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第11章 纳米技术的研究与开发(4)

第一,未来作战样式将发生根本改变。迄今为止的现代战争,都是飞机、军舰、坦克、火炮等大型武器装备主宰战场。然而,进入纳米信息时代后,传统的作战样式将会发生根本的变革,未来战场极可能将由数不清的各种纳米微型兵器担当主演。

第二,未来战场将更加透明。可以想像,从太空到空中、地面,面对层层严密高效的纳米级侦察监视网,使人难以察觉,防不胜防。这使得技术相对落后的国家军队将有密难保,战场对强敌将彻底“透明”,未曾与敌交手,胜败已成定局。

第三,纳米技术将使战争的突然性急剧增大。纳米超微颗粒的几何尺寸远小于红外及雷达波波长,从而为兵器的隐身技术开辟了广阔的前景,美国研制的超黑粉就是一例。可以说,透明的战场加上高超的隐身术,必将使战争更具突然性。

第四,未来战争将不再昂贵。现代战争消耗巨大,让人望而生畏。从第二次世界大战到现在,武器弹药价格少则上涨几十倍,多则可达上千倍。短短42天的海湾战争就耗资高达600多亿美元,使当时的美国总统布什心惊肉跳,难以承受,最后只好向英、法、德、日等盟国摊派,被戏称为“叫化子”盟主。

然而,进入纳米时代后,由于纳米武器装备所用资源少,成本极其低廉,未来造价昂贵的庞然大物型舰艇、飞机、坦克、火炮等将可能呈锐减之势,而纳米级战争将成为十足的低消耗战争。

总之,纳米时代将是一个全新的时代,纳米级战争也将是全新样式的战争,处在纳米技术孕育全面突破的前夜,我们当以全新的姿态迎接这场全新的军事技术变革。

袖珍军队

科技的进步一方面造福人类,另一方面又给人类带来灾难。纳米技术与其他所有技术一样,将使武器产生革命性的变化,一个小得只有蚂蚁大小的炸弹能将一辆坦克炸成碎片,未来的战场上,那些微型纳米武器将使那些宠然大物汗颜。

据美国五角大楼的武器专家预计,5年内第一批由微型武器组成的“微型军”将诞生并服役,10年内可望大规模部署。它们将具有前所未有的杀伤力。

间谍草。这是一种看似小草的微型探测器,其内装有敏感的超微电子侦察仪器、照相机和感应器,可侦测出百米以外的坦克、车辆等出动时产生的震动和声音,能自动定位、定向和进行移动,绕过各种障碍物。

机器苍蝇。它既能被飞机、火炮和步兵武器投放,也可以人工放置在敌军信息系统和武器系统附近,大批“机器苍蝇”可在某地区形成高效侦察监视网,大大提高战场信息获取量。如果再在它们身上安装某种极小的弹头,“苍蝇”无疑会变成“马蜂”。

蚊子导弹。由于纳米器件比半导体器件工作速度快得多,可以大大提高武器控制系统的信息传输、存储和处理能力,可以制造出全新原理的智能化微型导航系统,使制导武器的隐蔽性、机动性和生存能力发生质的变化。利用纳米技术制造的形如蚊子的微型导弹,可以起到神奇的战斗效能。纳米导弹直接受电波遥控,可以神不知鬼不觉地潜入目标内部,其威力足以炸毁敌方火炮、坦克、飞机、指挥部和弹药库。

蚂蚁士兵。这是一种通过声波控制的微型机器人。这些机器人比蚂蚁还要小,但具有惊人的破坏力。它们可以通过各种途径钻进敌方武器装备中,长期潜伏下来。一旦启用,这些“纳米士兵”就会各显神通,有的专门破坏敌方电子设备,使其短路、毁坏;有的充当爆破手,用特种炸药引爆目标;有的施放各种化学制剂,使敌方金属变脆、油料凝结或使敌方人员神经麻痹、失去战斗力。

麻雀卫星。既然是纳米卫星,那么它的体积会非常小、质量也非常轻(最轻的只有0.1kg),一枚小型运载火箭可发射千百颗这样的纳米卫星。也就是说,发射一次纳米卫星就可以覆盖敌人的整个国家。使敌人的一举一动都清晰可见。按不同轨道组成卫星网,即可监视地球上的每一个角落,即使少数失灵,整个卫星网络的工作也不会受影响。使战场像一个棋盘或一个足球场,大家都知道对方怎样部署兵力,有多少人。但最后谁能取得最后的胜利,决定因素就很多了。我国清华大学2000年就开始研制纳米卫星了,重量设计小于10kg。

看来,未来战争中必将有数不清的具有各种功能的袖珍武器称雄天下,届时由于纳米武器装备所用材料少,成本极其低廉,纳米级战争将不仅成为全新样式的战争,而且还是十足的低耗战争。

扑翼式微型无人机。微型无人机在15厘米时螺旋桨还可产生需要的效率,但在7.62厘米以下就需要采用翅膀了。对于较小的微型机,扑翼可能是一种可行的办法,因为它可以利用不稳定气流的空气动力,以及利用肌肉一样的驱动器代替电动机。

