目錄
一、顛覆未來作戰的前沿技術系列——腦科學
二、顛覆未來作戰的前沿技術系列——人體增強
三、顛覆未來作戰的前沿技術系列——石墨烯
四、顛覆未來作戰的前沿技術系列——超材料
五、顛覆未來作戰的前沿技術系列——太赫茲技術
六、顛覆未來作戰的前沿技術系列——微系統結束
七、顛覆未來作戰的前沿技術系列——量子信息技術
八、顛覆未來作戰的前沿技術系列——增強現實
一、顛覆未來作戰的前沿技術系列之腦科學
大腦是人體中最複雜的部分，也是宇宙中已知的最複雜的組織結構。21世紀，被稱為“生命科學、腦科學的百年”或“腦研究世紀”，伴隨著腦科學和認知科學的興起與發展，以人類為中心的認知與智能活動研究，已進入發展新階段。腦科學相關技術的發展和應用能迅速提升武器裝備智能化和操控意識化程度，對武器裝備的發展、使用和國防軍事能力建設將產生難以預見的顛覆性影響。
多國啟動腦科學重大研究計劃
多年來，人類對腦奧秘的探究從未停止，已有數十位從事腦科學研究的科學家獲得諾貝爾獎，腦科學在發達國家已成為科學研究“皇冠上的明珠”。早在20世紀90年代，美國就率先提出“腦的十年計劃”，歐盟成立了“歐洲腦的十年”委員會，國際腦科學組織也採取多種舉措推動腦科學研究的發展。
奧巴馬宣佈啟動美國“腦計劃”
2013年4月，美國宣佈啟動“腦計劃”；2014年6月，美國國立衛生研究院發佈“腦計劃”路線圖，詳細闡述了腦科學計劃的研究目標、重點領域、實施方案、具體成果、時間與經費估算等，提出將重點資助9個大腦研究領域：統計大腦細胞類型，建立大腦結構圖，開發大規模神經網絡記錄技術，開發操作神經迴路的工具，瞭解神經細胞與個體行為之間的聯繫，整合神經科學實驗與理論、模型、統計學等，描述人類大腦成像技術的機制，為科學研究建立收集人類數據的機制，知識傳播與培訓。2014年8月，美國國家科學基金會宣佈，將資助36項腦科學相關項目，涉及實時全腦成像、新的神經網絡理論以及下一代光遺傳學技術等。美國國防高級研究計劃局（DARPA）近年來啟動了數十項旨在提高對大腦動態和機制的瞭解、推進相關技術應用的項目，包括可靠神經接口技術項目、革命性假肢、恢復編碼存儲器集成神經裝置、重組和加速傷勢恢復項目、將模擬大腦用於複雜信號處理和數據分析項目等。
2013年，歐盟委員會宣佈將“人腦工程”列入“未來新興技術旗艦計劃”，力圖集合多方力量，為基於信息通信技術的新型腦研究模式奠定基礎，加速腦科學研究成果轉化。該計劃被認為是目前世界最先進的腦科學大型研究計劃，由瑞士洛桑理工學院統籌協調，歐盟130家有關科研機構組成，預算12億歐元，預期研究期限10年，旨在深入研究和理解人類大腦的運作機理，在大量科研數據和知識積累的基礎上，開發出新的前沿醫學和信息技術。該計劃首先利用30個月的時間，建設涉及神經信息學、大腦模擬、高性能計算、醫學信息學、神經形態計算和神經機器人等6座大型試驗與科研基礎設施。這些設施將對全球科技人員開放，邀請世界頂尖科學家參與研究。
此外，日本、德國、英國、瑞士等國也都先後推出本國的腦科學研究計劃。
腦科學研究在全球掀起新熱潮
進入21世紀以來，隨著相關理論的完善和新實驗工具的湧現，大腦最深層的一些奧秘開始浮出水面。特別是近年來，歐美爆發“腦”競賽，全球圍繞大腦的研究掀起新一輪熱潮，與大腦有關的科學發現不斷湧現，為腦科學的大規模推進與應用奠定了基礎。
在研究與探索腦結構方面，2012年，哈佛大學的科學家研究出了一種新的核磁共振掃描技術，用於探索人類大腦內部結構；DARPA與美國威斯康辛大學麥迪遜分校合作，研發出探究人腦神經結構與功能之間聯繫的腦研究技術；2014年，在DARPA可靠神經接口技術項目的支持下，威斯康辛大學麥迪遜分校的研究人員開發了新的腦結構研究技術，這項技術對大腦中神經網絡活動的可視化和量化研究具有重大貢獻。
在腦信息獲取技術方面，腦電信號破譯研究、神經活動信息還原視覺圖像研究、神經活動信息支持行為與神經元關係研究、神經活動信息再現人類夢境研究等均取得了新進展。例如，澳大利亞Emotiv公司開發出了一種能夠翻譯人類8種生理表現和7種表情的腦電信號裝置；美國、德國和英國的研究人員實現了利用磁共振成像技術將大腦活動信息轉換成想象物體圖形；DARPA近期正在開發新型大腦植入物，實現對大腦信號的實時跟蹤與響應；2014年，DARPA啟動“神經功能、活動、結構與技術”項目，加速和簡化對大腦的3D分析，使整個大腦成像只需220天。
