2016年国外前沿科技发展综述

文/凤巢

前沿科技是物化新装备、形成新能力的“孵化器”，超前谋划和抢先占领前沿技术制高点，是武器装备创新突破的重要途径。2016年，世界前沿科技探索取得了重要进展，在脑和认知、新材料、人工智能、光量子等领域，更高智能、更快速度、更大容量、更低功耗、更小尺寸、更深融合的颠覆性创新和群体性技术突破不断涌现，正在深刻影响未来国防科技与武器装备发展。

谋划新的技术方向

世界主要军事强国继续高度重视国防前沿科技发展，制定战略规划，超前部署方向，加大投入力度，创新发展模式，以保持其优势与发展后劲。

积极规划发展方向。美国发布了《21世纪国家安全科技与创新战略》、《联合作战环境2035》等战略文件，预判未来军事技术发展面临的环境和重点方向；美国科学与技术委员会发布《人工智能研究与发展战略计划》；在“第三次抵消战略”下，美国国防高级研究计划局（DARPA）重点围绕复杂系统、信息爆炸、技术突袭等推进颠覆性技术发展。日本防卫省发布了《防卫技术战略》，明确了未来20年18个领域的军事技术方向，提出了无人技术、智能与网络技术、定向能技术等改变游戏规则的技术领域。欧盟委员会发布《量子宣言》，提出2018年启动总额10亿欧元的“量子技术旗舰”计划。英国国防部宣布推出为期10年的创新计划，研究前沿国防技术、应对未来挑战。

借众智促前沿创新。美国在太空、网电、无人系统等多个领域举办了一系列挑战赛、论坛、研讨会等，充分挖掘企业、大学、个人等各类创新力量的潜力推进前沿技术发展。2016年3月，美国“国防创新实验小组”为陆军举办赛博创新挑战赛；美国航空航天局（NASA）举办了“突破、创新和改变游戏规则”创意挑战赛决赛和首届太空机器人挑战赛；8月，美国陆军举办第三届创新峰会与“疯狂科学家”讨论会，进一步扩大与工业界和学术界之间的协作。俄罗斯航天国家公司和先期研究基金会开展了系列竞赛选拔，挑选从事颠覆性技术研究的青年学者和专家，组建航天前沿技术青年实验室，以确保未来航天活动中的技术优势。

捕捉商业技术机遇。美国继续推进协同创新，引入商业企业等传统国防领域以外的创新力量，寻求前沿技术突破点和潜在机遇。美国国防部长卡特就任后已经四次造访硅谷，参加多次商业创新会议，显示了对商业技术的重视程度。2015年7月、2016年7月和9月，美国国防部先后在硅谷、波士顿和奥斯汀设立“国防创新实验机构”（DIUX），以衔接军方与企业，加速商业技术的国防转化应用。2016年3月，美国防部组建了由商业创新领袖组成的国防创新咨询委员会，旨在将商业部门的创新人员和机构融入国防领域。DARPA启动了“Improv”项目，重点识别能带来颠覆性变革的商业技术。

形成新的技术能力

新材料方面，先进复合材料、超材料、智能材料等发展日新月异，这些特种新材料将为装备性能跃升提供可能。美国和德国科学家联合开发了一种相变材料，这种材料更加节能、可永久储存数据，并且在执行特定操作时速度比现有存储器快1000倍。美国科研人员通过伸展和收缩改变开口环形谐振器的形状与参数，调整抑制电磁波的频率范围，研发出一种柔性、可伸缩、具有调谐选择性的超材料，在隐身飞机、电磁屏蔽等领域具有重大应用前景。华盛顿州立大学开发出可在光和热的作用下改变形状，并实现自我折叠和展开，具有形状记忆、光激活及自修复能力的多功能“智能”材料。多国科学家发现氧化铟锡可以获得高于其它材料数百倍以上的光学非线性，未来有望在多个光子学应用领域大显身手，对光子通信意义重大。美国阿贡国家实验室和北伊利诺伊大学的研究团队首次成功制造出一种名为“可擦写磁荷冰”的新材料，能以前所未有的精确度控制局部磁场，有助于开发新的计算技术，研发更小、更强大的计算机。美国科学家制造出受热会收缩的全新超材料，适用于制作在温度变化较大环境中所需的微芯片和高精光学仪器等。美国休斯顿大学科学家利用界面组装技术，诱导非超导材料产生超导性，并增强了超导材料的超导性能；加拿大科学家发现了超导材料中的电子云可以对齐并按照某个方向有序排列，即呈现向列相，这一新发现有助于悬浮列车和超级计算机等技术的研发。美国麻省理工学院和NASA科学家开发出一种可变形的超轻符合材料机翼，重量是传统机翼的十分之一。

