DARPA国防科学办公室：服务于国家安全的科学（翻译字幕by防务菌）
协作、支持和尊重的文化是DSO的核心优势。新项目的产生和新办公室方向的确定都是“全员参与”的工作。激烈的辩论虽然是新项目开发过程的重要组成部分，但总是以尊重和建设性的方式进行。一个项目经理成功地使一个新项目获得批准，整个办公室都会为之庆祝，当一个项目经理遇到困难时，他或她的同事会站出来提供帮助。通过不断轮换才华横溢、技术多样的项目经理来保持这种合作文化，一直是，并将继续是DSO领导层在招聘新项目经理时的最优先事项之一。对于办公室主任和副主任来说，这也许是最具挑战性，但也是最有价值的角色。当前，DSO在支持DARPA任务方面的作用与以往一样重要。在一个技术扩散和全球竞争的世界里，DSO继续在技术领域的远方寻找开拓新的科学前沿的机会。除了在多个科学学科中追求创新的广度，DSO还在寻找新的方法，从根本上加快DARPA的研发采办流程。例如，DSO的快速采办颠覆性项目成为类似项目的典范，包括微系统技术办公室（MTO）的微探索和全局的AI探索项目。愿意挑战常规，追求非传统概念，并在涉及创新的各个方面时鼓励“打破常规”的思维，这些都是多年来促进DSO取得众多成功的进一步优势实例。下面，将以10年为一个维度，突出DSO在其40年历史中的创新实例。DSO早期在材料和制造领域的根基和贡献是20世纪80年代的重点。在20世纪90年代，生物战防御作为DARPA的一个重点领域出现，以及功能材料和数学领域作为几个几十年技术发展弧线的早期开始。年代早期则强调了DSO在结构材料、机器人和假肢方面的重要投资。年代，DSO有意投资于社会行为科学，并利用人工智能和数据分析的进步，从材料、制造和化学的基本进步到在城市规模监测和阻止大规模毁灭性武器/大规模恐怖武器（WMD/WMT）威胁。年代-砷化镓器件在成立的头十年，DSO在电子材料方面进行了广泛的投资，从无机晶体导电性的探索到新型化合物半导体的开发。这些早期对电子材料的投资对电子材料业界产生了重大影响，推动了商业和军事应用的新能力。DSO发挥关键作用的一个领域是开发建立砷化镓（GaAs）器件所需的制造技术。与硅基技术相比，砷化镓器件具有许多优势：预计它们的功耗只有硅基技术的一小部分，工作速度更快，可在较宽的温度范围内工作，而且抗辐射能力更强。虽然DARPA没有投资砷化镓作为半导体材料的早期开发，但它确实资助了一些开创性的工作，以开发和演示验证一些基于肖特基屏障的场效应晶体管的首批砷化镓器件。20世纪70年代初，在DSO还没有成为办公室之前，DARPA的投资主要集中在开发砷化镓器件的离子植入技术上，从而演示验证了离子植入砷化镓金属半导体场效应晶体管逻辑门。20世纪80年代初，DSO继续开展这项工作，启动了一些项目，使微波和毫米波单片集成电路（MIMIC）的开发成为可能。此外，DSO还建立了一个砷化镓集成电路试验线项目，以使该技术走出实验室，进入制造领域。砷化镓晶圆（左）和被切割并抛光成3”晶圆进行加工（右）
