郭彥江

生物電子技術(shù)是涉及生物科學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、電子科學(xué)、材料科學(xué)、工程科學(xué)等多學(xué)科交叉融合的一門新興技術(shù)。生物電子技術(shù)通過將生物信息處理的優(yōu)異特性借鑒于電子學(xué)和信息學(xué)，催生電子學(xué)和信息學(xué)的重大變革，將為武器裝備實現(xiàn)跨越式創(chuàng)新發(fā)展提供新的源泉，已成為武器裝備變革的重要推動力量，并在不斷催生新的作戰(zhàn)樣式和作戰(zhàn)理念。

概念內(nèi)涵

近年來，生物科學(xué)的研究已進(jìn)入分子、細(xì)胞、組織以及系統(tǒng)等不同層次，大量生物醫(yī)學(xué)信息的獲得、處理和分析成為生物科學(xué)發(fā)展的瓶頸問題，電子、信息科學(xué)的發(fā)展為在分子層次揭示生物信息提供了可能。生物電子技術(shù)以生物的信息過程為研究對象和應(yīng)用對象，并以人腦信息處理的功能模擬為最終目的，綜合應(yīng)用電子學(xué)、工程學(xué)、信息學(xué)和系統(tǒng)學(xué)的方法、原理和技術(shù)來分析、處理、利用和模擬生物的信息處理體系，發(fā)展更靈敏和高通量的生物傳感器件、儀器設(shè)備等：并基于對生命系統(tǒng)信息處理的認(rèn)識，提出和發(fā)展新的信息處理的原理和器件，包括有別于現(xiàn)代計算機(jī)的新的生物計算方法，最終實現(xiàn)對人腦功能的模擬，以促進(jìn)生物學(xué)、醫(yī)學(xué)以及電子學(xué)和信息學(xué)自身的發(fā)展。

生物電子技術(shù)的研究內(nèi)容主要包括三個方面：一是研究生物體系的電子學(xué)問題，包括生物分子的電子學(xué)特性、生物系統(tǒng)中的信息存儲和信息傳遞，由此發(fā)展基于生物信息處理原理的新型計算技術(shù)，即生物計算領(lǐng)域;二是應(yīng)用電子信息科學(xué)的理論和技術(shù)解決生物學(xué)問題，包括生物信息獲取、生物信息分析，也包括結(jié)合納米技術(shù)發(fā)展生物醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)及輔助治療技術(shù)、開發(fā)微型檢測儀器等。即生物傳感領(lǐng)域：三是利用生物體系的電子學(xué)特性，解決電子信息科技領(lǐng)域的問題，包括生物燃料電池、生物電子器件和執(zhí)行器等，即傳統(tǒng)生物電子領(lǐng)域。

國外生物電子技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

美國、俄羅斯等軍事強(qiáng)國均在大力推進(jìn)以生物傳感、生物計算等為重點的生物電子技術(shù)研究。美國國防部、各軍兵種、DARPA等已經(jīng)制定了一系列軍用生物電子方面的發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃，部署了大量國防生物電子創(chuàng)新項目。當(dāng)前已在生物電子材料、生物傳感器、生物存儲與計算、生物燃料電池等領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，形成了一大批具有重大軍事應(yīng)用前景的產(chǎn)品，如DNA芯片、人工突觸、生物紅外傳感器、新型生物電池等。

競相制定生物電子技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃，成立專門組織管理機(jī)構(gòu)。世界主要軍事強(qiáng)國高度重視發(fā)展生物電子相關(guān)技術(shù)，成立相關(guān)組織管理機(jī)構(gòu)，制定發(fā)展戰(zhàn)略，設(shè)立重大發(fā)展規(guī)劃，從國家層面推動生物電子技術(shù)快速發(fā)展，搶占未來軍事革命的戰(zhàn)略制高點。

