作計算機，集成了頭戴跟蹤與顯示系統(tǒng)，在一只眼睛的視場中添加了三維圖形與指示數(shù)據(jù)，并驗證了增強現(xiàn)實技術(shù)在國際空間站上應用的可行性。2015年3月，美國航空航天局（NASA）宣布在未來的航天任務中使用ODG公司的智能眼鏡。該智能眼鏡將會被用于地面及太空中的訓練，解放宇航員的雙手以提高工作效率，宇航員將直接通過他們的增強現(xiàn)實眼鏡接收重要信息和指令，以減少不必要的搜索時間。2015年6月，微軟增強現(xiàn)實設備HoloLens獲得了美國NASA的垂青，將作為Sidekick項目的關鍵工具，隨著SpaceX公司的太空飛船登陸太空，Sidekick項目能夠幫助宇航員更快適應空間站環(huán)境，從而縮短訓練時間、提升任務效率。

醫(yī)學領域是增強現(xiàn)實技術(shù)應用研究的一個新熱點，利用增強現(xiàn)實技術(shù)可以將病人的各類信息疊加在病人身體或?qū)嵨锶梭w模型上，幫助醫(yī)生進行手術(shù)方案的制定、手術(shù)時的精確定位與輔助指引、模擬的手術(shù)訓練等。麻省理工學院的人工智能實驗室已經(jīng)進行了增強現(xiàn)實技術(shù)在腦外科手術(shù)中的應用研究。2012年，在歐洲航天局的資助下，比利時空間應用服務部門研制了一種新型增強現(xiàn)實系統(tǒng)——電腦輔助醫(yī)療診斷和外科手術(shù)系統(tǒng)，其使用立體聲頭戴式顯示器和超聲診斷工具，通過紅外攝像機對患者病灶處進行跟蹤治療，可以為航天員提供即時的專業(yè)醫(yī)療診斷服務。

此外，日常生活中還有很多可以應用增強現(xiàn)實技術(shù)的地方，其中最典型的就是游戲娛樂、模擬裝修、模擬試衣、活動演出等。索尼公司推出的EyePet游戲就是典型的相關應用。

隨著移動智能終端CPU、GPU等處理器性能的提升，大尺寸、高分辨率觸摸屏的使用，攝像頭成像質(zhì)量的提高，手機天線、無線數(shù)據(jù)傳輸能力的提升，以及移動智能終端相關軟件應用的不斷豐富，將使越來越多的移動互聯(lián)網(wǎng)用戶通過移動智能終端體驗增強現(xiàn)實技術(shù)的魅力。

巨大軍事價值日益顯現(xiàn)

國防先進制造通過增強現(xiàn)實顯示設備可以實時展示和共享實物、模型、設計圖紙等信息，利用多通道人機自然交互技術(shù)，使得異地、多人可以實時互動，溝通交流設計思想，修改與改進方案；增強現(xiàn)實技術(shù)還可為用戶提供先期演示，讓研制者和用戶同時進入虛實結(jié)合的作戰(zhàn)環(huán)境中操作武器系統(tǒng)，檢驗武器系統(tǒng)的設計方案、戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)性能指標及其操作的合理性；通過增強現(xiàn)實系統(tǒng)，可以將裝配維修的標準工作流程指南準確地顯示給用戶，提高工作效率。2015年，由美國國防部牽頭成立的數(shù)字化制造與設計創(chuàng)新機構(gòu)發(fā)布了七大研發(fā)項目，其中之一就是“基于增強現(xiàn)實和可穿戴計算的生產(chǎn)車間布局”。

武器裝備綜合維修保障將增強現(xiàn)實技術(shù)用于裝備維修中，可以直接在實際設備中添加多種信息，一步一步地提示技術(shù)人員應該做什么以及如何做，方便裝備的維修，降低了裝備拆裝、保養(yǎng)、維修的難度，極大提高了裝備保障的效率。例如，歐洲空中客車公司利用Arvika系統(tǒng)來解決歐洲某型戰(zhàn)斗機布線問題，操作工人可以通過語音調(diào)用虛擬提示，輕松地按照每步的提示，完成高密度的布線工作。DART510型航空發(fā)動機應用增強現(xiàn)實維修系統(tǒng)后，其維修時間減少了56%。

