【一文看懂】現實中的「神盾局」--解析美國國防先進研究計畫署(DARPA)

準總統賴清德將在520就職,3月底賴清德就曾以副總統身份與副總統當選人蕭美琴視察中科院,強調要提升國防科技與自主能量。隨後也傳出,新政府將仿效美國的「國防先進研究計畫署」(DARPA),設立台灣的「先進國防事務辦公室」,負責推動新一代武器建構,並推動民間廠商參與,這使得曾在2017年規劃的「台版DARPA」復活的話題,成為軍事圈甚至民間軍工產業討論焦點。

以研發機器人與機器狗著名的波士頓動力(Boston Dynamics)參與「DARPA機器人競賽」(DARPA Robotics Challenge,DRC),推出「阿特拉斯」(Atlas)救災機器人參賽,但遭遇南韓團隊等強敵敗陣,獎金高達2百萬美元的DRC,是促進創新技術發展的手段之一。DARPA
以研發機器人與機器狗著名的波士頓動力(Boston Dynamics)參與「DARPA機器人競賽」(DARPA Robotics Challenge,DRC),推出「阿特拉斯」(Atlas)救災機器人參賽,但遭遇南韓團隊等強敵敗陣,獎金高達2百萬美元的DRC,是促進創新技術發展的手段之一。DARPA

蕭美琴更於5/01透過預錄影片,在美國「國會山莊與矽谷論壇」(Hill & Valley Forum)中,表達台灣將學習美國的做法,在國防部創設「國防創新小組」(Defense Innovation Unit, DIU),以便能用更快速、更具成本效益的方式,將尖端科技應用於軍事領域,各種跡象顯示台灣版DARPA即將成形,蕭美琴這一席談話,更被視為是賴清德國防軍工自主政策的具體方向。「國防先進研究計畫署」(DARPA)這個單位究竟有何神通廣大的能力?

副總統當選人蕭美琴2024.5.1以預錄影片,在美國「國會山莊與矽谷論壇」(Hill & Valley Forum)表達台灣將學習美國的做法,在國防部創設「國防創新小組」(Defense Innovation Unit),以便能用更快速、更具成本效益的方式,將尖端科技應用於軍事領域,外解解讀台灣版DARPA將重啟。Hill & Valley Forum
副總統當選人蕭美琴2024.5.1以預錄影片,在美國「國會山莊與矽谷論壇」(Hill & Valley Forum)表達台灣將學習美國的做法,在國防部創設「國防創新小組」(Defense Innovation Unit),以便能用更快速、更具成本效益的方式,將尖端科技應用於軍事領域,外解解讀台灣版DARPA將重啟。Hill & Valley Forum

DARPA被許多漫威(Marvel)「復仇者聯盟」系列科幻迷們,稱為現實中的「神盾局」(S.H.I.E.L.D.),而真實世界的DARPA誕生於「冷戰」(Cold War)時期。當時美國主導的北約集團與前蘇聯為首的華沙公約集團激烈競爭,蘇聯於1957年10月4日成功發射世界上第一顆人造衛星「史普尼克1號」,震撼美國全國上下,原本認為能領先太空技術的美國總統艾森豪,對於蘇聯搶先發射人造衛星繞行地球軌道,非常不悅,艾森豪問:「美國的教育出了什麼問題?」,全面檢討美國各級學校的數學、物理等基礎科學教學。

事實上,艾森豪在檯面下有更重大的動作,艾森豪總統與美國政府高層們下定決心,未來美國要成為戰略科技的發動者(initiator),而不要成為在戰略科技上被突襲的受害者(victim)。於是當時艾森豪下令建構前瞻性的國防科技科研單位。美國國防部在4個月後、隔年1958年2月7日,由當時的國防部長

尼爾・麥可羅伊(Neil H. McElroy)發出命令,成立「先進研究計畫署」(Advanced Research Projects Agency, ARPA),隨後改名為「國防先進研究計畫署」(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)。