在腦機接口技術方面，多國開展了一系列技術驗證並取得突破，實現了大腦控制外界設備以及大腦控制另一生物體的異體控制。2008年，位於美國北卡羅來納州的科學家從植入獼猴腦部的電極獲取神經信號，通過互聯網將這些信號連同視頻一起發給日本的實驗室，最終美國獼猴成功地“用意念控制”日本實驗室裡的機器人做出了相同的動作；美國布朗大學2013年研製出首個火柴盒大小的腦機接口無線連接裝置，可將腦部數據傳輸至1米內的其他設備；2013年3月，英國研究人員開發出第一種用於控制飛船模擬器的腦機接口裝置，美國科研人員又創建了計算機模擬程序，將腦機接口裝置戴在頭上後，通過人腦意念便可控制飛船模擬飛行；2015年6月，俄羅斯“未來研究基金會”負責人表示，以思維控制機械的腦機接口在俄研發成功，該腦機接口使用在醫學上廣泛普及的腦電描記法來捕捉腦電活動。
在“腦對腦”控制方面，2013年2月，美國杜克大學的研究人員將分別位於美國和巴西的兩隻大鼠的大腦，通過植入腦內的芯片和計算機建立彼此之間的腦電波傳輸迴路，實現了成功率為65%的腦對腦異體控制實驗；2013年8月，美國華盛頓大學公佈了人類首次非侵入式腦對腦接口實驗，不需要在大腦內插入電極，一人成功遙控了另一人的手部運動；2014年2月，美國哈佛大學醫學院等機構利用一隻作為發出指令的“主體”猴子和一隻作為接收指令的猴子實現了異體操控，任務完成率高達98%。
用於模擬“腦控”飛船的實驗裝置
此外，近期腦研究與應用領域還取得了許多重要進展。例如，美國塔夫茨大學成功創建出三維腦狀組織模型，功能和結構特徵類似於大鼠腦組織，可用於研究腦功能，開發治療腦功能障礙新療法；2013年，德國比勒費爾德大學物理系的研究人員製造出有學習能力的納米憶阻器元件，每個大小隻有人類頭髮直徑的1/600，該憶阻器將作為設計人工大腦的關鍵部件；2014年9月，西班牙、法國、美國科學家聯合開展實驗，利用腦電波和儀器設備實現“人際交流”，成功將兩個單詞從一位印度志願者腦中傳送到8000千米外的法國實驗人員腦中，這是人類首次“幾乎直接”地通過大腦收發信息；2015年7月，澳大利亞墨爾本皇家理工大學和美國加利福利亞大學的研究人員通過使用納米尺度的憶阻器矩陣，製造出了世界上第一個能模仿人腦的電子記憶細胞；當前，DARPA啟動了一個新項目，旨在研究“神經重播”在形成記憶和回憶過程中的作用，從而幫助人腦更好地記住具體的偶發事件，更快地學會技能。
腦科學軍事應用潛力巨大
腦科學研究具有巨大的潛在軍事價值，可直接應用於現代戰場的多個領域，包括催生新型腦控武器和智能化裝備，提高作戰人員知識與作業能力，優化軍事訓練與決策，改善軍人神經與精神損傷的救治，推動心理戰的升級等。腦科學的軍事應用主要體現在“仿腦”“腦控”和“控腦”三個方面。
“仿腦”，即借鑑人腦構造方式和運行機理，開發出全新的信息處理系統和更加複雜、智能化的武器裝備，甚至研發出與人類非常接近的智能機器人。近期“仿腦”的熱點領域主要包括開發模仿人腦的神經形態芯片、具備人腦處理功能的仿腦處理器、開發認知計算技術等。這些“仿腦”技術的問世與應用將大幅提高無人系統的智能化水平，還可能給包括雲服務、機器人、超級計算機在內的多個領域帶來重大變革。
神經形態芯片近期成為最令人矚目的“仿腦”技術應用，大名鼎鼎的《科學》雜誌和美國麻省理工學院《技術評論》雜誌均將神經形態芯片評為2014年十大科技突破之一。2013年，瑞士和美國科學家聯合研製出了一種腦神經形態芯片，能夠實時模擬大腦處理信息的過程；美國陸軍研究室通過模擬人腦思考過程開發出一種量子神經元計算機芯片；美國高通公司近期也通過模擬神經結構和大腦處理信息方式開發出了大腦芯片；2014年8月，在美國DARPA項目資助下，IBM公司宣佈成功研製第二代類腦計算芯片“真北”，該芯片架構類似人腦，集運算、通信、存儲功能於一體，與第一代芯片相比，“真北”神經元由256個增加到100萬個，突觸數量由26.2萬個增加到2.56億個，包含54億個晶體管，每秒可執行460億次突觸運算，總功率僅為70毫瓦；2015年，美國加州大學和紐約州立大學石溪分校的一個聯合研究小組，首次僅用憶阻器就創建出一個神經網絡芯片，從而向創建更大規模的神經網絡與人造大腦邁出了重要一步；英國嵌入式處理器廠商ARM與曼徹斯特大學、海德堡大學合作研究的神經形態芯片已經被納入歐洲人類大腦計劃，並得到支持。歐洲方案與美國方案相比，單位面積功耗較高，但神經元模擬更接近生物神經元，因此在模擬大腦方面也被報以更大希望。
