解读:美国防部如何在颠覆性领域为未来布局?| 科技与政策-深度-知识分子

解读:美国防部如何在颠覆性领域为未来布局?| 科技与政策

4天前
导读
这一系列的制度,保证了美国在科技与经济两方面领先全球

图源defensemedianetwork.com



摘 要

在本系列的前文《美国国防先进研究计划局,如何成为美国科技的核心引擎》以及《JASON是谁?美国科技创新最核心的 “神秘力量”》中,我们分别介绍了美国国防先进研究计划局(DARPA)以及其人才核心组织JASON。在本文中,我们将介绍DARPA目前的战略重点、组织架构,并详细分析DARPA的预算组成,希望本文对读者们了解美国的创新系统的运作有所帮助。


撰文 | 刘少山(PerceptIn创始人,加州大学欧文分校计算机博士)

责编 | 叶水送

 
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DARPA的变革性研发模式


美国国防先进研究计划局(DARPA)专注于旨在实现变革性研发。变革性研发由美国国家科学委员会(National Science Board)定义为由革命性创新思想驱动的研究,这些革命性创新思想有可能从根本上改变我们对现有科学或工程概念的理解,或导致创建新的科学或工程范式或领域。自成立以来,DARPA资助的研究在计算机科学、电信和材料科学等领域做出了突破性的科学和技术贡献。
 

美国国防先进研究计划局,图源darpa.mil

 
具体来说,DARPA的投资已在美国军事技术方面取得了许多重大突破,包括精确制导导弹、隐形技术、无人机和红外夜视技术。DARPA赞助的技术研发也对我们的日常生活造成了巨大的影响,如互联网、全球定位系统(GPS)、自动语音识别以及移动电子产品。
 
由于DARPA采取的高风险,高回报的资金筹集方法的性质也导致了许多失败或不太成功的项目:
 
● 在1970年代,DARPA支持研究超自然现象以及利用心灵感应和精神运动进行远程间谍活动的可能性。最终项目不了了之。

● 2003年,DARPA开展全面信息意识(TIA)计划,目标是通过建立一个庞大的信息数据库,使用新的工具和技术来“挖掘”信息,从而发现,分类,和识别外国恐怖分子。该计划遭受了对美国人隐私的侵犯的批评。最终计划被终止。

● 2011年,猎鹰高超音速技术飞行器按计划进行30分钟的飞行测试,但是在第9分钟时大部分外壳被剥离了,以失败告终。 
 
这样的失败与挫折并没有引来过多对DARPA的批评,反而成为了DARPA愿意冒险,并且从风险中寻求创新的佐证。DARPA依然被公认为是美国创新的引擎,也经常被视为商业机构,其他政府研发机构、美国国会,乃至是整个美国联邦政府推崇的创新模式。例如,国家情报局长办公室的情报高级研究计划活动(IARPA)和能源部的能源高级研究计划局能源(ARPA-E)都是根据DARPA的创新模型建立的。
 

尽管DARPA在过去60年中在开发突破性技术方面非常成功,但令人吃惊的是,从预算的角度来看,DARPA的年度预算仅为30亿美元,与美国前五名科技集团的研发支出相比,DARPA的资金资助程度还是相对较薄弱(见图1)
 
DARPA的年度预算仅是亚马逊R&D预算的七分之一。而中国华为公司在2019年的研发支出为1317亿元人民币,折合约为188亿美元,是DARPA预算的六倍。但DARPA孵化出的技术为图1中列出的每个美国公司奠定了技术发展的基础,也为这个科技行业的发展奠定了技术基础。这里面有许多我们值得借鉴的地方。
 

图1:DARPA研发资金与美国前五名技术公司研发资金的比较




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DARPA当前的战略重点


首先我们先了解一下DARPA目前的战略重点。在2017年12月18日,特朗普政府发布了《国家安全战略》, 其中指出:“美国将优先考虑对经济增长和安全至关重要的新兴技术,如数据科学、加密、自动化技术、基因编辑、新材料、纳米技术、先进计算技术和人工智能。”
 
根据《国家安全战略》的蓝图,2019年 DARPA发表了名为《DARPA:为国家安全创造技术突破和新功能》的报告详细阐述了该机构当前的重点关注领域。如DARPA所述,该机构将其投资重点放在了四个主要领域: 
 

