中國航天系統(tǒng)科學與工程研究院 張楠楠 彭 芳 徐 曼 安孟長

2016世界軍民兩用技術與產品發(fā)展特點回顧

中國航天系統(tǒng)科學與工程研究院 張楠楠 彭 芳 徐 曼 安孟長

2016年，世界政治格局風云變幻，科技領域也取得了眾多突破性進展，在軍民兩用技術與產品方面，人工智能、可重復使用航天運載器、智能制造、增材制造、量子信息技術、無人系統(tǒng)、自動駕駛汽車、新型電池、可穿戴設備等領域均取得了長足進展，大大帶動了工業(yè)領域的發(fā)展，也使得未來戰(zhàn)爭的理念和模式發(fā)生了深刻的變革。本期“業(yè)界聚焦”欄目對2016年世界軍民兩用技術與產品發(fā)展的特點進行了總結回顧，以期加深對相關技術和產業(yè)發(fā)展的理解。

1 人工智能技術蓬勃發(fā)展，但實際應用尚待檢驗

人工智能（AI）是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統(tǒng)的一門新的技術科學。2016年，AI技術吸引了全世界的關注。3月，美國谷歌公司運用“深度學習算法”開發(fā)的AlphaGo在完勝歐洲圍棋冠軍樊麾二段后，又在五番棋中以4-1的大比分擊敗圍棋名宿、韓國國手李世石九段，震驚全球，標志著AI技術發(fā)展取得了新突破。截至12月，AlphaGo的職業(yè)圍棋等級分已經達到3598分，世界排名高居第二。AlphaGo的勝利，使人們重新認識到了AI發(fā)展的潛力和前景。

AlphaGO與韓國李世石的比賽結果

在國家政策層面，10月12日，美國白宮發(fā)布了一份名為《為人工智能的未來做好準備》的研究報告，闡述了AI發(fā)展現狀，現有、潛在的應用方向，以及AI進步給社會及公共政策帶來的新問題等。同時，美國還發(fā)布了《美國國家人工智能研究與發(fā)展戰(zhàn)略計劃》，為AI研究和發(fā)展制定了一份戰(zhàn)略計劃。12月，美國白宮發(fā)表了該系列的第三份報告：《人工智能、自動化與經濟》，討論了AI驅動的自動化對經濟的預期影響，并描述了可以增加AI發(fā)展收益并降低其成本的廣泛戰(zhàn)略。該報告指出，應對AI驅動的自動化經濟將是今后政府要面臨的重大政策挑戰(zhàn)，應該制定政策推動AI發(fā)展并釋放企業(yè)和工人的創(chuàng)造潛力，確保美國在AI技術創(chuàng)新和應用中的領導地位。該報告聚焦于AI對國民經濟的影響，提出了“加大對AI的投資”、“為全社會的勞動者提供再培訓機會，避免AI引發(fā)大量失業(yè)”、“加強社會安全網（社保）”等三點政策方向。6月，美國國防預先研究計劃局（DARPA）啟動“數據驅動的模型發(fā)現”（D3M）項目，尋求為沒有數據科學專業(yè)知識背景的用戶研發(fā)機器操作型建模的方法，從而彌補設計人員在數據科學方面的專業(yè)技術不足。如果該項目技術開發(fā)成功，使用D3M工具的研究人員將成為一支“虛擬數據科學家”部隊，從而改進軍事規(guī)劃、后勤和情報工作。8月，DARPA發(fā)布了“可解釋的人工智能”（XAI）項目公告。該項目以機器學習和人機交互為研究重點，將建立一套具有可說明模型的機器學習技術，與可解釋性技術結合后，幫助最終用戶理解、信任并管理新一代的AI系統(tǒng)。11月，DARPA公布“靈活編組”項目。該項目旨在發(fā)現、演示和預測通用化數學方法，實現高度靈活的人機混合編組最優(yōu)設計，從根本上變革當前人與智能機器系統(tǒng)的設計范式，將其從單純通過機器實現自動化和人類替代的模式，向高級協(xié)作、共同解決問題的集成架構轉變，從而利用AI技術實現未來人機協(xié)同作戰(zhàn)。

在產業(yè)發(fā)展和投資方面，美國組建了人工智能聯(lián)盟，而全球AI企業(yè)融資額又創(chuàng)新高。9月，美國Alphabet公司（由谷歌公司重組后的公司）、美國IBM公司、Facebook、美國亞馬遜公司和美國微軟公司等5家科技巨頭宣布組成人工智能聯(lián)盟（Partnership on AI），以求在科研領域建立良性的競爭與合作關系。該聯(lián)盟以“為人民和社會謀福祉”為口號，將開展行業(yè)標準和規(guī)范研討，包括探討AI促進社會中的變革方式、AI發(fā)展倫理、包容性和隱私等重要研究課題。此外，自2012年以來，全球AI領域的投資額長期呈上升趨勢，2016年全球AI產業(yè)的投資更是創(chuàng)下了5年以來的歷史新高。據統(tǒng)計，2016年全球AI領域融資額有望突破50億美元，比2015年增長超過60%。

在技術方面，AI也取得了多項重大突破。6月，美國辛辛那提大學開發(fā)的一套AI系統(tǒng)“阿爾法”，在空戰(zhàn)模擬對抗中，指揮仿真戰(zhàn)斗機編隊擊敗了有預警機支持、擁有豐富空戰(zhàn)經驗的美國空軍退役上校。該系統(tǒng)采用遺傳模糊樹技術，在與人類飛行員的無數次對抗中學習人類指揮決策經驗，逐漸達到并超越人類水平，實現了AI在指揮控制領域的重大突破。10月底，微軟雷蒙德研究院開發(fā)出一種機器學習算法，使計算機對指定主體對話的語音識別率提高至94.1%，首次達到與人類相當的水平，日常對話類內容的語音識別率達88.9%，甚至比人類略勝一籌，標志著語音識別技術實現了歷史性突破。美國谷歌公司下屬“深度思維”公司取得了一項AI重要成果，描述了一種集神經網絡與計算機優(yōu)點于一身的混合型學習機器，既能像神經網絡那樣學習，又能像計算機那樣處理復雜數據。美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和IBM公司聯(lián)合公布了以“真北”仿腦處理器芯片為基礎的具有認知能力的深度學習超級計算機，標志著人類進入了認知計算新時代，對于網絡安全、核武器模擬等具有重大意義。麻省理工學院（MIT）公布了一項算法研究成果，可使AI系統(tǒng)根據YouTube視頻預測人類的交互活動。未來，該項技術或許可擴展到其它應用場景，如軍事用途或提醒緊急救援人員等。