在“仿腦”處理器方面，美國DARPA多年來致力於發展能夠模擬人腦認知和推理能力的類腦處理器，已經開展了“傳感與分析自適應局部學習”等多個項目；2012年，谷歌公司實驗室的研究小組通過模擬人腦中相互連接、相互溝通、相互影響的“神經元”，由1000臺計算機、1.6萬個處理器、10億個內部節點相連接，形成一個“谷歌虛擬大腦”；2015年，IBM公司利用48塊“真北”試驗芯片構建了一個“電子大腦”，每一塊芯片都可以模擬大腦的一個基本構件，該試驗系統可以模擬4800萬個神經細胞，基本可以與小型齧齒動物大腦的神經細胞數齊平。
IBM開發出的神經元計算機原型，它搭載了16顆“真北”芯片
認知計算是一種模擬人的認知、智能和解決問題方式的計算技術。國外主要軍事強國以未來軍事應用為牽引，積極推進認知技術的發展。例如，美國通過實施自學電子攻擊技術、認知無線電臺技術、基於認知的協作決策感知認知模型、基於腦電波識別和認知算法的戰場威脅探測技術等項目，大力推進認知計算技術在武器裝備領域的應用。2014年，美國空軍研究實驗室授予通用電氣公司一份高性能嵌入式計算系統合同，以模擬人類中樞神經系統的信息路徑，該系統可推動開發與部署自適應學習、大規模動態數據分析和推理的先進神經形態體系結構和算法。
“腦控”，即通過大腦實現對外界物體或設備的直接控制，減少或替代人類肢體操作，從而提高作戰人員操控武器裝備的靈活性和敏捷性。近年來，“腦控”應用得到進一步發展：日德研發出了“腦控”車輛；德國慕尼黑工業大學飛行系統動力學研究所首次成功展示了“腦控”飛行；美國明尼蘇達大學成功研製出能夠用意念控制的四軸飛行器，其躲避障礙物成功率高達90%；英國科學家開發了專門的腦機接口裝置來控制飛機和飛船模擬器；美國DARPA開展了名為“阿凡達”的尖端軍事科研項目，旨在探索擴展人類機能，獲取神經代碼進行整合，以控制進攻性武器和系統，DARPA還在2013財年投入700萬美元研發一種自主式雙腳機器人，能夠讓士兵在戰場上遠程控制，以替代士兵執行部分作戰任務，如放置監視設備、搜索並攻擊建築物內的威脅目標、救助傷員、設置障礙物等。
明尼蘇達大學腦機接口裝置控制飛行器實驗場景
“控腦”，即利用外界干預技術手段，實現對人的神經活動、思維能力等進行干擾甚至控制，導致出現幻覺、精神混亂甚至做出違背己方利益的行動，其關鍵是開發能夠監測和干預大腦思維活動的信息系統。“控腦”目前產品應用還較少，美國DARPA聯合商業機構開展了相關的概念研究，主要包括：通過計算機模擬腦電波控制人體的心理反應和思維，通過特殊頻率的無線電波與人體腦電波作用產生催眠效果，神經系統腦電波聲音操縱項目等。
結 語
腦科學的發展對於人類瞭解自身神經精神領域有著重要的價值與意義，同時也具有強大的軍事應用前景，將推動軍事領域的重大變革。當前，腦科學研發已經成為時代潮流不可阻擋，其大規模進步必將為人類帶來一個日新月異的新世界，我們應該及時未雨綢繆，趨利避害。
二、顛覆未來作戰的前沿技術系列之人體增強
人體增強是綜合利用生物、信息、機械等領域的技術作用於人類的身體，使人的體力與腦力得到改進與提升的前沿技術。如果將自然給予人類的人體機能看做是最基本的1.0系統，那麼通過人體增強技術，人體的綜合機能將得到大幅度提升，進入人體系統2.0時代。人體增強技術可以使普通人以及軍人獲取超越自己身體極限的神奇能力，在多領域的應用前景和顛覆性影響令人矚目。
多家機構展望人體增強技術的巨大潛力
多個世紀以來，人類一直夢想著能夠超越人類的一切束縛與限制，成為一個完美的“超人”，也一直在探索能夠使人類儘可能地變得更加強大的方法與技術。隨著科學技術的發展與應用，人們不再侷限於利用一些自然的方法來循序漸進式地提高自身的基本能力，而是通過更直接和快速的方法來提高和完善人類的技能和能力。例如，通過藥物或芯片改善人類的情緒、認知和記憶，通過腦機接口控制或放大人的意念，通過外骨骼提升人的體能，通過人工耳蝸、芯片植入、智能眼鏡改善人的視聽感官能力等。
美國國家科學基金會對“人體機能增強”這個詞的解釋是，任何暫時性或永久性突破人類目前身體極限的嘗試，使用的手段可以是自然的也可以是人工的。美國科學院、英國皇家學會等重要的科學機構與情報機構相繼發表一系列報告，對人體效能改造，特別是人體增強給予高度關注，並預言人類即將迎來人體增強的新時代。美國國防高級研究計劃局（DARPA）於2014年4月新成立了生物技術辦公室，旨在研究使士兵保持最佳戰鬥力以及迅速、全面恢復戰鬥力的新技術。近期，各方重點關注的人體增強技術包括：視網膜植入、人工耳蝸等視聽增強技術；藥物、大腦植入、腦機接口等腦力增強技術；外骨骼等體力增強技術。
