超前謀劃能力“孵化器”搶占前沿技術制高點
——2016年世界前沿科技發展回顧

吳 勤

超前謀劃能力“孵化器”搶占前沿技術制高點
——2016年世界前沿科技發展回顧

吳 勤

2016年，世界前沿科技探索取得了重要進展，在腦和認知、新材料、人工智能、光量子等領域，更高智能、更快速度、更大容量、更低功耗、更小尺寸、更深融合的顛覆性創新和群體性技術突破不斷涌現，正在深刻影響未來國防科技與武器裝備發展。

世界主要軍事強國繼續高度重視國防前沿科技發展，制定戰略規劃，超前部署方向，加大投入力度，創新發展模式，以保持其優勢與發展后勁。

謀劃新的技術方向

積極規劃發展方向。美國發布了《21世紀國家安全科技與創新戰略》《聯合作戰環境2035》等戰略文件，預判未來軍事技術發展面臨的環境和重點方向；美國科學與技術委員會發布《人工智能研究與發展戰略計劃》；在“第三次抵消戰略”下，美國國防高級研究計劃局（DARPA）重點圍繞復雜系統、信息爆炸、技術突襲等推進顛覆性技術發展。日本防衛省發布了《防衛技術戰略》，明確了未來20年18個領域的軍事技術方向，提出了無人技術、智能與網絡技術、定向能技術等改變游戲規則的技術領域。歐盟委員會發布《量子宣言》，提出2018年啟動總額10億歐元的“量子技術旗艦”計劃。英國國防部宣布推出為期10年的創新計劃，研究前沿國防技術、應對未來挑戰。

借眾智促前沿創新。2016年3月，美國“國防創新實驗小組”為陸軍舉辦賽博創新挑戰賽；美國航空航天局（NASA）舉辦了“突破、創新和改變游戲規則”創意挑戰賽決賽和首屆太空機器人挑戰賽；8月，美國陸軍舉辦第三屆創新峰會與“瘋狂科學家”討論會，進一步擴大與工業界和學術界之間的協作。俄羅斯航天國家公司和先期研究基金會開展了系列競賽，挑選從事顛覆性技術研究的青年學者和專家，組建航天前沿技術青年實驗室，以確保未來航天活動中的技術優勢。

捕捉商業技術機遇。美國國防部長卡特就任后已經四次造訪硅谷，參加多次商業創新會議，顯示了對商業技術的重視程度。2015年7月和2016年7月，美國國防部先后在硅谷和波士頓兩大商業創新生態圈設立“國防創新實驗機構”，以銜接軍方與企業，加速商業技術的國防轉化應用。2016年3月，美國防部組建了由商業創新領袖組成的國防創新咨詢委員會，旨在將商業部門的創新人員和機構融入國防領域。DARPA啟動了“Improv”項目，重點識別能帶來顛覆性變革的商業技術。

形成新的技術能力

新材料方面，美國和德國科學家聯合開發了一種更加節能、可永久儲存數據的相變材料，在執行特定操作時速度比現有存儲器快1000倍。美國科研人員研發出一種柔性、可伸縮、具有調諧選擇性的超材料，在隱身飛機、電磁屏蔽等領域具有重大應用前景。華盛頓州立大學開發出可在光和熱的作用下改變形狀，具有形狀記憶、光激活及自修復能力的多功能“智能”材料。加拿大科學家發現了超導材料中的電子云可以對齊并按照某個方向有序排列，即呈現向列相，這一新發現有助于懸浮列車和超級計算機等技術的研發。美國麻省理工學院和NASA科學家開發出一種可變形的超輕符合材料機翼，重量是傳統機翼的十分之一。

石墨烯的應用研究繼續取得新的進展，其潛力和價值不斷展現。美國倫斯利弗莫爾國家實驗室通過在氣凝膠電極石墨層間加入鋰離子和高氯酸根離子，發明了一種使3D打印石墨烯超級電容器性能提高一倍的方法。劍橋等多所大學的科學家聯合將石墨烯集成進硅光電子電路，為硅基光電探測提供了簡單的解決方案。英國曼徹斯特大學的科學家使用石墨烯等離子體的特性開發了一款可調諧太赫茲激光器，改變了現有太赫茲激光器只能固定一個波長的限制。瑞典查爾姆斯理工大學的研究人員開發出一種通過功能化石墨烯納米薄片高效冷卻電子器件的技術，有助于開發出更小更節能的電子信息裝備。美國麻省理工學院將兩種晶格大小不一致的二硫化鉬和石墨烯集成在一層上，將有助于研制功能更強大的計算機。

