作者：吴勤

来源：军事文摘（ID：mildig）

目录

一、颠覆未来作战的前沿技术系列——脑科学

二、颠覆未来作战的前沿技术系列——人体增强

三、颠覆未来作战的前沿技术系列——石墨烯

四、颠覆未来作战的前沿技术系列——超材料

五、颠覆未来作战的前沿技术系列——太赫兹技术

六、颠覆未来作战的前沿技术系列——微系统结束

七、颠覆未来作战的前沿技术系列——量子信息技术

八、颠覆未来作战的前沿技术系列——增强现实

一、颠覆未来作战的前沿技术系列之脑科学

大脑是人体中最复杂的部分，也是宇宙中已知的最复杂的组织结构。21世纪，被称为“生命科学、脑科学的百年”或“脑研究世纪”，伴随着脑科学和认知科学的兴起与发展，以人类为中心的认知与智能活动研究，已进入发展新阶段。脑科学相关技术的发展和应用能迅速提升武器装备智能化和操控意识化程度，对武器装备的发展、使用和国防军事能力建设将产生难以预见的颠覆性影响。

多国启动脑科学重大研究计划

多年来，人类对脑奥秘的探究从未停止，已有数十位从事脑科学研究的科学家获得诺贝尔奖，脑科学在发达国家已成为科学研究“皇冠上的明珠”。早在20世纪90年代，美国就率先提出“脑的十年计划”，欧盟成立了“欧洲脑的十年”委员会，国际脑科学组织也采取多种举措推动脑科学研究的发展。

2013年4月，美国宣布启动“脑计划”；2014年6月，美国国立卫生研究院发布“脑计划”路线图，详细阐述了脑科学计划的研究目标、重点领域、实施方案、具体成果、时间与经费估算等，提出将重点资助9个大脑研究领域：统计大脑细胞类型，建立大脑结构图，开发大规模神经网络记录技术，开发操作神经回路的工具，了解神经细胞与个体行为之间的联系，整合神经科学实验与理论、模型、统计学等，描述人类大脑成像技术的机制，为科学研究建立收集人类数据的机制，知识传播与培训。2014年8月，美国国家科学基金会宣布，将资助36项脑科学相关项目，涉及实时全脑成像、新的神经网络理论以及下一代光遗传学技术等。美国国防高级研究计划局（DARPA）近年来启动了数十项旨在提高对大脑动态和机制的了解、推进相关技术应用的项目，包括可靠神经接口技术项目、革命性假肢、恢复编码存储器集成神经装置、重组和加速伤势恢复项目、将模拟大脑用于复杂信号处理和数据分析项目等。

2013年，欧盟委员会宣布将“人脑工程”列入“未来新兴技术旗舰计划”，力图集合多方力量，为基于信息通信技术的新型脑研究模式奠定基础，加速脑科学研究成果转化。该计划被认为是目前世界最先进的脑科学大型研究计划，由瑞士洛桑理工学院统筹协调，欧盟130家有关科研机构组成，预算12亿欧元，预期研究期限10年，旨在深入研究和理解人类大脑的运作机理，在大量科研数据和知识积累的基础上，开发出新的前沿医学和信息技术。该计划首先利用30个月的时间，建设涉及神经信息学、大脑模拟、高性能计算、医学信息学、神经形态计算和神经机器人等6座大型试验与科研基础设施。这些设施将对全球科技人员开放，邀请世界顶尖科学家参与研究。

此外，日本、德国、英国、瑞士等国也都先后推出本国的脑科学研究计划。

脑科学研究在全球掀起新热潮

进入21世纪以来，随着相关理论的完善和新实验工具的涌现，大脑最深层的一些奥秘开始浮出水面。特别是近年来，欧美爆发“脑”竞赛，全球围绕大脑的研究掀起新一轮热潮，与大脑有关的科学发现不断涌现，为脑科学的大规模推进与应用奠定了基础。

在研究与探索脑结构方面，2012年，哈佛大学的科学家研究出了一种新的核磁共振扫描技术，用于探索人类大脑内部结构；DARPA与美国威斯康辛大学麦迪逊分校合作，研发出探究人脑神经结构与功能之间联系的脑研究技术；2014年，在DARPA可靠神经接口技术项目的支持下，威斯康辛大学麦迪逊分校的研究人员开发了新的脑结构研究技术，这项技术对大脑中神经网络活动的可视化和量化研究具有重大贡献。

在脑信息获取技术方面，脑电信号破译研究、神经活动信息还原视觉图像研究、神经活动信息支持行为与神经元关系研究、神经活动信息再现人类梦境研究等均取得了新进展。例如，澳大利亚Emotiv公司开发出了一种能够翻译人类8种生理表现和7种表情的脑电信号装置；美国、德国和英国的研究人员实现了利用磁共振成像技术将大脑活动信息转换成想象物体图形；DARPA近期正在开发新型大脑植入物，实现对大脑信号的实时跟踪与响应；2014年，DARPA启动“神经功能、活动、结构与技术”项目，加速和简化对大脑的3D分析，使整个大脑成像只需220天。

在脑机接口技术方面，多国开展了一系列技术验证并取得突破，实现了大脑控制外界设备以及大脑控制另一生物体的异体控制。2008年，位于美国北卡罗来纳州的科学家从植入猕猴脑部的电极获取神经信号，通过互联网将这些信号连同视频一起发给日本的实验室，最终美国猕猴成功地“用意念控制”日本实验室里的机器人做出了相同的动作；美国布朗大学2013年研制出首个火柴盒大小的脑机接口无线连接装置，可将脑部数据传输至1米内的其他设备；2013年3月，英国研究人员开发出第一种用于控制飞船模拟器的脑机接口装置，美国科研人员又创建了计算机模拟程序，将脑机接口装置戴在头上后，通过人脑意念便可控制飞船模拟飞行；2015年6月，俄罗斯“未来研究基金会”负责人表示，以思维控制机械的脑机接口在俄研发成功，该脑机接口使用在医学上广泛普及的脑电描记法来捕捉脑电活动。

在“脑对脑”控制方面，2013年2月，美国杜克大学的研究人员将分别位于美国和巴西的两只大鼠的大脑，通过植入脑内的芯片和计算机建立彼此之间的脑电波传输回路，实现了成功率为65%的脑对脑异体控制实验；2013年8月，美国华盛顿大学公布了人类首次非侵入式脑对脑接口实验，不需要在大脑内插入电极，一人成功遥控了另一人的手部运动；2014年2月，美国哈佛大学医学院等机构利用一只作为发出指令的“主体”猴子和一只作为接收指令的猴子实现了异体操控，任务完成率高达98%。



用于模拟“脑控”飞船的实验装置

此外，近期脑研究与应用领域还取得了许多重要进展。例如，美国塔夫茨大学成功创建出三维脑状组织模型，功能和结构特征类似于大鼠脑组织，可用于研究脑功能，开发治疗脑功能障碍新疗法；2013年，德国比勒费尔德大学物理系的研究人员制造出有学习能力的纳米忆阻器元件，每个大小只有人类头发直径的1/600，该忆阻器将作为设计人工大脑的关键部件；2014年9月，西班牙、法国、美国科学家联合开展实验，利用脑电波和仪器设备实现“人际交流”，成功将两个单词从一位印度志愿者脑中传送到8000千米外的法国实验人员脑中，这是人类首次“几乎直接”地通过大脑收发信息；2015年7月，澳大利亚墨尔本皇家理工大学和美国加利福利亚大学的研究人员通过使用纳米尺度的忆阻器矩阵，制造出了世界上第一个能模仿人脑的电子记忆细胞；当前，DARPA启动了一个新项目，旨在研究“神经重播”在形成记忆和回忆过程中的作用，从而帮助人脑更好地记住具体的偶发事件，更快地学会技能。

脑科学军事应用潜力巨大

脑科学研究具有巨大的潜在军事价值，可直接应用于现代战场的多个领域，包括催生新型脑控武器和智能化装备，提高作战人员知识与作业能力，优化军事训练与决策，改善军人神经与精神损伤的救治，推动心理战的升级等。脑科学的军事应用主要体现在“仿脑”“脑控”和“控脑”三个方面。

“仿脑”，即借鉴人脑构造方式和运行机理，开发出全新的信息处理系统和更加复杂、智能化的武器装备，甚至研发出与人类非常接近的智能机器人。近期“仿脑”的热点领域主要包括开发模仿人脑的神经形态芯片、具备人脑处理功能的仿脑处理器、开发认知计算技术等。这些“仿脑”技术的问世与应用将大幅提高无人系统的智能化水平，还可能给包括云服务、机器人、超级计算机在内的多个领域带来重大变革。

神经形态芯片近期成为最令人瞩目的“仿脑”技术应用，大名鼎鼎的《科学》杂志和美国麻省理工学院《技术评论》杂志均将神经形态芯片评为2014年十大科技突破之一。

2013年，瑞士和美国科学家联合研制出了一种脑神经形态芯片，能够实时模拟大脑处理信息的过程；美国陆军研究室通过模拟人脑思考过程开发出一种量子神经元计算机芯片；美国高通公司近期也通过模拟神经结构和大脑处理信息方式开发出了大脑芯片；2014年8月，在美国DARPA项目资助下，IBM公司宣布成功研制第二代类脑计算芯片“真北”，该芯片架构类似人脑，集运算、通信、存储功能于一体，与第一代芯片相比，“真北”神经元由256个增加到100万个，突触数量由26.2万个增加到2.56亿个，包含54亿个晶体管，每秒可执行460亿次突触运算，总功率仅为70毫瓦；

2015年，美国加州大学和纽约州立大学石溪分校的一个联合研究小组，首次仅用忆阻器就创建出一个神经网络芯片，从而向创建更大规模的神经网络与人造大脑迈出了重要一步；英国嵌入式处理器厂商ARM与曼彻斯特大学、海德堡大学合作研究的神经形态芯片已经被纳入欧洲人类大脑计划，并得到支持。欧洲方案与美国方案相比，单位面积功耗较高，但神经元模拟更接近生物神经元，因此在模拟大脑方面也被报以更大希望。

在“仿脑”处理器方面，美国DARPA多年来致力于发展能够模拟人脑认知和推理能力的类脑处理器，已经开展了“传感与分析自适应局部学习”等多个项目；2012年，谷歌公司实验室的研究小组通过模拟人脑中相互连接、相互沟通、相互影响的“神经元”，由1000台计算机、1.6万个处理器、10亿个内部节点相连接，形成一个“谷歌虚拟大脑”；2015年，IBM公司利用48块“真北”试验芯片构建了一个“电子大脑”，每一块芯片都可以模拟大脑的一个基本构件，该试验系统可以模拟4800万个神经细胞，基本可以与小型啮齿动物大脑的神经细胞数齐平。



IBM开发出的神经元计算机原型，它搭载了16颗“真北”芯片

认知计算是一种模拟人的认知、智能和解决问题方式的计算技术。国外主要军事强国以未来军事应用为牵引，积极推进认知技术的发展。例如，美国通过实施自学电子攻击技术、认知无线电台技术、基于认知的协作决策感知认知模型、基于脑电波识别和认知算法的战场威胁探测技术等项目，大力推进认知计算技术在武器装备领域的应用。2014年，美国空军研究实验室授予通用电气公司一份高性能嵌入式计算系统合同，以模拟人类中枢神经系统的信息路径，该系统可推动开发与部署自适应学习、大规模动态数据分析和推理的先进神经形态体系结构和算法。

“脑控”，即通过大脑实现对外界物体或设备的直接控制，减少或替代人类肢体操作，从而提高作战人员操控武器装备的灵活性和敏捷性。近年来，“脑控”应用得到进一步发展：日德研发出了“脑控”车辆；德国慕尼黑工业大学飞行系统动力学研究所首次成功展示了“脑控”飞行；美国明尼苏达大学成功研制出能够用意念控制的四轴飞行器，其躲避障碍物成功率高达90%；英国科学家开发了专门的脑机接口装置来控制飞机和飞船模拟器；美国DARPA开展了名为“阿凡达”的尖端军事科研项目，旨在探索扩展人类机能，获取神经代码进行整合，以控制进攻性武器和系统，DARPA还在2013财年投入700万美元研发一种自主式双脚机器人，能够让士兵在战场上远程控制，以替代士兵执行部分作战任务，如放置监视设备、搜索并攻击建筑物内的威胁目标、救助伤员、设置障碍物等。



