世界军用生物交叉技术发展浅析

刘杰　王韬　张丽平

当前，世界军用生物交叉技术发展速度明显加快。美国国家科学院、工程院与医学院发布《保护生物经济》报告，展望生物交叉经济发展趋势及相关风险。美国兰德公司发布《脑机接口：军事应用与影响的初步评估》报告，探索脑机接口技术在当前和未来的作战价值、相关弱点与风险，以及技术部署之前应制定的政策规范。欧盟委员会发布《生命科学中的跨技术方法交叉发展》报告，旨在指导和促进生物科学中的交叉技术发展。俄罗斯、亚太地区多国重视军用生物交叉技术发展。

各国积极探索生物计算新概念新技术

生物计算是当前推进军用生物交叉技术创新的基础性使能技术。通过大规模、多类型的数据和信息的存储、管理、获取和计算技术支撑，生物计算技术为军用生物交叉技术创新提供必要、高效的数据支撑。以美俄为首的军事强国正通过多个项目推动生物芯片和生物存储技术研究。

俄罗斯与多国合作提出新型生物芯片概念。2020年6月，俄罗斯罗巴切夫斯基州立大学与多国科学家合作，提出了一种“忆阻性神经混合芯片”的概念，这种芯片可用于紧凑型生物传感器和神经假体。该概念是基于神经细胞和微流体技术组合的前瞻性解决方案，这种解决方案使“空间有序活动神经网络”的植入成为可能。

美国利用蚕丝蛋白实现高容量生物存储。2020年8月，美国纽约州立大学石溪分校与德州大学奥斯汀分校等高校合作，实现了基于蚕丝蛋白的高容量生物存储技术。这种存储技术以生物兼容性好、易于功能化、降解速率可控的天然蚕丝蛋白作为信息存储介质，近场红外纳米光刻技术作为数字信息写入方式。

生物传感技术实用化程度不断提高

生物传感是使用对生物物质敏感的传感器将物质浓度转换为电信号进行检测的技术，主要实现感受、观察、反应三个功能，广泛应用于医学、生物芯片、环境检测、军事监测等领域。美国等军事科技强国正着力推动生物传感技术向着实用化方向迈进。

美国研发新型生物传感材料实时监测环境变化。2020年6月，美国塔夫茨大学的研究人员通过在可穿戴衬底上印刷具有生物活性的高精度生物传感结构从而实时进行生物分子的局域化检测。当周围环境发生变化或释放特定分子时，具有生物活性的传感材料可以与之发生反应，从而发生颜色变化。

美DARPA持续推进水生生物传感器项目以监视水下区域。2020年9月，美国防高级研究计划局（DARPA）持久性水生生物传感器（PALS）项目进入第二阶段，预计将持续到2021年11月。该项目于2018年2月公布，旨在开发新型传感器系统，用于探测和记录大石斑鱼等海洋生物的行为，并对其进行解释，以识别、表征和报告在战略水域作业的有人/无人潜水器。这种技术将增强美国现有的基于硬件的海上监视系统的能力，极大地扩展美军水下监视能力的范围、灵敏度和寿命。

美DARPA设立仿生海岸防护项目强化沿海基地。2021年6月，DARPA在2022财年申请预算中新增仿生海岸防护项目，该项目以持久性水生生物传感器项目积累的技术为基础，旨在开发人造与生物混合的、具有可持续性的珊瑚礁结构，为美国在低洼沿海地区的基地提供防护。

持久性水生生物传感器项目概念图

脑机接口技术热度猛增，前沿突破持续涌现

脑机接口是指在人或动物大脑与外部设备之间创建直接连接，实现大脑与设备信息交互的技术。脑机接口因具有颠覆性的军事用途和开创性的医疗用途，近年来得到世界主要军事强国及创新型企业的高度关注，并取得了一系列突破性成果。

美国使用极细微型导线传递脑电信号。2020年3月，美国斯坦福大学的研究人员开发出一种新设备，可以将大脑直接连接到硅芯片上。该设备将一束比人类头发还细的微型导线插入大脑，并将导线直接连接到外部硅芯片上，芯片可以记录通过每根导线传递的脑电信号。与现有设备相比，该设备可以记录更多的数据，而且侵入性更小。研究人员在大鼠的视网膜细胞上進行了测试，得到了有意义的信号。

