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前言

中国工程科技2040技术预见研究由中国工程院和国家自然科学基金委员会联合组织开展，作为中国工程科技2040发展战略研究的重要组成部分，旨在通过技术预见更准确地把握科技发展大势，研判可能产生重大突破的工程科技关键技术和发展方向。

一、关键共性技术

在调查研判形成的领域共性技术基础上，经总体研判提出在工程科技整体层面或者在多领域具有较大通用性的共性技术，共有25项，包括新一代信息及人工智能、先进材料与先进制造、能源与环境生态、健康与安全四大类，如 表1 所示。

表1.关键共性技术

1. 新一代信息及人工智能技术

新一代信息及人工智能技术的快速发展和普遍应用，是推进经济社会各领域快速走向信息化、智能化的关键，对此，需要加快推进信息领域关键共性技术发展，夯实信息技术体系能力，推进信息技术与相关领域的交叉融合发展，强化信息技术使能支撑。

通信、导航、时空信息系统等方面的技术是未来社会实现万物互联、智能决策的基础。

▲ 第六代移动通信（6G）技术将跨越人联、物联，迈向万物智联，将利用超高速、超可靠连接、原生人工智能、先进感知技术等为用户提供无处不在的智慧服务。

▲ 基于频谱资源优化的“空天地”信息网络技术是实现全球化信息互联互通的重要技术途径。

▲ 通信导航一体化技术融合实现更高的通信与定位性能。

▲ 全时空信息系统构建技术则是在群智感知信息爆发式增长的背景下，实现自然资源管理、生态环境监测、地质灾害预防、智慧城市治理和新型基础设施建设等领域智能决策目标的迫切需求。

▲ 复杂场景全域感知与智能认知技术在自主无人系统中具有广泛的应用前景。

▲ 移动互联环境下综合交通信息服务技术是实现综合交通信息服务快、准、稳的关键技术。

▲ 水下导航定位与海底测绘技术，对海洋开发利用和海洋权益保护具有重要的基础性意义。

▲ 脑机接口关键技术用于临床康复和治疗已成为未来发展趋势，可广泛运用于临床康复医疗、娱乐、互联网等多个领域。

2. 先进材料与先进制造共性技术

材料作为制造、建造等各领域各行业发展的基础，具有较强的通用性，共性新材料技术的研发将对多领域、多行业产生广泛影响。

材料研发本身的共性技术则是新材料关键技术攻关的基石。

▲ 基于材料集成计算与高通量自主计算的材料设计技术，为未来“理论预测、实验验证”的新材料研发模式将大幅降低研发成本、缩短研发周期。

▲ 高性能金属3D打印与材料基因组技术是解决高性能难加工金属材料等成形制造难题的先进技术，为航空航天、轨道交通等领域超轻结构、空间桁梁、高效冷却等先进金属结构设计和技术创新提供有效的技术手段。

