开拓新疆域抢占战略制高点的七大颠覆性技术

转自远望智库 战略前沿技术2019年7月13日

在近日由中国工程院、中央军委科学技术委员会和中国工程物理研究院联合主办的“工程科技颠覆性技术论坛”上,《工程科技颠覆性技术发展展望2019》蓝皮书首次发布。书中系统梳理出我国面向2035年的六大战略需求,并围绕战略需求发布了39项重大颠覆性技术方向。

2016年,中国工程院依托中国工程科技创新战略研究院设立“工程科技颠覆性技术战略研究”重大咨询项目,由中国工程院原副院长杜祥琬院士负责,组织70多位两院院士和来自工程科技各领域的数百名专家参与。该项目系统研究了颠覆性技术的概念内涵,把握当前颠覆性技术发展态势和我国的战略需求,识别遴选出当前优先发展的重大颠覆性技术方向。基于项目研究成果,项目组近日编制发布了《工程科技颠覆性技术发展展望2019》蓝皮书。

本文节选其中第三章第一节《开拓新疆域,抢占战略制高点的七大颠覆性技术》,以飨读者。

 

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        一、量子信息技术        

(一)技术说明

量子信息技术是量子物理与信息技术相结合的战略性前沿科技,建构于颠覆性的堪比 相对论的基础理论—量子物理之上,主要包括量子通信、量子计算、量子探测等领域。量 子信息技术在确保信息安全、提高运算速度和探测精度等方面具有颠覆性的影响,是目前 最引人瞩目的前沿技术领域之一。

(二)研发状态和技术成熟度

1. 量子保密通信

量子保密通信的安全性由基本物理原理保证,因而可以实现绝对安全的信息传递。量 子密钥分发是量子密码体系的核心,是目前量子通信研究最成熟、也是最接近实用化的一 个研究方向。近年来世界各国开展了面向实用化的示范性局域网、广域网的构建研究,取 得了许多重大进展。尽管目前还没有可用的量子中继方案,但利用现阶段的量子通信技术 已经可以实现城域网量子保密通信(如合肥、芜湖等地构建的政务网)。量子密钥可以通 过单光子的量子态来传输(量子纠缠并非不可或缺),单光子源的品质对量子通信的传输 有重要影响。到目前为止,提取效率 66%、单光子性优于 99%的单光子源也已实现,这 已经能够满足城域网范围内的量子通信要求。我国在实用化的量子密钥分配方面引领了国 际水平。

2. 量子极速计算

实现大规模的量子计算是量子信息技术最重要的目标,同时也是巨大的技术挑战。在 理论上实现量子计算已没有原则性的障碍,人们甚至已经开始设计大规模量子计算的芯片 构型。目前,量子计算机的实现存在两个不同的路径。大部分物理系统(离子阱、部分超 导系统、量子点、金刚石色心系统等)都是在先保障量子性的基础上逐渐扩大系统,进而 实现普适的量子计算。如何在保障纠缠的基础上实现可扩展是当前遇到的主要问题。另一 条是以加拿大 D-Wave 公司为代表的超导系统,现在该公司已经能够控制 512 个量子比特(甚至更多),并能利用它实现绝热算法。虽然这个系统的量子性以及它是否能超越经典的 计算机还存在巨大的争议,但其无疑提高了人们对实现可扩展量子计算的信心。

3. 量子精密传感

量子技术的发展使得人们可以对很多物理量的测量获得比经典方法更高的精度。 在理论上,人们已经提出了一系列提高量子测量精度的新方法。一般来说,物理系统 总是受到噪声的影响,因而,我们对物理量的测量精度总是受到噪声的限制。量子技 术表明,我们可以利用 NooN 态来压缩噪声的影响,进而达到海森堡极限。另外,量 子态本身是很脆弱的,它极易受到环境的影响。基于量子态对环境的敏感性,可以利 用量子系统来对某些变化进行探测,这种应用就是量子传感。利用金刚石色心已经实 现了对微小磁场的测量,并达到了极高的精度。量子传感和精密测量已经处于应用的 前夜。

(三)产业和社会影响分析

量子信息会动摇和改变微电子技术在现行信息技术体系中的基础性地位,对架构其上 的计算机、通信、软件等产业将产生革命性的影响。因而对整个信息技术体系的变革是架 构层和根本性的,并且具有无可估量的发展空间。基于量子传感技术可以实现对光、磁场、 重力和角速度等诸多物理量的高精度传感测量,在科学研究和国防与经济建设等众多领域 都具有广泛的应用前景。正如相对论造就了核动力与核武器,量子信息技术造就的量子计 算机、量子通信、量子雷达等,势必在未来重新涂抹战争的面孔。

(四)我国实际发展状况

我国在量子信息领域的研究起步较早,基本能做到与国际同步,并且在某些方面能够 领先国际水平,但各个方向发展不平衡。

我国在量子技术方面有很好的科研积淀,在量子密钥分发的实用化方面已跻身世界前 列,处于全球领先水平。在量子模拟方面近来也能与国际水平同步,特别是光学系统的量 子模拟、NMR 系统和冷原子光晶格系统中的工作。在金刚石色心的量子传感研究中也处 于领先水平。

然而,在量子计算和量子精密测量方面我们与国际最高水平之间有不小的差距,这两 方面都需要长期的资金支持,需要有一个积累的过程。这些年,国内这两方面的研究水平 也在迅速提高,已开展离子阱系统、约瑟夫森结系统、金刚石色心和量子点系统的量子计 算研究。离子阱、金刚石色心和超冷原子中的精密测量工作也正在开展。

(五)技术研发障碍及难点

1. 量子保密通信

量子隐形传态技术尚不成熟,是量子信息领域理论研究和实验探索的前沿热点。基于量子密钥分发的保密通信近年来在技术研究和试点应用等方面发展迅速,但应用推广和产 业发展仍然存在瓶颈和局限。量子存储和量子中继技术目前仍处研究探索阶段。

2. 量子极速计算

量子计算技术发展整体处于基础理论验证和原理样机研发阶段,距离真正实用化 的通用量子计算机仍有一定距离。寻找阈值更高、更便于实现、更高效的量子编码仍 然是未来一段时间内量子计算理论中的重要问题,特别是针对特定的实验系统的编 码。目前在固态系统中实现可控的马约拉纳零模交换仍然难以满足,需要发展新的实 验技术

3. 量子精密传感

基于量子传感技术可以实现对光、磁场、重力和角速度等诸多物理量的高精度传感测 量,有望应用于科学研究和国防与经济建设等众多领域,目前在技术上仍需解决工程化和 实用化等问题。

(六)发展所需的环境、条件与具体实施措施

发展量子信息技术是抢占国际竞争制高点的战略选择,应从国家战略需求出发前瞻布 局、集中力量、加大投入,着重解决量子信息技术发展中的关键技术问题,提升核心竞争 力,做好颠覆性创新的重要推手。

1)优化资源、完善布局,从国家层面制定和实施量子信息战略。从国家网络安全与 信息化的角度,将量子信息技术作为国家必须优先发展的战略目标,制定国家战略作为总 体规划来指引、协调各方行动,加强在量子信息重点方向的科研布局,聚焦重点任务有效 配置资源,开展集智攻关,以实现重大突破。

2)建立产、学、研技术合作与转化机制,加速量子信息产业化。围绕量子信息技术 开展重大任务的同时,设立高层次指导委员会,探索跨部门、跨领域的创新协作机制,破 除机构制度藩篱,协调政府部门、科研机构、产业机构,建立产、学、研技术合作与转化 机制,鼓励中小型企业积极参与技术研发,特别是研制纠缠光子源、单光子探测器等多种 量子应用所需要的关键器件,为量子信息技术产业提供创新活力。

3)培养和吸引优秀人才,建立世界一流的量子信息人才队伍和创新团队。科技强国 都很重视量子信息技术人才的培养和竞争,目前我国在量子通信方面拥有以潘建伟团队为 代表的世界一流团队,但在量子计算、量子传感等方面还缺乏足够优秀的人才,特别是国 际一流的领军人才,因此需要多方面壮大我国量子信息所需的人才队伍。按照创新规律培 养和吸引人才,按照市场规律推动人才有序流动、共享人才资源,实现人尽其才、才尽其 用、用有所成,营造促进人才发展的良好环境和机制。

