美国未来六大颠覆性基础研究

美国未来六大颠覆性基础研究
美国国防部提出了未来重点关注的六大颠覆性基础研究领域（Disruptive Basic Research Areas）。

包括：超材料与表面等离激元学（Metamaterials & Plasmonics）、量子信息与控制技术（Quantum Information & control）、认知神经学（Cognitive Neuroscience）、纳米科学与纳米工艺（Nanoscience & Nanoengineering）、合成生物学（Synthetic Biology）以及对人类行为的计算机建模（Computational Models of Human Behavior）。

美国国防部对于颠覆性基础研究领域的定义为：对于近期与未来美军的战略需求和军事任务行动能够产生长期、广泛、深远、重大影响的基础研究领域，这些领域的研究已取得关键突破并且可以持续发展，未来的研究成果能够使美军在全球范围内具备绝对的、不对称的军事优势。

1.超材料与表面等离激元学（Metamaterials& Plasmonics）
DDG1000大型驱逐舰应用了超材料隐身技术,美国F-35战斗机应用了超材料隐身技术
颠覆性应用前景：
- 利用增强/捷变隐身超材料技术使美国海、陆、空军装备被雷达发现和锁定的概率大幅下降，获得压倒性的不对称战略优势。

- 小型化超材料隐身射频系统可以使通信设备更加轻便，并且不易于被侦查，使美军战场生存能力大幅提升。

- 智能自检测自修复结构超材料技术将使美军装备维修保障周期/成本大幅缩减，作战效能大幅提升。

核心能力：
- 通过复杂人工微结构改变材料的表征特性
- 实现自然界材料不存在的负折射率
- 基于超材料技术的相控天线阵列
- 基于等离子体激元的增强型探测器和成像器件
重大突破：
- 宽带响应复杂超材料的制备（美国杜克大学超材料团队Ruopeng Liu, et al. 2009年发表在《科学》杂志上）
- 复杂人工结构计算工具与快速算法
- 自感知与自愈合智能结构材料
- 仿生人工结构材料
主要挑战：
- 超大规模复杂结构材料建模与设计方法
- 高精微尺度人工结构的制备方法与控制方法
- 人工结构复合材料的大规模制备
- 高效电磁辐射能量在材料中的转换与反转换
目前从事相关领域研究的企业包括：
-中国深圳光启
-美国波音公司、雷神公司、洛克希德马丁公司
-英国航宇公司
-日本三菱重工
2.量子信息与控制技术（QuantumInformation & control）
颠覆性应用前景：
- 超高安全、超大容量、超远距离保密通信、传输系统（几乎无法破译），使美军具备牢不可破的保密通信指挥系统。

- 超高速量子计算机和赛博空间（Cyber Space）信息对抗系统，将可以破解几乎所有现在使用的加密系统和防火墙，使美军具备不对称的网络攻防优势。

- 原子尺度超高分辨率量子显微镜。

核心能力：
-量子通信：实用的超高安全加密通信
-量子仿真：从量子尺度开发新材料
-量子传感、量子计量与量子成像：超越常规技术极限的灵敏度、精度和分辨率
-量子计算：代码破译，物流与后勤网络优化，数据库深度挖掘
重大突破：
-秀尔因子分解算法（Shor’sAlgorithm）：量子加密技术的重大突破，还可以用于破解目前被广泛使用的公开密钥加密算法
-量子气体显微镜（Quantumgas microscope）：原子尺度超高分辨率观测系统，可以观测到物质的原子组成，使开展原子级特性研究成为可能，也为冷原子技术研究拓展了空间
主要挑战：
-如何持续保持量子的相关联动性量子的相干性（quantum coherence）
-研究新的算法用于探索量子信息学的应用前景
-研究控制量子系统的新方法
-需要研究新材料和新工艺以提升量子相干性的持续时间
目前从事相关领域研究的机构包括：
-美国IBM公司
-美国洛斯阿拉莫斯国家实验室与国防高级研究计划局（DARPA）
-中国科学技术大学
-美国洛克希德马丁公司
- 日本NTT公司
3. 认知神经学（Cognitive Neuroscience）
颠覆性应用前景：
- 生物神经战（思维干扰与控制），使美军具备干扰敌方人员大脑功能的不对称作战优势。

