【科技資訊】美國國防部瞄準未來六大顛覆性基礎研究領域
點擊： 作者：俊 彌 來源：戰略前沿技術 發布時間:2015-03-15 22:17:23
新任的美國國防部（DoD）負責科研與工程技術（R&E）事務的助理國防部長（ASD）鮑勃•貝克在其最新的年度報告中詳細介紹了美國國防部2013-2017年科技發展“五年計劃”的制定過程，通過分析美國在21世紀所面臨的新秩序與新挑戰，提出了未來重點關注的六大顛覆性基礎研究領域（Disruptive Basic Research Areas）。包括：超材料與表面等離激元學（Metamaterials & Plasmonics）、量子信息與控制技術（Quantum Information & control）、認知神經學（Cognitive Neuroscience）、納米科學與納米工藝（Nanoscience & Nanoengineering）、合成生物學（Synthetic Biology）以及對人類行為的計算機建模（Computational Models of Human Behavior）。
美國國防部對于顛覆性基礎研究領域的定義為：對于近期與未來美軍的戰略需求和軍事任務行動能夠產生長期、廣泛、深遠、重大影響的基礎研究領域，這些領域的研究已取得關鍵突破并且可以持續發展，未來的研究成果能夠使美軍在全球范圍內具備絕對的、不對稱的軍事優勢。
美軍關注的基礎性前沿研究領域
1.超材料與表面等離激元學（Metamaterials& Plasmonics）
《自然物理學》雜志（《自然》雜志的物理學分冊）關注超材料技術
美國杜克大學Ruopeng Liu, et al.團隊超材料技術重大突破發表在2009年《科學》雜志上
DDG1000大型驅逐艦應用了超材料隱身技術
美國F-35戰斗機應用了超材料隱身技術
顛覆性應用前景：
- 利用增強/捷變隱身超材料技術使美國海、陸、空軍裝備被雷達發現和鎖定的概率大幅下降，獲得壓倒性的不對稱戰略優勢。
- 小型化超材料隱身射頻系統可以使通信設備更加輕便，并且不易于被偵查，使美軍戰場生存能力大幅提升。
- 智能自檢測自修復結構超材料技術將使美軍裝備維修保障周期/成本大幅縮減，作戰效能大幅提升。
核心能力：
- 通過復雜人工微結構改變材料的表征特性
- 實現自然界材料不存在的負折射率
- 基于超材料技術的相控天線陣列
- 基于等離子體激元的增強型探測器和成像器件
重大突破：
- 寬帶響應復雜超材料的制備（美國杜克大學超材料團隊Ruopeng Liu, et al. 2009年發表在《科學》雜志上）
- 復雜人工結構計算工具與快速算法
- 自感知與自愈合智能結構材料
- 仿生人工結構材料
主要挑戰：
- 超大規模復雜結構材料建模與設計方法
- 高精微尺度人工結構的制備方法與控制方法
- 人工結構復合材料的大規模制備
- 高效電磁輻射能量在材料中的轉換與反轉換
目前從事相關領域研究的企業包括：
- 中國深圳光啟
- 美國波音公司、雷神公司、洛克希德馬丁公司
- 英國航宇公司
- 日本三菱重工
2.量子信息與控制技術（QuantumInformation & control）
《科學》雜志關注量子信息技術
《自然物理學》雜志（《自然》雜志的物理學分冊）關注量子信息技術
顛覆性應用前景：
- 超高安全、超大容量、超遠距離保密通信、傳輸系統（幾乎無法破譯），使美軍具備牢不可破的保密通信指揮系統。
- 超高速量子計算機和賽博空間（Cyber Space）信息對抗系統，將可以破解幾乎所有現在使用的加密系統和防火墻，使美軍具備不對稱的網絡攻防優勢。
- 原子尺度超高分辨率量子顯微鏡。
核心能力：
- 量子通信：實用的超高安全加密通信
- 量子仿真：從量子尺度開發新材料
- 量子傳感、量子計量與量子成像：超越常規技術極限的靈敏度、精度和分辨率
- 量子計算：代碼破譯，物流與后勤網絡優化，數據庫深度挖掘
重大突破：
- 秀爾因子分解算法（Shor’sAlgorithm）：量子加密技術的重大突破，還可以用于破解目前被廣泛使用的公開密鑰加密算法
- 量子氣體顯微鏡（Quantumgas microscope）：原子尺度超高分辨率觀測系統，可以觀測到物質的原子組成，使開展原子級特性研究成為可能，也為冷原子技術研究拓展了空間
主要挑戰：
- 如何持續保持量子的相關聯動性量子的相干性（quantum coherence）
- 研究新的算法用于探索量子信息學的應用前景
- 研究控制量子系統的新方法
- 需要研究新材料和新工藝以提升量子相干性的持續時間
目前從事相關領域研究的機構包括：
- 美國IBM公司
- 美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室與國防高級研究計劃局（DARPA）