世界上首架匿蹤戰機F-117的前身「擁藍計畫」技術驗證機,由美國空軍進行測試。此機驗證可以藉由飛機外型幾何設計改變與特殊塗料,縮小雷達截面積(RCS ),在雷達螢幕上「隱形」。Air Force Photo
世界上首架匿蹤戰機F-117的前身「擁藍計畫」技術驗證機,由美國空軍進行測試。此機驗證可以藉由飛機外型幾何設計改變與特殊塗料,縮小雷達截面積(RCS ),在雷達螢幕上「隱形」。Air Force Photo

DARPA初期主要任務聚焦在太空技術、彈道飛彈防禦以及固體推進劑,此後擴展到各種研究課題。DAPPA成立60多年來在前瞻性的國防科技研發成果斐然,從與蘇聯進行太空競賽開始,最近30年的研發成果中,外界比較熟悉的包括近期在烏克蘭戰場上痛宰俄羅斯戰車大軍的「標槍」(JAVELIN)反戰車飛彈、世界上首架匿蹤戰機F-117的前身「擁藍計畫」,還有徹底改變人類生活的網際網路(INTERNET)前身ARPENET(先進研究計畫署網路) 、無人機等劃時代軍事科技。

美菲自2023年4月11至28日進行「肩並肩」聯合軍演,圖為13日美軍發射標槍(Javelin)肩射式防空飛彈照片。路透社
美菲自2023年4月11至28日進行「肩並肩」聯合軍演,圖為13日美軍發射標槍(Javelin)肩射式防空飛彈照片。路透社

甚至連現在最紅的人工智慧(Artificial Intelligence, A.I.)技術,DARPA早在1980年代中期就投入研發,連自動駕駛無人車、mRNA疫苗的早期研發都是DARPA投入的領域。

這幾天軍事相關網路上瘋傳的AI操控的、名為「VISTA」的改裝後F-16戰鬥機,與另一架人類飛行員駕駛的F-16戰鬥機進行空戰,把2005年的科幻電影「機戰未來」(Stealth)人工智慧自主操控的戰鬥機與人類駕駛的戰機空中纏鬥(Dog Fight),真實呈現,搬到現實世界的眼前。其實這項計畫就是2020年由 DARPA推動的「空中戰鬥演進」(Air Combat Evolution, ACE)技術實驗,目標是研究AI運用於最新的空戰技術。

由 DARPA推動的「空中戰鬥演進」(Air Combat Evolution, ACE)技術實驗,目標是研究AI運用於最新的空戰技術,前方由F-16改裝的VISTA的為人工智慧AI控制,與後方的F-16戰鬥機進行空戰模擬。USAF
由 DARPA推動的「空中戰鬥演進」(Air Combat Evolution, ACE)技術實驗,目標是研究AI運用於最新的空戰技術,前方由F-16改裝的VISTA的為人工智慧AI控制,與後方的F-16戰鬥機進行空戰模擬。USAF

由於DAPRA不只與學術界及軍工產業界合作研發出領先全世界的尖端科技,並能夠結合各項資源落實成為美軍致勝的關鍵,因此,前美國國防部長裴利(William James Perry)曾以「皇冠上的珍寶」來形容,強調DARPA在美國軍事行動「以資訊為中心的戰略」中的重要性(The agency has been the crown jewel in the U.S. military's move to an information-centric strategy.)

裴利是誰?1996年台海危機時,美國總統柯林頓下令派出2個航空母艦戰鬥群到台海保衛台灣安全,裴利就是時任美國國防部長。儘管裴利沒有直接擔任DARPA署長,但具有數學博士學位的裴利,在1970年代曾擔任負責監督 DARPA 的美國國防部國防研究與工程次長(Under Secretary of Defense for Research and Engineering, USD (R&E)),對於DARPA的能耐非常清楚,尤其與學術界以及軍工產業界的合作關係,是能夠達成「先進科技」研究發展不斷領先的關鍵。裴利的傳奇可以說是神盾局長福瑞(Nick Fury)的更成功版本。