美國將生物電子技術(shù)列入國家頂層布局。特朗普政府制定的首份《國防戰(zhàn)略》將生物技術(shù)列為確保美國打贏未來戰(zhàn)爭的重要技術(shù)。2017年以來，特朗普政府宣布將制定新的國家生物防御戰(zhàn)略，研究生物材料、生物芯片、生物計算機(jī)對美國未來國家安全的潛在影響。美國國防部將軍用生物電子相關(guān)技術(shù)列為美軍重點資助和發(fā)展的八大領(lǐng)域之一，成立生物技術(shù)高性能計算軟件開發(fā)研究所。明確突出國防生物和電子信息技術(shù)的融合趨勢。美國陸、海、空三軍在《陸軍科學(xué)規(guī)劃與戰(zhàn)略報告》《海軍科技戰(zhàn)略規(guī)劃》《空軍科技戰(zhàn)略》等規(guī)劃戰(zhàn)略中均將生物電子技術(shù)列為投資重點。DARPA從2003年開始在戰(zhàn)略規(guī)劃中將生物技術(shù)列為優(yōu)先發(fā)展的重點之一，2014年成立生物技術(shù)辦公室，在2015年發(fā)布的戰(zhàn)略主導(dǎo)文件《保障國家安全的突破性技術(shù)》中將生物技術(shù)列為未來四大重點研究領(lǐng)域之一。DARPA近年在生物領(lǐng)域投資已超過40億美元，占總投資比重超過8，9%。

俄羅斯、歐洲等國家制定國家生物電子技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略。俄羅斯仿照美國DARPA成立的先期研究基金會將生物化學(xué)和醫(yī)學(xué)技術(shù)列為重點研究領(lǐng)域，重點進(jìn)行生物燃料、生物醫(yī)藥、納米生物計算、認(rèn)知技術(shù)等研究，探索新型軍事裝備和武器的潛在動力供應(yīng)方法，以及實施武器、特種裝備和部件制造輔助技術(shù)工藝的發(fā)展項目。歐盟在“地平線2020計劃”框架下針對生物電子技術(shù)和產(chǎn)品等主題部署研究項目，將微生物傳感器平臺、納米生物芯片開發(fā)等列為優(yōu)先發(fā)展事項。英國成立生物技術(shù)和生物科學(xué)研究理事會，2017年宣布投入4.24億美元支持未來5年生物技術(shù)發(fā)展。

新型DNA芯片和人工突觸層出不窮，催生新型計算機(jī)算法和架構(gòu)。生物計算是當(dāng)前推進(jìn)生物科技創(chuàng)新的基礎(chǔ)性使能技術(shù)。通過大規(guī)模、多類型的數(shù)據(jù)和信息的存儲、管理、獲取和計算技術(shù)支撐，生物計算技術(shù)為生物科技創(chuàng)新提供必要的、高效的數(shù)據(jù)支撐。以美國為首的科技強(qiáng)國正通過多個項目推動生物存儲和生物計算技術(shù)研究。

利用DNA、聚合物等分子技術(shù)發(fā)展數(shù)據(jù)存儲能力。美國情報高級研究計劃局（IARPA）2018年5月發(fā)布“分子信息存儲”項目，項目尋求開發(fā)一種將數(shù)據(jù)寫入聚合物的桌面設(shè)備，以及一種可讀取存儲信息的桌面設(shè)備，依靠聚合物零誤差、存儲效率高的特點，推動生物存儲技術(shù)研究。DARPA于2017年4月發(fā)布“分子信息學(xué)”項目跨部門公告，尋求開發(fā)一種可在分析和化學(xué)層面處理來自偵察、電子戰(zhàn)、信息情報、持續(xù)監(jiān)視等數(shù)據(jù)密集型軍事應(yīng)用領(lǐng)域的海量信息流技術(shù)。哥倫比亞大學(xué)成功創(chuàng)建一種在DNA中存儲數(shù)據(jù)的方法，創(chuàng)造出迄今最高密度的大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲方案，新系統(tǒng)將具備1克DNA存儲215拍字節(jié)的能力，達(dá)到了理論極限值的85%。哈佛大學(xué)成功將電影片段存儲到細(xì)菌活體細(xì)胞中，經(jīng)過多次迭代后，存儲在基因中的電影信息保存完好，有望應(yīng)用于數(shù)據(jù)加密和生物傳感等領(lǐng)域。

