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【解读】2020重大科学问题和工程技术难题

作者: 学术世界

时间: 2020-08-17 14:41

8月15日,中国科协在第二十二届中国科协年会闭幕式上发布了10个对科学发展具有导向作用的科学问题和10个对技术和产业具有关键作用的工程难题。昨日,中国科协调研宣传部在

8月15日,中国科协在第二十二届中国科协年会闭幕式上发布了10个对科学发展具有导向作用的科学问题和10个对技术和产业具有关键作用的工程难题。昨日,中国科协调研宣传部在 今日科协 公众号上发布了入选题目简介,现在转发传播。

前沿科学问题

问题1:冠状病毒跨种传播的生态学机制是什么?

进入 21 世纪以来,我国先后出现了多起新发传染病事件,其中 2002 年的 SARS 和目前正在肆虐的新冠肺炎尤为严重。病原学表明,SARS 和 COVID-19 是起源于蝙蝠、穿山甲、果子狸等野生动物的冠状病毒。新冠病毒在全球蔓延后,对病毒本身的研究迅速开展,却忽略了病毒跨种传播生态学机制的研究。

野生动物常常与多种人兽共患病相关联,病毒学家曾多次警示冠状病毒跨物种传播是大概率事件。蝙蝠等野生动物携带冠状病毒的本底情况以及野生动物如何突破生态和生理屏障发生跨种传播和感染,在科学层面都尚不清晰。该问题提出了蝙蝠等野生动物生态学研究在新型冠状病毒溯源中的必要性以及阐释了明确携带冠状病毒的高风险野生动物种类的活动生境、行为范式、种群动态及与人类活动的关系,对于揭示冠状病毒跨物种的传播机制和预防未来冠状病毒导致的流行病具有重要意义。

问题2:引力波将如何揭示宇宙奥秘?

引力波是广义相对论预言的一种时空涟漪,是时空本身的一种波动现象,这种波动在传播中很少受到物质分布的影响,所以保留着引力波源的原初信息。引力波天文学是一门新兴的交叉学科,其研究涵盖了天文学、物理学、数据计算、工程科学等多个领域。自 2015 年首次直接探测到引力波以来,引力波已迅速成为国际上基础物理与天体物理前沿研究的热点,预计十余年内宇宙起源问题将有取得重大突破的历史机遇。

引力波的探测能够打开我们的视野,研究电磁学手段所难以企及的宇宙的“黑暗面”。引力波打开了观测宇宙的一扇新窗户,其波形中包含了关于时空与物质的丰富信息,通过观测引力波源在宇宙中的产生与分布,可以研究宇宙本身的形成和演化过程,探索包括宇宙膨胀、暗物质、引力、核物质物态方程、原初黑洞等物理现象与规律,有望解答广义相对论与粒子物理的标准模型所遗留下来的深层次科学问题,从而加深对自然界的理解。

问题3:地球物质是如何演化与循环的?

地球物质主要分为岩石和矿物。从时间尺度上来看,地球物质都是演化的。按照矿物的发展历史,可以大致将地球的演化划分成三个主要阶段:首先是地球从太阳系原始星云盘内形成、增生和分异,这个过程中形成的矿物种数仅有约 250 种;然后是壳幔相互作用阶段,岩浆作用、变质作用等开始发挥作用,矿物种数发展到了 1500 种;最后是生物作用阶段,大氧化事件以及生物活动使这一阶段矿物种数直接跃至 4400 种。

现今地球矿物呈现出惊人的多样性,是其与地球各圈层在数十亿年内协同演化的结果。地球历史时期岩浆岩和变质岩的演化与循环的认识由于缺乏大数据的综合分析而导致其认识模糊不清。日益发展的大数据技术和人工智能技术使得统一整合地球历史时期的地球物质成为了可能,为探讨地球物质演化与循环提供了方法保证。利用大数据平台和地球深时大数据系统的综合分析,可以在矿物演化历程与行星地质演化的基本历程和特殊事件之间建立联系,从矿物演化的角度来厘清行星地球及其多圈层演化规律和耦合关系,并解答行星地球如何演化、地球各圈层是否存在共演化关系的基本科学问题。

问题4:第五代核能系统会是什么样子?