明尼苏达大学脑机接口装置控制飞行器实验场景

“控脑”，即利用外界干预技术手段，实现对人的神经活动、思维能力等进行干扰甚至控制，导致出现幻觉、精神混乱甚至做出违背己方利益的行动，其关键是开发能够监测和干预大脑思维活动的信息系统。“控脑”目前产品应用还较少，美国DARPA联合商业机构开展了相关的概念研究，主要包括：通过计算机模拟脑电波控制人体的心理反应和思维，通过特殊频率的无线电波与人体脑电波作用产生催眠效果，神经系统脑电波声音操纵项目等。

结 语

脑科学的发展对于人类了解自身神经精神领域有着重要的价值与意义，同时也具有强大的军事应用前景，将推动军事领域的重大变革。当前，脑科学研发已经成为时代潮流不可阻挡，其大规模进步必将为人类带来一个日新月异的新世界，我们应该及时未雨绸缪，趋利避害。

二、颠覆未来作战的前沿技术系列之人体增强

人体增强是综合利用生物、信息、机械等领域的技术作用于人类的身体，使人的体力与脑力得到改进与提升的前沿技术。如果将自然给予人类的人体机能看做是最基本的1.0系统，那么通过人体增强技术，人体的综合机能将得到大幅度提升，进入人体系统2.0时代。人体增强技术可以使普通人以及军人获取超越自己身体极限的神奇能力，在多领域的应用前景和颠覆性影响令人瞩目。



多家机构展望人体增强技术的巨大潜力

多个世纪以来，人类一直梦想着能够超越人类的一切束缚与限制，成为一个完美的“超人”，也一直在探索能够使人类尽可能地变得更加强大的方法与技术。随着科学技术的发展与应用，人们不再局限于利用一些自然的方法来循序渐进式地提高自身的基本能力，而是通过更直接和快速的方法来提高和完善人类的技能和能力。例如，通过药物或芯片改善人类的情绪、认知和记忆，通过脑机接口控制或放大人的意念，通过外骨骼提升人的体能，通过人工耳蜗、芯片植入、智能眼镜改善人的视听感官能力等。

美国国家科学基金会对“人体机能增强”这个词的解释是，任何暂时性或永久性突破人类目前身体极限的尝试，使用的手段可以是自然的也可以是人工的。美国科学院、英国皇家学会等重要的科学机构与情报机构相继发表一系列报告，对人体效能改造，特别是人体增强给予高度关注，并预言人类即将迎来人体增强的新时代。美国国防高级研究计划局（DARPA）于2014年4月新成立了生物技术办公室，旨在研究使士兵保持最佳战斗力以及迅速、全面恢复战斗力的新技术。近期，各方重点关注的人体增强技术包括：视网膜植入、人工耳蜗等视听增强技术；药物、大脑植入、脑机接口等脑力增强技术；外骨骼等体力增强技术。

美国国家科学院研究并发布的名为《人体效能改造：国际研究现状及未来展望》的报告指出，医学、生物学、电子学和计算技术的发展已经使得改造人体的能力日益成熟，而且这类创新会被各国军队采用。2012年11月，英国皇家学会、英国科学院等4家机构联合发布了名为《人体增强与未来工作》的报告，指出人体增强技术未来将彻底改变人类的生活工作方式，报告关注的人体增强领域主要为认知增强与生理增强两大类，包括认知增强药物改善记忆力和注意力，使用助听器和视网膜植入改善感知，使用仿生肢体恢复运动能力，以及认知训练、大脑刺激等技术。

2012年12月，美国国家情报委员会发布《2030全球趋势：多元化世界》报告，预测到2030年，人类有可能通过选择一些科学手段让自己变得更加聪明、健康与强壮，报告将这些能够增强人类机能的科学手段统称为人体机能增强装置。全球技术研究和咨询公司Gartner也在其2013年发布的《2012～2013年技术曲线成熟度》报告中预测，除了信息技术的多项前沿科技将突飞猛进地发展，另一项将在市场形成规模的技术就是人体机能增进装置，将提高人类感知能力与体能。这其中包括机械外骨骼、脑机接口、视网膜植入、听觉增进装置，甚至是提高智力的神经性药物。



视听增强——更有效的感知

《2030年全球趋势：多元化世界》和《2012～2013年技术曲线成熟度》报告均高度关注视觉增强技术。视觉增强技术包括两类：一是指能够修补视力的眼内植入物，可以接收视觉影像，并转化为电子信号刺激神经，将信息传入大脑；二是指利用伸缩式隐形眼镜、夜视隐形眼镜、智能眼镜等新型可穿戴设备，实现对环境更好的感知。

通过眼内植入技术，人类能恢复并提升原有视力。2013年，德国图宾根大学的科学家开发出了一种微芯片，该芯片约为3毫米大小，由1500个像素点构成，每个像素都有自己的放大器和电极。这种外部供电的光敏微芯片将通过手术植入患者的视网膜表面下方，能使视网膜病变的盲人重见光明。2013年7月，英国利用胚胎干细胞培养出视网膜感光细胞，将这些细胞植入盲鼠眼睛的视网膜，成功地在眼睛和大脑之间形成了神经联系。2015年，加拿大研究出一种新的仿生镜片，眼内植入这种镜片后，视力有问题的人能将视力恢复到最佳水平。

利用先进的视觉增强可穿戴技术，及时感知和了解原来无法直接观察的战场环境，让人们变成“千里眼”。士兵将告别对繁杂笨重的侦察、通信设备的依赖，实时接收来自数百千米以外指挥部传输的指令、地图等信息，查询、获取和感知来自其他侦察系统的动态情报。DARPA在“士兵视觉增强系统”项目下开始研发一种隐形眼镜，该隐形眼镜可以增强作战人员的正常视力，佩戴该隐形眼镜的作战人员可以看到虚拟的、增强现实的图像，整个过程无需借助庞大笨重的仪器。2014年，美国密歇根大学的科学家将可感应光子的石墨烯薄层嵌入到镜片之中，发明了一种比指甲还小的夜视隐形眼镜原型，使昏暗的图像看起来更明亮，该技术的应用将使未来军人取下头盔上笨重的夜视镜，代之以轻便的夜视隐形眼镜。此外，DARPA目前正在资助一个新型隐形眼镜项目，该隐形眼镜能够让人眼具备2.8倍光学变焦能力。

除了视觉能力的增强，听觉也是人体增强的重要内容之一。人工耳蜗是一种电子装置，由体外言语处理器将声音转换为一定编码形式的电信号，通过植入体内的电极系统直接兴奋听神经来恢复或重建聋人的听觉功能。目前，世界上已经有超过30万人使用耳蜗植入方式，替换在听觉方面存在故障的耳朵，以恢复听力。2013年5月，普林斯顿大学工程师利用3D打印技术制造出世界第一个仿生耳，该装置可以接收声波与超声波信号。

脑力增强——更智慧的决策

通过对人的脑力增强，可以提高士兵的学习效率与记忆力、减少疲劳和提高警觉性，甚至可以实现大脑对外部机器的意念控制，最终使人具有更好的认知与决策能力。使用电磁刺激、大脑植入和神经性药物等可以提高士兵的学习效率，让人更长时间地集中注意力，减少疲劳和提高警觉性；使用脑机接口技术，大脑可以直接控制机器，也被称为“意念控制”，其涵盖的层面很广，包括智慧型义肢、机器人甚至车辆和武器等。

在记忆增强方面，使用神经性药物可以提高人的记忆力和思考速度。此类药物能让人更长时间地集中注意力，提高学习能力。但神经性药物也存在巨大的副作用，会出现头晕目眩、呕吐、视力衰退、神志不清等。2012年，德国科学家发现大脑内的神经传递物质多巴胺有提高记忆的能力，有助于研发提高记忆的药物。

在利用电磁信号刺激大脑方面，当前研究的重点在于通过电、化学或生物方法来刺激人的神经系统，加强人的精神和情感能力。神经刺激方法可能包括：用电子设备直接刺激神经组织的经颅直流电刺激、经颅磁刺激和脑深部电刺激。研究显示，脑经颅电磁刺激可以提高士兵的学习效率、减少疲劳和提高警觉性，通过大脑刺激学习更多知识的受试者对知识的记忆可延伸数月。近期，美国陆军研究实验正在研究利用最新的神经刺激技术来检测大脑状态，以及改善理解能力、目标感知和决策能力。

利用大脑植入物提升人脑记忆能力、恢复因伤病引起的失忆已成为近期脑力增强的热点。DARPA在该领域安排了多个项目。2013年，DARPA启动了“恢复主动记忆”和“基于神经技术的新兴治疗系统”两个项目。前者目的在于开发神经信号分析与解码新方法，应用神经刺激促进脑损伤后记忆编码的恢复，开发植入式神经设备帮助患者恢复记忆，以及了解如何对人类大脑的右半区进行刺激和锻炼，以提高士兵的反应速度和瞬间记忆能力；后者目的在于开发能够为患有创伤后应激障碍和其他神经疾病的患者提供帮助的大脑植入物。DARPA于2015年新启动了一个称为“恢复活动记忆与回放”的项目，旨在研究确定大脑哪些部分决定着记忆和回忆的形成，从而帮助人脑更好地记住具体的偶发事件，更快地学会技能。

意念控制技术当前致力于辅助伤残军人重新获得行动能力，未来则有可能实现对武器装备的意识操控。在意念控制义肢方面，美国匹兹堡大学的研究项目在一位颈部以下瘫痪的女患者脑运动皮层植入传感器，使其单凭意念即可操作机械手臂将一块巧克力送入口中，比以往的研究更接近于一个正常人的肢体；2014年，DARPA在“革命性义肢”项目中，成功研发了名为“DEKA”的仿生机械手臂，该手臂具备近真实的控制能力，可用于帮助失去手臂的人员恢复生活能力；2015年，美国约翰·霍普金斯大学的研究团队开发出新一代智能义肢，其拥有26个关节，能像正常的手臂一样由人的大脑控制，可以抓举20千克的重物。

在意念控制机器方面，2012年，DARPA启动了“阿凡达”项目，目标是研制可通过意念控制的机器人，有望在未来代替士兵征战沙场。美陆军研究实验室正在研究一项技术，使得士兵仅通过意识就可以实现对军用系统的直接控制。在该研究方向下，陆军实验室正在资助研究两个项目：一是通过实时记录大脑活动，研制一种可探测潜在表达和监控使用人员关注点、意图的原型系统；二是寻求理解大脑信号的生理性生物标记，用于探测潜在表述和特征状态。2014年，德国慕尼黑工业大学的研究人员首次成功展示了脑控飞行；2015年6月，俄罗斯“未来研究基金会”表示，以思维控制机械的脑机接口研发成功。

体力增强——更强大的行动

外骨骼是一种人员可穿戴的机电一体化设备，主要用于增强穿戴者的力量、速度、耐力等，一般由感知系统、控制系统、动力系统、仿生机械系统和能源系统组成。未来，随着技术的发展，外骨骼埋植技术将可以实现把外骨骼埋植在机体内，成为一种替代骨骼，大大增强人类先天的能力，修复丧失的机体功能。近年来，美国、俄罗斯等国军队陆续启动了多个军用外骨骼项目，以增强士兵的作战能力，同时保障士兵的身体健康。

美国DARPA的“增强人体机能外骨骼”项目旨在研制可帮助地面士兵携带更多武器、更好护甲和更多补给的外骨骼系统。在该项目资助下，美国加州大学伯克利分校开发出了BLEEX下肢外骨骼系统，雷声公司开发出XOS全身式外骨骼系统。BLEEX整体由1个用于负重的背包式外架、2条机械腿及相关的液压驱动装置组成，自重45千克，可负重35千克，使用者感觉只有2千克。

洛克希德·马丁公司联合加州大学伯克利分校在BLEEX基础上，共同推出了被称为“人体负重外骨骼”的仿人体结构特点设计的外穿型机械骨骼，系统由钛合金制成的机械腿、驱动装置及控制计算机，以及背部的负重部分、散热单元等组成，其既能够使士兵完成爬行、深蹲、提举重物等一系列动作，又可减少士兵因提举较重战斗载荷而引发的肌肉骨骼损伤。“人体负重外骨骼”总重约32千克，最大负重超过100千克，可保证穿戴者以4.8千米/每小时的速度背负90千克重物连续行走1个小时。

2010年初，雷神公司推出改进型XOS 2外骨骼系统，《时代》杂志将这一装备评选为2010年“最具震慑力”的发明。XOS 2是由一系列结构、传感器、执行机构和控制器组成的，主要利用高压液压驱动，堪称真实版的“钢铁侠战衣”。该外骨骼可使穿戴者将重约90千克的重物反复举起几百次，而且不会感到疲劳，同时还可重复击穿厚度为3英寸的木板。

