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新兴技术和颠覆性技术的应用前景

作者:张利洁 刘春平 等 来源:中国科协 发布于2016/05/19

  编者按:2015年11月,美国战略与国际研究中心(CSIS) 发布题为《国防2045:为国防政策制定者评估未来的安全环境及影响》的评估报告。这篇报告是CSIS国际安全项目的研究成果,报告从人口、经济和国家力量、权力扩散、新兴技术和颠覆 性技术、连通性、地缘政治六个方面,对未来安全环境进行评估。本文为报告中《新兴技术和颠覆性技术》部分的译稿,供参考。


  技术可能从两个方面造成颠覆性效果。①一项新兴技术本身具有颠覆性,如载人飞行技术。②对现有技术进行组合也可能是颠覆性的,坦克就是一个具有说服力的例子。坦克的分项技术——装甲镀层或装甲车、履带和大炮——都是已经存在的,但把这些技术组合到一起,就可以创造出改变机动作战面貌的武器。针对未来战场应用而言,无人机、自动驾驶车辆和传感器受到了越来越多的关注,其他许多技术也很有可能会重新塑造未来的安全环境。
  一、先进计算技术/人工智能技术
  自1950年艾萨克·阿西莫夫公开发表有影响力的科幻小说《我,机器人》以来,人工智能(AI)和“智慧”设备一直令大 众着迷。几代技术专家、发展学家和科幻作家都在想象,未来的人工智能对人类世界的作用是促进还是破坏?但是,像冷聚变一 样,这些预测似乎总是过于激进。对许多人来说,实现人类与人工通用智能(AGI)甚至人工超级智能(ASI)系统的互动似乎遥 不可及。然而,最近几十年来人工智能得到显著发展,甚至当前社会已十分依赖人工智能系统的最基本功能。人工通用智能增长 的先决条件是计算能力和摩尔定律,但当前的系统不足以支持人工通用智能的发展,超人工智能则更少。
  量子计算机的发展会改 变目前的情况,很可能导致最先进的加密算法无用武之地,这也将会对人工超级智能的发展提供有利环境。 量子计算机利用的是量子力学的基本原理,如量子叠加态, 在这种状态下,一个量子比特(称为量子位)可以同时持有 0 和 1 的值。由于这种量子叠加态,n量子位实际上提供了相当于 2n 经典比特的信息量。一个 30 个量子位的量子计算机比超级计算机都强大,而拥有300个量子位的量子计算机比地球上所有计算 机更强大。量子计算机不同于经典计算机,它可以实施多种并行运算,而不仅仅是快速串联。目前市场上只有一家公司(加拿大 D-Wave System 公司)拥有量子计算机,但一些科学家认为它并非真正的量子计算机。D-Wave System 公司 2012 年将该量子计算机出售给谷歌、美国国家航空航天局、大学空间研究协会等机 构,金额共计 1000 万美元。未来,当新的金融刺激措施实施后,可能有新的参与者对量子计算机进行研发投入。谷歌、IBM、微 软甚至政府都已经开始致力于开发量子计算机,原因之一在于拥有量子计算机能够进行许多有益的尝试。例如,最新的加密技术 [对称加密、高级加密标准(AES)、非对称加密以及 RSA 加密算 法]正是基于电脑无法进行大规模分解方程运算的特点开发的,但所有当前的加密技术对于量子计算机而言可能是不起作用的。
  鉴于技术的相对不成熟和更新速度的加快,我们还无法精确 预测足够先进的量子计算机最早将于何时被制造出来和投入使 用。这也许会在十年内实现。此外,由于困难较大或价格昂贵,保持和测量量子位的纠缠态可能难以实现。然而,鉴于目前的投 资和需求,某种量子计算机很可能会在 2045 年前被研发出来。这将对发展先进人工智能系统有重大影响。
