首发 | 北约重视的八大新兴颠覆性技术系列（三）：生物科技与新材料技术
导读：
2020年3月，北约科技组织（NATO Science & Technology Organization）发布《2020-2040科技发展趋势：探索科技前沿》（Science & Technology Trends 2020-2040：Exploring the Edge)，阐明了北约重视的八大新兴颠覆性技术（Emergent Disruptive Technologies, EDTs)，具体包括数据科学、人工智能、自主性、量子技术、太空技术、高超声速技术、生物科技与人类增强技术以及新型材料与制造技术，并指出未来20年的科技发展趋势将呈现出智能化、互联化、分布式化和数字化四大特点。本系列文章将其主要观点进行编译总结，并做简要评析。本文是该系列的第三期文章，主要聚焦生物科技与人类增强技术以及新型材料与制造技术对军事领域的影响。
▲图：北约科技组织《2020-2040科技发展趋势：探索科技前沿》报告
生物科技和人类增强技术（Biotechnology and Human Enhancement Technology, BHET)
关键词：混合现实（Mixed Reality）、 CRISPR 、合成生物学（Synthetic Biology）、人类增强技术（Human Enhancement Technologies , HET)、 Bio-Engineering(生物工程) 、遗传学（Genetics）、 医疗措施（Medical Counter-measures）、基因工程（Genetic Engineering ）、微流体（Micro-Fluidics ）、神经接口（Neural Interface ）、假肢（Prosthetics）、外骨骼（Exoskeleton ）、分子工程（Molecular Engineering）、脑机接口（Brain-Machine Interface ）、神经假体（Neural Prostheses ）、神经接口（Neural Interface ）。生物传感器（Biosensors）、生物信息学（ Bioinformatics ）、 微阵列（Micro-Arrays ）、生物电子学（Bioelectronics）
生物技术(Biotechnology)是应用生物学、化学和工程学的基本原理，利用生物体（包括微生物、动物细胞和植物细胞）或其组成部分（细胞器和酶）来生产有用物质，或为人类提供某种服务的技术。人类增强技术(HET)是一种生物医学干预手段，用于改善人体形态或使其功能超出恢复或维持健康所需的范围。人类增强技术可增强人体的生理、认知或社会功能。未来20年，预计生物科技和人类增强技术将在以下方面对军事领域带来显著影响。
1.战备（Readiness）。
使用生物标志物（表型和遗传）进行预测诊断，将能够在部署前识别医疗问题或弱点（如肌肉骨骼、心理、免疫、生理或营养）。改进的诊断和新的对策将提升高危高威胁环境中部队的专业战备能力和效力。实时或接近实时的人类状态监控将使个人和团队的表现得到优化。
2.作战（Operations)。
可穿戴生物医学系统能够提供持续监测士兵健康的能力，提供受伤开始和随时间变化的相关知识。了解战场上士兵的健康状况可以为部队提供必要的信息，以评估部队状况。军队利用生物信息学、传感器和增强技术，能够以更小的群体进行行作战，这将改变部队的可承受能力，即少量的士兵、水手或飞行员可以达到之前多人类似的结果。虚拟现实（最终形态是神经接口）将支持对自主系统的态势感知和操作进行重大改进。平视显示器目前用于航空领域，在汽车领域也有一定应用。平视、眼外瞄准可以通过在真实目标上叠加目标符号来实现。混合现实可以用来协助计划人员和任务预演。从开放源码和军事数据和观察中快速生成的物理环境(地形+建筑+基础设施)的精确3D表示的沉浸式可视化，可以为工作人员提供在真实生活中接触地形之前的真实感受。混合现实设置已经用于提供实用的、成本效益高的训练环境。计算机网络、处理和分析方面的进步将使这种设备在战场和昂贵的实验室中得到应用。神经学接口将增加反应时间、态势感知和人机协作的有效性。