年初，DSO启动了一项新项目，将数字(砷化镓)集成电路植入11个武器系统中，以提高其性能，而不是硅基器件。这些系统包括用于特殊任务(侦察)飞机的分布式阵列处理器，用于侦察卫星的航天器机载处理器，用于AN/ALQ-干扰器的数字无线电频率存储器，以及用于E-2C机载预警机的雷达处理器。DSO在开发制造技术以构建砷化镓器件方面的基础性工作，迎来了新的能力，不但显著影响了军事系统的性能，也影响了人们的日常生活。基于砷化镓器件的新技术包括无线通信、全球定位系统、防撞雷达以及商业卫星通信。在DSO的第一个十年结束时，电子材料领域显然已经发展到足以支持一个独立的技术办公室来应用这些技术，于是电子技术办公室（ETO），也就是现在的微系统技术办公室（MTO）的前身从DSO中分离出来。然而，即使在电子技术办公室成立后，DSO仍继续资助电子材料的基础研究，其中包括开发宽禁带半导体技术和高温超导体的军事应用。年代-无损评估想象一下，如果每年你把所有的衣服都扔掉，只因为预计有0.1%的衣服不能穿，那岂不是极大浪费？而这正是年喷气式发动机涡轮盘的情况，因为在设定的循环次数后，预计每个低循环疲劳会有1个失效，所以所有的涡轮盘都将被停止使用，尽管99.9%的涡轮盘仍然是完全好的。虽然有研究在无损的方法来寻找导致这种故障的裂缝，但这些努力都集中在提高灵敏度上，没有将材料中的缺陷与零件的实际寿命相关联的工作来解决这个问题。F-声发射测试——ARPA早期的飞机“无损评估”项目
这个问题是定量“无损评估”（NDE）项目的起源，该项目及其后续项目改变了关键军事系统的维护方式。其想法是开发/演示验证定量方法，为关键飞机部件的验收/拒收标准提供合理的基础。这不仅需要提高灵敏度，而且需要通过断裂力学将发现的缺陷与零件寿命的实际预测联系起来。该项目的重点主要是超声波技术，但电磁网和声学方法也得到了发展。该项目的主要成功之一是将世界级的断裂力学专家与信号传播的基础研究联系起来。该项目使无损评估成为一个可行的大学研究领域，鼓励一些世界上最著名的材料科学家和物理学家参加该项目。这个项目的直接过渡是在20世纪80年代末的“因故退出”项目（RFC）。这个概念允许每个涡轮盘在其安全的总疲劳寿命范围内充分使用，只有当一个可量化的缺陷需要将该特定组件从服务中移除时，才会发生退出。通过断裂力学分析和服务周期来确定该部件不再被认为是安全的缺陷大小。美国空军航空后勤司令部圣安东尼奥航空后勤中心在美国空军F发动机上采用了这一方案，共有23个风扇、压缩机和低压涡轮转子部件按照这一理念进行管理。DSO在NDE和RFC中的工作为基于状态的维护铺平了道路。基于状态的维护是一种被广泛接受的策略，它监测资产的实际状况，以决定需要做哪些维护。NDE也是DSO的“预测”项目的前身，该项目始于年，其目标是确定剩余的可用寿命和对关键部件未来运行能力的定量预测。年代-实体自由成形制造（SFF）虽然增材制造在年才引起公众的注意，但它已经存在了近40年，DSO进行了一些关键的早期投资。为了缩短制造开发时间，DSO的早期“种子”项目为“无工具”制造和设计与制造工具的集成开发了基础知识和设备。年，德克萨斯大学奥斯汀分校开始举办实体自由成形制造（SFF）年度研讨会，标志着这一领域从拓扑学和光雕专业的兴起和发展。年，DSO的早期投资将实体自由成形制造从简单的二维图案层层叠加转移到了更传统的3D打印上，并在年推出了实体自由成形制造项目。实体自由成形制造消除了铸造、钻孔和铣削等通常的制造限制，促进了设计和制造之间更深层次的协同作用。这使得一次性原型的创建能够快速评估和纳入变化，这与传统的制造工艺（如模具制造）形成鲜明对比。用与简单几何形状相同的努力制造复杂的三维几何形状的能力，为实现制造复杂三维零件的真正潜力打开了大门。增材制造的发展并不容易，DSO不断推出后续项目，扩大了可用于3D打印的材料套件，以及扩大技术能力基础的新工艺，从而推动了增材制造的发展。熔融沉积系统建立了一个共形冷却氮化硅涡轮叶片（左），生坯和烧结氮化硅涡轮叶片（右）
