《新材料周刊》第36期：美國防部研究報告闡述“超級士兵”前沿技術進展

昵稱35641324 2019-12-11

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內容摘要：

美國防部研究報告闡述“超級士兵”前沿技術進展

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)模生產的厘米級超透鏡

新型紅外偏振相機提高軍用無人機攝像能力

可促進水凈化和能量存儲的新型膜技術

美開發(fā)可兼容數字電子產品的碳納米晶體管

美國防部研究報告闡述“超級士兵”前沿技術進展

11月25日，美陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部化學生物中心發(fā)布國防部研究報告《2050年半機械人士兵：人機融合及對國防部未來的影響》，探討“超級士兵”應用的可行性、軍事用途，以及將對社會產生的道德、法律方面的深刻影響。美軍開展應用層面的討論，說明了“超級士兵”研究正在走向成熟，離實戰(zhàn)化應用越來越近。

1990年，在DARPA工作的四星將軍保羅·戈爾曼首次提出“超級士兵”的構想，推動DARPA從只專注于研發(fā)先進武器平臺開始轉向士兵的戰(zhàn)場能力提升。“超級士兵”相關技術主要包括新材料技術（增強防彈衣防護能力、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（增加可穿戴設備或外骨骼續(xù)航時間）、生物技術（主要包括基因編輯技術、神經科學、合成生物學和生物藥物等）、3D打印、機械制造和信息技術等。近年來，相關的新興技術紛紛取得突破性進展，美軍相信在2050年能實現士兵在視、聽、肌肉力量以及大腦上獲得增強，變成具有非凡戰(zhàn)斗力的“半機械人”。

報告預測，人機增強技術將在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勁的生物經濟所推動。報告中詳細列出了到2050年在技術上可行，并可作用在人身上進行優(yōu)化的四種功能：

（一）超級視覺。增強眼部的成像、視覺和情景感知能力，它有兩種技術實現途徑：一種途徑是在現有眼球上放置一個“眼睛增強系統(tǒng)”，士兵可以在其中學習如何解讀收集到的數據；在另一種情況下，眼球將被物理取出，并被替換為增強眼球，其收集的數據將“直接進入眼睛后面的視神經束”。

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

（三）肌肉增強。通過光遺傳緊身衣傳感器網恢復和編程肌肉控制，一套恢復服可以使疲憊的肌肉恢復活力，讓身體疲憊的士兵更快地恢復元氣。在皮膚下插入傳感器，當需要時通過刺激肌肉來幫助控制身體的運動。

（四）人腦神經增強。腦機接口能夠將大腦信號轉化成直接控制外界武器和機械設備信號。DARPA通過啟動一系列腦機接口研發(fā)項目，不斷推動著該技術的突破，主導著技術發(fā)展方向。2019年，DARPA啟動的“溝通+”項目，首次將腦機接口擴展到脊髓接口，開拓了新的技術方向，豐富了神經控制的途徑，或可進一步提高士兵通過神經控制多設備的能力。報告預計到2030年，特種部隊、軍事飛行員、無人機操作員和情報人員將開始使用神經植入物。特殊的神經植入物將使操作員的大腦能夠與戰(zhàn)場資產（例如武器系統(tǒng)和偵察無人機）以及“鄰近或通過中央網絡的分層中繼在近距離或跨距離”的人員進行交互。（military.com網站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。研究人員采用化學氣相沉積法在2英寸藍寶石襯底上的銅薄膜上制備獲得該石墨烯產品。這種高平單層石墨烯具有極低的粗糙度（小于4 nm），主要應用于光子學、高性能電子、磁性存儲器和獨立式薄膜。由于藍寶石襯底足夠堅固，可承受機械損傷，有利于防止薄銅片撕裂和起皺，使得該產品可通過電化學分層或采用干法進行轉移。該產品滿足晶片規(guī)模的集成要求，能夠與當前工業(yè)制造方法兼容，可用于構建均勻的石墨烯器件。（Graphene-info網站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實驗室開發(fā)了一種新型填充材料，可替代目前用于運動、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，能更好的保護佩戴者，同時兼顧舒適性。這種材料是一種“彈性微晶格”聚合物材料，具有開放的內部結構，不僅可以非常有效、反復地吸收沖擊能量，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％。在反復撞擊下，它吸收的能量比頂級乙烯基腈泡沫高出48％。此外，與其他微晶格類材料相比，它在遭受沖擊時吸收的能量增加了近14％。而且，與其他同類產品不同的是，它在受到沖擊后仍保持完好無損且功能正常。體育科技公司VICIS已獲得該技術的許可，并計劃將其商業(yè)化。（HRL實驗室網站11月27日消息）