  许多公司正在开发人工智能系统,其中人工通用智能方面的 突破可能比多数人的设想来得更早。为了提供更好的搜索体验, 谷歌已经建立了一个量子人工智能实验室团队,并迅速创办了 AI 创业公司,尤为引人关注的是其以 5 亿美元收购了 Deep Mind 公司。事实上,谷歌联合创始人拉里 佩奇(Larry Page)在 2006 年的一次会议上建议谷歌的目标是“创造可以理解世界上一切的搜索引擎”。牛津大学人类未来研究院院长尼克 波斯特 洛姆(Nick Bostrom)博士认为,一个升级版的谷歌(能够理解用户需求)将真正成为人工智能。在他的书《超级智能:路径、危险性与我们的战略》中谈到:“如果有人成功创建了一个能像 成年人一样理解自然语言的人工智能,他们也很可能已经制造出 像人类一样可以做任何事的机器人,或者他们距此只有一小步之遥。”所以问题是:我们什么时候能实现人工通用智能的发展? 波斯特洛姆搜集了一系列相关领域的专家投票,答案是发人深思的,根据中位估计,人工通用智能到2022年能实现的概率是10%,2040年实现的概率是50%,2075年实现的概率是90%。
  即使人工通用智能的发展带来了种种的军事、经济或社会利 益,它也有可能导致冲突产生。人类未来研究所的研究员斯图亚特 阿姆斯特朗(Atuart Armstrong)博士谈到:“如果我们拥有人工智能,我们会看到大规模失业的世界以及财富集中在少数 人手中。”他提出,这种情况可能需要政府干预来提供某种对基本需求的保护,但也指出,尚不清楚这类干预应该在什么合理范围内实施。“很明显,如果人工智能取代人类 90%的工作,那么 就需要某种形式的政府干预来创造一个宜居的世界。”但是,如果只有40%的工作被取代或这些工作被缓慢地取代,又应如何应对?两个牛津大学学者 2013 年的研究支持了阿姆斯特朗的理论,他们的研究表明,在未来,47%的美国人的工作很可能会被自动化取代。
  二、增材制造技术
  增材制造(AM),也称 3D 打印,是使用分层工艺和数字模型产生三维物体的技术。所谓增材,就是一定厚度(例如,0.5mm) 的二维夹层印在另一个夹层上面。最早的增材制造技术发展于 20 世纪 80 年代,但是直到2010 年后由于 3D 打印技术的成本下 降才使其迅速发展。过去的增材制造成品主要由分层塑料构成,但随着其领域的发展,新的材料也随之使用。
  在日益自动化的生产中,增材制造技术是一个革命性的进程, 也许对个人、企业、整个行业甚至国家,它是一项主要的颠覆技术。英国国防部认为“随着性能和成本效益迅速提高,累积制造 技术很有可能在2045 年前实现大规模应用,并将有可能改变制 造业。”他们进一步提出,到 2045 年“增材制造系统可能成为 一般家居用品”并且能生产“食物、衣服甚至由机械和电子组件 构建的复杂设备。”增材制造技术的影响可能会更深远。例如,加利福尼亚生物技术公司 Organovo 已经开始出售肝组织的替代品,该公司还可以打印“从骨骼到血管乃至心脏组织的任何东西”。 该公司最近与美国国立卫生研究院合作,“帮助科学家开发更可 靠的工具,能在更短的时间内给病人提供更安全、更有效的治疗”。增材制造系统与合成生物学、材料科学、纳米技术等领域的进步 相结合,很有可能到 2045 年甚至更早的时候,能够生产全部替代器官。
  增材制造技术革命会带来很多益处。随着技术的发展,3D 打印机的采购成本将继续下降,其性能将会激增。企业能够通过 消除过剩库存和长距离运输零件和成品来大大降低成本。个人和 企业一样,将增加创新和新产品开发的机会。廉价的 3D 打印房 子就像那些中国为生活贫困的人提供建设的保障性住房一样,特 别是在发展中城市。在制造替代性器官方面的探索可能会挽救无数人的生命。
  然而增材制造技术的扩散也可能产生负面影响,一个风险是 使已经呈现增长趋势的系统性失业率进一步增加。特别是在发展中国家,当消费者能够在家里生产产品时,可能会导致无数的制 造业就业机会的丧失。英国国防部表示,在较贫困国家“大规模的自动化工作可能会阻碍经济发展,甚至彻底破坏经济发展”。 另一个真正的风险是犯罪分子、恐怖分子或者其他非国家行为体获得 3D 打印先进武器系统的能力。一个名为“分布式防御”的 组织[该组织尚未被认定为符合501(c)(3)条款① ],宣称将 在 2013 年实现完整3D 打印第一支枪支。2014 年,弗吉尼亚大 学的一个研究小组为国防部创建了一个能够携带 680 克载荷的3D 打印的无人航空载具,伦敦帝国学院空中机器人实验室成功开发出一种能携带 3D 打印机的半自治性的旋翼无人机。虽然恐 怖组织现在购买的是便宜的、传统的武器和无人机,但是很可能在将来,随着累积制造生产武器的成本下降,恐怖组织将更多地 运用先进武器。