▲ 高性能有机纤维材料及其复合材料制备技术是保障国家安全建设的战略性基础原材料和重大共性材料技术。

▲ 药物靶向控释载体技术使生物材料的应用从外科进入到内科，将成为21世纪主要的用药方式，并有望解决难治愈疾病的治疗问题。

▲ 新型智能传感器材料制备技术为高端制造、万物智联的智能社会提供硬件支持

▲ 智能制造系统与技术是推进未来生产制造模式智能化的基础技术。

▲ 深海、深空、深地工程共性技术与通用装备是满足开发利用深海、深空、深地空间的极端制造技术需求，支撑极限工况条件下科技创新工程的重要共性技术。

3. 能源与环境生态共性技术

能源是现代经济社会运行的基础，而环境生态保护与恢复涉及生产生活的方方面面。

双碳背景下新型清洁绿色能源发展、环境生态保护涉及多项重要共性技术。

▲ 规模化新型电能存储技术作为电力系统重要的灵活调节资源，是支撑新型电力系统的重要技术。

▲ “水风光电储”融合与联调的关键技术则可以为其大规模协同并网做技术准备。

▲ 全固态电池等新型电池技术为商业化提供了支撑，全固态电池具有高安全性和长寿命等突出特点，将解决新能源汽车续航短、安全性差等痛点问题。

▲ 大气环境减污降碳监测评估模块与协同治理装备技术，针对温室气体和大气污染物的同根同源性，发展协同治理技术，有助于推动减污降碳协同增效。

4. 健康与安全共性技术

建立健康与安全的社会，是现代社会以人为本的关键所在。

健康与安全领域面对的重大问题和重大挑战，具有更复杂、更多元、更耦合的特点。

▲ 水-粮食-能源-生态多维交互效应与协同调控技术，水、能源和粮食是经济社会发展最重要的物质基础，而三者以水为纽带形成了复杂的关联关系，直接影响和决定了生态系统健康，研究水、粮食、能源开发利用与生态系统的作用规律和关键技术，是通过供需双向协调保障能源、粮食产业发展的基本应对策略。

▲ 人工智能辅助诊疗技术是基于人工智能及大脑模拟，这将成为未来科技进步的又一重要标志，是未来医药卫生与人口健康领域的重要发展方向。

▲ 人体微生物组诊断预防及干预技术与人体的健康强相关，将在慢病防控、个性化精准诊疗和健康管理、微生物药物和制剂等领域具有广阔前景，是新一轮科技革命的战略前沿高地。

▲ 社会治理多源信息全息感知与处理技术在社会治理方面，随着数字化、智能化的深度发展，探索智能社会的运行逻辑与治理模式意义重大，是现代社会治理智能服务的基础性技术。

▲ 超大城市安全运行精细化数字仿真模拟和运行调度关键技术，是运用数字技术推动城市治理体系和治理能力现代化的必由之路。

▲ 巨灾综合应急救援理论的研究，构建巨灾防范、指挥救援的共性技术则是应对各种巨灾型突发事件的重要基础。

二、颠覆性技术

面向2040年的21项颠覆性技术，包括量子与人工智能技术，能源与近零污染、减碳新技术，新概念制造与先进材料技术，新型运载与导航观测技术，生物技术五大类，如 表2 所示。

表2.颠覆性技术

1. 量子与人工智能技术

当前，各主要国家致力于推进量子科学发展和量子技术战略，包括量子计算、量子通信、量子模拟、量子测量、传感等方面。

量子技术的发展将在多方面产生颠覆性影响。

▲ 量子测量与计量技术将在未来全面由实验室研发迈向产业应用。

▲ 超高精度量子导航与探测技术将大幅度提升卫星导航、水下定位、医学检测和引力波探测等的准确性和精度。

人工智能应用技术向解决领域智能化发展问题的“人工智能+”方向转化，对各领域发展产生重大影响。

人工智能技术的快速发展和多方面突破将成为未来社会智能化的极大驱动力。

▲ 类脑智能技术与脑科学研究是目前各国必争的战略科技前沿，有望催生出“超级大脑”芯片、类脑机器人等产品。

▲ 人体虚拟孪生技术的发展将在生命科学和医药领域产生颠覆性影响，成为“实验室到病床”和“病床到实验室”双向转化医学研究的新概念平台和新实验手段，对生命认知、手术医疗、智能医疗仪器以及健康与医学应用具有变革性意义。

2. 能源与近零污染、减碳新技术

低碳绿色发展、资源循环利用已成为人类社会共同需要面对的问题，减碳、向近零污染转型涉及到生产生活各方面。

能源生产消费方式的转变首当其冲，选择低碳能源、发展清洁能源成为世界各国能源政策的关注重点。

▲ 新一代固有安全经济高效核电技术，应对全球气候变化最现实的战略选择的核能，而发展具有“固有安全、经济高效、环境友好、资源节约”等特征的新一代核电技术，将促进我国核电技术跨越式、引领式发展，推进能源结构向低碳安全发展。

