《新材料周刊》第36期：美国防部研究报告阐述“超级士兵”前沿技术进展

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内容摘要：

美国防部研究报告阐述“超级士兵”前沿技术进展

Graphenea推出高平单层石墨烯

美开发可用于军用头盔的新型填充材料

芬兰开发由纤维素制成的光纤

美开发首款可大规模生产的厘米级超透镜

新型红外偏振相机提高军用无人机摄像能力

可促进水净化和能量存储的新型膜技术

美开发可兼容数字电子产品的碳纳米晶体管

美国防部研究报告阐述“超级士兵”前沿技术进展

11月25日，美陆军作战能力发展司令部化学生物中心发布国防部研究报告《2050年半机械人士兵：人机融合及对国防部未来的影响》，探讨“超级士兵”应用的可行性、军事用途，以及将对社会产生的道德、法律方面的深刻影响。美军开展应用层面的讨论，说明了“超级士兵”研究正在走向成熟，离实战化应用越来越近。

1990年，在DARPA工作的四星将军保罗·戈尔曼首次提出“超级士兵”的构想，推动DARPA从只专注于研发先进武器平台开始转向士兵的战场能力提升。“超级士兵”相关技术主要包括新材料技术（增强防弹衣防护能力、减轻外骨骼重量以及具有特殊功能的其他新颖材料）、电池技术（增加可穿戴设备或外骨骼续航时间）、生物技术（主要包括基因编辑技术、神经科学、合成生物学和生物药物等）、3D打印、机械制造和信息技术等。近年来，相关的新兴技术纷纷取得突破性进展，美军相信在2050年能实现士兵在视、听、肌肉力量以及大脑上获得增强，变成具有非凡战斗力的“半机械人”。

报告预测，人机增强技术将在2050年之前广泛使用，并将稳步成熟，这主要是由于民用需求和强劲的生物经济所推动。报告中详细列出了到2050年在技术上可行，并可作用在人身上进行优化的四种功能：

（一）超级视觉。增强眼部的成像、视觉和情景感知能力，它有两种技术实现途径：一种途径是在现有眼球上放置一个“眼睛增强系统”，士兵可以在其中学习如何解读收集到的数据；在另一种情况下，眼球将被物理取出，并被替换为增强眼球，其收集的数据将“直接进入眼睛后面的视神经束”。

（二）超级听力。目前听力增强技术非常具有侵入性（物理上取代了中耳骨和耳蜗），它只适用于严重听力丧失的服役人员，而且这种增强是不可逆转的。但是，到2050年，新技术的侵入性可能会小得多，更容易获得。

（三）肌肉增强。通过光遗传紧身衣传感器网恢复和编程肌肉控制，一套恢复服可以使疲惫的肌肉恢复活力，让身体疲惫的士兵更快地恢复元气。在皮肤下插入传感器，当需要时通过刺激肌肉来帮助控制身体的运动。

（四）人脑神经增强。脑机接口能够将大脑信号转化成直接控制外界武器和机械设备信号。DARPA通过启动一系列脑机接口研发项目，不断推动着该技术的突破，主导着技术发展方向。2019年，DARPA启动的“沟通+”项目，首次将脑机接口扩展到脊髓接口，开拓了新的技术方向，丰富了神经控制的途径，或可进一步提高士兵通过神经控制多设备的能力。报告预计到2030年，特种部队、军事飞行员、无人机操作员和情报人员将开始使用神经植入物。特殊的神经植入物将使操作员的大脑能够与战场资产（例如武器系统和侦察无人机）以及“邻近或通过中央网络的分层中继在近距离或跨距离”的人员进行交互。（military.com网站12月2日消息）

Graphenea推出高平单层石墨烯　西班牙石墨烯制造公司Graphenea宣布推出高平单层石墨烯。研究人员采用化学气相沉积法在2英寸蓝宝石衬底上的铜薄膜上制备获得该石墨烯产品。这种高平单层石墨烯具有极低的粗糙度（小于4 nm），主要应用于光子学、高性能电子、磁性存储器和独立式薄膜。由于蓝宝石衬底足够坚固，可承受机械损伤，有利于防止薄铜片撕裂和起皱，使得该产品可通过电化学分层或采用干法进行转移。该产品满足晶片规模的集成要求，能够与当前工业制造方法兼容，可用于构建均匀的石墨烯器件。（Graphene-info网站12月1日消息）

美开发可用于军用头盔的新型填充材料　加利福尼亚州HRL实验室开发了一种新型填充材料，可替代目前用于运动、摩托车和军用头盔里面的泡沫填充物。该材料承受冲击的能力比泡沫更好，能更好的保护佩戴者，同时兼顾舒适性。这种材料是一种“弹性微晶格”聚合物材料，具有开放的内部结构，不仅可以非常有效、反复地吸收冲击能量，而且允许热量和湿气通过。相比之下，传统泡沫填充物头盔的透气性通常不是很好。冲击性能测试表明，新型填充材料比目前性能最佳的膨胀聚苯乙烯泡沫塑料吸收的能量高27％。在反复撞击下，它吸收的能量比顶级乙烯基腈泡沫高出48％。此外，与其他微晶格类材料相比，它在遭受冲击时吸收的能量增加了近14％。而且，与其他同类产品不同的是，它在受到冲击后仍保持完好无损且功能正常。体育科技公司VICIS已获得该技术的许可，并计划将其商业化。（HRL实验室网站11月27日消息）

