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《张江科技评论》

开博时间:2019-06-06 14:03:00

《张江科技评论》是由上海科学技术出版社与上海市张江高科技园区管理委员联合创办的一本科技评论类杂志。该刊报道评价国内外创新性科学技术的发展趋势及其商业价值,介绍上海在建设全球领先科创中心进程中的制度成果、技术成果、创业成果,推动产学研密切协作,促进科技成果转化,服务经济转型发展。

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20个值得关注的前沿科技热点

2019-12-27 12:25:00

2019年9月25日在上海图书馆举行的2019竞争情报上海论坛暨国际科学技术信息理事会年会上,上海科学技术情报研究所发布了20个2019国际前沿科技热点。这20个热点集中在信息技术(7个)、生命与健康(4个)、材料(1个)、能源(2个)、空间及交通运输(2个)、气候生态与环境(1个)以及先进制造及其他(3个)等7个行业。

1  量子信息处理

量子信息处理,其基本思想是以原子、电子、光子层次微观世界的粒子的存在状态及相互作用规律来编码和处理信息,借助量子叠加和量子纠缠等独特物理现象,以经典理论无法实现的方式获取、传输和处理信息。量子信息处理技术主要包括量子计算和量子通信。

量子计算包含处理器、编码和软件算法等关键技术。近年来,这些技术发展较快,但仍面临量子比特数量少、相干时间短、出错率高等诸多挑战,目前处于技术研究和原理样机研制验证的关键阶段,超过经典计算的性能优势尚未得到充分证明。

量子通信与现有通信技术不同,可以实现量子态信息的传输,主要分量子隐形传态(Quantum Teleportation,QT)和量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)两类。基于QT的量子通信和量子互联网仍将是未来量子信息技术领域的前沿研究特点。QKD从理论协议到器件系统初步成熟,目前已进入产业化应用的初级阶段。

2  第三代半导体

国际上一般将禁带宽度(Eg)大于或等于2.3电子伏特(eV)的半导体材料称为第三代半导体。常见的第三代半导体材料包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、金刚石、氧化锌、氮化铝等。第三代半导体材料具有高禁带宽度、高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等特点,其器件具有高频、大功率、低损耗、耐高压、耐高温、抗辐射能力强等优势。

关键技术点包括:大尺寸、低缺陷衬底、外延制备技术;硅基GaN外延技术;高质量SiC厚外延技术;高可靠封装技术。技术发展的竞争态势表现为:产业链(衬底、外延片、器件、模组、下游应用等)各环节主要由美欧日主导;全球SiC市场由美国、欧洲、日本等垄断;GaN市场由日本厂商主导,住友电工、三菱化学及住友化学3家企业占据超过85%的市场份额。

第三代半导体材料的应用前景十分广阔,主要应用领域包括半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器以及水制氢、生物传感器等。

3  增强分析

增强分析是将人工智能技术(Artificial Intelligence,AI)赋能商业智能(Business Intelligence,BI),具体而言,是将机器学习技术(Machine Learning,ML)和自然语言处理技术(Natural Language Processing,NLP)应用在BI领域的数据与分析中。增强分析增强了人类智力和情境感知,改变了数据管理、分析和商业智能的方法,改变了数据科学的面貌和机器学习/人工智能模型的开发利用。

与传统的人工数据挖掘相比,增强分析采用一系列的算法和集成学习技术,向用户解释可执行的结果,降低了丢失重要数据结论的风险。高德纳咨询公司预测,未来2~5年,增强分析将成为BI市场的主导趋势。采用了增强分析技术生成的机器学习模型正在被越来越多地植入企业的应用程序中,帮助人力资源、金融、销售、市场、售后服务、采购和资产管理部门的员工进行商业决策与执行。

4  人工智能芯片

人工智能芯片通常是指针对人工智能算法做了特殊加速设计的芯片。人工智能芯片按技术架构分为图像处理单元(GPU)、半定制化的现场可编程逻辑门阵列(FPGA)、全定制化专用集成电路(ASIC)、神经拟态芯片;按功能分为训练环节芯片、推断环节芯片;按应用场景分为服务器端(云端)、移动端(终端)。

目前,GPU已经发展到较为成熟的阶段。谷歌、脸书、微软、推特和百度等公司都在使用GPU分析图片、视频和音频文件,以改进搜索和图像标签等应用功能。很多汽车厂商也在使用GPU发展无人驾驶。

虽然人工智能芯片技术发展较快,但是其在现阶段还处于产业化早期。各企业之间的水平有差距,但基本还处于同一起跑线,只有那些技术有重大突破、能够先一步产业化的企业才能引领行业的发展。