● 复杂的军事系统:为了帮助在当今瞬息万变的环境中更快地发展和整合突破性军事能力,DARPA致力于使武器系统更加模块化,并易于升级和改进;确保在空中、海上、地面、太空和网络领域的优势;在不依赖基于卫星的全球定位系统的情况下,改善位置、导航和授时,并加强对恐怖主义的防御。这个方向的主要意义在于搭建一个海陆空加太空的四维作战体系,随着去年美国太空军的成立,美国的这个四维协同作战体系也渐趋完整;

● 掌控信息爆炸:DARPA正在开发新颖的大数据工具从海量数据集中获取有效信息。 除了大数据分析能力外,DARPA也正在开发技术以确保系统有自己做出值得信赖的关键决策的能力,例如自动化的网络防御能力和方法。此研发的目的在于创建从根本上更安全、更可靠的自动化决策系统,避免人为决策所导致的失误。另外,DARPA十分关注数据的私隐性,在保证国家安全的前提下保护个人数据私隐。这个方向的领先性在于,未来美军的许多军事决策可以由完全自动化的系统做出最有效的决策。可以预见的是,未来如果当由人指挥的军事力量与由自动化系统指挥的军事力量发生冲突时,其结果很可能像李世石对战AlphaGo一样;

● 生物科技:为了利用神经科学、免疫学、遗传学和相关领域的最新突破,DARPA在2014年成立了生物科技办公室,为创新性的生物研究计划组合提供了充足的资金支持。 特别需要指出的是,DARPA在该领域核心技术攻关方向包括加快合成生物学发展、抑制传染病传播,以及推进新神经技术突破性发展的计划。最近Neuralink在脑机接口技术上的进展也算是新神经技术的范畴。

● 扩展技术前沿:DARPA的核心工作始终涉及克服看似不可逾越的物理和工程障碍,并且一旦在技术上证明可行,便可将这些技术突破所带来的新功能直接应用于国家安全上。详细来讲,这一方向的重点在于整合DARPA资助的领先技术点,并且把这些技术点实用化与产品化,服务于国家安全需求。目前DARPA在这个方向的重点包括通过在数学上的突破来获得新的分析能力,发明革命性的化学工艺和材料;和利用量子物理学颠覆目前的通讯以及计算模式;
 
此外,2017年5月3日,在参议院拨款委员会的证词中,当时的DARPA主任史蒂文·沃克博士着重介绍了一些重点研究领域,包括人工智能、自动化系统以及人机交互界面,这暗示DARPA在未来几年将会在这些领域进行越来越多的投资。
 
可预见的是,在目前的国际大形势下,这些核心技术方向如果我国不尽快取得突破,很可能也会被掐脖子。但这些方向如果单是靠国家投入是远远不够的,需要整个产业的完整发展包括科技孵化、科技转让、商业化以及人才培养。
 
比如美国的军事科技发展,DARPA只是承担了早期科技孵化的作用,后续的商业化还有一个完整的军事工业复合体(military-industrial complex)以及一个完整的人才培养体系,这些在本系列后续的文章中我们会详细分析与了解。
 


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DARPA的组织架构

 

现在我们了解一下DARPA如何通过自身的组织架构去承载上文提到的战略重点。作为《 2016财年国防授权法》的一部分,国会要求DARPA向国会提交战略计划,以描述该机构的长期战略目标,为支持这些目标而制定的研究计划, 该机构的技术过渡策略,组织和人员的政策,以及DARPA的业务与军事部门之间的联系。
 
通过DARPA提交的报告我们了解到,DARPA是归属于国防部的国防研发机构。DARPA有200多名政府雇员,其中包括近100名项目经理,负责监督该机构每年约30亿美元的预算。DARPA并不直接进行研究或运营任何研究实验室,而是主要通过与行业、大学、非营利组织,以及联邦研发实验室签订合同来执行其研发计划。DARPA是一个相对扁平的组织,主要研发业务由六个技术方案办公室来执行,这六个技术计划办公室是:
 

