河套 IT TALK 50：（原创）聊聊美国国防高级研究计划局正在投资的项目(一)

DARPA到底是何方神圣？

DARPA，全称Defense Advanced Research Projects Agency，也就是美国国防高级研究计划局。从历史起源来看，DARPA是典型美苏冷战的产物。苏联在1957年率先发射了人类第一颗人造卫星Sputnik 1，正式开启了太空时代。美国政府被动应对的同时，也深感压力山大，为了和苏联撸起袖子展开竞争，当时的总统艾森豪威尔在1958年2月7日，联合学术界、工业界和军方创建了DARPA。承诺从那时起，美国将成为战略技术意外的发起者，而不是受害者角色。DARPA 一直不辱使命，坚持一项独特而持久的使命：对美国国家安全的突破性技术进行关键投资。DARPA属于典型的军民融合机构，所以在DARPA成立的60多年来，投资的项目无数，而且相当多的项目都超出了军方的需求。比如我们现在熟知的ARPANET（互联网的前身）、GPS、自动语音识别和我们前几期提到的波士顿动力的多足机器人都是DARPA投资的杰作。其实远不限于此，现代科技的任何一个角落，几乎都有DARPA的影子。《经济学人》称 DARPA 是“塑造了现代世界”的机构，一点儿都不为过。

随便举两个例子：

操作系统，大家可能认为贝尔实验室的UNIX操作系统是操作系统之母，其实最早的DARPA资助的Multics才是真正的操作系统之母，1964年规划的Multics“影响了从微型计算机到大型机的所有现代操作系统”。后续UNIX继承了非常多Multics的功能。

人机交互，1968年12月9日，道格拉斯·恩格尔·巴特的那场影响不止一个时代的“所有演示之母”（The Mother of All Demos）也是DARPA资助的项目。

DARPA的运作机制

位于弗吉尼亚州阿灵顿县Ballston的DARPA总部大楼

DARPA 独立于其他美国军事研发机构，直接向国防部高级管理层报告。

DARPA常设有6个技术办公室：

Biological Technologies Office (BTO)生物技术办公室

整合生物学、工程和计算机科学的突破性基础研究、发现和应用，转变为国家安全能力。

Defense Sciences Office (DSO)国防科学办公室

广泛的科学和工程研究领域大力追求最有前途的技术，并将这些技术发展为重要的、全新的军事能力。往往是非常基础的科学研究。

Information Innovation Office (I2O)信息创新办公室

旨在确保美国在信息可以提供决定性军事优势的所有领域的技术优势。

Microsystems Technology Office (MTO)微系统技术办公室

任务重点是电子、光子学和微机电系统 (MEMS) 的异构微芯片级集成。

Strategic Technology Office (STO)战略技术办公室

专注于对全球战区产生影响并涉及多种服务的技术。

Tactical Technology Office (TTO)战术技术办公室

从事高风险、高回报的先进军事研究，特别是航空、航天和陆地系统以及嵌入式处理器和控制系统。

Adaptive Execution Office (AEO)自适应执行办公室（2009年新增）

该办公室的四个项目领域包括技术转型、评估、快速生产力和适应性系统。加速新技术向国防部能力的转变。

每个部门人数都不多，加在一起，DARPA也仅有220名政府雇员，包括：项目经理（差不多 100 名）、支持人员和行政人员。DARPA一般同时监督管理250个项目，项目涉猎非常广泛。所以这些项目经理往往行业背景都非常丰富，他们可能之前是：（1）有计算机科学、电子学、物理学、化学、生物学和材料科学等各个领域背景的科学家和工程师。（2）军事和国防背景和经验，包括在美国军队、国防承包商和其他政府机构任职的丰富经验。（3）美国各地大学和其他学术机构的研究人员的专家学者。DARPA对项目经理的任期要求都很短，通常为三到五年。当然，这是出于国家安全考虑，但是也表明：DARPA的项目都需要快速产生成效，不允许拖泥带水。频繁换项目经理，就是不停通过鲶鱼效应来激活整个团队的活力。