(七)技术发展历程、阶段及产业化规模的预测

1. 走向大规模应用的量子保密通信

近年来,量子通信得到各国高度重视,成为未来制高点。多家大型跨国企业均投入大 量资本,推动量子通信技术的研发。中国量子通信技术走在世界前列,已经从实验室演示 走向产业化和实用化。其中最有代表性的就是量子通信卫星“墨子号”和量子通信加密光 纤链路“京沪干线”。

据预测,预计 5 年内可突破量子中继器核心技术,实现点对点安全量子通信;5~10 年 实现远距离量子网络和量子信用卡;实现有加密和窃听检测功能的量子中继器,融合量子 通信与经典通信保卫互联网安全需要 10 年以上时间。

2. 进入研发关键期的量子计算

近年来,欧美等发达国家政府和科技产业巨头大力支持量子计算技术研究,取得一系 列重要成果并建立领先优势,我国也开始重视并加强量子计算领域的科研投入。

据预测,有误码检测保护或拓扑性保护的逻辑量子比特位操作和量子计算机新算 法可于近 5 年出现;与小量子处理器的执行技术相关的量子计算算法,用大于 100 物 理量子比特的,有特定用途量子计算机解决化学和材料科学难题预计要 5~10 年;实 现集成量子电路和低温经典控制硬件,通用量子计算机超过传统计算机的计算能力需 要 10 年以上。

3. 进入商用阶段的量子传感

以量子陀螺仪、量子雷达、量子重力仪和量子磁强计等为代表的新型量子传感器,在 国防建设和军事应用领域极具战略价值,受到世界各国政府和研究机构的重视,在解决工 程化和实用化等问题后,有望在关系国家安全和国计民生的重点领域率先应用。

据预测,健康监测、地质调查、安防设备中的重力和磁传感器等小应用程序中的量子 传感器,针对高频金融交易中进行时间戳操作的更加精准的原子钟有望在 5 年内看到;针 对汽车、建筑工程等更大量应用的量子传感器和量子导航手持设备在 5~10 年内可能会面 世;基于引力传感器的重力成像设备,将量子传感器集成到移动客户端应用中的技术估计 要 10 年以上达成。

        二、人工智能技术         

(一)技术说明

人工智能技术可以分为基础设施层、技术研发层和应用层。

基础层主要包括计算硬件(AI 芯片)、计算系统技术(云计算、大数据和 5G 通信) 和数据(数据采集、标注和分析)。

技术层面,我们可以从三个维度来理解:算法理论(机器学习算法、类脑算法)、开 发平台(基础开源框架、技术开放平台)和应用技术(计算机视觉、自然语言理解和人机 交互)。

在人工智能的应用上,可以是系统层面,比如电子商务、智能城市、智能医疗、 智能交通、智能物流、智能制造、智能电网、智能社区、智能经济、数字图书馆;可 以是产品层面的,如无人机、无人车、机器人、智能手机、智能游戏、穿戴式设备、 AR/VR 等。

(二)研发状态和技术成熟度

1. 基础支撑层

国际 IT 巨头长期盘踞,中国初创企业很难进入 在人工智能领域,传统的芯片计算架构已无法支撑深度学习等大规模并行计算的需求,这就需要新的底层硬件来更好地储备数据、加速计算过程。基础层主要以硬件为核心, 其中包括 GPU/FPGA 等用于性能加速的硬件、神经网络芯片、传感器与中间件,这些是 支撑人工智能应用的前提。这些硬件为整个人工智能的运算提供算力,目前多以国际 IT 巨头为主。在这一领域还有众多的初创公司,如中星微、寒武纪以及西井科技等,但在产 业布局能力和研发实力方面还不可与这些巨头匹敌。

2. 技术驱动层

算法和计算力成主要驱动力,开源化是趋势

技术层是人工智能发展的核心,对应用层的产品智能化程度起到决定性作用,在 这一发展过程中,算法和计算力对 AI 的发展起到主要推动作用。技术层主要依托基 础层的运算平台和数据资源进行海量识别训练和机器学习建模,以及开发面向不同领 域的应用技术,包含感知智能和认知智能两个阶段。在此基础上,人工智能才能够掌 握“看”与“听”的基础性信息输入与处理能力,才能向用户层面演变出更多的应用 型产品。

3. 场景应用层

AI 与场景深度融合,领域应用更加广泛 应用层主要是基于基础层与技术层实现与传统产业的融合,实现不同场景的应用。随着人工智能在语音、语意、计算机视觉等领域实现的技术性突破,将加速应用到各个产业 场景。应用层按照对象不同,可分为消费级终端应用以及行业场景应用两部分。消费级终 端包括智能机器人、智能无人机以及智能硬件三个方向,场景应用主要是对接各类外部行 业的 AI 应用场景。

(三)产业和社会影响分析 

1. 推动产业转型和变革

智能化是当前推动各国产业升级转型的引擎。近年来,我国制造业面临劳动力和原材 料成本上升的双重压力,传统层面的人力以及成本优势逐渐消失,产业转型迫在眉睫。人 工智能技术有助于提高我国现有产业的运营效率和竞争力,同时创造出更多提高我国现有 产业的运营效率和竞争力,同时创造出更多提高社会运行效率并吸收大量就业人口的新业 态,促进实现产业变革。

2. 打造未来国防军事的“撒手锏”

在国防军事领域,人工智能技术正被用于打造作战机器人、智能战斗机、杀伤性无人 机、大数据情报、网络攻防武器等“撒手锏”,这将导致新型作战力量的产生。美俄等军 事强国都把人工智能视为改变游戏规则的颠覆性技术。其中,美国明确把人工智能和自主 化作为第三次抵消战略的两大技术支柱,而俄罗斯把发展人工智能列为装备现代化的有限 领域。

3. 掀起科研创新模式新革命

近年来,科学研究模式在各种新兴技术的支持下发生了巨大变化,人工智能将进一步 掀起科研模式的新革命。在机器学习算法的帮助下,科学家利用以往不成功的实验数据预 测了新材料的合成方法,其效率超过了经验丰富的科学家。IBM 公司正在与多家癌症研 究机构合作,利用其 Waston 认知计算平台加速癌症研究与药物开发。量子物理学家借人 工智能技术更好地完成了量子力学实验设计,取得了人类科学家难以实现的实验效果。

4. 多方面颠覆生活方式

目前,人工智能对人类社会在劳动就业、医疗健康、家居生活、交通运输、教育培训、 伦理道德、艺术文化等众多方面的影响已开始显现,并可能进一步深刻改变社会结构、法 律制度、思想观念等。Google 等公司研发的自动驾驶技术有望将因人为错误引起的致命 事故减少 94%;北京市政府借助人工智能技术帮助缓解空气污染问题;美国佐治亚理工学 院推出的人工智能助教改变教学模式、提升了教学效果;Google 公司的人工智能系统已 开始音乐和绘画创作。

(四)我国实际发展状况及趋势

当前,国内的人工智能在基础设施层面主要依赖国际 IT 巨头,国内初创公司很难进 入市场。基础层主要以硬件为核心,其中包括 GPU/FPGA 等用于性能加速的硬件、神经 网络芯片、传感器与中间件,这些是支撑人工智能应用的前提。

国内企业陆续推出应用层面的产品和服务,比如小 i 机器人、智齿客服等智能客服, “出门问问”、“度秘”等虚拟助手,工业机器人和服务型机器人也层出不穷,应用层产品 和服务正逐步落地。长虹、美的、格力等都在向智能制造转型,试图立足“Smart Home”, 将人工智能和智慧家庭更紧密地结合在一起。

国内的人工智能技术平台在应用层面主要聚焦于计算机视觉、语音识别和语言技术处 理领域,国内技术层公司发展势头也随之迅猛,其中的代表性的企业包括科大讯飞、格灵 深瞳、捷通华声(灵云)、地平线、SenseTime、永洪科技、旷视科技、云知声等。

中国人工智能应用将在服务机器人领域迎来突破。服务机器人基于日常生活中的广泛 需求,有着广阔的市场空间。根据前瞻产业研究院发布的《2018~2023 年中国服务机器 人行业发展前景与投资战略规划分析报告》,到 2023 年,个人/家用服务机器人销售额达24.1 亿美元。

(五)技术研发障碍及难点

1. 数据流通和协同化感知有待提升

基础设施层的仿人体五感的各类传感器缺乏高集成度、统一感知协调的中控系统, 对于各个传感器获得的多源数据无法进行一体化的采集、加工和分析。未来突破点将发 生在软件集成环节和类脑芯片环节。一方面软件集成作为人工智能的核心,算法的发展 将决定着计算性能的提升。另一方面,针对人工智能算法设计类脑化的芯片将成为重要 突破点。

