人体效能增强技术军事应用前沿进展

郭 栋，范维佳，靳 兴，李 伟

未来战场中持续高强度作战行动、复杂多样化军事任务和残酷恶劣的战场环境对军人作业能力提出新的挑战，促使国内外不断强化人体增强技术在军事及灾害救援领域的应用研究。人体效能增强（Human Performance Enhancement，HPE）是指综合利用生物、信息、机械、遗传等领域的技术作用于人类机体，增强或拓展军人在体能、技能和智能等方面的能力的干预措施[1]。2012年，美国国防部技术评估办公室将HPE技术视为具有改变战争规则价值的未来五大颠覆性技术之一，这引起世界各国对HPE技术的高度关注。目前，HPE技术已成为世界各国军事医学战略前沿技术主攻方向和突破口。

1 脑力增强，提高战场认知

1.1 使用神经性刺激药物 在未来以智能化为特征的高科技战争，作战人员的智力、脑力和决策力将成为影响军事行动成败的关键因素。利用兴奋抗疲劳等神经性药物刺激大脑，一直是早期脑力增强研究的主要技术手段[2]。如在20世纪90年代初的海湾战争“沙漠风暴”行动中，部分美国飞行员就曾多次服用右旋安非他命，以保持飞行期间的清醒和警觉状态[3]。莫达非尼同样具有促觉醒和保持清醒状态作用，但也有一定副作用。目前美、英等国外军队正在使用或探索使用莫达非尼等药物应对高强度连续作业任务，并将其视为执行夜间轰炸任务等疲劳作业的标配。美国研究专家[4]对比了安非他命、莫达非尼和大剂量咖啡因在睡眠剥夺模型中的作用，发现上述药物都能维持士兵的72 h清醒，其中右旋安非他命对中枢神经系统的兴奋作用最强，莫达非尼其次，咖啡因最弱。但由于右旋安非他命具有成瘾性，随着睡眠剥夺时间的延长，高级皮层功能受损越来越显著，故一般不作为首选[4]，而莫达非尼改善操作能力和警觉的效果优于咖啡因，对抗疲劳的持续时间长于相同剂量的咖啡因，故被认为是中枢兴奋药的首选。此外，研究发现通过使用神经兴奋性药物所获得的能力不够稳定，需要不断加以训练以维持和稳固效果[3]。

1.2 使用电磁声光信号刺激 利用电、磁、声、光信号刺激大脑也是当前军事脑科学研究的重点方向，包括经颅直流电刺激（transcranial Direct Current Stimulation，tDCS）、经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation，TMS）、脑深部电刺激（Deep Vrain Stimulation，DBS）、低强度聚焦超声、声遗传、光刺激和光遗传等技术。研究显示，tDCS技术由于其无创性和大范围改变神经活动的特性，获得越来越多的关注[5]，可以提高士兵的学习效率、增强记忆力和警觉性。为增强特种作战士兵在战场上执行任务的能力，2016年美国国防部启动了一项“透颅脑部电子刺激”技术研究，海豹特种部队志愿者参与了该技术的测试，显示出良好的效果[6]。近期，在美国空军一项研究中，研究人员发现tDCS能提高图像分析师的约25%视觉搜索精度，还可提高多任务处理能力，这被认为是未来军事行动中一个越来越重要的能力素质[6]。与tDCS不同，DBS等直接的神经电刺激更聚焦于局部的神经元活动，刺激参数更为精细可调，对部分适应症具有显著的临床疗效[5]。