在應用方面，美國亞馬遜公司宣布于2017年初推出基于AI技術的線下商店——Amazon GO，意圖徹底變革線下商業(yè)模式。該商店綜合采用計算機視聽覺、傳感識別和深度學習算法等AI技術，實時追蹤店內顧客的行為，以實現實時商品確認和結算。美國社交網站Facebook發(fā)布AI管家——“賈維斯”。“賈維斯”通過語音識別方式識別用戶指令，并通過攝像頭、智能家居等外接設備，實現對家庭硬件的自動操控、工作管理等。同時，其還具備人機對話能力，甚至會說中文。以色列Zirra公司開發(fā)出新的AI和機器學習技術，可分析企業(yè)的估價、競爭對手和風險因素等相關變量，并對其團隊、產品、發(fā)展勢頭和執(zhí)行力水平進行評級，幫助投資公司找到最合適的企業(yè)。此外，AI技術已開始用于醫(yī)學領域的疑難病診斷，改善了癌癥診斷療法。1月，美國“癌癥登月2020”計劃發(fā)布。5月，IBM公司宣布，其AI平臺Watson（“沃森”）將入駐14家美國、加拿大癌癥治療中心，協(xié)助醫(yī)生選擇治療方案。據悉，東京大學自2015年7月開始與IBM公司合作，通過讓“沃森”學習超過2000萬篇醫(yī)學論文和1500萬條以上的藥品知識，建立醫(yī)學診療的大數據神經網絡，并用于臨床研究。截至2016年3月，“沃森”與東京大學共為41名患者提供了協(xié)助治療的診斷或相關信息。IBM公司還成功將深度學習和神經網絡技術應用于對癌細胞有絲分裂的識別，有望革新現有的癌癥診斷方式，降低錯誤率。11月，美國英偉達公司宣布開發(fā)AI平臺CANDLE（癌癥分布式學習環(huán)境），以助力癌癥研究。12月，美國啟動了JDACS4C項目（聯(lián)合設計治療癌癥的高級計算解決方案），旨在借助深度學習技術加快抗癌技術研究，并建立癌癥數據模型和共享系統(tǒng)。

美國亞馬遜公司推出基于人工智能技術的線下商店Amazon GO

雖然AI領域的技術和應用已取得了巨大進步，但其實際應用仍需時日，還需要通過更為嚴格的檢驗。例如，AI管家“賈維斯”尚未能充分整合現實場景中的語音識別功能，仍需進一步改進，等等。

2 量子技術頻獲突破，量子計算機開發(fā)穩(wěn)步前行

量子技術的進步能夠有效推動化學、材料科學、粒子物理、信息通信，以及軍事技術的發(fā)展，未來可能顛覆眾多科學領域的現有認知。因此，量子技術得到了世界各國的廣泛重視。美國是最先將量子技術列入軍事戰(zhàn)略及國家安全研發(fā)計劃的國家。目前，美國已經在量子計算領域完成戰(zhàn)略布局，2016年以來，美國國家科學和技術委員會、科學技術政策辦公室和國家標準與技術局等機構推出了一系列政策和項目資助計劃，支持量子計算技術的發(fā)展。2016年7月，美國發(fā)布了《先進量子信息科學：國家的挑戰(zhàn)與機遇》報告。同期，英國制定了量子科學5年計劃，并建立了4所新的量子技術研發(fā)中心。歐盟委員會發(fā)布《量子宣言》，提出將于2018年啟動總額10億歐元的“量子技術旗艦”計劃。

在量子技術基礎研究領域，研究人員在糾纏原子數量、光量子電路、量子位穩(wěn)定性等方面取得了里程碑式進展，為光計算、量子計算與量子通信的發(fā)展奠定了基礎。例如，美國多所大學組成的研究團隊提出了可以產生由數千個糾纏原子形成的量子網絡。英國帝國理工學院通過將光和單個電子“綁”在一起，制造出了一種擁有光和電子屬性的新形式“耦合”光，有助于研制出用光工作的電路，以及在可見尺度上研究量子物理現象。俄羅斯研究人員成功將鍺原子合成到金剛石晶格中，可用于替換現有計算機中的硅和砷化鎵芯片，標志著光計算機技術向前邁出了重要一步。美國麻省理工學院使用量子反饋控制技術將量子疊加時長提高了1000多倍，向研制出可靠的量子計算機邁出了重要一步。澳大利亞和日本的研究人員聯(lián)合開發(fā)出一種新的量子位，其量子疊加態(tài)的穩(wěn)定性比此前提高了10倍，有助于開發(fā)出更可靠的硅基量子計算機。德國卡爾斯魯厄理工學院首次成功將一個完整的量子光學結構集成到芯片上，有助于促進光量子計算機早日用于數據加密、大數據超快計算及高度復雜系統(tǒng)的量子模擬等。歐洲研究人員將一臺激光器內的光子“播種”進另一臺激光器內，取得了研制實用量子加密系統(tǒng)的里程碑式進展。美國哈佛大學成功實現了在超導材料內傳輸電子自旋信息，解決了量子計算的一個重要問題，或將帶來全新的量子材料，為構建量子傳導裝置奠定了基礎。由美國、俄羅斯等研究人員組成的國際研究團隊利用釔鋁石榴石晶體產生了超短激光脈沖，在激光總能量基本不變的情況下，將功率提高了3倍，達到0.5TW，有望推動激光領域變革。美國布法羅大學采用軌道角動量技術，使激光以螺旋模式分布，能夠將信息編碼成不同的渦流，所攜帶的信息量可達傳統(tǒng)激光的10倍以上。

在量子通信領域，2016年初，美國國家航空航天局（NASA）提出在總部與噴氣推進實驗室之間建立一個直線距離600km、光纖皮長約1000km、包含10個骨干節(jié)點的遠距離光纖量子通信干線，并計劃在2018年前后拓展到星地量子通信。歐盟委員會《量子宣言》提出，在5年內突破量子中繼器核心技術，實現點對點安全量子通信，10年內實現遠距離量子網絡、量子信用卡應用等，融合量子通信與經典通信，保衛(wèi)歐洲互聯(lián)網安全。日本2016年提出了以新一代量子通信技術為重點內容的長期研究戰(zhàn)略，并計劃2020～2030年間建成絕對安全保密的高速量子通信網，從而在通信技術應用方面實現質的飛躍。日本國家信息通信技術研究所計劃在2020年實現量子中繼，到2040年建成極限容量、絕對安全的廣域光纖與自由空間量子通信網絡。

在量子計算領域，美國谷歌公司和NASA聯(lián)合研發(fā)的D-Wave 2X量子計算機在測試中運行速度達到了傳統(tǒng)芯片的1億倍。美國情報高級研究計劃局（IARPA）2016年初宣布啟動量子邏輯芯片項目，如果該項目取得突破，理論上可以制造出量子比特可擴展的計算系統(tǒng)。6月，奧地利研究人員利用4個“量子比特”組成的量子計算機，首次實現了對高能物理實驗的完整模擬。在真空電磁場中，4個離子排成一行，每個離子編碼為1個量子比特，組成了一臺“菜鳥”量子計算機。研究人員用激光束操控離子的自旋，誘導離子執(zhí)行邏輯運算。100多步計算后，研究人員成功對量子電動力學的一個簡化版預測進行了證實：能量轉化成物質，制造出一個電子和其反粒子（一個正電子）。美國馬里蘭大學制造出了一臺由5個量子比特組成的新型計算機，能夠執(zhí)行一系列不同的量子算法。美國IBM公司推出了一項新的在線服務，允許所有人使用其5個量子比特組成的量子計算機，使量子計算機離普通人更近了一步。德國亥姆霍茲聯(lián)合會所屬尤利希研究中心已將量子計算機作為未來開發(fā)超級計算機的重點，選定“可擴展的固態(tài)量子計算”項目作為未來“多量子位系統(tǒng)”優(yōu)選方案，可將數百個量子位集成到一起，實現量子位精確控制。

