【科技资讯】美国国防部瞄准未来六大颠覆性基础研究领域

【科技资讯】美国国防部瞄准未来六大颠覆性基础研究领域

2015-03-15

新任的美国国防部（DoD）负责科研与工程技术（R&E）事务的助理国防部长（ASD）鲍勃•贝克在其最新的年度报告中详细介绍了美国国防部2013-2017年科技发展“五年计划”的制定过程，通过分析美国在21世纪所面临的新秩序与新挑战，提出了未来重点关注的六大颠覆性基础研究领域（Disruptive Basic Research Areas）。包括：超材料与表面等离激元学（Metamaterials & Plasmonics）、量子信息与控制技术（Quantum Information & control）、认知神经学（Cognitive Neuroscience）、纳米科学与纳米工艺（Nanoscience & Nanoengineering）、合成生物学（Synthetic Biology）以及对人类行为的计算机建模（Computational Models of Human Behavior）。

美国国防部对于颠覆性基础研究领域的定义为：对于近期与未来美军的战略需求和军事任务行动能够产生长期、广泛、深远、重大影响的基础研究领域，这些领域的研究已取得关键突破并且可以持续发展，未来的研究成果能够使美军在全球范围内具备绝对的、不对称的军事优势。

美军关注的基础性前沿研究领域

1.超材料与表面等离激元学（Metamaterials& Plasmonics）

《自然物理学》杂志（《自然》杂志的物理学分册）关注超材料技术

美国杜克大学Ruopeng Liu, et al.团队超材料技术重大突破发表在2009年《科学》杂志上

DDG1000大型驱逐舰应用了超材料隐身技术

美国F-35战斗机应用了超材料隐身技术

颠覆性应用前景：
- 利用增强/捷变隐身超材料技术使美国海、陆、空军装备被雷达发现和锁定的概率大幅下降，获得压倒性的不对称战略优势。
- 小型化超材料隐身射频系统可以使通信设备更加轻便，并且不易于被侦查，使美军战场生存能力大幅提升。
- 智能自检测自修复结构超材料技术将使美军装备维修保障周期/成本大幅缩减，作战效能大幅提升。
核心能力：
- 通过复杂人工微结构改变材料的表征特性
- 实现自然界材料不存在的负折射率
- 基于超材料技术的相控天线阵列
- 基于等离子体激元的增强型探测器和成像器件
重大突破：
- 宽带响应复杂超材料的制备（美国杜克大学超材料团队Ruopeng Liu, et al. 2009年发表在《科学》杂志上）
- 复杂人工结构计算工具与快速算法
- 自感知与自愈合智能结构材料
- 仿生人工结构材料
主要挑战：
- 超大规模复杂结构材料建模与设计方法
- 高精微尺度人工结构的制备方法与控制方法
- 人工结构复合材料的大规模制备
- 高效电磁辐射能量在材料中的转换与反转换
目前从事相关领域研究的企业包括：
- 中国深圳光启
- 美国波音公司、雷神公司、洛克希德马丁公司
- 英国航宇公司
- 日本三菱重工

2.量子信息与控制技术（QuantumInformation & control）

《科学》杂志关注量子信息技术

《自然物理学》杂志（《自然》杂志的物理学分册）关注量子信息技术

颠覆性应用前景：
- 超高安全、超大容量、超远距离保密通信、传输系统（几乎无法破译），使美军具备牢不可破的保密通信指挥系统。
- 超高速量子计算机和赛博空间（Cyber Space）信息对抗系统，将可以破解几乎所有现在使用的加密系统和防火墙，使美军具备不对称的网络攻防优势。
- 原子尺度超高分辨率量子显微镜。
核心能力：
- 量子通信：实用的超高安全加密通信
- 量子仿真：从量子尺度开发新材料
- 量子传感、量子计量与量子成像：超越常规技术极限的灵敏度、精度和分辨率
- 量子计算：代码破译，物流与后勤网络优化，数据库深度挖掘
重大突破：
- 秀尔因子分解算法（Shor’sAlgorithm）：量子加密技术的重大突破，还可以用于破解目前被广泛使用的公开密钥加密算法
- 量子气体显微镜（Quantumgas microscope）：原子尺度超高分辨率观测系统，可以观测到物质的原子组成，使开展原子级特性研究成为可能，也为冷原子技术研究拓展了空间
主要挑战：
- 如何持续保持量子的相关联动性量子的相干性（quantum coherence）
- 研究新的算法用于探索量子信息学的应用前景
- 研究控制量子系统的新方法
- 需要研究新材料和新工艺以提升量子相干性的持续时间
目前从事相关领域研究的机构包括：
- 美国IBM公司
- 美国洛斯阿拉莫斯国家实验室与国防高级研究计划局（DARPA）
- 中国科学技术大学
- 美国洛克希德马丁公司
- 日本NTT公司

