《新材料周刊》第36期：美國(guó)防部研究報(bào)告闡述“超級(jí)士兵”前沿技術(shù)進(jìn)展

昵稱35641324 2019-12-11

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美國(guó)防部研究報(bào)告闡述“超級(jí)士兵”前沿技術(shù)進(jìn)展

Graphenea推出高平單層石墨烯

美開發(fā)可用于軍用頭盔的新型填充材料

芬蘭開發(fā)由纖維素制成的光纖

美開發(fā)首款可大規(guī)模生產(chǎn)的厘米級(jí)超透鏡

新型紅外偏振相機(jī)提高軍用無(wú)人機(jī)攝像能力

可促進(jìn)水凈化和能量存儲(chǔ)的新型膜技術(shù)

美開發(fā)可兼容數(shù)字電子產(chǎn)品的碳納米晶體管

美國(guó)防部研究報(bào)告闡述“超級(jí)士兵”前沿技術(shù)進(jìn)展

11月25日，美陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部化學(xué)生物中心發(fā)布國(guó)防部研究報(bào)告《2050年半機(jī)械人士兵：人機(jī)融合及對(duì)國(guó)防部未來的影響》，探討“超級(jí)士兵”應(yīng)用的可行性、軍事用途，以及將對(duì)社會(huì)產(chǎn)生的道德、法律方面的深刻影響。美軍開展應(yīng)用層面的討論，說明了“超級(jí)士兵”研究正在走向成熟，離實(shí)戰(zhàn)化應(yīng)用越來越近。

1990年，在DARPA工作的四星將軍保羅·戈?duì)柭状翁岢觥俺?jí)士兵”的構(gòu)想，推動(dòng)DARPA從只專注于研發(fā)先進(jìn)武器平臺(tái)開始轉(zhuǎn)向士兵的戰(zhàn)場(chǎng)能力提升。“超級(jí)士兵”相關(guān)技術(shù)主要包括新材料技術(shù)（增強(qiáng)防彈衣防護(hù)能力、減輕外骨骼重量以及具有特殊功能的其他新穎材料）、電池技術(shù)（增加可穿戴設(shè)備或外骨骼續(xù)航時(shí)間）、生物技術(shù)（主要包括基因編輯技術(shù)、神經(jīng)科學(xué)、合成生物學(xué)和生物藥物等）、3D打印、機(jī)械制造和信息技術(shù)等。近年來，相關(guān)的新興技術(shù)紛紛取得突破性進(jìn)展，美軍相信在2050年能實(shí)現(xiàn)士兵在視、聽、肌肉力量以及大腦上獲得增強(qiáng)，變成具有非凡戰(zhàn)斗力的“半機(jī)械人”。

報(bào)告預(yù)測(cè)，人機(jī)增強(qiáng)技術(shù)將在2050年之前廣泛使用，并將穩(wěn)步成熟，這主要是由于民用需求和強(qiáng)勁的生物經(jīng)濟(jì)所推動(dòng)。報(bào)告中詳細(xì)列出了到2050年在技術(shù)上可行，并可作用在人身上進(jìn)行優(yōu)化的四種功能：

（一）超級(jí)視覺。增強(qiáng)眼部的成像、視覺和情景感知能力，它有兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑：一種途徑是在現(xiàn)有眼球上放置一個(gè)“眼睛增強(qiáng)系統(tǒng)”，士兵可以在其中學(xué)習(xí)如何解讀收集到的數(shù)據(jù)；在另一種情況下，眼球?qū)⒈晃锢砣〕觯⒈惶鎿Q為增強(qiáng)眼球，其收集的數(shù)據(jù)將“直接進(jìn)入眼睛后面的視神經(jīng)束”。

（二）超級(jí)聽力。目前聽力增強(qiáng)技術(shù)非常具有侵入性（物理上取代了中耳骨和耳蝸），它只適用于嚴(yán)重聽力喪失的服役人員，而且這種增強(qiáng)是不可逆轉(zhuǎn)的。但是，到2050年，新技術(shù)的侵入性可能會(huì)小得多，更容易獲得。

（三）肌肉增強(qiáng)。通過光遺傳緊身衣傳感器網(wǎng)恢復(fù)和編程肌肉控制，一套恢復(fù)服可以使疲憊的肌肉恢復(fù)活力，讓身體疲憊的士兵更快地恢復(fù)元?dú)狻?/span>在皮膚下插入傳感器，當(dāng)需要時(shí)通過刺激肌肉來幫助控制身體的運(yùn)動(dòng)。