5  6G网络

5G开启了一个万物智联的时代,车联网、远程医疗等应用需要一个几乎无盲点的全覆盖网络,但5G做到的更多是信息极速传输,离真正的万物智联还存在一定的距离。6G将探索并汇集5G所遗漏的相关技术,6G通信技术不再是简单的网络容量和传输速率的突破,而是为了缩小数字鸿沟,实现万物智联。6G网络的理论速度为5G的100倍,用户的智能需求将被进一步挖掘和实现,并以此为基准进行技术规划与演进布局。

6G的特征为全覆盖、全频段、全应用。技术发展趋势表现为:6G将进入太赫兹频段(100 GH2~ 10 TH2);6G网络将呈现“致密化”;6G将使用频谱共享和区块链技术;6G将采用地面无线与卫星通信技术。6G时代将有望提供基于家庭的ATM通信系统、卫星到卫星直接通信、海上到空间通信,提供家庭自动化、智慧家庭/城市/村落、防卫、灾害防治以及其他相关应用。

6  战略计算

战略计算的概念在先进计算、高性能计算等概念的基础上发展起来。基本含义为基于未来对国家核心能力有战略意义的、先进的高性能计算技术,具有多元和多层次性,既包括基于当前数字技术的超级计算技术,又包括基于“后摩尔时代”的新型计算技术。

当前,战略计算技术呈现两大发展方向。一是超级计算机,基于传统数字计算和互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺,发展方向为百亿亿次级或亿亿次级计算机技术及其应用,可以对现有架构不断优化升级。二是未来新型计算架构和替代计算技术,希望能够突破摩尔定律的局限,如逼近计算、神经形态计算、量子计算等。

战略计算技术未来发展的主要内容包括亿亿次级超级计算、替代计算、测试与测量计算、计算系统安全与隐私保护、高性能计算生态系统等。战略计算作为新一代信息技术的核心技术,不仅是国家战略的重要组成,也是未来数字经济的增长引擎之一。

7  混合现实

混合现实(MR)是增强现实(AR)技术的升级,将虚拟世界和真实世界合成一个无缝衔接的虚实融合世界。虚拟现实(VR)在被热捧几年后,并未进入千家万户,风险投资近年来从VR转向MR和AR。

相对于VR巨大的娱乐用途和AR丰富的教育应用,MR的应用将更广泛,如在工业制造、军事模拟、游戏领域、旅游/数字场馆、汽车领域、购物、智能家居、医疗等领域展开应用。MR的产业化呈现出以下趋势:全球产业生态初步成型;5G融合混合现实技术初步应用;美欧发达国家产业资金和市场活跃;我国市场规模持续扩大且增速领先全球。

8  基因编辑临床应用

基因编辑是指能对生物体基因组特定目标基因进行修饰的基因工程技术。它是一项可以与分子克隆、聚合酶链式反应(PCR)等技术相媲美的突破性技术。其中,基于细菌规律成簇的间隔短回文重复序列(CRISPR)系统发展而来的新一代基因编辑技术——CRISPR/Cas9技术,使基因编辑变得更为简易、高效,也因此成为全球各大生物实验室最流行的基因编辑技术。

在现有基因编辑编辑方法中,离体基因编辑最为成熟,即在体外对细胞进行基因工程改造,然后将细胞输回患者体内。虽然体外细胞编辑已经取得了一定的成效,但是仍然存在很多局限性,如尚无将经过基因编辑的细胞移植到肝脏或脑的可靠方法。对于那些无法应用体外编辑治疗的疾病,体内编辑(将编辑装置输送到患者体内从而在自然条件下对细胞进行编辑)可能发挥重要作用。

作为一项变革性的新兴技术,基因编辑首先应该被考虑应用于严重疾病。对伦理上争议较大的人类胚胎基因编辑,科学界逐渐达成共识,认为应该允许开展相关基础研究,但还不能扩展到生殖领域的临床应用。

9  AI辅助新药研发

一款新药的诞生需要经历“靶点发现—化合物合成—制剂生产—临床试验”诸多环节最终才能批准上市,是一个需要投入大量人力、物力和财力的复杂过程。研发周期长、成功率低及研发费用高是新药研发面临的三大困境。人工智能(AI)辅助新药研发以海量数据为目标,重点可在临床前阶段,即靶点发现、化合物合成、化合物筛选和晶型预测等环节高度参与,从而提高研发效率、缩短研发进程、缩减研发成本,实现技术破局。

