前沿科技是物化新裝備、形成新能力的“孵化器”，超前謀劃和搶先占領(lǐng)前沿技術(shù)制高點(diǎn)，是武器裝備創(chuàng )新突破的重要途徑。2016年，世界前沿科技探索取得了重要進(jìn)展，在腦和認知、新材料、人工智能、光量子等領(lǐng)域，更高智能、更快速度、更大容量、更低功耗、更小尺寸、更深融合的顛覆性創(chuàng )新和群體性技術(shù)突破不斷涌現，正在深刻影響未來(lái)國防科技與武器裝備發(fā)展。

謀劃新的技術(shù)方向

世界主要軍事強國繼續高度重視國防前沿科技發(fā)展，制定戰略規劃，超前部署方向，加大投入力度，創(chuàng )新發(fā)展模式，以保持其優(yōu)勢與發(fā)展后勁。

積極規劃發(fā)展方向。美國發(fā)布了《21世紀國家安全科技與創(chuàng )新戰略》、《聯(lián)合作戰環(huán)境2035》等戰略文件，預判未來(lái)軍事技術(shù)發(fā)展面臨的環(huán)境和重點(diǎn)方向;美國科學(xué)與技術(shù)委員會(huì )發(fā)布《人工智能研究與發(fā)展戰略計劃》;在“第三次抵消戰略”下，美國國防高級研究計劃局(DARPA)重點(diǎn)圍繞復雜系統、信息爆炸、技術(shù)突襲等推進(jìn)顛覆性技術(shù)發(fā)展。日本防衛省發(fā)布了《防衛技術(shù)戰略》，明確了未來(lái)20年18個(gè)領(lǐng)域的軍事技術(shù)方向，提出了無(wú)人技術(shù)、智能與網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、定向能技術(shù)等改變游戲規則的技術(shù)領(lǐng)域。歐盟委員會(huì )發(fā)布《量子宣言》，提出2018年啟動(dòng)總額10億歐元的“量子技術(shù)旗艦”計劃。英國國防部宣布推出為期10年的創(chuàng )新計劃，研究前沿國防技術(shù)、應對未來(lái)挑戰。

借眾智促前沿創(chuàng )新。美國在太空、網(wǎng)電、無(wú)人系統等多個(gè)領(lǐng)域舉辦了一系列挑戰賽、論壇、研討會(huì )等，充分挖掘企業(yè)、大學(xué)、個(gè)人等各類(lèi)創(chuàng )新力量的潛力推進(jìn)前沿技術(shù)發(fā)展。2016年3月，美國“國防創(chuàng )新實(shí)驗小組”為陸軍舉辦賽博創(chuàng )新挑戰賽;美國航空航天局(NASA)舉辦了“突破、創(chuàng )新和改變游戲規則”創(chuàng )意挑戰賽決賽和首屆太空機器人挑戰賽;8月，美國陸軍舉辦第三屆創(chuàng )新峰會(huì )與“瘋狂科學(xué)家”討論會(huì )，進(jìn)一步擴大與工業(yè)界和學(xué)術(shù)界之間的協(xié)作。俄羅斯航天國家公司和先期研究基金會(huì )開(kāi)展了系列競賽選拔，挑選從事顛覆性技術(shù)研究的青年學(xué)者和專(zhuān)家，組建航天前沿技術(shù)青年實(shí)驗室，以確保未來(lái)航天活動(dòng)中的技術(shù)優(yōu)勢。

