国外生物电子技术发展及其军事应用

2018-11-15 07:04郭彦江

军事文摘 2018年11期

郭彦江

生物电子技术是涉及生物科学、化学、物理学、电子科学、材料科学、工程科学等多学科交叉融合的一门新兴技术。生物电子技术通过将生物信息处理的优异特性借鉴于电子学和信息学，催生电子学和信息学的重大变革，将为武器装备实现跨越式创新发展提供新的源泉，已成为武器装备变革的重要推动力量，并在不断催生新的作战样式和作战理念。

概念内涵

近年来，生物科学的研究已进入分子、细胞、组织以及系统等不同层次，大量生物医学信息的获得、处理和分析成为生物科学发展的瓶颈问题，电子、信息科学的发展为在分子层次揭示生物信息提供了可能。生物电子技术以生物的信息过程为研究对象和应用对象，并以人脑信息处理的功能模拟为最终目的，综合应用电子学、工程学、信息学和系统学的方法、原理和技术来分析、处理、利用和模拟生物的信息处理体系，发展更灵敏和高通量的生物传感器件、仪器设备等：并基于对生命系统信息处理的认识，提出和发展新的信息处理的原理和器件，包括有别于现代计算机的新的生物计算方法，最终实现对人脑功能的模拟，以促进生物学、医学以及电子学和信息学自身的发展。

生物电子技术的研究内容主要包括三个方面：一是研究生物体系的电子学问题，包括生物分子的电子学特性、生物系统中的信息存储和信息传递，由此发展基于生物信息处理原理的新型计算技术，即生物计算领域;二是应用电子信息科学的理论和技术解决生物学问题，包括生物信息获取、生物信息分析，也包括结合纳米技术发展生物医学检测技术及辅助治疗技术、开发微型检测仪器等。即生物传感领域：三是利用生物体系的电子学特性，解决电子信息科技领域的问题，包括生物燃料电池、生物电子器件和执行器等，即传统生物电子领域。

国外生物电子技术发展现状

美国、俄罗斯等军事强国均在大力推进以生物传感、生物计算等为重点的生物电子技术研究。美国国防部、各军兵种、DARPA等已经制定了一系列军用生物电子方面的发展战略和规划，部署了大量国防生物电子创新项目。当前已在生物电子材料、生物传感器、生物存储与计算、生物燃料电池等领域取得突破性进展，形成了一大批具有重大军事应用前景的产品，如DNA芯片、人工突触、生物红外传感器、新型生物电池等。

竞相制定生物电子技术发展战略和规划，成立专门组织管理机构。世界主要军事强国高度重视发展生物电子相关技术，成立相关组织管理机构，制定发展战略，设立重大发展规划，从国家层面推动生物电子技术快速发展，抢占未来军事革命的战略制高点。

美国将生物电子技术列入国家顶层布局。特朗普政府制定的首份《国防战略》将生物技术列为确保美国打赢未来战争的重要技术。2017年以来，特朗普政府宣布将制定新的国家生物防御战略，研究生物材料、生物芯片、生物计算机对美国未来国家安全的潜在影响。美国国防部将军用生物电子相关技术列为美军重点资助和发展的八大领域之一，成立生物技术高性能计算软件开发研究所。明确突出国防生物和电子信息技术的融合趋势。美国陆、海、空三军在《陆军科学规划与战略报告》《海军科技战略规划》《空军科技战略》等规划战略中均将生物电子技术列为投资重点。DARPA从2003年开始在战略规划中将生物技术列为优先发展的重点之一，2014年成立生物技术办公室，在2015年发布的战略主导文件《保障国家安全的突破性技术》中将生物技术列为未来四大重点研究领域之一。DARPA近年在生物领域投资已超过40亿美元，占总投资比重超过8，9%。

俄罗斯、欧洲等国家制定国家生物电子技术发展战略。俄罗斯仿照美国DARPA成立的先期研究基金会将生物化学和医学技术列为重点研究领域，重点进行生物燃料、生物医药、纳米生物计算、认知技术等研究，探索新型军事装备和武器的潜在动力供应方法，以及实施武器、特种装备和部件制造辅助技术工艺的发展项目。欧盟在“地平线2020计划”框架下针对生物电子技术和产品等主题部署研究项目，将微生物传感器平台、纳米生物芯片开发等列为优先发展事项。英国成立生物技术和生物科学研究理事会，2017年宣布投入4.24亿美元支持未来5年生物技术发展。

