國外生物電子技術發展及其軍事應用

原標題：國外生物電子技術發展及其軍事應用

生物電子技術是涉及生物科學、化學、物理學、電子科學、材料科學、工程科學等多學科交叉融合的一門新興技術。生物電子技術通過將生物信息處理的優異特性借鑒於電子學和信息學，催生電子學和信息學的重大變革，將為武器裝備實現跨越式創新發展提供新的源泉，已成為武器裝備變革的重要推動力量，並在不斷催生新的作戰樣式和作戰理念。

概念內涵

近年來生物科學的研究已進入分子、細胞、組織以及系統等不同層次，大量生物醫學信息的獲得、處理和分析成為生物科學發展的瓶頸問題，電子、信息科學的發展為在分子層次揭示生物信息提供了可能。生物電子技術以生物的信息過程為研究對象和應用對象，並以人腦信息處理的功能模擬為最終目的，綜合應用電子學、工程學、信息學和系統學的方法、原理和技術來分析、處理、利用和模擬生物的信息處理體系，發展更靈敏和高通量的生物感測器件、儀器設備等；並基於對生命系統信息處理的認識，提出和發展新的信息處理的原理和器件，包括有別於現代計算機的新的生物計算方法，最終能夠實現對人腦功能的模擬；以促進生物學、醫學以及電子學和信息學自身的發展。

石墨烯電極材料製作的微生物燃料電池

生物電子技術的研究內容主要包括三個方面：一是研究生物體系的電子學問題，包括生物分子的電子學特性、生物系統中的信息存儲和信息傳遞，由此發展基於生物信息處理原理的新型計算技術，即生物計算領域；二是應用電子信息科學的理論和技術解決生物學問題，包括生物信息獲取、生物信息分析，也包括結合納米技術發展生物醫學檢測技術及輔助治療技術，開發微型檢測儀器等，即生物感測領域；三是利用生物體系的電子學特性，解決電子信息科技領域的問題，包括生物燃料電池、生物電子器件和執行器等，即傳統生物電子領域。

國外生物電子技術發展現狀

美國、俄羅斯等軍事強國均在大力推進以生物感測、生物計算等為重點的生物電子技術研究。美國國防部、各軍兵種、DARPA等已經制定了一系列軍用生物電子方面的發展戰略和規劃，部署了大量國防生物電子創新項目，當前已在生物電子材料、生物感測器、生物存儲與計算、生物燃料電池等領域取得突破性進展，形成一大批具有重大軍事應用前景的產品，如DNA晶元、人工突觸、生物紅外感測器、新型生物電池等。

競相制訂生物電子技術發展戰略和規劃，成立專門組織管理機構。世界主要軍事強國高度重視發展生物電子相關技術，成立相關組織管理機構，制訂發展戰略，設立重大發展規劃，從國家層面推動生物電子技術快速發展，搶佔未來軍事革命的戰略制高點。

納米生物晶元

美國將生物電子技術列入國家頂層布局。特朗普政府制訂的首份《國防戰略》將生物技術列為確保美國打贏未來戰爭的重要技術，2017年以來，特朗普政府宣布將制訂新的國家生物防禦戰略，研究生物材料、生物晶元、生物計算機對美國未來國家安全的潛在影響；美國國防部將軍用生物電子相關技術列為美軍重點資助和發展的八大領域之一，美國國防部成立生物技術高性能計算軟體開發研究所，明確突出國防生物和電子信息技術的融合趨勢。美國陸、海、空三軍在《陸軍科學規劃與戰略報告》《海軍科技戰略規劃》《空軍科技戰略》等規劃戰略中均將生物電子技術列為投資重點。DARPA從2003年開始在戰略規劃中將生物技術列為優先發展的重點之一，2014年成立生物技術辦公室，在2015年發布的戰略主導文件《保障國家安全的突破性技術》中將生物技術列為未來四大重點研究領域之一。DARPA近年在生物領域投資已超過40億美元，佔總投資比重超過8.9%。

俄羅斯、歐洲等國家制定國家生物電子技術發展戰略。俄羅斯仿照美國DARPA成立的先期研究基金會將生物化學和醫學技術列為重點研究領域，重點進行生物燃料、生物醫藥、納米生物計算、認知技術等研究，探索新型軍事裝備和武器的潛在動力供應方法，以及實施武器、軍事和特種裝備組件和部件製造輔助技術工藝的發展項目。歐盟在「地平線2020計劃」框架下針對生物電子技術和產品等主題部署研究項目，將微生物感測器平台、納米生物晶元開發等列為優先發展事項。英國成立生物技術和生物科學研究理事會、2017年宣布投入4.24億美元支持未來5年生物技術發展。

