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2018年世界科技发展回顾

2019
11/01
09:25

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本节选自《科技日报-中国科技网》,版权归原机构所有,由树根互联公号整理并推荐阅读。

2019年或许会很不平常,只因2018年世界主要国家之间关系风云变幻,让科技领域也弥漫着暗战的味道。

美国制定一系列政策维护其“美国优先”,英国投巨资保持其“全球研究人才之家”地位,德国也出台了《高科技战略2025》报告……具体到各学科领域,跨界联合渐成趋势,行业布局合纵连横。

值此新年伊始,总结过去能帮我们更好地面对未来。

科技政策

美国:推出多项科技战略,开启量子“登月计划”

基于“美国优先”理念,美政府2018年相继推出太空、生物、网络等多项科技战略;在具体项目上签署国家量子法案等,力图继续巩固美国科技优势地位。

2018年3月公布的《国家太空战略》将保持美在太空中的实力和竞争力置于优先地位;特朗普在5月和6月接连颁布两个太空政策指令:一方面鼓励私营部门参与美国空间探索任务;另一方面声称要减少太空轨道碎片威胁,力图主导国际空间交通管理。

2017年9月发布的《国家生物防御战略》为维护美国生物安全制定5大目标,并要求成立高规格生物防御指导委员会,负责监督和协调联邦机构和情报界的工作,评估和打击针对美国的生物威胁。9月还出台了《国家网络战略》,提出未来在网络空间巩固美国利益,维护网络安全的优先选项,同时明确美将在网络空间扩张其国际影响力的意图。

在具体科研项目上,美政府推出了一系列政策。如12月发布的国家量子法案,全方位加速量子科技的研发与应用,开启量子领域的“登月计划”,力图确保美在量子信息科学这一“下一场技术革命”中的全球领导地位;同月,特朗普还签署总统备忘录,责成相关部门制定国家频谱战略,以引导美国未来几年的5G网络建设。

英国:启动研究创新计划,支持前沿技术发展

英国国家科研与创新署(UKRI)去年6月启动“未来领导者研究基金计划”,旨在保持英国作为“全球研究人才之家”的地位。该计划将在未来11年获得总额9亿英镑的资助,3年内将启动6项资助,至少550名研究人员受益。

英国自去年7月发布了一系列支持自动驾驶汽车、车联网、清洁能源车辆等技术发展的计划。《移动未来》《最后一英里》等文件,将清洁能源车辆、自动驾驶、车联网等列为未来交通发展的重要趋势。政府决定拨款支持6个自动驾驶汽车相关研发项目。

为支持量子技术发展,英政府2018年10月在2019年预算报告中提出,将拨款2亿多英镑;同年11月宣布将拨款2000万英镑,支持量子传感器、微型原子钟原型、低成本集成芯片和先进接收机等4个量子技术应用项目的研发,以开发适用于通信、测绘等领域的设备原型。

为应对气候变化,英政府11月宣布,本世纪20年代中期将投入运营首个碳捕捉、储存以及利用项目,准备工作从2019年启动,最终目标是到2030年在英国大规模应用碳捕捉技术。

德国:出台高科技战略,加大AI战略实施

2018年德国科技政策最重要的内容之一是出台《高科技战略2025》报告,为德国未来七年高科技创新制定了目标。根据这项战略,德国将在零排放智能化交通领域,推动“安全、网络化清洁交通”的灯塔项目,并支持车用电池生产和合成燃料研究,还将实施一项“自动驾驶”行动计划。在健康和护理领域,实施“国家十年”抗癌计划,为“预防和个性化医疗”开发数字解决方案;在可持续气候保护和能源领域,大幅减少塑料使用对环境的污染,借助大数据和绿色技术,进一步实现工业温室气体中性化;在数字安全领域,将开发“全新的整体IT安全解决方案”,其中量子通信将发挥重要作用;在自动化和先进制造领域,将建立若干卓越中心和尖端研究集群。

