人體效能增強技術軍事應用前沿進展

郭 棟，范維佳，靳 興，李 偉

未來戰場中持續高強度作戰行動、復雜多樣化軍事任務和殘酷惡劣的戰場環境對軍人作業能力提出新的挑戰，促使國內外不斷強化人體增強技術在軍事及災害救援領域的應用研究。人體效能增強（Human Performance Enhancement，HPE）是指綜合利用生物、信息、機械、遺傳等領域的技術作用于人類機體，增強或拓展軍人在體能、技能和智能等方面的能力的干預措施[1]。2012年，美國國防部技術評估辦公室將HPE技術視為具有改變戰爭規則價值的未來五大顛覆性技術之一，這引起世界各國對HPE技術的高度關注。目前，HPE技術已成為世界各國軍事醫學戰略前沿技術主攻方向和突破口。

1 腦力增強，提高戰場認知

1.1 使用神經性刺激藥物 在未來以智能化為特征的高科技戰爭，作戰人員的智力、腦力和決策力將成為影響軍事行動成敗的關鍵因素。利用興奮抗疲勞等神經性藥物刺激大腦，一直是早期腦力增強研究的主要技術手段[2]。如在20世紀90年代初的海灣戰爭“沙漠風暴”行動中，部分美國飛行員就曾多次服用右旋安非他命，以保持飛行期間的清醒和警覺狀態[3]。莫達非尼同樣具有促覺醒和保持清醒狀態作用，但也有一定副作用。目前美、英等國外軍隊正在使用或探索使用莫達非尼等藥物應對高強度連續作業任務，并將其視為執行夜間轟炸任務等疲勞作業的標配。美國研究專家[4]對比了安非他命、莫達非尼和大劑量咖啡因在睡眠剝奪模型中的作用，發現上述藥物都能維持士兵的72 h清醒，其中右旋安非他命對中樞神經系統的興奮作用最強，莫達非尼其次，咖啡因最弱。但由于右旋安非他命具有成癮性，隨著睡眠剝奪時間的延長，高級皮層功能受損越來越顯著，故一般不作為首選[4]，而莫達非尼改善操作能力和警覺的效果優于咖啡因，對抗疲勞的持續時間長于相同劑量的咖啡因，故被認為是中樞興奮藥的首選。此外，研究發現通過使用神經興奮性藥物所獲得的能力不夠穩定，需要不斷加以訓練以維持和穩固效果[3]。

1.2 使用電磁聲光信號刺激 利用電、磁、聲、光信號刺激大腦也是當前軍事腦科學研究的重點方向，包括經顱直流電刺激（transcranial Direct Current Stimulation，tDCS）、經顱磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation，TMS）、腦深部電刺激（Deep Vrain Stimulation，DBS）、低強度聚焦超聲、聲遺傳、光刺激和光遺傳等技術。研究顯示，tDCS技術由于其無創性和大范圍改變神經活動的特性，獲得越來越多的關注[5]，可以提高士兵的學習效率、增強記憶力和警覺性。為增強特種作戰士兵在戰場上執行任務的能力，2016年美國國防部啟動了一項“透顱腦部電子刺激”技術研究，海豹特種部隊志愿者參與了該技術的測試，顯示出良好的效果[6]。近期，在美國空軍一項研究中，研究人員發現tDCS能提高圖像分析師的約25%視覺搜索精度，還可提高多任務處理能力，這被認為是未來軍事行動中一個越來越重要的能力素質[6]。與tDCS不同，DBS等直接的神經電刺激更聚焦于局部的神經元活動，刺激參數更為精細可調，對部分適應癥具有顯著的臨床療效[5]。