捕捉商業(yè)技術(shù)機遇。美國繼續推進(jìn)協(xié)同創(chuàng )新，引入商業(yè)企業(yè)等傳統國防領(lǐng)域以外的創(chuàng )新力量，尋求前沿技術(shù)突破點(diǎn)和潛在機遇。美國國防部長(cháng)卡特就任后已經(jīng)四次造訪(fǎng)硅谷，參加多次商業(yè)創(chuàng )新會(huì )議，顯示了對商業(yè)技術(shù)的重視程度。2015年7月、2016年7月和9月，美國國防部先后在硅谷、波士頓和奧斯汀設立“國防創(chuàng )新實(shí)驗機構”(DIUX)，以銜接軍方與企業(yè)，加速商業(yè)技術(shù)的國防轉化應用。2016年3月，美國防部組建了由商業(yè)創(chuàng )新領(lǐng)袖組成的國防創(chuàng )新咨詢(xún)委員會(huì )，旨在將商業(yè)部門(mén)的創(chuàng )新人員和機構融入國防領(lǐng)域。DARPA啟動(dòng)了“Improv”項目，重點(diǎn)識別能帶來(lái)顛覆性變革的商業(yè)技術(shù)。

形成新的技術(shù)能力

新材料方面，先進(jìn)復合材料、超材料、智能材料等發(fā)展日新月異，這些特種新材料將為裝備性能躍升提供可能。美國和德國科學(xué)家聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種相變材料，這種材料更加節能、可永久儲存數據，并且在執行特定操作時(shí)速度比現有存儲器快1000倍。美國科研人員通過(guò)伸展和收縮改變開(kāi)口環(huán)形諧振器的形狀與參數，調整抑制電磁波的頻率范圍，研發(fā)出一種柔性、可伸縮、具有調諧選擇性的超材料，在隱身飛機、電磁屏蔽等領(lǐng)域具有重大應用前景。華盛頓州立大學(xué)開(kāi)發(fā)出可在光和熱的作用下改變形狀，并實(shí)現自我折疊和展開(kāi)，具有形狀記憶、光激活及自修復能力的多功能“智能”材料。多國科學(xué)家發(fā)現氧化銦錫可以獲得高于其它材料數百倍以上的光學(xué)非線(xiàn)性，未來(lái)有望在多個(gè)光子學(xué)應用領(lǐng)域大顯身手，對光子通信意義重大。美國阿貢國家實(shí)驗室和北伊利諾伊大學(xué)的研究團隊首次成功制造出一種名為“可擦寫(xiě)磁荷冰”的新材料，能以前所未有的精確度控制局部磁場(chǎng)，有助于開(kāi)發(fā)新的計算技術(shù)，研發(fā)更小、更強大的計算機。美國科學(xué)家制造出受熱會(huì )收縮的全新超材料，適用于制作在溫度變化較大環(huán)境中所需的微芯片和高精光學(xué)儀器等。美國休斯頓大學(xué)科學(xué)家利用界面組裝技術(shù)，誘導非超導材料產(chǎn)生超導性，并增強了超導材料的超導性能;加拿大科學(xué)家發(fā)現了超導材料中的電子云可以對齊并按照某個(gè)方向有序排列，即呈現向列相，這一新發(fā)現有助于懸浮列車(chē)和超級計算機等技術(shù)的研發(fā)。美國麻省理工學(xué)院和NASA科學(xué)家開(kāi)發(fā)出一種可變形的超輕符合材料機翼，重量是傳統機翼的十分之一。

排列在二維晶格中的納米磁體

石墨烯的應用研究繼續取得新的進(jìn)展，其潛力和價(jià)值不斷展現。美國倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室通過(guò)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一倍的方法。劍橋等多所大學(xué)的科學(xué)家聯(lián)合將石墨烯集成進(jìn)硅光電子電路，為硅基光電探測提供了簡(jiǎn)單的解決方案。英國曼徹斯特大學(xué)的科學(xué)家使用石墨烯等離子體的特性開(kāi)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(gè)波長(cháng)的限制。瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出一種通過(guò)功能化石墨烯納米薄片高效冷卻電子器件的技術(shù)，有助于開(kāi)發(fā)出更小更節能的電子信息裝備。美國賓夕法尼亞大學(xué)的科學(xué)家采用石墨烯封裝方法，首次合成二維氮化鎵材料，其具備的優(yōu)異電子性能和強度將產(chǎn)生顛覆性應用效果;該大學(xué)科學(xué)家還基于雙層石墨烯開(kāi)發(fā)出電子流態(tài)控制設備，可能開(kāi)辟電子學(xué)新的發(fā)展方向。美國麻省理工學(xué)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，可有助于研制功能更強大的計算機。