  增材制造技术革命对国防领域有重大影响。美国海军部署军 舰已经在使用 3D 打印机,美国陆军正在开发 3D 打印机为部署军 队制造食物,美国特种作战司令部也建立一个增材制造设备并积极扩大增材制造技术在物流链中的使用。特种作战司令部科技部 主任托尼 戴维斯(Tony Davis)指出:“当我们将军事部署从 较为集中的伊拉克和阿富汗转向全球部署时,我们会遇到非常大 的物流问题。”从早期“盒子里的商店”的概念出发,美国特种作战司令部试图建立一个系统,前线执行者可以简单地根据需要 打印替换零件,“而不是找到一些稀缺部分和将其运输到某个地方”。将来,在远程环境中,增材制造技术可以为小规模团队提 供变革式的加倍军事力量。
  增材制造技术与先进的机器人结合,其未来的军事应用前景 将是无限的。2014 年,哈佛和麻省理工学院工程师小组设计了 第一个自组装机器人。很可能在不久的将来,3D 打印的机器人 将有能力自动自组装并且能够执行像弹药交付或监视这样简单 的任务。一旦实现这种能力,就不需要在国内生产无人机,然后再运送到国外或者被友军控制的基地。虽然以这种方式部署无人 机可能影响它们的修复,但最终它可能会带来巨大的成本节约优 势。另一个假设的应用是特战部队能够通过商业航空公司进入一个敌对国家,在安全的地点连接预先放置的增材制造机器,并打 印完成其任务所必需的材料。此外,累计制造技术带来的成本降低和安全加强的影响是不可估量的。
  三、合成生物技术和性能增强
  生物技术和生物工程是发展最快的技术领域之一,其未来发 展既有可观的前景,也存在风险。2003 年,人类基因组图谱完 成,开创了合成生物学新兴领域研究的新时代。合成生物学是针 对综合领域特别是生物工程和生物技术的研究,主要聚焦于“设 计和制造新的生物器件、设备和系统……同时有针对性地对已有 的、自然存在的生物系统进行重新设计”。
  我们很难预测合成生物学领域的进步意义,但有一件事是肯 定的:它将深刻塑造我们的未来。美国进步中心的《学科进展杂志》撰稿人丹尼斯 卡鲁索(Denise Caruso)谈到,赞成者“宣称拥有创建、操纵和廉价制造定制的或独特的生命形式的能力, 能够在医疗、能源生产和环境修复等广泛领域内获益”,卡鲁索认为这些益处忽略了“存在的同等程度的潜在风险,如制造新的 致命病原体作为生物武器的可能性”。另一个重要的风险,即是 发生生物技术在合成中产生的意外性“生物差错”,如造成“无 害的”生物发生致命的突变或人造生物对生态系统和环境未知的影响。詹姆斯 卡迪克(James Kadtke)博士(美国国防大学聚 合技术特别顾问)也表达了同样的担忧,他认为,尽管生物恐怖主义已经在公共空间存在了数十年,但由于生物技术合成很难实 现所以极少被使用。然而,通过诸如“CambrianGenomics”之 类的公司(该公司允许客户打印 DNA)合成的有机体,会伴随着 越来越多的“生物黑客”破坏生物平衡。“如果有些人在他的车库进行生物合成,则根本无法控制”。“独狼”(lone wolf) 能够在理论上实现大规模攻击的效果,而无需外围配合或来自网络的资金支持,这会对安全造成更大的威胁。
  而未来合成生物学的应用仍是一个争议的话题,生物医学短 期内的发展将对国防安全产生深远的影响。2014 年,国防高级 研究计划局(Defense Advanced ResearchProjects Agency) 宣布成立一个新的生物技术办公室,该办公室的目标是“通过诸 如神经接口和高级假肢之类的产品提高所服务人员的健康和福祉……利用生物系统创造优于现有的化学和机械制造的产品,在 空间、物理和时间尺度上研究生物系统,以寻求生物复杂性的大规模应用”。
  生物医学领域成功的例子比比皆是。例如,盖茨基金会支持 生物技术公司开发无线控制医疗植入体,它可以不断向身体供药, 且可能 16 年才需要更换一次。微芯片公司一直在测试针对骨质 疏松症患者的设备,但盖茨基金会希望利用这项技术使发展中国 家更有效地控制出生率。当无线设备连接到另一个设备的过程中,数据加密和安全性是关键的环节。生物技术与其他新兴技术(如 纳米技术)的耦合将取得很大进展。在未来,“它将有可能在身体系统中植入微型机器人,记录人体血压、心脏病并进行早期癌 症诊断”。