新型DNA芯片和人工突触层出不穷，催生新型计算机算法和架构。生物计算是当前推进生物科技创新的基础性使能技术。通过大规模、多类型的数据和信息的存储、管理、获取和计算技术支撑，生物计算技术为生物科技创新提供必要的、高效的数据支撑。以美国为首的科技强国正通过多个项目推动生物存储和生物计算技术研究。

利用DNA、聚合物等分子技术发展数据存储能力。美国情报高级研究计划局（IARPA）2018年5月发布“分子信息存储”项目，项目寻求开发一种将数据写入聚合物的桌面设备，以及一种可读取存储信息的桌面设备，依靠聚合物零误差、存储效率高的特点，推动生物存储技术研究。DARPA于2017年4月发布“分子信息学”项目跨部门公告，寻求开发一种可在分析和化学层面处理来自侦察、电子战、信息情报、持续监视等数据密集型军事应用领域的海量信息流技术。哥伦比亚大学成功创建一种在DNA中存储数据的方法，创造出迄今最高密度的大规模数据存储方案，新系统将具备1克DNA存储215拍字节的能力，达到了理论极限值的85%。哈佛大学成功将电影片段存储到细菌活体细胞中，经过多次迭代后，存储在基因中的电影信息保存完好，有望应用于数据加密和生物传感等领域。

研发出多种新型人工突触、忆阻器等生物信息处理单元。人工突触是一种人工设计的有机电子器件，可通过模仿人脑中的突触来传递信息。人工突触传递信息的同时可自动存储信息，显著提高电子元器件的传递、处理效率。美国斯坦福大学和桑迪亚国家實验室研发出一种人工突触，试验表明这种人工突触模拟神经识别效率达到93%～97%，功耗仅为顶尖级计算机能耗的1/10。法国国家科学研究院开发出一种能自主学习的人工突触，这些突触能够自主学习并预测识别模式，为脉冲神经网络的无监督学习开辟了一条新路径。忆阻器是一种先进的具备记忆功能的非线性电阻器，可基于对其施加的电压的历史记录对电流进行调节，实现对各种不同任务的并行处理。美国密歇根大学开发出一种新型忆阻器计算机电路芯片原型，具备处理图像和视频等复杂数据信息的能力，处理速度比现有最先进的系统快几个数量级且功耗极低。

DNA、RNA生物计算机性能不断取得突破。生物计算机因运算速度快、功耗低、储存数据大等优势受到各科技大国的强烈关注。美国亚利桑那州立大学和哈佛大学维斯生物启发工程研究所开发出迄今最复杂的生物计算机。该计算机由RNA制成，能在大肠杆菌活细胞内对12种不同指令同时做出反应，控制细菌细胞的行为。美国微软公司与华盛顿大学研发出大幅提升DNA分子运算的方法。经过实验证明，新型DNA计算机仅用7分钟就完成了包含3个输入链的与门，之前的设备则需要4个小时完成同样的任务。欧盟“地平线2020计划”启动了一个为期5年的Bio4Comp项目，以研制功能更加强大、安全性更高的生物计算机，当前已投资712万欧元成立了由多个大学和公司组成的研究团队。

研发新型材料和柔性结构，纳米生物传感器灵敏度达到分子水平。生物传感器是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器，主要实现感受、观察、反应三个功能，广泛应用于医学、生物芯片、环境检测、军事医学监测等领域。国外机构预测生物传感器市场2020年将达到270亿美元，复合年增长率超过10%。

美国空军利用凝胶研发生物红外传感器。美国空军资助研究利用来自鲨鱼感觉器官的凝胶来开发红外传感器的项目。鲨鱼通过这种凝胶感知鱼类所释放的电磁辐射而跟踪猎物。当暴露于不同梯度的电、磁和热条件下，这种凝胶能够扩展和收缩。研究人员通过在两层非常薄的黄金之间放置一层凝胶，凝胶受到辐射照射后会膨胀并使黄金层之间的距离增大，从而增加了设备的电容，验证了使用凝胶材料取代传统无机材料的可能性。