3 新型電子元器件研究成果涌現，有望推動電子科技快速發(fā)展

2016年，在新型電子元器件領域，晶體管、存儲器、處理器等領域取得了重要突破。美國威斯康星大學麥迪遜分校成功制備出了一種碳納米晶體管，其性能首次超越現有硅晶體管，有望為未來碳納米晶體管取代硅晶體管鋪平道路。美國能源部勞倫斯·伯克利國家實驗室（LBNL）牽頭的研發(fā)團隊研制出了全球首個1nm柵長高性能晶體管，為電子元件的尺寸及性能的改善提供了很大的優(yōu)化空間，也有助于促進超級計算機的發(fā)展。美國NASA和韓國科學技術研究所研發(fā)的自愈型芯片可在受到輻射損傷后自行修復。新加坡南洋理工大學研發(fā)出一種微型芯片，可用于制造尺寸僅相當于現有雷達相機1/100的新型雷達相機，使原來重達50kg～200kg、搭載于大型衛(wèi)星上的雷達相機實現微型化。其所拍攝的圖像質量可與大型雷達相機媲美，成本和能耗卻大幅降低，并可在所有氣象環(huán)境下使用。美國研究人員以DNA作為支架，將其它材料組裝到DNA上，制造出了一種計算機電路電子器件，將大幅降低成本。哥倫比亞大學研制出首個同時同頻全雙工射頻通信元件，有望使無線射頻通信能力提高1倍。美國加利福尼亞大學研制出全球首個芯片級光頻合成器，在光頻梳技術上取得重大突破，有望將現有授時精度提高3個數量級。荷蘭研究人員將存儲器密度提高到目前最好商業(yè)硬盤的500倍。美國洛克希德·馬丁公司成功研制出新型微流體散熱片，較傳統(tǒng)芯片的冷卻效果提升6倍，可大幅提升集成電路散熱能力。美國愛荷華州立大學研制出一種新型實用瞬態(tài)電池，其自毀速度在原有基礎上大幅加快。

4 人類歷史上首次在海上實現火箭回收，多國掀起重復使用運載器發(fā)展熱潮

2016年4月9日，美國太空探索技術公司（SpaceX）“獵鷹”-9火箭一子級在第五次試驗中，成功降落在海上駁船上，這是“獵鷹”-9火箭繼2015年12月12日在陸上成功回收之后的又一次成功回收。本次成功著陸是SpaceX公司可回收火箭技術的一大突破，是人類探索火箭可重復利用技術的一個重要里程碑，也是邁進宇宙的一大步，有助于降低航天產業(yè)的成本。此次火箭回收成功，是人類歷史上首次在海上實現火箭回收，為未來打造可重復使用運載火箭、大大降低運載火箭發(fā)射成本奠定了重要的技術基礎，開啟了低成本太空運輸時代的新紀元，將對航天產業(yè)發(fā)展產生重要的影響。后續(xù)，“獵鷹”-9火箭又分別在5月6日、5月28日和8月14日成功發(fā)射并實現了一子級海上平臺回收。

1月23日，美國藍色起源公司成功將2015年11月回收的新謝潑德火箭再次成功發(fā)射進入亞軌道，并在發(fā)射后不久再次成功實現軟著陸，成為人類歷史上首枚越過卡門線（高度100km）的重復使用火箭。后續(xù)，該二次回收的火箭又在4月2日、6月19日和10月5日完成了第三次、第四次和第五次亞軌道發(fā)射與垂直降落回收。

SpaceX公司成功實現“獵鷹”-9火箭海上回收

此外，美國DARPA在研的“試驗性太空飛機”項目已進入第二階段，將開展可重復使用一子級樣機的研制；美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟也正在研究下一代“火神”運載火箭的可重復使用能力，計劃實現火箭上面級和第一級發(fā)動機的重復使用。俄羅斯宣布開展水平返回式可重復運載火箭的研制工作，計劃將采用渦輪發(fā)動機和火箭發(fā)動機組合的水平返回式第一級“貝加爾”首先應用于“安加拉”火箭。法國政府組織有關專家開展了可重復使用運載火箭及其發(fā)展前景的評估。印度“可重復使用運載器技術驗證機”完成了首次飛行試驗，邁出了研發(fā)完全可重復使用飛行器的第一步。

低成本進入太空是人類長期以來的一個夢想，而回收運載器、回收航天器后重復使用是一種重要的手段，將大幅加快人類進入太空的步伐，實現人類探訪甚至移居其它星球的夢想。

5 多顆先進衛(wèi)星發(fā)射升空，衛(wèi)星通信及觀測能力大幅提升

2016年1月29日，首顆歐洲數據中繼系統(tǒng)激光節(jié)點衛(wèi)星EDRS-A發(fā)射升空，開啟了歐洲新的“太空數字高速公路”，使歐洲在以太空為支撐的全球衛(wèi)星通訊中獲得了獨立地位。其核心部件——內置激光通信終端由德國宇航中心（DLR）研發(fā)，與國際同類衛(wèi)星相比，EDRS具有明顯的競爭優(yōu)勢和高效率，非常適用于自然災害預警、氣象預報、緊急事故處理等地球環(huán)境觀察任務。從2018年起，EDRS還將承擔國際空間站與地球之間的通訊任務。6月，“哨兵”-1A衛(wèi)星以激光通信方式，以600Mbps的速度將圖像數據傳送至地球同步軌道的EDRS-A載荷。EDRS-A載荷將與預計于2017年發(fā)射的EDRS-C專用衛(wèi)星構成全球首個業(yè)務型激光通信數據中繼系統(tǒng)，為歐洲低軌衛(wèi)星提供數據中繼服務。

11月19日，美國新一代靜止環(huán)境觀測衛(wèi)星-R（GOES-R）順利升空。該衛(wèi)星由美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）負責管理，主要用于天氣觀測與預報。其搭載先進基準圖像儀（ABI）、地球靜止閃電測繪儀（GLM）、極紫外線X光輻射度傳感器、空間環(huán)境現場監(jiān)測器（SEISS）、磁強計、日光紫外線成像儀等儀器設備，可以進行風速、降水率、積雪、閃電等天氣參數的高分辨率觀測，將提供西半球的連續(xù)圖像和大氣測量、閃電和空間天氣監(jiān)測等數據。與現有的在軌氣象衛(wèi)星相比，其空間分辨率提高了4倍，掃描速度提高了5倍，能夠以30s的間隔連續(xù)拍照，拍照頻率遠高于現在的GOES。GOESR的發(fā)射是一個重大的進步，能夠提供更及時、更準確的氣象信息，有望使天氣預報發(fā)生徹底變革。

美國新一代靜止環(huán)境觀測衛(wèi)星-R（GOES-R）于2016年11月發(fā)射

6 先進設計、微納制造、仿生制造等先進制造技術取得一系列重要進展

先進制造技術是衡量一個國家綜合實力和科技發(fā)展水平的重要標志，因此，世界各國高度重視先進制造技術的發(fā)展。2016年，美國發(fā)布了《先進制造：聯(lián)邦政府優(yōu)先技術投資領域速覽》報告，提出了先進材料制造、推動生物制造發(fā)展的工程生物學、再生醫(yī)學生物制造、先進生物制品制造、藥品連續(xù)生產等5個應重點考慮的新興制造技術領域，明確了美國政府未來制造技術發(fā)展的重點。美國海軍發(fā)布2016財年海軍制造技術計劃（ManTech），針對海軍對平臺、系統(tǒng)、裝備的生產和維修需求，通過轉化海軍項目所需的制造技術，降低成本，實現海軍各個武器平臺的經濟可承受性目標。美國國防部宣布設立先進再生制造研究所（ARMI），重點關注高通量培養(yǎng)技術、3D生物制造技術、生物反應器、存儲方法、破壞性評估、實時監(jiān)測/感知和檢測技術等。