美國國家科學院研究併發布的名為《人體效能改造：國際研究現狀及未來展望》的報告指出，醫學、生物學、電子學和計算技術的發展已經使得改造人體的能力日益成熟，而且這類創新會被各國軍隊採用。2012年11月，英國皇家學會、英國科學院等4家機構聯合發佈了名為《人體增強與未來工作》的報告，指出人體增強技術未來將徹底改變人類的生活工作方式，報告關注的人體增強領域主要為認知增強與生理增強兩大類，包括認知增強藥物改善記憶力和注意力，使用助聽器和視網膜植入改善感知，使用仿生肢體恢復運動能力，以及認知訓練、大腦刺激等技術。
2012年12月，美國國家情報委員會發布《2030全球趨勢：多元化世界》報告，預測到2030年，人類有可能通過選擇一些科學手段讓自己變得更加聰明、健康與強壯，報告將這些能夠增強人類機能的科學手段統稱為人體機能增強裝置。全球技術研究和諮詢公司Gartner也在其2013年發佈的《2012～2013年技術曲線成熟度》報告中預測，除了信息技術的多項前沿科技將突飛猛進地發展，另一項將在市場形成規模的技術就是人體機能增進裝置，將提高人類感知能力與體能。這其中包括機械外骨骼、腦機接口、視網膜植入、聽覺增進裝置，甚至是提高智力的神經性藥物。
視聽增強——更有效的感知
《2030年全球趨勢：多元化世界》和《2012～2013年技術曲線成熟度》報告均高度關注視覺增強技術。視覺增強技術包括兩類：一是指能夠修補視力的眼內植入物，可以接收視覺影像，並轉化為電子信號刺激神經，將信息傳入大腦；二是指利用伸縮式隱形眼鏡、夜視隱形眼鏡、智能眼鏡等新型可穿戴設備，實現對環境更好的感知。
通過眼內植入技術，人類能恢復並提升原有視力。2013年，德國圖賓根大學的科學家開發出了一種微芯片，該芯片約為3毫米大小，由1500個像素點構成，每個像素都有自己的放大器和電極。這種外部供電的光敏微芯片將通過手術植入患者的視網膜表面下方，能使視網膜病變的盲人重見光明。2013年7月，英國利用胚胎幹細胞培養出視網膜感光細胞，將這些細胞植入盲鼠眼睛的視網膜，成功地在眼睛和大腦之間形成了神經聯繫。2015年，加拿大研究出一種新的仿生鏡片，眼內植入這種鏡片後，視力有問題的人能將視力恢復到最佳水平。
利用先進的視覺增強可穿戴技術，及時感知和了解原來無法直接觀察的戰場環境，讓人們變成“千里眼”。士兵將告別對繁雜笨重的偵察、通信設備的依賴，實時接收來自數百千米以外指揮部傳輸的指令、地圖等信息，查詢、獲取和感知來自其他偵察系統的動態情報。DARPA在“士兵視覺增強系統”項目下開始研發一種隱形眼鏡，該隱形眼鏡可以增強作戰人員的正常視力，佩戴該隱形眼鏡的作戰人員可以看到虛擬的、增強現實的圖像，整個過程無需藉助龐大笨重的儀器。2014年，美國密歇根大學的科學家將可感應光子的石墨烯薄層嵌入到鏡片之中，發明了一種比指甲還小的夜視隱形眼鏡原型，使昏暗的圖像看起來更明亮，該技術的應用將使未來軍人取下頭盔上笨重的夜視鏡，代之以輕便的夜視隱形眼鏡。此外，DARPA目前正在資助一個新型隱形眼鏡項目，該隱形眼鏡能夠讓人眼具備2.8倍光學變焦能力。
除了視覺能力的增強，聽覺也是人體增強的重要內容之一。人工耳蝸是一種電子裝置，由體外言語處理器將聲音轉換為一定編碼形式的電信號，通過植入體內的電極系統直接興奮聽神經來恢復或重建聾人的聽覺功能。目前，世界上已經有超過30萬人使用耳蝸植入方式，替換在聽覺方面存在故障的耳朵，以恢復聽力。2013年5月，普林斯頓大學工程師利用3D打印技術製造出世界第一個仿生耳，該裝置可以接收聲波與超聲波信號。
腦力增強——更智慧的決策
通過對人的腦力增強，可以提高士兵的學習效率與記憶力、減少疲勞和提高警覺性，甚至可以實現大腦對外部機器的意念控制，最終使人具有更好的認知與決策能力。使用電磁刺激、大腦植入和神經性藥物等可以提高士兵的學習效率，讓人更長時間地集中注意力，減少疲勞和提高警覺性；使用腦機接口技術，大腦可以直接控制機器，也被稱為“意念控制”，其涵蓋的層面很廣，包括智慧型義肢、機器人甚至車輛和武器等。
