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    DARPA生物技术发展综述

    2017年3月12日 来源: 中国指挥与控制学会

    美国国防先期研究计划局(DARPA)于20世纪90年代中期开始研究生物技术,迄今已经在生物领域投资开展了一百多个项目。本世纪以来,生物技术已经成为DARPA的重点研究领域之一,DARPA在生物技术领域的投资额已超过38亿美元,在DARPA总投资中占比高达8.9%。

    DARPA最早系统开展生物技术领域的研究源自美国国防部于20世纪90年代中期下达的任务。1990年美军部署在波斯湾时,美国军方意识到生化武器应对能力严重不足,而面临的生化攻击威胁与日俱增。为此,美国国防部于1994年开展了生化防御计划(CBDP),目标是提升美军应对生化攻击的能力,确保美国防部作战行动不受化学与生物威胁限制,提供支撑国家军事战略的化学与生物防御能力,陆海空三军、DARPA、能源部、国土安全部、国家科学基金会、国家标准和工艺研究所、工业界等多个部门都参与到研究计划中。DARPA应国防部要求,参与完成在该计划中生物战防御方面的研究,在国防部大计划的引领下,DARPA在生物战防御领域持续研究了十余年。

    2003年,DARPA意识到生物技术的重要性,在当年发布的《战略规划》中提出将“生物革命”作为DARPA八大重点研究领域之一,这是DARPA自成立以来首次将生物技术作为研究重点。此后DARPA加大了生物技术领域的投资,除了保持原有的生物战防御研究之外,还新开辟了士兵作战能力提升和伤兵救治等重点研究方向,并在该领域先后开启了70多个项目研究工作,旨在通过改进士兵的体能、耐力与心智能力打造更优秀的士兵,让士兵跑的更快、更远、无需睡眠、克服致命重伤、发挥出潜在能力等。投资的项目研究内容覆盖多个方面,主要包括士兵训练、战前准备、维持或提高士兵战斗力、战场医疗、辅助工具及系统、伤后恢复这六部分。

    2014年4月,DARPA正式成立了“生物技术办公室”,在此之前DARPA的生物技术项目主要由国防科学办公室和微系统技术办公室负责管理。2015年,DARPA发布了新版战略规划文件,将“驾驭生物系统”设置为当前的四大战略重点之一,这是继2003年将“生物革命”设置为战略重点之后, DARPA在生物技术领域做出的首次战略调整,标志着DARPA对生物技术的定位已不局限于传统的士兵医疗以及疾病防控,而是富有前瞻性的站在更高的战略高度,目标是在研究的基础上进一步驾驭整个生物系统为己所用,从国防部传统生物观念的为战士提供药物发展到从多个方面保障国家安全。

    1、生物战防御

    在生物战防御领域,DARPA并未按照国防情报局发布的威胁清单开展针对性的研究,而是开展系统全面的研究,将研究范围拓展至整个生物战防御全流程,涵盖了生物战预防、威胁探测、人员隔离与防护、后果管控、先期诊断、治疗、药物研发与生产、净化消毒等生物战防御的各个阶段,旨在通过提升全流程的防护能力,保护美国士兵和平民。

    DARPA投资研究能模拟人体器官功能的“器官芯片”,在新药研制、病理分析等领域应用前景广泛

    2、士兵作战能力提升

    随着军事系统中武器装备系统的不断升级改进,武器装备的性能越来越高也越来越稳定。2002年,DARPA经过论证研究后认为,士兵已经成为现代军事系统中的薄弱环节,需要提高士兵能力,并投资打造更优秀的士兵,改进美国士兵的体能、耐力与心智能力,最终的目标是让他们跑的更快、更远、无需睡眠、克服致命重伤、发掘出潜意识的能力。为提高士兵战斗力,DARPA从2002年开始至今,先后开启了多个研究项目,重点研究了了士兵训练、维持并提高士兵战斗力、辅助工具及系统三部分内容。

    DARPA投资研发出“勇士织衣”作战服,提高士兵作战效能,并降低关节及组织损伤风险

    3、伤兵救治

    战场上的士兵所处环境独特,缺乏完善的治疗条件,且受伤的士兵往往需要在短时间内迅速得到有效的救治,这些特殊条件导致目前大量的民用医疗研究无法满足战场上士兵的需求。为了降低战场死亡率,尽可能让伤兵复原,掌握战场环境下的医疗技术,DARPA先后开展了一系列战场医疗和伤后恢复等相关的研究。

    长期以来生命科学、工程学和计算机科学都是各自独立的科学,近年来随着基因技术和生物信息技术日趋成熟,神经科学、免疫学和相关生物医学不断取得突破,DARPA从中看出了新的改变游戏规则的机遇——通过生命科学、工程学和计算科学等多个学科的融合,形成一个新的交叉学科,能够实现DARPA驾驭生物系统的长远目标,带来诸众多领域的颠覆性突破,在驾驭生物系统战略的牵引下,DARPA将其研究重点调整为三个方向:

    一是加快发展合成生物学,以构建变革性生物制造平台,开发新的生产模式及性能特异的新材料。生物系统在演化过程中形成了复杂而高效的化合物合成方法,有些方法甚至可以解决目前医学和材料科学难题。然而通过操控DNA构建细胞工厂这一想法很难实现,仅一个产品的研发就需要几年以上的时间以及数千万美元的投资。DARPA试图通过融合生物合成学与工程技术打造变革性的生物制造平台,通过改变细胞的代谢及遗传机制,提高生物合成速度及能力,开发新的高效生产模式及性能特异的新材料。DARPA将这项研究分成两个阶段:第一阶段打造先进的生物合成平台,将生物合成的时间和成本压缩90%以上;第二阶段利用生物合成平台为国防部合成出1000个新分子,目前第一阶段已经完成,正在开展第二阶段研究。

    DARPA投资“生命工厂”项目,试图利用微生物高效制备新材料

    二是战胜传染病,研究降低传染病威胁的全新方法。2014年埃博拉大爆发让DARPA意识到新兴传染病不仅严重危及健康,也危及国家稳定。目前新兴传染病种类不断增加,抗菌制剂的研发速度却在下降,传染病对美国利益构成威胁。传统的传染病应对方法是疫情爆发后研发药物,而DARPA则通过预测病毒变异方向提前应对,将疫苗和药物的开发从现有的被动(观察和应对)转为主动(预测和提前制定应对方案)。通过建模,演算各种设定压力和条件下病毒的突变方式,提前制定各种解决方案。

    三是掌控新的神经技术,研发治疗脑损伤、克服记忆衰退的新技术等。近年来医学进展迅速,大幅改善了人类的生活,然而有很多治疗药物成本高且有副作用。DARPA已在神经科学领域取得了一些成就,下一步还希望利用机体天然的神经反射活动,研发出一系列安全、便宜的治疗方法,以替代部分药物,从根本上改变医生诊断、监测、治疗疾病的方式。当前药物作用方式是选择性地与受体结合,调节特定细胞的活动实现治疗。DARPA的研究思路是通过神经刺激特定细胞产生与药物刺激一样的效果。DARPA计划研发一种植入式装置,能连续监测身体状况。发现病变时,装置可沿神经纤维传递信号,刺激神经元产生有药物功效的神经递质,神经递质与分布在目标神经纤维或器官细胞上的受体结合,改变目标细胞的活动和功能,从而治疗疾病。

    DARPA投资研制出具有触觉的脑控假肢

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