石墨烯的应用研究继续取得新的进展，其潜力和价值不断展现。美国伦斯利弗莫尔国家实验室通过在气凝胶电极石墨层间加入锂离子和高氯酸根离子，发明了一种使3D打印石墨烯超级电容器性能提高一倍的方法。剑桥等多所大学的科学家联合将石墨烯集成进硅光电子电路，为硅基光电探测提供了简单的解决方案。英国曼彻斯特大学的科学家使用石墨烯等离子体的特性开发了一款可调谐太赫兹激光器，改变了现有太赫兹激光器只能固定一个波长的限制。瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员开发出一种通过功能化石墨烯纳米薄片高效冷却电子器件的技术，有助于开发出更小更节能的电子信息装备。美国宾夕法尼亚大学的科学家采用石墨烯封装方法，首次合成二维氮化镓材料，其具备的优异电子性能和强度将产生颠覆性应用效果；该大学科学家还基于双层石墨烯开发出电子流态控制设备，可能开辟电子学新的发展方向。美国麻省理工学院将两种晶格大小不一致的二硫化钼和石墨烯集成在一层上，可有助于研制功能更强大的计算机。

无人集群技术持续进行演示验证，未来将形成以无人蜂群式攻击为代表的新型作战能力。在空中无人系统集群方面，美国空军通过F-16战斗机在指定空域进行了快速布撒了大量微型无人机的试验；6月，31架无人机在40秒内依次发射并编组飞行，完成了利用发射管发射模块化无人机、无人机自主集群飞行，机间感知和精确编队等技术验证；8月，完成50架“微风”无人机同时自主飞行试验。在海上无人系统集群方面，波音公司为美海军研发的“回声航行者”“传感器寄宿自主远程艇”等项目取得了新进展，将对未来海上区域监视产生重大影响；美国海军年内对集群式无人水面舰艇相关技术进行了多次演示验证。美乔治亚理工学院开发出新算法，可使多个机器人在彼此距离数厘米的范围内移动且不会发生碰撞，以支持类似“蜂群”的无人系统自主协同作战。

新型器件发展取得重要突破，一批超越现有能力的存储器、处理器等问世，将推动信息技术的跃升。美国科学家使用DNA作为支架，将其它材料组装到DNA上，形成用于制造计算机电路的电子器件，将大大节约成本。哥伦比亚大学研制出首个同时同频全双工射频通信元件，有望使无线射频通信能力提高一倍，在雷达、通信等领域应用后将极大提升装备效能。美国加州大学在DARPA资助下研制出全球首个芯片级光频合成器，在光频梳技术上取得重大突破，该技术应用后可将现有授时精度提高3个数量级，将对定位导航、激光通信等领域产生重大影响。荷兰的研究团队将存储器密度提高到目前最好商业硬盘的500倍，这种存储密度能把人类目前为止创作的所有书籍都写到一张邮票上。美国洛马公司成功研制出新型微流体散热片，较传统芯片冷却效果提升6倍，可大幅提升集成电路散热能力。美国麻省理工学院和快速电容公司合作开发出一种新型超级电容器，存储能量和能量密度均达到现有水平的10倍。美国爱荷华州立大学科学家研制出一种新型实用瞬态电池，其自毁速度在原有基础上大幅提升，这一突破将使研发自毁型电子器件成为可能。美国威斯康星大学的料学家成功研制出性能首次超越硅晶体管和砷化镓晶体管的碳纳米晶体管，将促进碳纳米管在逻辑电路、高速无线通信和其它半导体电子器件领域的广泛应用。