除了政府雇员，DARPA 还广泛与大量来自不同背景的承包商、科学家、工程师和学术研究人员合作。

DARPA的项目相当多都是公开的，由于机构运作节奏很快，所以项目也不停地启动和终结。但有一点是毫无疑问的：了解DARPA正在资助什么项目，会有助于我们了解美国科技的前沿。从本文起，我们将分大约分几期来阐述当下DARPA网络公开的正在资助的科研工程项目，让我们一窥端倪，或许能对大家在科技前沿的方向选择上有一定程度的启迪。

注意我们对每个项目的解读也有自身知识结构的局限，如果想进一步了解更多信息，可以去公开渠道自行查询。

AMD

AMD是Accelerated Molecular Discovery（加速分子发现）的缩写。

不管是开发一种新药，还是新材料，都需要在海量的分子中寻找。整个宇宙充满了无数的分子，具体有多少呢？科学家的估计是10的60次方。这是个什么概念呢？银河系中大约有1000亿颗恒星，也就是10的11次方。所以在如此庞大数量的不同分子间寻找到恰巧是我们需要的那个，需要的计算量是超出我们的想象的。

现实状况，经常是这样的：发现一种新的分子，往往是直觉驱动，或者偶然发现，然后会进入非常缓慢的迭代、候选分子抽样、测试验证、评分排名、优化微调的过程。拿药物开发为例，药物研究人员必须找到有前途的类药物分子，这些分子可以在称为药物发现的过程中正确结合或“停靠”到某些蛋白质靶标上。成功与蛋白质对接后，结合药物（也称为配体）可以阻止蛋白质发挥作用。如果这种情况发生在细菌的必需蛋白质上，它可以杀死细菌，从而保护人体。现实是残酷的，90%的药物在人体试验后都会因为没有效果或副作用太多而失败。一项新药发现，往往在前期过程会投入数十亿美元的巨额成本。制药公司弥补这些巨额成本投入的唯一方法就是提高成功药物的价格。

所以这个项目本身的目的，不是为了某一款药物，而是要寻找到一种快速的自动计算方法。AMD 方法涉及生成分子结构和相关特性的大型数据集，例如毒性、溶解度和针对特定生物靶标的活性。然后使用机器学习算法来分析这些数据集并识别分子结构和特性之间的模式和关系。基于这些模式，算法可以预测尚未合成的新分子的特性。

AMD 的主要优势之一是能够快速高效地生成大量数据。这使研究人员能够探索更广泛的化学空间，并识别具有使用传统实验方法可能遗漏的特性的分子。此外，AMD 可用于优化现有分子，例如药物，通过预测其结构变化将如何影响其特性。

关键词：分子发现、新药物开发、数据挖掘、机器学习

ACCEL

ACCEL是Advanced Concept Compact Electron Linear-accelerator（先进概念紧凑型电子直线加速器）的缩写。

名字读起来一头雾水，但是如果我再描述一下这个项目的目标，或许大家能更清楚这是什么。在重量不到 75 千克的设备中产生能量高达 35 兆电子伏特 (MeV) 的电子束，设个设备可以装在一个 1 米长、直径 0.4 米的圆柱体内。35 兆电子伏特 (MeV) 的电子束，一般用于货物检查、医疗诊断、食品灭菌的 X 射线，甚至可以实现精确的外部放射治疗以在不损害周围组织的情况下摧毁癌细胞。这个装置应该是个便携的高能电子束发射器。该设计结合了先进的组件，例如高功率微波源和精密磁铁，以产生高能电子束。该技术设计紧凑、重量轻、功率要求低，因此可以轻松集成到军用车辆或飞机中。

ACCEL 技术产生的电子束可用于一系列与国防相关的应用，包括中和爆炸物、产生用于医学成像的 X 射线，以及用于材料测试等等。

关键词：高能电子束、加速器

ACTM

ACTM是AI-assisted Climate Tipping-point Modeling（AI 辅助的气候临界点建模）的缩写。

这个项目和全球温室效应有关。气候变化会影响到地缘政治、经济稳定、粮食和水安全。而且气候变化还会带来的恶劣天气威胁。而气候预测，需要高度复杂的基础物理气候建模的计算。