● 生物科技办公室:负责开发和利用具有技术优势的生物技术,包括神经技术、人机界面、传染病和合成生物学研究与开发计划。 

● 国防科学办公室:专注于数学和建模、物理科学、人机交互系统、社会系统。 

● 信息创新办公室:负责网络、分析和人机界面的基础和应用研究。 

● 微系统技术办公室:专注于电磁频谱、信息微系统以及微电子安全性和可靠性的研发。 

● 战略技术办公室:负责研发多维度战斗网络体系的技术(即同时使用多个平台,武器,传感器和系统),以提高军事效力、成本和适应性。

● 战术技术办公室:专注于开发和演示地面、海上(海面和海底)、空中和太空系统中的新平台,包括在不同空间运行的先进无人驾驶平台。

除了这六个技术计划办公室外,DARPA还包括了一些特殊研发任务办事处:
 

● 技术转让办公室:负责加速DARPA技术向私有部门和军事部门的转让,特别是通过组织以及资助技术演示和现场试验去提高技术转让成功率。

● 航空航天项目办公室:这是一个于2015年成立的特别项目办公室,致力于开发先进的航天飞机技术,以确保在未来有争议的太空环境中保持空中军事优势。

● 战略资源办公室:负责机构支持活动,包括人力资源服务以及企业和运营支持。
 
以上六个技术计划办公室主要服务于一个或者多个DARPA的科技战略重点,而特殊研发任务办事处主要是针对DARPA的研发进行支持以及优化。我们之后会讨论到,技术转让办公室是为了加强DARPA的技术转让成功率而设立。
 


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DARPA的预算分析

 

DARPA研发资金投入分为基础研究、应用研究、先进技术开发的类别:
 

● 基础研究的目标是发现新的科学现象并探索此类科学现象在国防领域的应用潜力,为长期国家安全增强提供了技术基础。基础研究方向支持基础的科学研究和实验,这是在信息、电子、数学、计算机、材料科学领域获得更高级知识和理解的基础。 比如,“数学和计算机科学”的基础项目主要支持对新型数学模型与计算算法,以支持长期的国家安全要求。这些基础研究所衍生的现代分析和信息技术可实现重要的新军事能力,并提高生产率,从而对美国的经济竞争力起到至关重要。基础研究的成果会在10到20年以后才产生真正的应用价值。

● 应用研究的目标是在基础研究的基础上针对某个领域探索突破性技术,期待在5到10年内产生真正的应用价值。比如电子技术的应用研究专注在开发能够广泛军事应用的新型电子产品,将基本研究的进步转化为能解决关键的国家安全问题的电子技术,并使战场完全信息驱动成为可能。

● 先进技术开发是技术转让前的最后一步,目标是整合应用研究技术从而产出技术产品原型。比如空间技术计划目标提供革命性的空间探索系统以满足当前和未来的美国太空军需求。
 
在过去10年DARPA的经费维持在30亿美元左右,在美国联邦政府的经费中所占比例一直保持相对稳定,在0.07%到0.09%之间。 虽然投入不大,却是美国科技的顶层建筑,在过去60年源源不绝的为美国军事与经济注入活力(如图2所示)
 

图2:DARPA研发预算以及占联邦政府预算的比例


2020财年,基础研究占DARPA资金的14%,而2011财年为11%,在过去10年,DARPA在基础研究的投入有一定增长。而应用研究与先进技术开发分别占42%与43%。DARPA的策略是持续的投入长线基础研究,然后在基础研究中孵化应用研究方向重点扶持,然后通过先进技术开发整合成功的应用研究项目,进而技术转让到军方使用(如图3所示)
 
另外一个有趣的点是,DARPA的管理经费呈现出波浪形,每三年有一个小高峰,达到总经费的5%,而平常都是3%左右。这是因为每隔三年DARPA会通过美国小型企业创新研究基金(SBIR)去资助有可能孵化革命性技术的小型创业公司,在美国的公司都可以申请。
 

图3:DARPA经费分配

 
接下来,我们再了解一下经费使用情况:首先,基础研究基本分为国防科技基础研究与医学基础研究两个项目,其中国防科技基础研究占用了大部分经费。由于DARPA是国防科研单位,这个分配也很合理。不同于基础研究,应用研究的方向比较清晰,分为生物医学科技、信息与通信科技、生物战防御、战术技术、材料与生物技术、电子技术几个方向,其中电子信息与通信技术占据了绝大部分经费,这是当前的DARPA战略重点与科技核心,也是目前我国被掐脖子的主要方向。因为应用研究的周期大概是5到10年,可以预见在未来10年间,这些方向必然还是中美两国科技竞争的重点(如图4所示)
 