人工突觸

新型DNA晶元和人工突觸層出不窮，催生新型計算機演算法和架構。生物計算是當前推進生物科技創新的基礎性使能技術。通過大規模、多類型的數據和信息的存儲、管理、獲取和計算技術支撐，生物計算技術為生物科技創新提供必要的、高效的數據支撐。以美國為首的科技強國正通過多個項目推動生物存儲和生物計算技術研究。

利用DNA、聚合物等分子技術發展數據存儲能力。美國情報高級研究計劃局2018年5月發布「分子信息存儲」項目，項目尋求開發一種將數據寫入聚合物的桌面設備，以及一種可讀取存儲信息的桌面設備，依靠聚合物零誤差、存儲效率高的特點，推動生物存儲技術研究。DARPA於2017年4月發布「分子信息學」項目跨部門公告，尋求開發一種可在分析和化學層面處理來自偵察、電子戰、信息情報、持續監視等數據密集型軍事應用領域的海量信息流技術。哥倫比亞大學成功創建一種在DNA中存儲數據的方法，創造出迄今最高密度大規模數據存儲方案，新系統將具備1克DNA存儲215拍位元組的能力，達到了理論極限值的85%。哈佛大學成功將電影片段存儲到細菌活體細胞中，經過多次迭代後，存儲在基因中的電影信息保存完好，有望應用於數據加密和生物感測等領域。

研發出多種新型人工突觸、憶阻器等生物信息處理單元。人工突觸是一種人工設計的有機電子器件，可通過模仿人腦中的突觸來傳遞信息，人工突觸傳遞信息的同時可自動存儲信息，顯著提高電子元器件的傳遞、處理效率。美國斯坦福大學和桑迪亞國家實驗室研發出一種人工突觸，試驗表明這種人工突觸模擬神經識別效率達到93%～97%，功耗僅為頂尖級計算機能耗的1/10。法國國家科學研究院開發出一種能自主學習的人工突觸，這些突觸能夠自主學習並預測識別模式，為脈衝神經網路的無監督學習開闢了一條新路徑。憶阻器是一種先進的具備記憶功能的非線性電阻器，可基於對其施加的電壓的歷史記錄對電流進行調節，實現對各種不同任務的並行處理。美國密歇根大學開發出一種新型憶阻器計算機電路晶元原型，具備處理圖像和視頻等複雜數據信息的能力，處理速度比現有最先進的系統快幾個數量級且功耗極低。

人工智慧憶阻器

DNA、RNA生物計算機性能不斷取得突破。生物計算機因運算速度快、功耗低、儲存數據大等優勢受到各科技大國的強烈關注。美國亞利桑那州立大學和哈佛大學維斯生物啟發工程研究所開發出迄今最複雜的生物計算機，該計算機由RNA製成，能在大腸桿菌活細胞內對12種不同指令同時做出反應，控制細菌細胞的行為。美國微軟公司與華盛頓大學研發出大幅提升DNA分子運算的方法，經過實驗證明，新型DNA計算機僅用7分鐘就完成包含3個輸入鏈的與門，之前的設備則需要4個小時完成同樣的任務。歐盟「地平線2020」計劃啟動了一個為期5年Bio4Comp項目，以研製功能更加強大、安全性更高的生物計算機，當前已投資712萬歐元成立了由多個大學和公司組成的研究團隊。

研發新型材料和柔性結構，納米生物感測器靈敏度達到分子水平

生物感測器是一種對生物物質敏感並將其濃度轉換為電信號進行檢測的儀器，主要實現感受、觀察、反應三個功能，廣泛應用於醫學、生物晶元、環境檢測、軍事醫學監測等領域。國外機構預測生物感測器市場2020年將達到270億美元，複合年增長率超過10%。

美國空軍利用凝膠研發生物紅外感測器。美國空軍資助研究利用來自鯊魚感覺器官的凝膠來開發紅外感測器。鯊魚通過感知這種凝膠感知魚類所釋放的電磁輻射而跟蹤獵物。當暴露於不同梯度的電、磁和熱條件下，這種凝膠能夠擴展和收縮。研究人員通過在兩層非常薄的黃金之間放置一層凝膠，凝膠受到輻射照射後會膨脹並使黃金層之間的距離增大，從而增加了設備的電容，驗證了使用凝膠材料取代傳統無機材料的可能性。

