2021年企业该关注哪些前沿技术和科研问题

今年，中国科协围绕数理化基础科学、技术科学、生态环境、制造科技、信息科技、先进材料、资源能源、农业科技、生命健康、空天科技等十大领域，开展重大问题难题征集评选，并首次启动了重大产业技术问题征集评选。征集发布活动共征集到89个国内科技组织、73个国外组织和境外专家推荐的472个问题难题。经过22965名一线科技工作者参与网络初审、实名投票，150位院士专家参与复评、中审、预审和终审，最终在“第二十三届中国科协年会”闭幕式上，中国科协发布了10个对科学发展具有导向作用的前沿科学问题、10个对工程技术创新具有关键作用的工程技术难题，并首次发布10个对产业发展具有引领作用的产业技术问题。

为促进产学研合作，推动跨界交流沟通，使科创型企业在发展中能捕捉到新思路、新模式和新方向，现将30个前沿技术和科研难题的关键点进行凝炼，希望能给企业家们点燃思考问题、研判问题的灯塔。同时，呼吁企业家团结科技力量协同攻关，推动高水平科技自立自强。

2021十大前沿科学问题

1.如何突破大尺寸晶体材料的制备理论和技术？

晶体材料已广泛应用于能源、环境、信息、医疗、军事等领域，在人类社会发展中起着举足轻重的作用。近年来，随着高新技术的飞速发展，获取大尺寸、高品质晶体材料已成为制约相关行业发展的瓶颈。

未来面临的关键难点与挑战：在基础科学研究领域，研究晶体材料的多尺度结晶生长新理论，准确定量描述成核与生长的动态多尺度过程，系统平衡晶体生长过程中的跨尺度热力学和动力学因素。

2.纳米尺度下高效催化反应的作用机制是什么？

研究纳米尺度下高效催化反应的作用机制，从分子水平研究、加深对催化反应过程本质的认识，将能从原子、分子层面指导构建原子经济性和节能高效的绿色催化体系，从而发展高效碳减排技术，为“碳达峰”“碳中和”做好技术储备。

通过对纳米催化过程的限域效应研究能够加深人们对于催化反应本质的认知，进而为高效纳米催化体系的开发及其工业化应用提供坚实的理论支撑。未来催化科学和技术的目标是温和条件下的高效可控转化，纳米催化作为新一代催化技术使人类向该目标迈进了一大步。比如，纳米催化技术被寄希望于实现碳中和技术开发中的“甲烷直接氧化高效制甲醇”“CO2加氢高效制甲酸”等一系列“dream reactions”，这具有重要的经济意义和社会意义。

3.农作物基因到表型的环境调控网络是什么？

基因与环境共同决定了农作物表型性状，但环境因子对基因到表型的过程调控机制及作用网络尚不够清晰。目前已经实现了对重要农作物如水稻、小麦、玉米、大豆、油菜、棉花、大宗蔬菜、主要水果等基因組测序或重测序，并指导了部分作物的育种工作。但至今，在基因组和表型组之间还未建立起完整、有效的功能链接，并且作物在生长和繁殖过程中由于外界环境的影响会显现出不同的性状，影响育种和栽培的有效性。

在后基因组时代，如何高通量、实时、无损收集基因组、表型组、环境参数等海量数据，如何有效运用多学科手段，如何高效开展多组学、多维度数据关联分析，解析基因型基础上环境影响作物表型形成的路径与调控网络将成为定向育种与精确栽培研究的前沿问题和热点难题。

4.中微子质量和宇宙物质-反物质不对称的起源是什么？

中微子质量及其他基本性质的实验和理论研究是粒子物理学的重大基本问题，特别是中微子的质量顺序、轻子部分的CP破坏现象和中微子质量的马约拉纳属性。通过江门中微子实验和其他未来可能的中微子实验，深入研究中微子振荡、中微子天体物理、无中微子双贝塔衰变等问题，将有助于解决基本粒子质量起源、宇宙原初反物质消失和暗物质之谜等重大前沿科学问题，意义深远。中微子的探测和无中微子双贝塔衰变的观测都要求更大规模的探测器、更高的能量分辨率和更低的本底噪声，为此研发的探测技术和硬件设备将来一定会有更广泛的应用前景。