拓展新的技术途径

先进制造技术在增材制造、特种工艺、智能组装等方面有新的突破，将开辟新的产品设计与制造途径。轨道ATK公司成功试验了3D打印制造的高超声速发动机燃烧室；美国休斯实验室使用3D打印方法制造出超强陶瓷材料，不仅可拥有复杂的形状，还能耐受超过1700摄氏度的高温；美国哈佛大学研究人员利用3D打印出世界首个全柔性自主机器人。在美国将3D打印机送入国际空间站后，俄罗斯研究人员也宣布制成了该国首台太空3D打印机样机，计划在进一步完善后，在2018年送入国际空间站进行测试。美国布鲁克海文国家实验室研究人员使用电子束光刻蚀模式，直接将多个分子模式自组装到单一材料上，实现了自组装概念的重要突破，将改变电子产品设计和制造途径。美国德克萨斯大学的研究人员首次演示了利用莫尔纹纳米球光刻技术制备大面积可调石墨烯超颖表面的方法。

新能源方面，利用太阳能、海水、核聚变等方式产生能源继续受到高度关注，多项技术突破将推动能源格局发生重大变化。美海军海水变燃料技术取得重要进展，从海水中提取二氧化碳和氢气的技术已发展至第二代，每日产量可供合成1加仑液态碳氢化合物燃料。美国麻省理工学院的科学家首次证明了使用太阳热光伏设备，太阳能电池的光电转化效率可突破理论限制。美国斯坦福大学科学家设计出一种钙钛矿太阳能电池驱动的光解水复合体系，可使光解水制氢的转化效率达到6.2%，利用该方法后光到氢的能源转换效率有望提升到新高度，为获取绿色氢能源提供一个重要途径。新型太阳能电池发展迅速，美国科学家实现了小分子有机太阳能电池效率近50%的增长，麻省理工学院开发出一种超轻、超薄的柔性太阳能电池。美国哈佛大学开发出一种人工仿生叶，能“吃”进二氧化碳产出生物乙醇，效率比自然光合作用高出10倍。加拿大多伦多大学科学家找到了一种方法，可利用硅将二氧化碳转换成高能燃料，这种通过纳米结构氢化物的还原能力直接利用太阳光生产燃料是概念上的一大创新。德国启动了最大的仿星器核聚变反应设备并首次制造出氢等离子体，预计4年后可实现等离子体脉冲持续时间30分钟，向实现受控核聚变迈出重要一步。美国麻省理工学院科学家在阿尔卡特C-Mod托卡马克聚变反应堆实验中创造世界新纪录，等离子体压强首次超过两个大气压。

仿生技术发展迅猛、军事应用前景广阔，涌现出一批新型仿生机械和仿生材料，有望成为装备新能力形成的有效途径。哈佛大学研发了类似蜜蜂的“机器峰”，高2厘米、重约100毫克，将在军事侦察领域发挥重要作用；该大学还研制出半透明、硬币大小的机器鱼，可在蓝光控制下像鱼一样游泳。波兰、意大利和英国合作利用光电机械液晶弹性体单片电路研发出一款长约15毫米的软体机器人，可模仿毛虫不同步态、爬坡、推动比自身重10倍的物体，具有在挑战性环境中执行任务的能力。英国研究人员设计出一种模仿蝙蝠的新型薄膜可变机翼，利用这种机翼制作出的微型无人机可以飞得更远并节省更多燃料。美国斯坦福大学研究人员首次制备出一种可用于制作晶体管的可自愈弹性聚合物，实现了复杂电子表面模仿人类皮肤，是仿生学发展的重大突破，将为新一代类皮肤可穿戴装备奠定基础。

