美军未来士兵:突破效能极限,人机完美结合

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美国Defense One网日前报道,美军目前正致力于突破人类效能极限,打造未来士兵的努力。

美国陆军研究实验室(ARL)士兵适应性技术中心主任卡莱布·麦克道威尔指出,未来武器的设计必须充分考虑与操作人员的交互,针对人体特性精心制作的武器会使人类表现得更好。军队拥有数百万的军人,个性化设计非常困难,这也是目前的武器系统设计趋向平均化和平庸化的原因。

现在的设计是让每个人都能简单使用,空间感很棒的士兵无法在今天的任何武器系统上发挥其空间能力,具有强大数学能力的士兵也无法在今天的系统中发挥其本领,因为没有人会设计一种依赖数学能力的武器系统,人们只是设计可供所有人普遍使用的系统。

所以美军希望能够制造出真正符合士兵实际能力的武器,希望新的武器系统能够依赖使用者的具体能力水平发挥不同的作用,例如记忆力好、数学能力差、空间能力强等。美军认为,生物科学的突破意味着未来军队所使用的武器能够从内到外的理解士兵。

一、实现人机完美融合

美国陆军研究实验室正在开展“人类多样性差异项目”的研究,该研究类似于没有剧本的军事版电视真人秀,试图通过交互式传感器将人类与其所在环境相连接,将各种各样的人体生物物理信号转变成机器可读的数据,基本目标是,能够以更高的精度和准确度来预测人们在特定工作领域或任务中的表现。

并不仅仅是陆军在这么做,美国空军、海军陆战队、海军以及特种作战部队也都在资助采集军人生物物理数据的研究。目标是通过了解士兵身体内部状况,以及个人经历如何影响基因水平等来增强部队的表现。这并不完全是利用基因工程将士兵打造成为超级英雄,美国军方坚持说他们并不打算使用生物统计数据开展超级遗传性状的基因工程,但两者之间非常接近。

如果美军继续这一发展道路,下一代战斗机、防弹衣、计算机系统和武器对飞行员、士兵和情报分析人员的了解将比他们对机器的了解更深入。根据武器、车辆或软件检测到人员所使用的武器,其飞行、分析卫星图像、甚至射击的经验都可能会发生改变。为了实现这一梦想,五角大楼正在资助研究人员设计全新一代的可穿戴式健康监测器,探索如何检测注意力、警觉性、健康和应激等方面的微小变化,并将这些信号传递给机器。

陆军研究实验室的研究人员已经对受试者进行了为期六个月至两年的监测,并希望把这一做法扩大到其他军事训练环境,比如西点军校等院校。研究人员希望这些数据能够揭示不同体型、重量、身高、健康状况、警觉水平人员所产生的不同信号,即所谓的“人类多样性差异”。反过来,这些数据将有助于研究人员采集不同人员与环境交互的更精确的信息。最终目标是,士兵佩戴的传感器可以告诉军队指挥官每位人类士兵从战场到后方的表现如何,或者促使士兵以最佳能力表现。研究人员希望能够将更多的信息输入未来的作战服,对自然存在的人类多样性差异的了解越深入,武器系统就能越好地适应人类。

考虑到现有人体可穿戴传感器的局限性,这是一项雄心勃勃的任务。在过去的两年中,美军已经购买了价值超过200万美元的Fitbit和其他生物医学跟踪装置。但事实证明,现成的商用消费设备无法很好地满足军方的生物跟踪需求。所以,军方研究人员研究了一类新的可穿戴设备,其基于电子元件嵌入式织物,可以实现环境与人类之间的无缝链接。这种传感器可以应用于记录佩戴者大脑活动的头盔。ARL的一个研究团队准备利用3D打印技术将连续式脑电图仪置入头盔中,并与每位士兵的头部完美贴合。但军方并不想将电线和金属嵌入到保护士兵爆炸安全的作战服中。因此,陆军研究实验室还在不断寻找新的材料与解决方案,使得传感器既能采集重要信息,又不会影响士兵的行动。实验室目前开发出的实验性电极,非常小巧且触感柔软,其中不含有金属。实际上它们是由导电纳米纤维构成,并在外面包裹以硅材料。

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二、打造未来超级飞行员

美国空军也需要下一代可穿戴设备,帮助未来的战斗机了解其飞行员,改进飞行员的飞行方式,使他们顺利完成任务,与武器装备高效交互。

现代战斗机对人体的物理影响至今仍未完全被理解。2010年,多名F-22飞行员报告了飞行中发生意识混乱、呼吸急促和皮肤颜色变化等情况,所有这些症状都是缺氧的表现,原因是飞行速度过快。俄罗斯军方同时也发现,飞行员在大重力拉升时极易发生意识混乱和皮肤颜色变化的情况。由于缺乏先进的传感器技术,俄罗斯军方采取的措施是在飞行前给飞行员输血。但这种做法并不奏效,俄罗斯飞行员在超音速飞行时缺氧发生率更高。