作为欧盟内经济和科技实力最强国家,2018年德国在人工智能(AI)领域加大了政策推进力度。德政府宣布到2025年将投入30亿欧元用于人工智能战略的实施,重点资助在人工智能领域新增100名教授和扩展人工智能中心的建设,新的技术将更贴近服务中小新型企业。政府还发表了《联邦政府人工智能战略关键点》《人工智能对德国经济潜在目标》研究报告,举办首次人工智能峰会,推进德国人工智能合作平台的运作。德国确定将重点发展人工智能在工业、交通、医疗和能源领域的研发和应用,另外还将加强人工智能在隐私、法律和道德影响方面的研究,关注新技术的两面性和制定法律框架。

日本:重视科技解决问题,致力“社会5.0”计划

日本为实现“社会5.0”(Society 5.0)计划,充分利用物联网、大数据、人工智能及机器人等技术,实现网络空间与现实世界高度融合的社会,为有需求的人及时提供物质和服务。为此,日本强调利用科学技术解决包括能源制约、少子高龄化等复杂问题,进一步加强基础力量,力图使日本成为“世界上最适宜创新的国家”。

不过,2018年,日本也已意识到科学论文数量减少,以及与其他国家论文数增加相比排名落后的现象。文部科学省所属科学技术学术政策研究所报告称,化学(-12%)、材料科学(-23%)、物理学(-27%)领域的论文减少幅度惊人。、

韩国:改革体制出台计划,力争科技创新国家

“第四次工业革命引领的创新国家”执政理念成为文在寅政府科技和产业政策的基调。2018年,韩对科技体制进行大刀阔斧的改革和调整,新设总统直属的“第四次工业革命委员会”,整合成立国家科学技术咨询会议,科技主管部门“未来创造科学部”更名为“科学技术信息通信部”,赋予科研预算管理、大型科研项目可行性分析等重要职权,“中小企业厅”升格为“中小风险企业部”,加强对中小企业和风险企业的支持。

去年初发布的《第四期科学技术基本计划(2018—2022)》是韩国第四个科学技术五年计划,以“科技改变国民生活”为主旨,对今后五年科技重大战略进行了具体规划。计划选定了120个重点科技项目,其中人工智能、智慧城市、3D打印和大气污染治理等12项为首次入选。

同期发布的《2019政府研发投资创新方案》明确了科研预算的使用原则,对重点领域和主要研发计划、政府资金的扶持方向等进行了细化,突出了12个政府主导的重点研发方向。

俄罗斯:强调科技发展新理念,建设世界级科教中心

俄总统普京在去年3月国情咨文中阐述了俄科技发展新理念和主要思路,包括最短时间内创建先进立法框架、实施第五代数据传输网络和物联网连接建设、建立本国数字平台及使用区块链技术、加快北极开发、加强基础科学研究、加强青年科技人才培养等13个主要方面。

普京5月签发“五月法令”,确定了2024年前国家发展目标,要求俄联邦政府在2024年前建设至少15个世界级科学与教育中心。同月,普京批准俄联邦教育科学部改组为两个部门,其中,负责国家科学、科技和创新活动的俄联邦科学和高等教育部,将拥有原联邦科研机构管理署的职能,负责俄科学院管理工作。

南非:出台科技创新政策,加速驱动经济增长

南非科技部去年9月公布新的《科学技术与创新》政策草案,并提交内阁会议最后审定。新的科技政策白皮书侧重两个主要目标:一是确保南非科技创新工作直接为经济增长、社会发展和转型服务;二是应对全球技术快速进步和其他变化带来的风险和机遇。南非政府认为,新的科技政策将确保科技创新在建设一个更加繁荣和包容的社会中发挥更大的作用,并侧重于利用科技创新加速包容性经济增长,使经济更具竞争力。

南非政府在白皮书中强调,要为人工智能和信息通信技术的进步改变社会和经济运作方式做好准备,南非需要在生物技术、纳米技术、先进制造以及信息通讯技术研究和创新等领域取得进展。

