DARPA探索生物电磁信号传输机理在无线通信中的应用

2017年2月15日，DARPA国防技术办公室发布广泛机构公告，项目名称为“无线电生物”（RadioBio），项目编号为HR001117S0021，征集业界对生物电磁信号传递的创新性研究方案，并准备投资研究。

1、研究目标

RadioBio计划的目标是确定是否在生物系统之间存在有意图的信号传输现象，若存在，将确定有关传输机理以及传递的信息，探索这些自然“天线”的结构和功能如何能够在噪声和杂波背景环境下产生和接收信息。

2、项目背景

100多年来，生物学家一直在研究细胞以及各种生物系统之间的通信，对细胞间的化学信号传递进行了深入研究。当前，化学信号传递作为大量生化过程的基本组成的观点已被普遍接受。然而，生物系统是由物理实体组成的，许多实体不断被充入电荷，并处于运动之中，因此会产生电磁波。在单个细胞内，不同的生物结构在大范围空间维度（从纳米级到米级）存在，同时存在类似大范围的现象学时间尺度（皮秒级“万亿分之一秒”到分钟级）。这些空间和时间尺度与物质多样性和个体生物结构相结合，不可避免地存在大范围电磁波谱与生物系统的相互作用。另外，各种生物结构与人工谐振结构以及天线类似，并可能对电磁辐射产生类似的响应。

这些相互作用的结果已经为人所知，包括视觉、光合作用、生物发光、神经网络、磁导航。但是关于生物系统KHz到THz频段电磁交互作用的信息非常有限。一些理论文献，有些是10年之前的，证明各种电磁交互的可行性，包括THz与DNA的交互。THz辐射是来自细胞膜的辐射，KHz是来自系统体的辐射。同时，各种实验证明了Hz到皮赫兹（PHz）范围电磁场对细胞和组织影响的初步证据。而且，对特定的生物结构进行了假设，如扮演开关、二极管、变压器、放大器的角色。然而，以前公开的结果都没有明确断定生物系统间的电磁信号传输是否存在。另外，许多实验在用参数化或定量方式研究时都没有成功，没有用实验方法对量化的理论预测进行测试，也没有对系统误差进行有效控制。

3、对项目实验的要求

对于RadioBio计划，明确断定电磁波信号传递的任何实验都必须是可预测、可量化，并且是参数化和可控的。

可预测：必须做出具体的定量理论预测，并进行实验（这需要将生物系统建模/仿真为发射/接收天线，对周边的电磁环境等进行模拟仿真）。这种方法与观察研究法相反，后者在用Y电磁场观测后得到X效应，这对RadioBio计划是不合适的。

可量化：模型必须预测场强、距离、带宽、通道容量的数字测量。

参数化：由于参数是不断变化的，模型必须进行预测，实验必须测试连续响应，从而揭示并理解内在机制。

可控：对于与生物采样准备和天线测量有关的广泛系统效应，实验必须认真地控制。另外，对结果的充分验证需要专业的电磁通信模型，能够对不同环境、不同生态系统以及不同长度和时间尺度进行测试。

4、对项目团队的要求

RadioBio团队需提出具体的电磁信号传递机制，通过建模仿真，各团队需通过清晰定义影响通信信道的生物系统或系统组成部分、电磁空间/谱/时间/频率模型，以及会削弱通信质量的背景/杂波/噪声等各种源，并量化这些假设。将这些模型用于各种生物系统和环境的定量、参数化预测，如果经过实验验证，将明确证明电磁信号传递通道的存在。

DARPA预期该跨学科小组将实现这些目标，研究团队成员需包含理论-生物电磁学、理论-天线设计、实验-生物系统准备和实验-电磁测量四个核心领域的专家:

理论-生物电磁学：为了定义并优化假设，团队必须有能够理解所研究的生物系统间以及不直接相关的生物环境效应的专家。项目团队必须能够理解所提的通信通道的生物分支，以及备选（如化学）通信通道，从而能够提出对所观察现象的其它解释。最后，项目团队必须能够提供这些系统的复杂模型和仿真，可以是传统的，也可以是量子力学的，只要合适即可。

理论-天线设计：项目团队需具备对复杂天线系统进行建模的能力，可以使用经典工具，也可以使用量子工具，根据需要而定，但不要使用与天线设计通用的大量假设。生物系统天线将可能扩展近场和远场概念，可能短于单个波长，可能包含于非均匀阵列，包含于复杂的水性和充电环境，并具有相对电磁辐射和检测同等时间尺度的运动和变化的结构。

实验-生物系统准备：项目团队要具有准备所需的多个尺度和环境的生物系统的能力，要有对潜在系统误差和潜在变化的深刻理解。

实验-电磁测量：项目团队要具备产生源和探测器的能力，要有充分的带宽、稳定性、效率、噪声和波长，并测试提出的假设。特别是，项目成员要理解电磁背景和杂波效应，以及对实验精度和重复能力的影响。

RadioBio计划的范围包括整个电磁频谱，从低频电磁波到PHz，DARPA在新研究领域的兴趣意味着会把优先级放在KHz到THz范围的提案上。对提案的要求是电磁波信道在生物系统中能够被无模糊地识别出来，在这种意义上，发射信号产生一个特定的生物结果，并且这种行为对于实验和所用的频率是可以重复的。类似的，需要一个关于收发天线或生物电路的数学模型，并需要对该模型进行定量实验验证。对实验必须进行清晰地描述，特别要注意控制和系统效应。为了证明可重新形成和可重复能力，必须在多个系统和多个环境对模型的预测进行验证。提议的研究必须探究类似或不同生物系统间的电磁交换机制。

5、项目安排

该计划分成两个阶段，每个阶段持续24个月，项目团队在两个技术领域开展工作。第一个技术领域是假设测试，第二个技术领域是理论支撑。

第一阶段A（12个月）：在第一阶段的前12个月，项目小组将清晰描述假设的生物电磁信号，并验证理论和实验能力，能够在可预测、定量化、参数化、可控的实验中无模糊地验证理论和实验能力。

第一阶段B（12个月）：在第一阶段的后12个月，项目团队将测试其假设，明确确定是否在生物系统之间存在有意的电磁通信。若是，项目团队将确定传递了什么信息，以及是如何编码的。项目团队必须给出度量方式。

第二阶段（24个月）：开发通信通道。第二阶段的目标是将第一阶段获取的知识用于设计和制造工程通信系统模型。潜在的测试床包括但不限制在感知或调控生物功能的范围。提案要确定所提假设通信信道的具体潜在应用，以及开展实验的细节，如果成功的话，将会投入实用。

6、影响分析

RadioBio计划反映了DARPA试图通过研究生物信息电磁传递机理，为解决当前无线电信息传递中的杂波、干扰、天线设计等电子学问题寻找新的途径。虽然该计划是以无线通信为研究方向，但涉及的电磁辐射机制、天线设计、背景干扰抑制、信号检测理论同样适用于雷达，有可能为雷达系统设计、器件研制、信号处理带来新概念、新理论、新方法。

PS：DARPA在交叉学科前沿探索中提出的可预测、可量化、参数化等实验理念以及跨学科团队的组建等做法值得深入研究和借鉴。

信息化战中雷达面临的电磁环境日趋恶劣，RadioBio计划的一部分动机就是为了有效地对抗噪声、杂波和干扰。2017年6月23-25日，中国电子学会将在北京举行2017年全国复杂环境下雷达设计、干扰和防护学术交流大会，多位行业大咖参加，让我们一起期待吧！