虽然增材制造的核心发展发生在20世纪80年代末和90年代初，并为我们今天所知道的3D打印铺平了道路，但DARPA在年代和年代通过有针对性的投资扩大了先进制造的范围，以提高材料的精度和类型，以及快速整合快速成型制造组件的方法。DSO的集成介观电子学(MICE)项目实现了无源电子器件的直接写入。快速疫苗评估项目开发了打印生物医学材料和组织的技术，用于快速评估潜在的疫苗。Mak-It项目实现了按需直接自动化制造化学品。其他DSO项目的目光超越了使用不同材料的制造，考虑不同规模的增材制造。在在“可控微结构材料”（MCMA）项目中，利用快速成型制造的最新进展，实现了微观结构的制造，提高了材料的结构效率，并实现了超过或达到块状材料的性能。甚至用散装材料都无法实现。诸如“原子到产品”（A2P）这样的项目专注于开发跨厘米或更大体积的纳米级精度的可扩展数字制造技术，以进一步提高增材制造的精度和可扩展性。DARPA的几项投资开发并推进了增材制造的材料和精度，而其他投资则致力于利用增材制造来解决采办过程中固有的延迟问题。“先进快速响应制造”（ARRM）项目创造了针对当前或新出现的需求快速制造组件的技术，以克服采办的挑战。“开放式制造”项目通过开发新的建模和信息学工具，使制造环境的新技术得以快速鉴定，以加快新组件的加入，从而能够应对国防部的需求。DSO的投资在实现多材料系统（如陶瓷与金属）的增材制造方面发挥了关键作用，这将对国防平台的性能和准备状态产生重大影响。年代-加速材料插入DARPA于年创建了跨学科实验室并提供资金，基本上诞生了我们今天所知道的材料科学与工程领域。从那时起，DARPA就专注于开发新的和改进的材料，以满足新的任务性能要求，并通过改善尺寸、重量和功率(SWaP)，同时降低成本来支持现有的任务。自年成立以来，DSO的主要任务之一就是继续进行有关新材料的探索。早期的成就使高性能喷气发动机、轻量级飞机和船舶、卫星，甚至陶瓷装甲的材料成为可能。然而，DSO在20世纪80年代取得的成就还不足以赶上20世纪90年代在制造和设计方面取得的进步。现在，新的发动机可以在30个月内设计出来，但优化这些发动机所需的新材料的开发仍然需要3-4倍的时间。这种不匹配迫使发动机设计者不得不使用现有的、特性良好的材料，使得新材料的插入几乎不可能。为了应对这一困境，DSO的“加速材料插入”（AIM）项目应运而生。AIM的概念是，从一开始就将系统设计整合到新材料的开发中，同时，增加计算和实验设计的使用，以缩短大量的试错材料鉴定过程。AIM试图管理使用新材料的不确定性，从而使设计者能够对新材料的行为做出明智的选择。AIM试图解决材料开发和系统设计之间的脱节问题，即材料的开发是经验性的，然后再“越过墙”给系统设计人员
通过将计算材料工具和工艺设计空间联系起来，为给定的应用开发最佳的成分和加工工艺，AIM形成了综合计算材料工程（ICME）这一范式转变概念的基础。ICME体现了AIM的理念，形成了材料科学和工程的基本支柱，提供了大幅降低材料开发周期中通常需要的成本和耗时实验的方法。ICME催生了白宫科技政策办公室（OSTP）的材料基因组项目，该项目继续了新材料的探索、开发和部署方式的范式转变。AIM还为年代制造和设计领域的新一代DSO项目铺平了道路，如开放式制造，这将继续彻底改变国防平台中材料的使用。年代-生物战防御年7月30日，《华盛顿邮报》发表了一篇题为《五角大楼的一个秘密机构是如何为快速治愈冠状病毒播下种子的》的文章。