德国先进汽车制造研发园ARENA2036。图片来自网络

信息技术

美国:先进计算加速发展,新型元件成绩斐然

量子计算方面,英特尔公司2018年1月宣布开发出49量子位测试芯片Tangle Lake。此后科学家不断推出新研究成果:证明“自旋—光子强耦合”可让单独量子比特相互作用、制造出可作量子中继器的有瑕人造钻石、构建模块化量子计算架构关键组件、开发出使碳纳米管成为量子单光子源的方法等,有力推动了量子计算系统的开发。美国国家科学技术委员会9月发布《量子信息科学国家战略概述》,志在推动量子信息科学加速发展。

超级计算机方面,“顶点”和“山脊”两台计算机在最新一期全球超级计算机500强榜单中分获冠、亚军,极大增强了美在超算竞争中的底气;能源部4月推出耗资18亿美元的百亿亿次级超级计算机开发计划,更表明美追求超算领域国际领导地位的决心。

此外,美科学家在计算机元器件研发方面也成绩斐然。可将数据中心带宽提高10倍的光电子芯片、具有精准分发光信号能力的硅芯片、基于内存计算技术的AI芯片、可同时存储和处理信息的记忆晶体管等新型元器件的问世,为新型计算机开发打下了坚实基础。

日本:量子技术全面进步,存储理论有新突破

大阪大学、NTT和东京大学的研究小组首次验证了由冷却原子构成的量子存储器与光纤网络构成可通信波段光子的量子网络。该研究成果展示了一条实现量子中继的新道路,为实现量子网络的远程化开辟了新途径,具有抵御利用量子计算机实施的黑客攻击能力的新一代量子密码安全通信又向远程化迈出了一步。

横滨国立大学利用金刚石中氮空位中心的电子和核子的自旋作为量子比特,全球率先成功实现了室温下完全无磁场的条件下的万能量子门操作。这种独特的量子比特完整量子门操作被命名为几何学量子比特,能以更高的速度进行高精度运算。

日本理化学研究所和北海道大学等组成的联合研究小组,发现在没有外部磁场的状态下也会产生磁涡旋,并查明了磁涡旋的形成机制。科学家有望以此为基础,研发以磁涡旋为信息载体的磁存储单元。

德国:量子计算重点发力,基础研究瞄准未来

2018年,德国在量子计算机领域又有新的进展,康斯坦茨大学领衔的团队开发出了一种基于硅双量子位系统的稳定的量子门,这项研究成果被称为通向量子计算机的里程碑;弗劳恩霍夫应用固体物理研究所开发出了一种微磁场下应用的量子传感器,可用于未来计算机硬盘识别。

在信息技术基础研究领域,卡尔斯鲁厄理工学院的研究团队开发出了完全由金属构成的单原子晶体管,为未来信息技术开辟了新的应用前景;凯泽斯劳滕技术大学科学家首次展示了如何在集成振幅回路中使磁子形成电流,这一研究打开了未来磁子芯片的大门。

英国:拟建5G测试平台,超级计算模拟人脑

2018年9月,英国政府宣布,将以西米德兰兹地域的伯明翰、考文垂、伍尔弗汉普顿3个城市为中央,设立相关测试平台,以建设较大规模的5G试点网络。

11月初,英国曼彻斯特大学科学家激活了世界上最强“大脑”——一台拥有100万个处理器内核和1200个互连电路板的超级计算机,它能像人脑一样运作,是迄今最准确模拟人脑的超级计算机。

韩国:基础设施位居前列,技术研发多有亮点

信息技术是韩国的优势领域。韩国的信息技术基础设施继续位居前列。2018年年初平昌冬奥会之前,韩国建成了大规模5G试验网络,预计于2019年初期实现商用化,这一计划进展迅速。

在量子计算领域,韩国学者开发出一种量子弱测量方法,克服了海森堡不确定原理的限制,可以有效应用于量子计算机的运算过程。韩国企业成功研发出处理器“Exynos9”,其搭载了借鉴人类大脑结构的新概念人工智能芯片,可用于手机终端并行处理大量多媒体数据。韩国开发的广视角全息图像技术将信息储存量提升了100倍。