我国不管是在政府层面还是科技企业层面在制定科技路线与战略时,应该深入研究美国在部署这些方向背后的战略思考。在先进技术开发部分,经费基本被电子信息技术与航空航天技术瓜分,背后的战略意义十分明确。以DARPA的布局,这些方向的技术投入是为了美国在科技上能有源源不绝的产出,在世界上保持持续领先。
 
根据DARPA这个预算反推,美国在未来5到10年间在空间科技与电子信息科技方向会有许多的新技术推出,我国在目前的经济形势下是否可以很好的利用举国体制在核心技术上追赶甚至是超越美国是核心挑战。
 

图4:DARPA详细项目经费




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DARPA的技术转让


通过DARPA的预算了解了当前美国的科技战略后,我们详细了解一下DARPA的技术转让。技术转让是指从DARPA支持的研发过渡到军事部门或其他最终用户的过程,也是DARPA孵化技术最重要的一步,因为技术转让是一个突破性技术实用化与产品化的关键。通过技术转让,研发人员也可以不断收集用户反馈(客户通常是军事机构以及军工企业)去完善技术产品,使其日臻成熟。
 
正是因为技术转让的重要性,美国政府与国会对其特别重视。例如,美国参议院委员会2014年的一份报告指出DARPA的某些技术项目虽然成功完成,但并没有成功完成技术转让以及商业化。国会详细分析了DARPA技术转让的障碍,其中原因可能包括了是由于行政、资金、文化以及计划等各方面的障碍,使得很多优秀的DARPA科技项目难以跨越从科学技术计划、购置计划以及完整的满足客户技术预期的鸿沟。
   
DARPA创建颠覆性或革命性技术,通常因为设计比较颠覆性,挑战了现状,所以经常遇到来自军事部门的抵抗。例如,由于觉得想法太过天马行空,空军最初抵制了对飞机隐身技术的投资。军方使用DARPA技术的阻力通常只能通过在技术转让之前对技术进行充分的演示来克服。但是,在以前的设置下,DARPA的资金仅可以支持基础研究,应用研究和先进技术开发,而不能支持先进的原型系统开发以及演示。为了克服这个弊端,美国政府问责办公室在2017年的一份报告中比较了领先的科技公司与美国国防部的研发计划与管理,报告指出科技公司极其重视技术演示工作,而军方的研发机构并无足够资源去支持技术演示,导致许多技术转让的失败。根据美国政府问责办公室报告的说法,促成技术成功转让的四个因素是:
 

● 对技术的军事或商业需求;

● 与DARPA一直感兴趣的研究领域建立联系;

● 与潜在的过渡合作伙伴进行积极合作;

● 达成明确定义的技术目标。
 
最终,美国政府问责办公室得出结论,DARPA领导层并未很好的评估和执行技术转让的战略机会,使得技术转让的责任落在了各个项目的项目经理上。但是,美国政府问责办公室认为项目经理没有得到足够的技术转让培训,因此很难在技术转让上取得成功。报告敦促美国国会应该检视DARPA的技术转让办公室的有效性,去进一步提高DARPA技术转让的成功率。
 
从这个事情可以看到,美国政府以及国会对DARPA的重要性是有很强的共识,并且不断的监督与改善DARPA的运营效率。如本文图1所示,DARPA的作为美国科技的顶层建筑,运营效率已经很高了,但是美国政府与国会还是会对DARPA的运营进行细粒度的监督与改善,持续孵化与转让核心技术,不断为美国经济注入活力。
 
这一系列的制度,从技术的孵化、技术转让、商业化、人才培养,以及监督与制度完善,保障了美国科技从研发,到军用,再到商用的完整流水线很好的运转,进而保证了美国在科技与经济两方面领先全球。在本系列以后的文章中,我们也会分析一下我国的科技孵化流水线,希望通过对比我们可以从中取长补短。
 

 作者简介 

刘少山,PerceptIn创始人,加州大学欧文分校计算机博士,哈佛大学肯尼迪政府学院公共管理硕士。刘少山在哈佛大学肯尼迪学院的研究方向为中美科技政策对比以及科技对宏观经济的影响。


 制版编辑 皮皮鱼

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