芬兰开发由纤维素制成的光纤　芬兰国家技术研究中心（VTT）开发了一种由纤维素制成的光纤。新光纤的纤芯由纤维素制成，并使用离子溶剂进行改性，而纤芯包层由醋酸纤维素制成。光可以在光纤中传播，因为纤芯被折射率较低的包层材料包围，光从纤芯和包层的界面反射回纤芯。由纤维素制成的光纤最适合传感器应用，得益于纤维素可生物降解性的特性，此类光纤有望为传感器应用开辟新的机遇，但在电信应用中它不会与基于玻璃的光纤竞争。研究人员表示研发仍处于初期阶段，暂时还不知道新光纤可以满足的所有应用。（芬兰国家技术研究中心网站12月3日消息）

美开发首款可大规模生产的厘米级超透镜　哈佛大学约翰保尔森工程与应用科学学院（SEAS）使用常规芯片制造方法开发了一种全玻璃、厘米级的可见光谱超透镜。超透镜主要通过纳米结构聚焦光线，可用于彻底改变显微镜、照相机、传感器和显示器的所有镜头。截止目前，大多数镜头都只有一块闪光的大小，尽管这种尺寸的镜头在某些应用中效果很好，但在弱光条件下则需要使用更大的镜头，如在轨道卫星上的成像系统以及VR应用中。为了能够批量生产更大尺寸的超透镜，研究人员使用了一种称为深紫外线（DUV）投影光刻技术，该技术通常用于计算机、手机等产品中硅芯片中细小线条和形状的图案化。该技术可以在每个芯片上产生许多由数百万个纳米级元素组成的超透镜，只需进行一次曝光即可拍摄照片。通过将纳米结构图案直接蚀刻到玻璃表面，研究人员摒弃了制造传统超透镜传感器所需的耗时沉积过程。这项研究为手机晶圆级摄像头铺平了道路，其中CMOS芯片和超透镜可以直接堆叠在一起。（哈佛大学约翰保尔森工程与应用科学学院网站12月3日消息）

新型红外偏振相机提高军用无人机摄像能力　美国陆军CCDC陆军研究实验室与北极星传感器技术公司合作开发了一款Pyxis红外偏振相机。该相机在检测杂波抑制方面具有显著优势，可增强军队探测和识别隐藏目标的能力。研究人员首先将像素级偏振滤光片集成到微辐射热计中，使相机在不存在热对比度的情况下也可以检测环境中的偏振对比度。而后将偏振信息与常规热成像融合在一起，极大增强该技术检测低可观察目标的能力，热极化仪还能够在完全黑暗的环境中进行人和面部识别。研究人员计划将该摄像机安装在小型旋翼和固定翼无人机上，以增强态势感知、武装保护和作战人员效率。（美国陆军研究室网站11月25日消息）

可促进水净化和能量存储的新型膜技术　伦敦帝国学院和爱丁堡大学研究人员合作开发出新的离子传输膜技术，可降低电池存储能量和水净化的成本。研究人员使用计算机模拟技术制造出内在微孔性（PIM）的微孔聚合物，并改变其结构构件以实现不同的性能，促进可再生能源的使用和存储，并增加发展中国家清洁饮用水的供应。该聚合物由具刚性和扭曲性的主链制成，包含极为微小的“微孔”，这些微孔提供刚性与有序的通道，分子和离子可根据其物理大小选择性地通过这些通道。由于可溶于普通溶剂的特性，该聚合物可被制成超级薄膜，从而进一步加快离子传输速度。该薄膜可应用于液流电池中，在允许携带电荷在槽之间传输的同时，防止两种电解质的交叉混合。研究人员计划下一步将该技术扩展到工业分离过程的膜、下一代电池的隔膜（例如钠和钾离子电池）以及许多其他用于能量转换和存储（包括燃料）的电化学装置电池和电化学反应器，并与电力公司合作将其产品商业化。（伦敦帝国学院网站12月2日消息）

美开发可兼容数字电子产品的碳纳米晶体管　美国半导体电子公司Carbonics研究人员开发一种新型晶体管，由排列整齐的碳纳米管制成，其工作频率可达到吉赫兹，并且比大多数现有晶体管更容易与CMOS技术集成。研究人员开发的高频晶体管与类似现有技术的主要区别在于，前者是由数千种排列整齐的碳纳米管构成，而非高维Si或III-V材料，因此具有出色的传输特性。晶体管中碳纳米管可以使用简单的表面涂覆方法将其应用于多种基材，有助于其与CMOS和其他半导体技术的集成。这项研究有望促使半导体行业发生变化，然而碳纳米管晶体管从原型阶段进入大众市场仍需时日。