Статья: Научные и технологические тренды: 2020–2040 гг.: перспективы научно-технического развития (доклад организации НАТО по науке и технологиям, 2020 г.)

1. Платформы: новые теплостойкие материалы, новые режимы движения, миниатюризация, снижение веса, моделирование и имитация, новые конструкции транспортных средств, гиперзвуковая тяга, стелс-материалы и дизайн, автономное поведение (ИИ и рои), а также усовершенствованное управление полетом. Это направление включает:

- Материалы: температура поверхности гиперзвуковых систем может достигать более 1000 °C., следовательно, потребуется разработка новых прочных и термостойких материалов;

- Двигатели: двигатели должны быть дополнительно усовершенствованы, включая повышение надежности, эффективности и возможности альтернативного запуска;

- Управление: динамика полета на гиперзвуковых скоростях осложняется необычными характеристиками воздушного потока, что требует совершенствования моделирования (например, на основе вычислительной гидродинамики). Это, в свою очередь, позволит проводить исследования в области систем управления и наведения, что особенно важно для повышения точности, совершенствования контроля и автономного поведения.

2. Оборонительные контрмеры: противодействие гиперзвуковым угрозам будет необходимо, но его обеспечение имеет неясные перспективы в связи с высокими скоростями, маневренностью и эксплуатационными высотами гиперзвуковых вооружений. Это направление включает:

- Датчики и слежение: противодействие гиперзвуковым летательным аппаратам потребует улучшенных наземных и космических датчиков для обнаружения, идентификации и слежения, а также улучшенной навигации и управления для обеспечения успешных перехватов. Необходимо совершенствовать Аналитику данных и автономные функции для обеспечения быстрого принятия решений;

- Жесткие методы противодействия (Hard Kill): разработка новых анти-гиперзвуковых ракет или сверхскоростных снарядов, пригодных для противодействия гиперзвуку, будет представлять собой серьезную технологическую проблему. Направленное энергетическое оружие также может обеспечить возможность поражения, но сама природа гиперзвуковых аппаратов сделает это сложной задачей;

- Мягкие методы противодействия (Soft Kill): использование кибероружия, направленного энергетического оружия, радиоэлектронной бомбы и ложных целей в качестве средства противодействия гиперзвуковым системам вооружения.

Новые материалы и двигатели дали в последнее время импульс разработке гиперзвуковых аппаратов и значительно повысили вероятность их широкого применения. Китай, Россия, США, Великобритания, Франция, Индия, Япония и Австралия открыто приступили к исследованиям и испытаниям гиперзвуковых систем. Эти системы являются стратегически прорывными, учитывая их скорость, сложность разработки контрмер и угрозы, которые они представляют для особо значимых целей. Для НАТО гиперзвуковые возможности обеспечат повышенную эффективность в отношении приоритетных наземных и морских целей. Из-за высоких скоростей эти виды вооружений могут использоваться без боеголовок за счет их массы и кинетической энергии, что упрощает конструкцию оружия. Такие скорости повышают вероятность успешного удара и снижают вероятность перехвата. Ожидается, что американские системы будут введены в эксплуатацию к 2025 году, а гиперзвуковые беспилотники - к 2035 году. Китай, и Россия продемонстрировали передовые сверхзвуковые программы и ограниченное применение гиперзвукового оружия.

Гиперзвуковое оружие создает значительные проблемы для стратегий и технологий оборонительных контрмер. Эта проблема особенно остра из-за скорости и возможности больших роев. Контрмеры, использующие мягкие методы противодействия (например, глушение, обман и т.д.) могут быть полезными в некоторой степени. Более эффективными могут быть жесткие меры противодействия такие, как направленное энергетическое оружие (высокоэнергетические лазеры или пучки частиц) или космические перехватчики. Эти системы необходимо будет усовершенствовать и ввести в действие в рамках соответствующих политических и правовых ограничений, если в течение следующих десяти лет будут развернуты эффективные оборонительные контрмеры.

В таблице 6. представлены: области перспективных исследований в области гиперзвуковых систем, оценка их потенциального воздействия на сферу обороны и безопасности, технологический уровень и ожидаемые сроки массового распространения.