1.3 使用腦機交互技術 腦機接口（Brain-Computer Interface，BCI）是在人與外部設備間建立直接連接通路，通過將從頭皮或皮層神經元記錄得到的腦電活動作為輸入信號，然后經過信號處理辨別出人的意圖，最后把人的思維活動轉換為命令信號，以實現對外部設備的控制。通過腦機接口技術實現大腦與外部設備的交互，稱為腦機交互。目前在美國國防部高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）神經科學研究項目中，神經科學與腦機接口是其研究的重點領域，覆蓋了感覺知覺、運動神經、外周神經、中樞神經等不同接口技術，旨在增強士兵的認知和決策等能力，大幅提升腦機交互和腦控技術。2012年DARPA啟動代號“阿凡達（Avatar）”的項目，預期通過人腦遠程控制無人機或機器人實現遠距離作戰，使士兵遠離戰場危險。2016年美國空軍研究實驗室利用國際商用機器公司（International Business Machines Corporation，IBM）研發的“神經形態仿人腦芯片”，在雷達生成的航空影像中成功甄別出了軍用車輛和民用車輛。當前人機接口技術多是植入或者連接到大腦感知和運動皮質層的電極，所以試驗只能局限于那些存在各種不同程度癱瘓的志愿者[7]。2019年DARPA生物技術辦公室提出重點開展“下一代非侵入性神經技術”（Next-Generation Nonsurgical Neurotechnology，N3）”項 目，旨在研發非侵入式以及微創侵入式兩種神經接口，利用光學、聲學和電磁等技術，高速、高分辨率地記錄神經活動并發送大腦的神經信號，通過多點同步讀寫和非侵入性手段，建立大腦和系統間的高水平通信，提高戰場人機交互效能。

2 視聽增強，突破感知屏障

2.1 視覺增強技術 在戰術行動中，良好的視覺對于提高對敵偵察能力具有重要作用，是作戰人員最重要的感知器官之一。視覺增強研究領域關注的重點主要集中在：一是眼內植入技術，主要是通過光敏微芯片等眼內植入物，恢復傷員受損視力。2013年來自德國圖賓根大學的研究人員開發出了一種光敏微芯片，通過手術植入眼內，能使罹患視網膜色素變性（Retinitis Pigmentosa，RP）退行性疾病的盲人重見光明[8]。嚴格來說，目前該技術更多是實現視覺“修復”而非“增強”。近年來，研究人員發現通過上轉換納米顆粒（Upconversion Nanoparticles，UCNPs）靶向技術對老鼠進行了視覺增強，讓它們能夠在保持正常視力的同時看到紅外線，這意味著該技術或可用于發展士兵的“裸眼觀測紅外”能力[9]。二是視覺增強裝置，利用先進的視覺增強可穿戴設備技術，如隱形眼鏡、夜視眼鏡或智能眼鏡等，可突破視覺屏障，了解原來無法直接觀察的戰場環境，讓士兵成為“千里眼”。DARPA在“士兵視覺增強系統”項目下著手研發一種隱形眼鏡，可使作戰人員無需借助龐大笨重的儀器就可以看到虛擬的、增強現實的圖像，甚至可為步兵綜合提供夜視、導航、瞄準等功能。美國研究人員發現，在隱形眼鏡中嵌入可感應光子的石墨烯，不僅能使昏暗的圖像看起來更明亮清晰，同時佩戴更加輕便，并有望取代傳統軍人頭盔上笨重的夜視鏡[6]。近年來，隨著以HoloLens谷歌眼鏡為代表的智能眼鏡技術的發展，眼動跟蹤技術的軍事應用成為現實。2019年，美國陸軍開始使用HoloLens 2進行軍事訓練和作戰，下步還將開展集成視覺增強系統（Integrated Visual Augmentation System，IVAS）研究，通過先進的感知技術及虛擬現實手段，增強士兵態勢感知。英國皇家空軍將眼動操作系統和視野目標捕捉跟蹤技術應用于空中軍事作戰，使飛行員鎖定敵機目標效率得到顯著提升[10]。

2.2 聽覺增強技術 除了視覺能力的增強，聽覺也是人體效能增強的重要內容之一。對于在戰場上頻繁遭遇簡易爆炸裝置（Improvised Explosive Device，IED）或路邊炸彈襲擊的作戰士兵來說，各種爆炸聲、強噪音極易造成聽力損害，甚至會危及生命以及造成創傷后應激障礙。因此，美軍開始為士兵配備了一種名為戰術通信保護系統（Tactical Communication and Protective System，TCAPS）的智能耳機，可以在作戰中保護士兵的聽覺。這種耳機可以軟化或降低噪音、爆炸聲音的強度，不會影響作戰指令的傳達，甚至還能放大環境中細碎的聲音。加拿大軍隊也有類似項目，其正在研發的“電子直通聽力保護裝置”項目，不僅可過濾掉環境噪聲還可增強語音信號。人工耳蝸是一種可恢復或重建聾人聽覺功能的電子裝置，各國醫療機構均將人工耳蝸或助聽器作為治療重度耳聾至全聾的常規方法。2013年5月美國普林斯頓大學利用3D打印技術制造出世界第一個仿生耳，其內置助聽器可以接收聲波與超聲波信號，使傷員恢復聽力，甚至可“聽”到超出正常人接收范圍的無線電頻率。美國杜克大學科學家發現了小鼠大腦中存在從大腦運動皮層到聽覺皮層直接連接的內置噪聲消除回路，可使大腦學會對可預測的自發運動聲音進行消除并避免做出反應。這一發現對于戰場作戰人員更好區分敵我同時產生的聲音，進而隱蔽自己發現敵人具有重要意義?？傮w來看，現有的如陸軍戰術通信保護系統以及人工耳蝸置換術，雖對聽力有一定的保護和恢復作用，但并不能為作戰人員提供增強能力，美國下一步計劃開發一種替換或修改中耳骨和耳蝸的技術用于增強士兵聽覺能力。