该计划旨在利用AI大数据、深度学习、神经网络等算法的最新进展，开发更准确、更全面的地球气候、海洋、大气和生物圈之间复杂相互作用的模型。最终目标是为决策者和科学家提供做出明智决策和及时采取行动减轻气候变化影响所需的工具。特别对某些突然的临界点预测。

该项目分为两个主要阶段。在第一阶段，研究人员正在开发新的人工智能算法和计算技术，以提高气候模型的准确性和可靠性。这包括开发合并新数据源和观察结果的方法，提高模型的分辨率，以及开发用于分析和可视化大型数据集的新技术。

该项目的第二阶段将侧重于将这些新的建模工具应用于特定的案例研究和情景，例如预测极地冰盖融化、海洋酸化和极端天气事件对全球气候模式的影响。目标是为政策制定者提供准确和可操作的信息，这些信息可用于制定有效的政策和战略以减轻气候变化的影响。

关键词：气候模型、深度学习、神经网络、临界点

ATN

ATN是All Together Now（现在都在一起）的缩写。

这个项目名称非常有迷惑性。项目无关社会学和政治学，是个非常硬核物理的项目。目的是研究到达标准量子极限的量子传感器（比如：原子钟、原子磁力计、量子温度计等）。

量子传感器是利用量子力学对磁场、电场、温度和压力等物理量进行高精度测量的设备。这些传感器在量子极限或附近运行，其中本底噪声由海森堡测不准原理确定。与依赖宏观效应的经典传感器相比，量子传感器利用量子力学的独特特性来实现极高的灵敏度。

达到量子极限的原子钟将追求更为精准的时间。这个项目应该会影响所有的行业，特别是对精准时间同步有需求的行业。这个项目是另外DARPA资助的量子增强传感和计时项目（DARPA QuEST）的延续。

关键词：量子极限、量子传感器、原子钟

AtmoSense

AtmoSense是Atmosphere as a Sensor（大气传感器）的缩写。

光看名字还是一头雾水。这个项目也是基础科学研究，目的是想深入了解地球物理。理解地磁如何影响天气。某些从底层深处径向传播的波分能量，遇到空气产生纵向机械扰动，从而影响大气中的能量，这种能量会一直传播到电离层的底部。这个项目是用卫星数据和机器学习算法来提供有关大气状况的准确和详细的预测信息，包括天气预报，气候建模和环境检测。

该项目的最终目标是更好地了解地球电离层，以及如何应对电离层的突发或者瞬态变化而对通信、导航和遥感等各种应用产生重要影响。

关键词：地磁、电离层、天气预测

ARRIVE

ARRIVE是Applications Resulting from Recent Insights in Vacuum Engineering（真空工程最新应用）的缩写。

这个项目研究的是量子真空，也是神秘的“零点能”场（“zero-pointenergy”field）。包括三种真空效应：卡西米尔力、动态卡西米尔力和自旋量子比特退相干。光看这些专业术语有种不明觉厉的感觉。

卡西米尔力就好比真空中的两个平行板，它们之间的距离非常小（在纳米范围内）。由于量子涨落，板外的虚粒子多于板间的虚粒子。这会产生净压力，将板块推到一起，使它们相互吸引。卡西米尔力对微机电系统 (MEMS) 和纳米级设备的设计非常有意义，也就是纳米芯片技术。

动态卡西米尔效应也是一种现象，类似于卡西米尔力，但移动的不是金属板，而是一种镜子之类的东西，当镜子以相对论速度移动时，它可以从真空涨落中产生真实的粒子（光子）。动态卡西米尔效应产生的光子可以纠缠。这种现象对量子信息处理有影响。

自旋量子位退相干是量子计算中可能发生的一种现象，具体来说，量子比特的自旋与环境纠缠在一起，导致它失去量子叠加而成为经典比特。将量子比特想象成可以同时处于两种状态（正面和反面）的硬币。当量子位与其环境相互作用时，就像有人偷看硬币并将其叠加分解为正面或反面。这使得量子比特失去了它的量子特性，变成了经典比特。为了避免这种情况，研究人员正试图找到保护量子比特免受环境影响的方法，比如将它们放入保护气泡中。