法国的“大力神”可穿戴式外骨骼能够辅助士兵，并增强其在战场上的负重能力和持久作战能力。“大力神”外骨骼主要由机械腿（结合了机械装置、计算机和电子装置）和背部支撑架组成，使穿戴者能够轻松背负重物。“大力神”可携带100千克重物，使穿戴者以4千米/小时的速度行进大约20千米。2015年，德国斯图加特一家工程研究机构研发出一种名叫Robo-Mate的可穿戴外骨骼系统，可为体力劳动者提供手臂、腿和背部的金属机械支撑，令他们工作时托举、负重能力提高到10倍。

可穿戴在士兵作战服里面的轻质、柔性外骨骼，成为军用外骨骼发展的新方向。“勇士织衣”是DARPA组织研制的一种重量轻、柔韧性好的内穿型作战服，它更像是肌肉、关节的感应“增强器”，不仅具有传统的防弹功能，还能增强人体机能，使士兵能背负重物长时间行军。美军对“勇士织衣”的作战指标要求为：功率小于100瓦，不到9千克重，电池重约4.5千克，在不充电情况下可持续工作24小时，士兵背负45千克重物、以1.25米/秒的速度在平地上行走时，可以减少25%的代谢消耗。

“勇士织衣”的特点主要有4个方面：一是负重智能分布于士兵全身，以减小作用力；二是可减轻和预防士兵损伤，增强体能；三是可重复使用能量，以降低能耗；四是柔韧性和灵活性好，轻便舒适耐用。2013年5月，美军特种作战司令部提出研制供士兵使用的“战术突击轻型作战服”，这种作战服采用外骨骼装置减轻士兵负重的体力消耗，并集成了可瞬间固化的液体防护装甲、温度调节装置、救护装置和态势感知装置等。

三、颠覆未来作战的前沿技术系列之石墨烯

石墨烯是一种由碳原子组成的六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜。2004年，英国曼彻斯特大学的物理学家成功地从石墨中剥离出了石墨烯，证明了石墨烯可以单独存在，因此荣获2010年诺贝尔物理学奖，从而掀起了石墨烯制备、改性和应用的全球热潮。石墨烯优异的性能使得它在多个领域具备变革潜力，已经有所建树的领域包括散热材料、柔性触摸面板、微型传感器、电容、芯片材料等，在信息技术、航空航天、生物环保等领域显现了巨大的应用前景，将对人类社会产生广泛影响，被称为“改变未来世界的革命性材料”。如果说20世纪是硅的世纪，神奇的石墨烯则是21世纪新材料的宠儿。

“材料之王”性能优异

石墨烯自初次被发现就被赋予“神奇材料”“材料之王”等美誉，单原子纳米结构赋予了它许多无以伦比的独特性能，是迄今发现的厚度最薄、强度最高、结构最致密的材料，并拥有与众不同的电学、热学、光学、磁学等特性。

石墨烯是已知最薄最轻的材料之一，它是单碳原子层，厚度仅有0.34纳米，相当于一根头发的1/200000；石墨烯是已知强度最高的物质，比最好的钢铁还要高上100倍；石墨烯是已知最坚硬的纳米材料，比钻石还坚硬；石墨烯是已知导电性最好的材料，其电子运动速度高达光速的1/300，远远超过电子在一般导体中的运动速度，常温下其电子迁移率是硅的100倍，其可耐受的电流密度是铜耐受量的100倍左右；石墨烯是已知导热性最好的材料，导热系数高达5300瓦/米·度，高于碳纳米管和金刚石，更远高于常用的散热材料铜以及最好的导热金属银（420瓦/米·度），有望成为划时代的散热材料；石墨烯还具备高透光率、高性能传感、高吸附强过滤，常温可实现无散射传输等优良而独特的性能。



石墨烯的单层结构

近期，美国、日本等在制备石墨烯上取得了重要进展。2013年，英国牛津大学团队通过控制碳原子在铜箔上的排列，同时辅以适当压力，从而能够控制石墨烯的厚度、边缘形状以及晶界，向大规模制备石墨烯迈进了一步。2014年，韩国三星公司和成均馆大学联合成功研制出在硅晶圆上合成单晶单层石墨烯的工艺，实现了在硅晶圆上的氢端锗缓冲层生长无皱单晶单层石墨烯，有望解决石墨烯大面积生产问题。2015年，美国能源部橡树岭国家实验室表示，其研究团队采用化学气相沉积法制备出了2英寸见方的单原子厚度的碳复合材料，能消除石墨烯片状集聚问题，这意味在聚合物中可以用更少的石墨烯材料获得更好的导电效果。

全球涌动石墨烯研发热潮

由于石墨烯在能源、材料等各大领域都具有巨大的应用潜力，多个国家纷纷将石墨烯及其应用技术研发作为长期战略予以重点关注。在各方的重视下，石墨烯的研究持续升温，新的发现不断涌现，大大加速了其产业化进程。

多国政府积极布局

美国全面布局石墨烯技术。美国的重点集中在石墨烯替代硅材料技术和电子元器件、储能电池等应用方面，主要由美国国家自然科学基金会、美国国防部及其下属的以国防高级研究计划局为首的政府与军方支持。2006~2011年，美国国家自然科学基金会关于石墨烯的资助项目有200项，包括石墨烯超级电容器应用、石墨烯连续和大规模纳米制造等项目；2013年8月，美国国家自然科学基金会设立专项，资助石墨烯热性能和批量制备技术研究。



石墨烯的优异性能

欧盟将石墨烯研究提升至战略高度。欧洲是石墨烯的诞生地，长期以来，一直通过框架计划支持石墨烯研究。2013年，欧盟委员会选定石墨烯项目作为欧盟首个10年投入10亿欧元的“未来和新兴技术旗舰项目”，这一项目的使命是帮助石墨烯从实验室走向社会。该项目由瑞典查尔姆斯理工大学牵头、欧盟15个成员国的100多个研发团队组成，其中包括4名诺贝尔奖得主。2011年，英国政府把石墨烯作为国家今后四个重点发展方向之一，宣布投入7150万英镑支持石墨烯研究，包括建立国家石墨烯研究院。2014年，英国政府联合马斯达尔公司宣布，继续投资6000 万英镑在曼彻斯特大学成立石墨烯工程创新中心，作为国家石墨烯研究院的补充。

日韩等国加大投入力度。日本学术振兴机构从2007年起开始对石墨烯材料、器件的技术进行资助，并以实现绿色低碳为目标重点，支持碳纳米管和石墨烯的批量合成技术研发。韩国预计2012～2018年间向石墨烯领域提供总额为2.5亿美元的资助。

研发应用取得重大进展

石墨烯的发现虽然仅10年左右，却引发了席卷全球的一波又一波研究开发浪潮。特别是近两年来，石墨烯的研究继续升温，新的发现不断涌现，大大加速了其实用化进程，引发了人们的高度关注。

在石墨烯材料研发方面，2013年，美国麻省理工学院研究发现，将具备高电子迁移率的石墨烯薄膜材料置于两片铁电材料之间，石墨烯薄膜材料可以产生太赫兹信号，利用该机理，有望为光电信号互换提供新方式。美国加州大学圣巴巴拉分校研究人员与莱斯大学合作，在2014年展示了可实现大面积Bernal型（或AB型）堆叠双层石墨烯薄膜的新技术。

在能源方面，石墨烯的应用主要集中在氢能存储、超级电容器制造、锂离子电池和锂-空气电池制造等方面。2013年，美国莱斯大学制造出高比容微型石墨烯锂电池，比容达到204毫安时/克，厚度仅10纳米，充放电时间20秒。试验表明，充放电1000次后电容量仅损耗10%。2014年，麻省理工学院利用两张褶皱的石墨烯纸制作了简单的超级电容器。研究人员证实，这种石墨烯纸可以平复1000次，且制造的超级电容性能不发生明显降低。这种将石墨烯起皱的技术不仅可用于制造超级电容器，也可用于制作柔性电池的电极，或者为特定的化学或生物分子制造可伸缩传感器等。

在探测与传感器方面，2012年，德国慕尼黑工业大学的科学家成功制成石墨烯光电探测器，能非常快速地处理和引导光电信号。2014年，美国密歇根大学的科学家通过将可感应光子的石墨烯薄层嵌入到隐形眼镜之中，从而使昏暗的图像看起来更明亮。

在显示屏方面，2014年，英国剑桥大学的研究人员展示了首个可弯曲的石墨烯柔性屏幕，采用软塑料和石墨烯底板取代了传统的金属电极。2014年，韩国三星先进技术研究院与成均馆大学联合宣布，他们已经合成一种能在更大尺度内保持导电性的石墨烯晶体，这是一种可以用在柔性显示屏和可穿戴设备上的屏幕显示技术。



近期各国主要石墨烯发展计划与项目

在芯片材料方面，石墨烯被誉为“21世纪取代硅的材料”，有望成为新一代的电子元件或晶体管材料。2012年，韩国三星公司利用石墨烯研制出了新的晶体管结构，形成了一个叫做“肖特基势垒”的能源壁垒，通过调整壁垒高度可以实现电流的开关。2014年，IBM公司发布由片级石墨烯材料制造的全功能集成电路，它是最先进的全功能石墨烯集成电路，可使电子设备以速度更高、能效更低、成本更低的方式传递数据信息。

在环保与生物方面，近期进展主要集中在污染物的吸附、海水淡化等。美国莱斯大学和俄罗斯国立罗蒙诺索夫大学的研究人员发现，仅有原子厚度的氧化石墨烯薄片能快速吸附天然和人造的放射性核素，并凝结成固体，陆地、水下都能使用。2012年，麻省理工学院研究人员借助石墨烯开发出了一种海水淡化的新方法，通过精确控制多孔石墨烯的孔径并向其中添加其他材料的方法，从而改变石墨烯小孔边缘的性质，使其能够排斥或吸引水分子。这种特制的石墨烯就如同筛子一样，能快速地滤掉海水中的盐。2013年，美国洛克希德·马丁公司也研发了一种新的石墨烯海水净化系统，其采用的薄膜厚度是目前市场上最好薄膜的1/500，强度却达到了它的1000倍，过滤同样多的盐分所需的能源和压力也是它的百分之一。

巨大应用前景改变未来战场

石墨烯具有卓越而独特的电学、光学、力学、化学性能，这些优越的性质及特殊的二维结构使其在国防军事上有着难以估量的应用前景，将对未来作战产生颠覆性的重大影响。

利用石墨烯超薄超轻、抗压力强的特性，通过与其他材料复合，研制出了具有超薄、超柔和超轻特性的新型超强材料，可用于机翼、弹翼等。利用石墨烯的导电性和导热性，可代替硅、锗等材料制成电容、晶体管、集成电路，成为新一代电子元件，可用于超级计算机、雷达、通信设备等未来新型军用电子装备上。石墨烯还有望蕴育出新型宽带激光器，并取代半导体可饱和吸收镜成为飞秒光纤激光器的核心材料。

石墨烯可用于防弹衣、装甲车辆的新材料中，用于代替凯夫拉、芳纶等高性能材质，在减轻重量的同时还能提高防护能力。近期实验数据显示，石墨烯可以迅速分散冲击力，并能中断通过材料的外展波，承受冲击的性能远胜钢铁和凯夫拉等材质。用石墨烯制成的防弹衣拥有2倍于现有防弹衣技术（凯夫拉纤维）的防护能力。美国莱斯大学的研究人员进行了一次微观弹道测试，以一颗微小的硅粒以3000米/秒的速度射向单层石墨烯，发现这种蜂巢形结构的材料可有效分散动能，其能力比凯夫拉强2倍，比钢材强10倍。

利用石墨烯透光性好、对环境敏感度高的特性制成的高效光传感器，可用于红外夜视仪和红外热像仪等光电探测装备中，也可以生产导弹用的非制冷红外导引头，提高导弹的精度和毁伤目标的能力。IBM公司已经研制出石墨烯/绝缘体超晶格，使石墨烯具有光子特性，并制成可实现太赫兹级频率的滤波器与线性偏光片等光学元件，有助于在未来扩展至中红外和远红外波段的光电设备应用中。2014年3月，美国密歇根大学的研究人员利用石墨烯开发出一种只有指甲盖大小的红外线图像传感器，其实现方式是在两层石墨烯之间放置一个绝缘层，然后施加电流，当接触到红外光后，可产生足够的电流生成红外图像。该新技术无需笨重的冷却装置就能运行，首次实现了在室温下对全红外光谱的观测。