5.地球以外有统一的时间规则吗？

通信、导航、遥感、侦查预警，以及全球金融、贸易、电力、交通和电信运营都需要精准且统一的时间。地球上的守时和授时手段，面对越来越远的航天器和基地已经鞭长莫及，如何统一太阳系内的时间，成为新的问题。现有的时间管理理论和方法仅仅适用于地球及其附近空间，不适用于更广域的宇宙空间。由此出现了“空间守时系统”新概念，这不仅仅是概念创新，更重要的是颠覆了传统时空观念。二十一世纪，以信息和航天产业为引领展开了新的产业革命，深空探测和地外基地的布局是未来20年发展的热点，重新制定时间管理规则成为大势所趋。

6.大脑中的记忆是如何产生和重现的？

记忆印迹的信息编码与读取研究从基础学术角度，有助于找到信息高效存储的生物学本质，对人类的思维与认知基础进行定量研究。大脑如何存储记忆是尚未解决的科学难题和前沿性问题。通过对记忆印迹细胞，这个记忆的细胞生物学研究对象的深入研究，解开大脑中记忆存储和提取的基本原理，将成为理解智能的生物学机制的关键突破点。

7.以新能源为主体的新型电力系统路径优化和稳定机理是什么？

构建以新能源为主体的新型电力系统对我国能源转型具备重要的意义，本问题涉及新能源、电气工程、控制和气象等学科，学科跨度大、融合程度深，有望孕育新的学科增长点，为我国能源相关领域提供重要的参考和支撑。

随着“碳达峰，碳中和”目标的提出，以风电、光伏为代表的新能源将得到规模化发展，电力系统形态将发生根本性变革。现有电力系统是以同步发电机为主导，新能源以跟随同步发电机运行，不具备自行构建电网的能力，无法满足高比例新能源下电网的稳定运行要求。未来，如何构建以新能源为主体的电力系统，保证电力系统的可靠供电与安全运行是大规模发展新能源、实现“碳达峰，碳中和”进程中的关键问题。

8.铝合金超低温变形双增效应的物理机制是什么？

铝合金是火箭、飞机等运载装备的主体结构材料。但是，高强铝合金常温塑性差、硬化能力低，难以成形整体薄壁曲面件，一直是制造领域的国际难题。

通过突破超低温下双增效应的微观机制，建立超低温成形技术体系，发展出与现有冷成形、热成形并列的第三大类成形制造技术，为大尺度铝合金、铝锂合金整体结构薄壁曲面构件提供新一代成形技术，解决我国航天航空高端装备铝合金整体结构的难题，推动重型运载火箭、大型飞机、高铁等国之重器的发展。

9.如何揭示板块运动动力机制？

驱动板块运动的源动力是什么一直存在争议，它是地球系统科学中的顶级科学问题。如何通过综合地球物理证据验证各种假说和模型的真伪是解决问题的关键。该问题一旦获得突破，对地球系统科学的发展将产生划时代的影响：不但对大地构造学研究领域有突破性进展，而且对地形地貌演化、古地理学、地球生态环境系统演化以及“人类生存共同体”的发展都具有重大影响。

10.“亚洲水塔”失衡失稳对青藏高原河流水系的影响如何？

由于“亚洲水塔”失衡失稳引发的地质灾害，正持续改变青藏高原河流水系统结构与水沙通量，对我国及下游国家水资源安全和灾害防治具有重要影响。

在这一演化的大背景下，开展青藏高原河流水系统变化过程与成因、影响及演化趋势等科学问题研究，对于丰富和理解气候变化背景下“亚洲水塔”失衡失稳的科学内涵和过程机理、减缓和应对这一演化趋势对我国及下游国家水资源供给安全影响和科学防治水旱灾害具有十分重要的科学意义和应用价值，同时对于开展全球其他气候变化影响严重区域河流系统变化研究具有重要的参考价值。

2021十大工程技术难题

1.如何高效利用农业微生物种质资源？

我国农作物病虫害频繁爆发、耕地质量偏低和农业面源污染等问题，严重制约我国农业绿色高质量发展。农业微生物资源是新型微生物杀菌剂、杀虫剂、功能性肥料等绿色低碳投入品的重要来源，是支撑农业高质量发展的重要保障。但是，我国在农业微生物种质资源保护、重要功能性微生物利用过程中的基础科学问题与产业化技术难题等方面的研究方面投入不足。