3 體力增強，提高作業效率

3.1 營養膳食補充劑或藥物 戰區作戰人員因為較普通軍人經受更多的身體和認知雙重壓力，例如高海拔反應、長期缺乏睡眠、超負荷、食品供給艱難以及特殊環境等，大多數人會選擇營養補充劑增強其部署期間的作業效能。美國海軍醫學研究中心調研發現，海軍海豹突擊隊中有78%軍人應用各種各樣的營養補充劑[9]。Arsenault等對美國陸軍特種部隊2215名軍人進行調研，也發現85%的人有攝入營養補充劑史。在營養補充劑使用者中，有27%的人使用肌酸。這是由于肌酸不被視為興奮劑，沒有副作用，還可能有助于認知、骨骼健康和神經肌肉功能。體力也可以通過藥物補充劑來增強，如增強運動能力的藥物（Performance Enhancing Drug，PED），包括來自睪丸激素的合成代謝類固醇。在2008年，2.5%的軍人報告使用過類固醇，它被證明可以增加5%～20%的力量[2]。20世紀80年代以來，美國開展了一系列特殊作業環境下自體血液再輸注的研究，研究表明，自體血液再輸注對耐力和高海拔與水下作業的生理能力具有顯著增強作用。血液興奮劑增加了士兵的紅細胞計數，使氧攝入量提高了10%，進而使士兵的體能更持久[9,11]。

3.2 穿戴式外骨骼 隨著機械動力、人機耦合、生物仿生和生物信息等技術的發展，增強士兵負重力和耐力、提高行進速度和其他基礎運動能力，為士兵的持續作戰提供保障，是陸軍提高單兵作戰能力的一大研究方向。外骨骼是一種可穿戴的機電一體化設備，能夠感應人體主動活動并對其做出反應，通過能量轉換增強穿戴者的力量、速度、耐力等，實現人機多自由度、多運動狀態的運動輔助。美國DARPA在2000年啟動了“增強人體體能外骨骼（Exoskeletons for Human Performance Augmentatio，EHPA）”計劃，將外骨骼機器人的軍用研究推向高潮。近年來，美、英、法、俄、澳等國軍隊陸續啟動了一系列軍用外骨骼項目，以增強士兵的作戰能力[12-13]。目前典型的外骨骼機器人包括美國的第二代XOS全身外骨骼、人體通用負重外骨骼（Human Universal Load Carrier，HULC）、伯克利下肢外骨骼系統（Berkeley Lower Extremity Exoskeleton，BLEEX），英國“矯正負重輔助裝置”和法國“大力神”可穿戴外骨骼。以BLEEX下肢外骨骼系統為例，它主要由燃料供給及發動機系統、控制及檢測系統、液壓傳動系統及外骨骼機構等構成，可保證穿戴者以4.8 km/h的速度背負90 kg重物連續行走超過1 h[14]。此外，DARPA還組織研制了一款可穿戴在士兵作戰服里面的輕質、柔性外骨骼“勇士織衣”，在不充電情況下可持續工作24 h，并減少25%的人體代謝消耗，進而提高單兵在復雜環境的靈活行動和持久作戰能力。澳大利亞2018年10月披露的“未來戰士”士兵系統配備的新型作戰服集偽裝、防彈和救護等功能于一體，可采用毫秒級響應速度的特殊形狀記憶纖維，可對人體受傷部位加壓止血，有效減少失血量。近年來研究發現，可穿戴式機械外骨骼在地震救援領域中顯示出重要應用價值，不僅可以提高搜救人員的單兵搜救能力，同時可以很大程度上提高搜救人員的搜救效率，降低被困人員的傷亡[15]。