研發(fā)出多種新型人工突觸、憶阻器等生物信息處理單元。人工突觸是一種人工設(shè)計的有機(jī)電子器件，可通過模仿人腦中的突觸來傳遞信息。人工突觸傳遞信息的同時可自動存儲信息，顯著提高電子元器件的傳遞、處理效率。美國斯坦福大學(xué)和桑迪亞國家實驗室研發(fā)出一種人工突觸，試驗表明這種人工突觸模擬神經(jīng)識別效率達(dá)到93%～97%，功耗僅為頂尖級計算機(jī)能耗的1/10。法國國家科學(xué)研究院開發(fā)出一種能自主學(xué)習(xí)的人工突觸，這些突觸能夠自主學(xué)習(xí)并預(yù)測識別模式，為脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的無監(jiān)督學(xué)習(xí)開辟了一條新路徑。憶阻器是一種先進(jìn)的具備記憶功能的非線性電阻器，可基于對其施加的電壓的歷史記錄對電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對各種不同任務(wù)的并行處理。美國密歇根大學(xué)開發(fā)出一種新型憶阻器計算機(jī)電路芯片原型，具備處理圖像和視頻等復(fù)雜數(shù)據(jù)信息的能力，處理速度比現(xiàn)有最先進(jìn)的系統(tǒng)快幾個數(shù)量級且功耗極低。

DNA、RNA生物計算機(jī)性能不斷取得突破。生物計算機(jī)因運算速度快、功耗低、儲存數(shù)據(jù)大等優(yōu)勢受到各科技大國的強(qiáng)烈關(guān)注。美國亞利桑那州立大學(xué)和哈佛大學(xué)維斯生物啟發(fā)工程研究所開發(fā)出迄今最復(fù)雜的生物計算機(jī)。該計算機(jī)由RNA制成，能在大腸桿菌活細(xì)胞內(nèi)對12種不同指令同時做出反應(yīng)，控制細(xì)菌細(xì)胞的行為。美國微軟公司與華盛頓大學(xué)研發(fā)出大幅提升DNA分子運算的方法。經(jīng)過實驗證明，新型DNA計算機(jī)僅用7分鐘就完成了包含3個輸入鏈的與門，之前的設(shè)備則需要4個小時完成同樣的任務(wù)。歐盟“地平線2020計劃”啟動了一個為期5年的Bio4Comp項目，以研制功能更加強(qiáng)大、安全性更高的生物計算機(jī)，當(dāng)前已投資712萬歐元成立了由多個大學(xué)和公司組成的研究團(tuán)隊。

研發(fā)新型材料和柔性結(jié)構(gòu)，納米生物傳感器靈敏度達(dá)到分子水平。生物傳感器是一種對生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行檢測的儀器，主要實現(xiàn)感受、觀察、反應(yīng)三個功能，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物芯片、環(huán)境檢測、軍事醫(yī)學(xué)監(jiān)測等領(lǐng)域。國外機(jī)構(gòu)預(yù)測生物傳感器市場2020年將達(dá)到270億美元，復(fù)合年增長率超過10%。

美國空軍利用凝膠研發(fā)生物紅外傳感器。美國空軍資助研究利用來自鯊魚感覺器官的凝膠來開發(fā)紅外傳感器的項目。鯊魚通過這種凝膠感知魚類所釋放的電磁輻射而跟蹤獵物。當(dāng)暴露于不同梯度的電、磁和熱條件下，這種凝膠能夠擴(kuò)展和收縮。研究人員通過在兩層非常薄的黃金之間放置一層凝膠，凝膠受到輻射照射后會膨脹并使黃金層之間的距離增大，從而增加了設(shè)備的電容，驗證了使用凝膠材料取代傳統(tǒng)無機(jī)材料的可能性。