这个“秘密机构”当然是DARPA，而启动这一切的办公室是DSO。闪回到年4月，受理查德-丹齐格研讨会的刺激，美国自然资源部的李·布坎南上尉在《海军研究所论文集》上发表了“穷人的原子弹”，这篇文章的重点是国防部如何应对生物武器。由于布坎南博士也是DSO的主任，他把自己的想法带给了DARPA局长，DSO生物战防御（BWD）的工作即将诞生。有一次出现了小插曲：国会规定所有的BWD工作都由国防部化学生物防御项目管理。为了让DSO开始BWD工作，DARPA不得不寻求立法许可，以运行一个独立的项目，财年国防授权法案授予了这个许可。这时，DSO的BWD项目就开始运行了。从一开始，BWD项目就专注于不与特定病原体挂钩的方法。例如，“非常规病原体”项目旨在打破一菌一药的模式。以组织为基础的传感器项目的目标是创造能够对有害病原体发出警告的传感器，而不是针对任何特定的病原体进行调整。另一项工作，快速疫苗评估，是最早使用活体组织作为筛选治疗剂有害影响的方法之一，从而避免了早期失败而无需进行动物试验。这也是第一次证明了组织可以通过快速制造技术进行打印，此后这项技术得到了广泛的应用。另一项重要的工作是“加速制造药品”，通过使用工厂等新型生产平台，提高了药品生产对新的生物武器威胁的反应能力。在这些项目之后，又有一些旨在领先于自然或工程疾病的工作。例如，“预言”项目试图预测病毒的进化，以使治疗开发变得积极主动。年，启动了“自主诊断促进预防和治疗”（ADEPT）项目。ADEPT是一项广泛的技术项目，旨在为预先阻止或减轻不断发展的传染病威胁提供选择。在这项工作下，开发了基于核酸的前沿抗感染技术。DSO通过其BWD项目认识到，美国及其军队很有可能需要对不甚了解或可能完全未知的威胁做出快速反应——这在几次全球卫生危机中被证明是很重要的。例如，为了应对年3月爆发的H1N1流感，DSO制定了“蓝天使”项目组合，旨在识别和鉴定H1N1病毒。这项工作还建立了通过部署多种新型表达平台（植物、真菌等）来增强传统制造方法，制造数百万种疫苗的能力。在埃博拉病毒和寨卡病毒危机期间，DSO项目的技术也得到了应用。BWD项目在年从DSO拆分出来后转移到DARPA的生物技术办公室（BTO），BTO继续应用新型方法应对BW威胁。这使得DARPA能够有效地支持当前额新冠肺炎疫情，ADEPT的DNA和RNA编码的传染病医疗对策等技术证明了其价值。然而，正如《华盛顿邮报》的文章所指出的那样，“如果不是DARPA在过去十年和更早的时间里的投资......美国人朝着阻止冠状病毒的疫苗和抗体疗法的竞赛很可能不会像今天这样快速地进行。”对于DSO几十年前开始的工作，没有比这更大的赞美了。DSO的BWD项目涵盖了从病原体鉴定到快速、大规模生产的全部过程年代-自旋电子在过去25年中，计算存储器领域的许多进步都可以追溯到DSO的“自旋电子学”项目。“自旋电子”（Spintronics）是自旋传输电子学（SpinTransportElectronics）的缩写，于年作为磁性材料和器件（MMD）项目开始，利用了年发现的巨磁电阻（GMR），这是一种在由交替的铁磁层和非磁性导电层组成的多层中观察到的量子机械磁电阻效应。导电层中的电阻取决于相邻铁磁层中的磁旋方向……当它们平行时电阻低，不平行时电阻高。自旋电子学项目利用这种效应，并将其与新发现的磁隧道结结合起来，其中电子的量子机械隧道作用放大了GMR效应。这样就可以开发出基于磁控制自旋方向的高密度存储器件。