在先進設計技術方面，美國DARPA宣布啟動“變革性設計”（TRADES）基礎研究項目，旨在解決現有設計技術與先進材料、先進制造工藝間不匹配的問題，以發(fā)揮先進材料、先進制造工藝的技術優(yōu)勢。該項目將從材料科學、應用數學、數據分析及AI等技術領域尋求具有創(chuàng)新設計概念的建議，開發(fā)一種革命性的新型設計工具，以充分利用先進材料及制造工藝，拓展設計領域的發(fā)展空間。

在微納技術方面，DARPA啟動了“從原子到產品”（Atoms to Product）項目，旨在開發(fā)相關技術和工藝，將接近原子尺寸的納米級碎片組裝成至少毫米級尺寸的系統(tǒng)、部件或材料，并保留其在納米尺寸時具備的特性。DARPA微系統(tǒng)辦公室正在實施相關項目，致力于發(fā)展下一代微系統(tǒng)的模塊化芯片，以及處理效率提升1000倍的智能圖像微處理器等顛覆性技術。意大利、德國和西班牙的研究人員合作設計出一種由微粒子推動的新型微齒輪，微粒子以周圍過氧化氫溶液為燃料推動自身前進，這種微齒輪為制造可控微機器開辟了新途徑。英國劍橋大學研制出了采用光驅動的全球最小納米發(fā)動機“螞蟻”，大小只有幾納米，有望成為未來納米機器的零件。DARPA和NASA聯(lián)合開展了輕型光學系統(tǒng)研究，將利用微系統(tǒng)技術在硅材料上通過極精確的激光燒錄成上千個望遠鏡陣列。該項技術突破可將傳統(tǒng)望遠鏡的尺寸、質量和功耗降至約1%。美國能源部橡樹嶺國家實驗室的研究人員發(fā)現，當復合氧化物單晶材料被局限在微觀納米尺度時，其如同一個多組分的電路，超越了目前硅基芯片微處理器的能力，將支撐新型的多功能計算體系結構。美國研究人員利用特殊的隱形原理，在兩個光子器件間放置一個特殊的納米硅基屏障，可“欺騙”兩個光子器件相互無視，有助于開發(fā)出較硅基芯片更小、更快、更節(jié)能的光子芯片。美國研究人員制作出全球首個無需半導體的光控微電子器件，在施加低電壓和低功率激光激活時，電導率可增加10倍。該項發(fā)現為研制速度更快、功率更強的無半導體微電子設備及更高效的太陽能板鋪平了道路。

在生物制造方面，美國DARPA生物技術辦公室發(fā)布了《生物控制》報告，通過對生物材料的嵌入式控制，為生物系統(tǒng)控制建立從納米級到厘米級、幾秒到幾周的跨尺度能力?！绑w內納米平臺計劃”是DARPA正在運行的生物材料項目，旨在研發(fā)全新的具備強適應性的納米微粒，以期獲得分布式、溫和的生理和環(huán)境感知能力，同時形成針對生理異常、疾病和傳染病的治療方案。“工程生命材料計劃”（ELM）是DARPA提出的利用生物學“生長”全新材料的理念。該計劃旨在以材料科學、工程生物學，以及發(fā)展生物學為技術支撐，將傳統(tǒng)建筑材料的結構特征與生物系統(tǒng)特性相結合，最終通過生物系統(tǒng)的基因組直接獲得指定的工程結構性能。

此外，各國積極發(fā)展仿生技術，涌現出一批新型仿生機械和仿生材料。例如，美軍研制出一種單兵外骨骼裝置，可使士兵負重90kg在各種地形中行進；哈佛大學研發(fā)了類似蜜蜂的“機器蜂”和可在水中游動的“機器魚”，將在軍事偵察領域發(fā)揮重要作用。美國斯坦福大學制備出一種可用于制作晶體管的可自愈彈性聚合物，實現了復雜電子表面模仿人類皮膚，將為新一代類皮膚可穿戴裝備發(fā)展奠定基礎。波蘭、意大利和英國的研究人員合作，利用光電機械液晶彈性體單片電路研發(fā)出一款長約15mm的軟體機器人，可模仿毛毛蟲的不同步態(tài)、爬坡、推動比自身重10倍的物體，具有在挑戰(zhàn)性環(huán)境中執(zhí)行任務的能力。英國研究人員設計出一種模仿蝙蝠的新型薄膜可變機翼，利用這種機翼制作出的微型無人機可以飛得更遠并節(jié)省更多的燃料。

7 增材制造技術持續(xù)快速發(fā)展，技術和應用實現新突破

2016年，增材制造技術仍是各國發(fā)展的重點制造技術之一。美國、法國、俄羅斯等國家政府高度重視增材制造技術發(fā)展，將其作為未來工業(yè)計劃的重中之重，并已將3D打印技術廣泛應用到航空、航天等重要工業(yè)領域。

在3D打印材料方面，2016年，美國賓夕法尼亞州立大學發(fā)布了增材制造材料戰(zhàn)略路線圖，目的是推動材料創(chuàng)新，并促進增材制造材料協(xié)會的成立。該路線圖包括5個戰(zhàn)略重點：材料、工藝及零件的集成設計方法；研究工藝－結構－性能的關系；建立零件和原料測試科學研究報告；開發(fā)增材制造工藝分析能力；探索下一代增材制造材料和工藝。此外，液態(tài)金屬、非晶態(tài)金屬的3D打印工藝也實現了突破。XJET公司采用金屬的液態(tài)形式，將其包裹在一個管子里并插入3D打印機，通過噴射成型獲得了零部件，無需成形模具，可顯著節(jié)省時間和成本。德國賀利氏集團與Exmet公司合作研發(fā)出了非晶態(tài)金屬3D打印技術，有望改變非晶態(tài)金屬材料的應用現狀。

哈佛大學通過3D打印制造的全自主柔性機器人

在3D打印工藝方面，DARPA和美國勞倫斯國家實驗室聯(lián)合開發(fā)了一種通過微型增材制造技術實現的超輕型新材料，承重可達自身質量的16萬倍，剛度是氣凝膠的1萬倍，可應用于航空、航天等需要輕型、高剛度、高強度材料的行業(yè)。美國休斯實驗室開發(fā)出一種新的3D打印工藝，制造出的超強陶瓷材料不僅擁有復雜的形狀，還能耐受超過1700℃的高溫。美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）和加利福尼亞大學圣克魯斯分校合作，成功通過3D打印技術制造出了超級電容，開創(chuàng)了三維打印和多孔材料的交集。美國橡樹嶺國家實驗室將NdFeB稀土粉末與聚合物混合在一起，通過3D打印的方法制造出了釹鐵硼稀土永磁材料。日本日立制作所和日本東北大學聯(lián)合開發(fā)出了3D打印高熵合金技術，打印出的合金“HiPEACE”拉伸強度達到鑄造方式的1.4倍，點蝕電位提高至1.7倍，適用于制造化學工廠的設備等部件。英國Bristol大學開發(fā)出了代替熔融長絲的3D打印復合材料的方法。其通過超聲波來誘導材料的微觀結構排列，通過激光束來固化環(huán)氧樹脂，開啟了3D打印纖維增強復合材料的新時代。美國麻省理工學院開發(fā)出了一種新的3D打印技術，打印出了擁有軟皮的機器人，使得機器人變得更安全、更有彈性、更精確。美國波音公司成功獲批一項3D打印技術專利。其在3D打印過程中沒有任何實體的打印構建平臺，在打印過程中，打印對象可以在空中做翻轉動作，通過磁場還可旋轉3D打印對象，并將材料沉積在打印對象底部，實現360°無死角的3D打印。