利用石墨稀材料特性發(fā)展柔性生物傳感器。石墨稀作為柔性電子器件和柔性生物傳感器的理想材料，其零帶寬的特征限制了基于石墨稀的場效應(yīng)晶體管的開關(guān)以及生物傳感器的靈敏度。美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校和武漢大學(xué)的研究人員利用一種石墨稀納米篩結(jié)構(gòu)，制備了具有3納米較窄孔壁和1000高開關(guān)比的石墨稀納米篩，為開發(fā)低成本和高效高性能柔性生物傳感器提供了一種途徑。莫斯科物理與技術(shù)研究院的研究人員開發(fā)出全球首款基于銅和氧化石墨稀的生物傳感器芯片，研究人員在銅和電介質(zhì)薄膜的頂部添加了石墨稀氧化物層，將生物傳感器的精度提高了數(shù)十倍，未來有望應(yīng)用在可穿戴設(shè)備、高精度電子設(shè)備中。德國弗勞恩霍夫生物與醫(yī)學(xué)技術(shù)研究所開發(fā)了一種基于石墨稀導(dǎo)電油墨的生物傳感器，證實了在細(xì)胞培養(yǎng)微板上凹版印刷制備生物傳感器基底的可能性。

納米生物傳感器靈敏度達(dá)到分子水平，成本逐漸減低。美國伯克利實驗室開發(fā)出一種稱為“生化鼻子”的具有單分子水平靈敏度的納米傳感器。這種納米傳感器基于分子指紋技術(shù)，可以在幾分鐘內(nèi)準(zhǔn)確地檢測和診斷分子水平的物質(zhì)，傳統(tǒng)方法則需要數(shù)小時或數(shù)天。瑞典烏普薩拉大學(xué)和巴西研究人員開發(fā)出一種可以檢測單分子的新型納米傳感器，這種納米傳感器可以通過電流信號方便、便宜地鑒定DNA中不同的核苷酸序列。美國塔夫茨大學(xué)首次成功研發(fā)成功一種智能縫合線，內(nèi)置了納米傳感器，可以通過無線的方式監(jiān)測電子和微觀數(shù)據(jù)，在幫助人體組織愈合的同時收集血壓、溫度等診斷數(shù)據(jù)?？p合線還能創(chuàng)建“完成線程診斷平臺”，讓不同縫合線運輸?shù)囊后w相互支持，將傳感器檢測數(shù)據(jù)和結(jié)果同步到智能手機(jī)和電腦中。韓國科學(xué)家基于聲音震動原理，研發(fā)出一款源生于“蜘蛛”仿生學(xué)的納米縫隙傳感器。研究人員在粘彈性聚合物表面添加20納米厚度的鉑金層，搭建了傳感器框架。研究人員測試發(fā)現(xiàn)，納米裂縫傳感器可以在92分貝的實驗環(huán)境中捕捉到測試人員的聲音。

微生物燃料電池能效進(jìn)一步提高，電流密度和連續(xù)工作時間再創(chuàng)新高。生物燃料電池具有無毒無有害排放的優(yōu)點，其燃料主要包括環(huán)境中易于獲取的、戰(zhàn)場產(chǎn)生的或后勤補(bǔ)給中已有的各類燃料。當(dāng)前生物酶燃料電池是生物燃料電池的研發(fā)重點，美國海軍研究實驗室等都正在研究酶燃料電池：美國加州理工大學(xué)、德國卡爾斯魯厄理工大學(xué)等正在研究生物太陽能電池。

美國海軍實驗室研究微生物燃料電池用于氣象傳感器。微生物燃料電池利用整個微生物作為催化劑，能夠使用各種類型的燃料，已經(jīng)得到驗證的燃料包括糖類、有機(jī)酸、纖維素、廢水、燃料油污染的地下水、蓄水層中分解的有機(jī)物質(zhì)等。美國海軍實驗室的研究人員多年來一直在資助研究基于沉積物的微生物燃料電池，將陽極埋在含水層沉積物的厭氧區(qū)，陰極放置于沉積物上方，利用自然界的生物和燃料來發(fā)電，這些類型的燃料電池被用于氣象傳感器。