無(wú)人集群技術(shù)持續進(jìn)行演示驗證，未來(lái)將形成以無(wú)人蜂群式攻擊為代表的新型作戰能力。在空中無(wú)人系統集群方面，美國空軍通過(guò)F-16戰斗機在指定空域進(jìn)行了快速布撒了大量微型無(wú)人機的試驗;6月，31架無(wú)人機在40秒內依次發(fā)射并編組飛行，完成了利用發(fā)射管發(fā)射模塊化無(wú)人機、無(wú)人機自主集群飛行，機間感知和精確編隊等技術(shù)驗證;8月，完成50架“微風(fēng)”無(wú)人機同時(shí)自主飛行試驗。在海上無(wú)人系統集群方面，波音公司為美海軍研發(fā)的“回聲航行者”“傳感器寄宿自主遠程艇”等項目取得了新進(jìn)展，將對未來(lái)海上區域監視產(chǎn)生重大影響;美國海軍年內對集群式無(wú)人水面艦艇相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了多次演示驗證。美喬治亞理工學(xué)院開(kāi)發(fā)出新算法，可使多個(gè)機器人在彼此距離數厘米的范圍內移動(dòng)且不會(huì )發(fā)生碰撞，以支持類(lèi)似“蜂群”的無(wú)人系統自主協(xié)同作戰。

集群式無(wú)人睡眠艦艇

新型器件發(fā)展取得重要突破，一批超越現有能力的存儲器、處理器等問(wèn)世，將推動(dòng)信息技術(shù)的躍升。美國科學(xué)家使用DNA作為支架，將其它材料組裝到DNA上，形成用于制造計算機電路的電子器件，將大大節約成本。哥倫比亞大學(xué)研制出首個(gè)同時(shí)同頻全雙工射頻通信元件，有望使無(wú)線(xiàn)射頻通信能力提高一倍，在雷達、通信等領(lǐng)域應用后將極大提升裝備效能。美國加州大學(xué)在DARPA資助下研制出全球首個(gè)芯片級光頻合成器，在光頻梳技術(shù)上取得重大突破，該技術(shù)應用后可將現有授時(shí)精度提高3個(gè)數量級，將對定位導航、激光通信等領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。荷蘭的研究團隊將存儲器密度提高到目前最好商業(yè)硬盤(pán)的500倍，這種存儲密度能把人類(lèi)目前為止創(chuàng )作的所有書(shū)籍都寫(xiě)到一張郵票上。美國洛馬公司成功研制出新型微流體散熱片，較傳統芯片冷卻效果提升6倍，可大幅提升集成電路散熱能力。美國麻省理工學(xué)院和快速電容公司合作開(kāi)發(fā)出一種新型超級電容器，存儲能量和能量密度均達到現有水平的10倍。美國愛(ài)荷華州立大學(xué)科學(xué)家研制出一種新型實(shí)用瞬態(tài)電池，其自毀速度在原有基礎上大幅提升，這一突破將使研發(fā)自毀型電子器件成為可能。美國威斯康星大學(xué)的料學(xué)家成功研制出性能首次超越硅晶體管和砷化鎵晶體管的碳納米晶體管，將促進(jìn)碳納米管在邏輯電路、高速無(wú)線(xiàn)通信和其它半導體電子器件領(lǐng)域的廣泛應用。

