2019年9月25日在上海圖書館舉行的2019競爭情報上海論壇暨國際科學技術資訊理事會年會上，上海科學技術情報研究所釋出了20個2019國際前沿科技熱點。這20個熱點集中在資訊科技(7個)、生命與健康(4個)、材料(1個)、能源(2個)、空間及交通運輸(2個)、氣候生態與環境(1個)以及先進製造及其他(3個)等7個行業。
1 量子資訊處理
量子資訊處理，其基本思想是以原子、電子、光子層次微觀世界的粒子的存在狀態及相互作用規律來編碼和處理資訊，藉助量子疊加和量子糾纏等獨特物理現象，以經典理論無法實現的方式獲取、傳輸和處理資訊。量子資訊處理技術主要包括量子計算和量子通訊。
量子計算包含處理器、編碼和軟體演算法等關鍵技術。近年來，這些技術發展較快，但仍面臨量子位元數量少、相干時間短、出錯率高等諸多挑戰，目前處於技術研究和原理樣機研製驗證的關鍵階段，超過經典計算的效能優勢尚未得到充分證明。
量子通訊與現有通訊技術不同，可以實現量子態資訊的傳輸，主要分量子隱形傳態(Quantum Teleportation，QT)和量子金鑰分發(Quantum Key Distribution，QKD)兩類。基於QT的量子通訊和量子網際網路仍將是未來量子資訊科技領域的前沿研究特點。QKD從理論協議到器件系統初步成熟，目前已進入產業化應用的初級階段。
2 第三代半導體
國際上一般將禁頻寬度(Eg)大於或等於2.3電子伏特(eV)的半導體材料稱為第三代半導體。常見的第三代半導體材料包括碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)、金剛石、氧化鋅、氮化鋁等。第三代半導體材料具有高禁頻寬度、高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等特點，其器件具有高頻、大功率、低損耗、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強等優勢。
關鍵技術點包括：大尺寸、低缺陷襯底、外延製備技術;矽基GaN外延技術;高質量SiC厚外延技術;高可靠封裝技術。技術發展的競爭態勢表現為：產業鏈(襯底、外延片、器件、模組、下游應用等)各環節主要由美歐日主導;全球SiC市場由美國、歐洲、日本等壟斷;GaN市場由日本廠商主導，住友電工、三菱化學及住友化學3家企業佔據超過85%的市場份額。
第三代半導體材料的應用前景十分廣闊，主要應用領域包括半導體照明、電力電子器件、鐳射器和探測器以及水制氫、生物感測器等。
3 增強分析
增強分析是將人工智慧技術(Artificial Intelligence，AI)賦能商業智慧(Business Intelligence，BI)，具體而言，是將機器學習技術(Machine Learning，ML)和自然語言處理技術(Natural Language Processing，NLP)應用在BI領域的資料與分析中。增強分析增強了人類智力和情境感知，改變了資料管理、分析和商業智慧的方法，改變了資料科學的面貌和機器學習/人工智慧模型的開發利用。
與傳統的人工資料探勘相比，增強分析採用一系列的演算法和整合學習技術，向用戶解釋可執行的結果，降低了丟失重要資料結論的風險。高德納諮詢公司預測，未來2～5年，增強分析將成為BI市場的主導趨勢。採用了增強分析技術生成的機器學習模型正在被越來越多地植入企業的應用程式中，幫助人力資源、金融、銷售、市場、售後服務、採購和資產管理部門的員工進行商業決策與執行。
4 人工智慧晶片
人工智慧晶片通常是指標對人工智慧演算法做了特殊加速設計的晶片。人工智慧晶片按技術架構分為影象處理單元(GPU)、半定製化的現場可程式設計邏輯閘陣列(FPGA)、全定製化專用積體電路(ASIC)、神經擬態晶片;按功能分為訓練環節晶片、推斷環節晶片;按應用場景分為伺服器端(雲端)、移動端(終端)。
目前，GPU已經發展到較為成熟的階段。谷歌、臉書、微軟、推特和百度等公司都在使用GPU分析圖片、影片和音訊檔案，以改進搜尋和影象標籤等應用功能。很多汽車廠商也在使用GPU發展無人駕駛。