利用石墨稀材料特性发展柔性生物传感器。石墨稀作为柔性电子器件和柔性生物传感器的理想材料，其零带宽的特征限制了基于石墨稀的场效应晶体管的开关以及生物传感器的灵敏度。美国加利福尼亚大学洛杉矶分校和武汉大学的研究人员利用一种石墨稀纳米筛结构，制备了具有3纳米较窄孔壁和1000高开关比的石墨稀纳米筛，为开发低成本和高效高性能柔性生物传感器提供了一种途径。莫斯科物理与技术研究院的研究人员开发出全球首款基于铜和氧化石墨稀的生物传感器芯片，研究人员在铜和电介质薄膜的顶部添加了石墨稀氧化物层，将生物传感器的精度提高了数十倍，未来有望应用在可穿戴设备、高精度电子设备中。德国弗劳恩霍夫生物与医学技术研究所开发了一种基于石墨稀导电油墨的生物传感器，证实了在细胞培养微板上凹版印刷制备生物传感器基底的可能性。

纳米生物传感器灵敏度达到分子水平，成本逐渐减低。美国伯克利实验室开发出一种称为“生化鼻子”的具有单分子水平灵敏度的纳米传感器。这种纳米传感器基于分子指纹技术，可以在几分钟内准确地检测和诊断分子水平的物质，传统方法则需要数小时或数天。瑞典乌普萨拉大学和巴西研究人员开发出一种可以检测单分子的新型纳米传感器，这种纳米传感器可以通过电流信号方便、便宜地鉴定DNA中不同的核苷酸序列。美国塔夫茨大学首次成功研发成功一种智能缝合线，内置了纳米传感器，可以通过无线的方式监测电子和微观数据，在帮助人体组织愈合的同时收集血压、温度等诊断数据。缝合线还能创建“完成线程诊断平台”，让不同缝合线运输的液体相互支持，将传感器检测数据和结果同步到智能手机和电脑中。韩国科学家基于声音震动原理，研发出一款源生于“蜘蛛”仿生学的纳米缝隙传感器。研究人员在粘弹性聚合物表面添加20纳米厚度的铂金层，搭建了传感器框架。研究人员测试发现，纳米裂缝传感器可以在92分贝的实验环境中捕捉到测试人员的声音。

微生物燃料电池能效进一步提高，电流密度和连续工作时间再创新高。生物燃料电池具有无毒无有害排放的优点，其燃料主要包括环境中易于获取的、战场产生的或后勤补给中已有的各类燃料。当前生物酶燃料电池是生物燃料电池的研发重点，美国海军研究实验室等都正在研究酶燃料电池：美国加州理工大学、德国卡尔斯鲁厄理工大学等正在研究生物太阳能电池。

美国海军实验室研究微生物燃料电池用于气象传感器。微生物燃料电池利用整个微生物作为催化剂，能够使用各种类型的燃料，已经得到验证的燃料包括糖类、有机酸、纤维素、废水、燃料油污染的地下水、蓄水层中分解的有机物质等。美国海军实验室的研究人员多年来一直在资助研究基于沉积物的微生物燃料电池，将阳极埋在含水层沉积物的厌氧区，阴极放置于沉积物上方，利用自然界的生物和燃料来发电，这些类型的燃料电池被用于气象传感器。

美国和德国联合研发高效仿生太阳能电池板。2017年10月，美国加州理工大学和德国卡尔斯鲁厄理工学院研究人員从黑蝴蝶翅膀结构中获得灵感，开发出一种吸收光能效率更高的3D打印太阳能电池板，这种新型太阳能电池板光吸收效率增加了200%，可用于打造微型廉价太阳能电池。

美国研发出新型生物燃料太阳能电池。2017年10月，美国宾厄姆顿大学和纽约州立大学研究人员研发出新型生物太阳能电池。这种生物太阳能电池使用藻青菌，能够在白天通过光合作用产生能量，夜间通过生物酶储存的葡萄糖降解产生能量。新型生物太阳能电池系统的最大输出电流密度能够达到43.8微瓦/平方厘米，而且能够连续工作20天左右。

生物电子技术的军事应用

生物电子技术作为一门新型、交叉技术，具有广阔的应用前景，已在新型武器装备目标识别和敌友判断、智能定向武器侦察监视传感器、后勤保障装备能源供给、大型生物计算机研制、未来战士单兵可穿戴设备、生命体组织修复和战场救护等多个领域，展示了广阔的应用前景。