2012年,空军开始在F-22飞行员的头盔内加装传感器,读取他们颞动脉的血氧水平。除了头盔之外,空军研究实验室第711人体效能联队还在研究所谓的综合认知监测系统,即探索什么样的传感器技术能够更好地发挥作用,以及在不干扰飞行员的情况下检测什么样的信号——毕竟,飞行员的首要职责应该是执行飞行任务。他们发现,根据测量目的,可能不再需要附着于身体上的生理传感器,现在可以用摄像机收集重要的体内健康数据。例如,脑氧合状态是指飞行员大脑特定区域组织中的氧含量。研究人员可以通过红外线照射前额来测量这一关键的生物物理信号,因为头骨前部血液与头骨后面脑组织的氧含量基本相同。G力增加时,氧含量降低,而氧含量的降低与认知功能下降直接相关。

另一个研究项目更为简单,直接使用笔记本电脑的摄像头检测个体的血红蛋白氧化状况,血红蛋白氧化的血液呈现微红色,血红蛋白脱氧化的血液则偏蓝色。而且这种技术还可以远程读取一个人的心率。甚至呼吸也能反映人的身体状况,随着人体越来越疲劳,氧气和二氧化碳的比率会发生变化,人体疲劳后一般需要24个小时才能100%的恢复。疲劳会导致肌肉僵硬,血液无法回流到头部,从而使飞行员丧失知觉的几率大大增加。良好的传感器可以检测出新陈代谢的变化,在人体自身感觉到之前就可以提示疲劳和应激。人体发生应激时会呼出脂肪物质,或者是肝脏从脂肪中代谢产生的水溶性酮分子,通过检测呼吸中的分子含量就可以发现应激水平。空军研究人员正在与材料实验室合作,研究可置于飞行员氧气面罩内的传感器,早期检测疲劳有关的挥发性有机化合物。

研究人员指出,人的眼睛也能提供大量信息。眼睛跟踪摄像机不仅可以收集眼睛运动数据,还可以收集心率和呼吸状况。一般情况下认知负载量往往与应激高度相关,可以结合心率和其他一些措施来监测应激负荷,甚至监测警觉性。研究人员正在将其与胸部湿性电极检测结果进行比较,在大多数情况下,两者的测量效果都很好。实验室正在测试距离多远仍然能够得到可靠的信号。事实证明,这主要取决于摄像机的光学检测距离。一个简单的摄像头就可以收集足够的个人生物数据。对于飞行员、情报分析人员或士兵来说,这可能有助于预警认知能力的下降。但在普通人群中,应激也可能是一种测谎的信号,具体取决于这种应激所处的环境,例如在检查站进行的问询。目前,军方资助的生物物理研究表明,从100米以外甚至更远的距离探测应激反应都是可能的。从理论上讲,如果能够制造出可以获取足够分辨率的红外镜头(目前只是理论上的可能性),甚至可以从太空近地轨道上测量大脑组织的氧含量,从而发现个体的应激状况。

2017年2月和3月,空军成功地测试了一副具备“生理监测能力”的新型头盔,其抬头显示器可以根据飞行员的自身感觉和其他因素显示各种信息。目标是给根据每位飞行员独特的生理和精神优点和弱点以及当前生理状况,使飞机能够聪明地知道飞行员需要什么样的帮助,向他们展示不同的体验。研究人员和合同商预计,这一新型头盔将指导美国下一代喷气式战斗机的设计,新一代战机预计将于2025至2030年间成功试飞。

三、对士兵进行编程和解编程

军队是否可以通过士兵的个人历史来预测他在各种环境中甚至战场上的表现?美军已经掌握了大量的军人记录,如果组织得当,这些记录完全可以提供宝贵的健康数据。

美国空军生物环境工程部门正在开展一项名为“全面暴露健康”(Total Exposure Health)的项目,目标是收集和分析士兵在战场以外所发生事情的尽可能多的数据,并按照所暴露的分子物质进行分类。军人与环境有着大量的互动,包括居住环境、工作场所,研究人员可以对此加以检测,了解具体的环境暴露。进一步把这些信息转变成结构化数据,通过算法就可以深入了解个人如何与环境实时互动。美军认为,暴露科学在表观遗传学研究等新兴领域有着巨大的应用前景,这种观点既是革命性的又极具争议性。

