军事“纳米”：纳米机器人的发展

刘焕松+于保中

在第一次海湾战争中，军用机器人、军用无人机第一次获得公众的广泛关注，此后，这类技术得到长足发展，并出现了微型机器人、微型无人机。

如今，机器人新生代——纳米机器人登场了——它应用于军队、国土防卫、医疗以及几乎无限的其他应用领域，但其形体极其微小：从沙粒大小到昆虫、蜂鸟、知更鸟大小不等。最小的要算细微传感器了，微型传感器散布在小道、公路、田野之中，互相连接起来就形成了一个传感器网络。当人员、动物或者车辆穿过这些传感器联成的电子网络时，每个微型传感器报告的信息由一台小型监控主机进行汇总、分析处理，然后中继至一个指挥所，警示作战人员监视网内情况，并可根据物体大小、速度，甚至质量进行“最佳猜测”识别。

再大一点的传感器组件，大小从小甲虫到蜥蜴不等，设计有机械腿或者细小翅膀或者推进器，爬行、飞行、跳跃，乃至滑行，进入建筑物、洞穴内或者绕至墙壁之后，向操作员提供声音、视频、热量感应或其他数据。这些信息可以指示出是否有人存在以及人数，包括在一定距离内的狙击手，以便为进攻或者人质救援作准备。此外，这些传感器机器人也可装备各种武器，从小型炸药到装有一系列非致命或致命化学药品的皮下注射针等应有尽有，自主执行任务。

纳米技术的发展潜力

纳米技术涉及到原子级和分子级材料，直径通常小于100纳米（一米的十亿分之一），具有特殊的电气特性或化学特性，可应用于计算机存储器、半导体、生物技术、制造工艺、能源、发电、传感器等。纳米技术概念可以追溯到1959年诺贝尔奖得者、美国理论物理学家理查德·费曼的一篇关于小型化的潜在量子效益的论文。不过，可行的现实研究在10年之后才成为可能。1960年代末～1970年代初阿尔弗雷德·丘与约翰·亚瑟在贝尔实验室发明了分子束磊晶技术，这使得科学家可以控制单原子层的沉积，从而最终可以制造纳米级的设备。

在美国官方的公开记录中，1999年3月，国家科学基金会高级顾问、比尔·克林顿总统纳米技术委员会主席米哈尔·C.洛克博士提出的联邦纳米技术倡议，可被认为是美国政府纳米技术工作首次公开亮相。白宫科学与技术政策办公室下属的科学与技术委员会发布了由国家科学技术委员会纳米科学、工程设计与技术跨部门工作小组起草的第一份题为《纳米结构科学与技术》的报告，成为洛克博士所言的“下一次工业革命”的真正发端。之后不久又发布了《纳米技术研究方向》，2000年2月又发布了《国家纳米技术倡议》。

在解释克林顿政府2001年纳米技术研发预算申请设想时，时任科学技术政策办公室主任、总统科学与技术助理尼尔·F.莱恩说：“纳米技术的发展是化学、物理、生物、工程、医学、材料科学等多门学科发展的结果，必将促进21世纪科学技术大军的跨学科教育。美国政府认为纳米技术将对21世纪初的经济与社会产生深刻影响，也许可与信息技术、细胞生物学、遗传生物学与分子生物学的影响匹敌。”

集“群”式纳米机器人

随着时代进入21世纪的第2个十年，纳米技术的研究已经触及现代生活的方方面面，从计算机、通信到医学、农业、军事。纳米技术的发展以不同形式、不同程度发生着巨变。

对于军事领域来说尤其如此，纳米技术的应用潜力与基于纳米技术的情报监视与侦察、制导与追踪、敌我识别、智能武器、精确杀伤、本土与战区安全、通信、战场医学、假肢器官装补学等随时可以改变军事生活、战术技术与程序以及作战方针的几乎每一个方面。

纳米机器人制造完成时不一定是纳米级大小，但其由纳米级部件组成，具有的非凡能力。实际上，一套基于纳米技术的装置可以完成B-2轰炸机与“亚布拉姆”主战坦克能够完成的任务。随着纳米技术不断缩小装备中部件的尺寸，设计者需要确定的是缩小最终部件或平台的尺寸，还是保持原来尺寸而安装更多的传感器、计算机、武器等。

军用纳米技术中最可能的应用是微型化情报监视与侦察，因其产品微小，被称为“智能沙粒”或“智能尘埃”。这些应用产品可以是一粒砂子大小的电子鼻（e-nose），能够分析当时环境、识别化学成分并向监测系统报告。最终的监测报告可以非常全面，因为能综合来自成千上万个电子鼻的数据，虽然每个采样传感器泡沫的监测范围只有几英寸，但是串联起来可以覆盖一个区域，区域大小只限定于有多少可用的纳米机器人或称纳米点。