3. 认知神经学（Cognitive Neuroscience）

用弥散张量成像技术（DTI）拍摄的人类大脑内部神经网络地图

机械战警

颠覆性应用前景：
- 生物神经战（思维干扰与控制），使美军具备干扰敌方人员大脑功能的不对称作战优势。
- 具有完全自主学习能力的高智慧机器人。
- “人机合一”控制系统（意识操控机器）与“超级士兵”（人脑功能增强），使美军士兵人体效能大幅增强，通过人体外骨骼使人-机（Human-Machine）达到高度融合，颠覆未来作战模式。

核心能力：
- 对人类信息处理、学习和决策过程的更深刻的理解
- 工程系统的直接心灵操控
- 信息显示与系统控制的设计改进
- 压力下的表现补偿
- 创伤后应激障碍（PTSD）与创伤性脑损伤（TBI）的改善与防止
重大突破：
- 先进的脑成像技术：如功能性磁共振成像（fMRI）、扩散张量成像（DTI）、数字脑电图描记（EEG）
- 脑结构与功能关联性进展
- 脑信号分析的大规模并行计算
主要挑战：
- 解决从脑信号预测人类行为的逆向问题
- 将临床的测量与分析翻译给未受伤害的个体
- 整合个体人脑变量的模型开发
目前从事相关领域研究的机构包括：
- 美国麻省理工学院、耶鲁大学
- 英国剑桥大学

4. 纳米科学与纳米工艺（Nanoscience & Nanoengineering）

石墨烯能带结构与狄拉克点

纳米装甲

颠覆性应用前景：
- 超轻薄防护装甲。使美军装备抗打击能力大幅提升，损伤率大幅降低。
- 纳米机器人。小型仿生机器人的使用可以为美军带来无孔不入的颠覆性作战能力。
- 超小体积、超轻重量电子器件与电子设备。
核心能力：
- 电子学与传感：超快电子器件，无所不在的嵌入式传感器，曲线电子器件，超低电压装置
- 轻装甲，高强纳米涂层
- 动力与能源：燃料电池，便携电子设备，移动电源，热电学
重大突破：
- 纳米颗粒涂层与功能化
- 能量采集的催化剂
- 石墨烯与碳纳米管（已获诺贝尔奖）
主要挑战：
- 低缺陷密度的石墨烯、单手征性纳米管的制备
- 使用预定分子装配的纳米制造技术
目前从事相关领域研究的机构包括：
- 美国英特尔公司、雷神公司、波音公司、惠普公司
- 韩国三星公司
- 日本东京大学

5. 合成生物学（Synthetic Biology）

《科学》杂志关注合成生物学

《自然》杂志关注合成生物学

颠覆性应用前景：
- 军用药物快速合成。根据作战需求快速合成军用药物，提高战场医疗效率。
- 生物病毒战。可根据战略需求定制生产病毒，具备生物战的颠覆性优势。
- 基因改良、人体快速损伤修复。
核心能力：
- 生物燃料与制造
- 生物传感器
- 组织再生
- 新型疫苗的快速制造
- 藻类食物的制造
- 体现生物能力的清洁水技术
重大突破：
- 体现系统路径复杂性的建模与仿真
- 测试自动化
- 与合成基因组相容的载体细胞选择
- 管控与社会认可
目前从事相关领域研究的机构包括：
- 美国劳伦斯伯克利国家实验室、哈弗大学、约翰霍普金斯大学
- 美国默克制药公司
- 英国伦敦国王学院

6. 人类行为的计算模型（Computational Models of HumanBehavior）

人类社会社交网络

应用前景：
- 恐怖威胁实时监测、情报分析。实时掌握全球各国的政治、文化、经济情况，对恐怖威胁做出快速反应和预警。
- 通过大数据网络制造群体事件，策反、颠覆政权，提前瓦解敌方军事威胁。
- 实景仿真演习系统。
核心能力：
- 建立人类社会行为预测数学模型，为战略、行动、战术决策和计划提供支持
- 实时国际社会（宗教）态势监测
- 沉浸式训练与任务演习
- 跨文化国际关系建设
重大突破：
- 简化模型的验证成功
- 基于社交网络的大数据分析
- 对群体事件临界点的成功预测
主要挑战：
- 社会的复杂性决定了相关社会理论的矛盾性
- 大数据的管理和融合
- 数学模型非常复杂
- 如何验证相关模型的有效性
目前从事相关领域研究的机构包括：
- 美国谷歌公司、脸书公司
- 美国斯坦福大学、麻省理工学院
- 英国牛津大学

注：美国科研与工程事务（R&E）助理国防部长（ASD）是美国国防部的高级官员，主要负责美国国防部的技术发展战略规划，是美国国防部的主要智囊，相当于美国国防部的首席技术官（CTO）。ASD的主要职责是拓展美国现有武器装备的作战能力，发展颠覆性不对称能力前沿技术，通过一系列科学与工程技术发展政策确保美国在不确定的未来持续具备战略优势并消除战略意外（counter strategic surprise）。

（作者：俊弥）

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