美國和德國聯(lián)合研發(fā)高效仿生太陽能電池板。2017年10月，美國加州理工大學(xué)和德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院研究人員從黑蝴蝶翅膀結(jié)構(gòu)中獲得靈感，開發(fā)出一種吸收光能效率更高的3D打印太陽能電池板，這種新型太陽能電池板光吸收效率增加了200%，可用于打造微型廉價太陽能電池。

美國研發(fā)出新型生物燃料太陽能電池。2017年10月，美國賓厄姆頓大學(xué)和紐約州立大學(xué)研究人員研發(fā)出新型生物太陽能電池。這種生物太陽能電池使用藻青菌，能夠在白天通過光合作用產(chǎn)生能量，夜間通過生物酶儲存的葡萄糖降解產(chǎn)生能量。新型生物太陽能電池系統(tǒng)的最大輸出電流密度能夠達(dá)到43.8微瓦/平方厘米，而且能夠連續(xù)工作20天左右。

生物電子技術(shù)的軍事應(yīng)用

生物電子技術(shù)作為一門新型、交叉技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景，已在新型武器裝備目標(biāo)識別和敵友判斷、智能定向武器偵察監(jiān)視傳感器、后勤保障裝備能源供給、大型生物計算機(jī)研制、未來戰(zhàn)士單兵可穿戴設(shè)備、生命體組織修復(fù)和戰(zhàn)場救護(hù)等多個領(lǐng)域，展示了廣闊的應(yīng)用前景。

用于戰(zhàn)場偵察和環(huán)境監(jiān)視，推動戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力提升。利用生物在某些方面的特性研制出高靈敏度、高視場的戰(zhàn)場監(jiān)控、感知設(shè)備，可以顯著提升戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力。國外研究人員通過研究蝮蛇、甲蟲和蝴蝶等對熱非常敏感的動物來研究生物電子執(zhí)行器。蝮蛇的吻部有一些氣孔，似乎能夠收集溫度信息，分辨能力可以達(dá)到幾分之一攝氏度;蝴蝶的翅膀可以采集陽光并發(fā)現(xiàn)環(huán)境中溫暖的地點，某些甲蟲已經(jīng)被證明能夠探測到2千米外森林火災(zāi)的能量。目前已對這些生物進(jìn)行了深入的研究。設(shè)計和建造低成本、靈活、高靈敏的紅外傳感器技術(shù)，可應(yīng)用在目標(biāo)識別和敵我判斷裝置上，提高戰(zhàn)場環(huán)境下的偵察監(jiān)視等態(tài)勢感知能力。

用于機(jī)載芯片和復(fù)雜電路，助力武器裝備小型化和智能化。生物電子領(lǐng)域DNA芯片、DNA存儲、人工突觸等研究的發(fā)展，使微系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于儀器測量、無線通信、電子元器件等軍事國防領(lǐng)域。生物芯片尺寸小、計算效率高、熱量低等特性尤為適合制造機(jī)載、彈載芯片和電子元器件，以及用于設(shè)計彈載計算機(jī)、導(dǎo)引頭等高精度電子設(shè)備，可以提高武器裝備的小型化和智能化水平。美國DARPA微系統(tǒng)辦公室先后組織實施了自適應(yīng)焦平面陣列、微機(jī)電系統(tǒng)、光纖激光器等上百項與先進(jìn)微系統(tǒng)技術(shù)密切相關(guān)的研究開發(fā)計劃。單鏈DNA直徑比當(dāng)前14納米制程的芯片小10倍以上，有望研發(fā)出比傳統(tǒng)芯片快10倍以上且成本更低的芯片。美國科學(xué)家利用向DNA內(nèi)部插入柯喃因分子研制出當(dāng)前全球最小的DNA二極管。