2000 年,美国能源部倡议发起的第四代核能系统国际论坛把核能的发展分为四代。第一代是验证工程可行性的原型试验堆。第二代是证明了商业可行性的标准化、系列化、批量化的商业核电站。第三代是经济性和安全性进一步提升的演化型商业核电站设计。第四代是在可持续性、经济性、安全性和可靠性、防核扩散和物理保护等方面显著提升的下一代核能系统。目前对于第五代核能系统的研究仍处于探索交流阶段,暂无成熟的概念界定和目标定义,其实现路径更是少有谈及。

如能推动第五代核能系统概念的落地和最终实现,其意义可概括为“四个革新、一个引领”:革新核能开发观念,使产品推动转向需求拉动;革新核能开发模式,从单堆演化转向网络优化;革新核能应用观念,核能将承担平衡调节任务,并支撑能源系统的深度脱碳;引领世界核能创新,助推中国成为世界核能创新高地。第五代核能系统将改变核能作为基荷能源应用的刻板印象,使核能向灵活和多能转变。一是支持核能系统承担平衡调节任务,以支撑其它可再生能源的最大化应用。二是发挥多能担当,助力电网、工业、运输等领域的深度脱碳。通过上述两点助力能源革命深化,助力“清洁低碳、安全高效”的能源体系建设。

问题5:特种能场辅助制造的科学原理是什么?

随着航空航天、交通运输等领域对轻量化和安全性的持续需求,更多的高强材料,包括超高强度钢、轻合金、复合材料和金属间化合物等,应用于复杂构件。随着材料强度的提高,制造难度显著提高,成形缺陷则更难控制。现有的研究表明,特种能场辅助成形技术在提高此类材料的成形效率和质量方面具有显著优势,在改善高强难变形材料制造难题方面具有巨大潜力。

特种能场辅助制造技术已成为各国研究人员研究的热点方向,不断向工业化应用积极推广。特种能场如何改变成形构件材料组织性能,如何优化特种能场辅助制造的精度与构件性能,都是推广特种能场辅助制造技术的关键科学问题。未来面临的关键难点与挑战主要包括两个方面:一是特种能场作用效应的量化与作用机理,二是特种能场作用下的力学模型。合理利用特种能场与材料相互作用的多种效应,突破高强难成形材料的制造难题,为我国航空航天、交通运输等领域关键核心部件的制造提供新工艺,将极大地促进先进制造技术的发展和应用。

问题6:数字交通基础设施如何推动自动驾驶与车路协同发展?

未来自动驾驶车辆大范围社会化运行局面必然会出现,对交通运输系统而言将是一场变革,道路交通运输系统面临演进换代的挑战。迎接并推动自动驾驶发展,目前国内外面临以下突出问题:一是道路基础设施侧,智能供给能力不足。二是单车感知的精度很难提升。对于支撑自动驾驶社会化运行的新型道路基础设施的研究,我国尚处于起步阶段,国外也无现成的先进技术和经验可借鉴,需要适时将自动驾驶研究的支持重点向基础设施侧智能供给研究及综合集成落地应用研究转移。

在交通强国建设、新基建、新一代人工智能规划、京津冀协同发展、粤港澳大湾区发展规划等重大国家发展战略实施背景下,交通基础设施肩负着支撑进一步提升交通安全能力、提高运输效率、推动交通运输高质量发展的交通强国建设重大任务。基础设施是数十年甚至是百年工程,技术发展的不可预测性会对基础设施规划、设计、建设以及资金带来巨大的挑战。基础设施方案一旦大规模部署将直接影响甚至定义未来几十年自动驾驶汽车的发展。因此,自动驾驶和基础设施之间沟通与协同至关重要。以提升道路基础设施侧智能供给能力,推动自动驾驶社会化运行应用落地,符合国家经济社会发展的重大需求,符合强国建设纲要,符合国家中长期科技发展规划纲要、“十四五”国家科技创新规划等国家重大科技战略部署。

问题7:调节人体免疫功能的中医药机制是什么?