3.医疗对策和护理（Medical Countermeasures and Care）。
使用生物标志物、生物传感器(体内和体外)和微阵列(将计算芯片与活细胞和组织集成在一起的微流控设备)将允许对合成或天然病原体、化学品进行快速(症状前)诊断和反应，以及实时监测治疗方案。生物标志物、新型药物、基因治疗和生物工程(如机器人技术、假肢、神经接口等)的使用将极大地提高作战伤亡护理和康复的有效性，特别是在创伤后应激障碍(PTSD)、环境暴露和轻度创伤性脑损伤(mTBI)等领域。
4.性能（Performance）。
材料、计算机和人文科学的快速发展，以及这些领域之间的融合，为提高人类能力和显著推动人类性能前沿创造了条件。优化每个个体的表现（无论是在认知、身体还是心理弹性领域），除了能提高团队凝聚力和有效性，还将使部队更快地做出更好的决策，并能进行更好地适应形势需要的行动。目前和未来在生理和心理状态监测方面的进展将通过特定的用户组算法应用，使人类的整体表现和准备程度最大化。具体的优势包括：更好地评估部队的领导能力；通过实时绩效指标提高培训计划的适应性和有效性；加强健康和安全监测以及伤害保护。生物信息学和生物传感器以及个性化和虚拟化培训的增加，将提高培训效果。肌肉骨骼增强(例如外骨骼)将增加作战过程中的负重能力，减少对人体的伤害，并提高士兵的战斗能力。
5.社交网络（Social Networks）。
社交媒体可以在六个关键方面支持军事活动，具体包括情报收集、地缘目标、网络作战、指挥和控制、防御以及心理战(告知和影响)。将社交媒体(作为OSINT(开源情报)的一部分)与其他数据融合起来，并将社交网络操作整合到更广泛的行动和战略行动中，将是进行混合战和马赛克战的一个关键成功因素。
此外，由于相关技术的扩散等原因，生物科技与人类增强技术的将会带来更多的影响。它们可能会被用于安全威胁（包括刑事威胁和其他方面的威胁），或者被个人用于未经授权的增强功能。随着全球化和科学发现步伐的加快，敌对势力极有可能获得创造类似能力所需的知识。在战场上的影响是，如果一些国家或恐怖集团在实施这些新技术时不受到同样的道德考虑的约束，那么攻击方将具有显著的性能优势，特别是在以下领域。
a.合成生物学（Synthetic Biology）。
新的病原体、新的生物制剂或化学制剂，具有明确的工程设计和目标效应（如增强的毒性、物理、神经或生理影响、遗传易感性等），可能会增加人员伤亡，降低作战效率，并对整个联盟社会构成战略挑战。未知生物制剂的影响将挑战医疗和后勤系统的应对能力，而应对措施本身可能带来重大的健康和安全挑战。
b.药物设计（Designer Pharmaceuticals）。
犯罪集团和非国家行为体将越来越有能力开发低成本的靶向药物制剂。这些可能被明确地用于通过有针对性的心理-社会效应来扰乱联盟运作或破坏联盟社会的稳定。
c.超级士兵（Super-Soldiers）。
生物科技和人类增强技术将是药理学，神经学和生理学的对手。与自主和半自主系统更有效的合作相结合，这些将显著地挑战联盟的力量、力量结构和效力。
▲图：未来战士概念图
技术发展趋势
未来20年的生物科技与人类增强技术研究预计将主要聚焦以下领域:
•生物信息学和生物传感器（Bioinformatics and Biosensors）。利用新的传感器材料、人工智能和BDAA，收集、分类、存储、检索和分析生物和生化数据。该研究将探索新的生物传感器(包括生物工程)和生物数据收集方法，以检测生物标志物，以及处理和开发大量的个性化、ISR和环境数据。除了提高对环境的认识外，这还将支持开发越来越复杂的预测模型和模拟，以支持临床干预、个性化医疗、个性化培训、评估自然或人工生物威胁。
•医疗对策和技术（Medical Countermeasures and Technologies）。开发新的诊断方法、治疗方法和疫苗(使用生物信息学、基因工程和生物传感器)，以支持预测诊断、CBR威胁识别、建模和治疗。战斗伤亡护理将应用分子和细胞生物学、人工智能、生物信息学和新材料方面的进展，以改进组织损伤和感染的快速识别和治疗。