试想，如果一个由智能沙粒组成的网络中有各种不同的传感器，将每个传感器的监测数据融合，就会对一定范围内所发生的情况形成综合、精确的实时图像，而敌人却根本不知道传感器在哪里，而且对当地居民也没有危险，这样的方式将为己方展开行动具有无与伦比的优势。

在美国化学学会2010年7月的一篇论文中，一个来自美国、俄罗斯、德国、意大利等国的科学家组成的国际科学研究小组描述了他们如何成功地制造一根“纳米带”——一根单体契型氧化锡纳米丝——用来模仿甚至有可能超过哺乳动物嗅觉系统的功能。

会飞的纳米机器人

近年来，美军在西南亚地区使用了一系列大多可手持发射的微型无人机，如“弹簧刀”、“蝗虫”、“阿努比斯”、“乌鸦”等无人机，但它们不属于纳米级别。

当前，美国国防高级研究计划局与工业界正在致力于新一类的纳米无人机的研制，其大小接近于昆虫。其中有一种被称为扑翼飞机，实际上就是使用了像昆虫的扑翼的装置。其他一些纳米无人机大部分是微小的直升机。endprint

在海军研究生院的一次演讲中，空军研究实验室航空器部控制论资深科学家斯瓦·班达博士，描述了那些“飞墙走壁”的纳米无人机的研究与应用价值，那些纳米无人机“不引人注目、会闪避、廉价但能干、可快速反应、能持续行动而且有昆虫般的灵敏性。”

纳米飞行机器人最大的限制和头号挑战是比控制更难的机体的推进，需要寻找一个途径将越来越多的机上用电装到越来越小的电池中。使用目前的电源，充其量不过让小型无人机飞行几分钟，而我们却需要让它们工作数小时。另一个较大的挑战是实现可控的稳定的扑翼飞行。

在悬停、有限电量和轻量化的限制条件下，很难制造出像鸟类和昆虫这样高度机动的仿生微型无人机。这需要非常复杂的算法，并使越来越大的机上信息处理装置小型化。到2015年时，美国拟将能够制造出对大规模杀伤武器侦测的鸟类大小的小型无人机。到2030年，一个非常雄心勃勃的目标是制造出昆虫大小的微型无人机，具有对大规模杀伤武器侦测、跟踪和目标锁定能力，可以在对付智能对手的竞争性环境中单独或者群集执行任务。

开发中的纳米机器人技术

目前，宾夕法尼亚大学正在一个称为“自主机器人与移动传感器可重组集群”的项目中研究这种平台的应用。维杰·库马尔教授称，项目集中了人工智能、控制论、机器人技术、系统工程以及自然群集行为生物学方面的专家，其目的是要将受生物启发的群集行为运用于工程系统中。

在美国乃至与各国合作的大学试验室里，研究中的各种纳米技术显示了其巨大的潜力。这些纳米技术及器件包括：

自体愈合金属

纳米结构材料，比铝合金结实10倍，设计用于“自体愈合”裂纹、弹孔等，目前正在由威斯康星州密尔沃基大学在美国陆军120万美元的资助下开展研究。

核酸机器人

合成的纳米级装置，如“DNA漫步者”，参与研究工作的有纽约大学、加州理工学院、杜克大学、普渡大学以及牛津大学。

定位纳米装配技术

来自4个国家10个机构的23名研究人员集中开发定位控制钻石机械合成技术，包括建立一个能够制造钻石形医疗纳米机器人的纳米工厂。

仿蛇机器人

军用领域的研究重点大部分放在可以飞行、盘旋、爬行、跳跃、步行等的机器人上。当前，纳米技术可能带来重大进步的一个方面是“身体波动”，即蛇的移动方式。例如，马里兰大学的研究人员相信这种移动方式“在某些情况下也许要比通常的有腿移动或轮式移动设计具有更重要的意义。”试想，纳米伺服器、纳米液压装置、纳米电源以及纳米传感器——所有这些装入一个大小从作战地带土生土长的大型蛇到小至蚯蚓的机器人中——对作战人员特别是特种作战部队非常有帮助。但是，制造起伏波动式移动的机器人面临更多难题。

开源纳米生物技术

继采用有助于加快计算机系统发展的开源结构之后，一种运用于纳米技术的类似方法已提交联合国，作为加速发展纳米机器人的途径。提议者称，按伦理习惯，将开源结构应用于纳米生物技术为后代建成一种“人类遗产”，可以加速和平发展。与此同时，军队已经采用开放式体系结构设计来加快新的能力添加进入并运行于传统的平台中，这一途径将大大加快纳米技术在跨越多种军事系统与设备之间运用的速度。