石墨烯具有高透明性、强韧性以及优良的导电性，可用于制作各类武器装备上的仪表盘、屏幕面板等。尤其是利用石墨烯制作的柔性屏幕，不仅清晰度高、安全性好，而且重量轻、便于折叠与携带，在单兵作战系统、增强现实装置、军用可穿戴设备上优势明显。



美国国防高级研究计划局开发的生物组织传感器

在能源方面，石墨烯作为负极材料能够大幅提升锂电池性能，并提高电池的弯曲、拉伸等力学特性；石墨烯同时兼具高透过性和高导电性，使其可成为透明电极应用于太阳能电池；利用石墨烯类膜材料特性，有望解决燃料电池核心部件质子传导膜的燃料渗透难题；石墨烯符合高能量密度和高功率密度的超级电容器对电极材料的要求，普遍认为它有希望成为理想的超级电容器极板料。2012年，美国陆军研究实验室首次证明，在柔性衬底上采用喷墨打印技术可以制备出石墨烯超级电容器电极，并进一步制造出柔性超级电容器原型。运用石墨烯开发的柔性超级电容器可以增强超级电容器的性能并减少尺寸，与电池相比，其功率密度更高、寿命更长，可增加武器和无人系统的动力并减轻重量。

此外，石墨烯还可以制成特殊涂料，用于军舰的舰体防护上，抵御海浪冲击以及水气、盐雾等的侵蚀，大幅提高武器装备的抗腐蚀能力；石墨烯良好的密闭性，不透气透水，且能抑制细菌滋生，可用于制作战地医疗物品、军用食品包装袋等；石墨烯的薄层结构对固体、气体、离子都有着很高的吸附容量，可用于战场污染物的清理，从而降低对生态环境的损害。

结 语

石墨烯的问世不过短短的十余年光景，但其独特的二维晶体结构和优异的物理、化学特性，使它迅速成为众多领域的研究热点，并在国防和军事等领域扮演重要角色。但是，石墨烯的更广阔利用仍面临很多问题需要解决，我们必须统筹规划，精心布局，紧紧抓住石墨烯研发和产业化所带来的重大发展机遇，努力掌握未来科技竞争的制高点。

四、颠覆未来作战的前沿技术系列之超材料

超材料是通过在材料关键物理尺寸上的结构有序设计，突破某些表观自然规律的限制，获得超出自然界原有普通物理特性的超常材料的技术。超材料是一个具有重要军事应用价值和广泛应用前景的前沿技术领域，将对未来武器装备发展和作战产生革命性影响。

新型材料颠覆传统理论

尽管超材料的概念出现在2000年前后，但其源头可以追溯到更早。1967年，苏联科学家维克托·韦谢拉戈提出，如果有一种材料同时具有负的介电常数和负的磁导率，电场矢量、磁场矢量以及波矢之间的关系将不再遵循作为经典电磁学基础的“右手定则”，而呈现出与之相反的“负折射率关系”。这种物质将颠覆光学世界，使光波看起来如同倒流一般，并且在许多方面表现出有违常理的行为，例如光的负折射、“逆行光波”、反常多普勒效应等。这种设想在当时一经提出，就被科学界认为是“天方夜谭”。

随着传统材料设计思想的局限性日渐暴露，显著提高材料综合性能的难度越来越大，材料高性能化对稀缺资源的依赖程度越来越高，发展超越常规材料性能极限的材料设计新思路，成为新材料研发的重要任务。2000年，首个关于负折射率材料的报告问世；2001年，美国加州大学圣迭戈分校的科研人员首次制备出在微波波段同时具有负介电常数和负磁导率的超材料；2002年，美国麻省理工学院研究人员从理论上证实了负折射率材料存在的合理性；2003年，由于超材料的研究在世界范围内取得了多项研究成果，被美国《科学》杂志评为当年全球十项重大科技进展之一。此后，超材料研究在世界范围内取得了多项成果，维克托·韦谢拉戈的众多预测都得到了实验验证。

现有的超材料主要包括：负折射率材料、光子晶体、超磁材料、频率选择表面等。与常规材料相比，超材料主要有3个特征：

一是具有新奇人工结构；

二是具有超常规的物理性质；

三是采用逆向设计思路，能“按需定制”。

负折射率材料具有介电常数与磁导率同时为负值的电磁特性，电磁波在该介质中传播时，电场强度、磁场强度与传播矢量三者遵循负折射率螺旋定则，因此存在负折射效应、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射和理想透镜等多种奇特物理现象。负折射率材料的实现使人类具备了自由调控电磁波的能力，这对未来的新一代通信、光电子/微电子以及隐身、探测、强磁场、太阳能和微波能利用等技术将产生深远的影响。

光子晶体是指具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构，是一种介电常数周期性分布的电介质复合结构，可以阻止某一种频率的光波在其中的传播。由于光子晶体具有固有的频率选择特性，被认为是未来的半导体，对光电子、光通信、微谐振腔、集成光路、红外/雷达隐身等领域将产生重大影响。



部分超材料示例

“电磁黑洞”是一种采用电磁超材料制造的人工黑洞，能够全向捕捉电磁波，引导电磁波螺旋式行进，直至被黑洞吸收，使基于引力场的黑洞很难在实验室里模拟和验证的难题迎刃而解。这一现象的发现，不仅将为太阳能利用技术增加新的途径，产生全新的光热太阳能电池，还能应用于红外热成像技术，大幅度提高红外信号探测能力。



频率选择表面是由大量无源谐振单元组成的单屏或多屏周期性阵列结构，由周期性排列的金属贴片单元或在金属屏上周期性排列的孔径单元构成。其可对不同频段的入射电磁波进行有选择性的发射或传输，已被广泛应用于微波天线和雷达罩的设计中，也可用于反射面天线的负反射器，以实现频率复用 ，提高天线的利用率。

巨大价值引发全球关注

超材料研究的重大科学价值及其在诸多应用领域呈现出的革命性应用前景，使其得到了美国、欧洲、俄罗斯、日本等国政府，以及波音、雷神等机构的强力关注，现在已是国际上最热门、最受瞩目的前沿高技术之一。2010年，美国《科学》杂志将超材料列为21世纪前10年自然科学领域的10项重大突破之一。当前，国外的研究领域己涉及超材料基本原理和特性、超材料实验验证、超材料设计、超材料加工制造和超材料的应用。

美国国防部长办公室把超材料列为“六大颠覆性基础研究领域”之一（请参阅：【科技资讯】美国国防部瞄准未来六大颠覆性基础研究领域），美国国防部专门启动了关于超材料的研究计划；美国空军科学研究办公室把超材料列入“十大关键领域”；美国最大的6家半导体公司英特尔、AMD和IBM等也成立了联合基金资助这方面的研究。欧盟组织了50多位相关领域顶尖的科学家聚焦这一领域的研究，并给予高额经费支持。日本在经济低迷之际出台了一项研究计划，至少支持两个关于超材料技术的研究项目，每个项目约为30亿日元（约合1.5亿人民币），同时将超材料列为下一代隐形战斗机的核心关键技术。

在多个项目的支持下，超材料技术取得了一系列新进展。例如，美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室与加利福尼亚大学合作完成了负折射率材料太赫兹频率特性的研究探索；美国加利福尼亚大学完成了利用负折射率材料精确控制光线速度和方向的研究；美国普渡大学和诺福克州立大学合作完成了负折射率材料对光线吸收的研究；2013年以来，美国陆军和普渡大学研究了在特定的电磁频谱波段具有光谱选择性的新型等离子体隐身材料；美国劳伦斯·伯克利国家实验室的研究团队制造出了全球首个非线性零折射率超材料，通过这种材料的光在各个方向都会得到增强；2014年，法国国家科学研究中心和法国波尔高等化学物理学院的研究人员通过结合物理化学组成和微流体技术，研发出了第一个三维超材料。



使用超材料的隐身衣

在超材料应用方面，有关国家和机构近年来启动了多项研究计划。如DARPA实施的负折射率材料研究计划；美国杜克大学开展的高增益天线超材料透镜研究，以及可升级和可重构的超材料研究等。此外，还有近百家美国企业获得小企业创新计划和企业技术转移资助计划资助，对超材料技术进行了大量研究和产品转化。目前，超材料领域已初步形成的产品包括超材料智能蒙皮、雷达天线、吸波材料、电子对抗雷达、通信天线、无人机载雷达等。

神奇功能改变未来作战

超材料因其独特的物理性能而一直备受人们的青睐，在军事领域具有重大的应用前景。近年来，超材料在隐身、电子对抗、雷达等领域的应用成果不断涌现，展现出巨大应用潜力和发展空间。

隐身是近年来出镜率最高的超材料应用，也是迄今为止超材料技术研究最为集中的方向，如美国的F-35战斗机与DDG1000大型驱逐舰均应用了超材料隐身技术。未来，超材料在电磁隐身、光隐身和声隐身等方面具有巨大应用潜力，在各类飞机、导弹、卫星、舰艇和地面车辆等方面将得到广泛应用，使军事隐身技术发生革命性变革。超材料实现隐身与传统隐身技术的区别是，超材料使入射的电磁波、可见光或声波绕过被隐藏的物体，在技术上实现真正意义上的隐身。

在电磁隐身方面，2006年，美国杜克大学与英国帝国学院合作提出了一种微波频段的电磁隐身设计方案，这种设计方案由10个同心圆筒组成，采用矩形开口环谐振器单元结构，实验结果证实负折射率材料用于物体的隐身是可行的。2012年，美国东北大学采用掺杂钪的M型钡铁氧薄片和铜线组合，设计和试验了可在33～44吉赫兹电磁波段实现可调的负折射率材料。美国雷神公司开发了“透波率可控人工复合蒙皮材料”，该材料采用嵌入了可变电容的金属微结构频率选择表面，通过控制加载在可变电容上的偏置电压，可以改变频率选择表面的电磁参数，从而实现材料透波特性的人工控制，可应用于各种先进雷达系统和下一代隐身战机的智能隐身蒙皮。

在光学隐身方面，2012年，加拿大超隐形生物公司发明了一种名为“量子隐身”的神奇材料。它能使周围光线折射而发生弯曲，从而使其覆盖的物体或人完全隐身，不仅能“骗”过人的肉眼，在军用夜视镜、红外探测器的探测下也能成功隐身。这种材料不仅能帮助特种部队在白天完成突袭行动，而且有望在下一代隐形战机、舰艇和坦克上应用。2014年，美国佛罗里达大学的研究团队研制出一种可实现可见光隐身的超材料，实现这一技术突破的关键是利用纳米转移印刷技术制造出一种多层三维超材料。纳米转移印刷技术可改变这种超材料的周围折射率，使光从其周围绕过而实现隐身。

在声隐身方面，2011年，美国杜克大学卡默尔教授的团队开发出一种二维声学斗篷，能使10厘米大小的木块不被声波探测到。2014年3月，杜克大学制造出世界上首个三维声学斗篷，它是一种利用声隐身超材料制成的声隐身装置，能使入射声波沿斗篷表面传播，不反射也不透射，实现对探测声波的隐身。三维声学斗篷由一些具有重复排列小孔的塑料板组成，能在3千赫兹的声波下表现出完美的隐身效果，验证了声学斗篷应用于主动声呐对抗的可行性。此外，美海军自主开发一种名为“金属水”的潜艇声隐身技术，制造一种六角形晶胞结构的铝材料，并将其纳入潜艇艇壳外覆盖的静音材料内，实现对声波引导，达到隐身目的。声隐身超材料技术的发展将对潜艇等水下装备的隐身产生变革性影响，有可能改变未来水下战场的“游戏”规则。

除了传统意义上的隐身，最近超材料在触觉隐形上也有了新的突破。2014年，德国卡尔斯鲁厄理工学院的研究人员利用机械超材料制成触觉隐形斗篷。这是一种全新的隐身技术，可以欺骗人体和探测设备的传感器。这种触觉隐形斗篷由超材料聚合物制成，具有特殊设计的次微米精度的晶体结构。晶体由针尖相接触的针状锥组成，接触点的大小需精确计算，以满足所需的机械性能。利用这种超材料制造的隐形斗篷可以屏蔽仪器或人体的触觉，如用隐形斗篷覆盖住放在桌面上的一个突出物体，虽然可见突出物，但用手抚摸时无法感到物体突出，就像抚摸平整的桌面一样。该技术虽然还在纯粹的基础物理研究阶段，但是将会为近几年的国防应用开辟一条新路。