（四）人腦神經(jīng)增強(qiáng)。腦機(jī)接口能夠?qū)⒋竽X信號(hào)轉(zhuǎn)化成直接控制外界武器和機(jī)械設(shè)備信號(hào)。DARPA通過啟動(dòng)一系列腦機(jī)接口研發(fā)項(xiàng)目，不斷推動(dòng)著該技術(shù)的突破，主導(dǎo)著技術(shù)發(fā)展方向。2019年，DARPA啟動(dòng)的“溝通+”項(xiàng)目，首次將腦機(jī)接口擴(kuò)展到脊髓接口，開拓了新的技術(shù)方向，豐富了神經(jīng)控制的途徑，或可進(jìn)一步提高士兵通過神經(jīng)控制多設(shè)備的能力。報(bào)告預(yù)計(jì)到2030年，特種部隊(duì)、軍事飛行員、無(wú)人機(jī)操作員和情報(bào)人員將開始使用神經(jīng)植入物。特殊的神經(jīng)植入物將使操作員的大腦能夠與戰(zhàn)場(chǎng)資產(chǎn)（例如武器系統(tǒng)和偵察無(wú)人機(jī)）以及“鄰近或通過中央網(wǎng)絡(luò)的分層中繼在近距離或跨距離”的人員進(jìn)行交互。（military.com網(wǎng)站12月2日消息）

Graphenea推出高平單層石墨烯　西班牙石墨烯制造公司Graphenea宣布推出高平單層石墨烯。研究人員采用化學(xué)氣相沉積法在2英寸藍(lán)寶石襯底上的銅薄膜上制備獲得該石墨烯產(chǎn)品。這種高平單層石墨烯具有極低的粗糙度（小于4 nm），主要應(yīng)用于光子學(xué)、高性能電子、磁性存儲(chǔ)器和獨(dú)立式薄膜。由于藍(lán)寶石襯底足夠堅(jiān)固，可承受機(jī)械損傷，有利于防止薄銅片撕裂和起皺，使得該產(chǎn)品可通過電化學(xué)分層或采用干法進(jìn)行轉(zhuǎn)移。該產(chǎn)品滿足晶片規(guī)模的集成要求，能夠與當(dāng)前工業(yè)制造方法兼容，可用于構(gòu)建均勻的石墨烯器件。（Graphene-info網(wǎng)站12月1日消息）

美開發(fā)可用于軍用頭盔的新型填充材料　加利福尼亞州HRL實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種新型填充材料，可替代目前用于運(yùn)動(dòng)、摩托車和軍用頭盔里面的泡沫填充物。該材料承受沖擊的能力比泡沫更好，能更好的保護(hù)佩戴者，同時(shí)兼顧舒適性。這種材料是一種“彈性微晶格”聚合物材料，具有開放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不僅可以非常有效、反復(fù)地吸收沖擊能量，而且允許熱量和濕氣通過。相比之下，傳統(tǒng)泡沫填充物頭盔的透氣性通常不是很好。沖擊性能測(cè)試表明，新型填充材料比目前性能最佳的膨脹聚苯乙烯泡沫塑料吸收的能量高27％。在反復(fù)撞擊下，它吸收的能量比頂級(jí)乙烯基腈泡沫高出48％。此外，與其他微晶格類材料相比，它在遭受沖擊時(shí)吸收的能量增加了近14％。而且，與其他同類產(chǎn)品不同的是，它在受到?jīng)_擊后仍保持完好無(wú)損且功能正常。體育科技公司VICIS已獲得該技術(shù)的許可，并計(jì)劃將其商業(yè)化。（HRL實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站11月27日消息）

芬蘭開發(fā)由纖維素制成的光纖　芬蘭國(guó)家技術(shù)研究中心（VTT）開發(fā)了一種由纖維素制成的光纖。新光纖的纖芯由纖維素制成，并使用離子溶劑進(jìn)行改性，而纖芯包層由醋酸纖維素制成。光可以在光纖中傳播，因?yàn)槔w芯被折射率較低的包層材料包圍，光從纖芯和包層的界面反射回纖芯。由纖維素制成的光纖最適合傳感器應(yīng)用，得益于纖維素可生物降解性的特性，此類光纖有望為傳感器應(yīng)用開辟新的機(jī)遇，但在電信應(yīng)用中它不會(huì)與基于玻璃的光纖競(jìng)爭(zhēng)。研究人員表示研發(fā)仍處于初期階段，暫時(shí)還不知道新光纖可以滿足的所有應(yīng)用。（芬蘭國(guó)家技術(shù)研究中心網(wǎng)站12月3日消息）