先进动力技术在航空动力、空间推进等方面取得新进展，有望改变传统动力的物理极限。美国NASA公布了一种新型推进系统“电子帆”，它能和太阳释放出的粒子相互作用产生推力，将大幅缩短将航天器送往星际空间的时间。美国 NASA格伦研究中心测试了一种全新的飞机发动机技术——边界层吸入推进器，有望让现有最先进发动机的燃油效率再提高4％到8％。俄罗斯成功进行了脉冲爆震火箭发动机试验，该技术改变了传统火箭发动机结构，使火箭发动机的热力效率大大提升，成本和质量大幅降低。

奠定新的技术基础

人工智能技术受到前所未有的高度关注，将推动武器装备向更高智能化方向发展，形成新的能力优势。2016年3月，美国谷歌公司运用“深度学习算法”开发的“阿尔法围棋”人工智能程序，在与世界围棋冠军的“人机大战中”4：1取得胜利，标志着人工智能技术发展取得新突破。美国科学家发明了一种被称为结构映射引擎的新模型，能使计算机类人分析和学习能力显著增强。谷歌“深度思维”公司发表了一项人工智能重要成果，描述了一种集神经网络与计算机优点于一身的混合型学习机器，既能像神经网络那样学习，又能像计算机那样处理复杂数据。微软雷蒙德研究院开发出一种机器学习算法，使计算机对指定主题对话的语音识别率增至94.1%，首次与人类水平相当。

脑和认知方面，脑图谱绘制、认知计算、脑控等技术取得实质性进展，为人类认知能力的增强，以及脑科学的军事应用奠定了重要基础。美国艾伦脑科学研究院绘出了迄今最完整的数字版人脑结构图谱，也是迄今最清晰脑部微观解剖学结构图谱，将成为大脑研究人员的最新指南和“导航图”，标志着在理解人脑方面的巨大飞跃；美国加州大学伯克利分校绘制出人类大脑中语义信息功能呈现的图谱，可揭示语言的神经生物学机理；美国华盛顿大学的研究小组绘制出迄今最全面、最精确的人类大脑图谱，其中97个人类大脑皮层区域属于首次公布。美国国家卫生研究院的研究项目团队开发出一种新的神经成像技术，可看到人脑中基因开关的位置，为了解影响精神健康的基因提供了有力工具。DARPA首次成功在动物受试者上测试了一种通过血管进入脑部，记录神经活动的微型传感器。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室和IBM公司联合公布了以“真北”仿脑处理器芯片为基础的具有认知能力的深度学习超级计算机，标志着人类进入认知计算的新时代，深度学习超级计算机对于网络安全、核武器模拟等具有重大意义。韩国科学家在一块10厘米的晶圆上，构建了144个突触晶体管，研制出迄今为止能耗最低的人造突触，这一突破有望使研制大型类脑计算机成为现实。美国科学家研制出了一种新型“扩散式忆阻器”，能逼真地模拟人脑突触内钙离子的行为，新设备有助于开发类脑（神经形态）计算机。美国亚利桑那州立大学试验了脑控多架无人机的技术，已经成功实现单人对4架无人机的控制。美国普林斯顿大学研制出全球首枚光子神经形态芯片，其中的每个节点拥有神经元一样的响应特征，实验中其能以超快速度计算——比现有运算速度快3个数量级，该芯片有望开启全新的光子计算产业。美国明尼苏达大学研究人员在脑控技术领域取得重大进展，首次利用非植入性脑机接口技术通过意念控制机械臂抓取物品。