临床后阶段的患者招募、临床实证设计、药物重定向等环节也是整个新药研发过程中的重要步骤,可借助AI技术对非结构化、半结构化和结构化的各种结构类型的医学数据进行分析、挖掘,快速获取有效信息,实现新药研发各环节的技术优化升级。

10  脑机融合

脑机融合是基于脑机接口技术,实现脑与机的双向交互、相互适应及协同工作,最终达到生物智能和机器智能的融合,其目标是实现更强大的智能形态。与传统计算系统相比,脑机融合计算系统具有3个显著特征:对生物体的感知更加全面,包含表观行为理解与神经信号解码;生物体也作为系统的感知体、计算体和执行体,且与系统其他部分的信息交互通道为双向;多层次、多粒度的综合利用生物体和机器的能力,达到系统智能的极大增强。

脑机融合系统主要有两个重要的应用:神经康复和动物机器人系统。在神经康复方面,借助脑机融合系统,可以直接建立脑与外部设备之间的信息互动与交互控制,高效地实现残障人士机能补偿与功能重建。在动物机器人系统方面,脑机融合系统可以实现对动物运动行为的有效控制以及感知觉功能的合理增强。

11  人造肉

人造培育肉是从动物身上提取干细胞,把它扩增养成肌肉细胞,并且分化成肌肉纤维而成为“肉”。这类产品由于技术难度大、成本高昂,距离量产还尚待时日。关键技术涉及细胞工厂技术、血红素生物合成技术、肉类香味技术、重塑成型技术等 。

虽然人造肉新产品在环保和健康方面具有一定的优势,但是消费意识的转变和新饮食习惯的培养还需要假以时日。人造肉企业除了积极发展自身的销售渠道以外,争取与更多的餐饮连锁巨头合作也是快速提高销售、培育消费习惯的捷径之一。

12  “魔角”石墨烯

通过不断调试两层石墨烯的旋转角,在特定角度(约1.1度),这种堆叠的二维材料会表现出“莫特绝缘体”特性,而如果利用电场在石墨烯上吸附电子,它能表现出超导特性。这一新材料体系被称为“魔角”石墨烯,它的发现开创了“转角电子学”这一全新领域。

“魔角”石墨烯也许可以成为理解高温超导现象的“罗塞塔石碑”,对高温超导现象的理解反过来也能帮助研究人员创造出能在接近室温的条件下超导的材料,从而彻底革新诸多现代技术领域,包括交通和计算。截至目前,“魔角”石墨烯超导发生的条件非常苛刻,更多的是对未来研究的指导意义,距离产业化应用尚待时日。

13  氢能

氢能被认为是最理想的新能源,最有希望成为能源的终极解决方案。氢能与其他能源相比,具有储量大、比能量高(单位质量所蕴含的能量高)、污染小、效率高、可贮存、可运输、安全性高等诸多优点。

氢能产业链涉及上游制氢、中游储运、下游应用三大环节,每个环节都有很高的技术壁垒和技术难点。目前,上游的电解水制氢技术、中游的化学储氢技术和下游的燃料电池在车辆和分布式发电中的应用被广泛看好。

14  钙钛矿太阳能光伏电池

钙钛矿类化合物是存在于钙钛矿矿石中的钛酸钙化合物,可以通过以其他元素替代此类材料中的钙、钛、氧来完善这类材料的物理化学性质,从而获得一系列具有钙钛矿晶型的有机金属卤化物吸光材料。以此类材料为基准制得的钙钛矿太阳能电池是第三代太阳能电池中最热门的研究方向,具有更清洁、效率高、制造成本低、工艺简单等一系列优点。

目前,钙钛矿太阳能电池的研究重点集中在材料体系、器件结构、薄膜制备方法以及光电机理等方面,目标是获得更高的光电转化效率及更高的稳定性,推进钙钛矿电池的进一步发展,早日实现商业化、实用化。

15  太空制造

太空制造是航天领域的智能制造技术,它利用传感技术、智能技术实现制造过程的无人化,可改变航天器不可维修的现状。太空制造的关键技术包括数字孪生/线索技术、智能人工增强系统技术、增材制造技术、智能机器人等。

技术的应用情况呈现出以下趋势:数字孪生/线索技术日益成为数字化能力建设重点方向;增强/虚拟现实技术日益融入航天研制生产全过程;增材制造应用范围逐步扩展到关键卫星部件;研发装配机器人助推航天核心零部件集成。

16  无人驾驶

无人驾驶集自动控制、体系结构、人工智能、视觉计算等众多技术于一体,是计算机科学、模式识别和智能控制技术高度发展的产物。当前无人驾驶技术的主要应用领域是机动车领域,也有部分飞行器领域涉及。