雖然人工智慧晶片技術發展較快，但是其在現階段還處於產業化早期。各企業之間的水平有差距，但基本還處於同一起跑線，只有那些技術有重大突破、能夠先一步產業化的企業才能引領行業的發展。
5 6G網路
5G開啟了一個萬物智聯的時代，車聯網、遠端醫療等應用需要一個幾乎無盲點的全覆蓋網路，但5G做到的更多是資訊極速傳輸，離真正的萬物智聯還存在一定的距離。6G將探索並彙集5G所遺漏的相關技術，6G通訊技術不再是簡單的網路容量和傳輸速率的突破，而是為了縮小數字鴻溝，實現萬物智聯。6G網路的理論速度為5G的100倍，使用者的智慧需求將被進一步挖掘和實現，並以此為基準進行技術規劃與演進佈局。
6G的特徵為全覆蓋、全頻段、全應用。技術發展趨勢表現為：6G將進入太赫茲頻段(100 GH2～ 10 TH2);6G網路將呈現“緻密化”;6G將使用頻譜共享和區塊鏈技術;6G將採用地面無線與衛星通訊技術。6G時代將有望提供基於家庭的ATM通訊系統、衛星到衛星直接通訊、海上到空間通訊，提供家庭自動化、智慧家庭/城市/村落、防衛、災害防治以及其他相關應用。
6 戰略計算
戰略計算的概念在先進計算、高效能計算等概念的基礎上發展起來。基本含義為基於未來對國家核心能力有戰略意義的、先進的高效能計算技術，具有多元和多層次性，既包括基於當前數字技術的超級計算技術，又包括基於“後摩爾時代”的新型計算技術。
當前，戰略計算技術呈現兩大發展方向。一是超級計算機，基於傳統數字計算和互補金氧半導體(CMOS)工藝，發展方向為百億億次級或億億次級計算機技術及其應用，可以對現有架構不斷最佳化升級。二是未來新型計算架構和替代計算技術，希望能夠突破摩爾定律的侷限，如逼近計算、神經形態計算、量子計算等。
戰略計算技術未來發展的主要內容包括億億次級超級計算、替代計算、測試與測量計算、計算系統安全與隱私保護、高效能計算生態系統等。戰略計算作為新一代資訊科技的核心技術，不僅是國家戰略的重要組成，也是未來數字經濟的增長引擎之一。
7 混合現實
混合現實(MR)是增強現實(AR)技術的升級，將虛擬世界和真實世界合成一個無縫銜接的虛實融合世界。虛擬現實(VR)在被熱捧幾年後，並未進入千家萬戶，風險投資近年來從VR轉向MR和AR。
相對於VR巨大的娛樂用途和AR豐富的教育應用，MR的應用將更廣泛，如在工業製造、軍事模擬、遊戲領域、旅遊/數字場館、汽車領域、購物、智慧家居、醫療等領域展開應用。MR的產業化呈現出以下趨勢：全球產業生態初步成型;5G融合混合現實技術初步應用;美歐發達國家產業資金和市場活躍;我國市場規模持續擴大且增速領先全球。
8 基因編輯臨床應用
基因編輯是指能對生物體基因組特定目標基因進行修飾的基因工程技術。它是一項可以與分子克隆、聚合酶鏈式反應(PCR)等技術相媲美的突破性技術。其中，基於細菌規律成簇的間隔短迴文重複序列(CRISPR)系統發展而來的新一代基因編輯技術——CRISPR/Cas9技術，使基因編輯變得更為簡易、高效，也因此成為全球各大生物實驗室最流行的基因編輯技術。
在現有基因編輯編輯方法中，離體基因編輯最為成熟，即在體外對細胞進行基因工程改造，然後將細胞輸回患者體內。雖然體外細胞編輯已經取得了一定的成效，但是仍然存在很多侷限性，如尚無將經過基因編輯的細胞移植到肝臟或腦的可靠方法。對於那些無法應用體外編輯治療的疾病，體內編輯(將編輯裝置輸送到患者體內從而在自然條件下對細胞進行編輯)可能發揮重要作用。
作為一項變革性的新興技術，基因編輯首先應該被考慮應用於嚴重疾病。對倫理上爭議較大的人類胚胎基因編輯，科學界逐漸達成共識，認為應該允許開展相關基礎研究，但還不能擴充套件到生殖領域的臨床應用。
9 AI輔助新藥研發
一款新藥的誕生需要經歷“靶點發現—化合物合成—製劑生產—臨床試驗”諸多環節最終才能批准上市，是一個需要投入大量人力、物力和財力的複雜過程。研發週期長、成功率低及研發費用高是新藥研發面臨的三大困境。人工智慧(AI)輔助新藥研發以海量資料為目標，重點可在臨床前階段，即靶點發現、化合物合成、化合物篩選和晶型預測等環節高度參與，從而提高研發效率、縮短研發程序、縮減研發成本，實現技術破局。