歐洲空中客車公司制造的全球首架3D打印飛機——THOR

在3D打印裝備方面，美國將3D打印機送入國際空間站后，俄羅斯多家研究機構合作，成功研制出了俄羅斯首臺太空3D打印機，能夠在失重條件下為宇航員打印零部件。俄羅斯薩馬拉國立航空航天大學的學生還發(fā)明了一種3D巧克力打印機，并稱將在此基礎上研發(fā)其它食品原料打印機，為宇航員提供更加均衡的膳食。英國伯明翰大學也成功研制出了一臺能夠在零重力下運行的金屬3D打印機。此外，俄羅斯Carbon公司發(fā)布其首款商業(yè)3D打印機M1，采用連續(xù)液界面制造（CLIP）技術和工程級反光膜材料，首次打印出了具有工程級機械屬性和表面光潔度的高分辨率零部件。英國BAE系統(tǒng)公司宣布開發(fā)一款基于化學反應的3D打印機——Chemputer，在添加劑和原料的作用下，能夠發(fā)生反應從而“生長”成先進的無人機部件等產品。美國Stratasys公司發(fā)布了新型3D打印機——J750，其能夠使用36萬種深淺不同的顏色，以及不同硬度、不透明或透明塑料來打印3D對象，可以同時使用多種材料一次將原型完整地打印出來。西班牙研究機構AITIIP研發(fā)的精度高達0.4mm、行程達100m的機器人可用于3D打印，是制造大型零件的理想選擇。德國西門子技術研究院研發(fā)了一種八條腿的3D打印機器人——SiSpis。其外形和工作原理類似于蜘蛛，身上裝有可擠出PLA打印材料的3D打印機、相機和激光掃描儀。美國惠普公司兩型多射流熔融3D打印機正式上市，分別是HP Jet Fusion 3D 3200和HP Jet Fusion 3D 4200。美國RIZE公司推出世界唯一的無需后處理的工業(yè)級桌面型3D打印機，打印速度更快，材料更強。美國橡樹嶺國家實驗室將與美國英格索爾公司合作打造世界最大的龍門式3D打印機，可以一次性打印7m×3m×14m尺寸大小的產品，打印速度有望達到約453kg/h。

2016年，航空、航天、機器人、汽車等領域在3D打印應用方面均取得了新的成就。美國軌道ATK公司成功試驗了3D打印的高超聲速發(fā)動機燃燒室，不僅測試分析結果達到甚至超出性能要求，而且創(chuàng)下了風洞試驗最長持續(xù)時間的紀錄。美國洛克希德·馬丁公司使用EBM（電子束熔融）3D打印技術制造的鈦金屬波導支架隨“朱諾”號探測器成功進入木星軌道。采用了3D打印噴油器的Skylon航天器取得了一系列技術突破。該噴油器使得引擎在不到0.01s的時間內即可實現急速降溫，可使Skylon飛行器達到高達5倍音速的速度，直接飛至地球軌道。美國Rocket Lab（火箭實驗室）制造的含3D打印關鍵部件的氧/烴發(fā)動機在新西蘭馬希亞半島完成第二級點火測試。波音公司安裝了19個3D打印燃油噴嘴的737MAX飛機在波音雷頓工廠的測試機場成功完成了首飛。美鋁公司3D打印的飛機零部件進入市場。通用電氣公司3D打印制造的渦輪機關鍵零件也通過了測試。法國賽峰集團與澳大利亞Amaero工程公司合作，利用3D打印技術制造了多種航空零部件，包括用于航空噴氣發(fā)動機的燃氣渦輪等?？罩锌蛙嚬菊钩鋈蚴准?D打印飛機THOR。亞馬遜在英國劍橋設立了3D打印無人機實驗室，這些3D打印無人機將運送重達2kg的包裹并保證在30min內到達收貨地址。美國Local Motors公司推出了全球首輛3D打印的自動駕駛電動公交車Olli，其出現改變了傳統(tǒng)汽車的制造方式，而且融入了智能化元素。美國哈佛大學利用3D打印技術成功制造出了世界首個完全自主的全柔性自主機器人。美國麻省理工學院計算機科學和人工智能實驗室（CSAIL）成功打印出世界首個3D打印功能型機器人，該機器人由固體材料組成，通過液壓驅動。澳大利亞墨爾本大學在世界上率先將3D打印技術用于制造超導諧振腔，其使用的鋁粉重量比中含有12%的硅，還含有少量的鐵和銅。德國弗朗恩霍夫（Fraunhofer）研究所成功使用粘合劑噴射3D打印技術生產出了硬質合金模具，能夠輕松創(chuàng)建復雜的設計。此外，2016年，研究人員還利用新開發(fā)的3D生物打印系統(tǒng)打印出了帶血管的人工組織、脊柱植入物、毛發(fā)、軟骨組織、腎單元等，打印出的人造耳朵、骨頭和肌肉組織等移植到動物身上后都能保持活性。這項技術未來發(fā)展成熟后，或將解決人造器官移植難題。

2016年，4D打印技術也取得了進步。1月，美國哈佛大學威斯生物工程研究所和保爾森工程與應用科學學院成功將微型3D打印技術推向第四個維度：時間。其4D打印的水凝膠復合材料實現了精確的局部腫脹和變形行為。8月，美國麻省理工學院和新加坡科技設計大學研發(fā)出了3D打印熱響應性聚合物材料，其具有形狀記憶能力，即使暴露在極端壓力或扭轉彎曲成其它形狀，只要將其置于響應溫度下，即可在幾秒鐘內恢復原來的形式。該項技術將4D打印推進到廣泛的實際應用領域，包括生物醫(yī)學設備、航空和航天結構件、太陽能電池等。未來，不論在軍用還是民用領域，4D打印技術應用于可編程物體均可大顯身手。

8 智能制造廣受重視，AR/ VR與制造業(yè)的融合成為重要發(fā)展趨勢

繼德國、美國、日本等國之后，2016年10月，俄羅斯也提出了其工業(yè)4.0發(fā)展計劃。根據自身國情，俄羅斯的工業(yè)4.0主要圍繞“國家技術創(chuàng)新計劃”的實施，以“超前發(fā)展”為目的，更加注重將自身優(yōu)勢和外部經驗相結合，以實現技術提升和科技創(chuàng)新。在此過程中，俄羅斯聯(lián)邦政府和地區(qū)、工業(yè)和金融業(yè)的有效配合，工業(yè)集群和科技園區(qū)的有效利用，“國家技術創(chuàng)新計劃”的順利實施將有助于俄羅斯工業(yè)4.0計劃的推動，并開辟出新的國際市場，實現國際領先的目標。

為推動工業(yè)4.0的發(fā)展，2016年，德國政府出臺了《數字化戰(zhàn)略2025》，計劃投入1000億歐元，在2025年前建成覆蓋全國的千兆光纖網絡，以計算機、網絡和大數據等信息技術為基礎，建立智能工廠、智能交通、智慧城市和智能家居等一系列數字化系統(tǒng)，全面提高德國經濟競爭力，推動社會創(chuàng)新發(fā)展。根據德國政府的分析，德國企業(yè)如果能持續(xù)應用數字技術，未來5年可增加820億歐元產值。