超材料将圆柱体隐藏起来，使其无法被手指感觉到

天线与天线罩是超材料的另一个用武之地。国外众多实验表明，将超材料应用到导弹、雷达、航天器等天线上，可以大大降低天线能耗，提高天线增益，拓展天线工作的带宽，有效增强天线的聚焦性和方向性。

天线方面，雷神公司研发了超材料双频段小型化GPS天线，通过精确的人工微结构设计，可提升天线单元间的隔离度，减少天线原件之间的电磁耦合，从而使天线的带宽得到大幅拓展，其可应用于对天线尺寸要求苛刻的飞机平台与个人便携式战术导航终端。2011年2月，洛克希德·马丁公司与宾夕法尼亚大学联合开发了一种新型电磁超材料，可用于在喇叭形卫星天线上，使产品体积更小，制造成本更低，并能够显著提高航天器天线的性能。2014年，英国BAE系统公司开发出一种可用于无人机通信的超材料平面天线，可使电磁波在透过平面天线后进行聚焦，在实现对电磁波聚焦的同时保留了平面天线的宽带性能，克服了传统抛物面天线变为平面天线所带来的带宽损失、低增益等问题，同时可实现一个天线替换多个天线，减少天线的数量。这一技术突破可能使飞机、舰艇、卫星等天线的设计产生划时代的变革。

雷达天线罩方面，在美国海军的支持下，美国公司成功研发出雷达罩用超材料智能结构，并应用于美军新一代的E2“鹰眼”预警机，大幅提高了其雷达探测能力。通过采用超材料的特殊设计，该项目提供了解决传统雷达罩图像畸变的问题，同时这种超材料电磁结构质量轻，方便后期的改装和维护，极大提高了E2“鹰眼”预警机的整体性能。

导弹天线罩方面，美国雷神公司研制了基于超材料的导弹天线罩，可以使穿过导弹天线罩的电磁波不产生有效折射，有效提高导弹打击精度。

用于制作光学透镜的超材料，可以制作不受衍射极限限制的透镜、高定向性透镜以及高分辨能力的平板型光学透镜。其中不受衍射极限限制的透镜主要应用于微量污染物质探测、医学诊断成像、单分子探测等领域；高定向性透镜主要应用于透镜天线、小型化相控阵天线、超分辨率成像系统等领域；高分辨能力的平板型光学透镜主要应用于集成电路的光学引导原件等领域。2012年，美国密西根大学完成一种新型超材料透镜研究，可用于观察尺寸小于100纳米的物体，且在从红外光到可见光和紫外光的频谱范围内工作性能良好。

结 语

超材料的重要意义不仅体现在几类主要的人工材料上，最主要的是它提供了一种全新的思维方法—人们可以在不违背物理学基本规律的前提下，获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”。“一代材料，一代装备”，创新材料的诞生及发展必将会催生出新的武器装备与作战样式。诞生不久就受到全世界拥趸的“超级材料”能否成为下一个新材料传奇？不禁令人无限地遐想和期待。

五、颠覆未来作战的前沿技术系列之太赫兹技术

太赫兹波泛指频率位于红外和微波之间、0.1～10THz波段内的电磁波，处于宏观电子学向微观光子学的过渡阶段。由于处于交叉过渡区，太赫兹波既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合用微波的理论来研究。过去很长一段时间，太赫兹波段两侧的红外和微波技术的发展相对比较成熟，但是人们对太赫兹波段的认识仍然非常有限，形成了所谓的“太赫兹空白”。近年来，太赫兹波以其独特的性能和广泛的应用而越来越受到世界各国的关注，已被国际科学界公认为是高科技领域的必争之地，其研究和应用对于未来作战与国家安全将具有重大的战略意义。



不同电磁频谱及其应用

太赫兹波性能独特，蕴含巨大应用前景

太赫兹技术之所以引起科学界广泛的关注，是由于太赫兹波频率上要高于微波，低于红外线；能量大小则在电子和光子之间，与其他频率的电磁波相比，具有很多独特的性质。

高穿透性，太赫兹波对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性，可对不透明物体进行透视成像，是X射线成像和超声波成像技术的有效互补；

低能量性，太赫兹光子能量只是X射线光子能量的约1%，太赫兹辐射不会导致光致电离而破坏被检质，非常适用于针对人体或其他生物样品的检查；吸水性，水对太赫兹辐射有极强的吸收性，太赫兹波不易穿透含水物体；

瞬态性，太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒数量级，通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰；

相干性，太赫兹的相干性源于其相干产生机制，能够直接测量电场的振幅和相位，从而方便提取样品的折射率、吸收系数、消光系数、介电常数等参数；

指纹光谱，大多数极性分子和生物大分子的振动和转动能级间距都处在太赫兹波段，通过特有的光谱特征可以识别分子结构并分析物质成分，具有指纹般的惟一性，就像利用指纹可以识别不同的人一样，根据这些指纹谱，太赫兹光谱成像技术能够鉴别物体的组成成分。



太赫兹技术可用于安检

太赫兹波的独特性能给通信、雷达、电子对抗、电磁武器、医学成像、安全检查等领域带来了深远的影响。太赫兹的应用仍然在不断的开发研究当中，其广袤的科学前景为世界所公认。

军事作战领域 太赫兹波的频率很高、波长很短，具有很高的时域频谱信噪比，且在浓烟、沙尘环境中传输损耗很少，可以穿透墙体对房屋内部进行扫描，是复杂战场环境下寻敌成像的理想技术。目前，太赫兹波已能识别出50多种爆炸物；利用太赫兹波照射路面，还可以远距离探测地下的雷场分布和炸弹情况；太赫兹雷达对隐身目标、高超音速目标等具有较强的探测能力，会在军事上对现有隐身技术产生颠覆性影响；太赫兹波集成了微波通信与光通信的优点，具有传输速率高、容量大、方向性强、安全性高及穿透性好等诸多特性，可以在大风、沙尘以及浓烟等恶劣的战场环境下以极高的带宽进行定向、高保密军事通信，在军事通信应用上的前景诱人。

安全与反恐领域 太赫兹波是天生的反恐和安检“专家”，许多爆炸物及其相关成分和毒品在太赫兹波段都有指纹谱，再加上太赫兹波的非电离性、强穿透性，可使其在机场、车站、码头等人口密集区提供远距离、大范围的预警。现有金属探测器和X光安检等设备无法识别陶瓷刀具、塑料炸药等新型作案工具或武器，但这些材料在太赫兹波段的透明度较低，可以利用太赫兹成像技术有效地对隐藏在衣服下、包裹中的违禁品进行成像鉴别，同时还能保证对生物体危害极小，因此在安检和反恐领域受到各国高度关注。

检验检测领域 太赫兹时域光谱技术可用于对储油层岩石的性质及其内部构造形态进行测量，并根据测量结果对岩石类型进行区分和鉴别；太赫兹光谱仪信噪比高，可以对炸药进行无损、非电离、高灵敏度的光谱测量，适合于危化品鉴别与检测，国内外已经建立了大量有关危化品的太赫兹指纹谱数据库；利用太赫兹技术可进行食品检测，包括水含量检测、有害成分检测、禁用化学成分检测等；太赫兹三维成像还可以用于检测汽车仪表盘、建筑物内的墙后和地板材料表面完整性、瓷砖和纸张等的表面平整度、印刷电路板是否脱层等问题。

航天领域 将太赫兹探测器与光学遥感技术相结合，可以实现空间高分辨率、快速成像和波谱探测功能，空间太赫兹被动遥感技术是目前太赫兹技术在天文和深空探测领域的主流应用方向。许多欧美发达国家已经实施或计划实施太赫兹空间计划，利用空间太赫兹设备在一定程度上实现了对地球大气成分、对流层的化学性质及其动力学、温度压力等情况的科学研究工作。利用太赫兹技术可对航天器进行损伤、疲劳和化学剥蚀检查，太赫兹成像技术现已成为美国航天局用来检测航天器缺陷的四大技术之一，如利用太赫兹技术有效地检测出了导致“哥伦比亚”号惨剧的原因（外部燃料箱泡沫脱粘所致）。

生物与医学领域 太赫兹成像技术可应用于检查人体组织以发现病变区域，诊断疾病程度以及监测医疗药品的制造等；太赫兹时域光谱技术则可用于检验药品质量、测定药品成分等；由于生物大分子的振动和转动频率的共振频率均在太赫兹波段，因此太赫兹在粮食选种、优良菌种的选择等农业和食品加工行业有着良好的应用前景。



太赫兹成像装置

受到各国高度关注，多项技术逐渐成熟

随着对太赫兹价值认识的不断深入，各国纷纷加快了针对这一波段的探索，掀起一股研究太赫兹的热潮。太赫兹技术在美国得到了很大的重视和发展，2004年被列为“改变未来世界的十大技术”之一，2006年被列为国防重点科学，目前美国有多个研究机构正在积极发展此项技术。美国国防高级研究计划局（DARPA）开展了TIFT项目研究，开发安全应用方面的小型高感度太赫兹感测系统；美国劳伦斯·伯克利国家实验室开展了先进太赫兹光源以及基于新型半导体材料的太赫兹器件的研究等；美国斯坦福国家加速器实验室在开展基于加速器和基于激光等离子体相互作用的超短高峰值功率的太赫兹脉冲光源；与加州理工大学联合的喷气推进实验室已经在太赫兹远距离成像、太赫兹光谱成像生物医学应用等方面做出了突出贡献。

在欧洲，政府和企业围绕太赫兹技术的广泛应用，加强产学研合作的研发日益活跃。英国开展了WANTED项目研究，开发了l～10THz的广域半导体振动器和检波器，开展了TERAVISION项目，开发应用高功率、小型近红外短脉冲激光的小型医用太赫兹脉冲成像装置；法国实施了NANO-TERA项目，研究太赫兹波段信号处理装置。

2005年1月，日本政府把太赫兹技术确立为十年内重点开发的“国家支柱技术十大重点战略目标”之首，其标志性成果是2006年研制出的1500米太赫兹无线通信演示系统，完成世界首例太赫兹通信演示。

在各国多项研究计划的带动下，太赫兹技术取得了重要突破，为其实用化与商业化奠定了基础。

应用研究持续推进，军事价值日益显现

近年来，太赫兹应用研究发展迅速，应用范围已从基础科学逐渐向武器装备、航空航天、雷达探测、通信、反恐缉毒等方面不断扩展，在军事领域的应用持续推进，潜在的巨大价值日益显现。



太赫兹成像技术用于公共区域安全监视巡逻

开展各类目标在太赫兹频段散射特性的研究，建立相关的目标特性数据库，对于研究武器装备在太赫兹频段隐身与反隐身突防具有重要作用。美欧等国已经建立了多个太赫兹波特性实验室。其中比较典型的有美国麻省罗尼尔大学所属的太赫兹波实验室，其建立了多套连续太赫兹波实验装置，并对多种频率的目标特性进行了深入研究。丹麦技术大学的研究人员搭建了一套太赫兹准后向模拟目标散射测量系统，后向散射角约6.6°，系统测试频率覆盖了0～3THz。

利用太赫兹成像可以有效地分辨爆炸物、生化制剂以及枪支刀具等危险物品，可作为传统安检手段有力的补充，用于对危险物体和目标的预警和识别。2007年，DARPA立项资助了太赫兹成像与安全监控技术研究，该计划重点研究了太赫兹隐蔽目标探测技术及太赫兹焦平面成像应用概念设计，将太赫兹成像技术用于战场营地安全防护和公共区域安全监视巡逻。2009年，英国ThruVision公司展示了一种利用太赫兹成像技术的新型安检系统，能够在3～15米的安全距离对人群成像，并筛选出隐藏了不明物体的人员。

2013年，美国密歇根大学开发出一种光导太赫兹组件，该组件比现有器件的输入功率高出50倍，接收灵敏度高出30倍，总体性能增强1500倍，采用这种高灵敏度新型太赫兹组件，能探测更远距离、更小剂量的爆炸物和毒品。2013年1月，美国加州理工大学开发出一种低成本的微小成像硅芯片，这种芯片能够产生并发射出太赫兹波，激发出比现有器件强近1000倍的信号，成为世界上第一个集成的太赫兹扫描阵列。

与传统微波雷达相比，太赫兹雷达的波长更短，能提供更宽的带宽，能对目标实现高精度成像。太赫兹雷达发射的波束极窄，可提高对多目标的区分和识别能力。由于太赫兹雷达具有极宽的带宽，不管目标采用外形隐身或雷达吸波隐身，对它都“无处遁形”，因此它又是一种反隐身雷达。