臨床後階段的患者招募、臨床實證設計、藥物重定向等環節也是整個新藥研發過程中的重要步驟，可藉助AI技術對非結構化、半結構化和結構化的各種結構型別的醫學資料進行分析、挖掘，快速獲取有效資訊，實現新藥研發各環節的技術最佳化升級。
10 腦機融合
腦機融合是基於腦機介面技術，實現腦與機的雙向互動、相互適應及協同工作，最終達到生物智慧和機器智慧的融合，其目標是實現更強大的智慧形態。與傳統計算系統相比，腦機融合計算系統具有3個顯著特徵：對生物體的感知更加全面，包含表觀行為理解與神經訊號解碼;生物體也作為系統的感知體、計算體和執行體，且與系統其他部分的資訊互動通道為雙向;多層次、多粒度的綜合利用生物體和機器的能力，達到系統智慧的極大增強。
腦機融合系統主要有兩個重要的應用：神經康復和動物機器人系統。在神經康復方面，藉助腦機融合系統，可以直接建立腦與外部裝置之間的資訊互動與互動控制，高效地實現殘障人士機能補償與功能重建。在動物機器人系統方面，腦機融合系統可以實現對動物運動行為的有效控制以及感知覺功能的合理增強。
11 人造肉
人造培育肉是從動物身上提取幹細胞，把它擴增養成肌肉細胞，並且分化成肌肉纖維而成為“肉”。這類產品由於技術難度大、成本高昂，距離量產還尚待時日。關鍵技術涉及細胞工廠技術、血紅素生物合成技術、肉類香味技術、重塑成型技術等 。
雖然人造肉新產品在環保和健康方面具有一定的優勢，但是消費意識的轉變和新飲食習慣的培養還需要假以時日。人造肉企業除了積極發展自身的銷售渠道以外，爭取與更多的餐飲連鎖巨頭合作也是快速提高銷售、培育消費習慣的捷徑之一。
12 “魔角”石墨烯
透過不斷除錯兩層石墨烯的旋轉角，在特定角度(約1.1度)，這種堆疊的二維材料會表現出“莫特絕緣體”特性，而如果利用電場在石墨烯上吸附電子，它能表現出超導特性。這一新材料體系被稱為“魔角”石墨烯，它的發現開創了“轉角電子學”這一全新領域。
“魔角”石墨烯也許可以成為理解高溫超導現象的“羅塞塔石碑”，對高溫超導現象的理解反過來也能幫助研究人員創造出能在接近室溫的條件下超導的材料，從而徹底革新諸多現代技術領域，包括交通和計算。截至目前，“魔角”石墨烯超導發生的條件非常苛刻，更多的是對未來研究的指導意義，距離產業化應用尚待時日。
13 氫能
氫能被認為是最理想的新能源，最有希望成為能源的終極解決方案。氫能與其他能源相比，具有儲量大、比能量高(單位質量所蘊含的能量高)、汙染小、效率高、可貯存、可運輸、安全性高等諸多優點。
氫能產業鏈涉及上游制氫、中游儲運、下游應用三大環節，每個環節都有很高的技術壁壘和技術難點。目前，上游的電解水制氫技術、中游的化學儲氫技術和下游的燃料電池在車輛和分散式發電中的應用被廣泛看好。
14 鈣鈦礦太陽能光伏電池
鈣鈦礦類化合物是存在於鈣鈦礦礦石中的鈦酸鈣化合物，可以透過以其他元素替代此類材料中的鈣、鈦、氧來完善這類材料的物理化學性質，從而獲得一系列具有鈣鈦礦晶型的有機金屬鹵化物吸光材料。以此類材料為基準製得的鈣鈦礦太陽能電池是第三代太陽能電池中最熱門的研究方向，具有更清潔、效率高、製造成本低、工藝簡單等一系列優點。
目前，鈣鈦礦太陽能電池的研究重點集中在材料體系、器件結構、薄膜製備方法以及光電機理等方面，目標是獲得更高的光電轉化效率及更高的穩定性，推進鈣鈦礦電池的進一步發展，早日實現商業化、實用化。
15 太空製造
太空製造是航天領域的智慧製造技術，它利用感測技術、智慧技術實現製造過程的無人化，可改變航天器不可維修的現狀。太空製造的關鍵技術包括數字孿生/線索技術、智慧人工增強系統技術、增材製造技術、智慧機器人等。
技術的應用情況呈現出以下趨勢：數字孿生/線索技術日益成為數字化能力建設重點方向;增強/虛擬現實技術日益融入航天研製生產全過程;增材製造應用範圍逐步擴充套件到關鍵衛星部件;研發裝配機器人助推航天核心零部件整合。
16 無人駕駛
無人駕駛集自動控制、體系結構、人工智慧、視覺計算等眾多技術於一體，是計算機科學、模式識別和智慧控制技術高度發展的產物。當前無人駕駛技術的主要應用領域是機動車領域，也有部分飛行器領域涉及。