今年高齡96歲的裴利,也曾於2017年訪問台灣,與蔡英文總統暢談其倡議的預防性防禦。友台的裴利不僅與台灣很有緣,也與DARPA淵源極深,裴利在史丹佛大學主修數學,拿到學士、碩士學位之後,在賓夕法尼亞州立大學(The Pennsylvania State University)取得數學博士學位,自己在矽谷創業研發數位技術,最著名的在古巴飛彈危機時,裴利率領技術團隊投入緊急任務,協助美國軍方分析當時最先進的U-2偵察機所拍攝的照片,以找出前蘇聯在古巴部署的核彈頭飛彈,裴利團隊合作的對象也是DARPA為主的國防科研團隊。

蔡英文總統於2017.3.23接見美國前國防部長裴利(William Perry)(左),裴利曾以「皇冠上的珍寶」來形容美國國防先進發展署(DARPA)的重要性。總統府提供
蔡英文總統於2017.3.23接見美國前國防部長裴利(William Perry)(左),裴利曾以「皇冠上的珍寶」來形容美國國防先進發展署(DARPA)的重要性。總統府提供

根據現任DARPA署長(Director of DARPA)史蒂芬妮・湯普金斯(Dr. Stefanie Tompkins)博士提交給國會的2023財政年度預算報告指出,現行DARPA的使命是保持美國軍方的技術優勢,並通過贊助革命性的、高回報的研究來防止「技術上的奇襲」(technological surprise)損害美國的國家安全,這些研究彌合了「基礎發現」(basic discovery)和最終/軍事應用(ultimately, military application)之間的差距。

所謂的「技術上的奇襲」(technological surprise)也就是像當年前蘇聯發射「史普尼克1號」超車美國等同樣的情況,到現在不論是俄羅斯、中國搶先研發成功,並被俄羅斯使用在侵略烏克蘭戰場上的極音速(Hypersonic Weapon)之類的先進技術,凡是試圖領先美國的軍事或是非軍事技術,發展成功到最終應用時,會影響到國家安全的技術,都是DARPA必須要突破領先的領域。

網際網路前身ARPANET,是由美國國防部「國防先進研究計畫局」(DARPA)所發明的網路系統,原先目的是在遭遇戰爭時,能把軍方的電腦以網狀結構繁複的串連起來,避免網路通訊被中斷,圖為研發人員原本初步構想手繪草圖。截自DARPA官網影片
網際網路前身ARPANET,是由美國國防部「國防先進研究計畫局」(DARPA)所發明的網路系統,原先目的是在遭遇戰爭時,能把軍方的電腦以網狀結構繁複的串連起來,避免網路通訊被中斷,圖為研發人員原本初步構想手繪草圖。截自DARPA官網影片

史蒂芬妮署長也表示,為了完成這一使命,DARPA依靠不同的專業人員應用多重學科方法,通過基礎研究先進知識,並通過應用研究創造解決當前實際問題的創新技術。DARPA的科學研究涵蓋了從實驗室到生物學、醫學、計算機科學、化學、物理學、工程學、數學、材料科學、社會科學、神經科學等領域的全面技術展現。作為國防部的主要創新引擎(primary innovation engine),DARPA承接的專案持續時間有限,但能帶來持久的革命性變革。

史蒂芬妮署長這段話,再度確立DARPA在美國國防部中的重要性,也就是說,DARPA是發動創新的主要力量來源。不過,要注意的是,DARPA並不是包辦到武器生產線,也不擁有所有的實驗室、研發單位,而是要妥善運用包括重點大學、科學研究學術單位以及軍工產業界的能量。因此,用軍事術語來比喻,DARPA是一支菁英特種部隊,而不是大兵團,這從其編制員額與預算就可以看出來。

事實上,在龐大的美國國防預算中,美國總統能給DARPA的只是大餅中的一小塊,以2024財政年度(FY2024),美國國會通過的國防預算(國防授權法案NDAA 2024)是8860億餘美元,但是DARPA「只有」41.22億美元,約佔整體國防預算的0.46%,還不到0.5%。可是這不到0.5%的國防預算,卻能發揮大衛擊敗巨人哥利亞的效果,仰賴的是DARPA內約220名政府僱用的人員,其中有近100位創新、充滿動能的專案經理(Program Managers),分別在6個技術辦公室(technical offices)內,分管250個研究發展計畫(research and development project)。