美軍研發的可穿戴電池板

利用石墨稀材料特性發展柔性生物感測器。石墨稀作為柔性電子器件和柔性生物感測器的理想材料，其零帶寬的特徵限制了基於石墨稀的場效應晶體管的開關以及生物感測器的靈敏度。美國加利福尼亞大學洛杉磯分校和武漢大學的研究人員利用一種石墨稀納米篩結構，製備了具有3納米較窄孔壁和1000高開關比的石墨稀納米篩，為開發低成本和高效高性能柔性生物感測器提供了一種途徑。莫斯科物理與技術研究院的研究人員開發出全球首款基於銅和氧化石墨稀的生物感測器晶元，研究人員在銅和電介質薄膜的頂部添加了石墨稀氧化物層，將生物感測器的精度提高了數十倍，未來有望應用在可穿戴設備、高精度電子設備中。德國弗勞恩霍夫生物與醫學技術研究所開發了一種基於石墨稀導電油墨的生物感測器，證實了在細胞培養微板上凹版印刷製備生物感測器基底的可能性。

納米生物感測器靈敏度達到分子水平、成本逐漸減低。美國伯克利實驗室開發出一種稱為「生化鼻子」的具有單分子水平靈敏度的納米感測器。這種納米感測器基於分子指紋技術，可以在幾分鐘內準確地檢測和診斷分子水平的物質，傳統方法則需要數小時或數天。瑞典烏普薩拉大學和巴西研究人員開發出一種更可以檢測單分子的新型納米感測器，這種納米感測器可以通過電流信號方便、便宜地鑒定DNA中不同的核苷酸序列。美國塔夫茨大學首次成功研發成功一種智能縫合線，內置了納米感測器，可以通過無線的方式監測電子和微觀數據，在幫助人體組織癒合的同時收集血壓、溫度等診斷數據。縫合線還能創建「完成線程診斷平台」，讓不同縫合線運輸的液體相互支持，將感測器檢測數據和結果同步到智能手機和電腦中。韓國科學家基於聲音震動原理，研發出一款源生於「蜘蛛」仿生學的納米縫隙感測器。研究人員在粘彈性聚合物表面添加20納米厚度的鉑金層，搭建了感測器框架。研究人員測試發現納米裂縫感測器可以在92分貝的實驗環境中捕捉到測試人員的聲音。

微生物燃料電池能效進一步提高，電流密度和連續工作時間再創新高。生物燃料電池具有無毒無有害排放的優點，其燃料主要包括環境中易於獲取的、戰場產生的或後勤補給中已有的各類燃料。當前生物酶燃料電池是生物燃料電池的研發重點，美國海軍研究實驗室等都正在研究酶燃料電池；美國加州理工大學、德國卡爾斯魯厄理工大學等正在研究生物太陽能電池。

美國海軍實驗室研究微生物燃料電池用於氣象感測器。微生物燃料電池利用整個微生物作為催化劑，能夠使用各種類型的燃料，已經得到驗證的燃料包括糖類、有機酸、纖維素、廢水、燃料油污染的地下水、蓄水層中分解的有機物質等。美國海軍實驗室的研究人員多年來一直在資助研究基於沉積物的微生物燃料電池，將陽極埋在含水層沉積物的厭氧區，陰極放置於沉積物上方，利用自然界的生物和燃料來發電，這些類型的燃料電池被用於氣象感測器。

美軍研發的軟性機器人

美國和德國聯合研發高效仿生太陽能電池板。2017年10月，美國加州理工大學和德國卡爾斯魯厄理工學院研究人員從黑蝴蝶翅膀結構中獲得靈感，開發出一種吸收光能效率更高的3D列印太陽能電池板，這種新型太陽能電池板光吸收效率增加了200%，可用於打造微型廉價太陽能電池。

美國研發出新型生物燃料太陽能電池。2017年10月，美國賓厄姆頓大學和紐約州立大學研究人員研發出新型生物太陽能電池。這種生物太陽能電池使用藻青菌，能夠在白天通過光合作用產生能量，夜間通過生物酶儲存的葡萄糖降解產生能量。新型生物太陽能電池系統的最大輸出電流密度能夠達到43.8微瓦/平方厘米，而且能夠連續工作20天左右。

生物電子技術的軍事應用

生物電子技術作為一門新型、交叉技術，具有廣闊的應用前景。已在新型武器裝備目標識別和敵友判斷、智能定向武器偵察監視感測器、後勤保障裝備能源供給、大型生物計算機研製、未來戰士單兵可穿戴設備、生命體組織修復和戰場救護等多個領域展示了廣闊的應用前景。

用於戰場偵察和環境監視，推動戰場態勢感知能力提升。利用生物在某些方面的特性研製出高靈敏度、高視場的戰場監控、感知設備可以顯著提升戰場態勢感知能力。國外研究人員通過研究蝮蛇、甲蟲和蝴蝶等對熱非常敏感的動物來研究生物電子執行器。蝮蛇的吻部有一些氣孔，似乎能夠收集溫度信息，分辨能力可以達到幾分之一攝氏度；蝴蝶的翅膀可以採集陽光並發現環境中溫暖的地點，某些甲蟲已經被證明能夠探測到2千米外森林火災的能量。目前已對這些生物進行了深入的研究。設計和建造低成本、靈活、高靈敏的紅外感測器技術，可應用在目標識別和敵我判斷裝置上，提高戰場環境下的偵察監視等態勢感知能力。