1.3 使用脑机交互技术 脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）是在人与外部设备间建立直接连接通路，通过将从头皮或皮层神经元记录得到的脑电活动作为输入信号，然后经过信号处理辨别出人的意图，最后把人的思维活动转换为命令信号，以实现对外部设备的控制。通过脑机接口技术实现大脑与外部设备的交互，称为脑机交互。目前在美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）神经科学研究项目中，神经科学与脑机接口是其研究的重点领域，覆盖了感觉知觉、运动神经、外周神经、中枢神经等不同接口技术，旨在增强士兵的认知和决策等能力，大幅提升脑机交互和脑控技术。2012年DARPA启动代号“阿凡达（Avatar）”的项目，预期通过人脑远程控制无人机或机器人实现远距离作战，使士兵远离战场危险。2016年美国空军研究实验室利用国际商用机器公司（International Business Machines Corporation，IBM）研发的“神经形态仿人脑芯片”，在雷达生成的航空影像中成功甄别出了军用车辆和民用车辆。当前人机接口技术多是植入或者连接到大脑感知和运动皮质层的电极，所以试验只能局限于那些存在各种不同程度瘫痪的志愿者[7]。2019年DARPA生物技术办公室提出重点开展“下一代非侵入性神经技术”（Next-Generation Nonsurgical Neurotechnology，N3）”项 目，旨在研发非侵入式以及微创侵入式两种神经接口，利用光学、声学和电磁等技术，高速、高分辨率地记录神经活动并发送大脑的神经信号，通过多点同步读写和非侵入性手段，建立大脑和系统间的高水平通信，提高战场人机交互效能。

2 视听增强，突破感知屏障

2.1 视觉增强技术 在战术行动中，良好的视觉对于提高对敌侦察能力具有重要作用，是作战人员最重要的感知器官之一。视觉增强研究领域关注的重点主要集中在：一是眼内植入技术，主要是通过光敏微芯片等眼内植入物，恢复伤员受损视力。2013年来自德国图宾根大学的研究人员开发出了一种光敏微芯片，通过手术植入眼内，能使罹患视网膜色素变性（Retinitis Pigmentosa，RP）退行性疾病的盲人重见光明[8]。严格来说，目前该技术更多是实现视觉“修复”而非“增强”。近年来，研究人员发现通过上转换纳米颗粒（Upconversion Nanoparticles，UCNPs）靶向技术对老鼠进行了视觉增强，让它们能够在保持正常视力的同时看到红外线，这意味着该技术或可用于发展士兵的“裸眼观测红外”能力[9]。二是视觉增强装置，利用先进的视觉增强可穿戴设备技术，如隐形眼镜、夜视眼镜或智能眼镜等，可突破视觉屏障，了解原来无法直接观察的战场环境，让士兵成为“千里眼”。DARPA在“士兵视觉增强系统”项目下着手研发一种隐形眼镜，可使作战人员无需借助庞大笨重的仪器就可以看到虚拟的、增强现实的图像，甚至可为步兵综合提供夜视、导航、瞄准等功能。美国研究人员发现，在隐形眼镜中嵌入可感应光子的石墨烯，不仅能使昏暗的图像看起来更明亮清晰，同时佩戴更加轻便，并有望取代传统军人头盔上笨重的夜视镜[6]。近年来，随着以HoloLens谷歌眼镜为代表的智能眼镜技术的发展，眼动跟踪技术的军事应用成为现实。2019年，美国陆军开始使用HoloLens 2进行军事训练和作战，下步还将开展集成视觉增强系统（Integrated Visual Augmentation System，IVAS）研究，通过先进的感知技术及虚拟现实手段，增强士兵态势感知。英国皇家空军将眼动操作系统和视野目标捕捉跟踪技术应用于空中军事作战，使飞行员锁定敌机目标效率得到显著提升[10]。

2.2 听觉增强技术 除了视觉能力的增强，听觉也是人体效能增强的重要内容之一。对于在战场上频繁遭遇简易爆炸装置（Improvised Explosive Device，IED）或路边炸弹袭击的作战士兵来说，各种爆炸声、强噪音极易造成听力损害，甚至会危及生命以及造成创伤后应激障碍。因此，美军开始为士兵配备了一种名为战术通信保护系统（Tactical Communication and Protective System，TCAPS）的智能耳机，可以在作战中保护士兵的听觉。这种耳机可以软化或降低噪音、爆炸声音的强度，不会影响作战指令的传达，甚至还能放大环境中细碎的声音。加拿大军队也有类似项目，其正在研发的“电子直通听力保护装置”项目，不仅可过滤掉环境噪声还可增强语音信号。人工耳蜗是一种可恢复或重建聋人听觉功能的电子装置，各国医疗机构均将人工耳蜗或助听器作为治疗重度耳聋至全聋的常规方法。2013年5月美国普林斯顿大学利用3D打印技术制造出世界第一个仿生耳，其内置助听器可以接收声波与超声波信号，使伤员恢复听力，甚至可“听”到超出正常人接收范围的无线电频率。美国杜克大学科学家发现了小鼠大脑中存在从大脑运动皮层到听觉皮层直接连接的内置噪声消除回路，可使大脑学会对可预测的自发运动声音进行消除并避免做出反应。这一发现对于战场作战人员更好区分敌我同时产生的声音，进而隐蔽自己发现敌人具有重要意义。总体来看，现有的如陆军战术通信保护系统以及人工耳蜗置换术，虽对听力有一定的保护和恢复作用，但并不能为作战人员提供增强能力，美国下一步计划开发一种替换或修改中耳骨和耳蜗的技术用于增强士兵听觉能力。