此外，綜合利用AR/VR技術并與工業(yè)物聯(lián)網、智能可穿戴和移動設備結合的智能人工增強已成為歐美制造業(yè)以人為本智能制造理念的絕佳詮釋。目前，AR技術進一步進入飛機零部件組裝環(huán)節(jié)，歐洲空中客車公司的操作人員就佩戴美國谷歌公司的智能眼鏡完成了A330客艙座椅安裝。2016年5月，空客向斯普利特航空系統(tǒng)公司供應的“智能增強現實工具”開始在A350部件生產線部署。同月，美國數字制造與設計創(chuàng)新機構啟動兩項AR技術開發(fā)項目，其研究成果將向美國波音公司、洛克希德·馬丁公司、通用電氣公司、英國羅爾斯羅伊斯集團等軍工企業(yè)轉化。

9 無人系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展，已成為各國軍事領域和工業(yè)領域競逐的熱點

隨著信息技術、制造技術，以及AI技術的進步，無人裝備系統(tǒng)的性能穩(wěn)步提升，具備了協(xié)助或代替人類完成多種生產等任務的能力，無人裝備系統(tǒng)在軍事和工業(yè)領域的應用范圍和深度也不斷擴展。美國、日本、俄羅斯、法國、以色列等國家均在積極研發(fā)無人機、無人戰(zhàn)車、無人潛航器、機器人等無人裝備。

歐洲中空長航時無人機系統(tǒng)

在戰(zhàn)略層面，美國國防部多個部門啟動無人機集群有關研究項目，包括美國戰(zhàn)略能力辦公室的“無人機蜂群”項目、海軍研究辦公室的“低成本無人機集群”項目、DARPA的“小精靈”項目等，大力推進微小型無人機集群技術的研究與驗證。美國空軍發(fā)布了其未來20年小型無人機系統(tǒng)（SUAS）路線圖——《2016～2036年小型無人機系統(tǒng)飛行規(guī)劃》，提出美國空軍應集成以空軍人員為中心的SUAS家族，并使之成為橫跨航空、太空、網空這三大作戰(zhàn)疆域的指數級力量倍增器。美國海軍正在起草無人系統(tǒng)路線圖，希望通過此路線圖將無人系統(tǒng)技術整合到海軍現有的采辦、規(guī)劃或作戰(zhàn)計劃中。日本防衛(wèi)省發(fā)布《防衛(wèi)技術戰(zhàn)略》，以及《2016年防衛(wèi)技術中長期展望》《無人裝備研究開發(fā)構想》《裝備獲取戰(zhàn)略規(guī)劃》等文件，提出著重在無人技術、智能與網絡技術、定向能技術等改變游戲規(guī)則的技術領域開展研發(fā)活動。丹麥發(fā)布國家無人機發(fā)展戰(zhàn)略，這是歐洲首個國家層面的無人機發(fā)展戰(zhàn)略。其中提出，丹麥將出資960萬美元將位于安徒生機場的丹麥無人機系統(tǒng)試驗中心打造成國際無人機技術研發(fā)和試驗中心，推動無人機在丹麥的安全、穩(wěn)定研發(fā)和使用，使丹麥成為歐洲在無人機領域的先行國家。韓國產業(yè)通商資源部宣布，將加大政策扶持力度，在2020年之前將韓國無人機市場規(guī)模擴大至10億美元，2025年前擴大至30億美元。韓國還將調整優(yōu)化無人機在限制區(qū)域和夜間飛行方面的限制，未來3年將對高性能無人機的研究生產投入5000億韓元。

在技術發(fā)展方面，美國海軍對集群式無人水面艦艇相關技術進行了多次演示驗證。美國喬治亞理工學院開發(fā)出了一種新算法，可使多個機器人在彼此距離數厘米的范圍內移動且不會發(fā)生碰撞，可支持類似“蜂群”的無人系統(tǒng)自主協(xié)同作戰(zhàn)。歐洲通用無人機項目——“歐洲中空長航時無人機系統(tǒng)”（MALE RPAS）項目進入新的階段。此外，韓國航空宇宙研究院研發(fā)的太陽能動力無人機EAV-3成功完成18.5km高度的平流層飛行試驗。俄羅斯研究人員研制出了完全自主的“打擊”地面無人戰(zhàn)車，其能夠在自動模式下執(zhí)行作戰(zhàn)和偵察任務。以色列流星宇航公司正在開發(fā)“蘭博”地面無人車輛，現已開發(fā)出了多個任務載荷，包括后勤、醫(yī)療后送和導彈發(fā)射器等配置。法國賽峰集團推出了全新的eRider無人車。該車屬于一種多任務平臺，可無人駕駛，也可選擇有人駕駛模式，除執(zhí)行后勤支持任務外，還可用于快速部署部隊，為情報搜集及打擊等任務提供支援。

當然，面對迅速發(fā)展的無人系統(tǒng)，各國也在加緊研制反無人系統(tǒng)。例如，美國陸軍制定了反無人機威脅戰(zhàn)略。英國研究人員研制出了“反無人機防御系統(tǒng)”，通過對準無人機的定向天線向無人機發(fā)出無線電信號，可干擾無人機操作員發(fā)出的無線電信號并使之失效。美國雷聲公司研制出了“相位器”地基高功率微波武器系統(tǒng)，可在數毫秒時間內摧毀整個無人機“蜂群”。未來，為了在戰(zhàn)爭中取得先機，反無人系統(tǒng)也必將成為世界各國競逐的熱點。

10 智能汽車與自動駕駛技術備受關注，智能網聯(lián)汽車時代到來

隨著擁有互聯(lián)網背景的公司進入汽車行業(yè)，以及越來越多的汽車企業(yè)與互聯(lián)網企業(yè)合作，智能網聯(lián)汽車快速發(fā)展的時代已經到來。美國、英國、韓國等國家提出了發(fā)展自動駕駛技術的政策。例如，美國政府推出了《聯(lián)邦自動駕駛汽車政策指南》，為美國自動駕駛汽車的發(fā)展指明了方向。英國政府將投資3.9億英鎊，主要用于無人駕駛汽車、可再生能源和高效節(jié)能運輸等領域技術的研究與開發(fā)。韓國選定了未來九大國家戰(zhàn)略項目，計劃安排政府投資1.6萬億韓元，協(xié)調企業(yè)出資6152億韓元投入AI、虛擬與增強現實、自動駕駛汽車、輕質材料和智能城市、精密醫(yī)療技術、碳資源化、可吸入顆粒物減排和生物新藥等領域先進技術的開發(fā)。

