五大领域将成未来产业创新前沿

新一轮科技和产业变革加速发展,新的颠覆性技术不断涌现。9月9日,浦江创新论坛成果发布会在上海召开。会上,由中国科学技术信息研究所、上海市科学学研究所联合编撰的《未来产业创新的前沿领域》报告正式发布。

该报告基于对各国和地区科技政策与研发投入、论文与专利、专家观点与学术会议资料等科技信息的度分析,遴选出未来产业创新的五大前沿领域——类脑芯片、量子信息、合成生物学、绿色制氢和区块链,并探讨了它们的发展态势、区域研发优势、技术研发方向和面临的挑战。

类脑芯片是借鉴人脑的信息处理机制发展出的新型计算芯片,近10年来高速发展。报告指出,类脑芯片于2013年至2016年进入快速增长期,2016年后进入高速增长期。2013年之前,有关类脑芯片的全球论文数量不足500篇,2016年升至1000篇,2022年有近4000篇。类脑芯片专利申请量也在2015年后大幅上升,从2015年的不到300件升至2021年超2600件。

从国家来看,美国是全球类脑芯片研究和应用的领先国家;瑞士是神经形态芯片的发起地,其学术影响力较大;中国的类脑芯片研究起步较晚,但在2016年与美国同步进入快速增长期。目前,中国在这一领域的基础研究和技术研发成果数量均居全球首位,但论文仍存在学术影响力较低、研究质量与机构存在差距等问题。

中国科学技术信息研究所副所长刘琦岩在发布会上表示,类脑芯片是人工智能产业发展的基础和先锋,目前仍处于实验室探索阶段,尚存在理论建模、功耗降低、融合感存算一体化、高效感知等诸多技术瓶颈。类脑芯片融合了脑科学、计算神经科学、认知科学、统计物理等学科知识,需要充分调动相关领域专家参与,加强学科交叉。

量子信息是量子力学与信息学交叉形成的一门学科。报告显示,在量子信息领域,创新大国竞争激烈,基础研究和技术研发成果数量持续增加。美国在量子计算和量子测量方面优势明显。中国目前的量子信息专利数量居全球首位,论文数量仅次于美国,量子通信应用规模和产业发展处于全球领先地位,但量子计算和量子测量领域的研究与应用水平较美国仍有一定差距。

在细分领域方面,量子计算的产业影响力最大,是量子信息领域的关注焦点。样机研发与性能提升是实现量子计算潜力的核心,超导和离子阱技术路线持续领跑,硬件技术仍处于多种方案并存发展阶段;量子通信领域的未来方向则是基于量子隐形传态、存储中继和转换等关键技术,构建量子信息网络;在量子测量领域,原子钟、重力仪、磁力计、光量子雷达等多类型产品已逐步实现商业应用。

报告指出,量子信息的前沿科技成果尚处于探索研究期,需要进行深入的概念验证,技术成熟度不高,转移转化存在诸多困难。因此,需要加强政产学研用各方在量子信息领域的沟通交流与协同创新,将学术力量与产业界资源有机结合。

合成生物学是生物科学新出现的一个分支学科,是基于系统生物学的遗传工程和工程方法的人工生物系统研究。报告指出,在合成生物学领域研究中,美国属于第一梯队,中国、日本、英国属于第二梯队。从全球来看,合成生物学的研究已形成比较固定的学术合作圈,在科技创新合作中地缘关系影响较大。

刘琦岩介绍,合成生物学的发展还处于早期阶段,需要政策持续支持。目前整个行业的发展仍缺乏中长期、明确的发展规划。细分来看,上游工具层是合成生物学技术体系的基础和关键,竞争壁垒较高,中游的数字化、人工智能化对于实现对生命系统的理性设计至关重要,技术创新难度均较大。解决规模化生产难题是合成生物学的产品实现商业化的必由之路。此外,合成生物学研究需要生命科学、工程学、信息学、物理和化学等学科融合交叉。在伦理争议、生物安全、有效监管方面也有待探索。

在新能源领域,绿色制氢近年来备受关注。报告介绍,利用太阳能、风能、海洋能、水能等产电再进行电解水制氢,由此得到氢能,是绿色制氢的研发重点,在商业上将可以与煤、油等化石能源竞争,但仍存在材料成本、催化剂活性、气体扩散层等技术挑战。

在研发路线上,中国、美国、德国、加拿大、印度、英国侧重于质子交换膜电解水技术;韩国、意大利、日本以碱性电解水技术为研发重点;法国以固体氧化物电解水为主。

从国际竞争来看,在绿色制氢上,日本的技术研发专利数量居全球首位,具有绝对优势。中国的专利申请量仅次于日本,但是缺少全球布局。世界排名前20位的顶尖研发机构中,日本有15个,且均为企业。中国有3个机构入围,但仅有华能集团1个企业。中国的研发力量仍以高校和研究所为主,这容易造成产业需求与研发方向脱节,研发成果不易转化成产品。

区块链本质上是一种去中心化的分布式数据库,是分布式数据存储、多中心的点对点传输、共识机制和加密算法等多种技术在互联网时代的创新应用模式。

区块链已经在全球金融、物流运输、医疗保健等多个行业得到应用。未来,随着技术的成熟和认知的提升,预计将有更多行业开始探索和采用区块链技术。随着区块链应用的增加,个人隐私和身份验证问题变得更加重要。

在科技创新上,全球创新大国在区块链领域的基础研究中合作较为密切,近一半论文由多个国家或地区合作完成。其中,中国与美国的合作频次居首位。当前,区块链技术研发主要集中在上游数据层、合约层,以及下游金融领域。中国在上、中、下游各个层面的论文和专利数均处于绝对优势地位,这一点尤其体现在基础研究中的联盟链、共识层,以及技术研发中的联盟链、物流运输等方面。由此可见,中国在区块链领域的基础研究与技术研发水平均全球领先。

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