美国通过脑机接口传递视觉信息，帮助盲人恢复视力。2020年5月，美国贝勒医学院的研究团队在国际顶级期刊《细胞》上刊登了一项研究成果，通过脑机接口技术，使用动态电流刺激大脑皮层，将视觉信息直接传递给大脑，帮助失明患者绕过受损的眼部和神经，恢复视力。

美空军利用脑机接口提取脑信号确定人脑学习状态。2020年10月，美空军研究实验室宣布，与微软研究院、麻省理工学院林肯实验室等多个行业合作伙伴共同开发“个性化神经学习系统”，创建人脑和计算机之间的接口，通过实时提取脑信号和其他生理数据确定人脑学习状态，以提高飞行员学习和快速有效决策的能力。

美国首次完成人类使用无线高带宽脑机接口实验。2021年4月，美国布朗大学的研究人员展示了人类首次使用高带宽无线脑机接口的场景。该系统可以以单神经元分辨率和全宽带保真度传输脑信号，而无需与解码系统进行物理绑定。这是迈向完全可植入皮质内脑机接口系统的重要一步。

美国神经连接公司成功进行猴子通过侵入式脑机接口玩游戏的实验。2021年4月，埃隆·马斯克创办的神经连接公司展示了一只猴子通过脑机接口系统LINK V0.9玩电子游戏的场景。该系统具有体积小、排异反应小、信号采集通道数量多、可无线通信和充电，实用化程度高的优点，为加速实用型“脑控”系统研发奠定了基础。预计该设备可用于解决许多神经系统问题，例如记忆力减退、中风和成瘾等，目前已获得美国食品药品监督管理局许可，有望在短期内开展人体试验。在此之前，神经连接公司曾于2020年8月将侵入式脑机接口系统植入猪的大脑并获得了清晰的脑电信号。

兰德公司《脑机接口：军事应用与影响的初步评估》报告封面图

Festo 公司开发的仿生雨燕

美国使用脑机接口传递文字信息，速度可媲美正常打字。2021年5月，斯坦福大学研究人员研发出新型脑机接口，可将人类大脑中想象的“笔迹”转为屏幕文本，准确率超过99%。该设备每分钟能准确转换90个字符，速度可以与正常手写或在智能手机上打字相媲美，比之前用眼动追踪系统打字的速度快一倍多。

军用生物交叉技术发展特点分析

军用生物交叉技术是未来科学技术的战略制高点。目前世界公认的四大科学难题包括生命起源、意识本质、物质结构和宇宙演化，军用生物交叉技术与前两者都有着密切的关系，是世界军事强国纷纷发力抢占的战略制高点。未来，军用生物交叉技术将参照生物有机体的运转方式，实现生命的半合成、生命组成的高效利用和认知记忆思考等高级神经功能的有意义解析。具有战略监测、自主可控等国防应用价值的合成生物体，将成为实验室研究层面的热点，而读脑、仿脑、控脑、脑控等技术将在特定场景得到应用。

军用生物交叉技术未来发展势头迅猛。作为军事颠覆性技术突破的重要来源，军用生物交叉技术正在向大融合、大交叉、大突破的方向发展，尤其是与机器学习、人工智能、高性能计算、微纳制造、认知神经等方法和工具结合之后，军用生物交叉技术进入了发展上升期和战略机遇期，并将在军事领域产生巨大的應用价值。目前已成为世界军事强国重点投资的国防关键技术，并不断催生新的作战样式和作战概念，未来将对军事能力生成和战争形态变革产生重要影响。

军用生物交叉技术将成为未来新兴军事科技力量。以神经科学与脑科学、生物传感与生物计算、仿生材料与仿生机械为代表的新概念生物武器正在迅速崛起，可提升或削弱作战主体的态势感知、决策评估和作战机能，以适应信息化战争下的精确战、软杀伤对军事科技的新要求。未来，军用生物交叉技术将在新型武器装备目标识别和敌友判断、智能定向武器侦察监视传感器、后勤保障装备能源供给、大型生物计算机研制、未来战士单兵可穿戴设备、生命体组织修复和战场救护等多个领域大显身手。

责任编辑：张传良