無人集群技術持續進行演示驗證，未來將形成以無人蜂群式攻擊為代表的新型作戰能力。在無人機集群方面，美國空軍通過F-16戰斗機在指定空域進行了快速布撒大量微型無人機的試驗。在海上無人系統集群方面，波音公司為美海軍研發的“回聲航行者”“傳感器寄宿自主遠程艇”等項目取得了新進展，將對未來海上區域監視產生重大影響；美國海軍年內對集群式無人水面艦艇相關技術進行了多次演示驗證。美喬治亞理工學院開發出新算法，可使多個機器人在彼此距離數厘米的范圍內移動且不會發生碰撞，以支持類似“蜂群”的無人系統自主協同作戰。

新型器件發展取得重要突破，一批超越現有能力的存儲器、處理器等問世，將推動信息技術的躍升。美國哥倫比亞大學研制出首個同時同頻全雙工射頻通信元件，有望使無線射頻通信能力提高一倍，在雷達、通信等領域應用后將極大提升裝備效能。美國加州大學在DARPA資助下研制出全球首個芯片級光頻合成器，在光頻梳技術上取得重大突破，該技術應用后可將現有授時精度提高3個數量級，將對定位導航、激光通信等領域產生重大影響。荷蘭的研究團隊將存儲器密度提高到目前最好商業硬盤的500倍，這種存儲密度能把人類目前為止創作的所有書籍都寫到一張郵票上。美國洛·馬公司成功研制出新型微流體散熱片，較傳統芯片冷卻效果提升6倍，可大幅提升集成電路散熱能力。美國麻省理工學院和快速電容公司合作開發出一種新型超級電容器，存儲能量和能量密度均達到現有水平的10倍。美國愛荷華州立大學科學家研制出一種新型實用瞬態電池，其自毀速度在原有基礎上大幅提升，這一突破將使研發自毀型電子器件成為可能。美國威斯康星大學的料學家成功研制出性能首次超越硅晶體管和砷化鎵晶體管的碳納米晶體管，將促進碳納米管在邏輯電路、高速無線通信和其他半導體電子器件領域的廣泛應用。

拓展新的技術途徑

先進制造技術在增材制造、特種工藝、智能組裝等方面有新的突破，將開辟新的產品設計與制造途徑。軌道ATK公司成功試驗了3D打印制造的高超聲速發動機燃燒室；美國休斯實驗室使用3D打印方法制造出超強陶瓷材料，不僅可擁有復雜的形狀，還能耐受超過1700攝氏度的高溫；美國哈佛大學研究人員利用3D打印出世界首個全柔性自主機器人。在美國將3D打印機送入國際空間站后，俄羅斯研究人員也宣布制成了該國首臺太空3D打印機樣機，計劃在進一步完善后，在2018年送入國際空間站進行測試。美國布魯克海文國家實驗室研究人員使用電子束光刻蝕模式，直接將多個分子模式自組裝到單一材料上，實現了自組裝概念的重要突破，將改變電子產品設計和制造途徑。美國德克薩斯大學的研究人員首次演示了利用莫爾紋納米球光刻技術制備大面積可調石墨烯超穎表面的方法。

新能源方面，美海軍從海水中提取二氧化碳和氫氣的技術已發展至第二代，每日產量可供合成1加侖液態碳氫化合物燃料。美國麻省理工學院的科學家首次證明了使用太陽熱光伏設備，太陽能電池的光電轉化效率可突破理論限制。美國斯坦福大學科學家設計出一種鈣鈦礦太陽能電池驅動的光解水復合體系，利用該方法后光到氫的能源轉換效率有望提升到新高度，為獲取綠色氫能源提供一個重要途徑。新型太陽能電池發展迅速，美國科學家實現了小分子有機太陽能電池效率近50%的增長，麻省理工學院開發出一種超輕、超薄的柔性太陽能電池。美國哈佛大學開發出一種人工仿生葉，能“吃”進二氧化碳產出生物乙醇，效率比自然光合作用高出10倍。加拿大多倫多大學科學家利用硅將二氧化碳轉換成高能燃料，這種通過納米結構氫化物的還原能力直接利用太陽光生產燃料是概念上的一大創新。德國啟動了最大的仿星器核聚變反應設備并首次制造出氫等離子體，預計4年后可實現等離子體脈沖持續時間30分鐘，向實現受控核聚變邁出重要一步。美國麻省理工學院科學家在阿爾卡特C-Mod托卡馬克聚變反應堆實驗中創造了新的世界紀錄，等離子體壓強首次超過兩個大氣壓。

仿生技術發展迅猛、軍事應用前景廣闊。哈佛大學研發了類似蜜蜂的“機器峰”，高2厘米、重約100毫克，將在軍事偵察領域發揮重要作用；該大學還研制出半透明、硬幣大小的機器魚，可在藍光控制下像魚一樣游泳。波蘭、意大利和英國合作利用光電機械液晶彈性體單片電路研發出一款長約15毫米的軟體機器人，可模仿毛蟲不同步態、爬坡、推動比自身重10倍的物體，具有在挑戰性環境中執行任務的能力。英國研究人員設計出一種模仿蝙蝠的新型薄膜可變機翼，利用這種機翼制作出的微型無人機可以飛得更遠并節省更多燃料。美國斯坦福大學研究人員首次制備出一種可用于制作晶體管的可自愈彈性聚合物，實現了復雜電子表面模仿人類皮膚，是仿生學發展的重大突破，將為新一代類皮膚可穿戴裝備奠定基礎。