  将来,合成生物学也可能为武器发展提供技术手段。例如, 针对 DNA 的生化武器专门用来感染或杀死特定的个体。战略与国 际研究中心的未来战略部副主任斯科特 奥格亨博(Scott Aughenbaugh)指出,“如果有人对精准打击很感兴趣,那么这将是一个精确打击的途径”,他甚至认为非国家组织将在 2045 年就拥有这样的技术和能力。
  四、机器人技术
  虽然在第二次世界大战中,远程操控无人机(UAVS)已经被 应用,但是直到最近才出现没有或较少人工参与的无人机执行任 9 务。无人机战场监视发展于 20 世纪 90 年代,1998 年基地组织 在非洲袭击了两名美国大使之后,克林顿政府使用无人机在阿富汗猎杀奥萨马 本 拉登;2001 年 9 月 11 日恐怖袭击后,武装 无人机开始了在阿富汗的飞行作战行动;自此之后,美国军方的 无人机成为战场行动不可分割的一部分。到 2013 年,美国军方 保有的飞机中 31%为无人机,而 2005 年这一比例仅为 5%。作战 的无人系统不再仅仅是在空中执行任务。P.W.辛格(P.W.Singer) 表示,在 2003 年美军进入伊拉克时,在地面上没有机器人系统, 但是在之后美国越来越主导战争之时,有数千机器人在地面行动。 根据美国战略与国际研究中心最新报告,“近期无人系统对于现 有的力量结构所带来的最重要的进步或者改变很可能出现在地 面上、海上和海底”。
  未来机器人领域取得的进步可能更加令人难以置信。例如,在 2012 年 7 月,以色列巴伊兰大学的学生能够仅仅利用它的意 念控制一个在法国 Béziers 技术研究所的机器人,这个以色列学 生身处功能性磁共振成像(fMRI)机器中,该设备通过大脑中血液流动成像来扫描神经活动。机器人头部有一个相机,位于 fMRI 设备中的学生利用能近于实时观察和操控机器人在房间运动,这个例子表明,在未来有可能实现更高级的神经控制机器人。这具有一系列的实际意义,从“锁定”创伤患者避免受到周围环境影 响,到派机器人在危险的环境中(如生物或辐射受污染地区)工作,甚至可能代替人类士兵上战场。
  尽管美国军方是先行者,但它将不再是唯一研发半自动无人 机的组织。根据兰德公司最近的一份报告指出,超过 70 个国家 已经拥有了无人机,并且 23 个国家正在开发武装无人机。国际和战略研究中心的山姆 布莱农(Sam Brannen)强调说,他调查了机器人技术问题,认为最早在未来的 5~10 年内,世界上任 何国家都可以使用武装无人机,无人机技术能否得到应用,在于该国能否像美国那样充分利用和使用无人机技术。前联合国非法 处决问题特别报告员菲利普 阿尔斯通(Phillip Alston)认为,“如果其他国家也像美国那样对此进行广泛授权——随时随地杀人——那么它将会导致混乱”。武装无人机的军备竞赛中蕴含的地缘政治稳定性的风险尚不清楚。
  上述无人机大多数是半自动的,这意味着人类操作员需要进 行全部或大部分决定,但拥有自控权通常有显著的战术优势,未来无人系统可能会越来越自主。布莱农强调说,“在未来十年,无人机系统最重要的进步可能是自动技术的融合”。原因之一是 与人相关的运营成本,例如,一个飞行员每年的薪水可能很轻易 超过十万美元。另一个原因是半自动无人机必须与操作员保持联系,这也为干扰或欺骗信号入侵提供可能。或许在危险的环境中, 自动系统或者人工智能会表现得更好。
  美国军方在无人系统发展中已经取得了重大进展。2013年, 诺斯罗普格鲁曼公司的 X-47B 自主飞行无人机在没有飞行员的 帮助的情况下在航母上实现起降。在另一项测试中,空军轰炸机发射实验导弹时,导弹拥有独立选择和锁定目标的能力。然而机 器人在未来的发展可能会使今天的无人机过时。布莱农表示,“我们现在尚处于使用无人机的石器时代”。他认为,在未来的十年 内将出现大规模商用无人机,并且自动驾驶汽车“将在未来 5~ 6年占据主流”,鉴于这一技术是几年前开发的,其前景将令人 难以置信。布莱农还认为在不久的将来,最低端的无人机可能是 反介入和区域封锁(A2 /AD)防御中的有效途径。前技术顾问丹尼 尔 苏亚雷斯(DanielSuarez)(同时也是几部关于先进技术带来风险的有影响力的小说作者)认为,“无人机带来的风险不久将会显现,这是确证无疑的”。