戰(zhàn)場環(huán)境增強顯示可以利用增強現(xiàn)實技術(shù)來增強戰(zhàn)場環(huán)境信息，在真實環(huán)境中融合虛擬物體，可以增強真實的戰(zhàn)場場景。美國的SIMNET系統(tǒng)在1995年融入了增強現(xiàn)實技術(shù)，通過一些特殊的頭盔式顯示器和測距儀，使配備該設備的戰(zhàn)斗人員能夠看見其他作戰(zhàn)單位的增強信息。2012年，美國國防高級研究計劃局在“士兵視覺增強系統(tǒng)”項目下開始研發(fā)一種隱形眼鏡，該隱形眼鏡可以增強作戰(zhàn)人員的正常視力，佩戴該隱形眼鏡的作戰(zhàn)人員可以看到虛擬的、增強現(xiàn)實的圖像，整個過程無需借助龐大笨重的儀器。近年來，美軍開發(fā)了“戰(zhàn)場增強現(xiàn)實系統(tǒng)”，該系統(tǒng)包括可穿戴式增強現(xiàn)實系統(tǒng)和三維交互命令環(huán)境，其系統(tǒng)樣機已實現(xiàn)了指揮中心與各戰(zhàn)斗員之間的信息傳輸，未來將滿足城市作戰(zhàn)中提供單兵環(huán)境位置及協(xié)同信息的需求。

使用增強現(xiàn)實眼鏡的海軍陸戰(zhàn)隊員

航空作戰(zhàn)環(huán)境感知利用現(xiàn)實增強技術(shù)，在飛行員座艙的前方玻璃上或者他們的頭盔顯示器上，可將矢量圖形疊加到飛行員的視野中，不僅能向飛行員提供導航信息，還提供了包括敵方隱藏力量的增強戰(zhàn)場信息。2011年，泰萊斯公司在巴黎航展上展示了基于增強現(xiàn)實技術(shù)的“頂點貓頭鷹”頭盔瞄準顯示器，該系統(tǒng)可直接將相關信息投影于駕駛員的頭盔取景器上，為其提供直升機周邊虛擬的畫面，使其在各類惡劣的地理和氣象條件下，作戰(zhàn)場景或目標還可以增強現(xiàn)實的方式加以顯示。系統(tǒng)現(xiàn)已部署于位于阿富汗的法軍和美軍的“虎”、NH90、AH-1Z“眼鏡蛇”等直升機上。美軍近期即將為F-35戰(zhàn)斗機配備多功能頭盔，除了傳統(tǒng)的供氧作用外，該頭盔還擁有通信聯(lián)絡、信息顯示和武器瞄準等多種功能，其中最具特色的部分就是采用了先進的傳感技術(shù)，通過分布在機身的高清和紅外攝像機，做到360°觀察機身周圍。該頭盔還采用了增強現(xiàn)實技術(shù)和頭部跟蹤系統(tǒng)，飛行員頭轉(zhuǎn)向哪一方，頭盔便會顯示該方向的即時態(tài)勢。英國BAE公司正在研制“可穿戴式駕駛艙”，通過該系統(tǒng)飛行員將會看到增強現(xiàn)實的圖像，替換了以往作戰(zhàn)飛機中的物理圖像和控制信息。

軍事訓練與演習增強現(xiàn)實技術(shù)可以為部隊的訓練提供新方法，通過增強的軍事訓練系統(tǒng)，可以為軍事訓練提供比傳統(tǒng)訓練和演習更加真實的戰(zhàn)場環(huán)境，進一步提升軍事訓練的實戰(zhàn)化水平。2014年，美軍展示了“增強現(xiàn)實沙盤”系統(tǒng)，該系統(tǒng)可直觀反映戰(zhàn)場真實地形地貌，使作戰(zhàn)人員能身臨其境地了解作戰(zhàn)地形，這將對未來作戰(zhàn)演練、兵棋推演等產(chǎn)生重大影響。2015年6月，美國海軍陸戰(zhàn)隊在弗吉尼亞州展示了一種能夠模擬戰(zhàn)場環(huán)境的增強現(xiàn)實眼鏡，并將其接入到了名為“增強沉浸式團隊訓練器”的大型訓練系統(tǒng)當中，全套系統(tǒng)集成了武器、望遠鏡和其他可能出現(xiàn)在戰(zhàn)場上的物理裝備。

戰(zhàn)場作戰(zhàn)指揮將增強現(xiàn)實技術(shù)應用于聯(lián)合作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中，可以允許各級指揮員同時觀看、討論戰(zhàn)場以及與虛擬場景交互，實現(xiàn)整個戰(zhàn)場信息的高度共享，這將更有利于各級指揮員快速、正確理解上級意圖。通過增強的作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)，指揮員能實時掌握各個作戰(zhàn)單元的情況，有利于指揮員及時做出正確的作戰(zhàn)決策。

結(jié) 語

國外媒體將增強現(xiàn)實技術(shù)列為2014年十五大科技發(fā)展趨勢之一，2015年，增強現(xiàn)實的相關應用全球下載量預計將高達14億次，較2010年增長超過100倍。未來，通過技術(shù)的突破，內(nèi)容的精良化，沉浸式虛實融合的有效互動，硬件設備性能的完善，再加上云計算和云存儲的發(fā)展，增強現(xiàn)實的研究和應用將日趨成熟，必將在軍事領域產(chǎn)生深遠的影響。