拓展新的技術(shù)途徑

先進(jìn)制造技術(shù)在增材制造、特種工藝、智能組裝等方面有新的突破，將開(kāi)辟新的產(chǎn)品設計與制造途徑。軌道ATK公司成功試驗了3D打印制造的高超聲速發(fā)動(dòng)機燃燒室;美國休斯實(shí)驗室使用3D打印方法制造出超強陶瓷材料，不僅可擁有復雜的形狀，還能耐受超過(guò)1700攝氏度的高溫;美國哈佛大學(xué)研究人員利用3D打印出世界首個(gè)全柔性自主機器人。在美國將3D打印機送入國際空間站后，俄羅斯研究人員也宣布制成了該國首臺太空3D打印機樣機，計劃在進(jìn)一步完善后，在2018年送入國際空間站進(jìn)行測試。美國布魯克海文國家實(shí)驗室研究人員使用電子束光刻蝕模式，直接將多個(gè)分子模式自組裝到單一材料上，實(shí)現了自組裝概念的重要突破，將改變電子產(chǎn)品設計和制造途徑。美國德克薩斯大學(xué)的研究人員首次演示了利用莫爾紋納米球光刻技術(shù)制備大面積可調石墨烯超穎表面的方法。

新能源方面，利用太陽(yáng)能、海水、核聚變等方式產(chǎn)生能源繼續受到高度關(guān)注，多項技術(shù)突破將推動(dòng)能源格局發(fā)生重大變化。美海軍海水變燃料技術(shù)取得重要進(jìn)展，從海水中提取二氧化碳和氫氣的技術(shù)已發(fā)展至第二代，每日產(chǎn)量可供合成1加侖液態(tài)碳氫化合物燃料。美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家首次證明了使用太陽(yáng)熱光伏設備，太陽(yáng)能電池的光電轉化效率可突破理論限制。美國斯坦福大學(xué)科學(xué)家設計出一種鈣鈦礦太陽(yáng)能電池驅動(dòng)的光解水復合體系，可使光解水制氫的轉化效率達到6.2%，利用該方法后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一個(gè)重要途徑。新型太陽(yáng)能電池發(fā)展迅速，美國科學(xué)家實(shí)現了小分子有機太陽(yáng)能電池效率近50%的增長(cháng)，麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)出一種超輕、超薄的柔性太陽(yáng)能電池。美國哈佛大學(xué)開(kāi)發(fā)出一種人工仿生葉，能“吃”進(jìn)二氧化碳產(chǎn)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(xué)科學(xué)家找到了一種方法，可利用硅將二氧化碳轉換成高能燃料，這種通過(guò)納米結構氫化物的還原能力直接利用太陽(yáng)光生產(chǎn)燃料是概念上的一大創(chuàng )新。德國啟動(dòng)了最大的仿星器核聚變反應設備并首次制造出氫等離子體，預計4年后可實(shí)現等離子體脈沖持續時(shí)間30分鐘，向實(shí)現受控核聚變邁出重要一步。美國麻省理工學(xué)院科學(xué)家在阿爾卡特C-Mod托卡馬克聚變反應堆實(shí)驗中創(chuàng )造世界新紀錄，等離子體壓強首次超過(guò)兩個(gè)大氣壓。

仿生技術(shù)發(fā)展迅猛、軍事應用前景廣闊，涌現出一批新型仿生機械和仿生材料，有望成為裝備新能力形成的有效途徑。哈佛大學(xué)研發(fā)了類(lèi)似蜜蜂的“機器峰”，高2厘米、重約100毫克，將在軍事偵察領(lǐng)域發(fā)揮重要作用;該大學(xué)還研制出半透明、硬幣大小的機器魚(yú)，可在藍光控制下像魚(yú)一樣游泳。波蘭、意大利和英國合作利用光電機械液晶彈性體單片電路研發(fā)出一款長(cháng)約15毫米的軟體機器人，可模仿毛蟲(chóng)不同步態(tài)、爬坡、推動(dòng)比自身重10倍的物體，具有在挑戰性環(huán)境中執行任務(wù)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(wú)人機可以飛得更遠并節省更多燃料。美國斯坦福大學(xué)研究人員首次制備出一種可用于制作晶體管的可自愈彈性聚合物，實(shí)現了復雜電子表面模仿人類(lèi)皮膚，是仿生學(xué)發(fā)展的重大突破，將為新一代類(lèi)皮膚可穿戴裝備奠定基礎。