Таблица 6 Области перспективных исследований гиперзвуковых (оружейных) систем

7. Биотехнологии и совершенствование человека

Биотехнологии используют организмы, ткани, клетки или молекулярные компоненты, полученные из живых существ, для воздействия на живые существа или действуют путем вмешательства в работу клеток или молекулярных компонентов клеток, включая их генетический материал. Технологии улучшения здоровья человека - это биомедицинские вмешательства, которые используются для улучшения внешней формы человека или функционирования его организма сверх того, что необходимо для восстановления или поддержания здоровья. Эти технологии позволяют усиливать физиологические, когнитивные или социальные функции.

Технологии биоинженерии и улучшения человека состоят из четырех основных областей (с существенным дублированием и синергией между ними):

1) биоинформатика и биосенсоры: датчики in vitro/ex vitro, медицинская визуализация, квантовая биология, прикладная Аналитика больших данных;

2) аугментация органов и тканей человека: смешанная реальность, виртуальная реальность, социальные сети, робототехника, искусственный интеллект, протезирование, экзоскелеты, нейро-электроника, реабилитация, нейробиология, робототехника, теле-операции, когнитивная производительность, вычислительная техника, доверенная автономия, перцептивные улучшения;

3) медицинские способы лечения и биомедицинские технологии: химико-биологические и радиологические ядерные способы выявления и лечения болезней, персонализированная медицина, биомаркеры, биоинженерия, пищевые добавки, физиология, физическая устойчивость, стрессоустойчивость;

4) синтетическая биология: генная инженерия, секвенирование ДНК, биопроизводство, модифицированный микробиом, живые сенсоры.

Достижения в области материалов, информационных систем и гуманитарных наук закладывают основу для значительного расширения человеческих возможностей, расширяя границы физиологических, когнитивных и социальных возможностей человека. Разработки в этих областях обеспечиваются быстрыми параллельными разработками в области робототехники и автономных систем, ИИ, Аналитики больших данных, миниатюризации и инновационных материалов/производства. В результате разработки биоинженерии и улучшения человека продвигаются с захватывающей скоростью, движимые научными прорывами, значительными национальными инвестициями и растущим коммерческим интересом. Ограничения их развития связаны с необходимостью проведения базовых исследований, а также с этическими, правовыми и политическими соображениями. В частности, существуют серьезные проблемы, связанные с использованием генной инженерии, персональных биологических данных, с использованием фармакологических усовершенствований и этическим тестированием новых терапевтических средств и методов лечения.

Биоинформатика и связанная с ней область вычислительной биологии связаны с хранением, поиском, организацией и анализом биологических данных, в частности данных человека. Обработка таких больших объемов данных, доступных для использования и оценки (часто в режиме реального времени), позволила значительно лучше понять биологическое, биохимическое, физиологическое, когнитивное и социальное поведение. В свою очередь, это поддержало новые технологические разработки в медицине, генетике и биологии. Особенно за последние 15 лет биоинформатика трансформировала биологические науки до такой степени, что появилась новая теоретическая биология, где модели могут быть оценены экспериментальной биологией, по аналогии с взаимодействием между теоретической и экспериментальной физикой. Значительный вклад в этот взрыв данных внесли разработки в области биодатчиков - приборов, которые измеряют биологические и биохимические процессы и преобразуют их в электрический сигнал. Они могут быть использованы для многих целей. Например, нанодатчики, встроенные в интеллектуальную одежду для обнаружения химических, биологических, радиологических и ядерных агентов, мониторинг лечения, татуировки для мониторинга физиологического или когнитивного стресса или датчики для биомедицинских исследований.

Прогресс и технологическая конвергенция различных наук позволяют разрабатывать новые более дешевые, компактные и надежные биодатчики. Научно-техническое развитие в области биоинформатики и биодатчиков в военных целях будет способствовать прогнозированию ухода за боевыми ранеными и их диагностике, оперативной готовности военных и оценке воздействия химических, биологических, радиологических и ядерных агентов.