虽然免疫学的基础研究取得了令人瞩目的成就,医学也在突飞猛进地发展,但在许多疑难重症的防治方面仍显得不足。系统性红斑狼疮、类风湿关节炎、强直性脊柱炎等自身免疫性疾病仍然困扰着患者。这些重大、疑难疾病的发生、发展和转归均与免疫密切相关。中医药能够多层次、多靶点、多途径作用于机体,调节机体免疫功能,在疾病预防和治疗中有重要的应用价值。

中药免疫学研究发现,中药既可以增强机体细胞免疫及体液免疫功能,促进淋巴细胞、单核巨噬细胞以及造血干细胞的生理功能;还具有免疫抑制功能,能减少炎性因子的释放,抑制或消除抗体的产生,抑制T细胞的增殖等。大多数中药具有免疫双向调节功能,使过高或过低的免疫反应恢复正常。这种双向调节作用,体现了中医“整体观”与“阴阳平衡”理论。因此,通过中医药对机体免疫功能调节作用研究,不仅可以使中医药在重大免疫性疾病防治上发挥作用,还可以推动创新性中药新药的发现和研制。

问题8:植物无融合生殖的生物学基础是什么?

无融合生殖是一种通过种子进行无性繁殖的生殖方式,可以使杂交品种产生克隆种子,保持杂交后代性状不发生分离,从而永久固定杂种优势。鉴于无融合生殖研究在理论研究和育种实践上的重要战略意义,上世纪 80 年代我国将其列入“863”高科技计划,由袁隆平等知名专家牵头进行联合攻关。然而,由于无融合生殖发生机制的复杂性,尽管经过了多国科学家近一个世纪的努力,其形成机制依然不清楚,也未能将其成功应用于作物育种中。

由于无融合生殖对于农业生产的重要性,培育无融合生殖作物被誉为农业研究领域的“圣杯”。通过无融合生殖固定杂种优势是未来农业产业的重要发展方向,是保障国家粮食安全的重要手段。研究无融合生殖的生物学基础,并将其引入到主要作物中可以简化杂交种子的生产过程,提高育种效率,大幅降低杂交种的制种风险和成本,同时可以使许多原先难以大规模制种的杂交作物商业化生产成为可能,从而大幅度拓宽杂种优势的利用范围,保障世界粮食安全。

问题9:如何优化变化环境下我国水资源承载力,实现健康的区域水平衡状态?

水资源是基础性自然资源、战略性经济资源和生态环境的控制性要素。水资源在国家“五位一体”建设格局中具有战略性支撑地位。当前,我国生态文明建设进入加速期和关键期,对水资源集约利用和严格保护提出了更高要求。推进经济社会高质量发展需要充分考虑我国水资源特性和承载条件,因水制宜、量水而行。

基于我国自然地理和经济社会特征,研究变化条件下水资源承载力与水平衡优化这一科学问题,有利于深化认识我国区域水循环要素及其演化规律,完善水资源承载力评价方法,阐明水平衡状态对于水资源承载力的指标意义,明确诸多水问题及生态环境问题的发生机制,为总结与水资源承载力相适应的经济社会发展和生态保护模式,有效保护和修复生态环境提供重要的理论和技术支撑。该研究一是可为正确研判我国水安全保障形势,落实节水优先方针,强化水资源强监管、提升水利发展质效提供直接依据;二是有利于科学规划国土空间开发保护格局,统筹山水林田湖草生命共同体,合理确定国土空间开发与保护目标并科学布局生产、生活和生态空间。

问题10:如何建立虚拟孪生理论和技术基础并开展示范应用?

虚拟孪生是在数字孪生的基础上,利用传感器、物联网、虚拟现实、人工智能等数字技术对真实世界中物理实体和智能实体对象的特征、行为、形成过程和性能等进行描述和建模的过程和方法,也称为虚拟孪生技术。它以数字孪生为基础,但更侧重于智能实体或生命体的建模和仿真。党的十九大报告明确提出“加快建设制造强国,加快发展先进制造业,推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合”,其核心是促进新一代信息技术和人工智能技术与制造业深度融合,推动实体经济转型升级,大力发展智能制造。因此,如何实现制造物理世界与信息世界的交互与共融,是当前国内外实践智能制造理念和目标所共同面临的核心瓶颈之一。

系统分析当前虚拟孪生理论与技术研究进展,构建虚拟孪生理论、技术与应用理论体系,研究提出实现虚拟孪生系统的内容、流程和关键技术,探索其应用前景和有待突破的关键问题或技术,为未来开展虚拟孪生的进一步落地应用提供理论和方法参考。数据孪生组织软件产品,实现数据互联互通和动态可视,研究城市演化规律,提出切实可行的城市改造升级方案,有效解决“数据多效果少”、“单点强而全局弱”、“科技新落地少”等问题,缓解“城市病”。虚拟孪生还可广泛用于经济、社会、军事等领域,如经济与社会发展预测、军事演习与新概念战争研究等。

工程技术难题

问题1:如何开发新型免疫细胞在肿瘤治疗中的新途径与新技术?

