超前谋划能力“孵化器”抢占前沿技术制高点——2016年世界前沿科技发展回顾

吴 勤

超前谋划能力“孵化器”抢占前沿技术制高点
——2016年世界前沿科技发展回顾

吴 勤

2016年，世界前沿科技探索取得了重要进展，在脑和认知、新材料、人工智能、光量子等领域，更高智能、更快速度、更大容量、更低功耗、更小尺寸、更深融合的颠覆性创新和群体性技术突破不断涌现，正在深刻影响未来国防科技与武器装备发展。

世界主要军事强国继续高度重视国防前沿科技发展，制定战略规划，超前部署方向，加大投入力度，创新发展模式，以保持其优势与发展后劲。

谋划新的技术方向

积极规划发展方向。美国发布了《21世纪国家安全科技与创新战略》《联合作战环境2035》等战略文件，预判未来军事技术发展面临的环境和重点方向；美国科学与技术委员会发布《人工智能研究与发展战略计划》；在“第三次抵消战略”下，美国国防高级研究计划局（DARPA）重点围绕复杂系统、信息爆炸、技术突袭等推进颠覆性技术发展。日本防卫省发布了《防卫技术战略》，明确了未来20年18个领域的军事技术方向，提出了无人技术、智能与网络技术、定向能技术等改变游戏规则的技术领域。欧盟委员会发布《量子宣言》，提出2018年启动总额10亿欧元的“量子技术旗舰”计划。英国国防部宣布推出为期10年的创新计划，研究前沿国防技术、应对未来挑战。

借众智促前沿创新。2016年3月，美国“国防创新实验小组”为陆军举办赛博创新挑战赛；美国航空航天局（NASA）举办了“突破、创新和改变游戏规则”创意挑战赛决赛和首届太空机器人挑战赛；8月，美国陆军举办第三届创新峰会与“疯狂科学家”讨论会，进一步扩大与工业界和学术界之间的协作。俄罗斯航天国家公司和先期研究基金会开展了系列竞赛，挑选从事颠覆性技术研究的青年学者和专家，组建航天前沿技术青年实验室，以确保未来航天活动中的技术优势。

捕捉商业技术机遇。美国国防部长卡特就任后已经四次造访硅谷，参加多次商业创新会议，显示了对商业技术的重视程度。2015年7月和2016年7月，美国国防部先后在硅谷和波士顿两大商业创新生态圈设立“国防创新实验机构”，以衔接军方与企业，加速商业技术的国防转化应用。2016年3月，美国防部组建了由商业创新领袖组成的国防创新咨询委员会，旨在将商业部门的创新人员和机构融入国防领域。DARPA启动了“Improv”项目，重点识别能带来颠覆性变革的商业技术。

形成新的技术能力

新材料方面，美国和德国科学家联合开发了一种更加节能、可永久储存数据的相变材料，在执行特定操作时速度比现有存储器快1000倍。美国科研人员研发出一种柔性、可伸缩、具有调谐选择性的超材料，在隐身飞机、电磁屏蔽等领域具有重大应用前景。华盛顿州立大学开发出可在光和热的作用下改变形状，具有形状记忆、光激活及自修复能力的多功能“智能”材料。加拿大科学家发现了超导材料中的电子云可以对齐并按照某个方向有序排列，即呈现向列相，这一新发现有助于悬浮列车和超级计算机等技术的研发。美国麻省理工学院和NASA科学家开发出一种可变形的超轻符合材料机翼，重量是传统机翼的十分之一。

石墨烯的应用研究继续取得新的进展，其潜力和价值不断展现。美国伦斯利弗莫尔国家实验室通过在气凝胶电极石墨层间加入锂离子和高氯酸根离子，发明了一种使3D打印石墨烯超级电容器性能提高一倍的方法。剑桥等多所大学的科学家联合将石墨烯集成进硅光电子电路，为硅基光电探测提供了简单的解决方案。英国曼彻斯特大学的科学家使用石墨烯等离子体的特性开发了一款可调谐太赫兹激光器，改变了现有太赫兹激光器只能固定一个波长的限制。瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员开发出一种通过功能化石墨烯纳米薄片高效冷却电子器件的技术，有助于开发出更小更节能的电子信息装备。美国麻省理工学院将两种晶格大小不一致的二硫化钼和石墨烯集成在一层上，将有助于研制功能更强大的计算机。

无人集群技术持续进行演示验证，未来将形成以无人蜂群式攻击为代表的新型作战能力。在无人机集群方面，美国空军通过F-16战斗机在指定空域进行了快速布撒大量微型无人机的试验。在海上无人系统集群方面，波音公司为美海军研发的“回声航行者”“传感器寄宿自主远程艇”等项目取得了新进展，将对未来海上区域监视产生重大影响；美国海军年内对集群式无人水面舰艇相关技术进行了多次演示验证。美乔治亚理工学院开发出新算法，可使多个机器人在彼此距离数厘米的范围内移动且不会发生碰撞，以支持类似“蜂群”的无人系统自主协同作战。