在記憶增強方面，使用神經性藥物可以提高人的記憶力和思考速度。此類藥物能讓人更長時間地集中注意力，提高學習能力。但神經性藥物也存在巨大的副作用，會出現頭暈目眩、嘔吐、視力衰退、神志不清等。2012年，德國科學家發現大腦內的神經傳遞物質多巴胺有提高記憶的能力，有助於研發提高記憶的藥物。
在利用電磁信號刺激大腦方面，當前研究的重點在於通過電、化學或生物方法來刺激人的神經系統，加強人的精神和情感能力。神經刺激方法可能包括：用電子設備直接刺激神經組織的經顱直流電刺激、經顱磁刺激和腦深部電刺激。研究顯示，腦經顱電磁刺激可以提高士兵的學習效率、減少疲勞和提高警覺性，通過大腦刺激學習更多知識的受試者對知識的記憶可延伸數月。近期，美國陸軍研究實驗正在研究利用最新的神經刺激技術來檢測大腦狀態，以及改善理解能力、目標感知和決策能力。
利用大腦植入物提升人腦記憶能力、恢復因傷病引起的失憶已成為近期腦力增強的熱點。DARPA在該領域安排了多個項目。2013年，DARPA啟動了“恢復主動記憶”和“基於神經技術的新興治療系統”兩個項目。前者目的在於開發神經信號分析與解碼新方法，應用神經刺激促進腦損傷後記憶編碼的恢復，開發植入式神經設備幫助患者恢復記憶，以及瞭解如何對人類大腦的右半區進行刺激和鍛鍊，以提高士兵的反應速度和瞬間記憶能力；後者目的在於開發能夠為患有創傷後應激障礙和其他神經疾病的患者提供幫助的大腦植入物。DARPA於2015年新啟動了一個稱為“恢復活動記憶與回放”的項目，旨在研究確定大腦哪些部分決定著記憶和回憶的形成，從而幫助人腦更好地記住具體的偶發事件，更快地學會技能。
意念控制技術當前致力於輔助傷殘軍人重新獲得行動能力，未來則有可能實現對武器裝備的意識操控。在意念控制義肢方面，美國匹茲堡大學的研究項目在一位頸部以下癱瘓的女患者腦運動皮層植入傳感器，使其單憑意念即可操作機械手臂將一塊巧克力送入口中，比以往的研究更接近於一個正常人的肢體；2014年，DARPA在“革命性義肢”項目中，成功研發了名為“DEKA”的仿生機械手臂，該手臂具備近真實的控制能力，可用於幫助失去手臂的人員恢復生活能力；2015年，美國約翰·霍普金斯大學的研究團隊開發出新一代智能義肢，其擁有26個關節，能像正常的手臂一樣由人的大腦控制，可以抓舉20千克的重物。
在意念控制機器方面，2012年，DARPA啟動了“阿凡達”項目，目標是研製可通過意念控制的機器人，有望在未來代替士兵征戰沙場。美陸軍研究實驗室正在研究一項技術，使得士兵僅通過意識就可以實現對軍用系統的直接控制。在該研究方向下，陸軍實驗室正在資助研究兩個項目：一是通過實時記錄大腦活動，研製一種可探測潛在表達和監控使用人員關注點、意圖的原型系統；二是尋求理解大腦信號的生理性生物標記，用於探測潛在表述和特徵狀態。2014年，德國慕尼黑工業大學的研究人員首次成功展示了腦控飛行；2015年6月，俄羅斯“未來研究基金會”表示，以思維控制機械的腦機接口研發成功。
體力增強——更強大的行動
外骨骼是一種人員可穿戴的機電一體化設備，主要用於增強穿戴者的力量、速度、耐力等，一般由感知系統、控制系統、動力系統、仿生機械系統和能源系統組成。未來，隨著技術的發展，外骨骼埋植技術將可以實現把外骨骼埋植在機體內，成為一種替代骨骼，大大增強人類先天的能力，修復喪失的機體功能。近年來，美國、俄羅斯等國軍隊陸續啟動了多個軍用外骨骼項目，以增強士兵的作戰能力，同時保障士兵的身體健康。
美國DARPA的“增強人體機能外骨骼”項目旨在研製可幫助地面士兵攜帶更多武器、更好護甲和更多補給的外骨骼系統。在該項目資助下，美國加州大學伯克利分校開發出了BLEEX下肢外骨骼系統，雷聲公司開發出XOS全身式外骨骼系統。BLEEX整體由1個用於負重的揹包式外架、2條機械腿及相關的液壓驅動裝置組成，自重45千克，可負重35千克，使用者感覺只有2千克。
洛克希德·馬丁公司聯合加州大學伯克利分校在BLEEX基礎上，共同推出了被稱為“人體負重外骨骼”的仿人體結構特點設計的外穿型機械骨骼，系統由鈦合金製成的機械腿、驅動裝置及控制計算機，以及背部的負重部分、散熱單元等組成，其既能夠使士兵完成爬行、深蹲、提舉重物等一系列動作，又可減少士兵因提舉較重戰鬥載荷而引發的肌肉骨骼損傷。“人體負重外骨骼”總重約32千克，最大負重超過100千克，可保證穿戴者以4.8千米/每小時的速度揹負90千克重物連續行走1個小時。2010年初，雷神公司推出改進型XOS 2外骨骼系統，《時代》雜誌將這一裝備評選為2010年“最具震懾力”的發明。XOS 2是由一系列結構、傳感器、執行機構和控制器組成的，主要利用高壓液壓驅動，堪稱真實版的“鋼鐵俠戰衣”。該外骨骼可使穿戴者將重約90千克的重物反覆舉起幾百次，而且不會感到疲勞，同時還可重複擊穿厚度為3英寸的木板。