- 具有完全自主学习能力的高智慧机器人。

- “人机合一”控制系统（意识操控机器）与“超级士兵”（人脑功能增强），使美军士兵人体效能大幅增强，通过人体外骨骼使人-机（Human-Machine）达到高度融合，颠覆未来作战模式。

核心能力：
- 对人类信息处理、学习和决策过程的更深刻的理解
- 工程系统的直接心灵操控
- 信息显示与系统控制的设计改进
- 压力下的表现补偿
- 创伤后应激障碍（PTSD）与创伤性脑损伤（TBI）的改善与防止
重大突破：
- 先进的脑成像技术：如功能性磁共振成像（fMRI）、扩散张量成像（DTI）、数字脑电图描记（EEG）
- 脑结构与功能关联性进展
- 脑信号分析的大规模并行计算
主要挑战：
- 解决从脑信号预测人类行为的逆向问题
- 将临床的测量与分析翻译给未受伤害的个体
- 整合个体人脑变量的模型开发
目前从事相关领域研究的机构包括：
-美国麻省理工学院、耶鲁大学
-英国剑桥大学
4. 纳米科学与纳米工艺（Nanoscience & Nanoengineering）
颠覆性应用前景：
- 超轻薄防护装甲。

使美军装备抗打击能力大幅提升，损伤率大幅降低。

- 纳米机器人。

小型仿生机器人的使用可以为美军带来无孔不入的颠覆性作战能力。

- 超小体积、超轻重量电子器件与电子设备。

核心能力：
- 电子学与传感：超快电子器件，无所不在的嵌入式传感器，曲线电子器件，超低电压装置
- 轻装甲，高强纳米涂层
- 动力与能源：燃料电池，便携电子设备，移动电源，热电学
重大突破：
- 纳米颗粒涂层与功能化
- 能量采集的催化剂
- 石墨烯与碳纳米管（已获诺贝尔奖）
主要挑战：
- 低缺陷密度的石墨烯、单手征性纳米管的制备
- 使用预定分子装配的纳米制造技术
目前从事相关领域研究的机构包括：
-美国英特尔公司、雷神公司、波音公司、惠普公司
-韩国三星公司
-日本东京大学
5. 合成生物学（Synthetic Biology）
颠覆性应用前景：
- 军用药物快速合成。

根据作战需求快速合成军用药物，提高战场医疗效率。

- 生物病毒战。

可根据战略需求定制生产病毒，具备生物战的颠覆性优势。

- 基因改良、人体快速损伤修复。

核心能力：
- 生物燃料与制造
- 生物传感器
- 组织再生
- 新型疫苗的快速制造
- 藻类食物的制造
- 体现生物能力的清洁水技术
重大突破：
- 体现系统路径复杂性的建模与仿真
- 测试自动化
- 与合成基因组相容的载体细胞选择
- 管控与社会认可
目前从事相关领域研究的机构包括：
-美国劳伦斯伯克利国家实验室、哈弗大学、约翰霍普金斯大学
-美国默克制药公司
-英国伦敦国王学院
6. 人类行为的计算模型（Computational Models of HumanBehavior）
应用前景：
- 恐怖威胁实时监测、情报分析。

实时掌握全球各国的政治、文化、经济情况，对恐怖威胁做出快速反应和预警。

- 通过大数据网络制造群体事件，策反、颠覆政权，提前瓦解敌方军事威胁。

- 实景仿真演习系统。

核心能力：
- 建立人类社会行为预测数学模型，为战略、行动、战术决策和计划提供支持
- 实时国际社会（宗教）态势监测
- 沉浸式训练与任务演习
- 跨文化国际关系建设
重大突破：
- 简化模型的验证成功
- 基于社交网络的大数据分析
- 对群体事件临界点的成功预测
主要挑战：
- 社会的复杂性决定了相关社会理论的矛盾性- 大数据的管理和融合
- 数学模型非常复杂
- 如何验证相关模型的有效性
目前从事相关领域研究的机构包括：
-美国谷歌公司、脸书公司
-美国斯坦福大学、麻省理工学院
-英国牛津大学。