2. 强人工智能尚未实现关键技术突破

在技术研发层,目前取得的进度依然属于初级阶段,对于更高层次的人工意识、情绪 感知环节还没有明显的突破。未来突破点将发生在脑科学研究领域。要对真正的分析理解 能力进一步地研发,从大脑的进化演进、全身协调控制等领域实现。

3. 智能硬件平台易用性和自主化存在差距

应用层的智能硬件平台,服务机器人的智能水平、感知系统和对不同环境的适应能力 受制于人工智能初级发展水平,短期内难以有接近人的推理学习和分析能力,难以具备接 近人的判断力。

(六)发展所需的环境、条件与具体实施措施

营造开放的市场环境,鼓励中小企业开展科技创新。人工智能颠覆性技术创新的主 力是企业,特别是正在创业的中、小企业。中小企业规模小,灵活方便;专业化程度高, 开展技术创新快捷省时,效率较高;管理层次少,凝聚力强,富于合作精神;对产品技 术创新的需求更高,创新的意识更强,在人工智能领域具有潜在优势。随着科学技术的发展,产品的竞争越来越多地表现为技术创新的竞争,特别是颠覆性技术创新的竞争。 谁拥有颠覆性技术创新的成果,谁就占有了市场的绝对优势,而市场的开放程度,往往 决定这种竞争能否带来何种创新的效果。因此,只有做到市场的充分开放,才能催生颠 覆性技术创新。

(七)技术发展历程、阶段及产业化规模的预测

全球对人工智能的关注度不断提升,市场对各类语音识别、机器视觉等弱人工智能产 品的需求得到进一步释放,全球市场呈现快速发展的态势。据中国信息通信研究院数据, 2017 年我国的人工智能产业规模已经超过 200 亿元。预计到 2020 年,全球人工智能市场 规模将达 183 亿美元,年均增长 20%。

语音识别领域将快速实现商业化部署。通过利用机器学习技术进行自然语言的深度理 解,一直是工业和学术界关注的焦点。在人工智能的各项领域中,自然语言处理是最为成 熟的技术,由此引来各大企业纷纷进军布局。在未来 3 年内,成熟化的语音产品将通过云 平台和智能硬件平台快速实现商业化部署。

行业应用集中于金融、电信、教育、消费电子。国内企业的人工智能应用格局中, 主要分布在基于语音识别和服务机器人的家庭服务、教育和消费电子领域。总体而言, 国内应用市场处在从技术研发向产品应用的过渡阶段,行业覆盖广阔但产品接受度有待 市场验证。

        三、移动互联网技术        

(一)技术说明

移动互联网为信息技术及其产业发展“开疆扩土”,不断孕育颠覆传统的新业态、新 市场、新规则和新观念,同时也悄然改变着信息技术体系中核心要素间的配置关系,培育 了诸如云计算、大数据、物联网等新一代信息技术和相关产业,是我们身边正在发生、仍 将产生颠覆性创新的重要领域。因此,可以说移动互联网是最有可能产生颠覆性技术的领 域之一。

(二)研发状态和技术成熟度

移动互联网技术先后经历了以 2G 和 WAP 应用为主的萌芽期、以 3D 网络和智能手机 为主的培育期和高速成长期,目前已进入以 4G 网络建设为主,5G 网络牵引的全面发展 期。移动购物、移动游戏、移动广告、移动支付、移动搜索、移动支付、移动医疗、产业 互联网等移动互联网平台服务、信息服务等领域不断涌现的业态创新将推动移动互联网产 业走向应用和服务深化发展阶段。

(三)产业和社会影响分析

第五代移动通信(5G)已成为当前和未来全球业界的焦点,将引领移动互联网进入 新时代。5G 是一个崭新的、颠覆性的起点,将满足全球对整个产业升级的期待。5G 不仅 仅是通信行业向前迈出的革命性的一步,也将为各行各业创造前所未有的商机。伴随着 5G 网络的出现,将大力支持物联网技术的发展。随着移动性不再仅限于智能手机,5G 正 在成为我们一生中可能见到的最具影响力的技术变革之一。5G 是一个极具灵活性的网络, 将使万物互联,并与所有人相连。受益于通信、计算以及垂直行业相互融合带来的乘法效 应,它将带来无人驾驶、虚拟现实、数字医疗、智能家居、智慧城市等新一代的体验,引 爆全新的应用场景和商业模式,开启万物互联时代。

(四)我国实际发展状况及趋势

(1)移动互联网产业呈现快速增长,整体规模将实现跃升 移动互联网正在成为我国主动适应经济新常态、推动经济发展提质增效升级的新驱动力。我国移动互联网市场规模迎来高峰发展期,总体规模超过 1 万亿元,移动购物、移动 游戏、移动广告、移动支付等细分领域都获得较快增长。其中,移动购物成为拉动市场增 长的主要驱动力。受市场期待和政策红利的双重驱动,移动购物、移动搜索、移动支付、 移动医疗、车网互联、产业互联网等领域的蓝海价值正在显现。未来,移动互联网经济整 体规模将持续走高,移动互联网平台服务、信息服务等领域不断涌现的业态创新将推动移 动互联网产业走向应用和服务深化发展阶段。

(2)大数据、云计算、物联网、移动互联网技术的深度融合拓宽企业的组织边界,推 动移动互联网应用服务向企业级消费延伸以物联网、云计算、大数据为代表的新一代信息技术的飞速发展,与我国新型工业化、 城镇化、信息化、农业现代化建设深度交汇,对新一轮产业变革和经济社会绿色、智能、 可持续发展具有重要意义。目前我国已成为全球物联网最大市场,并成为产生和积累数据 量最大、数据类型最丰富的国家之一。工业和信息化部将继续加大投入,加强信息基础设 施建设;加强数据共享,促进跨行业融合发展;探索创新模式,推动规模化应用。加快物 联网与移动互联网、大数据、云计算等新业态融合创新,推动信息化与实体经济深度融合 发展,支撑制造强国和网络强国建设。

(3)移动互联网应用创新和商业模式创新交相辉映,新业态将拓展互联网产业增长新 空间随着移动互联网的崛起,一批新型的有别于传统行业的新生企业开始成长并壮大,也 给整个市场带来全新的概念与发展模式,打破了固有的市场格局。互联网思维受到热捧, 各行各业开始了在移动互联网领域的各种“创新”、“突破”之举,以求实现真正的突破。在传统工业经济向互联网经济转型过程中,旧有的社会经济规律、行业市场格局、企业经营模式等不断被改写,不可思议地叠加出新的格局。在制造业领域,工业智能化、网络化 成为热点;在服务业领域,个性化成为新的方向;在农业领域,出现“新农人”现象。

(4)移动互联网正在催生出新的业态、新的经济增长点、新的产业 移动支付、可穿戴设备、移动视频、滴滴专车、人人快递等新的应用创新和商业模式创新不断涌现,引发传统行业生态的深刻变革。从零售、餐饮、家政、金融、医疗健康、 到电信、教育、农业,移动互联网在各行业跑马圈地,改变原有行业的运行方式和盈利模 式,移动互联网利用碎片化的时间,为用户提供“指尖上”的服务,促成了用户与企业的 频繁交互,实现了用户需求与产品的高度契合,继而加大了用户对应用服务的深度依赖, 构建形成“需求-应用-服务-更多服务-拉动更大需求”的良性循环。随着企业“以用户定 产品”意识的提升、移动互联网用户黏性的增强和参与热情的高涨,未来,移动互联网应 用创新和商业模式创新将持续火热,加速推动各行各业进入全民创造时代。

(五)技术研发障碍及难点

1)5G 芯片:5G 芯片是决定未来移动互联网应用的核心技术,当前我国在 5G 芯片 领域仍然面临关键核心技术缺失、成熟的商用工艺支撑不足、产业链上下游协同性不够等 问题。

2)5G 网络安全:未来 5G 网络将提供对与海量用户访问的支持,但是由于网络中海 量用户的接入需求,服务器端可能也会接收到来自海量用户的安全认证需求,这将可能面 临针对海量用户加密方法、加密服务器性能以及新的感知网络、人工智能病毒攻击带来的 安全问题。

3)云计算硬件:云计算平台将是未来 5G 网络建设中十分重要环节,通过云计算处 理时效性强的数据、处理多样化的业务、产生功能多样化的连接方式,全面实现信息通信 技术的智能化。我国在云计算的服务器、存储系统、云终端等硬件平台上仍然面临被国外 企业“卡脖子”的风险。