▲ 远距离高效率无线电能传输技术则对提供供电自由度、有效解决供电安全问题具有重要意义。

▲ 零污染大气移动源技术，发展基于绿氢的新能源内燃机与燃料电池技术作为移动源的动力来源，耦合末端治理技术，可从根本上实现温室气体与污染物协同净化，实现近零排放。

▲ 净零碳 ‒ 负能耗净水技术，是基于风险控制的污水低碳净化与再生回用的新原理和新技术，为协同解决水环境污染、水资源短缺和水生态破坏问题提供科技支撑。

3. 新概念制造与先进材料技术

高端制造仍为未来产业变革的核心技术，与信息技术融合牵引高性能材料推陈出新。同时，新材料和新物质结构不断涌现，也不断推进新概念制造技术的产生和发展。

▲ 新原理、新概念与仿生机器人技术将推动智能制造跨越式发展，未来人工智能与机械领域将进一步深度融合。

▲ 生物3D / 4D打印技术以重建人体组织／器官为终极目标，在健康医疗领域表现出巨大的研究价值和应用潜力，将在生命科学研究和个性化治疗中发挥变革性的作用。

▲ 宽禁带半导体材料与器件在功率器件和射频器件等领域具有不可替代性和广阔的应用前景。智能社会发展将推动电子信息材料、新型智能材料的颠覆性突破。

▲ 无机塑性半导体技术颠覆了人们对于无机半导体本征脆性的传统认知，为开发新型柔性和可变形电子器件提供了新的材料和方法支撑。

▲ 新原理、新概念与新型生物智能材料技术的发展成为推进细胞治疗从基础研究向临床应用转化的重要技术方向，为一些重大疾病的治疗带来了新的曙光。

4. 新型运载与导航观测技术

新概念智能绿色运载装备、高精度导航观测技术等将与智能交通、空间海洋探索模式的变革性发展深度融合、相互促进。

未来，运载装备将向更加便捷、智能、绿色的方向发展。

▲ 新概念航空动力技术下波转子发动机、冲压转子发动机、核动力航空发动机等新概念航空动力将为高空、高超声速等多种新型飞行器提供动力，实现经济高效、远程快速到达等飞行目标。

▲ 跨介质无人航线器技术，具有综合水下航行器的隐蔽性以及空中飞行器的快速性优势，具有广阔的应用前景。

▲ 广义管网运送机械系统与真空管道胶囊高速运载机械系统作为新一代交通工具，有望实现飞行列车超声速“近地飞行”，一旦实现则将彻底颠覆现有的交通运输方式。

▲ 航班化天地往返运输技术中的系统是航天运输系统发展的高级形式，能够满足地面点对点运输、大规模进出空间的任务需求，是实现第五代航天运输标志性技术和产品的重要途径。

▲ 立体导航、基于云计算的无人驾驶器导航技术等是实现立体交通、无人驾驶、智能交通的关键技术。

▲ 无缝隙高精度气象数值预报技术体系的建立，做到从全球到对流尺度、短时到中期、确定性到集合，将对高度发展的社会经济和生活的全方位、精准化、定量化预报服务产生颠覆性影响。

5. 生物技术

生物技术是主导农业新绿色革命的重要手段。基因化推动农业进入生物与信息融合的育种加速新阶段。

▲ 动物干细胞育种技术在家畜育种、高效繁殖以及资源保存中具有广阔的前景，未来有望成为家畜育种与繁殖领域的颠覆性技术。

▲ 作物高光效利用与高效固氮技术的发展，重构作物光合系统，开发光合循环优化育种技术，提升粮食单产潜力，对于颠覆传统农业依赖氮肥的生产方式、保障全球粮食安全和生态安全具有重要意义。

内容摘自：周晓纪,张永伟,马守磊,孙粒,黄廷锋,孙胜凯,陈欣意,郑文江,刘宇飞. 

中国工程科技2040技术预见方法体系及其应用[J]. 中国工程科学, 2024, 26(5): 117-127 DOI:10.15302/J-SSCAE-2024.05.012