用於機載晶元和複雜電路，助力武器裝備小型化和智能化。生物電子領域DNA晶元、DNA存儲、人工突觸等研究的發展微系統廣泛應用於儀器測量、無線通信、電子元器件等軍事國防領域。生物晶元尺寸小、計算效率高、熱量低等特性尤為適合製造機載、彈載晶元和電子元器件，用於設計彈載計算機、導引頭等高精度電子設備，可以提高武器裝備的小型化和智能化水平。美國DARPA微系統辦公室先後組織實施了自適應焦平面陣列、微機電系統、光纖激光器等上百項與先進微系統技術密切相關的研究開發計劃。單鏈DNA直徑比當前14納米製程的晶元小十倍以上，研發基於DNA摺紙術的DNA晶元有望研發出比傳統晶元快10倍以上且成本更低的晶元。美國科學家利用向DNA內部插入柯喃因分子研製出當前全球最小的DNA二極體。

生物混合機器人用於戰場救護

用於複雜系統建模模擬計算，催生新一代武器裝備。隨著武器裝備系統朝著信息化、複雜化的方向發展，大型複雜系統的建模模擬計算對計算機的計算效率和容錯水平提出了更高的要求。相比傳統計算機，生物計算機一個存儲點只有一個分子大小，具備強大的記憶功能；運算速度是傳統計算機的100萬倍，計算速度快；一個蛋白質分子就可以作為一個存儲體，阻抗低，電路間無信號干擾，能耗低；生物晶元可以發揮生物本身的調節機能，具有自愈性；具有模仿人腦的思考機制，具備較高的人工智慧，具有超高的密度等等特性，基於蛋白質、DNA和RNA的信息處理與存儲材料有望極大促進新型計算技術和信息科學技術發展，研發出基於生物計算機的大型建模模擬軟體，提高武器系統建模模擬的效率和水平，提升建模模擬系統的逼真度，助力催生出新一代武器裝備。

用於動力電源和移動電站，提升部隊後勤保障能力。現代戰爭打的是「消耗」戰，是後勤的戰爭。部隊後勤機動保障能力對於打贏現代化高科技戰爭至關重要。生物燃料電池具有原料來源廣泛、操作條件溫和、生物相容性好、結構簡單、無毒無環境危害等優點，不僅為利用工農業廢棄物和城市生活垃圾等生物質資源進行發電提供了廣闊的前景，而且隨著酶和微生物等生物燃料電池、太陽能電池技術研究的深入，生物燃料電池可用於單兵作戰動力電源、移動電站和軍車動力驅動電源等，可以大幅降低部隊的能源保障負擔，大大提高部隊的機動能力和複雜環境下的裝備能源供給能力。生物燃料電池還可用於為機器人運動和工作提供動力，用於野外探險機器人和軍用機器人等。

用於可穿戴設備和組織修復，提高戰場救護能力。研究人員通過學習生物體成功完成特定功能，根據生物體的經驗開發設計出自我修復的解決方案，通過利用生物體的自我組織修復能力，指導複雜電子結構及元器件的組裝，最終實現生物體與電子元器件的無限融合，完全利用生物體的高效運行、複製與修復能力。比利時布魯塞爾大學已經研發出一種可用於軟性機器人自我修復的柔性材料，這種柔性材料未來可用於戰場救護和假肢修復。美國卡耐基梅隆大學正在研發由軟導電聚合物、凝膠製成的人工皮膚和神經組織，這種材料可作為人造肌肉使用，可以從2.5厘米拉伸至2.5米，當被刺穿時可以自動融合修復。

結 語

生物電子技術作為一門新興多學科交叉技術，有著廣闊的軍事應用前景。隨著各國對相關研究投入的不斷加大，生物感測器、生物晶元、人工突觸、憶阻器、生物燃料電池等將加速成熟和應用。在國防軍工領域，生物電子技術將對武器裝備的信息化、智能化產生巨大的推進作用。當前生物電子技術的領域仍在不斷延伸，未來隨著生物電子技術與人工智慧技術、納米技術和量子技術的不斷交叉融合，必將顛覆未來作戰樣式和作戰理念，成為新軍事變革的重要推動力量。

版權聲明：本文刊於《軍事文摘》雜誌。作者：郭彥江。如需轉載請務必註明「轉自《軍事文摘》」。

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