加利福尼亚工学院与Aero Vironment公司等单位正在研制一种微型蝙蝠(Microbat)扑翼式无人机,目的是要了解扑翼方式是否比小型螺旋桨更有效,它的隐蔽性如何,是否可以像蜂鸟一样垂直飞行。微型蝙蝠的翼展为15厘米,重10克,具有像蜻蜒一样的MEMS驱动的翅膀,扑翼频率为20赫兹。

该机可携带一台微型摄像机,上下行链路或音响传感器。在试飞中它无控制地飞行了18分钟,46米远,后因镍镉电池用完而坠地。

1998年初,加利福尼亚大学开始研制一种扑翼式微型无人机,叫机器苍蝇。研制的目的是利用仿生原理获得苍蝇的杰出的飞行性能。计划到2004年底它能够飞行。军方对它的侦察能力很感兴趣,想利用它在城市环境中进行秘密监视及侦察。

机器苍蝇有普通苍蝇大小,样子也像苍蝇。不过它有4只翅膀而不是两只,只有一个玻璃眼睛而不是两只球形眼睛。机器苍蝇重约43毫克,直径5~10毫米,与真苍蝇差不多,它的身体用像纸一样薄的不锈钢制成,翅膀用聚酯树脂做成。

机器苍蝇由太阳能电池驱动,一个微型压电石英驱动器以每秒180次的频率扇动它的4只小翅膀。驱动器的质量大大小于一只绿头苍蝇的质量,但它比肌肉产生的能量密度大得多。

苍蝇是出色的飞行员,它可以由任何方向上起飞及降落,甚至头朝下起飞。它可以在百分之3秒内改变方向。它的信号处理速度令超级计算机望尘奠及。由于苍蝇飞行的复杂性,使机器苍蝇需要用4只翅膀代替两只翅膀。

微型无人机在军事上有广泛的用途,它可进行侦察,生化战剂的探测,目标指示,通信中继,武器的发射,甚至可以对大型建筑物及军事设施的内部进行监视。它特别适合于在城市作战中使用,它可以填补卫星和侦察机达不到的盲区。

机上装备的摄像机、红外传感器或雷达可将目标信息传回,士兵通过手掌上的显示器,可以看见山后或建筑物中的敌人。如果装上电子鼻,它甚至可以根据气味跟踪某个要人。

现在微型无人机的研究正在加紧进行,它发展的潜力是很大的。在战场上,微型无人机、特别是昆虫式无人机,不易引起敌人的注意。即使在和平时期,微型无人机也是探测核生化污染、搜寻灾难幸存者、监视犯罪团伙的得力工具。

超隐形武器

雷达是高科技战场上不可缺少的“眼睛”,隐形武器主要是靠身上的特殊涂料吸收雷达波,从而避开敌人的“眼睛”,实行对敌人的打击。然而,现有的隐身材料只能吸收某一波段范围的雷达波,而对其他波段的雷达波及光学探测束手无策。

1999年3月28日,对空袭南联盟的美军来说,是一个“黑色的星期天”。美空军参加空袭的一架F-117隐身战斗机,被南联盟军防空部队击落,从而打破了F-117“天下无敌”的神话。

为了弥补B-2A战斗轰炸机、F-117A战斗轰炸机、F-22战斗机所广泛采用的外形和材料隐形技术的缺陷,研究人员正在秘密研究的等离子体隐形技术将使未来隐形武器更隐蔽,这种隐形武器对雷达波具有特殊的吸收和折射特性,使其反射回雷达接收机的能量很少,因而使敌方的探测系统难以侦察和发现,从而达到武器装备的隐身目的。

实验表明,等离子体涂料可使飞行器表面的空气形成等离子层,用它包围诸如飞机、坦克、舰船、卫星等武器装备的表面,可使反射回雷达接收机的雷达波下降到原来的1%。另外,这种等离子层不仅可以吸收无线电波,还能吸收红外线辐射。

纳米技术的应用将使红外、等离子等隐身技术得到进一步的发展,超隐形武器在未来的战场上神出鬼没,武器装备真正隐身的目的将越来越近。

美国利用纳米技术研制的隐身涂料——超炭黑,不但对雷达波的吸收率达到99%,而且还由于纳米磁性材料在一定条件下会产生光发散效应,具有凹透镜的作用。当光束通过会改变传输方向,可以改变光的空间分布和降低光的强度,从而达到有效对抗光学探测的目的。

智能战斗服

不怕生化武器。塔西纳里是美国马萨诸塞州内蒂克军事基地的一名科学家。他的研究目标是有一天为士兵提供一种能够防止各种伤害的智能战斗服。

塔西纳里介绍说,为了提高士兵在各种环境下的生存能力,他们目前正在研制新一代的战斗服。即通过运用纳米技术,改变原子和分子的排列,从而使纤维具有化学防护特性。经过纳米技术处理的纤维在让清新的空气通过的同时,可以将生化武器释放的毒素挡在身体之外。塔西纳里预计,他们研究、设计的具有化学防护功能的战斗服有望在两年内面世。