Террористические угрозы и военные конфликты стимулировали исследования в области новых датчиков для обнаружения взрывчатых веществ и боевых отравляющих веществ. Фокус современных исследований в области биодатчиков выходит далеко за рамки материалов, он включает в себя способность принимать решения и действовать - интеллектуальное зондирование. Исследования в этой области включают применение: конструкции сенсорных материалов с использованием углеродных нанотрубок, полимерных нанопроводов и пористого кремния; машинное обучение и молекулярные вычисления на основе ДНК для интеллектуальных функций биосенсоров; а также биоэлектронику и нейроэлектронику. Усовершенствованная биоинформатика и биодатчики в сочетании с передовыми методами сбора данных и прогнозной аналитикой улучшат качеств мониторинга за состоянием здоровья военнослужащих, что повысит оперативную готовность и качество профессиональной подготовки посредством прогнозирования и упреждающего реагирования на экологические или индивидуальные проблемы.

Аугментация и усиление человека включают различные области человеческой деятельности - физиологическую, когнитивную и социальную, а также использование роботизированных экзоскелетов, интеллектуальных тканей, лекарств и бесшовных человеко-машинных интерфейсов. Развитие новых технологий аугментации (физических, фармакологических, неврологических или социальных) может существенно изменить возможности отдельного солдата, моряка или летчика и создавать интегрированные человеко-машинные симбионты с беспрецедентными возможностями, например:

- Усиление зрения с помощью имплантатов, очков или контактных линз. Эти визуальные усовершенствования будут обеспечивать обмен данными с командованием, улучшение идентификации целей, расширение видения за пределы видимого спектра;

- Запрограммированный мышечный контроль через опто-генетическую сенсорную сеть;

- Усиление слуха для связи и защиты;

- Прямое нейронное усиление человеческого мозга для двусторонней передачи данных.

Первые три технологии будут широко доступны в течение следующих 20 лет. Последняя потенциально является наиболее прорывной, но вряд ли станет широко доступной до 2050 года. Тем не менее, развитие прямых нейронно-кремниевых соединений, поддерживающих двунаправленную передачу данных, является реальной возможностью.

Учитывая последние достижения в понимании неврологических компонентов мозга и когнитивной архитектуры, нейроэлектронные компоненты, способные эффективно реализовывать мозгоподобные алгоритмы и взаимодействовать непосредственно с биологическим программным обеспечением, открывают возможности для новых технологических возможностей, которые могут существенно повлиять как на гражданскую, так и на военную сферу. Высокоскоростные и маломощные нейроморфные электронные компоненты позволяют создавать автономные системы и гетерогенные компьютерные архитектуры, включающие эти устройства. Такие системы позволят решать задачи, которые не доступны сегодня машинам, но легко решаются человеческим мозгом, такие как обширный гетерогенный анализ данных и обработка визуальных сцен. Сопряжение этих устройств с биологическими системами позволит предложить новые методы лечения неврологических заболеваний и улучшить механизмы взаимодействия между мозгом и электронными устройствами для лучшего контроля протезов.

Широкое внедрение экзоскелетов в коммерческих секторах, вероятно, останется весьма ограниченным в краткосрочной перспективе из-за их высокой стоимости (более 25 000 долларов за костюм). Тем не менее, в таких областях, как логистика, строительство и производство, чтобы облегчить нагрузку на работников, повысить эффективность и снизить травматизм они будут использоваться. Прогнозируется, что к 2025 году рынок экзоскелетов составит 1,8 млрд. долларов США, по сравнению с 68 млн. долларов США в 2014 году.

Вооруженные силы США и других стран продвигаются вперед в разработке и исследовании операционной эффективности экзоскелетов на театре военных действий.

Другие методы аугментации человека включают разработку новых физиологических и фармакологических когнитивных улучшений. Прямая стимуляция периферических нервов и другие неинвазивные методы также могут быть использованы для повышения синаптической пластичности для улучшения когнитивных функций, для быстрой подготовки военнослужащих к решению сложных задачах. Существующие технологии продемонстрировали способность улучшать индивидуальные физические и когнитивные показатели выше стандартного уровня в ключевых областях, имеющих центральное значение для вооруженных сил: сила, сосредоточенность, внимание, обучение и устойчивость к усталости.