用于復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真計算，催生新一代武器裝備。隨著武器裝備系統(tǒng)朝著信息化、復(fù)雜化的方向發(fā)展，大型復(fù)雜系統(tǒng)的建模仿真計算對計算機(jī)的計算效率和容錯水平提出了更高的要求。相比傳統(tǒng)計算機(jī)，生物計算機(jī)一個存儲點只有一個分子大小，但具備強(qiáng)大的記憶功能;運算速度是傳統(tǒng)計算機(jī)的100萬倍，計算速度快;一個蛋白質(zhì)分子就可以作為一個存儲體，阻抗低，電路間無信號干擾，能耗低;生物芯片可以發(fā)揮生物本身的調(diào)節(jié)機(jī)能，具有自愈性;具有模仿人腦的思考機(jī)制，具備較高的人工智能等特性?；诘鞍踪|(zhì)、DNA和RNA的信息處理與存儲材料，有望極大促進(jìn)新型計算技術(shù)和信息科學(xué)技術(shù)發(fā)展，研發(fā)出基于生物計算機(jī)的大型建模仿真軟件，提高武器系統(tǒng)建模仿真的效率和水平，提升建模仿真系統(tǒng)的逼真度，助力催生出新一代武器裝備。

用于動力電源和移動電站，提升部隊后勤保障能力?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭打的是“消耗”戰(zhàn)，是后勤的戰(zhàn)爭。部隊后勤機(jī)動保障能力對于打贏現(xiàn)代化高科技戰(zhàn)爭至關(guān)重要。生物燃料電池具有原料來源廣泛、操作條件溫和、生物相容性好、結(jié)構(gòu)簡單、無毒無環(huán)境危害等優(yōu)點，不僅為利用工農(nóng)業(yè)廢棄物和城市生活垃圾等物質(zhì)資源進(jìn)行發(fā)電提供了廣闊的前景，而且隨著酶和微生物等生物燃料電池、太陽能電池技術(shù)研究的深入，生物燃料電池可用于單兵作戰(zhàn)動力電源、移動電站和軍車動力驅(qū)動電源等，可以大幅降低部隊的能源保障負(fù)擔(dān)，大大提高部隊的機(jī)動能力和復(fù)雜環(huán)境下的裝備能源供給能力。生物燃料電池還可用于為機(jī)器人運動和工作提供動力，用于野外探險機(jī)器人和軍用機(jī)器人等。

用于可穿戴設(shè)備和組織修復(fù)，提高戰(zhàn)場救護(hù)能力。研究人員通過學(xué)習(xí)生物體成功完成特定功能，根據(jù)生物體的經(jīng)驗開發(fā)設(shè)計出自我修復(fù)的解決方案。通過利用生物體的自我組織修復(fù)能力，指導(dǎo)復(fù)雜電子結(jié)構(gòu)及元器件的組裝，最終實現(xiàn)生物體與電子元器件的無限融合。完全利用生物體的高效運行、復(fù)制與修復(fù)能力。比利時布魯塞爾大學(xué)已經(jīng)研發(fā)出一種可用于軟性機(jī)器人自我修復(fù)的柔性材料。這種柔性材料未來可用于戰(zhàn)場救護(hù)和假肢修復(fù)。美國卡耐基梅隆大學(xué)正在研發(fā)由軟導(dǎo)電聚合物、凝膠制成的人工皮膚和神經(jīng)組織。這種材料可作為人造肌肉使用，可以從2.5厘米拉伸至2.5米，當(dāng)被刺穿時可以自動融合修復(fù)。

結(jié)語

生物電子技術(shù)作為一門新興多學(xué)科交叉技術(shù)，有著廣闊的軍事應(yīng)用前景。隨著各國對相關(guān)研究投入的不斷加大。生物傳感器、生物芯片、人工突觸、憶阻器、生物燃料電池等將加速成熟和應(yīng)用。在國防軍工領(lǐng)域，生物電子技術(shù)將對武器裝備的信息化、智能化產(chǎn)生巨大的推進(jìn)作用。當(dāng)前，生物電子技術(shù)的領(lǐng)域仍在不斷延伸，未來隨著生物電子技術(shù)與人工智能技術(shù)、納米技術(shù)和量子技術(shù)的不斷交叉融合，必將顛覆未來作戰(zhàn)樣式和作戰(zhàn)理念，成為新軍事變革的重要推動力量。

責(zé)任編輯：葛妍