美開發(fā)首款可大規(guī)模生產(chǎn)的厘米級(jí)超透鏡　哈佛大學(xué)約翰保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）使用常規(guī)芯片制造方法開發(fā)了一種全玻璃、厘米級(jí)的可見光譜超透鏡。超透鏡主要通過納米結(jié)構(gòu)聚焦光線，可用于徹底改變顯微鏡、照相機(jī)、傳感器和顯示器的所有鏡頭。截止目前，大多數(shù)鏡頭都只有一塊閃光的大小，盡管這種尺寸的鏡頭在某些應(yīng)用中效果很好，但在弱光條件下則需要使用更大的鏡頭，如在軌道衛(wèi)星上的成像系統(tǒng)以及VR應(yīng)用中。為了能夠批量生產(chǎn)更大尺寸的超透鏡，研究人員使用了一種稱為深紫外線（DUV）投影光刻技術(shù)，該技術(shù)通常用于計(jì)算機(jī)、手機(jī)等產(chǎn)品中硅芯片中細(xì)小線條和形狀的圖案化。該技術(shù)可以在每個(gè)芯片上產(chǎn)生許多由數(shù)百萬(wàn)個(gè)納米級(jí)元素組成的超透鏡，只需進(jìn)行一次曝光即可拍攝照片。通過將納米結(jié)構(gòu)圖案直接蝕刻到玻璃表面，研究人員摒棄了制造傳統(tǒng)超透鏡傳感器所需的耗時(shí)沉積過程。這項(xiàng)研究為手機(jī)晶圓級(jí)攝像頭鋪平了道路，其中CMOS芯片和超透鏡可以直接堆疊在一起。（哈佛大學(xué)約翰保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院網(wǎng)站12月3日消息）

新型紅外偏振相機(jī)提高軍用無(wú)人機(jī)攝像能力　美國(guó)陸軍CCDC陸軍研究實(shí)驗(yàn)室與北極星傳感器技術(shù)公司合作開發(fā)了一款Pyxis紅外偏振相機(jī)。該相機(jī)在檢測(cè)雜波抑制方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，可增強(qiáng)軍隊(duì)探測(cè)和識(shí)別隱藏目標(biāo)的能力。研究人員首先將像素級(jí)偏振濾光片集成到微輻射熱計(jì)中，使相機(jī)在不存在熱對(duì)比度的情況下也可以檢測(cè)環(huán)境中的偏振對(duì)比度。而后將偏振信息與常規(guī)熱成像融合在一起，極大增強(qiáng)該技術(shù)檢測(cè)低可觀察目標(biāo)的能力，熱極化儀還能夠在完全黑暗的環(huán)境中進(jìn)行人和面部識(shí)別。研究人員計(jì)劃將該攝像機(jī)安裝在小型旋翼和固定翼無(wú)人機(jī)上，以增強(qiáng)態(tài)勢(shì)感知、武裝保護(hù)和作戰(zhàn)人員效率。（美國(guó)陸軍研究室網(wǎng)站11月25日消息）

可促進(jìn)水凈化和能量存儲(chǔ)的新型膜技術(shù)　倫敦帝國(guó)學(xué)院和愛丁堡大學(xué)研究人員合作開發(fā)出新的離子傳輸膜技術(shù)，可降低電池存儲(chǔ)能量和水凈化的成本。研究人員使用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)制造出內(nèi)在微孔性（PIM）的微孔聚合物，并改變其結(jié)構(gòu)構(gòu)件以實(shí)現(xiàn)不同的性能，促進(jìn)可再生能源的使用和存儲(chǔ)，并增加發(fā)展中國(guó)家清潔飲用水的供應(yīng)。該聚合物由具剛性和扭曲性的主鏈制成，包含極為微小的“微孔”，這些微孔提供剛性與有序的通道，分子和離子可根據(jù)其物理大小選擇性地通過這些通道。由于可溶于普通溶劑的特性，該聚合物可被制成超級(jí)薄膜，從而進(jìn)一步加快離子傳輸速度。該薄膜可應(yīng)用于液流電池中，在允許攜帶電荷在槽之間傳輸?shù)耐瑫r(shí)，防止兩種電解質(zhì)的交叉混合。研究人員計(jì)劃下一步將該技術(shù)擴(kuò)展到工業(yè)分離過程的膜、下一代電池的隔膜（例如鈉和鉀離子電池）以及許多其他用于能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)（包括燃料）的電化學(xué)裝置電池和電化學(xué)反應(yīng)器，并與電力公司合作將其產(chǎn)品商業(yè)化。（倫敦帝國(guó)學(xué)院網(wǎng)站12月2日消息）

美開發(fā)可兼容數(shù)字電子產(chǎn)品的碳納米晶體管　美國(guó)半導(dǎo)體電子公司Carbonics研究人員開發(fā)一種新型晶體管，由排列整齊的碳納米管制成，其工作頻率可達(dá)到吉赫茲，并且比大多數(shù)現(xiàn)有晶體管更容易與CMOS技術(shù)集成。研究人員開發(fā)的高頻晶體管與類似現(xiàn)有技術(shù)的主要區(qū)別在于，前者是由數(shù)千種排列整齊的碳納米管構(gòu)成，而非高維Si或III-V材料，因此具有出色的傳輸特性。晶體管中碳納米管可以使用簡(jiǎn)單的表面涂覆方法將其應(yīng)用于多種基材，有助于其與CMOS和其他半導(dǎo)體技術(shù)的集成。這項(xiàng)研究有望促使半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)生變化，然而碳納米管晶體管從原型階段進(jìn)入大眾市場(chǎng)仍需時(shí)日。

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