通过对磁自旋方向的控制，“自旋电子”实现了高密度、抗辐射的存储器设备“自旋电子”项目对磁性存储器的快速发展与国防部对其卫星和导弹的辐射硬存储器的需求相吻合。现有的电镀线存储器重达40磅，只有kB的存储器，每个存储器装置的成本为25万美元，而且容易发生单次事件。相比之下，基于“自旋电子”开发的GMR使基于磁自旋而非电荷的存储器成为可能，当计算机/存储设备关闭时，存储器仍可保留。其结果是一种用于空间应用的硬磁存储器，其尺寸和功耗比正在部署的系统小几个数量级，并且具有静态随机存取存储器（SRAM）的速度（3ns）和动态随机存取存储器（DRAM）的密度（高达4Gbit）。这项工作直接导致了磁阻随机存取存储器(MRAM)的普及，MRAM是商业和国防应用的主流非易失性存储器。“自旋电子”是年开始的DSO“半导体中的自旋”（SPINS）项目的前身。SPINS项目试图改变电场在室温下的磁性，并利用在半导体中光学诱导磁性的能力。SPINS的成功指出了操纵半导体中的自旋来创造量子比特或夸比特的可能性，促进了DSO在量子计算领域的探索，包括量子信息科学与技术(QUIST)、探索未发现的能量存储和推力(QUEST)、量子辅助传感和读出(QUASAR)，以及最近的驱动和非平衡量子系统(DRINQS)项目。左图：含有自旋电子技术的晶圆，就像Everspin科技公司的这个彩色样品，在这些晶圆被切成小块并包装成单个MRAM芯片之前，会有许多磁阻随机存取存储器（MRAM）模具。右图：Skyrmions是涡状的多电子结构，只作为一个单元翻转状态，与简单的电子组织相比，赋予其更高的稳定性DSO的“电子学拓扑激发”（TEE）项目始于年，标志着DSO对“自旋电子”的投资的回归。TEE探索了最近发现的天体磁态中电子自旋的拓扑保护，为磁性材料提供了一种新的调谐能力，对非常高密度的存储器存储具有意义。年代-基础数学的关键投资20世纪80年代初，DARPA对与架构、硬件和软件相关的研究工作进行了大量的、协调一致的投资，但对从这些进展中获益所需的关键数学研究却没有类似的资金。由于缺乏大规模的、前瞻性的数学投资，意味着可能会改变数学模式的工作得不到资助。在这种背景下，路易·奥斯兰德（LouisAuslander）教授说服了DARPA局长，认为改变现状符合国防部的利益，于是DSO的“应用与计算数学项目”（ACMP）应运而生。ACMP试图加快基础数学的发展，这些发展可能会带来能力的根本性进步。ACMP项目是多学科的，目标是开发有效的数学表达和快速、可扩展的算法。在ACMP的形成期，项目自然而然地发展成四个主旨：1.架构感知的算法表示；2.数据结构的利用；3.基于分析的快速算法；4.物理系统的预测、设计和控制。架构感知的算法表示。新颖的计算机体系结构一般都能促进编程模型和自动化工具，使性能和编程生产率最大化。尽管如此，对于关键应用，往往需要手工定制算法和代码，以解决低级机器的考虑。在这一主旨下，DSO数学项目开创了新颖的多学科计算机科学和工程研究，从而产生了全新的软件工程自动化技术，并加速了新一类计算机架构的采用。在这一主旨下，典型的ACMP项目使用快速傅里叶变换(FFT)算法的架构感知表示来系统化性能权衡。随后的项目"适应性库的信号处理实现研究"(SPIRAL)将FFT和其他算法的高性能实现的自动生成制定为一个优化问题，并通过将计算机代数表示和机器学习搜索方法相结合来解决这个问题。由此产生的体系结构感知的"编译器"概念启发了像Intel这样的高性能计算机厂商，从手工编码的科学库转向机器生成的库，用于广泛的相关算法，从而显著地降低了成本，提高了生产率。