法國的“大力神”可穿戴式外骨骼能夠輔助士兵，並增強其在戰場上的負重能力和持久作戰能力。“大力神”外骨骼主要由機械腿（結合了機械裝置、計算機和電子裝置）和背部支撐架組成，使穿戴者能夠輕鬆揹負重物。“大力神”可攜帶100千克重物，使穿戴者以4千米/小時的速度行進大約20千米。2015年，德國斯圖加特一家工程研究機構研發出一種名叫Robo-Mate的可穿戴外骨骼系統，可為體力勞動者提供手臂、腿和背部的金屬機械支撐，令他們工作時託舉、負重能力提高到10倍。
可穿戴在士兵作戰服裡面的輕質、柔性外骨骼，成為軍用外骨骼發展的新方向。“勇士織衣”是DARPA組織研製的一種重量輕、柔韌性好的內穿型作戰服，它更像是肌肉、關節的感應“增強器”，不僅具有傳統的防彈功能，還能增強人體機能，使士兵能揹負重物長時間行軍。美軍對“勇士織衣”的作戰指標要求為：功率小於100瓦，不到9千克重，電池重約4.5千克，在不充電情況下可持續工作24小時，士兵揹負45千克重物、以1.25米/秒的速度在平地上行走時，可以減少25%的代謝消耗。“勇士織衣”的特點主要有4個方面：一是負重智能分佈於士兵全身，以減小作用力；二是可減輕和預防士兵損傷，增強體能；三是可重複使用能量，以降低能耗；四是柔韌性和靈活性好，輕便舒適耐用。2013年5月，美軍特種作戰司令部提出研製供士兵使用的“戰術突擊輕型作戰服”，這種作戰服採用外骨骼裝置減輕士兵負重的體力消耗，並集成了可瞬間固化的液體防護裝甲、溫度調節裝置、救護裝置和態勢感知裝置等。
三、顛覆未來作戰的前沿技術系列之石墨烯
石墨烯是一種由碳原子組成的六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜。2004年，英國曼徹斯特大學的物理學家成功地從石墨中剝離出了石墨烯，證明了石墨烯可以單獨存在，因此榮獲2010年諾貝爾物理學獎，從而掀起了石墨烯製備、改性和應用的全球熱潮。石墨烯優異的性能使得它在多個領域具備變革潛力，已經有所建樹的領域包括散熱材料、柔性觸摸面板、微型傳感器、電容、芯片材料等，在信息技術、航空航天、生物環保等領域顯現了巨大的應用前景，將對人類社會產生廣泛影響，被稱為“改變未來世界的革命性材料”。如果說20世紀是硅的世紀，神奇的石墨烯則是21世紀新材料的寵兒。
“材料之王”性能優異
石墨烯自初次被發現就被賦予“神奇材料”“材料之王”等美譽，單原子納米結構賦予了它許多無以倫比的獨特性能，是迄今發現的厚度最薄、強度最高、結構最緻密的材料，並擁有與眾不同的電學、熱學、光學、磁學等特性。
石墨烯是已知最薄最輕的材料之一，它是單碳原子層，厚度僅有0.34納米，相當於一根頭髮的1/200000；石墨烯是已知強度最高的物質，比最好的鋼鐵還要高上100倍；石墨烯是已知最堅硬的納米材料，比鑽石還堅硬；石墨烯是已知導電性最好的材料，其電子運動速度高達光速的1/300，遠遠超過電子在一般導體中的運動速度，常溫下其電子遷移率是硅的100倍，其可耐受的電流密度是銅耐受量的100倍左右；石墨烯是已知導熱性最好的材料，導熱係數高達5300瓦/米·度，高於碳納米管和金剛石，更遠高於常用的散熱材料銅以及最好的導熱金屬銀（420瓦/米·度），有望成為劃時代的散熱材料；石墨烯還具備高透光率、高性能傳感、高吸附強過濾，常溫可實現無散射傳輸等優良而獨特的性能。
石墨烯的單層結構
近期，美國、日本等在製備石墨烯上取得了重要進展。2013年，英國牛津大學團隊通過控制碳原子在銅箔上的排列，同時輔以適當壓力，從而能夠控制石墨烯的厚度、邊緣形狀以及晶界，向大規模製備石墨烯邁進了一步。2014年，韓國三星公司和成均館大學聯合成功研製出在硅晶圓上合成單晶單層石墨烯的工藝，實現了在硅晶圓上的氫端鍺緩衝層生長無皺單晶單層石墨烯，有望解決石墨烯大面積生產問題。2015年，美國能源部橡樹嶺國家實驗室表示，其研究團隊採用化學氣相沉積法制備出了2英寸見方的單原子厚度的碳複合材料，能消除石墨烯片狀集聚問題，這意味在聚合物中可以用更少的石墨烯材料獲得更好的導電效果。
全球湧動石墨烯研發熱潮
