美军纳米机器人的发展现状

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1、美军纳米机器人的发展现状美军纳米机器人的发展现状军用机器人，例如无人机，在第一次海湾战争中引起了公众的注意，按照今天 的标准当时伊拉克士兵向原始的先锋侦察无人机投降了。“911”事件之后的伊拉克与阿富汗，公众、媒体、敌人最熟悉的无人机 当属“捕食者（Predator）”无人机，这种无人机集成了传统的情 报、预警、 侦察能力以及发射“地狱之火”导弹的能力，成为了世界上第一种同时具有 “猎手/杀手”功能的空中机器人。但是，从上世纪 90 年代到目前为止美军 研 制了许多的无人机，从手上发射的陆军、海军陆战队青睐的侦察无人机到世界 上最大的“全球鹰”无人机，“全球鹰”无人机曾从美国的加利福尼亚不停歇

2、 地飞到 了澳大利亚，总程达到 8214 英里。21 世纪，出现了许多机器人，从日本的机场跑道机器人，到美国国家航空 和宇宙航行局的宇航机器人，到 4 条腿的机器骡子，到鞋盒大小的用于伊拉克 与阿富汗路口搜寻汽车炸弹或者检查建筑物的机器人，到医院走廊携带医疗图 表与药品的半自动手推车。但是新一代微型机器人开始运用于国防、本土安全、医疗，这些微型器人 有的如同沙粒，有的如同昆虫，有的如同蜂鸟，有的如同知更鸟。当这些微型机器人就像是小型的传感器，当散布在道路、小径、田野之中 就构成了传感器网络。当人员、动物或者车辆穿过电子网络的时候，每个微型 传 感器获得信息就会传到小型计算机进行分析处理，接着传

3、递到指挥所，不仅 可以使作战人员了解有物体进入了该网络，而且还可以对其大小、速度、重量 作出判断。稍微大一些的机器人，大小介于甲虫到蜥蜴之间，使用机械腿，或者翅膀， 或者推进器爬行、飞行、跳跃、滑动到建筑物、洞穴、墙壁之后，提供声音、 图像、热量等其他数据。在攻击与人质救助中，这些信息可以反映个体的出现 与数量，包括远距离的狙击手。这些机器人也可以武装化，可以携带炸药，或 者充满非 致命与致命化学药品的皮下注射针头。纳米技术的历史、未来、不足与潜力在谷歌搜索引擎中搜索“micro spy”这一词条会出现 330,000 条搜索结 果，从纳米技术新闻蝙蝠机器人使用纳米传感器（Nanotechno

4、logy-Enabled Sensors to Guide Bat-Inspired Robot Spy Plane）到谷歌书店的“101 种邪恶天才的间谍用具（101 Spy Gadgets for the Evil Genius）”。如果在谷 歌搜索引擎中搜索“military micro spy”这一词条，搜索结果则会减少 2/3，中国制造的“卫星间谍窃听器”玩具会出现在第一位，微型无人机 2009 年的视频会出现在最后。纳米技术包括原子级与分子级材料，通常小于 100 纳米（1 米的十亿分之 一），具有特殊电子与原子特性，可以用于计算机信息存储、半导体、生物技 术、制造、发电、传感器等

5、。这些思想可以追溯到 1959 年诺贝尔奖得主美国理 论物理学家理查德费曼的一篇关于小型量子效益的文章。之后的 10 年，实际 的 研究才成为了可能，上世纪 60 年代末到 70 年代初贝尔实验室的阿尔佛雷德 丘与约翰亚瑟发明了分子束晶体，这使得科学家可以控制单原子层的沉积， 最终可 以制备纳米级的设备。在官方公开记录中，1999 年 3 月国家科学基金高级顾问同时兼任比尔克 灵顿总统纳米技术子委员会主席的米哈尔C洛克（Mihail C. Roco）博士提出 了联邦纳米技术倡议，这也标志着美国政府开始关注纳米技术的投入。在倡议 中洛克认为纳米技术时“下一次工业革命”，科学与技术委员会 （Nat