•生理和认知层面的人类增强（Human Augmentation (Physiological & Cognitive)。利用遗传修饰、药理学制剂、机电设备和神经学接口来增加人类生理和神经学性能，使其超出人体的正常生理和认知范围。
•社会层面的人类增强（Human Augmentation (Social)。增加了计算和建模能力，以理解复杂社交网络(社交媒体)中的信息流。如果要对信息网络动力学有更深入的了解，并在混合战争的背景下制定对策，发展新的定量方法将是必不可少的。
•合成生物学（Synthetic Biology）。有意设计和创造新的合成或修饰的生物成分或系统。这包括用于监视和制造的多细胞生物传感器系统的工程。
▲图：生物科技未来军事应用畅想
新材料与制造技术（Novel Materials and Manufacturing Technology)
关键词：新材料（Novel Materials ）、增材制造（ Additive Manufacturing）、敏捷制造（ Agile Manufacturing）、生物材料（Bio-materials ）、石墨烯（Graphene ）、二维材料（2D Materials） 、 黑硅（Black Silicon ）、柔性显示（ Flexible Displays ）、纳米科技（ Nanotechnologies）、智能涂料（ Smart Coatings ）、生物构建（ Bio-fabrication ）、生物制造（Bio-manufacturing）
先进新型材料（Advanced Novol Materials)是指具有独特新颖性能的人工材料。先进材料可以使用来自纳米技术或合成生物学的技术来制造。发展可能包括具有极端耐热性的涂料、高强度车身或平台装甲、隐身涂料、能源收集和储存、超导性、先进的传感器和净化、食品、燃料和建筑材料的批量生产。石墨烯以及其他新型二维材料和拓扑材料的研究是一个极具潜力和发展前景的领域。增材制造常被用作3D打印的同义词，它是通过分层添加材料，从数字模型中创建几乎任意三维实体对象的过程。增材制造可用于快速成型、部署的军事装备的就地生产、修理和生产精密、定制的零部件。
▲图：3D打印技术助推增材制造时代来临
先进材料(AM)、纳米技术和3D/4D制造在国防领域有许多应用。可以设想，由于采用了先进的材料，未来的军用系统将会更轻、更强、更省电。特别是石墨烯和其他2D材料将带来以下优势。
🔷减少设备负担(由于能够用轻型材料和设备取代笨重的部件)，这对远程作战特别重要，对飞机系统也至关重要。
🔷为隐蔽的可穿戴设备编织成织物的整体轻质柔性电子产品。
🔷更快的电子通信(更大的带宽)和更强大的计算能力。
🔷改进(微弱)信号的检测，(射频/微波或光学)扩展操作平台的物理范围(无论是用于通信、测距或热成像/热寻道)。
🔷防生化攻击，以及对爆炸性蒸汽的检测提供更高的灵敏度及选择性。
🔷用于新型装甲和士兵系统的轻型高抗冲击材料，比现有技术轻得多。石墨烯已被证明可以改善陶瓷的断裂韧性，如果应用于装甲陶瓷，有望转化为更好的弹道防护。石墨烯可以提高超高分子量聚乙烯等弹道纤维的强度和弹性性能。
🔷通过在聚合物中添加石墨烯用于雷达吸收涂层，减少所有平台(陆地、海洋和空中)的雷达反射。
🔷可穿戴技术。预计石墨烯可作为一种用于制服、提高耐候性、监测智能纺织品状况的纺织品涂层。手套、口罩等的化学防护也可能得到改善。
🔷通过智能涂层减少电磁波的反射和辐射，提高车辆的生存能力。
▲图：应用前景广阔的石墨烯材料
先进材料在军事领域的具体应用有：通过缩短设计周期和增加成本/时间有效开发，改进产品开发，还可以支持设计优化无限的常规加工约束。
🔷通过减少备件库存(国内、船上或国外)、增加备件可用性和减少运输费用来改善维护和物流。备件可以按当地需要生产，用可打印设计的存储器代替硬件存储器。这些零件可以在现场根据零件的3D扫描进行生产，从而大大延长了操作寿命，减轻了后勤保障负担，并将生命周期成本降至最低。
