1、研究目標(biāo)

RadioBio計(jì)劃的目標(biāo)是確定是否在生物系統(tǒng)之間存在有意圖的信號傳輸現(xiàn)象，若存在，將確定有關(guān)傳輸機(jī)理以及傳遞的信息，探索這些自然“天線”的結(jié)構(gòu)和功能如何能夠在噪聲和雜波背景環(huán)境下產(chǎn)生和接收信息。

2、項(xiàng)目背景

100多年來，生物學(xué)家一直在研究細(xì)胞以及各種生物系統(tǒng)之間的通信，對細(xì)胞間的化學(xué)信號傳遞進(jìn)行了深入研究。當(dāng)前，化學(xué)信號傳遞作為大量生化過程的基本組成的觀點(diǎn)已被普遍接受。然而，生物系統(tǒng)是由物理實(shí)體組成的，許多實(shí)體不斷被充入電荷，并處于運(yùn)動之中，因此會產(chǎn)生電磁波。在單個細(xì)胞內(nèi)，不同的生物結(jié)構(gòu)在大范圍空間維度（從納米級到米級）存在，同時(shí)存在類似大范圍的現(xiàn)象學(xué)時(shí)間尺度（皮秒級“萬億分之一秒”到分鐘級）。這些空間和時(shí)間尺度與物質(zhì)多樣性和個體生物結(jié)構(gòu)相結(jié)合，不可避免地存在大范圍電磁波譜與生物系統(tǒng)的相互作用。另外，各種生物結(jié)構(gòu)與人工諧振結(jié)構(gòu)以及天線類似，并可能對電磁輻射產(chǎn)生類似的響應(yīng)。

這些相互作用的結(jié)果已經(jīng)為人所知，包括視覺、光合作用、生物發(fā)光、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、磁導(dǎo)航。但是關(guān)于生物系統(tǒng)KHz到THz頻段電磁交互作用的信息非常有限。一些理論文獻(xiàn)，有些是10年之前的，證明各種電磁交互的可行性，包括THz與DNA的交互。THz輻射是來自細(xì)胞膜的輻射，KHz是來自系統(tǒng)體的輻射。同時(shí)，各種實(shí)驗(yàn)證明了Hz到皮赫茲（PHz）范圍電磁場對細(xì)胞和組織影響的初步證據(jù)。而且，對特定的生物結(jié)構(gòu)進(jìn)行了假設(shè)，如扮演開關(guān)、二極管、變壓器、放大器的角色。然而，以前公開的結(jié)果都沒有明確斷定生物系統(tǒng)間的電磁信號傳輸是否存在。另外，許多實(shí)驗(yàn)在用參數(shù)化或定量方式研究時(shí)都沒有成功，沒有用實(shí)驗(yàn)方法對量化的理論預(yù)測進(jìn)行測試，也沒有對系統(tǒng)誤差進(jìn)行有效控制。

3、對項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)的要求

對于RadioBio計(jì)劃，明確斷定電磁波信號傳遞的任何實(shí)驗(yàn)都必須是可預(yù)測、可量化，并且是參數(shù)化和可控的。

可預(yù)測：必須做出具體的定量理論預(yù)測，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（這需要將生物系統(tǒng)建模/仿真為發(fā)射/接收天線，對周邊的電磁環(huán)境等進(jìn)行模擬仿真）。這種方法與觀察研究法相反，后者在用Y電磁場觀測后得到X效應(yīng)，這對RadioBio計(jì)劃是不合適的。

可量化：模型必須預(yù)測場強(qiáng)、距離、帶寬、通道容量的數(shù)字測量。

參數(shù)化：由于參數(shù)是不斷變化的，模型必須進(jìn)行預(yù)測，實(shí)驗(yàn)必須測試連續(xù)響應(yīng)，從而揭示并理解內(nèi)在機(jī)制。

可控：對于與生物采樣準(zhǔn)備和天線測量有關(guān)的廣泛系統(tǒng)效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)必須認(rèn)真地控制。另外，對結(jié)果的充分驗(yàn)證需要專業(yè)的電磁通信模型，能夠?qū)Σ煌h(huán)境、不同生態(tài)系統(tǒng)以及不同長度和時(shí)間尺度進(jìn)行測試。

4、對項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的要求

RadioBio團(tuán)隊(duì)需提出具體的電磁信號傳遞機(jī)制，通過建模仿真，各團(tuán)隊(duì)需通過清晰定義影響通信信道的生物系統(tǒng)或系統(tǒng)組成部分、電磁空間/譜/時(shí)間/頻率模型，以及會削弱通信質(zhì)量的背景/雜波/噪聲等各種源，并量化這些假設(shè)。將這些模型用于各種生物系統(tǒng)和環(huán)境的定量、參數(shù)化預(yù)測，如果經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將明確證明電磁信號傳遞通道的存在。