癌症源于生物体细胞不受控制的增殖,可以诱导免疫反应。但免疫系统很难完全清除肿瘤细胞,导致无法被免疫系统有效清除的“免疫编辑”肿瘤持续存在。免疫细胞疗法通过回输免疫细胞,激活或者增强癌症患者的免疫系统对癌细胞的识别和杀伤能力,未来将会在临床工作中发挥重要的作用,前景十分广阔。

免疫细胞技术是人类彻底治愈肿瘤的希望,是全球前沿医学和资本追捧的热点领域之一。树突状细胞(DC)作为链接细胞免疫和体液免疫的关键节点细胞,能够调动整个免疫系统,抵抗病原体的入侵以及促进肿瘤细胞的清除,成为新型免疫细胞疗法的重点研究方向。新型DC可扩增技术可实现DC疫苗的标准化、批量化生产,可显著减低制备成本,服务更多癌症患者,具有明显的经济效益和社会效益。此外,新型DC技术还可以对现有的嵌合抗原受体(CAR-T)、T细胞受体(TCR-T)技术等进行更新迭代,使单一靶点变成多靶点T细胞,有利于防止癌症复发,最终提升癌症的治疗效果。

问题2:水平起降组合动力运载器一体化设计为何成为空天技术新焦点?

水平起降组合动力运载器具有快速、廉价、可靠的特点,可成为低成本天地往返运输工具,具备应急响应发射入轨、在轨维护与按需返回能力,大力推动空间开发。水平起降组合动力运载器一体化设计技术是支撑未来航天运输系统发展与应用的核心技术之一,是未来先进航天运输系统的重要支撑技术之一。

通过开展水平起降组合动力运载器一体化设计技术研究,保证运载器高性能、高可靠、安全运行,能够以更加经济有效的方式满足航天运输对于运行成本、使用效能和保障能力的需求。通过航班化运营的方式,可大大降低发射费用,作为降低航天发射成本的有效途径,可实现安全、快速、机动、环保地进出空间,支撑我国航天高密度发射任务,有效服务国民经济建设,推动社会经济快速发展。发展水平起降组合动力运载器,能够大幅提升我国自由进出空间和利用空间的能力,是深入推进航天技术、实现由航天大国向航天强国迈进的重要内容。发展水平起降组合动力运载器,将进一步服务民生和国民经济,具有十分广泛的应用前景和社会效益。

问题3:如何实现农业重大入侵生物的前瞻性风险预警和即时控制?

农业外来有害生物的入侵、扩散与危害事关国家生态安全、经济安全、农产品贸易安全和人畜健康。当前,农业入侵生物正呈现入侵源头增多、传入风险提高、入侵地点分散、传播扩散加剧且易于跨境(区域)扩散传播的态势,防控形势十分严峻。一些传播性极强的重大植物病原菌及害虫,极易经由农作物及其产品的国际贸易、人员交流,以及主动迁飞等途径迅速蔓延,跨越国界,引起区域性甚至全球性大流行。

农业有害生物入侵不仅仅是简单的植物病虫害或动物疫情问题,入侵生物的发生流行不仅危害食品安全和农业生产,造成巨大的直接经济损失,还可能对人类健康构成越来越大甚至是灾难性的威胁,对外交、经济和社会产生巨大影响。因此,站在国际化、全球化视角,从科学研究和专业技术层面,开展农业入侵生物跨境传播预警及防减技术合作的协同攻关,将有力解决入侵生物疫情的源头治理和联防联控关键技术难题,保障社会稳定与公共安全。

问题4:信息化条件下国家关键基础设施如何防范重大电磁威胁?