- 中國科學技術大學
- 美國洛克希德馬丁公司
- 日本NTT公司
3. 認知神經學（Cognitive Neuroscience）
用彌散張量成像技術（DTI）拍攝的人類大腦內部神經網絡地圖
機械戰警
顛覆性應用前景：
- 生物神經戰（思維干擾與控制），使美軍具備干擾敵方人員大腦功能的不對稱作戰優勢。
- 具有完全自主學習能力的高智慧機器人。
- “人機合一”控制系統（意識操控機器）與“超級士兵”（人腦功能增強），使美軍士兵人體效能大幅增強，通過人體外骨骼使人-機（Human-Machine）達到高度融合，顛覆未來作戰模式。
核心能力：
- 對人類信息處理、學習和決策過程的更深刻的理解
- 工程系統的直接心靈操控
- 信息顯示與系統控制的設計改進
- 壓力下的表現補償
- 創傷后應激障礙（PTSD）與創傷性腦損傷（TBI）的改善與防止
重大突破：
- 先進的腦成像技術：如功能性磁共振成像（fMRI）、擴散張量成像（DTI）、數字腦電圖描記（EEG）
- 腦結構與功能關聯性進展
- 腦信號分析的大規模并行計算
主要挑戰：
- 解決從腦信號預測人類行為的逆向問題
- 將臨床的測量與分析翻譯給未受傷害的個體
- 整合個體人腦變量的模型開發
目前從事相關領域研究的機構包括：
- 美國麻省理工學院、耶魯大學
- 英國劍橋大學
4. 納米科學與納米工藝（Nanoscience & Nanoengineering）
石墨烯能帶結構與狄拉克點
納米裝甲
顛覆性應用前景：
- 超輕薄防護裝甲。使美軍裝備抗打擊能力大幅提升，損傷率大幅降低。
- 納米機器人。小型仿生機器人的使用可以為美軍帶來無孔不入的顛覆性作戰能力。
- 超小體積、超輕重量電子器件與電子設備。
核心能力：
- 電子學與傳感：超快電子器件，無所不在的嵌入式傳感器，曲線電子器件，超低電壓裝置
- 輕裝甲，高強納米涂層
- 動力與能源：燃料電池，便攜電子設備，移動電源，熱電學
重大突破：
- 納米顆粒涂層與功能化
- 能量采集的催化劑
- 石墨烯與碳納米管（已獲諾貝爾獎）
主要挑戰：
- 低缺陷密度的石墨烯、單手征性納米管的制備
- 使用預定分子裝配的納米制造技術
目前從事相關領域研究的機構包括：
- 美國英特爾公司、雷神公司、波音公司、惠普公司
- 韓國三星公司
- 日本東京大學
5. 合成生物學（Synthetic Biology）
《科學》雜志關注合成生物學
《自然》雜志關注合成生物學
顛覆性應用前景：
- 軍用藥物快速合成。根據作戰需求快速合成軍用藥物，提高戰場醫療效率。
- 生物病毒戰。可根據戰略需求定制生產病毒，具備生物戰的顛覆性優勢。
- 基因改良、人體快速損傷修復。
核心能力：
- 生物燃料與制造
- 生物傳感器
- 組織再生
- 新型疫苗的快速制造
- 藻類食物的制造
- 體現生物能力的清潔水技術
重大突破：
- 體現系統路徑復雜性的建模與仿真
- 測試自動化
- 與合成基因組相容的載體細胞選擇
- 管控與社會認可
目前從事相關領域研究的機構包括：
- 美國勞倫斯伯克利國家實驗室、哈弗大學、約翰霍普金斯大學
- 美國默克制藥公司
- 英國倫敦國王學院
6. 人類行為的計算模型（Computational Models of HumanBehavior）
人類社會社交網絡
應用前景：
- 恐怖威脅實時監測、情報分析。實時掌握全球各國的政治、文化、經濟情況，對恐怖威脅做出快速反應和預警。
- 通過大數據網絡制造群體事件，策反、顛覆政權，提前瓦解敵方軍事威脅。
- 實景仿真演習系統。
核心能力：
- 建立人類社會行為預測數學模型，為戰略、行動、戰術決策和計劃提供支持
- 實時國際社會（宗教）態勢監測
- 沉浸式訓練與任務演習
- 跨文化國際關系建設
重大突破：
- 簡化模型的驗證成功
- 基于社交網絡的大數據分析
- 對群體事件臨界點的成功預測
主要挑戰：
- 社會的復雜性決定了相關社會理論的矛盾性
- 大數據的管理和融合
- 數學模型非常復雜
- 如何驗證相關模型的有效性
目前從事相關領域研究的機構包括：
- 美國谷歌公司、臉書公司
- 美國斯坦福大學、麻省理工學院
- 英國牛津大學
注：美國科研與工程事務（R&E）助理國防部長（ASD）是美國國防部的高級官員，主要負責美國國防部的技術發展戰略規劃，是美國國防部的主要智囊，相當于美國國防部的首席技術官（CTO）。ASD的主要職責是拓展美國現有武器裝備的作戰能力，發展顛覆性不對稱能力前沿技術，通過一系列科學與工程技術發展政策確保美國在不確定的未來持續具備戰略優勢并消除戰略意外（counter strategic surprise）。
（作者：俊 彌）
責任編輯：klc002
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