针对当前农业微生物资源开发利用中的基础科学问题和产业瓶颈，加强微生物种质资源保护、功能性微生物作用机理、农业微生物产业化关键技术及其绿色投入品的应用技术集成等研究，将会推进农业微生物种业高质量发展，对保障粮食安全和人民生命健康具有重要推动作用。

2.如何解决三维半导体芯片中纳米结构测量难题？

三维芯片大深宽比结构可溯源测量是世界性难题，该难题取得突破后，将极大丰富和扩展计量科学和方法的创新，直接影响半导体芯片制造领域，并将促进半导体芯片进一步向多层堆叠结构发展，在三维世界中延续摩尔定律。

发展三维芯片大深宽比纳米结构的可溯源测量技术，一方面可使我国在半导体芯片测量领域率先突破。另一方面，该技术难题的突破将进一步促进航空航天、国防军工等领域微纳器件的制造水平提升，并将极大丰富和扩展计量科学和方法创新。

3.如何开发比能量倍增的全固态二次电池？

截至目前，全球尚未开发出在比能量性能方面可以与现有高比能锂离子电池相媲美的全固态电池，而目前由商业公司所发布的相比于现有锂离子电池具有部分优势的固态电池数据均来自于为半固态电池，但整体性能尚需进一步提升。全固态锂二次电池采用致密固态电解质，理论上比能量可达到现有锂离子电池的2-3倍，应用领域将从小型便携式电子设备拓展到动力和储能领域，这对加速我国新能源汽车技术进步，增强我国新能源汽车全球竞争力，节能减排和保障我国能源安全具有重要意义。

目前，固态电池已成为各国争先角逐的新能源汽车热点技术，通过关键技术研发，在未来5-10年实现全固态电池的产业化，预计2030年全球市场规模可达到数百亿甚至数千亿美元。

4.如何发展我国自主超高分辨率立体测图卫星关键技术？

卫星测绘是航天遥感高精尖技术的聚集地，发展大比例尺卫星测绘是建设测绘强国的必由之路。目前几何分辨率优于0.3m的面向1：2000的大比例尺国产测绘卫星处于空白。从工程技术角度，还存在大比例尺测绘卫星总体设计及指标论证、传感器及平台设计、高精度数据处理及应用等薄弱环节，诸如亚角秒级高精度姿态确定、10-6量级的超稳定度卫星平台、0.2m级甚高几何分辨率航天CCD拼装、复杂空间环境下卫星平台与载荷夹角变化高灵敏度测量与高稳定控制、高可靠度的激光测高数据处理、甚高分辨率高精度几何辐射检校、全球高精度高程基准建立等关键难点问题需要攻关。

5.如何利用人工智能实现医疗影像多病种识别并进行辅助诊疗？

由于医疗资源分配不均，造成许多医疗水平落后地区出现较为严重的误诊率，人工智能结合医疗影像实现辅助诊疗成为必然趋势，但目前的技术都是针对单病种的识别，忽略了病理之间的相关性，有可能延迟其他病灶被发现的时间，耽误最佳治疗时间;同时，单病种识别的低利用率，给医生综合诊治过程带来了极大的不便。实现人工智能精准辅助诊疗，可以从根本上有效缓解医疗资源的压力，提升医生诊疗的效率和精度，减少误诊和患者的时间经费等开销。

从落地方向来看，目前，我国AI医学影像产品布局方向主要集中在胸部、頭部、盆腔、四肢关节等几大部位，以肿瘤和慢病领城的疾病筛查为主。

6.如何突破深远海航行装备制造与安全保障工程技术难点？

我国的深远海航行装备设计制造研发起步较晚，在技术链和产业链的完整性，以及高附加值大型船舶和海洋装备的关键技术领域还存在明显的短板。应重点开展：深远海与极地环境监测和预报研究，建立相应的数据库及标准，形成大数据分析能力;深海与极地工程涉及的顶层设计研究，探测与通信系统研究，性能与安全预报和评估技术研究，运维与监控技术研究与系统开发，建立配套的技术标准;安全航行保障与远程监管技术与系统研究，预警与救助系统研究，建立数据库及标准，形成系统的安全保障和应急处置能力;深远海与极地装备工程软件研发，形成具有自主知识产权的软件系统。

