智能化作战新技术——可穿戴编程纤维

　　颜 慧

　　纤维是人类经常使用的材料形式之一，人们的衣食住行都与它密切相关。早在新石器时代，我们的祖先就曾利用蚕丝等纤维材料制造纺织品。如今，在先进的化工技术和半导体技术的帮助下，科学家已经能够让柔性纤维拥有储能、传感、信息存储和显示等功能。近年来，随着微电子技术和聚合物材料技术的快速发展，科学家和工程师们也有了新的愿景：能否将电子元件“融入”柔性纤维，把计算机做成衣服穿在身上呢？

　　将芯片“织”进衣服里

　　近年来，美军为保持未来信息化、智能化作战的主动权，投入大量人力、物力进行人工智能装备研发。可穿戴编程纤维就是一种人工智能装备。这种纤维能够感知信息、存储和传输数据，可收集战场态势信息，从而帮助指挥员做出更好的决策。

　　随着相关技术的进步，可穿戴编程纤维的功能不断增加，从储能、发电到传感、显示，各种功能不一而足，但距离成为独立、完整的可穿戴设备还有一步之遥，因为其缺少一项核心功能—计算。一台计算机中最核心的电子元件是中央处理器（CPU），可穿戴设备就像一台能穿在身上的计算机，只有拥有CPU这个“大脑”, 才能具备处理信息的能力，以统筹运行各种元件。

　　2021 年，复旦大学的研究团队在《自然》杂志发表文章，展示了一种新研制的大面积“智能显示布”。智能显示布由两种功能不同的纤维作为经线和纬线交织而成，负载发光活性材料的高分子复合纤维是经线，导电的透明高分子凝胶纤维是纬线。只需施加交流电压，发光活性层就会被电场激发，成为发光的像素点，即使在纤维滑移、旋转或弯曲的情况下仍能保持位置和亮度的稳定。

　　随后，美国麻省理工学院的研究团队也公布了一项重大研究进展，他们成功地将微型芯片嵌入单根纤维中，作为“大脑”组织其他部件运行。在这项新研究中，该团队通过热拉伸技术将4 根直径25 微米、由钨丝制成的芯片嵌入预制聚合物纤维，制成长度可达数十米、可弯折、抗拉伸的纤维。这一技术既能保持纤维内的芯片稳固连接，也能令其在穿过针眼、织入衣物时不被损坏。研究者表示：“这种新型纤维纤细而柔韧，可以穿过针眼缝在织物上，经过10 次洗涤也未分解。”

　　这种纤维还可以充当数字存储设备， 嵌入纤维的每个芯片都具有唯一的数字地址， 系统可通过简单的逻辑电路进行数字寻址， 并根据输入的信号激活对应芯片的功能。在实验中，研究者将767 KB 的全彩色图像文件和0.48 MB 的音乐文件存入纤维内的芯片中， 在断电的情况下， 其保存数据的时间长达两个月。

　　由于嵌入纤维的芯片可以根据需求设计， 理论上它们可以完成简单逻辑电路所能执行的任何任务。研究团队制造了一组嵌入了1650 个芯片的纤维， 并将其缝入衬衫的腋下。这些芯片连接形成了一个“ 神经网络”， 可以通过分析温度的时序信息， 判定穿着者正在进行的活动类型。根据实验结果，“神经网络”对穿戴者活动类型的判断准确率达到了96.4%。这一研究进展完成了可穿戴编程纤维应用的“最后一千米”， 意义重大， 也为其应用于军事领域铺平了道路。

　　最近，美军公开表示，已经与麻省理工学院的研究团队展开合作，将进一步开发可穿戴编程纤维。未来，人工智能系统将通过可穿戴编程纤维收集数据，如监测心率、呼吸频率、肌肉数据和其他关键健康指标，经过数据分析，便能得知佩戴者及其周围环境的变化。例如， 利用可穿戴编程纤维制造的智能织物可以显示士兵是否接触过化学毒素， 如果一名士兵暴露于可导致麻痹的神经毒剂， 智能织物收集的肌肉数据会出现剧烈变化， 并向指挥部发出警告。

　　“可编程物质”的初步尝试

　　现代战争模式已经发展为“发现即摧毁”的读秒战争，战场态势瞬息万变，各军兵种联合作战是信息化作战的主要形式，在陆、海、空、天、电构成的五维空间战场中，快敌一秒，便棋高一招。在这样的大环境下，如何掌握更多的信息，如何更快速、高效地处理信息将会成为决定战争胜负的关键一环。

　　芯片的军事化应用已不是陌生的话题，但可穿戴编程纤维的应用还没有实践案例，相关项目均处于设计研发阶段。最近，美军称，美国国防部在创建神经网络的项目上取得了重大进展，说明可穿戴编程项目很可能已经进入初步实践环节。根据已有资料，可穿戴编程纤维旨在为作战指挥官提供一种工具，用于在使用神经网络分析数据时评估局势的不确定性。可穿戴编程纤维可以提升人工智能解决方案的使用效率，从而使战地指挥官在决策过程中更加自信，将在战术小组突击、飞行员营救、士兵日常健康监测等方面起到重要作用。

　　另一方面，鉴于可穿戴编程纤维仍然需要依靠传感器收集信息，通过通信手段传输数据，所以可能会在收集、传输过程中被操纵或干扰。如何确保数据安全和通信安全，是目前可穿戴编程纤维开发者需要重点考虑的问题。开发者必须寻找有效解决方案加以应对，以防止对手在作战中侵入系统内部，导致指挥员决策失误。

　　美国国防部表示， 可穿戴编程纤维仍处于早期开发阶段， 估计要到2030 年才能开展实际应用。与此同时，更高层次的“可编程物质”已被各军事大国视为研究重点， 并已从理论模拟迈向真正的物理实现。“ 可编程物质” 一旦研制成功并应用于军事领域， 就能为士兵提供革命性的新功能。未来， 战场上的士兵只需携带一定量的“可编程物质”，通过下达指令， 便可将其变成武器或工具， 如军械、智能军服、可进入掩体内部攻击敌人的软体机器人、地面装甲车辆等。由此可见， 可穿戴编程纤维只是“ 可编程物质” 研究领域的初步尝试。未来， 纳米计算机和生物计算机技术的发展或将为“ 可编程物质” 的研发提供基础解决方案。

　　【责任编辑】张小萌

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