在自動駕駛技術方面，2016年，英國劍橋大學研發(fā)出兩種可以使無人駕駛汽車學會“看路”的新系統(tǒng)，能夠通過智能手機或普通相機實時判斷出道路上的多種物體，也可在全球定位系統(tǒng)無法提供服務的區(qū)域識別出使用者的位置和方向。美國福特汽車公司將推出搭載美國Velodyne公司最新激光雷達傳感器技術的自動駕駛汽車。德國大眾汽車集團子公司奧迪汽車公司研制的改進版奧迪A7自動駕駛汽車——Jack在德國高速公路上進行了測試，驗證了新功能適應道路交通狀況的能力。此外，奧迪汽車公司還將推出A9 e-tron四門電動車。其配備完全自動駕駛技術及異步電動機，預計于2020年上市。德國巴伐利亞發(fā)動機制造廠股份有限公司旗下品牌勞斯萊斯在英國倫敦發(fā)布了其首款自動駕駛電動概念車——Vision Next 100。瑞士首款使用IBM公司“沃森”超級計算機的無人駕駛巴士Olli，以及一款名為Navia的無人駕駛巴士已分別在華盛頓和新加坡上路測試。美國威伯科汽車控制系統(tǒng)公司推出了世界先進水平的自動緊急制動系統(tǒng)（AEBS）——OnGuardMAX?，標志著商用車自動駕駛關鍵技術實現了新突破。韓國現代汽車公司發(fā)布了配備自動駕駛功能的概念車“Autonomous IONIQ concept”，計劃于2017年利用兩輛該概念車進行現場演示。但是，5月7日，一輛行駛于美國佛羅里達州的特斯拉汽車在開啟“Autopilot自動駕駛”功能時，首次發(fā)生了致人死亡的重大事故，引發(fā)了人們對于未成熟的自動駕駛系統(tǒng)上路的擔憂。盡管“Autopilot”系統(tǒng)在事故發(fā)生前已安全行駛了2億多千米，但這一尚處于試用階段的技術是否足以達到上路標準，引發(fā)了各國監(jiān)管機構的注意。因此，自動駕駛技術的實際應用尚需時日。

在車輛的智能網聯(lián)方面，美國哈曼國際集團有限公司推出了其全面融合的智能車輛解決方案——LIVS，可使各種分散或獨立的連接和操作域全部集成到一個完整的汽車計算平臺上。美國埃森哲管理咨詢公司攜手德國大眾汽車集團下屬西班牙西雅特汽車公司開發(fā)出了一款車聯(lián)網概念驗證技術方案，在物聯(lián)網和車聯(lián)網服務市場探索全新發(fā)展機遇。加拿大阿爾伯塔大學研發(fā)的智能車輛技術——車聯(lián)網首次在埃德蒙頓的街道上進行了實地演示，使埃德蒙頓成為加拿大首個為提高交通安全實現汽車與汽車之間、汽車和道路基礎設施之間相互“通訊”的城市，也標志著加拿大聯(lián)邦、阿爾伯塔省和埃德蒙頓市三級政府聯(lián)合資助的車聯(lián)網研究和示范基地進入正式運營階段。

11 可穿戴裝備快速發(fā)展，軍用和民用領域廣受重視

隨著傳感器技術的快速進步，可穿戴裝備已成為電子消費的新熱點，智能手環(huán)、智能眼鏡、智能手表、智能背心等層出不窮，而由于可穿戴裝備具有體積小、重量輕等特點，因此也已成為軍用領域不可或缺的硬件，或將成為未來士兵的標配。

2016年，在可穿戴裝備領域，韓國三星公司發(fā)布了業(yè)內首款可穿戴芯片——生物處理器（Bio-Processor），其具備多合一功能，可監(jiān)測人體心率、體脂含量、骨骼肌肉質量、皮膚溫度及皮膚應力等參數。瑞士洛桑聯(lián)邦高等理工學院（EPFL）開發(fā)出一種能夠彎曲和拉伸的柔性電路系統(tǒng)，其拉伸程度可以達到原始尺寸的4倍，在可穿戴設備、皮膚生物傳感器和智能服裝等方面具有廣闊的應用前景。俄羅斯中央研究精密機械制造局推出了地面部隊使用的第三代“戰(zhàn)士”可穿戴系統(tǒng)，包括防火作戰(zhàn)服、帶有模塊化輕型負載裝置的防彈衣、外骨骼、膝肘部防護工具、先進的彈道頭盔，以及防毒面具等，并考慮選擇新材料和新型指揮控制系統(tǒng)，集成敵我識別系統(tǒng)及一種健康管理裝置。美國將繼續(xù)大力推進“塔羅斯”作戰(zhàn)服的研發(fā)工作，其的使用可提升士兵的綜合彈道防護、態(tài)勢感知能力，特別適用于城區(qū)作戰(zhàn)。加拿大仿生動力公司正在研制一種名為“動力行走”的能量收集裝置，其外骨骼能夠吸收膝蓋彎曲、作負功時的能量，并利用這些能量為士兵自己或隊友的主電池充電，從而減少需要攜帶的電池數量，或者背負相同的載荷而擴大任務范圍。歐洲RB3D公司展出了其第四代“大力神”外骨骼，既可用于軍用領域，也可用于民用市場。

三星公司發(fā)布可穿戴芯片——生物處理器（Bio-Processor）

12 石墨烯、超材料、智能材料等新材料研發(fā)進展快速

在石墨烯材料開發(fā)及應用方面，新的石墨烯制備方法不斷涌現。例如，法國聯(lián)合多國開發(fā)出一種工業(yè)石墨烯提純技術，可使石墨烯更穩(wěn)定，即使接觸臭氧10min也可“毫發(fā)無傷”。美國DARPA和美國軍方研究實驗室通過給石墨烯添加其它元素，研制出一種擁有磁性、光學、電學，以及熱學性能的新材料，可廣泛用于軍用護目鏡、軍事探測系統(tǒng)、光電探測器及晶體管內。美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和加利福尼亞大學合作，通過在氣凝膠電極石墨層間加入鋰離子和高氯酸根離子，發(fā)明了一種使3D打印石墨烯超級電容器性能提高1倍的方法。歐洲Skeleton公司也成功將石墨烯材料應用于超級電容技術。英國劍橋大學等多所大學聯(lián)合，將石墨烯集成進硅光電子電路，為硅基光電探測提供了簡單的解決方案。英國曼徹斯特大學利用石墨烯等離子體的特性開發(fā)了一款可調諧太赫茲激光器，改變了現有太赫茲激光器只能固定一個波長的限制。瑞典查爾姆斯理工大學開發(fā)出一種通過功能化石墨烯納米薄片高效冷卻電子器件的技術，有助于開發(fā)出更小、更節(jié)能的電子信息裝備。美國賓夕法尼亞大學采用石墨烯封裝方法，首次合成了二維氮化鎵材料，其具備的優(yōu)異電子性能和強度將產生顛覆性應用效果；該大學還基于雙層石墨烯開發(fā)出了電子流態(tài)控制設備，或將開辟電子學新的發(fā)展方向。美國麻省理工學院將兩種晶格大小不一致的二硫化鉬和石墨烯集成在一層上，有助于研制功能更強大的計算機。英國劍橋石墨中心（CGC）和我國江南大學聯(lián)合開發(fā)出含有石墨烯的導電織物，解決了智能服裝不夠柔軟的問題。英國工程和自然科學研究委員會斥資520萬英鎊，資助曼徹斯特大學和Graphenea公司開展一項為期5年的研究，探索以石墨烯為代表的二維材料在醫(yī)療領域的應用。

在超材料方面，美國艾奧瓦州立大學研發(fā)出一種柔性、可伸縮、具有調諧選擇性的超材料蒙皮（Meta-skin）。其由硅膠薄膜及鑲嵌在硅膠薄膜內的開口環(huán)形諧振器陣列組成，通過伸展和收縮改變開口環(huán)形諧振器的形狀，進而改變諧振器的電感參數與電容參數，調整抑制電磁波的頻率范圍，實現在更寬頻段內全方位抑制電磁波散射的效果。試驗結果顯示，這種超材料對頻率范圍為8GHz～10GHz的電磁波的吸收率達75%。這種超材料蒙皮有望作為下一代隱身戰(zhàn)機的外表面材料，未來還將實現在可見光或紅外光等更高頻電磁波下隱身。此外，美國研究人員制造出了受熱會收縮的全新超材料，適用于制作在溫度變化較大的環(huán)境中所需的微芯片和高精光學儀器等。