光量子技术不断取得重要突破，在纠缠原子数量、光量子电路、量子位稳定性等方面有了里程碑式进展，让人们看到了光计算、量子计算与量子通信的曙光。美国多所大学组成的研究团队提出了可以产生由数千个纠缠的原子形成的量子网络。英国帝国理工学院的研究人员通过将光和单个电子“绑”在一起，制造出一种拥有光和电子属性的新形式“耦合”光，有助研制出用光工作的电路，以及在可见尺度上研究量子物理现象。俄罗斯科学家成功将锗原子合成到金刚石晶格中，可用于替换现有计算机中的硅和砷化镓芯片，标志着光计算机技术向前迈出重要一步。美国麻省理工学院科学家使用量子的反馈控制技术将量子叠加时长提高了1000多倍，向最终研制出可靠的量子计算机迈出了重要一步。澳大利亚和日本科学家联合开发出一种新的量子位，其量子叠加态稳定性比此前提高了10倍，有助于开发更可靠的硅基量子计算机。美国马里兰大学科学家制造了一台由五比特的量子比特组成的新型计算机，它能执行一系列不同的量子算法。德国卡尔斯鲁厄理工学院科学家首次成功将一个完整的量子光学结构集成到芯片上，这一最新成果将帮助光量子计算机早日用于数据加密、大数据超快计算及高度复杂系统量子模拟等。欧洲科学家将一台激光器内的光子“播种”进另一台激光器内，成为研制实用量子加密系统的里程碑进展。美国哈佛大学科学家成功实现在超导材料内传输电子自旋信息，从而克服了量子计算的一个主要挑战，这种三明治结构独特的超导性能也将带来全新的量子材料，为构建量子传导装置奠定基础。美、俄等国际研究团队利用钇铝石榴石晶体产生了超短激光脉冲，在激光总能量基本不变下，将功率提高了3倍、达到0.5太瓦，有望推动激光领域变革。美国布法罗大学的科学家采用轨道角动量技术让激光采用螺旋模式分布，能将信息编码成不同的涡流，所携带的信息量是传统激光的10倍以上。

微纳技术具有重大的发展潜力，微纳感知、传输、集成等发展十分迅猛，微系统的研制与应用将在近期取得实质性突破。DARPA正式启动了“从原子到产品”的项目，旨在开发相关技术和工艺将接近原子尺寸的纳米级碎片组装成至少毫米级尺寸的系统、部件或材料，并保留其在纳米尺寸时具备的特性；在该项目下，劳伦斯利弗莫尔国家实验室采用创新型3D打印工艺在厘米级尺度制备出具有纳米级特性的多层金属超材料。DARPA微系统办公室正在开展相关项目，致力于发展下一代微系统的模块化芯片以及处理效率提升1000倍的智能图像微处理器等颠覆性技术。意大利、德国和西班牙的科学家合作，设计出一种由微粒子推动的新型微齿轮，微粒子以周围过氧化氢溶液为燃料推动自身前进，这种微齿轮为造出可控制的微机器开辟了新途径。英国剑桥大学科学家研制出采用光驱动的全球最小纳米发动机“蚂蚁”，大小只有十亿分之几米，其有望成为未来纳米机器的零件。DARPA和NASA联合开展了轻型光学系统，将利用微系统技术在硅材料上通过极精确的激光烧录成上千个望远镜阵列，该领域的突破可将传统望远镜的尺寸、质量和功耗降至百分之一。美国能源部橡树岭国家实验室研究人员发现，当复合氧化物单晶材料被局限在微观纳米尺度时，其如同一个多组分的电路，超越了目前硅基芯片微处理器的能力，将支撑新型的多功能计算体系结构。美国科研人员利用特殊的隐形原理，在两个光子器件间放置一个特殊的纳米硅基屏障，可“欺骗”两个光子器件相互无视，其有助开发出较硅基芯片更小、更快、更节能的光子芯片。美国工程师制作出首个无需半导体的光控微电子器件，在施加低电压和低功率激光激活时，电导率可增加10倍，这项发现为研制速度更快、功率更强的无半导体微电子设备及更高效的太阳能板铺平了道路。