由於石墨烯在能源、材料等各大領域都具有巨大的應用潛力，多個國家紛紛將石墨烯及其應用技術研發作為長期戰略予以重點關注。在各方的重視下，石墨烯的研究持續升溫，新的發現不斷湧現，大大加速了其產業化進程。
多國政府積極佈局
美國全面佈局石墨烯技術。美國的重點集中在石墨烯替代硅材料技術和電子元器件、儲能電池等應用方面，主要由美國國家自然科學基金會、美國國防部及其下屬的以國防高級研究計劃局為首的政府與軍方支持。2006~2011年，美國國家自然科學基金會關於石墨烯的資助項目有200項，包括石墨烯超級電容器應用、石墨烯連續和大規模納米制造等項目；2013年8月，美國國家自然科學基金會設立專項，資助石墨烯熱性能和批量製備技術研究。
石墨烯的優異性能
歐盟將石墨烯研究提升至戰略高度。歐洲是石墨烯的誕生地，長期以來，一直通過框架計劃支持石墨烯研究。2013年，歐盟委員會選定石墨烯項目作為歐盟首個10年投入10億歐元的“未來和新興技術旗艦項目”，這一項目的使命是幫助石墨烯從實驗室走向社會。該項目由瑞典查爾姆斯理工大學牽頭、歐盟15個成員國的100多個研發團隊組成，其中包括4名諾貝爾獎得主。2011年，英國政府把石墨烯作為國家今後四個重點發展方向之一，宣佈投入7150萬英鎊支持石墨烯研究，包括建立國家石墨烯研究院。2014年，英國政府聯合馬斯達爾公司宣佈，繼續投資6000 萬英鎊在曼徹斯特大學成立石墨烯工程創新中心，作為國家石墨烯研究院的補充。
日韓等國加大投入力度。日本學術振興機構從2007年起開始對石墨烯材料、器件的技術進行資助，並以實現綠色低碳為目標重點，支持碳納米管和石墨烯的批量合成技術研發。韓國預計2012～2018年間向石墨烯領域提供總額為2.5億美元的資助。
研發應用取得重大進展
石墨烯的發現雖然僅10年左右，卻引發了席捲全球的一波又一波研究開發浪潮。特別是近兩年來，石墨烯的研究繼續升溫，新的發現不斷湧現，大大加速了其實用化進程，引發了人們的高度關注。
在石墨烯材料研發方面，2013年，美國麻省理工學院研究發現，將具備高電子遷移率的石墨烯薄膜材料置於兩片鐵電材料之間，石墨烯薄膜材料可以產生太赫茲信號，利用該機理，有望為光電信號互換提供新方式。美國加州大學聖巴巴拉分校研究人員與萊斯大學合作，在2014年展示了可實現大面積Bernal型（或AB型）堆疊雙層石墨烯薄膜的新技術。
在能源方面，石墨烯的應用主要集中在氫能存儲、超級電容器製造、鋰離子電池和鋰-空氣電池製造等方面。2013年，美國萊斯大學制造出高比容微型石墨烯鋰電池，比容達到204毫安時/克，厚度僅10納米，充放電時間20秒。試驗表明，充放電1000次後電容量僅損耗10%。2014年，麻省理工學院利用兩張褶皺的石墨烯紙製作了簡單的超級電容器。研究人員證實，這種石墨烯紙可以平復1000次，且製造的超級電容性能不發生明顯降低。這種將石墨烯起皺的技術不僅可用於製造超級電容器，也可用於製作柔性電池的電極，或者為特定的化學或生物分子製造可伸縮傳感器等。
在探測與傳感器方面，2012年，德國慕尼黑工業大學的科學家成功製成石墨烯光電探測器，能非常快速地處理和引導光電信號。2014年，美國密歇根大學的科學家通過將可感應光子的石墨烯薄層嵌入到隱形眼鏡之中，從而使昏暗的圖像看起來更明亮。
在顯示屏方面，2014年，英國劍橋大學的研究人員展示了首個可彎曲的石墨烯柔性屏幕，採用軟塑料和石墨烯底板取代了傳統的金屬電極。2014年，韓國三星先進技術研究院與成均館大學聯合宣佈，他們已經合成一種能在更大尺度內保持導電性的石墨烯晶體，這是一種可以用在柔性顯示屏和可穿戴設備上的屏幕顯示技術。
近期各國主要石墨烯發展計劃與項目
在芯片材料方面，石墨烯被譽為“21世紀取代硅的材料”，有望成為新一代的電子元件或晶體管材料。2012年，韓國三星公司利用石墨烯研製出了新的晶體管結構，形成了一個叫做“肖特基勢壘”的能源壁壘，通過調整壁壘高度可以實現電流的開關。2014年，IBM公司發佈由片級石墨烯材料製造的全功能集成電路，它是最先進的全功能石墨烯集成電路，可使電子設備以速度更高、能效更低、成本更低的方式傳遞數據信息。