美國國防部的國防先進研究計畫署(DARPA)現有6個技術辦公室,分工研發從戰略、戰術等先進的科學與技術,維持美國在國家安全上領先的技術能力,而不致被敵方奇襲。取自DARPA FY 2023預算書。
美國國防部的國防先進研究計畫署(DARPA)現有6個技術辦公室,分工研發從戰略、戰術等先進的科學與技術,維持美國在國家安全上領先的技術能力,而不致被敵方奇襲。取自DARPA FY 2023預算書。

目前DARPA的技術辦公室共有生物科技辦公室(Biological Technologies Office, BTO)、防衛科學辦公室(Defense Sciences Office, DSO)、資訊創新辦公室(Information Innovation Office, I2O)、微系統技術辦公室(Microsystems Technology Office, MTO)、戰略科技辦公室(Strategic Technology Office, STO)與戰術科技辦公室(Tactical Technology Office, TTO)等,分別研究不同領域。

DARPA的生物科技辦公室(BTO),負責的研究發展項目包括維持武裝部隊的戰備狀態、戰術作戰人員的照顧與功能復原、作戰韌性與後勤安全以及生物感測器與創新的方法與材料。

防衛科學辦公室(DSO)其主要研究發展項目為:創新的材料與結構、感應與測量、計算與處理、促進作戰能力、集體智慧(collective intelligence)以及新出現的威脅(emerging threats)。

在「資訊創新辦公室」(I2O),當前主要任務在於研發高效能人工智慧 Proficiency AI、維持美國軍方在網路空間作戰的領先、在資訊領域的信心,還有發展韌性、適應力與安全系統。

DARPA的「空中戰鬥演進」(Air Combat Evolution, ACE)技術實驗,2019年起美國國防部DARPA持續尋求包括訓練人工智慧(AI)操縱戰鬥機進行空中纏鬥,以實現空對空作戰的自動化,使反應時間以機器速度進行,並使飛行員能夠專注於更大的空戰。DARPA官網
DARPA的「空中戰鬥演進」(Air Combat Evolution, ACE)技術實驗,2019年起美國國防部DARPA持續尋求包括訓練人工智慧(AI)操縱戰鬥機進行空中纏鬥,以實現空對空作戰的自動化,使反應時間以機器速度進行,並使飛行員能夠專注於更大的空戰。DARPA官網

微系統技術辦公室(Microsystems Technology Office, MTO)近期則負責發展顛覆性微系(Disruptive Microsystems)、邊緣處理(Edge Processing)與微系統製造。

中國外交部4月11日起,對美國通用原子航空系統公司、通用動力陸地系統公司採取反制措施;圖為通用原子航空系統公司的MQ9 Predator無人機。美聯社
中國外交部4月11日起,對美國通用原子航空系統公司、通用動力陸地系統公司採取反制措施;圖為通用原子航空系統公司的MQ9 Predator無人機。美聯社

在戰略方面,DARPA的「戰略科技辦公室」(STO),主要負責研發先進感測器與處理、戰場效率,以及指揮、管制與通訊(C3)、自主系統,還有賦能下的人類決策(Empowered Human Decision Making)。

至於戰術方面,DARPA的「戰術科技辦公室」(TTO)專注在研究發展戰術系統、促成新型態作戰架構的平台、系統與科技,更重要的是要重新構想海上、陸上、空中與太空領域的任務(Reimagination of missions across maritime, land, air and space domains)

儘管不同科技辦公室分工研究不同領域,但是畢竟DARPA編制並不像美國太空總署那麼龐大,有限的預算資源也必須善用,因此,署內的整合資源與相互支援是相當重要的工作DARPA的任務是將研究和報告作為一個綜合計劃進行。DARPA的技術辦公室各自專注於不同的職能來支援這一使命。DARPA的每個技術辦公室能相互支援機構任務中的作用。