(六)发展所需的环境、条件与具体实施措施

(1)加快推进移动宽带基础设施建设 国宽带基础设施建设相对滞后,普及率、网速、价格等方面与发展国家仍存在较大差距,成为移动互联网产业发展的重要因素。宽带基础设施建设和升级改造亟待加强。要加 快实施宽带中国战略,推进城镇光纤到户和行政村宽带普及服务,尤其注意加快农村互联 网宽带普及率。积极推进新一代移动通信网络建设与布局,提高移动 4G 普及率,加快 5G 研发和试商用。要扩大公共区域无线局域网覆盖范围,免费公用 WiFi 和收费商用 WiFi 相结合,提高宽带接入服务质量。

(2)加强移动互联网关键技术攻关 通过设立专项资金,推进移动智能终端产业关键技术研发和产业化,重点支持智能手机、智能电视、智能手表等操作系统研发和核心处理芯片、电源管理芯片等芯片研发,支 持智能手机、平板电脑、智能电视、可穿戴设备等终端产品的技术研发与产业化,支持跨 终端跨屏幕操作系统平台、开发与测试工具、搜索引擎、信息技术服务支撑工具等基础软 件技术开发。

(3)打造移动互联网产业生态圈 加快制定并出台相关政策,围绕移动智能终端产业关键环节核心技术突破和服务能力提升,加强对互联网企业的技术合作和产业分工引导,鼓励终端制造商、软件提供商、电 信运营商与移动互联网服务商之间在各个环节加强合作,充分利用本土企业创新优势,推 动我国移动智能终端产业整合发展,构建“终端 + 软件 + 服务”整体产业格局,形成良 性互动的互联网和移动互联网产业发展生态圈。支持建设第三方内容服务平台,促进各类 平台开放融合,在终端接入方式、接入内容、接入对象等方面实现开放与共享。积极引导 建立产业联盟或企业战略联盟,广泛开展与产业链上下游的企业合作,实现优势互补、资 源互换、风险共担、利益共享,提高平台竞争力,通过产业链上下游合作提升我国在利润 分配中的竞争地位,促进产业健康快速发展。

(4)建立信息安全评测体系 为引导移动智能终端产业的健康发展,我国要依据现有的安全问题根源,从智能终端安全、移动应用安全两个方面入手,建立完善的信息安全评测体系。一方面通过技术手段, 评测智能终端的硬件安全、系统安全、预置应用安全、接口安全;另一方面从移动应用软 件安全、移动应用软件商店安全、移动应用第三方业务系统安全等三方面评测移动终端安 全,从而从终端侧、应用服务侧联合解决信息骚扰、隐私窃取、恶意吸费、木马侵入等安 全问题,并指导和敦促相关企业整改,保证移动终端信息安全。

(七)技术发展历程、阶段及产业化规模的预测

(1)萌芽期(2000~2007 年)

该时期由于受限于移动 2G 网速和手机智能化程度,中国移动互联网发展处在一个简 单 WAP 应用期。在移动互联网萌芽期,利用手机自带的支持 WAP 协议的浏览器访问企 业 WAP 门户网站是当时移动互联网发展的主要形式。

(2)成长培育期(2008~2011 年)

随着 3G 移动网络的部署和智能手机的出现,移动网速大幅提升初步破解了手机上网 带宽瓶颈,简单应用软件安装功能的移动智能终端让移动上网功能得到大大增强,中国移 动互联网掀开了新的发展篇章。

(3)高速成长期(2012~2013 年)

进入 2012 年之后,由于移动上网需求大增,安卓智能操作系统的大规模商业化应 用,传统功能手机进入了一个全面升级换代期,以三星、HTC 为代表的传统手机厂商, 纷纷效仿苹果模式,普遍推出了触摸屏智能手机和手机应用商店,由于触摸屏智能手机 上网浏览方便,移动应用丰富,受到了市场极大欢迎。智能手机规模化应用促进移动互联网快速发展,激发了手机 OTT 应用,以微信为代表的手机移动应用开始呈现大规模 爆发式增长。

(4)全面发展期(2014 年至今)

随着 4G 网络的部署,移动上网网速得到极大提高,上网网速瓶颈限制得到基本破除, 移动应用场景得到极大丰富。4G 网络建设让中国移动互联网发展走上了快速发展轨道, CNNIC 数据显示,截止到 2016 年 6 月底,中国移动互联网用户已经达到了 6.56 亿人。目前,第五代移动通信(5G)已成为当前和未来全球业界的焦点,将引领移动互联网进 入新时代。美国高通公司指出,5G 技术将成为和电力、互联网等发明一样的通用技术, 催化未来的转型变革,重新定义工作流程并重塑经济竞争优势规则。根据市场调研机构 HIS Markit 发布的 5G 经济报告,到 2035 年,5G 将在全球创造 12.3 万亿美元的经济产出, 同时创造 2200 万个工作岗位。针对新兴 5G 技术,许多国家和地区都部署了详细的 5G 发 展规划,全球领先企业和电信运营商也都在积极推进 5G 研发与测试。

        四、基因编辑技术        

(一)基因编辑概述

基因编辑就是通过对细胞基因组中目的基因的一段核苷酸序列甚至是单个核苷酸进 行替换、切除,增加或者是插入外源的 DNA 序列,使之产生可遗传的改变。与射线或化 学诱变剂导致的 DNA 随机突变不同的是,基因编辑技术是定向改变基因的组成和结构, 具有高效、可控和定向操作的特点。最近几年基因编辑技术迅猛发展,其中,CRISPR 无 疑是近年来科学界最热门的话题之一。2013 年,科学家们宣布 CRISPR/Cas9 技术能够 对真核活细胞进行精准有效的基因组编辑,被《科学》杂志列为年度十大科技进展之一。目前,该技术被全球数以千计的实验室运用于多个物种的基因组编辑以及癌症的相关研 究中,如创建人类遗传疾病和癌症的复杂动物模型,在人类细胞内进行全基因组筛选从 而精确定位作用于生理过程的具体基因,开启或关闭某个特定基因的作用,改变植物的 基因等。

当前,基因编辑技术已得到欧美等发达国家政府的重点投入,积极从国家战略上对基 因编辑进行重点支持,特别是美国在 2015 年 12 月,委托美国科学院联合中国科学院和英 国皇家学会召开“基因编辑峰会”,讨论基因编辑政策和伦理监管。发达国家企业界也对 基因编辑医学应用进行重点研发,例如诺华制药等公司投资超过 30 亿美元开发基于基因 编辑的 CAR-T 技术。全球约 5800 名学者参与 CRISPR/Cas9 领域相关的研究工作,基因 编辑技术领域形成了以哈佛大学-麻省理工学院-霍华德·休斯医学研究所为核心的美国研 究集群、以中国科学院-清华大学-北京大学为核心的中国研究集群、以法国国家科学研究 院-法国国家健康和医学研究院-伦敦大学-牛津大学为核心的欧洲研究集群、以京都大学- 广岛大学-东京大学为核心的日本研究集群。

(二)基因编辑社会影响分析 

1. 基因编辑技术将开辟疾病防治新路径

基因组与基因的编辑技术将开辟疾病防治新路径。基因组学技术的兴起、分子诊断和 基因检测技术的提升为疾病精准诊治带来了新手段,也为精准医学发展提供了技术支撑。 基因编辑技术的发展,将使得对人类基因组进行插入、敲除等修饰易如反掌。人们在遵守 伦理道德的前提下,可根据需要纠正有害的基因突变,这将为罕见遗传病、肿瘤等疾病的 基因治疗提供新的手段。

2. 基因编辑是跨学科与转化研究、精准医学研究新的驱动力

基因编辑技术的飞速发展为基因功能研究工作提供了更多有力的工具,为生物学研究 及医学治疗领域带来革命性的变化。基因编辑是生命科学与医药跨学科及转化研究的重要 平台。基因编辑技术在构建基因敲除动物模型、遗传性疾病研究、抗病毒研究、癌症研究、 功能基因筛选、转录调控研究、单分子标记研究和基因治疗研究等领域中有着广泛应用。 基因编辑技术刚刚开启人体试验,展现出转化前景,是跨学科与转化研究的重要对象;为 实施精准医学、转化医学提供了重要基础和手段。