6、ional Science and Technology Council 缩写为 NSTC，属于白宫科学与技术政策办 公室）发布了第一份关于纳米技术的报告纳米结构科学与技术，之后又发 布了纳米技术研究方向，2000 年 3 月又发布了国家纳米技术倡议。为了解释克灵顿政府 2001 年关于纳米技术研究与发展的费用需求构想，当 时的科学技术政策办公室主任尼尔莱恩（Neal F. Lane），总统的科学与技术 助理，说：“纳米技术的发展是化学、物理、生物、工程、医学、材料科学等 多门学科发展的结果，所以必将推动 21 世纪科学与技 术的跨学科发展。美国 政府相信纳米技术将对 21 世纪的经济与社会有

7、着深刻的影响，也许可以与信息 技术、细胞生物学、遗传生物学与分子生物学所带来的影响相 比较。”军用纳米间谍随着世界进入了 21 世纪的第 2 个十年，纳米技术的研究已经触及现代生活 的每一个方面，从计算机与通信到医学与农业。纳米技术的发展以不同的形式、 不同的程度发生着巨大的变化。对于军事来说这一点特别明显，纳米技术与基于纳米技术的侦察、制导与 跟踪、敌我识别、智能武器、本土与战区安全、通信、战场医学、修复术等永 远地改变着军事的方方面面、战术技术与程序以及行动方案。纳米机器人（nanomachine 或者称为 nanobot, nanoid, nanite, nanomite）只有纳米级大小

8、（从 0.1 纳米到 10 纳米），由纳米级部件组成，所 具有的非凡的能力，远远超出了尺寸的局限。实际上，一组基于纳米技术 的设 备可以完成 B-2 轰炸机与“亚布拉姆”战斗坦克才能完成的任务。随着纳米技 术不断缩小装备中部件的尺寸，设计者需要确定是缩小最终部件或者平台的尺 寸，还是保持原来尺寸的同时安装更多、更好的传感器、计算机、武器等设备。可能用于军事最多的纳米技术当属微型化的侦察装置，如“智能沙粒”或 者“智能尘埃”。这些装置具有电子鼻的功能，只有沙粒那么大，可以分析周 围 环境、识别化学构成、向监督系统汇报。最终的侦察报告是非常全面的，将 成千上万个电子鼻的数据进行梳理，每个纳米电子鼻

9、的侦察范围只有几英寸， 但是众多的 电子鼻覆盖在有限的区域中，这些纳米点具有很高的侦察精度。如果“智能沙粒”组成的网络中有各种不同的传感器，监督计算机可以使 用数据融合对遥远的战场或山中道路形成更加复杂、更加精确的实时侦察图像， 敌人却全然不知，当地居民的风险也很小。2010 年 7 月的美国化学协会的文章介绍了美国、俄罗斯、德国、意大利等 国的科学家组成的国际研究组如何成功地制造了“纳米带（nanobelt）”，这 是一种独立的、契型的、锡氧化物构成的线状物，甚至有可能超过动物的嗅觉 系统。“所提出的方法是一种综合的、可行的从上向上/从上向下技术路线，可以 用于研制强大的、灵敏的用于分析微米

10、级以下物质的分析系统，”文章单纳 米带电子鼻：最简单分析元素的工程与测试（Single-Nanobelt Electronic Nose: Engineering and Tests of the Simplest Analytical Element）的 摘要这样说。根据研究组成员安德烈科尔马科夫（Andrei Kolmakov）博士（南伊利诺 斯大学物理学副教授）的说法，将主要的传感器、电子系统、数据传输集成在 单个纳米结构如同研制集成电路一样。会飞的纳米机器人在最近几年中，军队在西南亚和其他地方运用了大量可以从手上发射的微 型无人机，例如瑞士军刀（Switchblade）、黄蜂（Wasp

11、）、阿纽比斯 （Anubis）、乌鸦（Raven）等。但是，这些平台并不属于纳米装置，这些微型 无人机必将从纳米技术中受益。然而，国防高级研究项目局（Defense Advanced Research Projects Agency 缩写为 DARPA）与工业部门正在致力于新一代纳米无人机（nano-UAVs 缩写为 NAV），这些纳米无人机只有昆虫大小。其中有一种被称为扑翼飞机， 实际上运用了昆虫的翅膀。其他一些纳米无人机基本上是微型的直升机。在海军研究生院（Naval Postgraduate School）的报告中，斯瓦班达博 士（空军研究实验室空中平台委员会研究控制论的科学家）介绍了微