ACMP的努力激励了一个MTO项目，该项目表明图形处理单元(GPU)在信号处理能力方面提供了一个飞跃。相关的技术发展有助于促进GPU在当今计算机中的普及。数据结构的利用。对于许多与国防相关的数字技术，如信号/图像处理和通信，处理需求总是超过当前的计算技术，任何不足之处都会因次优算法和小尺寸需求而加剧。ACMP的这一主旨带来了几个以前未开发的数学体系，包括“小波分析”，以产生利用感兴趣的对象中存在的结构的新手段。在接下来的几十年里，DSO项目在数据处理和分析、信号和图像处理、波形和滤波器设计、导航、数字摄影和模数系统设计等领域的方法和技术取得了革命性的进步。在ACMP下的发展导致了数字图像的小波压缩标准，目前小波压缩标准已广泛用于指纹、医学图像和一般静止图像的压缩和运动捕捉。基于分析的快速算法。20世纪80年代，在电磁学、量子化学和引力等应用中，有效利用大规模计算资源模拟物理现象的一个重要障碍是缺乏准确、可扩展的算法。ACMP项目利用快速多极法(FMM)开发了分析机制，以有效地表示某些多尺度的物理现象，其基础方法已经彻底改变了广泛的计算科学，使虚拟试验台成为可能，例如，飞机模型的电磁散射现在可以在几个小时内计算出来，而不是20世纪80年代的几天。ACMP下的项目还引发了分析型快速算法技术在应用中的广泛进步，包括自动优化滤波器设计、引力场计算和量子化学（QC）。物理系统的预测、设计和控制。在20世纪80年代后期，复杂的动力学、不可逆转性以及材料过程中不同的物理和时间长度尺度是设计高产、低成本加工策略的重大障碍。建模和模拟被广泛地应用于物理科学和工程的许多领域，控制理论在许多商业工业中已经确立。然而，当时的技术水平对于许多DSO感兴趣的材料系统来说是远远不够的。20世纪90年代的两个著名的DSO项目是“快速热加工”(RTP)和“虚拟集成原型”(VIP)，这两个项目在成功设计、扩大规模和控制涉及原子级晶体管和电子材料制造的材料工艺方面起到了重要作用。随着晶体管的缩小，RTP项目被用来缩短晶圆加工炉的热循环，以减少缺陷。设备制造商首次可以模拟闭环RTP设备性能，以有效地进行设计变更和评估。由此产生的动态实时控制软件被应用于大多数半导体工厂。VIP项目开发了一种用于模拟薄膜生长和形态的新型水平集方法，该方法已成为外延生长的标准。VIP项目还促成了一种全新的薄膜生长方法——靶向偏置离子束沉积(BTIBD)的设计和原型开发，该方法可快速生成金属和氧化物的超光滑薄膜，并集成了适用于控制巨磁电阻(GMR)衍生材料薄膜沉积的原子到宏观的计算机模型，使巨磁电阻在商业上和国防产品中的应用实现了飞跃。在ACMP项目下取得的技术成就使许多技术领域的技术水平取得了重大进步。ACMP从20世纪80年代开始开创的将数学与科学和工程相结合的方法，至今仍由DSO在“物理系统不确定性量化”(EQUiPS)和拉格朗日等项目中推行。
年代-腿很重要
跑步机上的蟑螂.....油管上点击率达数百万的大狗机器人视频......有腿机器人的世界速度记录——这就是DSO的仿生机器人项目的遗留资产。这些都是DSO的“可控生物系统”(CBS)项目的一部分，这个项目的出发点是，为了成功地驾驭这个世界，生物物种拥有精巧的运动和感知能力。尽管有一些有趣的传感推力分支，但对生物活动性的仿真才是最受
转载请注明：http://www.bailiqing.com/lyjd/8735.html