表观遗传学研究的是人体基因对个人经历变化的反应,主要是微小RNA(micro-RNA),这些小分子能够根据各种刺激而启动或关闭。例如,人体在应对某一事件时会产生应激。当应激水平下降时,体内会产生新的微小RNA,控制从新陈代谢到疾病恢复等各类基因的表达。但是因为每个人的基因构成不同,很难精确了解这些相互作用。空军希望“全面暴露健康”项目能够更全面地了解特定经验如何影响特定士兵体内特定的微小RNA。假设外部应激可能是一种你以前从未接触过的化学暴露,或者没有一种微小RNA能够将激活的基因关闭,你在这种暴露条件下将始终保持基因激活,从而极易受到这种化学物质的影响,而我则不会对这种化学物质敏感。精准健康和医学的观点认为,应该了解个体基因的激活是否有益于个体的健康而不是研究群体水平的基因变化。

如果“全面暴露健康”项目取得成功,最终会让人们对如何选择自己的未来健康有极其详细的了解。有可能提前数年就可以准确知道任何行为的健康后果,拥有了解未来健康可能的能力就会有能力对其施加影响与改变。基因与经历、先天与后天、遗传与环境的相互作用,正在从神秘走向可知,或者至少更可知。

四、打造今天和明天的士兵

对于军队来说,上述研究有望将科幻小说变成现实:即让最合适的士兵执行最合适的任务。想象一下,药物服用情况甚至特定的神经递质都属于的士兵个人特性。虽然美国军方坚称他们不会对军人开展基因工程,也没有这样做的计划,但他们认为潜在的敌人不会受到同样的限制,特别是如果这种技术能够以较低的代价降低美国的军事优势。不难预测,对于在重大战争中落败和利用下一代科学获取新优势之间,任何国家的军事力量会做出什么选择。

根据美国陆军少校迈克尔·拉塞尔(Michael Russell)的一项研究,爱冒险的个人可能更适合特别危险的任务,但这样的人不适合军事生活的其他方面或者相对平稳的军事职业。他提出军队包括两类主要性格特质的军人:第一类是追求行动不可预测性(寻求高刺激)的士兵,第二类是被军队高度组织纪律性生活吸引的人员。军队同时需要这两类士兵表现出最佳效能,但这两者之间存在根本矛盾。军事生活具有令人难以忍受的高度组织纪律性,而战争则是高度非组织化的。士兵对其中一种生活的兴趣越强,对另一种生活的厌恶就越大。和平时期的军队与战时军队在许多方面有着巨大差异,作战摧毁人员和装备,即使是敌方装备和人员,也是有些反社会的。因此,战争英雄的人格属性主要来自于第二一人群,而这些人在和平时期通常表现不好,这些人只有在挑战中才能茁壮成长,并且需要不断的刺激。

爱沙尼亚军事心理学家梅尔(Merle Parmak)发现,在高度组织化但刺激性较低环境中表现更好的士兵,也可以有很好的军事生涯,但可能不适合参加前线作战。在某种程度上,你可以训练爱冒险的士兵更好地接受军事行动之外军事生活的死板无聊,同样,训练可以帮助组织纪律性强的军人更好地应付战斗的不可预测性。但是让错误的人从事错误的工作需要付出巨大的代价。

美军研究发现,多巴胺在人类冒险行为中发挥重要作用。多巴胺水平至少部分受控于单胺氧化酶A基因(MAOA)。MAOA的一个特异性突变体叫做VNTR 2,被发现与反社会暴力行为相关。如果能更好地确定遗传因素、生活经历和冒险行为之间的联系,是否也能对其加以控制?这是未来几十年军队领导人所面临的问题。

五角大楼对未来冲突的预测是:高度混乱和紧张的城市战。人口向大城市流动的特征意味着更多的巷战,同时需要制定更多的规则保护平民,而对手则可能不受法律或规范的约束。未来的战争糟糕透了。根据美国所参与冲突的不同强弱程度、暴力程度、敌人的战斗效力或残酷性,美军可能会感到无法与对手保持均衡。如果美国发现自己处于这样的境地中,五角大楼的领导人可能会对基因工程产生完全不同的看法,如果未来的国家领导人决定放弃现有的伦理道德框架,那么他们将迅速采纳这些技术工具。

但即使是基因工程改造的人类最终也可能输掉这场战斗。战争的速度远远超出了人类察觉正在发生的事情、将战略概念化、发出命令来摆脱复杂对抗行动的过程。这一流程有时被称为观察、确定、决定和行动(OODA)环路,这一过程开始于人类,结束于机器。五角大楼战略能力办公室负责人威廉•罗珀对未来深表忧虑:“股票市场每天的交易实际上是由机器在操作,如果未来战争也是如此,将会发生什么呢?这是此前从未发生过的全新类型的全面冲突,其他国家可能会毫不顾忌地做出可怕的行为”。