俄罗斯:量子计算蓄势待发,超级计算获得突破

2018年,俄加大对量子计算机和量子通信技术的研发力度:2月在索契召开的“2018俄罗斯投资论坛”期间,俄对外经济银行、VEB创新公司、前景研究基金会、莫斯科国立大学和非营利组织“数字经济”签署协议,计划在5年内研制出50个量子比特的量子计算机;莫斯科物理技术学院科研团队选取碳化硅作为量子发射材料,研发出新型量子发射器,每秒可发射几十亿个单量子,可保证G量级的比特传输速度,未来可用于构建信息安全性更高的量子通信网络。

超级计算机方面,俄杜布纳联合核子研究所3月建成了新型超级计算机“格沃伦”,其理论浮点运算峰值为每秒1000万亿次(单精度)或500万亿次(双精度)。

2018年超级计算机冠军。图片来自网络

人工智能与先进制造

美国:AI应用扩大需警惕风险,3D打印技术潜力可期

2018年美国在人工智能领域依然占据全球领先地位,科学家开发出多种新算法,达成创建“可视化”人工神经网络、追踪动物运动及行为、识别地震后余震出现地点、预测基因组修复结果等目标,逐步推动人工智能向前发展。

同时,人工智能应用范畴逐渐扩大,尤其是在医疗领域,食品和药物管理局首次批准利用人工智能的医疗设备上市销售,让人们对医疗领域人工智能应用充满期待。而2000多名人工智能领域专家共同签署《禁止致命性自主武器宣言》,揭示人工智能发展可能带来的道德及现实风险,则再次警示世人应理性发展人工智能。

借助新材料、人工智能等技术的进步,3D打印为代表的先进制造技术稳步发展。《增材制造标准化路线图2.0版》的推出,为美制定相关技术标准奠定坚实基础。而可直接在皮肤上进行3D打印的技术的出现,可跟踪和存储使用方式的3D打印器件的研发,以及3D打印生物工程脊髓、磁活化材料等成果,都表明3D打印技术潜力仍在。此外,利用光热合成石墨烯纳米带、利用声波制造超微型光二极管、从聚合物化学反应中获取能源制造聚合物等新技术的出现,为美未来先进制造进一步发展奠定了基础。

德国:“工业4.0”战略持续推动,制造业更智能更高效

智能制造在汽车工业的应用是德国工业4.0战略的重要领域,2018年在联邦教研部的资助下,学院、科研院所与企业合作,在大学内创建了研发园ARENA2036,探索汽车先进制造和轻质结构及测试问题。未来的制造将不再是同质和线性,工厂需要满足更多个性化的需求。

德国弗劳恩霍夫协会所属研究所研发的ANNIE移动操作平台适用于人与机器人协作的复杂生产场景,该平台具有感知、导航、安全、软件架构和交互等功能,拥有认知能力的机器人可以独立地执行任务。

为了降低能耗,提高设备使用效率,弗劳恩霍夫研究所IFF开发了可分析预测电负荷曲线的方法“FlexChem”,通过软件的分析和高峰负荷预测,可大大降低制造成本,并能在利用可再生能源时确保电网的稳定性。

日本:验证AI设计材料实用性,制成低噪音有机晶体管

2018年3月,富士通株式会社和日本理化学研究所宣布,他们的联合研究小组在材料设计中应用第一原理计算与人工智能技术,对全固态锂离子电池的固体电解质组成实施了预测、合成与评价试验,并进行了实际验证。此外,水户市与NEC启动实验,利用人工智能提高办公效率和加强内部治理。

日本东北大学等确立铁—镓(Fe—Ga)单晶板材的低成本量产技术。作为磁致伸缩材料之一的铁—镓单晶是一种非常优异的能量转换材料,是小尺寸、高输出和高灵敏度的振动发电元件的基础材料。振动发电如果走向实用化,就能实现不使用纽扣电池和干电池的无线通信模块,便利性将大幅提高。

