美国国防高级研究计划局生物技术2019年发展动向及未来展望

　　本文详细梳理了DARPA生物技术领域在2019年的项目布局及2020年经费预算情况，分析了其当前生物技术发展动向及未来工作重点，为我国国防生物科技发展提供参考。

　　美国国防高级研究计划局（DARPA）成立于1958年，是美国防部的“首席创新机构”，推动国家安全和国家利益的前沿方向。DARPA主要负责高新技术的研发和应用，为地面、海上、空中、太空、网络和人类作战领域创造“改变游戏规则”的崭新概念、技术和能力，其所资助的项目大多具有投资大、风险高、开创性、前瞻性和潜在军事价值大的特点。DARPA创造了许多突破性技术，彻底改变了国防，并产生了广泛的社会和经济影响，如精确制导弹药、隐形战机、互联网、半导体、全球定位系统、交互式视频设备和个人计算机等。

　　进入21世纪，生物科技突飞猛进，新兴生物技术不断涌现，而生物技术与信息技术、新能源技术、新材料技术的交叉融合正在引发新一轮科技革命和产业变革，也为国防军事领域带来了新的机遇和挑战。2014年，DARPA宣布成立生物技术办公室（BTO），目标是整合生物学、工程学和计算机科学等学科，探索自然过程复杂且高度适应的机制，将生物系统的巨大潜力应用到国家安全领域。这是DARPA生物技术项目管理的分水岭，标志着美军已高度认识到生物技术的巨大军事应用价值，将生物技术提升到新的战略高度，也凸显了生物技术在国防科技中的战略重要性。

　　自成立以来，BTO对其方法、运营和研究组合不断进行优化，以将防御相关能力赋予所有军事组织及人员，甚至是整个社会。BTO现有战略更倾向于综合考虑多种挑战而不是单个威胁，将生物技术范围扩大到传统上没有明显生物成分的任务，并减少采用新技术所带来的各种风险等。

　　本文详细梳理了DARPA生物技术领域在2019年的项目布局及2020年经费预算情况，分析了其当前生物技术发展动向及未来工作重点，为我国国防生物科技发展提供参考。

　　一、DARPA重点投资生物技术领域

　　DARPA每年会发布“研究、开发、试验与鉴定”（RTD&E）预算申请报告，对下一财年经费支出情况进行系统规划，涵盖生物技术、信息技术、材料技术及航天技术等多个领域。根据DARPA年度预算报告，在2014年~2017年，DARPA年度经费基本稳定在28~30亿美元之间。2018年，DARPA经费首次超过30亿美元，此后呈大幅上升态势。2019年，DARPA经费达到34.4亿美元，比上一年增长8.5%。2020年，DARPA预算经费达到35.6亿美元，相较过去两年涨幅分别约为3.5%和12.3%。

　　近年来，DARPA在生物技术领域的投资基本保持在3~4亿美元之间，占总经费的11%左右。2019年，DARPA在生物技术领域投资约3.78亿美元，占比达11.0%。2020年，DARPA生物领域预算经费几乎保持稳定，约为3.89亿美元，占比达10.9%。

　　DARPA近年研发总经费及生物技术领域投入情况

　　数据来源：国际技术经济研究所整理

　　DARPA在生物技术的投资主要分为基础研究领域（约占35%）和应用研究领域（约占65%）。其中，基础研究涵盖“生物、信息和微系统科学”“材料科学（生物部分）”“转化科学（生物部分）”和“基础作业医学”等4个细分领域；应用研究涵盖“生物医学技术”“生物战防御”和“生物材料与装备”等3个细分领域。

　　从生物领域经费投入的分布情况来看，2019年，DARPA在应用研究领域经费投入仍然保持较高比例，达到66%。其中，生物医学技术（27%）和生物材料与装备（30%）备受DARPA重视；生物战防御领域的经费投入则在2019年扭转此前逐年下降的态势，占比由4%提升至9%。

　　DARPA历年生物技术领域投资分布（亿美元）

　　数据来源：国际技术经济研究所整理

　　二、2019年DARPA启动和推进多个生物项目

　　BTO成立之初重点研究士兵能力的恢复和维持、生物系统的利用以及生物复杂性的大规模应用等，其后研究范围不断拓展，目前聚焦的领域主要可分为生物战防御、战地医疗与士兵机能增强、人机接口以及生物系统的工程化应用等4大模块。2019年，BTO启动了9个新项目，并更新了6个项目的进展，选定研究团队，开展下一阶段研究工作。

　　2019年DARPA生物项目启动和更新概况

　　资料来源：国际技术经济研究所整理

　　在战地医疗与士兵机能增强方面，DARPA新增5个项目，更新2个项目。DARPA注重人体内部基因、蛋白质等分子水平的医疗研究，重视士兵效能信息实时监测，并综合运用生物电子技术、微生物组学技术和基因技术等开发新型医疗对策，提高士兵损伤恢复能力和持久作战能力。

　　在生物战防御方面，DARPA新增2个项目，更新1个项目。DARPA加强了与生物战威胁相关的病原体威胁的监测和预测研究，力图开发基于基因编辑等新兴生物技术的新型检测手段，并试图通过生态模拟预测动物病毒的跨物种转移性。同时，DARPA通过添加生物分子、共生生物等，防御生化威胁，或将大幅提高武器装备性能和士兵生存能力。