喷气推进实验室研制的太赫兹雷达

美国在太赫兹雷达领域取得了较多成果，马萨诸塞大学、喷气推进实验室、DARPA等机构均开展了太赫兹雷达技术的研究，并通过实验对其关键技术进行了验证。2010年，马萨诸塞大学用太赫兹量子级联激光器制造了一部2.408THz的相干雷达，并对1:72的T-80BV坦克模型进行了逆合成孔径雷达成像，获得了整体轮廓清楚的坦克模型图像。2012年，喷气推进实验室利用0.675THz扫描成像雷达探测到了隐藏在厚衣服下面的聚氯乙烯管。2012年，DARPA开展“视频合成孔径雷达”项目，研制能够透过云层、灰尘和其他遮蔽物进行视频合成孔径成像的太赫兹探测雷达。2014年2月，喷气推进实验室称，其研制的工作频率0.6THz的雷达能迅速探测出25米外隐藏武器的人员。该太赫兹雷达有如此高的分辨率，是因为采用了频率调制连续波雷达技术。

其他国家在太赫兹雷达领域也有所进展。2007年，德国高频物理与雷达技术研究所研制了工作频率0.22THz的太赫兹成像雷达COBRA-220，作用距离500米，成像分辨率达到1.8厘米。2010年，瑞典查尔姆斯科技大学基于倍频链路与外差接收链路制造了一部0.34THz的太赫兹成像雷达。

结 语

太赫兹技术是一门极具活力的前沿领域，其应用非常广泛。随着科学技术的不断发展，太赫兹技术领域的新理论、新现象、新方法和新应用层出不穷。经过不懈的努力，中国已经在太赫兹技术这一“真空地带”有所建树，我们要有高度的紧迫感和责任感，努力推动太赫兹技术及其应用更进一步的发展，在这一重要战略前沿领域占据制高点和主动权。

六、颠覆未来作战的前沿技术系列之微系统技术



微系统是以微纳尺度理论为支撑，以微纳制造及工艺等为基础，不断融入微机械、微电子、微光学、微能源、微流动等各种技术，具有微感知、微处理、微控制、微传输、微对抗等功能，并通过功能模块的集成，实现单一或多类用途的综合性前沿技术。微系统是一项多学科交叉的新兴高新技术，在信息、生物、航天、军事等领域具有广泛的应用前景，对于国家保持技术领先优势具有重要意义。

1、引发武器装备重大变革

与传统装置相比，微系统由于将各种功能高度集成，因此具有微型化、成本低、性能高等优点，广泛应用于仪器测量、无线通信、军事国防、生物化学、能源环境等领域。微系统技术正处于向大规模应用转化的关键阶段，由微器件技术制造的芯片已经在诸多领域得到应用，将对武器装备发展与作战影响深远。

微系统对于武器装备发展具有革命性的影响。微系统技术将多种先进技术高度融合，将传统各自独立的信息获取、处理、命令执行等系统融为一体，能够促进武器装备微小型化和智能化，对于加速武器装备系统性能的全面提高，有效降低尺寸、重量与成本等具有革命性的影响。例如，采用微系统技术制造的导弹加速度计和陀螺仪的价格仅为原来的1/50，采用微系统技术研制的芯片级原子钟将比传统原子钟体积缩小100倍；由美国国防高级研究计划局（DARPA）主持、霍尼韦尔公司研制的“T-鹰”微型无人机已在阿富汗战场得到了实战检验，其质量仅为9千克，可飞行50分钟。

微系统技术是DARPA近十年来大力发展的现代前沿技术，对美国保持其国防科技领先优势具有重要意义。自1992年以来，DARPA微系统技术办公室已经对微处理器、微机电系统和光子元器件等微电子产品进行了预先战略投资，取得了显著成果。近年来，DARPA微系统技术办公室先后组织实施了上百项与先进微系统技术密切关联的研究开发计划，所涉及的项目全面覆盖了先进电子元器件和集成电路发展的前沿领域，例如宽禁带半导体技术、先进微系统技术、电子和光子集成电路、焦点中心研究计划、自适应焦平面阵列、光纤激光器革命、太赫兹成像焦平面技术、微机电系统（MEMS）、微型同位素电源等几十项研究计划。

为了应对新的安全挑战，DARPA微系统办公室目前已着手开发新一代微系统技术。2013年1月，DARPA和美国半导体研究联盟共同宣布开展半导体技术跨代研究，实施“半导体技术先期研究网络”（STARnet）计划。该计划的目标是，攻克影响下一代半导体技术长期性发展的全局性重大技术难题，发展新原理、新材料、新技术、新器件、新型片内微架构、新型系统集成方式和全新应用方式，使微纳电子技术发展摆脱CMOS器件的固有模式和局限，改变数十年来“依靠器件微型化提升芯片性能”的范式，使下一代半导体技术在新基础上获得更大发展空间，使美国半导体技术在未来数十年继续保持领先地位。



图 采用14纳米工艺的英特尔处理器

2、微系统关键技术取得多项突破

微系统涉及微处理器、微机电系统、微电子、微集成等多个技术领域。近年来，微系统相关技术发展迅速，微系统集成方法与工艺有了新的突破，微电子器件特征尺寸继续减小，微处理器、微射频器等性能进一步提升，碳化硅与氮化镓等第三代半导体材料器件日益成熟并进入应用阶段，为微系统技术发展提供了有效支撑。

微传感器是传感技术微型化的基础，是微系统的重要基础技术。近年来，微传感器性能不断提升，可感知对象不断丰富，在生物医学及消费电子产品等领域中得到了广泛应用，对各种传感装备的微型化发展起着巨大的推动作用。例如，DARPA近年来开展研制独立的芯片级惯性导航和精确制导系统部件，降低武器系统对GPS系统的依赖，新器件比传统惯性器件尺寸更小、重量更轻、功耗更低，其工作功率不超过几十毫瓦。

微处理器向着小线宽、低功耗、高性能、智能化方向发展。2011年，三栅晶体管结构微处理器实现量产，标志着晶体管结构从平面到立体的根本性转变，其性能提升37%，功耗降低了50%，成为半导体发展50年来最重要的突破；2013年，美国启动下一代空间微处理器项目，其目标是发展24个支持32位计算的处理器内核，支持100亿次/秒浮点运算，功率不超过7瓦，具有4～8个第三代或第四代双倍速率同步存储器端口；2014年，IBM公司宣布成功研制第二代类脑计算芯片“真北”，该芯片架构类似人脑，集运算、通信、存储功能于一体。

微系统制造工艺有了大幅提高，微电子器件特征尺寸继续减小。2014年，美国和日本先后展示了采用14纳米工艺实现的微处理器和现场可编程门阵列产品，以及15纳米工艺实现的闪存；2014年，三星公司14纳米三栅极FinFET芯片工厂已经开始批量生产，相比20纳米半导体工艺，14纳米工艺可以将处理器芯片的性能提高20%，功耗能降低35%，占用面积减少15%。借助14纳米工艺，微处理的性能在进一步提高的同时，功耗和成本有所降低。

微集成技术正在由平面集成向三维集成发展，由芯片级向集成度和复杂度更高的系统级发展。微集成技术的成熟将带动具备传感、处理、控制等多种功能的微系统快速发展，在大幅提升性能的同时，实现能耗和体积数十至数百倍的降低。在集成技术方面，开展了“三维集成电路”和“多方式异构集成”等三维集成技术研究，多个低功率、小信号、同质微电子器件的三维集成已成为标准工艺；微/光电子、微机电系统等多种器件间的集成获较大进展。DARPA在2011年启动“电子-光子混杂集成”（E-PHI）计划，目标是将高速电子直接与芯片级的光子微系统集成到一个微型硅芯片上，2014年该项目成功地在硅片上集成数十亿个发光点，发出有效的硅基激光。

微射频集成芯片实现新突破，二维光学相控阵列等新型光电集成器件问世。DARPA在“高效线性全硅发射机集成电路”项目下成功研制出首个可工作在94吉赫的全硅单片集成信号发射机系统级芯片，将原本由多个电路板、单独的金属屏蔽装置和多条输入/输出连线组成的发射机集成到了一个只有半个拇指指甲盖大小的硅芯片上，实现了硅基射频器件输出功率和效率的大幅提升，以及硅数字信号器件和射频器件的单片集成，标志着全硅系统级芯片首次达到毫米波范围。

此项技术有望为未来军用射频系统提供新的设计架构，使下一代军用射频通信系统体积更小、重量更轻、成本更低、功能更强。2013年，DARPA开发出二维光学相控阵芯片，将4096个纳米天线集成到一个硅基底上，尺寸只有一个针尖大小，该芯片的成功表明异质、异构硅基光电集成技术取得重要进展。实现这一突破的关键是：一种可以扩展以容纳大量纳米天线的设计；新的微尺寸加工工艺；将电子和光学部件集成到一块单独的芯片。

3、转化应用进入快车道

随着微系统技术不断发展，其应用领域也在不断扩展。微系统技术在导弹、飞行器、雷达、生物医学等领域应用日益广泛，产生了显著的效益。

利用微系统技术发展的微惯性测量装置具有体积小、成本低、质量轻、抗振动、抗冲击能力强和集成化程度高等优点，适用于各种武器的制导系统、光学伺服稳定机构、姿态控制系统等，对于小型飞行器导航、制导与控制领域的发展具有重要意义。国外研制的部分微型惯性测量装置已经具有战术级精度，在制导武器中开始大量应用。例如，美国诺斯罗普·格鲁曼公司制造的SiACTM加速度计，具有战术和导航两种级别的精度，已经在“先进中程空空导弹”“制导多管火箭系统”以及指挥直升机上得到应用。微处理器是微系统技术在导弹中的另一个主要应用，高性能微处理器的应用使导弹制导能力得到进一步提升。

微系统技术的发展促进了微小无人装备的发展，近期在微小无人飞行器和微型机器人等方面均取得了新进展。DARPA从2009年就启动了混合昆虫微机电计划，目的是发展可以控制昆虫运动的技术，该项目承研单位美国密歇根大学和犹他大学2012年研发出一个原型，可以让半机械甲虫通过植入方式，利用翅膀震动产生电能。2014年5月，美国洛克希德·马丁公司推出“矢量鹰”多任务微型无人机，起飞总重只有约1.8千克，其纵向剖面只有约10厘米，拥有一流的载荷、速度和航时能力。“矢量鹰”微型无人机可以在战场上根据各种任务重新配置，包括固定翼型、垂直起降型和倾转旋翼型。由于具备开放式体系结构、可重构的型式、自适应数据链以及载荷可扩展等特性，“矢量鹰”具备广泛的使用范围和较强的适应能力。

2014年，美国哈佛大学的一个研究小组开发出了一款名为Kilobot的机器人。这款机器人直径约为2.5厘米，能够与其他同种类型的机器人共同协作完成任务。机器人系统是一个由1024个Kilobot机器人组成的“团队”，可以依靠自身的振动来移动，并能与附近其他的Kilobot机器人交流。Kilobot机器人内置微处理器，能维持至少3小时的操作，带有两个振动马达，通过三个腿向左、向右或水平向前移动。

Kilobot底部配有一个广角红外收发器，可以发射光束到光滑面上，同时也可以接受相邻Kilobot反射的光束，通过这种方式实现彼此间的互动，判断彼此间的距离。同时，美国陆军研究实验室正在研发面向未来的军用微型机器人，能执行隐蔽监听和监视可疑敌对目标任务，帮助士兵和指挥员进行态势评估。美国陆军研究实验室演示验证了利用微机电系统制造工艺开发出的仿昆虫三关节腿式毫米级自主机器人系统，目前正在开发和测试毫米级的机器人腿形结构，包括压电薄膜制动器和铜薄膜分段结构，目的是用于模拟腿部动力学，使其具备移动、提升和抗冲击能力。

微系统在雷达方面得到了广泛应用，在提高雷达性能的同时大幅缩小其重量和体积。2014年10月，美国“陆军联合陆上巡航导弹组网防御传感器系统”（JLENS）系统通过关键里程碑测试，并于12月在美国马里兰州的阿伯丁地面试验场正式部署，标志着由MEMS开关组成的雷达天线已经进入应用阶段。JLENS上安装了X波段的MEMS电扫描相控阵，该天线阵面积仅0.4平方米，使用了2.5万只射频 MEMS开关，实现了±60°电扫描角度，空中探测距离超过20千米。

