8月18日，世界首台百万千瓦水电机组白鹤滩水电站左岸1号机组转子成功吊装。这也标志着中国水电人攀登百万千瓦机组这一世界水电“珠峰”已进入最后冲刺阶段。 王菡娟

在推进建设世界科技强国进程中,不断提出、判别科技重大问题及其优先级具有重要的战略意义。

近日,在第二十二届中国科协年会上,中国科协发布了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,以期研判未来科技发展趋势,抓住突破口,前瞻谋划和布局前沿科技领域与方向;同时引导广大科技工作者围绕这些重大难题开展科研工作,为经济社会可持续发展贡献力量。

自2018年以来,中国科协组织全国学会及学会联合体开展重大科学问题和工程技术难题征集活动并向公众发布,三年共评选、发布了100个难题。今年征集发布活动共征集到103家全国学会、学会联合体、企业科协提交的490个问题难题,经过网络初评投票、复审和终审评议最终评出,1.88万余名院士、专家、一线科技工作者参与其中。

10个前沿科学问题

问题1:冠状病毒跨种传播的生态学机制是什么?

新冠病毒在全球蔓延后,对病毒本身的研究迅速开展,但对病毒跨种传播生态学机制的研究仍较少。

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。引力波打开了观测宇宙的一扇新窗户。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,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,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。

问题3:地球物质是如何演化与循环的?

从时间尺度上来看,地球物质都是演化的。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可能。

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,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?

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,以支撑其他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。目前期望推动第五代核能系统概念的落地和最终实现。

问题5:特种能场辅助制造的科学原理是什么?

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。

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,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。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。同时,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。

基础设施是数十年甚至是百年工程,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。

问题7:调节人体免疫功能的中医药机制是什么?

一些重大、疑难疾病的发生、发展和转归均与免疫密切相关。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;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,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。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”。但目前形成机制依然不清楚,也未能将其成功应用于作物育种中。

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?

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。

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,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。

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。

10个工程技术难题

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。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,是人类彻底治愈肿瘤的希望。

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,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;此外,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?

通过开展水平起降组合动力运载器一体化设计技术研究,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,实现安全、快速、机动、环保地进出空间,大幅提升我国自由进出空间和利用空间的能力。

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,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,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,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,快速提升我国关键基础设施强电磁脉冲防御能力。

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。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?

缺陷检测设备是我国半导体产业链中最薄弱的环节之一。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,谁率先掌握了相应关键技术,谁就掌握了未来主导权。

因此,突破下一代节点集成电路制造缺陷在线检测技术,不但可以打破相关国家的技术封锁,解决“卡脖子”问题,还将提升我国制造业整体水平,同时带来巨大经济效应和国际影响力,占领国际竞争制高点。

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。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。

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?

针对目前可再生能源面临的时空波动性和并网难等问题,一个解决办法是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,还能有效缓解我国和“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?

青藏高原独特的地质环境特征以及气候环境特征带来的工程技术难题是制约西藏高速交通发展的关键技术因素。

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和敏感技术。发达国家对光刻技术的转让、光刻设备的购买以及光刻胶产品的采购实施严格管控。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。