12、型无人机 的研究目的与价值，这些微型无人机不容易被 发现，具有致命性，廉价，可以 快速反应，可以持续作战，机动性好。“最大的约束，也是最大的挑战是无人机的推动装置，需要寻找将更多能 量集中到越来越小的电池中。使用目前的动力源，我们只能使无人机飞行几分钟，而我们需要让它们工作数小时，”他说：“另一个挑战是实现可控的稳定 的扑翼飞行。”“在有限电量、重要的约束下，很难制造出像鸟类、昆虫这样高度机动的 微型无人机。这需要设计非常复杂的算法，同时使微型无人机上的信息处理系 统 越来越小。2015 年之前，我们想要制造鸟类大小的可以侦察大规模杀伤武 器（weapon of mass destructio

13、n 缩写为 WMD）的微型无人机。2030 年之前， 我们想要制造出昆虫大小的的可以侦察大规模杀伤武器微型无人机。”宾夕法尼亚大学正在研究这种平台，这一项目称之为微型无人机群网络 (Scalable sWarms of Autonomous Robots and Mobile Sensors 缩写为 SWARMS)。项目集中了人工智能、控制论、机器人技术、系统工程、生物学方面 的专家。根据微嘉昆玛教授的观点，这一项目是要将生物种群行为运 用于工 程系统中。昆玛教授在项目介绍中这样写道：“我们的团队对这样的问题感兴趣，大 量自动运行的无人机可以以群的形式可靠地部署吗？可以执行预定的任务吗？ 可

14、以作为群来响应高层的管理指挥吗？在没有明确的领导，成员之间交流较少， 成员之间可能动态地变换角色的情况下，这样的群可以在敌对环境中正常地运 行吗？”“我们可以从生物群，例如蜂群、鸟群、鱼群中，学会如何组织无人机吗？ 对于生物群来说有一种恰当的模型体系可以充分解释不同层次的群行为（从群 的涌现行动到单个个体的动态性）吗？”全美国，乃至全世界大学实验室研究的各种纳米装置几乎没有展现出纳米 技术的潜力。这些纳米装置包括：自愈合金属（Self-Healing Metals）纳米结构材料，比铝合金结实 10 倍，可以自我愈合裂缝、弹孔等。这一项目正在由威斯康星州密尔沃基大学 研究，军方投入的经费达到了

15、120 万美元。核酸机器人（nucleic acid robots 缩写为 Nubots）合成的纳米级装 置，如“DNA 漫步者”。纽约大学、加利福尼亚理工大学、牛津大学都在对核 酸机器人进行研究。蛇形机器人军用系统将太多的注意力投入到可以飞行、盘旋、爬行、 跳跃、步行的机器人，也许从蛇的波动来移动身体入手可以取得更大的进展。 马 里兰大学的研究人员相信这种方式在某些情况下要比其他移动方式更好。制 造蛇形机器人有许多的挑战，如力学、能源、传感器等方面，但是这样的机器 人对作战人 员非常有帮助，尤其是在特种作战部队，敌人难以发现像蛇或者蚯 蚓一样的机器人。上世纪 60 年代到 70 年代，美国与

16、苏联在空间领域展开的竞争加速了计算 机、微波、陶瓷等技术的发展，同样全球对纳米技术的竞争将会极大地推动纳 米技术的发展。尤其是美国工业界早已行动起来，它们采取多种形式将纳米技术运用于多 种产品中；医学界也提出了多种运用纳米技术的治疗方法；政府向大学与实验 室投入了数十亿美元来开发新的纳米技术；金融部门正在对这些纳米技术研究 进行战略性投资，希望从未来纳米机器人的商业化中获利。如果在谷歌中搜索“nanotech patent（纳米专利）”，你会看到一百万条 结果，这从一个侧面反映了纳米技术研发的速度与范围。早期的应用早已包括 了侦察传感器、药物输送系统、生物 医疗手术器械，这早已改变了药物动力学 （pharmacokinetics，研究身体对药物的反应）与药效学 （pharmacodynamics，研究药 物对身体的反应）的本质。在未来的医疗应用中，不可复制的纳米机器人将注射进患者身体，在细胞 层次来修复或者预防损伤。然而这种能力仍然处于理论研究阶段，不过十年之 内 普通医生就可以运用这种纳米技术了。这种方法非常快