利用微系统技术可以制造体积非常小且具有一定功能的产品，在医疗植入、生命体征检测等生物与健康领域取得了较大进展。DARPA与美国国立卫生研究院研发了基于MEMS的“片上人体系统”，该项目基于MEMS技术开发微流体芯片来模拟人体的实际生理反应，目的是加速新药物的研发速度和效率，并提供快速检测不明物质毒性的方法。2014年1月，谷歌公司发布了一款智能隐形眼镜，可通过分析佩戴者泪液中的葡萄糖含量帮助糖尿病患者监测血糖水平，从而免去糖尿病患者取血化验的痛苦。该隐形眼镜内置上万个微型晶体管和细如发丝的天线，以无线形式发送到智能手机等移动设备上。2014年11月，美敦力公司发布了全球最小的心脏起搏器Micra，Micra通过微创方式，由腿部血管进入心脏，体积仅为传统起搏器的1/6。



图 运用微系统技术的隐形眼镜

4、结语

当前，微系统技术正从平面集成到三维集成、从微机电/微光电到异质混合集成、从结构/电气一体化到多功能一体化集成等方向发展，并正与生命科学、量子技术、微纳前沿交织融合。微系统相关产品也正从芯片级、组部件级向复杂程度更高的系统级(微型飞行器、片上实验室)等发展，成为聚集前沿科技创新发展的重要领域。微系统技术对武器系统小型化、智能化和轻量化将产生颠覆性影响，在一定程度上将改变未来战争作战模式。

七、颠覆未来作战的前沿技术系列之量子信息技术



科学家预测：在21世纪，信息科学将从经典时代跨越到量子时代。量子信息技术是量子物理与信息技术相结合的战略性前沿科技，因其建构于颠覆性的堪比相对论的基础理论—量子物理之上，从而极富神秘气质，主要包括量子通信、量子计算、量子探测等领域。量子信息技术在确保信息安全、提高运算速度和探测精度等方面具有颠覆性的影响，是目前最引人瞩目的前沿技术领域之一。正如相对论造就了核动力与核武器，量子信息技术造就的量子计算机、量子通信、量子雷达等，势必在未来重新涂抹战争的面孔。

超强能力—量子计算

传统的二进制计算技术以“0”和“1”为基础，进行二进制计算和逻辑判断，因此普通计算机中只存在两种状态。量子计算是利用量子态的相干叠加性进行编码、存储和计算的一种新兴计算技术，基本信息单位是量子比特。在信息长度都为N时，量子位的存贮容量是传统信息位的2N倍，量子计算速度是传统计算速度的2N倍。从理论上讲，一个250量子比特（由250个原子构成）的存储器，可以存储的数目达2250，比现有已知宇宙中的全部原子数目还多。



量子计算示意图

量子计算机是存储及处理量子信息、运行量子算法的装置，突出优点是存储能力强、运算速度快。传统计算机采用单路串行操作，而量子计算机采用多路并行操作，它们运算速度的差异，就如同万只蜗牛排队过独木桥与万只飞鸟同时升上天空的区别。

当前，量子计算研究受到了全世界的关注，世界主要军事国家正在以巨大的热情追寻着它。美国为推进量子计算芯片研究，启动了“微型曼哈顿”计划，这表明美国对量子计算的重视程度不亚于核武器。日本和欧洲也启动了类似计划。2014年1月，斯诺登披露美国国家安全局正在研制能破译多种密码的量子计算机，代号为“攻克难关”和“掌握网络”两个秘密项目。

迄今为止，世界上还没有严格意义上的量子计算机，但量子计算已经取得了多项重要进展。2011年5月11日，加拿大D-Wave公司发布了号称“全球第一款商用型量子计算机”的计算设备D-WaveⅠ；2013年10月，以全新超导处理器为基础的512量子比特D-WaveⅡ商用型量子计算机通过测试，开始服务于美国国家航空航天局的量子人工智能实验室，极大提高了运算速度。



商用型量子计算机D-Wave

如何产生出高纯度的硅晶体，一直是量子计算的重要问题。2014年，美国宣布研制出了世界上纯度最高的硅晶体，硅28的含量为99.9999%，解决了量子高速运算的关键问题。

在军事应用方面，量子计算具有广阔的前景：一是运用量子计算快速破译现有密码体系，对现有的以数学为基础的密钥体系形成整体颠覆，从而掌握信息主动权。破译现有密码体系，经典计算需要1000年，而量子计算只需花不到4分钟。因而有科学家宣称：“没有量子计算机的国家与拥有它的国家进行战争，就像一个瞎子和一个明眼人打架。”二是运用量子计算可以对海量情报数据进行实时分析处理，进一步提升作战评估与决策能力。三是运用量子计算可以有效解决高性能、大数据计算问题，可加快导弹攻防系统、新一代空海作战平台、军用航天装备等复杂武器系统的设计和试验进程，缩短建模仿真时间，有效提升武器装备的研发效率。

跨越时空—量子通信

量子通信是利用量子力学基本原理或量子特性进行信息传输的一种新型通信技术，主要包括量子密钥传输和量子隐形传态两种技术。

量子密钥传输量子计算颠覆了传统密码，但是同时量子信息提供了一个传输守护神，即一种理论上无法破解的密码—量子密码。量子密码利用量子态不可复制的特点，解决了密钥传输的安全问题。其具体原理是，甲方利用量子通信把密钥发送给乙方；如果在甲乙双方传送密钥的过程中，有窃听者丙方企图经由探测窃取密钥，必定会破坏粒子的量子态，从而产生误码；甲乙双方通过抽样对比就可以确认该密钥是否被窃听过；当证实密钥未被窃听后，再用这个密钥通过实施“一次一密”进行加密。量子密钥从理论上提供了一种不可窃听、不可破译的绝对安全的密码体制。因此，量子密码具有绝对安全性，它在军事上拥有广阔前景。由于量子密码具有不可破译和窃听可知性，且量子加密设备可与现在的光纤通信设备融合，因此可以用来改进目前军用光网的信息传输保密性，从而提高信息保护和信息对抗能力。



量子通信示意图

近期，量子密钥领域取得了一系列重大进展，技术日益成熟，已有部分实际应用，但传输距离依然受限。2007年，由奥地利、英国、德国等组成的联合小组创造了144千米的量子密钥通信距离纪录；2013年4月，德国研究人员采用激光束发射系统，实现了空地量子密钥传输，试验中密钥传输速率为145量子比特/秒，通信链路持续时间8分钟，误码率仅4.5%。

量子隐形传态真正意义上的量子通信是利用量子信道传送量子信息，主要依靠量子隐形传态方式实现。量子隐形传态是以量子态作为信息载体，利用量子纠缠效应，使量子态从一个地方传至另一个地方。

现实生活中，两个相距遥远的陌生人不约而同地想做同一件事，这种神奇现象可谓“心灵感应”。与此类似，所谓“量子纠缠”，是指在微观世界里，有共同来源的两个微观粒子之间存在着纠缠关系，不管它们距离多远，只要一个粒子状态发生变化，另一个粒子状态也会随即发生相应变化。量子隐形传态的基本原理是，将由一个源产生的两个相互纠缠的粒子分发到通信双方，其中一方对粒子做量子态测量，在该粒子的量子态确定的同时，通信另一方的粒子会产生感应，量子态立刻变为被测量粒子的量子态，实现信息传输。



神秘的量子纠缠现象

量子通信有着不可思议的优势。首先，信息在两位通话者之间的传输根本不需要时间，完全同步，无论这两人相隔的距离是100千米、100万千米，还是100光年。其次，量子信道中光子的信息效率，比传统信道高几十倍。最后，量子通信没有电磁辐射，任何无线电探测系统都对其无能为力，从某种意义上说，量子通信在现有理论环境中实现了绝对隐身。

在国防和军事应用方面，量子通信有着无与伦比的灿烂前景，可以利用量子隐形传输、超大信道容量、超高通信速率等特点，建立满足军事特殊需求的超光速军事信息网络，这与要求苛刻的军事通信简直是天作之合。量子通信更能够应用于深海安全通信，当前使用的对潜通信系统规模庞大，通信质量差，效率低，造价高，严重影响水下通信的质量。量子通信因其与传输媒介无关，不受海水影响，获得可靠通信所需的信噪比比光、电等传统通信手段低30~40分贝左右，为远洋深海安全通信开辟了一条崭新的途径。

目前，量子隐形传态虽然有了一些新的突破，但距离实际应用依然遥远，面临纠缠光源获取困难、传输成功率尚不能满足实用要求等问题。

无处遁形—量子探测

量子探测是利用量子纠缠和叠加特性，对物体进行测量或成像。目前，量子探测的热点主要集中在量子成像、量子雷达、量子传感等领域。虽然这些技术的成熟度较低，但是其潜在应用将对未来作战模式产生深远影响，可真正实现全天候、反隐身、抗干扰作战。

量子成像量子成像是利用量子光场实现的一种超高分辨率成像方法，基本过程是将光源产生的光束输送到两个不同的光学线性系统中，在其中一个光学系统中放置物体和点光源探测器，在另一个光学系统中只放置一个高分辨率探测器，通过将点光源探测器得到的光强度与高分辨率探测器得到的图像进行强度关联，就可以获得物体的像。由于量子成像可通过一定的手段，在没有物体的光路上得到物体的像，因此这种成像方式又被称为“鬼成像”。

由于量子成像技术受障碍物、烟尘雾霾、大气湍流等环境因素的影响较小，其在战场上的潜在应用引发了国外军事强国的关注，尤其是美国陆军，早在2003年就开始研究量子成像技术。2013年，美国陆军研究实验室申请了“用于图像增强和改进的系统与方法”的创新技术专利，该专利是关于在红外波段进行量子成像的技术。同时，美国陆军实验室还进行了距离2.33千米的红外量子成像测试，在低光和气流紊乱情况下获取了非常清晰的图像。2014年，奥地利科学院量子光学与量子信息研究所、维也纳量子科技中心和维也纳大学研究人员，开发出一种全新的违反直觉特征的量子成像技术，首次实现了无需探测光照射被拍摄物体便可获得物体图像，光不需接触被拍摄物体即可显示图像。

量子雷达量子雷达是基于量子纠缠理论，将量子信息调制到雷达信号中，从而实现目标探测的一种设备，主要包括单光子量子雷达、纠缠光子量子雷达及量子激光雷达。量子雷达的灵敏度远远高于传统雷达，可以探测到目前最先进的隐形目标。目前，量子雷达技术的相关基本理论已经成熟，但受量子雷达关键技术及器件性能的限制，技术上还处于探索阶段。量子雷达为反隐身提供了一种全新的技术发展途径，在探测隐身目标方面具有重大的发展及应用价值。

例如，如果有一架隐身飞机通过拦截光子并重新发送虚假信号实现隐身，那么只要雷达回波仅相当于一只鸟的大小，就可以掩盖自身的真实位置，但量子雷达在这一欺骗过程中可以轻易发现飞机的踪迹。2012年12月，美国罗切斯特大学研究所披露了利用量子增强型激光雷达对隐身目标进行探测的试验情况，这次试验证明了量子雷达不仅能探测到隐身飞机，还能探测到具有欺骗能力的隐身飞机。



量子罗盘

量子传感量子传感是利用量子信号对环境变化的极高敏感性，提高测量精度的一种新型传感方法。美国国防高级研究计划局正在开展的“生物环境中的量子效应”项目，利用生物环境量子效应研究电磁噪声对鸟类内部磁罗盘的干扰，有助于新兴仿生传感器、先进人造传感器的研制。2013年7月，美国陆军利用激光冷却原子的方法实现了在量子传感器领域的突破，大幅提高了全球定位系统拒止环境下的导航和探测能力。2014年，英国国防科学技术实验室开发出“量子罗盘”导航系统原型机，其具体原理是，通过把一些离子“囚禁”在超低温状态，并减少外部电波造成的影响，使被囚禁的离子仅对地球产生的电磁扰动敏感，通过测量地球产生的电磁扰动对这些离子的影响，就能以极高精度实现导航和定位功能。目前，科学家把主要精力用于将该设备的小型化，以便用于战场。

结 语

战略博弈的赢家，只能是那些见一叶而知天下秋，并立即付诸行动的智者。作为一种战略性前沿技术，量子信息技术在军事应用方面有着无与伦比的广阔前景，对于国家安全具有重大战略意义。面对量子信息技术的机遇与挑战，只有尽早规划，提前部署，才能在未来战争中占据先机和主动。正如制空权理论的建构者、意大利军事家杜黑的名言：“胜利只向那些能预见战争特性变化的人微笑，而不是向那些等待变化发生才去适应的人微笑。”