轻松避开子弹。美国科学家运用纳米技术研制智能战斗服已经有10个年头。他们除了希望战斗服的面料具有化学防护功能外,还设想在战斗服内安装微型计算机和高灵敏度的传感器。这样,士兵将及时地得到警报,轻松避开射来的子弹。

在他们的设想中,智能战斗服还能监控周围环境的重要变化,像变色龙一样具有伪装能力,与周围环境融为一体。

锁住气味。由于作战需要,士兵们要在野外生活很长一段时间,清洗衣物会有困难,研究人员正在研究一种能够“捕捉”气味的纤维。这种纤维具有分子大小的海绵体,可以吸收各种怪气味并把它们“锁住”,直至遇到肥皂水,再将怪气味释放。士兵的内衣、袜子等如果用这种纤维制造,将长时间不用清洗,这无疑会大大改善野战士兵的生活条件,对提高战斗力具有非常重要的作用。

水陆两用。中科院化学所研制出不沾水、不沽油的“纳米布”是用来做水陆两用服的最佳材料,用防弹陶瓷外层和碳纳米管复合材料作衬底,可制成坚硬如钢的防弹背心。

隐身术。这种隐身服装不同于上述的隐身术,靠吸收雷达的光波而达到隐身的目的。这种服装既能躲过雷达,又能躲过人眼。这种面料对光线有接近1000A,的反射能力,它使人消失在光线中,就像阳光消失在阳光里一样,不能在人眼底成像。这样的服装能使你走进敌人内部如入无人之境。

(十一)纳米计算机

现代计算机所用的芯片是以半导体硅为基本材质构成的大规模集成电路。商品化大规模集成电路上元器件的尺寸约在0.35微米(即350纳米),称为微(米)电子器件。

按照著名的“摩尔定律”,随着电路板蚀刻精度越来越高,中央处理器芯片上集成的晶体管器件越来越密,而现有芯片制造方法将在未来的多年内达到极限,无法突破到分子以下的尺度。而纳米技术的应用将使计算机突破这一极限。

四种不同原理的纳米计算机

长期以来,科学家们一直在研究以不同的原理实现纳米级计算,目前提出了四种不同的工作机制,它们有可能发展成为未来纳米计算机技术的基础。这四种工作机制是:电子式纳米计算技术,基于生物化学物质与基于DNA的纳米计算机,机械式纳米计算机,量子计算机。

1.电子式纳米计算技术。

像硅微电子计算技术一样,电于式纳米计算技术仍然是利用电子的运动来对信息进行处理。所不同的是,前者利用固体材料的整体特性,大量的电子参与工作所呈现的统计平均规律;而后者利用的是在一个很小的空间(纳米尺度)内,有限电子运动所表现出来的量子效应,如隧道效应,或称隧道穿透(隧穿)现象。

纳米电子数字计算机要求有纳米级的二态器件,即具有开和关(是和非)或“1”和“0”两种状态的纳米开关或纳米晶体管。它们用来记录和处理纳米尺度下的二进制数字(1和0)。为此,科学家们已经实验研制和理论探讨了几种纳米级二态器件和纳米晶体管,包括单电子晶体管,量子点,共振隧穿器件,微米纳米电子混合器件等。

另一种新颖的制造纳米电子器件的方式是利用分子来制造电子电路元件。分子级器件已被连接成逻辑电路,此成果被美国《科学》杂志评为2001年十大科技突破之一。

2.基于生化物质与基于DNA的纳米计算机。

科学家们将自然界中一些生化物质进行改造,用于某些计算过程。典型的例子有Adelman的基于DNA的计算及Birge的基于菌视紫质的数据存储。

Adelman利用DNA片段去求解一个复杂的图论问题。他用DNA分子亚基序列代表一个“网络或”的顶点。试管中生化反应产生的大量平行动作随机地形成了DNA亚基序列,这些序列的复合画出了求解中可能的任意路径。

AdeIman能从产物DNA链所代表的许多数任意路径中得到他的图沦问题的正确答案。这是目前正在探索的四种纳米计算技术中惟一进行了实际计算演示的一种纳米计算机。

Birge利用一种蛋白质——菌视紫质进行了光存储。菌视紫质满足了对存储介质所要求的几个性能:对可见光灵敏,可光写光擦;高分辨率,不易疲劳,实时全息;相当宽的动态范围;低散射;化学稳定性好,存储寿命可延长。目前这种光存储介质已开始在许多实验室内进行模拟试验。

2001年,以色列科学家宣布,他们成功研制出一种纳米级DNA计算机。一根试管可容纳l万亿个此类计算机,运算速度达到每秒10亿次,精确度高达99.8%。

据《自然》杂志介绍,该计算机是世界上第一种由DNA分子构成全部输入输出部件和软件的可编程独立计算机器。数据以一条DNA链中的分子对表达,负责代码读取、复制和操作的则是作为硬件的两种天然酶。当软硬件混合在试管中时,可对“输入分子”进行操作,然后生成“输出分子”。DNA计算机耗能极小,非常适合植入细胞运行。

科学家认为,活体细胞所含“分子机器”其处理DNA和RNA之类信息编码分子的运作方式与汁算机原理十分相似。而双螺旋结构DNA的存储能力也大得惊人。