新型器件发展取得重要突破，一批超越现有能力的存储器、处理器等问世，将推动信息技术的跃升。美国哥伦比亚大学研制出首个同时同频全双工射频通信元件，有望使无线射频通信能力提高一倍，在雷达、通信等领域应用后将极大提升装备效能。美国加州大学在DARPA资助下研制出全球首个芯片级光频合成器，在光频梳技术上取得重大突破，该技术应用后可将现有授时精度提高3个数量级，将对定位导航、激光通信等领域产生重大影响。荷兰的研究团队将存储器密度提高到目前最好商业硬盘的500倍，这种存储密度能把人类目前为止创作的所有书籍都写到一张邮票上。美国洛·马公司成功研制出新型微流体散热片，较传统芯片冷却效果提升6倍，可大幅提升集成电路散热能力。美国麻省理工学院和快速电容公司合作开发出一种新型超级电容器，存储能量和能量密度均达到现有水平的10倍。美国爱荷华州立大学科学家研制出一种新型实用瞬态电池，其自毁速度在原有基础上大幅提升，这一突破将使研发自毁型电子器件成为可能。美国威斯康星大学的料学家成功研制出性能首次超越硅晶体管和砷化镓晶体管的碳纳米晶体管，将促进碳纳米管在逻辑电路、高速无线通信和其他半导体电子器件领域的广泛应用。

拓展新的技术途径

先进制造技术在增材制造、特种工艺、智能组装等方面有新的突破，将开辟新的产品设计与制造途径。轨道ATK公司成功试验了3D打印制造的高超声速发动机燃烧室；美国休斯实验室使用3D打印方法制造出超强陶瓷材料，不仅可拥有复杂的形状，还能耐受超过1700摄氏度的高温；美国哈佛大学研究人员利用3D打印出世界首个全柔性自主机器人。在美国将3D打印机送入国际空间站后，俄罗斯研究人员也宣布制成了该国首台太空3D打印机样机，计划在进一步完善后，在2018年送入国际空间站进行测试。美国布鲁克海文国家实验室研究人员使用电子束光刻蚀模式，直接将多个分子模式自组装到单一材料上，实现了自组装概念的重要突破，将改变电子产品设计和制造途径。美国德克萨斯大学的研究人员首次演示了利用莫尔纹纳米球光刻技术制备大面积可调石墨烯超颖表面的方法。

新能源方面，美海军从海水中提取二氧化碳和氢气的技术已发展至第二代，每日产量可供合成1加仑液态碳氢化合物燃料。美国麻省理工学院的科学家首次证明了使用太阳热光伏设备，太阳能电池的光电转化效率可突破理论限制。美国斯坦福大学科学家设计出一种钙钛矿太阳能电池驱动的光解水复合体系，利用该方法后光到氢的能源转换效率有望提升到新高度，为获取绿色氢能源提供一个重要途径。新型太阳能电池发展迅速，美国科学家实现了小分子有机太阳能电池效率近50%的增长，麻省理工学院开发出一种超轻、超薄的柔性太阳能电池。美国哈佛大学开发出一种人工仿生叶，能“吃”进二氧化碳产出生物乙醇，效率比自然光合作用高出10倍。加拿大多伦多大学科学家利用硅将二氧化碳转换成高能燃料，这种通过纳米结构氢化物的还原能力直接利用太阳光生产燃料是概念上的一大创新。德国启动了最大的仿星器核聚变反应设备并首次制造出氢等离子体，预计4年后可实现等离子体脉冲持续时间30分钟，向实现受控核聚变迈出重要一步。美国麻省理工学院科学家在阿尔卡特C-Mod托卡马克聚变反应堆实验中创造了新的世界纪录，等离子体压强首次超过两个大气压。

仿生技术发展迅猛、军事应用前景广阔。哈佛大学研发了类似蜜蜂的“机器峰”，高2厘米、重约100毫克，将在军事侦察领域发挥重要作用；该大学还研制出半透明、硬币大小的机器鱼，可在蓝光控制下像鱼一样游泳。波兰、意大利和英国合作利用光电机械液晶弹性体单片电路研发出一款长约15毫米的软体机器人，可模仿毛虫不同步态、爬坡、推动比自身重10倍的物体，具有在挑战性环境中执行任务的能力。英国研究人员设计出一种模仿蝙蝠的新型薄膜可变机翼，利用这种机翼制作出的微型无人机可以飞得更远并节省更多燃料。美国斯坦福大学研究人员首次制备出一种可用于制作晶体管的可自愈弹性聚合物，实现了复杂电子表面模仿人类皮肤，是仿生学发展的重大突破，将为新一代类皮肤可穿戴装备奠定基础。