3. 基因编辑的临床安全和伦理监管问题不可轻视

(1)临床安全问题 目前已经有案例将人类基因编辑技术成功应用于临床,让人们看到了该项技术的应用前景,但是技术本身的不确定性、效率和安全性的问题以及伦理方面的问题仍然困扰着基 因编辑技术的发展。如果应用人类基因编辑技术永久性地改变人的遗传物质中的基因序 列,对后代将产生多大的影响,这是所有人都很担心的一个问题。因此,基因编辑若要能 够用于人类疾病治疗,就必须确保其临床安全性。

(2)伦理与监管问题 近年来,基因编辑技术的发展、现状、未来的潜在应用和风险,基础科学研究对其发展的作用,该技术涉及的伦理、法律和社会影响以及国际和国家管理规则和原则等问题在 国际范围内得到了更为广泛的关注。2015 年 12 月 3 日,人类基因编辑国际峰会在美国首 都华盛顿闭幕,会议讨论的最大焦点是国际科技界是否可以发展有医学用途的人类胚胎基 因编辑技术,是否应采取措施禁止发展该项技术。与会的多数学者和专家认为,鉴于该技 术将带给人类治疗诸多遗传疾病的巨大潜力和好处,理应在规范的前提下谨慎发展和完善 该技术和开展相关基础研究工作。

(三)基因编辑的政策监管分析 

1. 国外监管现状

(1)美国

一直以来,美国都高度重视对基因编辑相关研究的监管,早在 1974 年,美国联邦政 府即指定(NIH)作为 rDNA 研究监督的机构,并在 NIH 成立了重组 DNA 咨询委员会。在安全地推动基因治疗发展的同时,为更好地适应基于基因疗法、基因编辑等新兴生物技 术地进步及其相关医疗产品的上市管理新需求,美国在不断更新其监管制度。2018 年 7 月, FDA 发布了一套与基因治疗相关的指导文件草案,就长期随访和临床开发路径等问题提 出了新的指导意见,涉及血友病、眼科适应征和罕见病。

2017 年 2 月,美国国象科学院,工程和医学院(人类基因组编辑委员会)颁布《人 类基因组编辑科学、伦理及监管》报告,总结了基因编辑当前应用情况和面临的政策问题, 提出对人类基因组编辑监管的总体原则和建议,其中监管建议就包括只有存在一个能够严 格限制使用范围的监督体系时,才允许将生殖细胞(遗传)编辑用于防治重大疾病或残疾 的临床研究试验。

(2)欧盟

2017 年 3 月,欧洲科学院科学咨询理事会(EASAC)发布报告,分析欧盟基因编辑 的科学机遇、公众利益和政策选择。报告建议欧盟在植物、动物、微生物及医疗领域开展 基因编辑的开创性研究。

欧盟提出监管的主要原则为监管要基于科学证据,综合考虑收益与风险,并对未来科 学进步保持适当、足够的灵活性。

1)需要加强基础研究和临床研究,遵照适当的法规和伦理规则。如果在研究过程中, 人类早期胚胎或生殖细胞经过了基因编辑,则经编辑的细胞/胚胎不能用于建立妊娠。EASAC 承认,欧盟委员会不资助胚胎基因编辑研究的决议目前坯不可能改变。

2)需要了解体细胞基因编辑的临床应用的风险(如编辑错误)与可能收益,应在现 有和不断发展的监管框架内对其进行严谨的评估。

3)生殖细胞基因编辑的临床应用将带来很多重要的问题,包括编辑错误或不完整的 风险,预测有害效果的难点在于,既要考虑个人遗传改变也要考虑下一代遗传改变的责任, 以及在预防和控制疾病以外进行生物增强可能加剧社会不平等或被强制利用的可能性。

2. 我国监管现状

我国目前涉及人类基因编辑基础研究和临床前研究的法规包括《人类辅助生殖技术管 理办法》《人胚胎干细胞研究伦理指导原则》《人类遗传资源管理暂行办法》《基因工程管 理办法》;涉及人类基因编辑临床研究和应用的法规包括《涉及人的生物医学研究伦理审 查办法》《人的体细胞治疗及基因治疗临床研究质控要点》《人基因治疗研究和制剂质量控 制技术指导原则》。这些条例中,《人的体细胞治疗及基因治疗临床研究质控要点》《人基因治疗研究和制剂质量控制技术指导原则》只涉及人类体细胞基因编辑,并没有明确什么 类型的细胞可用于基因治疗。而直接涉及人类生殖细胞和胚胎的基因研究也只有《人类辅 助生殖技术管理办法》,其明确禁止以生殖为目的对人类配子、合子和胚胎进行基因操作, 并没有明确是否允许人类胚胎、生殖细胞基因编辑的研究,以及是否允许非生殖性目的的 人类基因编辑。

3. 我国基因编辑监管存在的问题

目前,我国在基因编辑监管方面的问题突出表现在医疗卫生机构对科研立项、审查、 过程监管等机制不健全。尽管专家学者们就这种新技术的应用所涉及的伦理问题等进行了 大量的研究和讨论,但是对基因编辑新技术研究与应用方面的规范等监管措施方面依然存 在大量空白,国内外均未出台正式监管法规。具体表现在以下几点:一是无专门人类基因 编辑立法,立法分散,相关规则散落在各个法规之中;二是缺乏明确的立法目的和原则, 没有统一的核心立法理念指导;三是立法层次低,多为部门规章,效力等级低,并没有上 升到法律高度;四是监管不力,没有专门的机构负责批准和许可人类胚胎基因编辑;五是 存在大量空白,相关概念界定尚不明晰,如基因编辑后的胚胎是否属于人体。

4. 我国基因编辑监管的建议

一是加快推进我国的基因编辑立法。目前,我国的基因编辑技术发展迅速,但技术的 研究和应用仍然处于一个相对无序的状态,对在基因编辑技术的应用所涉及的一些伦理问 题进行了研究和讨论,但是法律和规范等监管措施方面依然存在大量空白。建议我国加快 制定专门的“人类基因编辑法”,对人类基因编辑进行立法规制,划定法律的红线,鼓励 合法有序的研究和应用,对违法行为进行严厉处罚。构建“对技术有效监管、对创新有效 促进”的法律保护体系,促进基因编辑技术的健康发展。

二是制定以科学为基础的监管政策。一方面可以参考美国 FDA 分类管理的办法,在 遵循我国法律总体原则和国际共识的前提下,基于风险判断,对基因编辑的不同类别制定 不同的监管办法。另一方面,在监管部门的审批过程中,必须要让具有专业知识的科学家、 临床医生、伦理学家以及生物安全专家等的参与,明确适用范围和禁止对象,设定严格的 边界。

三是科学界定监管机构职责,构筑立体监管体系。考虑成立政府管理下的“人类基 因编辑管理委员会”,负责制定基因编辑研究指南,对人类基因治疗方案的审查和讨论, 并向政府主管部门提供决策建议以及负责所有人类基因编辑研究的风险评估和事前审 查工作。

四是建立利益共同体,加大监管效力。与所有利益相关者进行合作,建立职责清晰、 分工明确的协同机制,协作讨论,审慎推进。协调各单位要加强信息交流、风险研判、资 源共享和决策沟通,提高对各类新兴生物安全威胁的感知、预警和应对处置能力。

五是增加公众参与,建立有效的公众对话机制。公众参与是对新技术进行管理和监 督的重要部分。对于体细胞基因组编辑,必不可少的是,需要推进科学界与公众的对话,科学家应当清楚地表述其研究目的、可能收益和风险管理,让大众正确地了解基因编辑 技术。

        五、合成生物学技术        

(一)合成生物学技术概述

合成生物学是一门多学科交叉的新兴领域,这一技术的出现,为改造生物体提供了更 大的可能。该技术以系统生物学知识为基础,融入工程学的模块化概念和系统设计理论, 综合利用化学、信息科学、物理、生物科学等知识和技术,能够指导化学品合成长的 DNA 片段,改进遗传进程,设计遗传途径,实现对生物系统的精确控制。

合成生物学(synthetic biology)真正的起源可以追溯到 1961 年,Monod 和 Jacob 提 出细胞中存在调节通路使其得以对复杂环境变化产生响应。20  世纪 90  年代,“组学”(omics)时代到来,人类基因组计划及此后兴起的一系列生命“组学”,从根本上提供了 生物体和生命运动的“蓝图”乃至“程序”。在合成基因组方面,2002 年,人类首次合成 病毒。2010 年,美国 Craig Venter 的实验室首次成功合成人工生命体,该实验的成功使“合 成生物学”成为一个热门的名词。