　　在生物系统的工程化应用方面，DARPA新增1个项目，更新2个项目。DARPA不断加强对自然生物系统和自然过程机制的研发及应用，对生命活动的研究范围不断扩展，涉及生物体的化学键作用、细胞活动和生物体行为等多个层次，推进生物活体侦查、生物计算、可控基因编辑等多个概念论证项目，为其后续军事应用转化提供基础。

　　在人机接口方面，DARPA新增1个项目，更新1个项目。DARPA一直高度重视人机接口在军事中的应用，2019年首次将人机接口技术由脑机接口扩展到脊髓接口，丰富了神经控制的途径，或可进一步提高士兵通过神经控制多设备的能力。

　　三、DARPA生物技术未来展望

　　2019年12月，DARPA公布年度战略框架文件《面向国家安全创建技术突破和新能力》，明确聚焦捍卫国土安全、威慑并超越高端对手、开展维稳工作及推进科学技术基础研究4个战略重点领域，推动颠覆性作战能力形成。

　　在2020财年预算申请中，DARPA立足于未来国防和军事战略需求，从科技发展前沿趋势出发，为24个生物技术项目申请了经费，瞄准近中远期不同目标，全方位推动军用生物技术创新发展。

　　2020年DARPA生物项目预算概况

　　资料来源：国际技术经济研究所整理

　　从2020财年DARPA预算申请的生物项目出发，结合DARPA 2019年战略框架报告，我们可以发现DARPA规划未来军事生物发展的几个重要关注点。

　　一是着力开发新技术来提升单兵作战能力。DARPA在2019年战略框架报告中，明确提出在开展维稳工作战略领域中，要重点关注提高作战人员表现等方向。2020年，DARPA新增生物项目有4个，总预算申请约为0.54亿美元。这些项目主要利用前沿生物技术提升单兵作战能力，恢复、维持和增强士兵机能。其中，“本地生物电子接口”项目启动经费为0.10亿美元，旨在开发可加速复杂组织修复的技术，通过研发高分辨率生物传感器与生物致动器，以实时跟踪治疗过程，并在特定位置和时间刺激修复；“改进的干预”项目启动经费为0.14亿美元，旨在利用新型生物信息学、高容量生理模型系统和新型生物正交方法，开发可调节人体多个生物系统的药物干预措施，以快速、全面地优化作战人员体能；“改善的人员安排”项目启动经费为0.17亿美元，旨在研究作战人员基因型与表型之间的关系，以充分发挥作战人员潜力；“扩展人体弹性”项目启动经费为0.13亿美元，旨在研发操控人体微生物组的新技术，以定向改善人体机能，提升作战人员复原能力。

　　二是加强大规模生物恐怖威胁的监测及防御。DARPA在2019年战略框架报告中，明确提出在捍卫国土安全战略领域中，要重点关注大规模恐怖性和破坏性武器防御，生物监视以及生物威胁检测与降低等方向。在2015年~2018年，DARPA大规模生物恐怖防御领域的经费逐年下降，2018年低至0.13亿美元，而2019年该领域经费骤然升至0.34亿美元。2020年该领域经费继续小幅增长，达到0.35亿美元，主要目标是开发新的传感器和传感网络，以经济、可靠、广泛地监测大规模生物武器威胁。同时，2020年其他专门针对流行病和农业攻击防御的项目数量较多，申请经费将近1亿美元。

　　三是加大探索包括DNA分子在内的多种分子计算技术。DARPA在2019年战略框架报告中，明确提出近期要重点推进基于分子信息学的新计算方法的研究。随着全球数字数据的复杂性和数量的增长，人们对处理和存储数据的更强大、更紧凑方法的需求也不断增长。近年来，诸如基于DNA序列的分子存储概念不断发展，显示出以极小的物理空间来存储数字数据的前景。自然界数千万种分子具有各自独特的三维原子结构以及变量（如形状、大小和颜色），为探索新颖和多值的编码方式提供了广阔的设计空间。DARPA的分子信息学计划希望不再依靠计算机的二进制数字逻辑，而是利用分子的广泛结构特征和特性来编码和处理数据。DARPA早于2003年就已启动生物分子计算项目，近几年DARPA已不局限于生物分子，而是扩展至所有分子。2017年，DARPA启动“基本限制”项目，提出要开始探索利用自然界多种分子来存储和计算信息的技术。2020年，DARPA继续为“基本限制”项目和“分子系统和材料组装”项目分别申请了0.31和0.11亿美元经费，探索基于分子的信息存储和处理的概念和技术，拟开发出可操作的分子计算系统，并识别和量化分子计算相对于传统计算和存储方法的优势。

　　四、小结

　　DARPA作为美国创新技术发展的引领者，一直致力于发展新型技术，并将其转化为军事应用，保障美国国土安全，因此DARPA的近期发展也代表了美国所关注的技术热点。对此，我应持续关注其经费投入及项目布局情况，达到对其发展动向和战略重心的实时洞察，并在此基础上进一步分析其技术路线和实施方案，为我国防生物技术发展提供参考和借鉴。