强电磁脉冲通常指各类瞬态的高强度电磁场,主要包括高空核爆炸电磁脉冲(HEMP)、高功率微波(HPM)等人造电磁脉冲和地磁暴等自然现象。强电磁脉冲一旦对金融、能源、电力等领域的关键信息基础设施产生影响,将可能导致交通中断、金融紊乱、电力瘫痪等重大事故。我国在关键基础设施的规划布局、设计建造、运行管理中,没有考虑基础设施对强电磁脉冲攻击的防御问题,也未开展关键基础设施强电磁脉冲威胁系统评估。一旦遭受强电磁脉冲威胁将迅速瘫痪,造成严重的经济损失,影响社会稳定。

我国关键基础设施强电磁脉冲防御能力和技术研究还存在较大差距。为了提升我国关键基础设施电磁安全,从而保护经济建设成果,急需突破强电磁脉冲环境耦合效应数值模拟、试验与考核评价、威胁评估建模与仿真、防护加固与减缓方法等关键技术,建立综合试验平台和仿真平台,验证和示范强电磁脉冲防御方法和策略,制定可推广的标准规范和行动指南,快速提升我国关键基础设施强电磁脉冲防御能力。开展此项研究,对确保关键基础设施电磁安全、保护经济建设成果、提升关键基础设施容灾抗毁能力具有重要意义。

问题5:硅光技术能否促成光电子和微电子的融合?

信息光电子作为信息化社会的“主动脉”,承担着数据传递和互联的重要功能。信息光电子芯片已然成为“数字化新基建”的核心和基石,也是全球信息通信价值链的关键领域和网络强国建设的“国之重器”。近年来光通信(光互联)、光传感(光测量)等技术的快速发展和广泛应用,带动了对光电子芯片的海量市场需求。硅基光电子芯片技术即可应用于芯片级光互连,又适用于长距离光纤通信,可实现全功能光电子集成,具有极高的通用性和兼容性,是微电子和光电子两大产业公认的发展方向。

随着社会信息化智能化的发展,硅基光电子片上系统芯片将在更广阔的应用领域发挥重要作用,特别是在信息领域的光通信(光互联)、光传感(光测量)等技术上全面发挥核心作用。发展超大容量超低能耗的新一代可重构多维度光通信(光互联)技术、多参量多尺度的高灵敏度光测量与光传感技术、超大规模的智能化光计算(光处理技术)是其重要趋势。利用国内现有微电子产业资源和互补金属氧化物半导体(CMOS)制造平台,建立健全硅光产业链,可以有效提升我国信息光电子的制造能力,缓解光电子芯片制造工艺的“卡脖子”困境,为我国信息化新基建提供有力支撑。

问题6:如何解决集成电路制造工艺中缺陷在线检测难题?

在上一代国家集成电路制造02专项中,缺陷在线检测设备的研发投入相对较少,我国在该领域存在明显短板,设备水平远落后于发达国家,因此,缺陷检测设备是我国半导体产业链中最薄弱的环节之一,研发集成电路高灵敏度缺陷在线检测技术与装备迫在眉睫。

集成电路领域目前是国际科技竞争的主战场和大国博弈焦点。对于集成电路缺陷检测技术及设备,一方面现有最先进技术设备被少数几个发达国家垄断,对我国技术封锁;另一方面,世界范围内7纳米及以下节点的缺陷在线检测技术仍未成熟,设备缺口仍然巨大,谁率先掌握了相应关键技术,谁就掌握了未来主导权,这对我国来说既是机遇又是挑战。因此,突破下一代节点集成电路制造缺陷在线检测技术,不但可以打破以美国为首的技术封锁,解决“卡脖子”问题,还将提升我国制造业整体水平,为交叉领域科技发展产生重大影响力和引领推动作用,同时带来巨大经济效应和国际影响力,占领国际竞争至高点。

问题7:无人车如何实现在卫星不可用条件下的高精度智能导航?