(二)合成生物学现状

1. 合成生物学技术发展态势迅猛

2000 年以来,在 Drew Andy,Jay D.Keasling,James J. Collins 等多人推动下,合成生 物学在生物元件标准化及生物模块的设计和构建方面取得了很大进展,标准化生物元器件 库被建立,控制转录、翻译、蛋白调控、信号识别等各个生命活动的遗传电路也相继被开 发,并有望在实际应用中发挥重要作用。另一方面,J. Craig Venter 研究所(J. Craig Venter Institute,JCVI)于 1995 年开始的最小基因组及合成基因组学研究也于近期取得了突破性 进展。

近年来,合成生物学的发展迅猛。DNA 操作方面,建立了基于内切酶的拼接、位点 特异性重组、基于重叠序列的拼接以及体内 DNA 拼接的方法对 DNA 进行组装;从头合 成 DNA 技术;开发基因组编辑工具,包括 CRISPR/Cas9 基因编辑系统以及高通量基因组 工程等。目前,生物合成学在化学品、医药、能源、环境、农业等领域的大规模应用,对 日常生活和社会的各个方面产生了巨大影响。

2. 全球资金投入增加

合成生物学对人类社会在医药、农业、能源等领域带来重要影响,在生物技术领域具 有巨大的应用潜力,引起世界各国/地区的广泛关注。欧盟、美国先后制定了合成生物学发展战略及规划,并投入大量资金支持合成生物学相关研究,并相继成立合成生物学研究 机构。

至 2017 年 5 月,欧盟资助的合成生物学研究项目共 282 项,经费累计达 5.6 亿欧元, 美国 Federal REPOTER 平台公布的政府对合成生物学的研究经费支持约 4.5 亿美元,虽然 私营部门也积极参与合成生物学的研发,但这一领域主要还是政府投入大量资金,且经费 逐年增加。

3. 合成生物学技术对未来生物医药产业的影响

合成生物学涉及产业界多个方面、多种应用领域,美国国防部在 2013~2017 年科技 发展“五年计划”中将合成生物学列入未来重点关注的六大颠覆性基础研究领域之一,认 为合成生物学在军用药物快速合成、生物病毒战、基因改良、人体损伤快速修复等方面具 有颠覆性应用前景。美国和英国政府对合成生物学研究的资助力度较大。

合成生物学在医药领域已有应用,包括开发人工减毒或者无毒活疫苗、合成噬菌体设 计进行噬菌体治疗、工程化微生物量产小分子化合物、开发新型药物传递系统等。美国伍 德罗威尔逊国际学者中心科技创新计划中的合成生物学项目列表中处于研发阶段的药物 多数处于临床前阶段,仅用于糖尿病肾病治疗的 SER-150-DN 处于临床Ⅱ期。除了基于合 成生物学新药研发之外,通过合成生物学相关技术手段在医药化工领域中可实现大规模生 物转化合成也是研究的热点之一。从世界范围内看,我国在合成生物学研究向医药领域转 化应用方面还有待提高。

(四)合成生物学在我国的发展及趋势

1. 资助力度持续加大

我国国家自然科学基金委员会对合成生物学领域的资助始于 2007 年至 2016 年已资助合成生物学相关项目 121 项,共计经费 1.2 亿元。在面上项目和创新研究群体项目中,均 已投入 3000 万~4000 万元的资助。重点项目和国际(地区)合作与交流项目资助金额均 已超过 1000 万元。

在 973 项目和 863 项目的支持下,主要开展的研究涉及微生物制造、肿瘤治疗和植 物改造等。这些项目目前都取得了显著进展,达到国际领先或首创水平,完成产业转型 变革。

2. 论文与专利发表数量日益增加

我国合成生物学论文的迅速增长期是始于 2010 年,主要源于 973 和 863 等重大研究计划从 2010 年开始相继支持合成生物学研究。同时以“合成生物学”为主题的首届“中 德前沿探索圆桌会议”2010 年在中科院上海生命科学研究院开幕,标志着中国的合成生 物学研究开始步入国际轨道。

在国家知识产权局的专利检索平台通过检索、人工判读的方式获得在我国国家知识产权局申请的合成生物学相关专利 963 件,1987 年国家知识产权局开始有受理合成生物学 专利申请,之后专利申请数量缓慢增长,直至 2013 年,专利申请数量达到峰值 114 件。

3. 研究成果形成突破性进展

目前我国科学家已人工合成 16 条真核生物酿酒酵母染色体中的 4 条,占国际已完成 数量的 66.7%。这意味着我国已经成为继美国之后第二个具备真核基因组设计与构建能力 的国家,这不仅使我国在该领域形成了一系列人工合成的突破性技术和成果,也使我国进 入了国际合成生物技术领域的第一梯队,由“跟跑”阶段进入“并跑”阶段。

(五)技术研发安全风险与伦理问题

合成生物学可能存在的生物安全风险主要包括:一是天然和合成生物在生理学上的差 异会影响它们与周边环境的相互作用,可能会导致有毒物质或其他有害代谢物的产生,对 其他生物和生态环境的安全性产生潜在威胁。二是逃逸到自然环境中的微生物,通常具有 普通生物体所不具有的生存优势,能在自然环境中无限增殖从而对栖息地的生态环境,食 物链或生物多样性产生巨大威胁。三是合成生物可能会快速进化和适应环境,填补新的生 态位。必须要明确合成微生物及其遗传物质进化的速率,以确定生物体是否会在自然环境 中长期存留、传播或者改变习性。四是合成微生物的基因转移。微生物具有与其他生物交 换遗传物质或从环境中摄取免费 DNA 的能力,人工改造导入抗生素抵抗基因的细菌,若 被释放到环境中,易使致病菌具有抵抗抗生素的能力,给细菌感染的治疗造成很大的困难。五是合成生物还有可能被用于制造新的生物武器。

关于合成生物学伦理方面的争议主要涉及制造生命有机体的正当性问题。有关合成生 物学的伦理争议大多集中于两个角度:一是合成生物学家人工制造自然界中不存在的生 命,违背了上帝有关生命法则的旨意以及顺应自然发展规律的伦理;二是合成生物学家人 工合成生命违背了尊重生命的伦理原则。

(六)合成生物学技术发展的环境和条件

1)从基础研究到产品研发的全链条创新布局。我国在合成生物学的基础研究方面取 得重要突破,但合成生物学产品研发能力仍有待提高。不同于国际上大型生物医药公司作 为专利和产品的研发主体,我国在该领域技术研究主要由高校和科研院所完成,医药企业 投入力度不足,一定程度上造成了基础研究和产品研发之间的脱节。建议在关注实验室研 究的同时,鼓励医药企业加大科研投资力度,促进科研成果向医药产品的转化。

2)完善的基础研究与产品研发监管体系。科学进展往往快于政策制定,同时合成生 物学的界限也在不断变化,因此应关注与合成生物学治理和监管相关的问题,建议政府尽 快推动制定合成生物学实验安全技术导则,梳理和完善已有的法律法规。针对合成生物的 安全性建立健全的、规范的技术指南和国家层面的安全法规以及监管体系,建立从宏观政策到法律法规和标准规范的全面管理体系,从研究与应用两方面加强对合成生物学技术的 监管。

3)健全的风险评估制度与科学家自律机制。提倡建立政府监管下的合成生物学家自 律机制,鼓励成立相关的行业协会或科学家组织,订立规则和标准进行风险评估。对于任 何合成生物相关的基础研究和产品研发必须满足规定的安全要求和遵守严格的安全程序。建议设立合成生物安全性评估机构,建立完善系统的评估制度,引导社会认识合成生物的 两面性。

4)促进合成生物学技术包容性发展的良好环境。合成生物学是交叉性学科,既产生 于多个学科,又回馈于这些学科。持续包容对于合成生物学的持续发展十分重要。一方面, 建议与产业界、监管和政策制定机构交流合作,使技术推动与市场拉动相结合。另一方面, 建议引导更多的公众参与合成生物学对话,了解其可能存在的内在风险,讨论有关的生物 安全和伦理问题。

(七)合成生物学技术未来发展预测

以基因组设计合成为标志的合成生物学是继“DNA 双螺旋发现”和“人类基因组测 序计划”之后,即将引发的第三次生物技科技革命。作为引领生物技术产业化发展的颠覆 性技术,合成生物技术将对我国经济社会发展产生重大影响,同时也是我国面向世界科技 前沿、占领新兴产业制高点的战略选择。