DARPA預(yù)期該跨學(xué)科小組將實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)成員需包含理論-生物電磁學(xué)、理論-天線設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)-生物系統(tǒng)準(zhǔn)備和實(shí)驗(yàn)-電磁測量四個核心領(lǐng)域的專家:

理論-生物電磁學(xué)：為了定義并優(yōu)化假設(shè)，團(tuán)隊(duì)必須有能夠理解所研究的生物系統(tǒng)間以及不直接相關(guān)的生物環(huán)境效應(yīng)的專家。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)必須能夠理解所提的通信通道的生物分支，以及備選（如化學(xué)）通信通道，從而能夠提出對所觀察現(xiàn)象的其它解釋。最后，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)必須能夠提供這些系統(tǒng)的復(fù)雜模型和仿真，可以是傳統(tǒng)的，也可以是量子力學(xué)的，只要合適即可。

理論-天線設(shè)計(jì)：項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)需具備對復(fù)雜天線系統(tǒng)進(jìn)行建模的能力，可以使用經(jīng)典工具，也可以使用量子工具，根據(jù)需要而定，但不要使用與天線設(shè)計(jì)通用的大量假設(shè)。生物系統(tǒng)天線將可能擴(kuò)展近場和遠(yuǎn)場概念，可能短于單個波長，可能包含于非均勻陣列，包含于復(fù)雜的水性和充電環(huán)境，并具有相對電磁輻射和檢測同等時(shí)間尺度的運(yùn)動和變化的結(jié)構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)-生物系統(tǒng)準(zhǔn)備：項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)要具有準(zhǔn)備所需的多個尺度和環(huán)境的生物系統(tǒng)的能力，要有對潛在系統(tǒng)誤差和潛在變化的深刻理解。

實(shí)驗(yàn)-電磁測量：項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)要具備產(chǎn)生源和探測器的能力，要有充分的帶寬、穩(wěn)定性、效率、噪聲和波長，并測試提出的假設(shè)。特別是，項(xiàng)目成員要理解電磁背景和雜波效應(yīng)，以及對實(shí)驗(yàn)精度和重復(fù)能力的影響。

RadioBio計(jì)劃的范圍包括整個電磁頻譜，從低頻電磁波到PHz，DARPA在新研究領(lǐng)域的興趣意味著會把優(yōu)先級放在KHz到THz范圍的提案上。對提案的要求是電磁波信道在生物系統(tǒng)中能夠被無模糊地識別出來，在這種意義上，發(fā)射信號產(chǎn)生一個特定的生物結(jié)果，并且這種行為對于實(shí)驗(yàn)和所用的頻率是可以重復(fù)的。類似的，需要一個關(guān)于收發(fā)天線或生物電路的數(shù)學(xué)模型，并需要對該模型進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。對實(shí)驗(yàn)必須進(jìn)行清晰地描述，特別要注意控制和系統(tǒng)效應(yīng)。為了證明可重新形成和可重復(fù)能力，必須在多個系統(tǒng)和多個環(huán)境對模型的預(yù)測進(jìn)行驗(yàn)證。提議的研究必須探究類似或不同生物系統(tǒng)間的電磁交換機(jī)制。

5、項(xiàng)目安排

該計(jì)劃分成兩個階段，每個階段持續(xù)24個月，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在兩個技術(shù)領(lǐng)域開展工作。第一個技術(shù)領(lǐng)域是假設(shè)測試，第二個技術(shù)領(lǐng)域是理論支撐。

第一階段A（12個月）：在第一階段的前12個月，項(xiàng)目小組將清晰描述假設(shè)的生物電磁信號，并驗(yàn)證理論和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，能夠在可預(yù)測、定量化、參數(shù)化、可控的實(shí)驗(yàn)中無模糊地驗(yàn)證理論和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/span>

第一階段B（12個月）：在第一階段的后12個月，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將測試其假設(shè)，明確確定是否在生物系統(tǒng)之間存在有意的電磁通信。若是，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將確定傳遞了什么信息，以及是如何編碼的。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)必須給出度量方式。

第二階段（24個月）：開發(fā)通信通道。第二階段的目標(biāo)是將第一階段獲取的知識用于設(shè)計(jì)和制造工程通信系統(tǒng)模型。潛在的測試床包括但不限制在感知或調(diào)控生物功能的范圍。提案要確定所提假設(shè)通信信道的具體潛在應(yīng)用，以及開展實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)，如果成功的話，將會投入實(shí)用。

6、影響分析

RadioBio計(jì)劃反映了DARPA試圖通過研究生物信息電磁傳遞機(jī)理，為解決當(dāng)前無線電信息傳遞中的雜波、干擾、天線設(shè)計(jì)等電子學(xué)問題尋找新的途徑。雖然該計(jì)劃是以無線通信為研究方向，但涉及的電磁輻射機(jī)制、天線設(shè)計(jì)、背景干擾抑制、信號檢測理論同樣適用于雷達(dá)，有可能為雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、器件研制、信號處理帶來新概念、新理論、新方法。