在智能材料方面，美國華盛頓州立大學開發(fā)出一種獨特的多功能智能材料，可以在光和熱的作用下實現形狀改變、自我折疊和展開。這是研究人員首次在一種材料上集成了形狀記憶、光激活及自修復等多種能力，為智能材料的多功能化和歸一化應用開辟了新的技術途徑，未來將在制動器、藥物傳送系統(tǒng)、自組裝設備等多個領域得到廣泛應用。中美研究人員合作，將氮化硼納米片添加到一種塑料聚合物原材料上，研制出一種即使破碎多次也能自動恢復所有功能的新型電子材料。美國麻省理工學院研制出一種可實現化學儲能的固體材料——透明的聚合物薄膜，可遇光吸熱并按需放熱。

13 太陽能、核聚變等能源利用繼續(xù)發(fā)展，新型電池研究成果豐碩

在太陽能利用方面，美國麻省理工學院首次證明，使用太陽熱光伏設備，太陽能電池的光電轉化效率可突破理論限制。美國研究人員發(fā)現，加熱鐵銹之類的金屬氧化物可提升特定太陽能電池轉換效率和儲能效率，實現了小分子有機太陽能電池效率近50%的增長。麻省理工學院開發(fā)出一種可附著在許多物體上的超輕薄柔性太陽能電池。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院開發(fā)出了能夠以大幅低于以往的成本制造出轉換效率高達20.2%的鈣鈦礦太陽能電池的技術，突破了鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展瓶頸。澳大利亞新南威爾士大學（UNSW）所屬澳大利亞先進光電中心的研究人員在正常光照條件下將太陽能光電轉換效率提升至34.5%，打破了美國Alta設備公司此前創(chuàng)下的光伏電池的能效紀錄——24%。歐洲薄膜太陽能電池相關技術聯(lián)盟“Solliance”開發(fā)出了尺寸約為15cm×15cm的鈣鈦礦太陽能電池模塊，模塊轉換效率為10%，開口部面積達168cm2，接近13cm×13cm。日本鐘化公司采用異質結和背接觸結構，開發(fā)出了實用尺寸（180cm2）的晶體硅太陽能電池單元，其轉換效率達到目前世界最高的26.33%，比原世界紀錄（25.6%）大幅提高。

在新型燃料方面，美國海軍海水變燃料技術取得重要進展，從海水中提取二氧化碳和氫氣的技術已發(fā)展至第二代，每日產量可供合成3.79L（1加侖）液態(tài)碳氫化合物燃料。美國哈佛大學開發(fā)出一種人工仿生葉片，能“吃”進二氧化碳產出生物乙醇，效率比自然光合作用高出10倍。加拿大多倫多大學找到了一種方法，可利用硅將二氧化碳轉換成高能燃料，這種通過納米結構氫化物的還原能力直接利用太陽光生產燃料的方法是一種全新的概念。

在氫能技術開發(fā)方面，美國斯坦福大學設計出一種鈣鈦礦太陽能電池驅動的光解水復合體系，可使光解水制氫的轉化效率達到6.2%，使得光到氫的能源轉換效率有望提升到新高度，為獲取綠色氫能源提供了一個重要途徑。美國研究人員還發(fā)現了一種由鉬硒化硫和多孔硒化鎳組成的新型復合催化劑，能夠使水制氫的效率達到實用水平。俄羅斯科爾科沃科技學院與美國得克薩斯大學奧斯丁分校和麻省理工學院合作，研發(fā)出可大幅提高堿性溶液電解水分解效率的催化劑，該技術是生產氫能源的關鍵步驟之一。俄羅斯科學院季米里亞澤夫植物生理學研究所發(fā)現了一種錳的絡合物催化劑，能夠像植物一樣利用光合作用將水分解成氧氣和氫氣，有助于研發(fā)可自我再生的新型能源。以色列特拉維夫大學發(fā)現，藻類通過氫化酶生產氫氣，氫化酶在無氧狀態(tài)下不分解，藻類將持續(xù)產氫。因此，利用該技術有望使微藻全天制氫，成為大規(guī)模生產氫氣的新方法。

在核能利用方面，德國啟動了世界最大的仿星器核聚變反應設備——“螺旋石7-X”，并首次制造出了氫等離子體，預計4年后可實現等離子體脈沖持續(xù)時間30min，向實現受控核聚變邁出了重要一步。美國麻省理工學院在阿爾卡特C-Mod托卡馬克聚變反應堆實驗中創(chuàng)造世界新紀錄，等離子體壓強首次超過兩個大氣壓。俄羅斯新沃羅涅日核電站裝有最新型WWER-1200反應堆的核電機組完成燃料裝載并順利啟動。全球功率最大的BN-800型鈉熱載體快中子反應堆——俄羅斯別洛亞爾斯克核電站4號機組開始商業(yè)運行。韓國研發(fā)、設計和建造的熱功率5MW的研究用核反應堆JRTR在約旦科技大學投入運行，標志著韓國正式成為反應堆出口國。另外，韓國采用自主設計的APR-1400新型壓水反應堆的新古里核電站140萬千瓦級3號機組并網發(fā)電。

在新型電池方面，美國加利福尼亞大學爾灣分校研制出了以金納米線為材料、可反復充放電數萬次的新型納米電池。美國麻省理工學院的研究人員發(fā)現，鈣可以作為三層液態(tài)金屬電池的重要原料。美國麻省理工學院研發(fā)出了新型鋰氧電池，其采用固態(tài)氧元素，重量更輕，更安全，有望在電動汽車領域推廣應用，解決續(xù)航里程及電池安全問題。美國斯坦福大學提出了“親鋰性”概念，制備出可大大提高鋰電池性能的復合金屬鋰電極。美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室和斯坦福大學等機構的研究人員合作，開發(fā)出了可觀察鋰離子電池充放電時內部粒子運動的新型X射線顯微鏡技術。美國堪薩斯州立大學研發(fā)出一種類似于紙的碳氧化硅玻璃—石墨烯紙電池電極，可使電池總重量減輕約10%，有助于開發(fā)出更好的太空探索或無人機工具。美國哥倫比亞大學開發(fā)了一種提高鋰離子電池能量密度的全新方法，可將鋰離子電池的能量密度提高10%～30%。日本東北大學和東京大學合作，首次利用大環(huán)狀有機分子，為全固體鋰離子電池開發(fā)出一種新的負電極材料（開孔石墨烯分子），其電容量比石墨電極高兩倍，經65次充放電后仍能保持原始的大容量狀態(tài)。日本產業(yè)技術綜合研究所與筑波大學共同開發(fā)出了一種鋰硫電池，采用金屬有機骨架作為電池隔膜，實現了長期穩(wěn)定的充放電循環(huán)特性。日本埼玉縣產業(yè)技術綜合中心在高品質鎂蓄電池生產技術方面取得突破，即將開展實用性研究。新加坡南洋理工大學開發(fā)出了TiO@C空心球包裹硫正極材料，可用于高性能鋰硫電池，為設計高導電性和高吸附性能的納米結構提供了新思路，也使得后續(xù)高能量密度電池的設計成為可能。加拿大達爾豪斯大學利用鋰硅合金脫鋰工藝制備出低膨脹層狀無定形硅負極材料，顯著提高了材料的循環(huán)性能。

德國仿星器核聚變設備——“螺旋石7-X”