  五、纳米技术和材料科学
  与纳米技术相比,也许没有其他新兴技术在未来能够产生更 加颠覆性的影响。纳米技术,即在纳米尺度上进行科学、工程和 技术操作,纳米尺度大约在 1~100 纳米,能够实现对单个原子 和分子的操控。纳米科学和纳米制造前景无限。“美国国家纳米 技术计划”(NNI)始于 2000 年,是一个跨部门的小组,旨在帮 助协调和报告联邦政府在纳米技术开发上的进展。根据 NNI 研究, “在过去的十年中,几乎所有高性能电子设备都使用了一些纳米材料进行生产”。该计划进一步估计,2015 年纳米技术对全球 经济的贡献将达 2.4 万亿美元。未来纳米技术的应用将覆盖每一个经济部门,包括电子、建筑、医药、食品甚至国防。
  纳米技术的深远影响不仅在于可以在越来越小的尺度上进 行建设,也在于可以合成新的物质。卡迪克(Kadtke)和林顿 威 尔二世(Linton Wells Ⅱ)博士在美国国防大学的一篇论文中, 对七种纳米技术领域进行了阐述:复合材料和混合材料、智能材料、纳米材料、纳米电子、纳米传感器、生物医学纳米技术和纳 米药物、纳米机械和纳米制造。根据 NNI 的阐述,“今天的科学 家和工程师正在寻找各种各样的方法在纳米尺度上进行制造,这 种制造利用的是纳米材料的更好性能,比如高强度、轻质量、对光谱的更强控制力以及更好的化学反应,这比现在大规模制造中 的材料性能更好”。令人惊讶的是,工程师和科学家可以在纳米尺度上利用量子力学效应,“可以更好地根据意愿提升材料的适 应性能”,甚至可以复制纳米尺寸的生物材料,比如进行分子自组装或自组织。K.埃里克 德雷克斯勒(K. Eric Drexler)博士是纳米技术方面的领军学者,他认为,“大规模、高产量的自 动精确制造(APM)是先进纳米技术的核心,在未来数年它有可能改变我们的世界”。在德雷克斯勒看来,“自动精准制造对事 物处理将发挥的作用,就如同计算机在信息处理中的作用那样……数字革命打开了极为丰富的信息产品的大门,自动精准制 造将打开极为丰富的实物产品的大门”。
  尽管对纳米技术及其影响的预测听起来像科幻小说,但军事 方面技术应用的例子已经非常多。在这一领域一个著名的产品是美国特种作战司令部的战术突袭轻甲(TALOS),通常被称为“钢铁侠组合”。虽然 TALOS 还需要几年才能实现完全作战能力,但这种概念结合了先进复合材料所制的轻型装甲与传感器,将为穿 戴者提供更好的环境感知能力。另一个实际应用与隐形和伪装有 关。纳米技术可以提供新的隐形应用,其性能在于能够创造轻质量、高性能的结构,以及通过改变可见光、红外线和微波的反射、 吸收和散射性能,来达到隐性的目的。比如,碳纳米管不仅是“已知物质中最黑暗的”,也可以“吸收从无线电波到可见光再到紫 外线的广泛光谱,几乎是十分完美的”。据报道,2010 年以色 列公司Nanoflight 成功完成碳纳米管的测试和评估,英国公司 Surrey NanoSystems 创造了一种名为 Vantablack 的新“超黑” 材料,根据该公司发布的新闻,这种材料能够吸收“99.96%入射 辐射,被认为是有史以来最高纪录”。未来,纳米技术的应用可能提供新的无法预见的军事应用。
  正如同其他新兴技术一样,纳米技术在带来优势的同时也会 隐藏风险。尽管“灰雾”场景——自我复制的纳米机器人统治世界——无疑会在一些人的脑海中产生,但是真正纳米技术的风险 是不可预测的。纳米技术在医学领域的应用前景,比如纳米器件在人体的植入等都是未知的。而纳米颗粒向空气或环境中排放将造成一种新的不能进行生物降解的污染。而如果将来大量使用纳 米传感器,也将可能带来重大的隐私隐患。卡迪克认为,由于新 的纳米材料和复合材料之前从未被利用,因此很难确定其对健康和环境的长期影响。

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