如同1960年代和1970年代美国与苏联之间的“太空竞赛”加速了从计算机技术到微波技术再到陶瓷技术的发展那样，一场发展纳米技术能力的全球竞赛将会极大地推动纳米技术的发展。

尤其是美国工业界早已行动起来，他们或单独或合作将纳米技术运用于多种产品中；医学界也提出了多种运用纳米技术的治疗方法；政府向大学与实验室投入了数十亿美元来开发新的纳米技术；金融机构正在对纳米技术研究进行战略性投资，希望从未来纳米机器人的商业化中获利。在谷歌中搜索“nanotech patent”（纳米技术专利），会返回一百万条结果，反映出纳米技术研发的速度与范围。

以医学为例，纳米技术的应用包括针对体内特定细胞的靶向药物传输系统、生物医疗手术器械，以及改变药物代谢动力学（研究身体对药物的反应）与药效学（研究药物对身体的反应）性质技术。

在未来的医疗应用中，非自我复制的纳米机器人将注射进患者身体，以修复细胞或者预防细胞损伤。虽然这种能力目前仍处于理论研究阶段，但纳米技术发展的速度会在10年之内就将其交到医生手中。这种快速的细胞级疗法在很多方面可能会产生明显的好处，如战场上处理战士伤口、治疗民众疾患。

纳米技术更广泛的军事应用

今天的地面作战士兵所面临的最大问题之一是，没有足够的电池与充电设备来完成一个不确定时长的任务，而他们需要使所有废电池可以重新使用而不是就地处置。

2010年，位于俄亥俄州的纳米技术设备公司研究人员展示了一种打破所有蓄电和再充电记录的基于纳米石墨烯的超级电容器。项目负责人博尔·詹称，该设备可以储存相当于一块镍氢电池的电量，但再充电只需几秒钟时间。另外，其单位能量密度达到至今各类电池的最高能量值。

此外，研究人员正在研制一种纳米材料，这种材料可以用作轻便的个人防护服。这种织物镶嵌有灵敏的纳米机器人，可以在战场上自我修复，并对天气变化作出反应，当需要为作战人员降温或者加温时即从多孔透气与无孔不透气之间转换。这种材料轻便、结实、耐火，防化学、生物与放射性物质，防水并且吸湿。

由于有灵敏的纳米机器人遍布整个作战服，还可以让其中一些纳米机器人来给作战人员的装备供电，而这些装备本身也由于纳米技术而变得更轻和更通用。这些装备可能包括班内通信和远距离通信装置、头盔式视频显示器、足够满足任何任务（或者个人）需求的数据储存装置，以及望远镜、显微镜、红外装置和全色谱瞄准镜等专用图像增强装置。此外，还可能包括与外部传感器如智能砂粒、昆虫大小的无人机/无人车等的集成装置，加上数据融合，可为作战人员提供对任务成功和个人生存至关重要的实时态势感知信息。

与此同时，国防高级研究计划局也正在寻求纳米技术如何运用于人工智能的开发中。如果真正的人工智能的关键是复制人类大脑，它拥有约1千亿个神经元和100万亿个神经键，那么纳米技术是至关重要的智能技术。人工智能的关键是忆阻器，它是一种新的纳米级电路元件，是一种具有记忆能力的电阻，即使没有外在电源，仍然可以长期保留资讯。忆阻器与大脑神经元行为存在毋庸置疑的相似性，忆阻器对于国防高级研究计划局在芯片上模拟大脑中神经元处理信息的“模块化神经探索搜索主体”项目非常重要。

国防高级研究计划局的另一相关项目称为“神经形态自适应塑料可伸缩电子系统”，其旨在提供一种与大脑神经元和神经键相当的电子装置，带有促使更快存储与计算能力可能达到人工智能水平的忆阻器。

纳米技术应用展望

从应用的范围和潜力方面讲，无论是军用还是民用，纳米技术的未来是不可估量的，正如美国阿拉巴马大学纳米材料研究小组主任尼迪·乔普拉教授在其论文《研制下一代纳米级异晶结构》中的总结：

“由于其不同的功能，高表面积与体积比，纳米结构对于化学和生物传感器、医疗设备、触媒、光电材料和纳米元件非常重要。多种材料选择加上不同的合成策略，产生了不同形态的纳米材料，如纳米级薄膜、纳米线、纳米管、纳米带、纳米粒子、和纳米多孔结构等。”

“这种多功能的和多成分分层的异晶结构是非常有用的，必将在许多方面影响我们的生活，从汽车到纳米电子技术。”

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