以无人救援车、无人采矿车、无人运输车等为代表的特种无人车是完成现代化作业、抢险救灾等任务的核心无人装备。为提高无人车的紧急救援、联合作业等能力,要求其导航系统具备高精度定位、自主避障、智能路径规划及导引等功能。因此,需要研究具有高精度、全自主的导航方式以及需要解决面向无人车的惯性基智能导航问题。

通过惯性与里程计组合导航,实现一定距离内的高精度绝对定位,辅之视觉和雷达传感器,能够获得高精度相对定位信息与环境感知信息,实现自主避障与在线路径规划,满足无人车的实际使用需求。该技术取得突破后,相关研究成果可应用于无人救援车、无人采矿车等,进一步推动无人车向智能化发展,增强无人车的任务效能。同时,相关研究成果可进一步推广应用至多种无人平台,提升无人船、无人机等无人装备的智能化导航水平。

问题8:如何在可再生能源规模化电解水制氢生产中实现“大规模”“低能耗”“高稳定性”三者的统一?

发展高效低成本的可再生能源和氢能技术是对国家重大需求的及时响应,也是全球减少碳排放和减缓气候变化的优质解决方案。当前,我国可再生能源重点产业布局成熟、链条完备,发电成本已接近化石能源发电成本。针对可再生能源面临的时空波动性和并网难等问题,应以新技术和新材料为基础,将间歇性过剩的可再生能源转化为化学能,方便储运,实现持续稳定的能量供给和多样化的开发利用。但当前电解水制氢技术的发展水平限制了可再生能源转为化学能的转化效率及产业化进程。

突破高效、低成本、规模化电解水制氢技术可极大地促进可再生能源、氢能的利用和发展,具备重大经济和生态环境的社会意义:一是缓解可再生能源消纳问题,带动相关产业链深度发展;二是有助于构建清洁低碳、安全高效的能源体系;三是提升生态环境社会效益;四是促进海水资源化利用。本技术取得突破后,将促进我国氢能产业的进步,并有效缓解我国和“一带一路”沿线国家的能源问题。

问题9:如何突破进藏高速公路智能建造及工程健康保障技术?

青藏高原地层岩性复杂多变,新构造运动剧烈,深大活动断裂广布,冰川、冻土与山地灾害群(链)发育,具有“显著的地形高差”、“强烈的板块活动”、“频发的山地灾害”、“敏感的冻土环境”四大地质环境特征,以及“高频冻融循环”、“剧烈干湿交替”、“极端高寒缺氧”三大气候环境特征,由此带来的系列工程技术难题是制约西藏高速交通发展的关键技术因素。

实现西藏与祖国内地高速公路直通,是落实习近平总书记治边稳藏战略思想的政治需要,也是富民兴藏脱贫攻坚的现实需要,更是“一带一路”南亚大通道建设的发展需要。该问题的突破将整体提升青藏高原高速公路建养技术现代化水平,降低工程造价和全寿命成本,提高特殊自然环境下交通设施的供给品质与服务能力,为彻底打通西南战略高地—西藏与祖国内地的高速通道提供全面技术保障。

问题10:如何突破光刻技术难题?

光刻技术是制造集成电路的关键技术,是通过紫外光、准分子激光、电子束等广义光源和与其敏感的光刻胶之间的相互作用在基板上形成微纳结构图形的技术。光刻技术的核心在于光刻机、光刻工艺和光刻胶三个方面。最近十年,国家相关部委组织多个大型项目和专项进行光刻技术和产品的攻关,取得了一定的进展,但跟世界发达国家水平相比,我国光刻技术和产业的发展水平仍较落后,差距仍然很大,“受制于人”的困境依然存在。

光刻技术属敏感技术,发达国家对光刻技术的转让严格管控,光刻设备的购买属于高度管制,同时光刻胶产品的采购也极易受到限制,将严重影响我国相关产业链,乃至国家安全。光刻技术的国产化必须是包括光刻设备、光刻胶和所使用全部原料的国产化,否则仍不能摆脱受制于人,“卡脖子”的尴尬现状。在光刻机方面,应扩大低端光刻机的市场,优化性能,同时尽快推出国产193纳米浸入式光刻机,实现中端光刻机的国产化;在极紫外(EUV)光刻方面,需要进一步开展相关基础研究。同时,应开展所有种类光刻胶的完全国产化研究。突破光刻技术不仅可以提高我国相关产业链在世界上的竞争力,更是从国家安全角度具有十分重大的战略意义。

来源:中国科协调研宣传部

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