🔷降低成本，提高新设计和高成本项目的有效性，特别是在航空或海洋环境中。例如，涂有热障涂层或超静音潜艇螺旋桨的单晶涡轮叶片涉及复杂的设计和复杂的材料加工。因此，它们是十分昂贵的。使用先进材料对这些组件进行有效的修复将显著降低拥有成本，并增加操作可用性。
🔷按需和现场生产任务定制的自主武器系统。
▲图：纳米技术
合成生物学和纳米技术在军事领域的具体应用包括:
🔷生产类似商品的材料，提高生产效率，实现规模经济，如燃料、食品和建筑材料；
🔷拥有独特的能力，能够感应到目前无法探测到的环境和其他现象，或者在战场上需要的范围内进行探测；
🔷创造具有特殊化学或物理特性的特殊材料，包括药物、营养补充剂和其他需要纳米级制造装配过程的物质。
技术发展趋势
石墨烯和2D材料的研究正处于早期的充满希望的发展阶段。石墨烯及其相关技术的潜在应用范围十分广泛，但目前还无法推广。有些应用(超级电容器)、粘合剂和弹性体(橡胶轮胎)是可以商用的，所以这些应用技术成熟度达到了TRL9。然而，大多数应用程序的TRL都相对较低。在广泛的公共和私人投资的推动下，一些地区的发展速度很快。在短期内(0 - 7年)，在超级电容器、粘合剂、弹性体的应用中会发生演化，有些涂层会达到TRL 9。在中期内(8 - 20年)，电子冷却的热界面材料将在初期达到TRL 9。一些传感器和电子应用将达到商业化，许多涂层将具有耐腐蚀性。到本研究期末，多功能(结构)迷彩涂料将取得重大进展(TRL 6)。
生物制造在纳米级上的应用目前仍处于低级技术成熟水平。预计在未来的10到15年内，将会开发出许多迄今为止尚未被确认的合成生物材料和应用，届时将达到TRL 6或更高。目前，一些能够在中期应用的合成生物技术的TRL可能已经体现在技术准备水平1至3。
目前，3D/4D先进材料已经在不同的行业中广泛应用，并在快速发展和扩展。具体目标和注意程度是非常具体的材料、应用和过程。这类技术军事应用的成熟度可以在TRL4 - 6之间。
▲图：新材料与制造技术未来军事应用畅想
主要参考文献
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1.NATO Science & TechnologyOrganization，Science &Technology Trends 2020-2040，Exploring the S&T Edge，March 2020,
https://www.nato.int/nato_static_fl2014/assets/pdf/2020/4/pdf/190422-ST_Tech_Trends_Report_2020-2040.pdf
2.CRS In Focus IF11105, “Defense Primer: Emerging Technologies,” byKelley M. Sayler, https://crsreports.congress.gov/product/pdf/IF/IF11105
3.CRS Report R45178, Artificial Intelligence and National Security,by Kelley M. Sayler
4.CRS Report R44466, Lethal Autonomous
WeaponSystems: Issues for Congress, by Nathan J. Lucas
5.CRS Report R45811, Hypersonic Weapons: Background and Issues forCongress, by Kelley M. Sayler
6.CRS Report R45409, Quantum Information Science: Applications,Global Research and Development, and Policy Considerations, by Patricia MoloneyFigliola
THE END
文字 | 龙坤
图片 | 来源于原报告及网络
编辑 | 四月
审阅 | Q、黄洋
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