未来,随着各元件、模块标准化原则的明确,与之配套的设计方法的建立,操作简易 的合成生物学系统设计的出现,大片段 DNA 合成的通量提高、成本降低,加之自动化实 验平台的成熟,合成生物学有望形成一套从计算机辅助设计基因回路,到各元件、模块的 合成与拼接,到实验验证基因回路功能,到实验数据拟合数学模型并对各元件、模块的参 数进行调整,再到基因回路的进一步优化,这样一个标准化流程。

        六、石墨烯        

(一)技术说明

石墨烯虽然结构简单,却集中了一系列优异的理化性质,如优异的电学性能、出色的 力学性能、极高的导热性、超大比表面积和优异的阻隔性能等,正是这些传统材料所不具 备的特性使得石墨烯有望在诸多应用领域催生出一系列颠覆性技术,可以为一大批传统材 料的性能提升与应用拓展提供有力支撑,并可衍生出一系列性能优异甚至颠覆性的新一代 功能元器件,在新能源、石油化工、电子信息、复合材料、生物医药和节能环保等领域的 应用都可能引起行业的变革,有望成为引领新一代工业技术革命和主导未来高技术竞争的 战略性前沿新材料[15~18]。

(二)研发状态及技术成熟度

1. 石墨烯高频晶体管与芯片

石墨烯高频晶体管研究目前尚处于原型器件研制与原理验证阶段,在实际应用之前依 然面临巨大技术挑战。首先,满足晶体管应用需求的高品质单晶石墨烯的规模化制备技术 仍然是世界性难题;其次,石墨烯的零带隙特征使基于石墨烯的逻辑电路通常开关比较低; 最后,用石墨烯取代硅实现商业应用将需要整个集成电路产业链条上下游各环节均需随之 发生技术变革。因此,各界普遍预期基于石墨烯的新一代芯片技术仍需要 10 年甚至数十 年的培育与孵化[19]。

2. 石墨烯基新一代储能技术

基于石墨烯的结构与物性特点,有望在以下两个领域引发颠覆性技术。 一是具有超高能量密度的石墨烯基锂金属电池[20]。近年来研究发现,利用具有三维结构的石墨烯材料负载金属锂,可显著改善锂的充放电可逆性,抑制锂枝晶生长,从而获得长寿 命、高安全的金属锂负极,进一步与高容量正极材料匹配后,可以研制出能量密度超过 500Wh/kg 的超高比能锂电池,有望彻底颠覆当前的锂离子电池技术。该技术目前尚处于原 理验证与原型器件研制阶段,距离商业化应用还有相当一段路要走。二是兼具高能量密度和 高功率密度的新一代石墨烯基超级电容器。石墨烯具有超高比表面积和开放暴露的表面,电 化学稳定性好,且导电性优异,因此,与活性炭相比,石墨烯具有更高的比容量,更高的工 作电压和更低的内阻,从而可以将超级电容器的能量密度和功率密度提高数倍,有望达到能 量密度超过 80Wh/kg,功率密度超过 50kW/kg 的颠覆性技术水平,这将大大拓展超级电容器 的应用领域,甚至能够满足电磁武器等对储能器件有极端严苛要求的应用需求[21]。

(三)产业和社会影响分析

石墨烯之颠覆性最重要体现在应用石墨烯的新材料和新器件所带来的对传统技术与产 业的变革及其所催生的具有颠覆性的新技术和新产业。其中石墨烯高频晶体管与集成电路是 最受期待的颠覆性技术。以传统半导体硅为基础材料的微电子工业正逐渐逼近它的物理极 限,全球都在寻求下一代信息技术的新载体,凭借其超高的载流子迁移率,有望开发出取代 硅的基于石墨烯的下一代超高频晶体管,从而让集成电路进入全新的碳时代,这将彻底改变 信息技术的面貌,对全世界都将产生深远影响。石墨烯还有望在储能技术领域引发颠覆性技 术革新。石墨烯优异的导电性、巨大的比表面积和独特的二维纳米结构,应用石墨烯可以解 决下一代超高比容量储能材料的技术发展瓶颈,有望将锂电池和超级电容器等电化学储能器 件能量密度提升到新的高度,为解决始终困扰新能源汽车产业发展的电源技术瓶颈提供支 撑。总之,石墨烯在与全球发展息息相关的众多领域都能催生有望改变人类生活的颠覆性技 术与产业,在未来数十年间将持续为推动人类文明进程发挥其不可替代的作用。

(四)研发障碍及难点 

对于石墨烯的颠覆性应用技术而言,虽然全球各国都不断加大研发投入,创新成果也 不断涌现,但从技术和产业层面而言依然存在一些障碍与难点[22]。

1)高品质石墨烯原材料的制备技术尚待突破。石墨烯的颠覆性应用依赖于石墨烯优 异的本征理化性质,因此对于石墨烯原材料的品质要求极高。例如高频晶体管应用就需要 高质量石墨烯单晶。现已规模量产的石墨烯产品品质尚无法满足颠覆性应用的需求,而以 石墨烯单晶代表的高品质石墨烯的制备技术还存在可控性、成本和规模等一系列问题需要 解决,这也是发展石墨烯颠覆性技术中必须攻克的一个关键共性技术难题。

2)石墨烯颠覆性应用的技术成熟度不足。目前,被各界寄予厚望的石墨烯颠覆性应 用技术多尚在研究起步过程之中,按照 1~9 级技术成熟度划分,基本位于 1~3 级的前沿 探索与原理验证阶段,对于这些颠覆性应用的基础科学原理的认识尚不充分,存在很多不 确定性与研发风险,在未来的研发过程中势必有一系列技术难题需要去解决。

3)从技术颠覆走向产业颠覆的巨大挑战。一项颠覆性技术的应用意味着对于传统产 业的全面革新,相关产业链上下游的各个环节都需要随之做出调整甚至发生颠覆。牵一发 而动全身,这其中面临的困难绝不是技术本身所能解决的,需要调动全社会的各方资源来 协同,所以可以预期这将是一个漫长而又充满曲折的过程。

(五)发展所需的环境、条件与具体实施措施

1. 加大石墨烯颠覆性技术的基础研究支持力度

一项颠覆性技术或颠覆性产品的成功背后必然以对传统科学原理与科学认识的创新 突破为基石,因此基础研究在其中将发挥关键作用。目前,国家与地方在相关领域的科技 项目支持相对比较松散,体量也较小,不利于产出颠覆性成果。因此,需要从国家层面集 中优势资源,针对若干重点的石墨烯颠覆性应用技术领域,布局重大科技专项,形成长时 间的滚动、连续支持,以期培育大成果。

2. 创造协同创新的研发体系

颠覆性技术从基础原理到最终形成产业,涉及各个方面的创新要素,将各创新主体割 裂开来显然无法高效驱动研发链条。因此,需要有效地将“政产学研用资”协同创新的体 系建立起来,围绕最终的技术目标,布局优势创新资源,形成优势互补与资源共享,在石 墨烯颠覆性应用领域加速成果产出速度,提升成果产出水平。

(六)预计发展历程、发展阶段及最终产业化规模

尽管近十几年来石墨烯的制备与应用研发取得了长足进步,石墨烯产业也开始初露端倪,但参照传统材料从实验室走向市场的客观规律,例如硅材料产业的发展历程来看,石 墨烯产业化完全发展成熟还需要 5~10 年。而对于颠覆性的石墨烯应用技术而言,其实 现商业化所需的时间会更长。从如下两个阶段对石墨烯颠覆性技术的发展前景进行简单 预测。

1.  2018~2025 年

在新能源领域,应用石墨烯的高比能超级电容器预期将实现规模量产,石墨烯基超高 比能锂金属电池将在长续驶里程电动汽车中实现应用示范。

2.  2025~2035 年

石墨烯单晶预期将实现规模量产。石墨烯高频晶体管技术取得重要突破,基于石墨烯 的下一代芯片问世。应用石墨烯的柔性电子产品将遍及人类生活的各个领域。基于石墨烯 的储能技术已广泛应用于各类型新能源汽车中。新的石墨烯颠覆性应用技术也将持续涌 现,不断改变我们的生活。

        七、超材料        

(一)技术说明 

超材料的重大科学价值及其在诸多应用领域呈现出革命性的应用前景得到了世界 各国科技界、产业界、政府以及军界密切关注,其研究和工程化应用在近年来得到了迅 速发展[23~25]。