东京大学将有机半导体制成墨水,利用印刷技术,成功制作出了全球噪声最低的有机晶体管,有望提供实现物联网社会所需的低成本、高灵敏度传感器件。

俄罗斯:拓展人工智能应用,4D雷达用于无人驾驶

俄科学院科拉科学中心建立了矿物成分评估人工神经网络,通过学习,神经网络仅凭矿样的化学成分即可确定其矿物成分,并自动生成三维矿产资源图;俄罗斯和以色列合作,使用人工智能来准确诊断和治疗心律不齐;俄法律从业公司推出基于人工智能的机器人律师,其神经网络建立在世界最大的10万个法律问题数据库上,能解答超过2000个问题。

俄施瓦布集团公司下属企业研发出一款3D眼镜,集识别目标、判定所处方位及操控机器人等功能于一体,可显著提高操控机器人的精度。

无人驾驶方面,认知技术公司宣布成功研制出世界首台4D雷达。与激光雷达不同,4D雷达可在恶劣的天气条件下工作,创建道路场景的四维地图并提高数据更新频率,以更高的精度识别移动物体。

韩国:设立人工智能基金,开发软体机器人和机械臂

信息通讯公司与智能手机企业联手推出了使用物联网技术的折叠式电动自行车“AIR i”;三星电子建立了人工智能专项基金“Q基金”。不过,也有国际著名学者质疑韩国科学技术院推进人工智能武器研究的做法。

韩国大学团队开发出使用仿真皮电子皮肤的软体机器人,该电子皮肤在硅胶类物质中安装芯片与电路,机器人可通过便捷的操作完成自由且连续的动作。韩国研究小组借鉴折纸技术成功开发出了可大幅伸长同时能够保持强度的“加杰特”超级机械臂。

“帕克”太阳探测器。图片来源:NASA官网

能源环保

美国:新能源成果突出,生态安全备受重视

2018年,美政府在大力推动传统能源产业发展的同时,持续加大对太阳能、核能、地热能、生物能等新能源领域的研发投入。

众多新能源领域中,新型电池研发成果引人注目。750次充电/放电循环后仍能正常工作的新型锂空气电池、容量大且寿命长的可充电水基锌电池、靠细菌发电的低成本纸基生物电池等成为电池中的新星。而在提高现有电池性能方面,科学家也取得不少成果。他们将有机太阳能电池的光电转化效率提高至15%,将锂离子电池的容量提高了40%。布朗大学开发的新型燃料电池反应合金催化剂,在活性和耐久性方面更是超过了能源部2020年车用电催化剂技术指标。

在维护生态环境安全方面,尽管政府最新气候评估报告称,气候变化将给美国带来多重伤害,但并没有说服特朗普总统。科学家依然不遗余力游说,不仅发文称美墨边境墙会严重危害地区生物多样性,还对欧洲将木材作为低碳燃料的政策提出质疑。在具体研究方面,甲烷温室效应的证实、金属铋“催化可塑性”的发现、可再生可降解乳蛋白包装材料的开发等成果,都成为保护全球生态环境安全的助推剂。

日本:锂电池负极大容量化,制氢系统投建

大容量不劣化的锂电负极研发成功。日本产业技术综合研究所新开发出了一种锂离子电池使用的负极,容量约为目前主流的石墨负极(372mAh/g)的5倍,与一氧化硅的理论容量基本一致。新开发的电极在反复充放电200多次后,容量依然没有变化,确认具备大容量、长寿命的特性。利用此次开发的电极有望提高负极的能量密度,推动锂离子二次电池实现大容量化和小型化。

世界最大规模利用可再生能源的制氢系统在福岛投建。2018年8月,日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)、东芝能源系统、东北电力及岩谷产业合作,开始在福岛县浪江町建设利用可再生能源制氢的氢能源系统“福岛氢能源研究站”,系统装置具备世界最大规模的1万千瓦制氢能力。利用该系统制造的氢预定用于燃料电池发电用途及燃料电池车和燃料电池巴士等交通用途,或者作为工厂的燃料使用。