7.如何创建5G+三早全周期健康管理系统？

人口老龄化、慢性病已成为严重威胁我国居民健康、影响国家经济社会发展的重大问题。近年来，我国已有多家医疗机构开始探索5G在健康管理领域中的应用。目前，5G技术在我国医疗健康领域快速发展并初步显效，但居民健康危险因素没有得到有效控制，已有探索主要围绕部分慢性病患者开展“互联网+”健康管理服务，尚未发现依托5G技术开展“医院—社区—家庭/个人”健康管理的研究与实践。

8.如何通过重要生态系统修复工程构建精准高效的生态保护网络和恢复生物多样性？

当前，世界各国共同面对生态退化、生物多样性丧失等问题的严峻挑战，并实施一系列生态保护修复措施作为应对。我国作为生物多样性丧失问题最严重的国家之一，对此问题保持高度关注。生物多样性提升需要解决两个主要问题：一是如何实现以恢复自然生物资源为重心，有效提升生物多样性水平及生态系统服务功能。二是如何构建生态保护网络，有效遏制生物资源衰退，并争取将野生动物多样性和资源水平恢復至环境容纳量的高值。

9.如何构建我国生态系统碳汇扩增的技术体系？

气候变化及其影响日趋严重，已经成为全球人类面临的重大挑战。实现碳中和的核心是减少大气中CO2等温室气体含量，主要有两大途径：减少温室气体排放;碳汇扩增。目前我国生态系统碳汇扩增还处于试点探索和系统管理的初期，还存在以下问题：核算技术标准不统一，家底不清楚;工作机制不健全，难以形成合力;生态系统总体较脆弱，碳汇潜力有待提升等实际问题，制约了我国碳汇扩增举措。

10.如何制造桌面级的微小型反应堆电池？

核能最大特点是能级密度高，小型核动力装置具有不可替代的优势，将传统的核电和核动力反应堆微小型化是国内外研究的热点。但是目前技术只能做到车载级别微小型反应堆，如何将反应堆动力装置进一步微小型化是一个迫切和重大的工程技术难题。国内多家单位也在进行研究，上海核工程研究设计院有限公司提出碱金属反应堆电池等新技术超越了现有微小型反应堆理念，可以在保证较大功率的情况下，进一步缩小装置尺寸。本问题突破后可以大大促进军事国防、太空探索、海洋利用等领域的重大发展，为核动力发展引入新鲜血液，产生较大的科技经济和社会效益。

2021十大产业技术问题

1.如何实现面向大规模集成光芯片的精准光子集成？

至今全球还没有可大规模量产的集成光源的大规模集成光芯片产品，这对于我们是一个难得的历史机遇和机会。目前，南京大学相关课题组在世界上第一次明确提出精准光子集成的概念，基于精准光子集成，已经研制出面向5G等应用的可量产的25Gbps低成本可调谐激光器标准模块样品，并于今年6月在标准通信设备上通过基本传输测试，连续24小时无误码、无丢包。

2.如何开发针对老龄化疾病的医用人工植入材料？

随着我国老年化现象越来越严重，但是我国这类高端植入医疗器械市场一直被国外进口产品所垄断，尤其是这种可以代替人体组织的“人工材料”一直是“卡脖子”工程，几乎完全依赖进口。必须迅速提升我国在基础人工植入材料领域的研发和转化水平，开发新型功能性医用高分子材料：比如用可缓释抗凝血物质的高分子材料做成人工血管或心脏支架;利用金属3D打印技术打造高技术含量的国产骨科产品等。

3.如何开发融合软体机器人与智能影控集成技术的腔道手术机器人产品？

目前国内外对经腔道软体微创治疗机器人的研究工作大部分还集中在应用基础研究，部分细分领域适应症产品已通过临床试验，走向示范应用和市场推广，但仍需深入研究软体机器人技术的临床应用潜力。我国微创外科手术机器人领域部分产品现已实现跟跑或领跑，但是在经腔道手术机器人细分领域，我们研发进度略显迟缓。