八、颠覆未来作战的前沿技术系列之增强现实技术

增强现实技术是将计算机生成的虚拟信息合成到用户感知的真实世界中的一种技术，可以实现对真实世界的增加和强化。从武器装备设计研制、维修保障、作战训练到作战指挥，增强现实技术均能大显神通。作为一项重要的军民通用前沿技术，目前增强现实技术的许多应用已经令人瞩目，随着研究和应用的日趋成熟，必将对未来作战产生深远和颠覆性的影响。

从“人适应世界”到“世界适应人”

增强现实技术是在虚拟现实技术的基础上发展起来的，该技术将计算机生成的虚拟物体、场景、声音或系统提示信息叠加到真实场景中，从而实现对现实场景的增强，增加用户对现实世界的感知。使用者不仅能够通过虚拟现实系统感受到在客观世界中所经历的，而且能够突破空间、时间以及其他限制，感受到在真实世界中无法亲身经历的体验。

增强现实技术的最大优势在于，通过真实世界和虚拟世界相互结合，使真实世界得到增加和加强，从而以新的方式大幅提升了人们认知和改造真实世界的能力，出现了从“人适应世界”到“世界适应人”的重大变化。



电影中的增强现实技术

增强现实与虚拟现实技术的主要区别在于虚拟现实技术是创造一个全新的虚拟世界出来，用户将完全沉浸于一个虚拟的合成世界中，无法看到所处的现实世界。而增强技术则是强调虚实结合，让用户看到真实世界的同时也能看到叠加在真实世界上的虚拟对象。增强现实系统中真实物体和虚拟物体必须无缝结合在一起，并能够进行交互。在增强现实的环境中，使用者可以在看到周围真实环境的同时，看到计算机产生的增强信息。这种增强的信息可以是在真实环境中与真实环境共存的虚拟物体，也可以是关于存在的真实物体的非几何信息。增强现实系统具有虚实结合、实时交互、3D定位3种主要功能，整个系统由信息输入、信息处理和信息输出3部分组成。

增强现实系统需要采用图形图像渲染技术、界面和可视化技术、跟踪和定位技术、标定技术、模式识别技术等。其中图形图像渲染技术用于渲染虚拟物体和场景；界面和可视化技术用于实现友好的人机交互界面，并将渲染的物体和场景清晰显示出来；跟踪和定位技术与标定技术共同完成对位置与方位的检测，并将数据报告给增强现实系统，实现被跟踪对象在真实世界里的坐标与虚拟世界中的坐标统一，达到让虚拟物体与用户环境无缝结合的目标。为了生成准确定位，增强现实系统需要进行大量的标定，测量值包括摄像机参数、视域范围、传感器的偏移、对象定位以及变形等。模式识别技术用于图像等特征信息的识别和提取。

增强现实技术的研究，最早可以追溯至1968年美国麻省理工学院研制出的，世界上第一台采用阴极射线管的光学透明头戴式显示器，用于实时显示计算机生成的图形，在这项研究的基础上，此后的头戴显示器在飞机、地面车辆以及舰只训练方面都取得了不俗的成绩。1986年，美国北卡大学研制出用于实现生物、化学和建筑可视化的STHMD系统。20世纪90年代，波音公司设计了一个辅助飞机线缆连接与装配的增强现实系统，工程师在该系统的指导下，完成飞机线缆的布线工作。

进入21世纪，增强现实技术发展迅速，逐步从实验室走向工程应用。2003年，欧洲Starmate系统和德国Arvika系统的研制成功，显示了增强现实技术在复杂机电系统维修装配领域的巨大应用潜力。2007年，牛津大学研究人员开发了实时追踪与绘图并行的增强现实系统。2009年，哥伦比亚大学开发了基于移动增强现实的城市设计规划辅助软件。2012年谷歌眼镜的推出以及微软2015年展示的HoloLens增强现实设备，进一步激发了全球增强现实技术研发与应用的新热潮。

经过多年的发展，各国研究者在跟踪技术、显示技术、交互技术等增强现实关键与支撑技术上不断取得突破，其应用领域也在被不断扩展。当前，随着计算机软硬件计算能力的提高，以及物联网、大数据等新一代信息技术的发展，增强现实技术已经逐步从实验室理论研究阶段开始转入大众与行业应用阶段，为人们提供了认知与体验周围事物的全新方式，被众多知名机构预测为未来最有前景的技术之一。

多领域应用前景令人瞩目

由于具有对真实环境进行增强输出的特性，增强现实技术在武器装备研制、军事作战、装备组装与维修、工程设计、数据模型的可视化、虚拟训练、医疗救护、娱乐与艺术等多个领域展示了广阔的应用前景。

在工业领域，增强现实技术可用于工业设计、复杂机械的装配、维护和维修。未来增强现实技术在工业上的发展趋势，将从工业设计、运动装配、维修过程，扩展到制造业的各个阶段，在国外的一些发达工业国，已经在开始设想增强现实技术在未来的智慧工厂中的应用。美国Marine公司使用哥伦比亚大学图形和用户界面实验室设计制造的增强现实辅助维修系统（头戴式显示器），将增强现实技术应用于装甲炮塔的制造。索尼公司的TransVision增强现实样机系统能通过头盔显示器将多种辅助信息显示给用户，包括虚拟仪表的面板、被维修设备的内部结构、被维修设备零件图等。



增强现实技术让医生在手术中能够查看隐藏的血管

在航天方面，增强现实技术在太空维修、航天员训练、辅助操作等领域的巨大应用潜力已逐渐显现出来。2009年，欧洲航天局设计了WEAR可穿戴增强现实系统，该系统使用了空间站上的工作计算机，集成了头戴跟踪与显示系统，在一只眼睛的视场中添加了三维图形与指示数据，并验证了增强现实技术在国际空间站上应用的可行性。2015年3月，美国航空航天局（NASA）宣布在未来的航天任务中使用ODG公司的智能眼镜。该智能眼镜将会被用于地面及太空中的训练，解放宇航员的双手以提高工作效率，宇航员将直接通过他们的增强现实眼镜接收重要信息和指令，以减少不必要的搜索时间。2015年6月，微软增强现实设备HoloLens获得了美国NASA的垂青，将作为Sidekick项目的关键工具，随着SpaceX公司的太空飞船登陆太空，Sidekick项目能够帮助宇航员更快适应空间站环境，从而缩短训练时间、提升任务效率。

医学领域是增强现实技术应用研究的一个新热点，利用增强现实技术可以将病人的各类信息叠加在病人身体或实物人体模型上，帮助医生进行手术方案的制定、手术时的精确定位与辅助指引、模拟的手术训练等。麻省理工学院的人工智能实验室已经进行了增强现实技术在脑外科手术中的应用研究。2012年，在欧洲航天局的资助下，比利时空间应用服务部门研制了一种新型增强现实系统——电脑辅助医疗诊断和外科手术系统，其使用立体声头戴式显示器和超声诊断工具，通过红外摄像机对患者病灶处进行跟踪治疗，可以为航天员提供即时的专业医疗诊断服务。

此外，日常生活中还有很多可以应用增强现实技术的地方，其中最典型的就是游戏娱乐、模拟装修、模拟试衣、活动演出等。索尼公司推出的EyePet游戏就是典型的相关应用。

随着移动智能终端CPU、GPU等处理器性能的提升，大尺寸、高分辨率触摸屏的使用，摄像头成像质量的提高，手机天线、无线数据传输能力的提升，以及移动智能终端相关软件应用的不断丰富，将使越来越多的移动互联网用户通过移动智能终端体验增强现实技术的魅力。

巨大军事价值日益显现

国防先进制造 通过增强现实显示设备可以实时展示和共享实物、模型、设计图纸等信息，利用多通道人机自然交互技术，使得异地、多人可以实时互动，沟通交流设计思想，修改与改进方案；增强现实技术还可为用户提供先期演示，让研制者和用户同时进入虚实结合的作战环境中操作武器系统，检验武器系统的设计方案、战术、技术性能指标及其操作的合理性；通过增强现实系统，可以将装配维修的标准工作流程指南准确地显示给用户，提高工作效率。2015年，由美国国防部牵头成立的数字化制造与设计创新机构发布了七大研发项目，其中之一就是“基于增强现实和可穿戴计算的生产车间布局”。

武器装备综合维修保障 将增强现实技术用于装备维修中，可以直接在实际设备中添加多种信息，一步一步地提示技术人员应该做什么以及如何做，方便装备的维修，降低了装备拆装、保养、维修的难度，极大提高了装备保障的效率。例如，欧洲空中客车公司利用Arvika系统来解决欧洲某型战斗机布线问题，操作工人可以通过语音调用虚拟提示，轻松地按照每步的提示，完成高密度的布线工作。DART510型航空发动机应用增强现实维修系统后，其维修时间减少了56%。

战场环境增强显示 可以利用增强现实技术来增强战场环境信息，在真实环境中融合虚拟物体，可以增强真实的战场场景。美国的SIMNET系统在1995年融入了增强现实技术，通过一些特殊的头盔式显示器和测距仪，使配备该设备的战斗人员能够看见其他作战单位的增强信息。2012年，美国国防高级研究计划局在“士兵视觉增强系统”项目下开始研发一种隐形眼镜，该隐形眼镜可以增强作战人员的正常视力，佩戴该隐形眼镜的作战人员可以看到虚拟的、增强现实的图像，整个过程无需借助庞大笨重的仪器。近年来，美军开发了“战场增强现实系统”，该系统包括可穿戴式增强现实系统和三维交互命令环境，其系统样机已实现了指挥中心与各战斗员之间的信息传输，未来将满足城市作战中提供单兵环境位置及协同信息的需求。



使用增强现实眼镜的海军陆战队员

航空作战环境感知 利用现实增强技术，在飞行员座舱的前方玻璃上或者他们的头盔显示器上，可将矢量图形叠加到飞行员的视野中，不仅能向飞行员提供导航信息，还提供了包括敌方隐藏力量的增强战场信息。2011年，泰莱斯公司在巴黎航展上展示了基于增强现实技术的“顶点猫头鹰”头盔瞄准显示器，该系统可直接将相关信息投影于驾驶员的头盔取景器上，为其提供直升机周边虚拟的画面，使其在各类恶劣的地理和气象条件下，作战场景或目标还可以增强现实的方式加以显示。系统现已部署于位于阿富汗的法军和美军的“虎”、NH90、AH-1Z“眼镜蛇”等直升机上。

美军近期即将为F-35战斗机配备多功能头盔，除了传统的供氧作用外，该头盔还拥有通信联络、信息显示和武器瞄准等多种功能，其中最具特色的部分就是采用了先进的传感技术，通过分布在机身的高清和红外摄像机，做到360°观察机身周围。该头盔还采用了增强现实技术和头部跟踪系统，飞行员头转向哪一方，头盔便会显示该方向的即时态势。英国BAE公司正在研制“可穿戴式驾驶舱”，通过该系统飞行员将会看到增强现实的图像，替换了以往作战飞机中的物理图像和控制信息。

军事训练与演习 增强现实技术可以为部队的训练提供新方法，通过增强的军事训练系统，可以为军事训练提供比传统训练和演习更加真实的战场环境，进一步提升军事训练的实战化水平。2014年，美军展示了“增强现实沙盘”系统，该系统可直观反映战场真实地形地貌，使作战人员能身临其境地了解作战地形，这将对未来作战演练、兵棋推演等产生重大影响。2015年6月，美国海军陆战队在弗吉尼亚州展示了一种能够模拟战场环境的增强现实眼镜，并将其接入到了名为“增强沉浸式团队训练器”的大型训练系统当中，全套系统集成了武器、望远镜和其他可能出现在战场上的物理装备。

战场作战指挥 将增强现实技术应用于联合作战指挥系统中，可以允许各级指挥员同时观看、讨论战场以及与虚拟场景交互，实现整个战场信息的高度共享，这将更有利于各级指挥员快速、正确理解上级意图。通过增强的作战指挥系统，指挥员能实时掌握各个作战单元的情况，有利于指挥员及时做出正确的作战决策。

结 语

国外媒体将增强现实技术列为2014年十五大科技发展趋势之一，2015年，增强现实的相关应用全球下载量预计将高达14亿次，较2010年增长超过100倍。未来，通过技术的突破，内容的精良化，沉浸式虚实融合的有效互动，硬件设备性能的完善，再加上云计算和云存储的发展，增强现实的研究和应用将日趋成熟，必将在军事领域产生深远的影响。