用于战场侦察和环境监视，推动战场态势感知能力提升。利用生物在某些方面的特性研制出高灵敏度、高视场的战场监控、感知设备，可以显著提升战场态势感知能力。国外研究人员通过研究蝮蛇、甲虫和蝴蝶等对热非常敏感的动物来研究生物电子执行器。蝮蛇的吻部有一些气孔，似乎能够收集温度信息，分辨能力可以达到几分之一摄氏度;蝴蝶的翅膀可以采集阳光并发现环境中温暖的地点，某些甲虫已经被证明能够探测到2千米外森林火灾的能量。目前已对这些生物进行了深入的研究。设计和建造低成本、灵活、高灵敏的红外传感器技术，可应用在目标识别和敌我判断装置上，提高战场环境下的侦察监视等态势感知能力。

用于机载芯片和复杂电路，助力武器装备小型化和智能化。生物电子领域DNA芯片、DNA存储、人工突触等研究的发展，使微系统广泛应用于仪器测量、无线通信、电子元器件等军事国防领域。生物芯片尺寸小、計算效率高、热量低等特性尤为适合制造机载、弹载芯片和电子元器件，以及用于设计弹载计算机、导引头等高精度电子设备，可以提高武器装备的小型化和智能化水平。美国DARPA微系统办公室先后组织实施了自适应焦平面阵列、微机电系统、光纤激光器等上百项与先进微系统技术密切相关的研究开发计划。单链DNA直径比当前14纳米制程的芯片小10倍以上，有望研发出比传统芯片快10倍以上且成本更低的芯片。美国科学家利用向DNA内部插入柯喃因分子研制出当前全球最小的DNA二极管。

用于复杂系统建模仿真计算，催生新一代武器装备。随着武器装备系统朝着信息化、复杂化的方向发展，大型复杂系统的建模仿真计算对计算机的计算效率和容错水平提出了更高的要求。相比传统计算机，生物计算机一个存储点只有一个分子大小，但具备强大的记忆功能;运算速度是传统计算机的100万倍，计算速度快;一个蛋白质分子就可以作为一个存储体，阻抗低，电路间无信号干扰，能耗低;生物芯片可以发挥生物本身的调节机能，具有自愈性;具有模仿人脑的思考机制，具备较高的人工智能等特性。基于蛋白质、DNA和RNA的信息处理与存储材料，有望极大促进新型计算技术和信息科学技术发展，研发出基于生物计算机的大型建模仿真软件，提高武器系统建模仿真的效率和水平，提升建模仿真系统的逼真度，助力催生出新一代武器装备。

用于动力电源和移动电站，提升部队后勤保障能力。现代战争打的是“消耗”战，是后勤的战争。部队后勤机动保障能力对于打赢现代化高科技战争至关重要。生物燃料电池具有原料来源广泛、操作条件温和、生物相容性好、结构简单、无毒无环境危害等优点，不仅为利用工农业废弃物和城市生活垃圾等物质资源进行发电提供了广阔的前景，而且随着酶和微生物等生物燃料电池、太阳能电池技术研究的深入，生物燃料电池可用于单兵作战动力电源、移动电站和军车动力驱动电源等，可以大幅降低部队的能源保障负担，大大提高部队的机动能力和复杂环境下的装备能源供给能力。生物燃料电池还可用于为机器人运动和工作提供动力，用于野外探险机器人和军用机器人等。

用于可穿戴设备和组织修复，提高战场救护能力。研究人员通过学习生物体成功完成特定功能，根据生物体的经验开发设计出自我修复的解决方案。通过利用生物体的自我组织修复能力，指导复杂电子结构及元器件的组装，最终实现生物体与电子元器件的无限融合。完全利用生物体的高效运行、复制与修复能力。比利时布鲁塞尔大学已经研发出一种可用于软性机器人自我修复的柔性材料。这种柔性材料未来可用于战场救护和假肢修复。美国卡耐基梅隆大学正在研发由软导电聚合物、凝胶制成的人工皮肤和神经组织。这种材料可作为人造肌肉使用，可以从2.5厘米拉伸至2.5米，当被刺穿时可以自动融合修复。

结语

生物电子技术作为一门新兴多学科交叉技术，有着广阔的军事应用前景。随着各国对相关研究投入的不断加大。生物传感器、生物芯片、人工突触、忆阻器、生物燃料电池等将加速成熟和应用。在国防军工领域，生物电子技术将对武器装备的信息化、智能化产生巨大的推进作用。当前，生物电子技术的领域仍在不断延伸，未来随着生物电子技术与人工智能技术、纳米技术和量子技术的不断交叉融合，必将颠覆未来作战样式和作战理念，成为新军事变革的重要推动力量。

责任编辑：葛妍