3.3 動力仿生裝備 除了人體外骨骼系統外，還有一些動力仿生設備可以提高人類運動能力。美軍已將仿生材料列入了21世紀“新一代國防”優先發展的五大類材料之一，仿生機械也成為新型裝備研發的重要策略。如美軍聯合西佛羅里達大學研發的“aquasuit”潛水服，模仿海豚和海龜等海洋生物運動原理，通過推進器可讓潛水者在深海底下持續作業；DARPA資助美國斯坦福大學研發的Z型人項目，通過仿照壁虎腳趾研制的新型黏合劑，可讓人類也能利用這種“仿生壁虎腳”飛檐走壁，在2014年的一次演示活動中，一個體重100 kg的人，借助于一副簡單的手套，輕而易舉爬上8 m高的玻璃墻。德國特殊降落傘和物流聯盟研發了一種可穿戴式的動力滑翔系統“獅鷲翼裝”，空重約30 kg，翼展比為5：1，能夠滑翔15 min及40 km左右的距離。近期，我國學者模仿鼴鼠“觸嗅融合”感知特點，研發出一種“觸嗅一體仿生智能機械手”，可在人體被瓦礫石堆覆蓋的場景下，協助開展應急救援，據報道，該智能機械手能對包括人體在內的11種典型物體進行識別，準確率達96.9%[16]?？梢灶A見，隨著外骨骼裝備和動力仿生裝備不斷朝著高度智能化、微型化、安全可靠以及柔性化發展，以及與數字化單兵系統的深度交織融合，未來士兵的負重力、行動力及耐久力將更加堅韌，形成更加強大的單兵作戰能量。

4 基因增強，打造超級士兵

近年來，隨著基因組學、遺傳學、代謝組學和分子生物學等技術手段的發展，在基因層面和分子水平提高士兵綜合能力成為外軍研究和關注的熱點?；蚓庉嫾夹g，是通過對特定 DNA片段的敲除、插入等來實現基因編輯的一種生物科學手段，在人體機能強化領域前景廣闊。特別是2005 年出現的“魔剪”規律間隔成簇短回文重復序列（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，CRISPR）技術發展勢頭非常迅猛，開啟了人類基因編輯的新紀元，并被認為對國防軍事的影響是巨大的[17]。2017年以來，DARPA 啟動“基因組防護技術”，旨在開發可調節人體各生物系統的藥物介入措施，以快速、全面優化作戰人員體質和耐力[18]。據美國媒體2019年10月報道，美國國防部的某個機構，正在尋找一種改變人體生物特性的方法，力求在未來可能出現的化學、細菌戰中，讓軍事人員能夠對這些攻擊免疫，并在一定程度上增強他們的作戰能力。2018年8月在澳大利亞國防部舉行的新興破壞性技術評估研討會上，專家設計提出可通過引入新基因或編輯現有基因增強人類身體的任何部分，如讓人類擁有能夠在紅外線下看東西的眼睛，增加血液含氧量，讓耳朵能夠聽到超高或超低音頻，從而提高軍事人員的作戰能力。研究人員還提出，通過代謝工程改造特定的生化反應、引入新的生化路徑、定向改進細胞過程等增加腺苷三磷酸（Adenosine triphosphate，ATP）的合成，可以從細胞代謝層面提高士兵的耐力和體力。但是，由于基因編輯技術會對人體脫氧核糖核酸（DeoxyriboNucleic Acid，DNA）造成永久性改變，在一定程度帶來潛在不可預知的后果，為避免該問題發生，據報道，DARPA已宣布啟動“保護性等位基金及應答因子的預先表達”項目，研究如何在人體受到威脅時通過給與暫時性刺激來增強機體防御能力，而無需對基因組進行任何永久性編輯修改，從而以一種更安全的方式增強機體對健康威脅的免疫能力。

5 小結

從膳食、藥物、谷歌眼鏡、助聽器到外骨骼、仿生裝備，再到基因編輯、蛋白組學等，外軍在人體效能增強領域的研究不斷深入，認為其可能是改變戰爭規則價值的潛在顛覆性技術，側面也反映了人是戰場上最寶貴資源的認知和理念。除了應對高強度軍事行動壓力和復雜戰場環境，人體效能增強技術在未來惡劣偏遠環境中執行人員搜救或災害救援也顯示出重要價值。然而，要清醒認識到，人體效能增強技術的快速發展與相關政策制定的滯后可能導致相關倫理、法律和社會問題，必須要科學利用好這把“雙刃劍”，在技術研發前做好充分的戰略論證和風險評估，使其發揮最大效能。