在環保與生物方面，近期進展主要集中在汙染物的吸附、海水淡化等。美國萊斯大學和俄羅斯國立羅蒙諾索夫大學的研究人員發現，僅有原子厚度的氧化石墨烯薄片能快速吸附天然和人造的放射性核素，並凝結成固體，陸地、水下都能使用。2012年，麻省理工學院研究人員藉助石墨烯開發出了一種海水淡化的新方法，通過精確控制多孔石墨烯的孔徑並向其中添加其他材料的方法，從而改變石墨烯小孔邊緣的性質，使其能夠排斥或吸引水分子。這種特製的石墨烯就如同篩子一樣，能快速地濾掉海水中的鹽。2013年，美國洛克希德·馬丁公司也研發了一種新的石墨烯海水淨化系統，其採用的薄膜厚度是目前市場上最好薄膜的1/500，強度卻達到了它的1000倍，過濾同樣多的鹽分所需的能源和壓力也是它的百分之一。
巨大應用前景改變未來戰場
石墨烯具有卓越而獨特的電學、光學、力學、化學性能，這些優越的性質及特殊的二維結構使其在國防軍事上有著難以估量的應用前景，將對未來作戰產生顛覆性的重大影響。
利用石墨烯超薄超輕、抗壓力強的特性，通過與其他材料複合，研製出了具有超薄、超柔和超輕特性的新型超強材料，可用於機翼、彈翼等。利用石墨烯的導電性和導熱性，可代替硅、鍺等材料製成電容、晶體管、集成電路，成為新一代電子元件，可用於超級計算機、雷達、通信設備等未來新型軍用電子裝備上。石墨烯還有望蘊育出新型寬帶激光器，並取代半導體可飽和吸收鏡成為飛秒光纖激光器的核心材料。
石墨烯可用於防彈衣、裝甲車輛的新材料中，用於代替凱夫拉、芳綸等高性能材質，在減輕重量的同時還能提高防護能力。近期實驗數據顯示，石墨烯可以迅速分散衝擊力，並能中斷通過材料的外展波，承受衝擊的性能遠勝鋼鐵和凱夫拉等材質。用石墨烯製成的防彈衣擁有2倍於現有防彈衣技術（凱夫拉縴維）的防護能力。美國萊斯大學的研究人員進行了一次微觀彈道測試，以一顆微小的硅粒以3000米/秒的速度射向單層石墨烯，發現這種蜂巢形結構的材料可有效分散動能，其能力比凱夫拉強2倍，比鋼材強10倍。
利用石墨烯透光性好、對環境敏感度高的特性製成的高效光傳感器，可用於紅外夜視儀和紅外熱像儀等光電探測裝備中，也可以生產導彈用的非製冷紅外導引頭，提高導彈的精度和毀傷目標的能力。IBM公司已經研製出石墨烯/絕緣體超晶格，使石墨烯具有光子特性，並製成可實現太赫茲級頻率的濾波器與線性偏光片等光學元件，有助於在未來擴展至中紅外和遠紅外波段的光電設備應用中。2014年3月，美國密歇根大學的研究人員利用石墨烯開發出一種只有指甲蓋大小的紅外線圖像傳感器，其實現方式是在兩層石墨烯之間放置一個絕緣層，然後施加電流，當接觸到紅外光後，可產生足夠的電流生成紅外圖像。該新技術無需笨重的冷卻裝置就能運行，首次實現了在室溫下對全紅外光譜的觀測。
石墨烯具有高透明性、強韌性以及優良的導電性，可用於製作各類武器裝備上的儀表盤、屏幕面板等。尤其是利用石墨烯製作的柔性屏幕，不僅清晰度高、安全性好，而且重量輕、便於摺疊與攜帶，在單兵作戰系統、增強現實裝置、軍用可穿戴設備上優勢明顯。
美國國防高級研究計劃局開發的生物組織傳感器
在能源方面，石墨烯作為負極材料能夠大幅提升鋰電池性能，並提高電池的彎曲、拉伸等力學特性；石墨烯同時兼具高透過性和高導電性，使其可成為透明電極應用於太陽能電池；利用石墨烯類膜材料特性，有望解決燃料電池核心部件質子傳導膜的燃料滲透難題；石墨烯符合高能量密度和高功率密度的超級電容器對電極材料的要求，普遍認為它有希望成為理想的超級電容器極板料。2012年，美國陸軍研究實驗室首次證明，在柔性襯底上採用噴墨打印技術可以製備出石墨烯超級電容器電極，並進一步製造出柔性超級電容器原型。運用石墨烯開發的柔性超級電容器可以增強超級電容器的性能並減少尺寸，與電池相比，其功率密度更高、壽命更長，可增加武器和無人系統的動力並減輕重量。
此外，石墨烯還可以製成特殊塗料，用於軍艦的艦體防護上，抵禦海浪衝擊以及水氣、鹽霧等的侵蝕，大幅提高武器裝備的抗腐蝕能力；石墨烯良好的密閉性，不透氣透水，且能抑制細菌滋生，可用於製作戰地醫療物品、軍用食品包裝袋等；石墨烯的薄層結構對固體、氣體、離子都有著很高的吸附容量，可用於戰場汙染物的清理，從而降低對生態環境的損害。
結 語
石墨烯的問世不過短短的十餘年光景，但其獨特的二維晶體結構和優異的物理、化學特性，使它迅速成為眾多領域的研究熱點，並在國防和軍事等領域扮演重要角色。但是，石墨烯的更廣闊利用仍面臨很多問題需要解決，我們必須統籌規劃，精心佈局，緊緊抓住石墨烯研發和產業化所帶來的重大發展機遇，努力掌握未來科技競爭的制高點。
下一期，4、5
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