无人驾驶是软件、硬件以及综合控制系统三大要素的结合,包括传感器、车辆控制、信息交换、空间图像、人机界面、道路管理等6项基本技术,涉及感知、定位、规划、控制和线控等5个方面。

从这几年无人驾驶企业的发展战略来看,无人驾驶技术涉及众多领域,整车企业仅依靠自身难以完成整个生态链打造,越来越多的整车企业、零部件厂商、信息技术巨头选择结盟合作来分摊成本、解决技术难题、提升竞争力。与传统的汽车合并或收购不同,这一领域的联盟合作或跨界合作更像是没有经过验证的商业模式探索,呈现出跨区域、开放式、多头加入等特征。

17  负排放

与常规碳捕获和封存技术直接从大型点源如煤炭发电厂去除二氧化碳排放不同,负排放技术最后直接从大气中去除二氧化碳或增强天然碳汇。

现阶段,以重新造林、森林管理的变化以及提高土壤碳储存的农业实践为代表的负排放技术已经具备开展大规模部署的条件,其成本与减排战略具有较强的竞争力。在众多负排放技术中,生物能源与碳捕获和储存(BECCS)技术最具发展潜力,它将碳捕获与封存技术应用于生物加工行业或生物燃料的发电厂。

尽管碳捕获与封存技术发展已较为成熟,但负排放技术大规模应用受制于缺少理想的二氧化碳固定介质。因此,围绕固定介质的探索工作成为未来负排放技术研究的重点。随着海洋、沼泽等理想固定介质的出现,负排放技术的产业化将迎来新的发展契机。

18  极限作业机器人

极限作业机器人是能在人难以承受的工作条件(如海底、有毒、有害、高温、强放射能等危险作业环境)下作业的机器人。常见的极限作业机器人包括原子能辐射作业机器人、水下作业机器人、救灾排险机器人、空间作业机器人、地下采掘机器人、石化行业机器人等。极限作业机器人一般应具备一些特别的关键技术,主要包括各种危险品检测技术、监视识别与跟踪技术、作业平台基础技术以及各种作业工具技术。

目前已投入使用的极限作业机器人一般属于遥控机器人,需要人的指挥才能完成操作任务,这就限制了它在外层空间、深水下、深地下完成复杂的任务。因此,人们正进一步研究和开发半自主和自主式极限作业机器人。

19  纳米机器人

纳米机器人是机器人工程系的一种新兴科技,它以分子水平的生物学原理为设计原型,设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”,其研制属于分子仿生学的范畴。纳米机器人涵盖的核心机构主要有超大规模集成电路及纳米电子电路、化学传感器、温度传感器、驱动器、供能装置和数据传输等。

目前,导航系统(数据传输)和驱动方式是纳米机器人研制中的两大难题,每向前推进一步都要克服重重困难。纳米机器人也存在一些潜在的挑战和风险,最突出的风险是用于制造纳米机器人的纳米颗粒的安全性问题。在纳米颗粒的众多潜在危害中,最主要的一种是纳米颗粒的不可溶解性。

纳米机器人具有广泛的应用前景,除了医疗和军事领域,纳米机器人在工业、农业、环保等领域的应用前景也非常广阔。

20  编材制造

编材制造是从需求出发,确定功能性,再来设计纤维结构,必要时可以多组分、多结构融合获取所需要的功能。编材制造是充分利用现有的纺织和其他先进制造技术并不断发展出新的制造技术,从大纤维的7个物理层次,即原子—分子(链)—纤维—织物—器件—系统—超系统,进行制造活动,将纤维材料的智能、超能、绿色性能推向一个新阶段,将会给传统制造业带来一系列深刻的变革,具有材料技术革命与制造技术革命的双重意义。关键技术点涉及新一代纤维的研发,以智能化编织手段制造各种复杂的产品,如汽车轮毂、汽车车身、飞机机翼等。

综观这些前沿科技热点,可以发现当前全球科技呈现出一些新趋势。一是前沿科技以绿色人本为主流,节能环保、低碳能源、新能源汽车、生物医药、绿色材料、智能制造等成为前沿科技显著聚焦的领域。二是科技创新全面系统地展开,实现突破,如无人驾驶技术即涉及人工智能、车联网、计算机新算法等。三是前沿科技系统性创新推动产业领域边界的模糊化,科学理论创新与技术创新相互促进,呈现交叉汇聚的发展态势。

作者:“全球前沿科技热点研究”项目组上海科学技术情报研究所专注应用情报分析方法跟踪全球新兴科技的研究团队,杨荣斌任项目指导,陈晖任项目组组长。

本文来自《张江科技评论

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