量子真空在电子半导体行业、太空探索、能源生产、生物医学和制药等等应用领域都是核心技术。我们能看到美国在基础物理研究方面下的功夫。

关键词：量子真空、卡西米尔力、动态卡西米尔效应、自旋量子位退相干、量子工程、量子纠缠

AWE

AWE是Atmospheric Water Extraction（空气水提取）的缩写。

AWE 计划旨在创建可以使用各种技术（例如冷凝、吸附和其他物理和化学过程）直接从空气中收集水的系统。这些系统有可能为偏远地区或资源受限地区的军人和平民提供新的清洁饮用水源。

AWE 计划的主要目标之一是开发一种轻便、便携且节能的系统，即使在极度干燥的条件下也能从空气中提取大量的水。为实现这一目标，DARPA 正在资助材料学、热力学和流体动力学等领域的研发工作。从材料上说，这一种非常特殊的可扩展性吸附材料。

这个项目让我第一反应是科幻小说《沙丘》中的stillsuit的部分功能。不过stillsuit是高度先进的防护服，捕捉并回收穿着者的身体水分，包括汗液和尿液，并将其净化以供重复使用。可以让穿着者在 Arrakis 星球恶劣的沙漠环境中生存。

关键词：空气水提取

CAML

CAML是Competency-Aware Machine Learning（能力感知机器学习）的缩写。

正常的深度学习意味着大量的优质样本学习，但是CAML这个项目的主要目标之一是创建可以从少量数据中学习并且可以推广到新的上下文和环境的 AI 系统。

CAML的想法是创建可以像人类一样学习和推理的 AI 系统，例如，受过训练以识别照片中的对象的机器学习算法可能会根据光照条件、相机角度和场景中其他对象的存在等因素执行不同的操作。 

CAML 寻求开发能够识别和适应这些不断变化的环境的算法。这里面包括深度学习、强化学习、迁移学习和元学习。该项目还在研究可以支持上下文感知处理和学习的新硬件和软件架构。

CAML 的目标是开发更通用、适应性更强和更智能的机器学习系统，并可用于一系列军事和民用应用，例如自动驾驶汽车、机器人和智能决策系统。

关键词：能力感知、少样本机器学习

DRINQS

DRINQS是Driven and Nonequilibrium Quantum Systems（驱动和非平衡量子系统）的缩写。

这还是一项量子物理的基础科学研究。量子传感器依靠量子力学原理对磁场、电场、温度和压力等物理量进行高精度测量。这些传感器依赖于量子系统的相干性，即量子态随时间保持相位关系的能力。在量子系统中，相干性与叠加的概念有关，其中一个粒子可以同时存在于多个状态。然而，如果量子系统与其环境相互作用，它可能会与其他粒子纠缠在一起，导致退相干和叠加态消失。

为了使量子传感器有效工作，它需要尽可能长时间地保持相干性。这需要通过各种技术实现的，例如将系统与可能导致退相干的外部因素隔离，以及使用误差校正方法来校正测量过程中可能出现的小误差。最好的量子设备需要极其干净的控制信号和低温环境以减少外部环境的干扰，比如热干扰。本项目就是为了增强量子相干性。

这个项目可能会对以下领域产生影响：

传感和计量学：非平衡量子系统有可能用于对磁场、电场和温度等物理量进行高度灵敏的测量。这可能在医学成像、材料科学和环境监测等领域有应用。

量子信息处理：非平衡量子系统可能能够执行经典计算机无法执行的计算。这可能会在密码学、优化和机器学习等领域带来重大进步。

能量转换和存储：非平衡量子系统可用于开发用于能量转换和存储的新材料和设备，例如更高效的太阳能电池和蓄电池。

量子模拟：非平衡量子系统可用于模拟难以用经典方法研究的复杂物理系统。这可能在药物发现和材料科学等领域有应用。

关键词：量子传感器、量子相干性

ENVision

ENVision是Enhanced Night Vision in Eyeglass Form（增强型夜视眼镜）的缩写。

传统的夜视眼镜体积笨重，限制了佩戴者的灵活性，而且视野FOV狭窄，对近红外NIR的光谱探测能力有限，极大限制了环境感知。这个项目，目标就是全方位提升夜视夜景的指标参数性能，并缩小体积。

关键词：夜视眼镜