芬蘭開發(fā)由纖維素制成的光纖　芬蘭國家技術研究中心（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，因為纖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用開辟新的機遇，但在電信應用中它不會與基于玻璃的光纖競爭。研究人員表示研發(fā)仍處于初期階段，暫時還不知道新光纖可以滿足的所有應用。（芬蘭國家技術研究中心網站12月3日消息）

美開發(fā)首款可大規(guī)模生產的厘米級超透鏡　哈佛大學約翰保爾森工程與應用科學學院（SEAS）使用常規(guī)芯片制造方法開發(fā)了一種全玻璃、厘米級的可見光譜超透鏡。超透鏡主要通過納米結構聚焦光線，可用于徹底改變顯微鏡、照相機、傳感器和顯示器的所有鏡頭。截止目前，大多數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應用中。為了能夠批量生產更大尺寸的超透鏡，研究人員使用了一種稱為深紫外線（DUV）投影光刻技術，該技術通常用于計算機、手機等產品中硅芯片中細小線條和形狀的圖案化。該技術可以在每個芯片上產生許多由數百萬個納米級元素組成的超透鏡，只需進行一次曝光即可拍攝照片。通過將納米結構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沉積過程。這項研究為手機晶圓級攝像頭鋪平了道路，其中CMOS芯片和超透鏡可以直接堆疊在一起。（哈佛大學約翰保爾森工程與應用科學學院網站12月3日消息）

新型紅外偏振相機提高軍用無人機攝像能力　美國陸軍CCDC陸軍研究實驗室與北極星傳感器技術公司合作開發(fā)了一款Pyxis紅外偏振相機。該相機在檢測雜波抑制方面具有顯著優(yōu)勢，可增強軍隊探測和識別隱藏目標的能力。研究人員首先將像素級偏振濾光片集成到微輻射熱計中，使相機在不存在熱對比度的情況下也可以檢測環(huán)境中的偏振對比度。而后將偏振信息與常規(guī)熱成像融合在一起，極大增強該技術檢測低可觀察目標的能力，熱極化儀還能夠在完全黑暗的環(huán)境中進行人和面部識別。研究人員計劃將該攝像機安裝在小型旋翼和固定翼無人機上，以增強態(tài)勢感知、武裝保護和作戰(zhàn)人員效率。（美國陸軍研究室網站11月25日消息）

可促進水凈化和能量存儲的新型膜技術　倫敦帝國學院和愛丁堡大學研究人員合作開發(fā)出新的離子傳輸膜技術，可降低電池存儲能量和水凈化的成本。研究人員使用計算機模擬技術制造出內在微孔性（PIM）的微孔聚合物，并改變其結構構件以實現不同的性能，促進可再生能源的使用和存儲，并增加發(fā)展中國家清潔飲用水的供應。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薄膜，從而進一步加快離子傳輸速度。該薄膜可應用于液流電池中，在允許攜帶電荷在槽之間傳輸的同時，防止兩種電解質的交叉混合。研究人員計劃下一步將該技術擴展到工業(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換和存儲（包括燃料）的電化學裝置電池和電化學反應器，并與電力公司合作將其產品商業(yè)化。（倫敦帝國學院網站12月2日消息）

美開發(fā)可兼容數字電子產品的碳納米晶體管　美國半導體電子公司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，其工作頻率可達到吉赫茲，并且比大多數現有晶體管更容易與CMOS技術集成。研究人員開發(fā)的高頻晶體管與類似現有技術的主要區(qū)別在于，前者是由數千種排列整齊的碳納米管構成，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單的表面涂覆方法將其應用于多種基材，有助于其與CMOS和其他半導體技術的集成。這項研究有望促使半導體行業(yè)發(fā)生變化，然而碳納米管晶體管從原型階段進入大眾市場仍需時日。