先进动力技术在航空动力、空间推进、核动力技术方面取得新进展，有望改变传统动力的物理极限。 美国国家航空航天局近日公布了一种新型推进系统“电子帆”，它能和太阳释放出的粒子相互作用产生推力，将大幅缩短将航天器送往星际空间的时间。俄罗斯成功进行了脉冲爆震火箭发动机试验，该技术改变了传统火箭发动机结构，使火箭发动机的热力效率大大提升，成本和质量大幅降低。

奠定新的技术基础

人工智能技术受到前所未有的高度关注，将推动武器装备向更高智能化方向发展，形成新的能力优势。美国科学家发明了一种被称为结构映射引擎的新模型，能使计算机类人分析和学习能力显著增强。谷歌“深度思维”公司发表了一项人工智能重要成果，描述了一种集神经网络与计算机优点于一身的混合型学习机器，既能像神经网络那样学习，又能像计算机那样处理复杂数据。微软公司开发出一种机器学习算法，使计算机对指定主题对话的语音识别率增至94.1%，首次与人类水平相当。

脑和认知方面，脑图谱绘制、认知计算、脑控等技术取得实质性进展，为人类认知能力的增强，以及脑科学的军事应用奠定了重要基础。DARPA首次成功地在动物受试者上测试了一种通过血管进入脑部，记录神经活动的微型传感器。 美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室和IBM公司联合公布了以“真北”仿脑处理器芯片为基础的具有认知能力的深度学习超级计算机，标志着人类进入认知计算的新时代，深度学习超级计算机对于网络安全、核武器模拟等具有重大意义。韩国科学家在一块10厘米的晶圆上，构建了144个突触晶体管，研制出迄今为止能耗最低的人造突触，这一突破有望使研制大型类脑计算机成为现实。美国科学家研制出了一种新型“扩散式忆阻器”，能逼真地模拟人脑突触内钙离子的行为，新设备有助于开发类脑（神经形态）计算机。美国亚利桑那州立大学试验了脑控多架无人机的技术，已经成功实现单人对4架无人机的控制。美国普林斯顿大学研制出全球首枚光子神经形态芯片，其中的每个节点拥有神经元一样的响应特征，实验中比现有运算速度快3个数量级，该芯片有望开启全新的光子计算产业。

光量子技术不断取得重要突破，在纠缠原子数量、光量子电路、量子位稳定性等方面有了里程碑式进展，让人们看到了光计算、量子计算与量子通信的曙光。俄罗斯科学家成功将锗原子合成到金刚石晶格中，可用于替换现有计算机中的硅和砷化镓芯片，标志着光计算机技术向前迈出重要一步。美国麻省理工学院科学家使用量子的反馈控制技术将量子叠加时长提高了1000多倍，向最终研制出可靠的量子计算机迈出了重要一步。欧洲科学家将一台激光器内的光子“播种”进另一台激光器内，成为研制实用量子加密系统的里程碑进展。美国哈佛大学科学家成功实现在超导材料内传输电子自旋信息，从而克服了量子计算的一个主要挑战，这种三明治结构独特的超导性能也将带来全新的量子材料，为构建量子传导装置奠定基础。美、俄等国际研究团队利用钇铝石榴石晶体产生了超短激光脉冲，在激光总能量基本不变下，将功率提高了3倍、达到0.5太瓦，有望推动激光领域的变革。

微纳技术具有重大的发展潜力，微纳感知、传输、集成等发展十分迅猛，微系统的研制与应用将在近期取得实质性突破。DARPA正式启动了“从原子到产品”的项目，旨在开发相关技术和工艺将接近原子尺寸的纳米级碎片组装成至少毫米级尺寸的系统、部件或材料，并保留其在纳米尺寸时具备的特性；在该项目下，劳伦斯利弗莫尔国家实验室采用3D打印工艺在厘米级尺度制备出具有纳米级特性的多层金属超材料。DARPA微系统办公室正在开展相关项目，致力于发展下一代微系统的模块化芯片以及处理效率提升1000倍的智能图像微处理器等颠覆性技术。DARPA 和NASA联合开展了轻型光学系统，将利用微系统技术在硅材料上通过极精确的激光烧录成上千个望远镜阵列，该领域的突破可将传统望远镜的尺寸、质量和功耗降至百分之一。美国工程师制作出首个无需半导体的光控微电子器件，在施加低电压和低功率激光激活时，电导率可增加10倍，这项发现为研制速度更快、功率更强的无半导体微电子设备及更高效的太阳能板铺平了道路。（航天科工集团）