氢燃料发动机实现大功率、高热效率、低排放。产综研与日本冈山大学、东京都市大学、早稻田大学组成的研究小组,在小型发动机的基础实验中,利用氢燃料优异的燃烧特性确立了新的燃烧方式,开发出全球首款能实现高热效率和低氮氧化物(NOx)的火花点火氢燃料发动机。

东海核燃料再处理设施报废计划获批。日本“原子力规制委员会”2018年6月批准了由日本原子力研究开发机构提交的东海核燃料再处理设施报废计划,耗资1万亿日元,报废时长预计将持续70年。

俄罗斯:大气治理取得进展,核废料和水处理有新法

大气污染防治方面,俄罗斯国立秋明大学的科研人员研发出液滴悬浮约束方法,并可进行定量液滴有序成团,此项工作可用于大气中污染物扩散机理的研究,制定生态灾难预防性措施;托木斯克理工大学研究人员使用含有3%—10%有机杂质的工业用水和废水,获取了燃料气溶胶,这种气溶胶可用于快速点燃火力发电厂和锅炉房的锅炉,还可用于柴油发电机燃烧室以及汽车内燃机。

核废料处理方面,俄科学院远东分院化学研究所联合俄远东联邦大学,正在研制新型纳米结构吸附反应剂,该吸附剂可用于净化俄远东红星造船厂内的放射性液体废物;俄西伯利亚联邦大学的科学家采用空化技术,让位于乏核燃料储罐底部密实的不溶性沉积层不断受到空化—活化水酸性溶液侵蚀而被破坏,新技术将溶解速率和沉积物回收量提高至原来的1.5倍,制备出的含放射性化学废物的水泥混合物强度是常规方法的2—3倍。

水处理方面,俄圣彼得堡理工大学的科学家使用高铁酸钠替代传统的氯气对自来水进行消毒,新试剂用量小,不会形成毒性分解物,还能将一些危险化学品分解成低毒化合物,同时杀死水中微生物;俄托木斯克工业大学能源工程学院研发出液滴爆炸粉碎式污水处理方法,可高效去除污水中的化学侵蚀性、毒性及燃料杂质,具有高效、低能耗的特点,适用于化工、石化、冶金、纸浆造纸等行业的污水处理。

德国:致力解决气候和雾霾问题,开发储存制取氢的新工艺

2018年德国大规模启动了碳转化学项目以解决气候和雾霾问题,这个由赢创公司和西门子合作的项目,拟利用人工光合作用,将二氧化碳和水转化为有用化学物质。按照计划,到2021年将在鲁尔区的马尔化学工业园建成一个巨大的化学试验装置,预计每年可利用二氧化碳生产20000吨有用的化学品和燃料。该项目最终获益的不仅是钢铁行业,还有化学和能源等行业。

德国尤利希研究中心和埃朗根—纽伦堡大学的研究人员合作,开发出了利用有机载体液和特殊催化剂,储存和制取氢燃料的新工艺,可使原先装卸氢燃料所需的两个装置简化成一个装置。这一新工艺将来应用于工业化储氢和生产,将大大降低成本和能源消耗,对能源转型具有重要意义。

不莱梅大学库尔策教授领导的研究小组找到了一种解决地下水硝酸盐污染的新方法,发现一种合成的多金属氧酸盐对于减少硝酸盐水污染有特殊作用,这种纳米结构物质在水中对硝酸盐还原起电催化效果。

韩国:建成应对核泄露系统,提高锂电池性能

2018年,韩国建成了迅速应对核泄露的“核辐射状况信息共享系统”,在核能设施周边29个地点探测放射能量泄露数据并迅速应对。

韩国大学成功开发出一种利用太阳光谱中红光捕捉二氧化碳的技术,能够将二氧化碳转换成一氧化碳中间物质,从而生产燃料;此外,韩国还研发出了符合更高环保要求的氢气制备技术。

韩国使用富锂锰氧化物开发了一种兼具高电压、高容量的黏合剂阳极材料,可大幅提高锂二次电池的能量密度;同时,充电速度为现有锂电池5倍、采用石墨烯球正极保护膜和负极材料的锂二次电池也在韩国研发成功。

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