3 体力增强，提高作业效率

3.1 营养膳食补充剂或药物 战区作战人员因为较普通军人经受更多的身体和认知双重压力，例如高海拔反应、长期缺乏睡眠、超负荷、食品供给艰难以及特殊环境等，大多数人会选择营养补充剂增强其部署期间的作业效能。美国海军医学研究中心调研发现，海军海豹突击队中有78%军人应用各种各样的营养补充剂[9]。Arsenault等对美国陆军特种部队2215名军人进行调研，也发现85%的人有摄入营养补充剂史。在营养补充剂使用者中，有27%的人使用肌酸。这是由于肌酸不被视为兴奋剂，没有副作用，还可能有助于认知、骨骼健康和神经肌肉功能。体力也可以通过药物补充剂来增强，如增强运动能力的药物（Performance Enhancing Drug，PED），包括来自睾丸激素的合成代谢类固醇。在2008年，2.5%的军人报告使用过类固醇，它被证明可以增加5%～20%的力量[2]。20世纪80年代以来，美国开展了一系列特殊作业环境下自体血液再输注的研究，研究表明，自体血液再输注对耐力和高海拔与水下作业的生理能力具有显著增强作用。血液兴奋剂增加了士兵的红细胞计数，使氧摄入量提高了10%，进而使士兵的体能更持久[9,11]。

3.2 穿戴式外骨骼 随着机械动力、人机耦合、生物仿生和生物信息等技术的发展，增强士兵负重力和耐力、提高行进速度和其他基础运动能力，为士兵的持续作战提供保障，是陆军提高单兵作战能力的一大研究方向。外骨骼是一种可穿戴的机电一体化设备，能够感应人体主动活动并对其做出反应，通过能量转换增强穿戴者的力量、速度、耐力等，实现人机多自由度、多运动状态的运动辅助。美国DARPA在2000年启动了“增强人体体能外骨骼（Exoskeletons for Human Performance Augmentatio，EHPA）”计划，将外骨骼机器人的军用研究推向高潮。近年来，美、英、法、俄、澳等国军队陆续启动了一系列军用外骨骼项目，以增强士兵的作战能力[12-13]。目前典型的外骨骼机器人包括美国的第二代XOS全身外骨骼、人体通用负重外骨骼（Human Universal Load Carrier，HULC）、伯克利下肢外骨骼系统（Berkeley Lower Extremity Exoskeleton，BLEEX），英国“矫正负重辅助装置”和法国“大力神”可穿戴外骨骼。以BLEEX下肢外骨骼系统为例，它主要由燃料供给及发动机系统、控制及检测系统、液压传动系统及外骨骼机构等构成，可保证穿戴者以4.8 km/h的速度背负90 kg重物连续行走超过1 h[14]。此外，DARPA还组织研制了一款可穿戴在士兵作战服里面的轻质、柔性外骨骼“勇士织衣”，在不充电情况下可持续工作24 h，并减少25%的人体代谢消耗，进而提高单兵在复杂环境的灵活行动和持久作战能力。澳大利亚2018年10月披露的“未来战士”士兵系统配备的新型作战服集伪装、防弹和救护等功能于一体，可采用毫秒级响应速度的特殊形状记忆纤维，可对人体受伤部位加压止血，有效减少失血量。近年来研究发现，可穿戴式机械外骨骼在地震救援领域中显示出重要应用价值，不仅可以提高搜救人员的单兵搜救能力，同时可以很大程度上提高搜救人员的搜救效率，降低被困人员的伤亡[15]。