1. 超材料透镜

超材料透镜在生物领域、微电子学、光学工程领域都有急切的要求。超材料透镜可以 对病毒和 DNA 分子、细胞等在自然环境中随活细胞管壁活动的快速过程进行直接观察。同时,随着计算机芯片和互联的微电子学器件制造越来越小的器件,对高分辨率的光学仪 器、特别是光刻设备的需求也日趋强烈,超材料透镜的实现为满足这种需求提供了条件[26]。普通透镜只捕获传播的光波,而超材料透镜捕获传播的光波和停留在物体表面顶层的光 波,从而可以获得更完整的信息,使光学和光工程领域获得重大的进展。

2. 超材料全光开关

全光信息技术的原理已趋完善,但在实际应用中面临着一系列器件的实现问题,其中 作为逻辑光路的核心部件的全光开关器件是光信息的核心技术和主要难点。全光开关是通 过光来改变光的传播特性(如强度、传播方向、偏振状态等)的器件。开关阈值和响应速 度一直是基于材料光学非线性的全光开关器件发展的两个主要瓶颈。我国首次提出了基于 超材料的、无非线性过程参与的全光开关的设计思想[27]。基于利用介质超材料中 meta-atom在特定方向上可承载多个不同的多级震荡模态的特性,通过在不同方向施加调制电磁波的 波场,使两束(多束)电磁波导致的电磁谐振模态发生相互耦合,改变介质 meta-atom 中 影响信号波传播的特征谐振模态,进而实现全光调制。

(二)研发状态

1. 超材料透镜

2015 年,美国纽约州立大学布法罗分校设计并研制出了一种可进行单个分子成像和 癌细胞检测的透镜—超材料超透镜。这种由微小的黄金薄片和透明聚合体超材料制成的透 镜能在可见光下工作,并解决传统光学透镜的折射问题。2016 年,美国哈佛大学研制出 了一种仅有纳米厚度的超材料透镜,这种新型透镜由于其轻、薄的性质,有望给光学仪器 带来革命性的变化。2017 年,美国加州理工学院开发了一种新型平面光学透镜系统,该系 统可以轻易地实现批量生产,并且还能与图像传感器进行集成。这一光学透镜系统有望能 为包括手机乃至医疗设备等在内的几乎所有领域,带来更为便宜,更为轻巧的相机[28, 29]。

2. 超材料全光开关

清华大学最近预测并通过实验实验观察到了介质基超材料中两束传播方向相互垂直 和偏振方向均相互垂直的电磁波在介质基超材料中的耦合现象及其对传播特性的影响。研 究表明,在双光束作用下,原有的单光束诱导出的模态将被破坏,形成新的复杂模态,其 谐振频率将发生改变,谐振点附近的超材料的透射光谱发生大幅度改变。并模拟计算出了 介质超材料在两束电磁波照射下的投射参数并总结规律,通过设计不同的参数得到了垂直 方向上同一频率处的谐振模态,初步模拟设计出微波频段的全光开关,获得调制光束作用 下介质透射光谱的改变。在实验方面,利用陶瓷超材料在微波频段透射参数谱测试验证了 其光开关特性。在太赫兹频段的全光开关实验也取得了令人满意的结果。

(三)技术成熟度

1. 超材料透镜

超材料透镜目前在原理上已趋成熟,其中在太赫兹成像等方面已经有了演示性的产 品,在一些军工领域的应用已悄然进行。而光学频段的超材料透镜主要受限于微纳加工技 术,尽管出现了一系列原理性样机,但从制造成本上考虑,量大面广的产品应用还有待时 日。随着微细加工技术的发展及其成本的进一步下降,一个辐射面很广的新型产业群可望 出现。

2. 超材料全光开关

超材料全光开关目前在原理上已趋于完善,在微波和太赫兹频段的演示性实验已经完成,器件的性能优化正在进行中。相关的器件可望在短期内在太赫兹光调控等领域获得实 际应用。但在应用意义较大的看见光领域,还需要解决高介电常数材料的获得和纳米人工 结构单元的制备等难题问题,需要大量的研究工作。

(四)产业和社会影响分析

1. 超材料透镜

超材料透镜可望在材料、生物医学、信息技术等领域获得应用。在材料显微研究方面, 可望实现利用光学显微镜直接观察亚波长、甚至纳米尺度对材料显微结构的直接观察;在 生物领域,在常规显微镜中嵌入超透镜,即大幅度提高了显微镜分辨率,又实现了实时观 测的目的,对生物医学发展大有助益。此外,在安全检测和光学仪器等领域,超材料透镜 都呈现出令人鼓舞的应用前景;在微纳加工领域,基于超材料的完美透镜可实现亚波长尺 度的光刻,一旦实现将使微电子加工技术水平大幅度提高,从而进一步延续集成电路的摩 尔定律,推动信息技术的不断发展。

2. 超材料全光开关

超材料全光开关为全光信息技术提供关键器件,该器件涉及的过程无须改变材料本身 的性质,而只改变超材料的谐振模态性质,因此具有低的开关功率和高的响应速度。其开 关功率在信号功率量级,开关时间在电磁波周期量级。粗略估计,这两个关键指标均优于 非线性过程数个量级。这一新技术可望为解决全光开关的开关阈值和速度这两个重要问题 提供一个突破口,为全光信息技术的实现打开大门,对信息技术的发展产生深远的影响。

(五)研发障碍及难点 

超材料是诸多领域颠覆性技术的源头。然而,超材料作为一大类全新的材料系统,其 研发到产生颠覆性技术则需要解决一系列技术和非技术领域的障碍。

1. 技术障碍和难点

1)具有应用价值的超材料的模拟设计技术:目前超材料的研究以原理性探索为主, 模拟仿真技术基于简单模型和通用的模拟软件,而实际应用的器件设计需要考虑多种因 素、多场耦合和海量计算,各种超材料的专用设计技术尚需进一步发展。

2)超材料制备技术:超材料制备需要精密的材料加工技术,特别是一些超材料(如 太赫兹以上频率的电磁超材料)的制备需要微纳加工技术,这些技术的发展依赖于相关加 工技术的进步。

3)具有应用价值三维大尺寸超材料的工程可行性和服役性能:超材料由大量的人工 结构单元构成,这种单元阵列的可工程化及其服役性能(如力学性能、热性能等)是其应 用的难点。

2. 非技术障碍

1)在一些已经形成技术系统的领域,超材料的应用可能遭遇技术标准的制约;而在 一些尚未形成技术系统的领域,亟待建立相应的技术标准体系。

2)超材料作为一种全新的概念,在学术界、工程界的认同程度尚有待于进一步提 高。一方面,这一概念被滥用,一些不属于超材料的新材料被冠以“超材料”,造成认 识上的混乱;另一方面,少数人望文生义,对超材料产生误解,认为超材料这一概念 有炒作之嫌。这两方面的认识从一定程度上制约了社会对超材料重大技术价值的理解 和认识。

(六)发展所需的环境、条件与具体实施措施

1. 加强投入

加强对超材料及其工程化领域的研发投入:在提高对超材料研究的投入。

2. 通过政策引导推动相关产业

将超材料应用列入各领域国家产业计划中重点发展的领域,培育基于超材料的新型 高新技术产业的形成和发展,促进超材料向信息、能源、国防军工、精密仪器等领域等 渗透。

3. 重视超材料与常规材料和已有技术的融合

超材料与常规材料的融合既是发展新型功能材料、打破常规材料性能极限的重要途 径,也是推进超材料走进已有技术领域的捷径,应重点发展基于超材料思想和常规功能的 新型材料系统,推动这些超材料与已有技术的融合,形成颠覆性技术[30]。

4. 重视超材料的科普工作

通过多种方式,使科技界、工业界以及公众对超材料的科学意义和应用价值有更全面 的理解,增强全社会对这一新兴颠覆性技术的重视,提高企业和国防部门对超材料应用的 积极性。

(七)预计发展历程、发展阶段及最终产业化规模

1.  2018~2025 年

产业形成期,电磁超材料在天线、隐身、电子元器件领域的应用形成规模,产业年复 合增长率达 40%以上,形成产值 500 亿美元的国际市场,带动包括通信、国防军工、交通 运输、机器人等领域近千亿美元的产业集群。其中国内的产业化规模占到 30%以上。

2.  2025~2035 年

产业迅速增长期,电磁超材料、机械超材料、热学超材料、声学超材料等全面进入工 程应用领域,产业复合增长率达到 50%以上,形成 5000 亿美元的国际市场,带动多领域 近万亿美元的产业集群。其中国内的产业规模占到 35%以上。