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瞬态电池:让电子设备“化身于无形” 作者 / 涂一蒙

  国防科技大学空天科学学院李宇杰副教授为您讲述——  瞬态电池:让电子设备“化身于无形”

  ●它是一种能自毁或自行溶解的电池,可与电子设备“同归于尽”

  ●它发挥出应有的作用,瞬态电子设备才算得上“名副其实”

  ●它在信息安全、植入式医疗、绿色环保等领域应用前景广阔

  “阅后即焚”:理想很丰满,现实很骨感

  “阅后即焚”,是一种保守秘密、不留隐患的信息处理方式。10多年前,一部讲述某国特工遗失绝密光盘的喜剧片就以此为名;另一部影片《碟中谍》则展示了一种有“阅后即焚”功能的智能眼镜。

  电影里的情节是虚构的。但现实中,随着科技的进步,具有“用后即毁”功能的产品已经真的应运而生。如存储有涉密信息的设备一旦遗失或被盗,可让它自动销毁,以确保信息安全。在医药领域,那些植入人体的医疗器件在帮助病人康复后,可自行或在外部作用下溶解消失,而不需要手术取出,以减轻病人痛苦。用于特殊环境检测的设备,完成检测任务后能自行降解销毁,既节省人工拆除成本,又能避免“电子垃圾”污染。

  然而,目前植入人体的医疗器件、能自行降解的特殊检测设备,成本高、风险大、可靠性不强,难以大范围推广应用。用于存储、传输、处理涉密信息的设备,要实现“用后自毁”或在遗失、被盗后让其失效,在技术上也有不小难度。

  于是有人在想,能否在硬件上加装自毁装置,通过触发或遥控让其损毁,从而实现装备的损毁?但自毁装置很难微型化,也很难实现关键功能单元的定向损毁和器件物理底层的彻底损毁。

  还有人在想,通过软件,采用数据擦除技术,用大量无效数据反复覆盖在原先存储的秘密数据上,让人分不出真伪而实现有效保护。可现有数据擦除速率慢,难以满足紧急销毁数据要求,且擦除后仍有可能被恢复。

  瞬态特性:让电子设备自毁或消失成为可能

  2012年,在国际顶尖期刊《科学》杂志上发表的《一种物理瞬态的硅基电子器件》论文,首次提出了“瞬态电子器件”这一全新概念。也就是说,当电子功能器件在实现指定功能或完成某项任务后,其物理形态和功能可以在外界刺激触发下,发生部分自毁消失或者完全自毁消失的一种电子器件。

  这种新兴电子器件的关键在于“瞬态”,即具有瞬态特性:电子器件的稳定工作状态能在某些特定条件下被打破,实现从一种状态向另一种状态的转变。它既可以是物理结构的瞬态、也可以是功能的瞬态,可以是稳态功能之间的转换、也可以是稳态功能的消失,还可以是由物理结构损毁带来的结构与功能的同步消失。这些都属于“瞬态”范畴。

  科学家们认为,瞬态电子器件应该具备以下特征:与常规电子器件相同的稳定性和可靠性,实现各种功能转换的瞬态特性,其使用寿命是预先设置和实时可控的。

  “瞬态电子器件”概念一经提出,便迅速成为国际上的一个研究热点和新兴研究方向,各主要军事强国陆续开展相关研究。如美国DARPA就设立了“可程序控制损毁和消失的器件”研究计划,支持相关机构开展瞬态电子器件技术研究。近年来,研究者已研究出多种功能的瞬态电子设备,但大部分只是在外界光照、热辐射或者溶剂浸泡等刺激下引发自毁消失,还远未实现真正的“全瞬态”特性。也就是说,还不是完全意义上的瞬态电子设备。

  究其原因,一方面是全瞬态功能的电子设备设计、制造的技术难度高、要求严,另一方面是缺乏具有瞬态功能的电源供应器件,即瞬态电池。这种很大程度上依赖于“非瞬态”电源来实现设备功能运行的情况,制约和阻碍了瞬态电子设备的自毁功能和自毁程度。业内权威人士指出:如果电子设备使用的电池不是瞬态的,那么就不能称为“全瞬态电子设备”。

  瞬态电池:真正赋予电子设备完全自毁功能

  瞬态电子设备发展呼唤瞬态电池,事实上,它已是呼之欲出了。因为科学家们从一开始就在进行着不懈探索。

  2016年,全球首款实用型瞬态电池研制成功。它的神奇之处,不在于能为普通家用计算器提供时长15分钟、电压2.5伏的稳定供电,而是遇水后30分钟内就能从人间“蒸发”。这一研究成果在国际上引起了广泛关注。

  瞬态电池能够溶解自毁,奥秘就在于研制者巧妙地设计并制备出一种瞬态材料,使瞬态电池具有稳定的输出电压来实现功能,还能遇水快速自毁溶解,从而为瞬态电子设备提供了“绝配”的瞬态电源。据研究者称,这种瞬态电池,利用“物理与化学混合瞬态”的方法,通过电池中电极材料的物理断裂、电极材料颗粒的脱落和分散,再结合其他可溶性物质的化学溶解,让整个电池结构足以有效自毁溶解。经多次试验验证,这种瞬态电池可满足瞬态电子设备研制需要,为其提供具有瞬态特性的稳定电源,能与电子设备“一损俱损”或“同归于尽”,让瞬态电子设备真正“名副其实”。

  全球首款实用型瞬态电池问世后,短短几年时间,便在欧美一些国家取得了长足进步,研制出多种瞬态电池,推动了瞬态电子设备发展。在我国,一些高校和科研院所,也在持续开展瞬态电子设备的基础和应用研究。瞬态电池作为瞬态电子设备中的核心,目前在输出电压、结构设计、自毁或溶解、寿命预先设定等方面,还需进一步优化,以助力电子设备应急销毁的可控性和稳定性提升。

  军事应用:瞬态电池前景广阔

  瞬态电池的问世,为瞬态电子设备提供了具有瞬态功能的电源,也为期待获得重大突破的瞬态电子器件研制带来了福音。这是因为,与常规自毁技术相比,负载在瞬态电池上的瞬态电子设备具有许多独特优势:它无须附加自毁装置,通过电池自毁即可助力设备自毁,能节省设备的空间与重量,实现设备的微型化;能实现电子设备的物理底层彻底损毁,从根本上确保数据或信息安全;可在外部触发条件下实现损毁或失效,满足设备应急快速销毁要求。

  专家分析指出,随着瞬态电池和瞬态电子器件更多关键技术的突破和最终量产,必将产生电子设备及相关领域的一场重大变革,推动信息安全、绿色电子、生物医学、智能控制等相关产业的发展。

  在军事领域,瞬态电池及瞬态电子器件具有广阔应用前景。

  ——将配备有瞬态电池的瞬态电子器件用于谍报装备,一旦被发现或丢失,可让谍报装备自毁或“消失”,保护情报信息和情报人员安全,甚至做到无迹可寻。

  ——对于部署在固定地点或敏感部位的监控、窃听装置,利用瞬态电子器件具有的可控损毁功能,在完成阶段性任务或是可能被发现、受到安全威胁时,立即启动损毁程序,防止被发现或破解。

  ——在军事医疗领域,植入式瞬态电子医疗器件,可实现在体直接体检与疾病控制,提高士兵健康监测、伤员救治的便捷性和效率。某些在体电子器件,如一些防止伤口感染的器件、诊疗需要植入体内的离子浓度测量器件等,在疾病痊愈后即可自行溶解消失,无须通过手术取出,对于提升战场救治水平和部队战斗力具有重要作用。

       王握文 【编辑:田博群】



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