曾在2008年前後出任DARPA署長的泰瑟博士泰瑟博士(Anthony J. Tether)曾表示,要在 DARPA 掌舵的關鍵,在於僱用有創造力,「能夠想出點子,偶爾能夠不受硬梆梆的資料束縛」的計畫主持人(專案經理),來主導研究計畫。

由於DARPA的目的是提供國防部革命性戰略優勢的高風險性研究計畫,DARPA 的計畫既不像其他軍事部門那樣,必須要跟某個特定的需求綁在一起,也不像獨立機構--美國國家科學基金會(National Science Foundation, NSF)是發放補助金的機構,因此DARPA的研發計劃不需要通過同儕審查過程,就能將資金挹注於高風險的點子。

當然,DARPA非常重視美國學術界的研究能力,在1990年代DARPA著力探索電腦以及材料科學等領域,藉由長期挹注資金給各大學的研究計畫,

不僅如此,為了在國家安全政策上能取得制高點,DARPA過去也贊助由大學科學家為主、長期提出國家安全建議的科學家組織「傑森」(The JASONS),與學術界建立起關係。「傑森」過去在二次大戰後、越戰爆發時,都幫助DARPA解決許多極機密的技術難題,例如要如何對付越共的錯綜複雜的地道系統等。

不過,可能由於DARPA涉入太深,2000年左右,爆發了倒底誰有權選擇「傑森」組織成員的糾爭之後DARPA於2002年終止贊助「傑森」,改由國防部的國防工程研究主任來決定如何給予「傑森」組織贊助經費。

如同前面提到的,DARPA的歷任署長跟各大學與產業界的合作關係。DARPA署長全都是工程師或物理學家,許多人與學術界關係密切。對於是否要挹注某一特定計畫,署長一般來說都有單獨決定權,因此他們對於 DARPA 的走向,擁有極大的影響力。

對於美國強大的軍工複合體,DARPA也有其獨特的方法來處理合作關係,因為並不只是要有堪用的武器而已,不能僅止於給兩到三家軍工巨擘去競爭合約,真正要獲得的是戰略上的領先技術,因此,包括舉辦高額獎金的技術競賽也是一招。

像是以研發機器人與機器狗著名的新創公司「波士頓動力」(Boston Dynamics)公司就參與DARPA舉辦的獎金高達2百萬美元的「DARPA機器人競賽」(DARPA Robotics Challenge),推出名為「阿特拉斯」(Atlas)救災機器人參賽。

DARPA機器人大賽(DRC)2013年展開,目標是設計出救災機器人,2015年決賽由南韓的研發團隊「韓國科學技術院-大田大學」(Team KAIST of Daejeon)的機器人DRC-Hubo獲勝,擊敗波士頓動力的阿特拉斯機器人等強敵,獲得2百萬美元的高額獎金。DARPA
DARPA機器人大賽(DRC)2013年展開,目標是設計出救災機器人,2015年決賽由南韓的研發團隊「韓國科學技術院-大田大學」(Team KAIST of Daejeon)的機器人DRC-Hubo獲勝,擊敗波士頓動力的阿特拉斯機器人等強敵,獲得2百萬美元的高額獎金。DARPA

「DARPA機器人競賽」的目的在於加速先進機器人硬體、軟體、感測器和控制介面的開發,以便機器人可以幫助人類應對未來的自然和人為災難。7個Atlas機器人平臺從早期的基於類比的DRC回合中向合格團隊展示,2013年的競賽回合專注於軟體開發。在首次亮相時,ATLAS是有史以來最先進的人形機器人之一。

雖然最終這項大獎由大韓民國的團隊Team Kaist of Daejeon獲勝,波士頓動力的並未擠入前三名,但DARPA這項機器人競賽獲得寶貴的創新技術經驗與激發研發團隊的競爭力,並且融合了軍工產業界、學術研究單位與政府部門合作,這也是DARPA誕生後一直在推動的精神,才能讓美國持續在國家安全領域,獲得絕對的領先。

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