無人駕駛是軟體、硬體以及綜合控制系統三大要素的結合，包括感測器、車輛控制、資訊交換、空間影象、人機介面、道路管理等6項基本技術，涉及感知、定位、規劃、控制和線控等5個方面。
從這幾年無人駕駛企業的發展戰略來看，無人駕駛技術涉及眾多領域，整車企業僅依靠自身難以完成整個生態鏈打造，越來越多的整車企業、零部件廠商、資訊科技巨頭選擇結盟合作來分攤成本、解決技術難題、提升競爭力。與傳統的汽車合併或收購不同，這一領域的聯盟合作或跨界合作更像是沒有經過驗證的商業模式探索，呈現出跨區域、開放式、多頭加入等特徵。
17 負排放
與常規碳捕獲和封存技術直接從大型點源如煤炭發電廠去除二氧化碳排放不同，負排放技術最後直接從大氣中去除二氧化碳或增強天然碳匯。
現階段，以重新造林、森林管理的變化以及提高土壤碳儲存的農業實踐為代表的負排放技術已經具備開展大規模部署的條件，其成本與減排戰略具有較強的競爭力。在眾多負排放技術中，生物能源與碳捕獲和儲存(BECCS)技術最具發展潛力，它將碳捕獲與封存技術應用於生物加工行業或生物燃料的發電廠。
儘管碳捕獲與封存技術發展已較為成熟，但負排放技術大規模應用受制於缺少理想的二氧化碳固定介質。因此，圍繞固定介質的探索工作成為未來負排放技術研究的重點。隨著海洋、沼澤等理想固定介質的出現，負排放技術的產業化將迎來新的發展契機。
18 極限作業機器人
極限作業機器人是能在人難以承受的工作條件(如海底、有毒、有害、高溫、強放射能等危險作業環境)下作業的機器人。常見的極限作業機器人包括原子能輻射作業機器人、水下作業機器人、救災排險機器人、空間作業機器人、地下采掘機器人、石化行業機器人等。極限作業機器人一般應具備一些特別的關鍵技術，主要包括各種危險品檢測技術、監視識別與跟蹤技術、作業平臺基礎技術以及各種作業工具技術。
目前已投入使用的極限作業機器人一般屬於遙控機器人，需要人的指揮才能完成操作任務，這就限制了它在外層空間、深水下、深地下完成複雜的任務。因此，人們正進一步研究和開發半自主和自主式極限作業機器人。
19 奈米機器人
奈米機器人是機器人工程系的一種新興科技，它以分子水平的生物學原理為設計原型，設計製造可對奈米空間進行操作的“功能分子器件”，其研製屬於分子仿生學的範疇。奈米機器人涵蓋的核心機構主要有超大規模積體電路及奈米電子電路、化學感測器、溫度感測器、驅動器、供能裝置和資料傳輸等。
目前，導航系統(資料傳輸)和驅動方式是奈米機器人研製中的兩大難題，每向前推進一步都要克服重重困難。奈米機器人也存在一些潛在的挑戰和風險，最突出的風險是用於製造奈米機器人的奈米顆粒的安全性問題。在奈米顆粒的眾多潛在危害中，最主要的一種是奈米顆粒的不可溶解性。
奈米機器人具有廣泛的應用前景，除了醫療和軍事領域，奈米機器人在工業、農業、環保等領域的應用前景也非常廣闊。
20 編材製造
編材製造是從需求出發，確定功能性，再來設計纖維結構，必要時可以多組分、多結構融合獲取所需要的功能。編材製造是充分利用現有的紡織和其他先進製造技術並不斷髮展出新的製造技術，從大纖維的7個物理層次，即原子—分子(鏈)—纖維—織物—器件—系統—超系統，進行製造活動，將纖維材料的智慧、超能、綠色效能推向一個新階段，將會給傳統制造業帶來一系列深刻的變革，具有材料技術革命與製造技術革命的雙重意義。關鍵技術點涉及新一代纖維的研發，以智慧化編織手段製造各種複雜的產品，如汽車輪轂、汽車車身、飛機機翼等。
綜觀這些前沿科技熱點，可以發現當前全球科技呈現出一些新趨勢。一是前沿科技以綠色人本為主流，節能環保、低碳能源、新能源汽車、生物醫藥、綠色材料、智慧製造等成為前沿科技顯著聚焦的領域。二是科技創新全面系統地展開，實現突破，如無人駕駛技術即涉及人工智慧、車聯網、計算機新演算法等。三是前沿科技系統性創新推動產業領域邊界的模糊化，科學理論創新與技術創新相互促進，呈現交叉匯聚的發展態勢。
作者：“全球前沿科技熱點研究”專案組，上海科學技術情報研究所專注應用情報分析方法跟蹤全球新興科技的研究團隊，楊榮斌任專案指導，陳暉任專案組組長。
本文來自《張江科技評論》
轉自中國數字科技館
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