先進動力技術在航空動力、空間推進、核動力技術方面取得新進展，有望改變傳統動力的物理極限。 美國國家航空航天局近日公布了一種新型推進系統“電子帆”，它能和太陽釋放出的粒子相互作用產生推力，將大幅縮短將航天器送往星際空間的時間。俄羅斯成功進行了脈沖爆震火箭發動機試驗，該技術改變了傳統火箭發動機結構，使火箭發動機的熱力效率大大提升，成本和質量大幅降低。

奠定新的技術基礎

人工智能技術受到前所未有的高度關注，將推動武器裝備向更高智能化方向發展，形成新的能力優勢。美國科學家發明了一種被稱為結構映射引擎的新模型，能使計算機類人分析和學習能力顯著增強。谷歌“深度思維”公司發表了一項人工智能重要成果，描述了一種集神經網絡與計算機優點于一身的混合型學習機器，既能像神經網絡那樣學習，又能像計算機那樣處理復雜數據。微軟公司開發出一種機器學習算法，使計算機對指定主題對話的語音識別率增至94.1%，首次與人類水平相當。

腦和認知方面，腦圖譜繪制、認知計算、腦控等技術取得實質性進展，為人類認知能力的增強，以及腦科學的軍事應用奠定了重要基礎。DARPA首次成功地在動物受試者上測試了一種通過血管進入腦部，記錄神經活動的微型傳感器。 美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和IBM公司聯合公布了以“真北”仿腦處理器芯片為基礎的具有認知能力的深度學習超級計算機，標志著人類進入認知計算的新時代，深度學習超級計算機對于網絡安全、核武器模擬等具有重大意義。韓國科學家在一塊10厘米的晶圓上，構建了144個突觸晶體管，研制出迄今為止能耗最低的人造突觸，這一突破有望使研制大型類腦計算機成為現實。美國科學家研制出了一種新型“擴散式憶阻器”，能逼真地模擬人腦突觸內鈣離子的行為，新設備有助于開發類腦（神經形態）計算機。美國亞利桑那州立大學試驗了腦控多架無人機的技術，已經成功實現單人對4架無人機的控制。美國普林斯頓大學研制出全球首枚光子神經形態芯片，其中的每個節點擁有神經元一樣的響應特征，實驗中比現有運算速度快3個數量級，該芯片有望開啟全新的光子計算產業。

光量子技術不斷取得重要突破，在糾纏原子數量、光量子電路、量子位穩定性等方面有了里程碑式進展，讓人們看到了光計算、量子計算與量子通信的曙光。俄羅斯科學家成功將鍺原子合成到金剛石晶格中，可用于替換現有計算機中的硅和砷化鎵芯片，標志著光計算機技術向前邁出重要一步。美國麻省理工學院科學家使用量子的反饋控制技術將量子疊加時長提高了1000多倍，向最終研制出可靠的量子計算機邁出了重要一步。歐洲科學家將一臺激光器內的光子“播種”進另一臺激光器內，成為研制實用量子加密系統的里程碑進展。美國哈佛大學科學家成功實現在超導材料內傳輸電子自旋信息，從而克服了量子計算的一個主要挑戰，這種三明治結構獨特的超導性能也將帶來全新的量子材料，為構建量子傳導裝置奠定基礎。美、俄等國際研究團隊利用釔鋁石榴石晶體產生了超短激光脈沖，在激光總能量基本不變下，將功率提高了3倍、達到0.5太瓦，有望推動激光領域的變革。

微納技術具有重大的發展潛力，微納感知、傳輸、集成等發展十分迅猛，微系統的研制與應用將在近期取得實質性突破。DARPA正式啟動了“從原子到產品”的項目，旨在開發相關技術和工藝將接近原子尺寸的納米級碎片組裝成至少毫米級尺寸的系統、部件或材料，并保留其在納米尺寸時具備的特性；在該項目下，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室采用3D打印工藝在厘米級尺度制備出具有納米級特性的多層金屬超材料。DARPA微系統辦公室正在開展相關項目，致力于發展下一代微系統的模塊化芯片以及處理效率提升1000倍的智能圖像微處理器等顛覆性技術。DARPA 和NASA聯合開展了輕型光學系統，將利用微系統技術在硅材料上通過極精確的激光燒錄成上千個望遠鏡陣列，該領域的突破可將傳統望遠鏡的尺寸、質量和功耗降至百分之一。美國工程師制作出首個無需半導體的光控微電子器件，在施加低電壓和低功率激光激活時，電導率可增加10倍，這項發現為研制速度更快、功率更強的無半導體微電子設備及更高效的太陽能板鋪平了道路。（航天科工集團）