4.如何开发大规模低能耗液氢技术和长距离绿氢储运技术？

氢气被认为是21世纪的终极清洁能源，备受各国高度重视，将氢能发展提升到国家战略发展高度。我国是产氢大国，液氢主要用于航空航天等领域，民用液氢方面几乎是空白，远远落后于发达国家。我国液氢生产及储运项目加速落地，掌握核心关键设备和技术至关重要。目前，鸿达兴业氢液化工厂 、中石化巴陵石油化工有限公司、湖南核电有限公司、重塑集团、佛燃能源、国富氢能、泰极动力，以及浙江海盐、河北定州、河南洛阳等地的企业也都在积极进行项目建设与探索。

5.如何解决我国航空发动机短舱关键技术问题？

多年来，民用客机对短舱系统性能与功能的要求不断提高，其推进系统的短舱已经发展为独立于发动机和飞机制造商的高度专门化航空技术领域。而我国涡扇飞机短舱产品全部依赖进口。目前，在航空复合材料研制领域，中航复材、商飞复材中心、江苏恒神等科研机构和企业已经发挥了重要作用。我们应瞄准这一“卡脖子”技术的战略需求，开展短舱系统多学科集成优化设计体系与关键技术研究，并在此基础上结合作者团队所具有的国内外从事短舱研制工作的经验，开展中小型涡扇发动机的短舱系统验证机的研制工作。

6.如何突破耕地重金属的靶向快速经济安全减污技术？

耕地重金属污染是当前我国面临的最突出农业环境问题。近年来，国内外研究者在重金属靶向捕获、相分离与绿色高效经济减量净化功能材料等方面获得了进展，主要有改性黏土矿物材料、生物炭材料、层状双金属氢氧化物（LDH）以及金属有机框架材料等。污染耕地重金属减量净化修复材料与技术的创新及应用是实现土壤重金属含量削减的关键，创制新型靶向减量净化修复材料（如磁性复合功能材料），是攻克现有土壤有效态重金属减量技术瓶颈的关键。

7.如何利用风光水加快实现“碳中和”目标？

我国风电、光电、水电等各行业全产业链世界领先，开发规模均居世界第一。在水资源综合利用领域，我国形成了“自然—社会”二元水循环理论，以及水电“流域、梯级、滚动、综合”开发的广泛实践，流域水电基地基本形成，“西电东送”的特高压电网已经形成。难点和挑战在于建立青藏高原水资源综合开发工程技术体系、构建以流域水循环调控为基础的风光水能互补开发技术体系。一是建设“亚洲水塔”形成水资源综合利用体系。二是加快实现“碳达峰”“碳中和”。三是助力青藏高原生态屏障建设。

8.如何攻克漂浮式海上风电关键技术研发与工程示范难题？

我国海上风电已进入大规模发展阶段，然而目前其开发能力还仅局限于近海浅水海域。随着开发进程的加快及技术革新，海上风电走向深海是行业发展的必然。国内在海上浮式风机的开发进展上落后于国外。漂浮式海上风电已引起了各大企业和研究机构的强烈关注，湘电风能、金风科技、中国船舶重工集团海装风电股份有限公司、三峡集团等在开展深海漂浮式海上风电技术研发与样机示范项目探索。

9.如何制备高洁净高均质超细晶高端轴承钢材料？

我国轴承制造目前面临的主要瓶颈问题在于轴承钢材料制备水平低下，洁净度、组织控制、服役评价等远低于国外水平，关键轴承一直依赖进口，将对我国的中长期发展规划战略的实现、制造业强国战略的实施产生巨大的阻碍。因此，开展高性能轴承钢母材的全新全流程制造技术研究，切实解决关键轴承严重依赖进口的“卡脖子”问题，保障我国国防、航空、航天、高速轨道交通、能源等关键领域轴承的自主可控制造。

10.如何发展与5G/6G融合的卫星互联网络通信技术？

国家“十四五”战略规划明确提出将建设高速泛在、天地一体、集成互联、安全高效的信息基础设施作为未来5年的重点发展方向之一。就目前现状而言，一方面，地面5G网络受地理限制，难以保证对偏远地区的覆盖，需要借助卫星网络实现真正的无缝覆盖;另一方面，我国卫星系统受限于境外建站，境外信息无法直接回传，需大力发展星间组网实现全球通信。需重点攻克以下技术难题：天地一体网络架构;卫星与5G通信技术融合;融合网络标准化。