【前沿观察】DARPA就是这么任性：横跨30个数量级
本文由大国重器公众号（ElectronicComponent）授权转载，作者：长青
导语：原子级制造能力、微机械零部件、人形机器人、翱翔空中的无人机、空间监视望远镜……都赫然DARPA研究之列。
2016年是美国通过“公制法”150年的年份，也是美国公制联盟成立100年的年份。为了向如此精妙的次数体系致敬，DARPA通过编排部分在研项目的方式，展现了从原子到星系——10的30次方所积累出的巨大变化。
10的-10次方米——1/10纳米
光电异质集成（E-PHI）项目：目标是将不同半导体材料集成为具备电子、光电和其他功能的新一代芯片。上图为这样一个多材料集成芯片的示意图，对中间红色部分用扫描隧道显微镜观察（右边小图），可看到其中集成了数十亿发光砷化铟量子点，每一个量子点的直径不足1纳米。该技术将带来全新微型器件，并在包括光计算机和超快数据发射器件等在内的领域发挥重要作用。
10的-9次方米——纳米
中动态架构（Meso）项目：目的是探索物质和能量在小空间尺度所形成的结构中体现出的独特特性，来满足未来国防部需求。上图为单原子厚锡层的理论示意图，其带有三维结构所不具备的独特平面结构电子特性。对这些二维材料进行堆叠等工程化操作后，将带来新的突破，如出现可为新型显示器的磁光阵列进行快速供能的超级电容器。
生物环境中的量子效应（QuBE）项目：通过揭示在生物传感器中自然发生的经典物理效应和量子物理效应，研发设计新型传感器。上图为一个带有蛋白质受体的细胞膜，可利用量子的相互作用来探测气体分子。研究类似这样细胞级结构的自然化学传感器，将推动带有类似仿生传感功能的人造材料和结构的发展。
带有生物功能的折叠非自然聚合物（FoldF（x））项目：目的是仿真自然界产生的生物聚合物的性能，包括DNA和蛋白质等，通过使用单基体（monomer）等由实验室创造的化学单元来构造非自然、序列表述的聚合物。上图为一个类似细胞的工厂正在搅拌类似人造蛋白质的聚合物，生产的蛋白质可制造用于治疗癌症、自体免疫失调等疾病的药物，且不会有副作用。
10的-6次方米——微米
用于图像重构与使用的先进宽视场架构（AWARE）项目：目的是通过新方法现轻质量、小体积、高精度、多波段图像成像系统，可安装在各种陆地和机载平台。上图为极小传感器阵列，小到人头发的横截面即可放置数十个。潜在应用包括在白天和夜晚的各种环境中进行探索和目标识别的传感器。
10的-6次方到10的-3次方米——微米到毫米
神经功能、活动、结构和技术（Neuro-FAST）项目：美国斯坦福大学研究人员发明出一项可使动物大脑变透明的技术，称为CLARITY技术。通过这种技术，大脑组织在显微镜中的显示变得更加清晰。上图为老鼠大脑（海马体）的一部分，与罂粟花种子等大（约1立方毫米），首先对其采用CLARITY技术，然后对不同细胞分别染色，如兴奋神经元和抑制神经元分别染色为绿色和红色。随着染料发着不同颜色荧光，研究人员可以前所未有的细微程度研究出不同脑细胞/大脑区域间是如何与另一部分相关联的。
10的-3次方米——毫米
国防电子硬件供应链完整性（SHIELD）项目：目的是解决伪冒、克隆和其他非正品芯片对战斗机和导弹等军事系统所带来的日益增加的威胁。图中林肯便士上林肯鼻子和右边针眼上所放置的灰尘大小的芯片，即是保护芯片用的“小芯片”（dielet）的最原始版本。达到预期设想的dielet预计将包含10万个晶体管和其他器件，如检测篡改的传感器、双功射频器件、为整个系统供能的能量收集器件等。通过嵌入到芯片或其他技术中，dielet能够检测民用或商用产品市场中伪冒或次品电路。