3.3 动力仿生装备 除了人体外骨骼系统外，还有一些动力仿生设备可以提高人类运动能力。美军已将仿生材料列入了21世纪“新一代国防”优先发展的五大类材料之一，仿生机械也成为新型装备研发的重要策略。如美军联合西佛罗里达大学研发的“aquasuit”潜水服，模仿海豚和海龟等海洋生物运动原理，通过推进器可让潜水者在深海底下持续作业；DARPA资助美国斯坦福大学研发的Z型人项目，通过仿照壁虎脚趾研制的新型黏合剂，可让人类也能利用这种“仿生壁虎脚”飞檐走壁，在2014年的一次演示活动中，一个体重100 kg的人，借助于一副简单的手套，轻而易举爬上8 m高的玻璃墙。德国特殊降落伞和物流联盟研发了一种可穿戴式的动力滑翔系统“狮鹫翼装”，空重约30 kg，翼展比为5：1，能够滑翔15 min及40 km左右的距离。近期，我国学者模仿鼹鼠“触嗅融合”感知特点，研发出一种“触嗅一体仿生智能机械手”，可在人体被瓦砾石堆覆盖的场景下，协助开展应急救援，据报道，该智能机械手能对包括人体在内的11种典型物体进行识别，准确率达96.9%[16]。可以预见，随着外骨骼装备和动力仿生装备不断朝着高度智能化、微型化、安全可靠以及柔性化发展，以及与数字化单兵系统的深度交织融合，未来士兵的负重力、行动力及耐久力将更加坚韧，形成更加强大的单兵作战能量。

4 基因增强，打造超级士兵

近年来，随着基因组学、遗传学、代谢组学和分子生物学等技术手段的发展，在基因层面和分子水平提高士兵综合能力成为外军研究和关注的热点。基因编辑技术，是通过对特定 DNA片段的敲除、插入等来实现基因编辑的一种生物科学手段，在人体机能强化领域前景广阔。特别是2005 年出现的“魔剪”规律间隔成簇短回文重复序列（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，CRISPR）技术发展势头非常迅猛，开启了人类基因编辑的新纪元，并被认为对国防军事的影响是巨大的[17]。2017年以来，DARPA 启动“基因组防护技术”，旨在开发可调节人体各生物系统的药物介入措施，以快速、全面优化作战人员体质和耐力[18]。据美国媒体2019年10月报道，美国国防部的某个机构，正在寻找一种改变人体生物特性的方法，力求在未来可能出现的化学、细菌战中，让军事人员能够对这些攻击免疫，并在一定程度上增强他们的作战能力。2018年8月在澳大利亚国防部举行的新兴破坏性技术评估研讨会上，专家设计提出可通过引入新基因或编辑现有基因增强人类身体的任何部分，如让人类拥有能够在红外线下看东西的眼睛，增加血液含氧量，让耳朵能够听到超高或超低音频，从而提高军事人员的作战能力。研究人员还提出，通过代谢工程改造特定的生化反应、引入新的生化路径、定向改进细胞过程等增加腺苷三磷酸（Adenosine triphosphate，ATP）的合成，可以从细胞代谢层面提高士兵的耐力和体力。但是，由于基因编辑技术会对人体脱氧核糖核酸（DeoxyriboNucleic Acid，DNA）造成永久性改变，在一定程度带来潜在不可预知的后果，为避免该问题发生，据报道，DARPA已宣布启动“保护性等位基金及应答因子的预先表达”项目，研究如何在人体受到威胁时通过给与暂时性刺激来增强机体防御能力，而无需对基因组进行任何永久性编辑修改，从而以一种更安全的方式增强机体对健康威胁的免疫能力。

5 小结

从膳食、药物、谷歌眼镜、助听器到外骨骼、仿生装备，再到基因编辑、蛋白组学等，外军在人体效能增强领域的研究不断深入，认为其可能是改变战争规则价值的潜在颠覆性技术，侧面也反映了人是战场上最宝贵资源的认知和理念。除了应对高强度军事行动压力和复杂战场环境，人体效能增强技术在未来恶劣偏远环境中执行人员搜救或灾害救援也显示出重要价值。然而，要清醒认识到，人体效能增强技术的快速发展与相关政策制定的滞后可能导致相关伦理、法律和社会问题，必须要科学利用好这把“双刃剑”，在技术研发前做好充分的战略论证和风险评估，使其发挥最大效能。