10的-3次方到10的-2次方米——毫米到厘米
定位导航和授时用微技术（Micro-PNT）项目：目的是研发芯片级定位和惯性测量单元（TIMU），要求体积小于一个便士，能够在全球定位系统（GPS）不可用时提供导航服务。上图为TIMU原型，包含3个陀螺仪和3个加速度计，以及一个高精度主时钟，可嵌入到地面系统中实现对GPS信号消失时的补偿作用。
芯片内/间增强冷却（ICECool）项目：目的是研发出可快速驱散微电子芯片所产生热量的创新性方法。随着技术的发展，微电子芯片在越来越小的区域内封装了越来越多的晶体管，产生的热量也随之激增。工作温度每降低一点，芯片就能提供更高的功率或更多的功能。上图为解决热挑战的微流体方法，其中冷却剂通过直接流入内嵌在有源微电子器件层（顶端）的微通道而实现降温。ICECool的成功将带来更多高性能电子系统，如计算机、高功率雷达系统和固态激光器。
10的-2次方米——毫米
微生理系统（MPS）项目：目的是加速开发安全有效措施来保护士兵不受现有和新出现的疾病、流行病和生物恐怖主义的伤害。MPS的一个方法是研发芯片和弹药筒大小的平台，如上图所示的“芯片上器官”，以使用工程化的人类细胞和组织来模拟生物系统。对毒品和疫苗所产生作用的模仿将在预测人类寻找潜在医疗措施的有效性和安全性方面起到帮助。
10的0次方米
2015年6月，世界20多个顶级机器人小组从全球各地齐聚美国加利福尼亚州的波莫纳，来参加DARPA的机器人挑战总决赛。每一组都要研制出一个能完成7项基本任务的机器人系统，如驾驶车辆、打开阀门等，这些机器人将在工业事故、地震或其他天灾人祸中发挥重要作用。上图所示的两个机器人，左边是卡梅隆大学研制的CHIMP，右边是洛克希德马丁公司研制的LEO。
10的1次方到10的2次方米——米
反潜战连续跟踪无人舰（ACTUV）项目和高空加油项目：前者为新启动，后者为原有项目，两者共同的目的推进军事装备的自治能力。后者早在2007年就已证实，无人机可为其他无人机加油。ACTUV最终可交付的研究成果将是经优化的无人，可有力地跟踪海洋中经消音的柴油电子潜艇。两个项目的核心平台和自治技术将可广泛用于未来无人交通工具的多项任务和配置中。
10的3次方米——千米
雨云（Nimbus）项目：为基础科研项目，目的是更多了解目前仍是一知半解的闪电过程，包括相关辐射（如x光），在大气上层的射频相关电离层器件。上图为一道通过将导体射入顶部高电荷云层而人为引发的闪电。此项研究的潜在收益是增进对高电压、大电流电磁现象的了解，以更好地保护军队、军械库和其他军用资产。
10的3次方到10的6次方米——千米到数千千米
小精灵（Gremlins）项目：目的是在空中实现数架无人机灵活、安全、可靠地发射和回收。为了达到该目的，飞机上将装载情报，监视和侦察（ISR）和其他模块化载荷，如上图所示。
10的15次方到10的19次方米——行星到星系
空间监视望远镜（SST）项目：目的是在陆地实现对深空领域的广域搜寻、探测和跟踪模糊目标的能力，以保护深空资产和对小行星的监控。上图为SST的广域照相机和望远镜对天鹰星云拍摄的照片，其中银河形状的结构大约7000光年远。SST设计用来改进确定新发现目标运行轨迹的能力，以及提供对事件的快速观察，如只在很短时间内出现的超新星。目前，在美国深空监控网络中，望远镜就像一个跟踪数以千计可能带来危险的大/小宇宙碎片的专用传感器。
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