先進(jìn)動(dòng)力技術(shù)在航空動(dòng)力、空間推進(jìn)等方面取得新進(jìn)展，有望改變傳統動(dòng)力的物理極限。 美國NASA公布了一種新型推進(jìn)系統“電子帆”，它能和太陽(yáng)釋放出的粒子相互作用產(chǎn)生推力，將大幅縮短將航天器送往星際空間的時(shí)間。美國 NASA格倫研究中心測試了一種全新的飛機發(fā)動(dòng)機技術(shù)——邊界層吸入推進(jìn)器，有望讓現有最先進(jìn)發(fā)動(dòng)機的燃油效率再提高4%到8%。俄羅斯成功進(jìn)行了脈沖爆震火箭發(fā)動(dòng)機試驗，該技術(shù)改變了傳統火箭發(fā)動(dòng)機結構，使火箭發(fā)動(dòng)機的熱力效率大大提升，成本和質(zhì)量大幅降低。

脈沖爆震火箭發(fā)動(dòng)機試驗

奠定新的技術(shù)基礎

人工智能技術(shù)受到前所未有的高度關(guān)注，將推動(dòng)武器裝備向更高智能化方向發(fā)展，形成新的能力優(yōu)勢。2016年3月，美國谷歌公司運用“深度學(xué)習算法”開(kāi)發(fā)的“阿爾法圍棋”人工智能程序，在與世界圍棋冠軍的“人機大戰中”4：1取得勝利，標志著(zhù)人工智能技術(shù)發(fā)展取得新突破。美國科學(xué)家發(fā)明了一種被稱(chēng)為結構映射引擎的新模型，能使計算機類(lèi)人分析和學(xué)習能力顯著(zhù)增強。谷歌“深度思維”公司發(fā)表了一項人工智能重要成果，描述了一種集神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )與計算機優(yōu)點(diǎn)于一身的混合型學(xué)習機器，既能像神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )那樣學(xué)習，又能像計算機那樣處理復雜數據。微軟雷蒙德研究院開(kāi)發(fā)出一種機器學(xué)習算法，使計算機對指定主題對話(huà)的語(yǔ)音識別率增至94.1%，首次與人類(lèi)水平相當。

腦和認知方面，腦圖譜繪制、認知計算、腦控等技術(shù)取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，為人類(lèi)認知能力的增強，以及腦科學(xué)的軍事應用奠定了重要基礎。美國艾倫腦科學(xué)研究院繪出了迄今最完整的數字版人腦結構圖譜，也是迄今最清晰腦部微觀(guān)解剖學(xué)結構圖譜，將成為大腦研究人員的最新指南和“導航圖”，標志著(zhù)在理解人腦方面的巨大飛躍;美國加州大學(xué)伯克利分校繪制出人類(lèi)大腦中語(yǔ)義信息功能呈現的圖譜，可揭示語(yǔ)言的神經(jīng)生物學(xué)機理;美國華盛頓大學(xué)的研究小組繪制出迄今最全面、最精確的人類(lèi)大腦圖譜，其中97個(gè)人類(lèi)大腦皮層區域屬于首次公布。美國國家衛生研究院的研究項目團隊開(kāi)發(fā)出一種新的神經(jīng)成像技術(shù)，可看到人腦中基因開(kāi)關(guān)的位置，為了解影響精神健康的基因提供了有力工具。DARPA首次成功在動(dòng)物受試者上測試了一種通過(guò)血管進(jìn)入腦部，記錄神經(jīng)活動(dòng)的微型傳感器。 美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)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(xué)習超級計算機，標志著(zhù)人類(lèi)進(jìn)入認知計算的新時(shí)代，深度學(xué)習超級計算機對于網(wǎng)絡(luò )安全、核武器模擬等具有重大意義。韓國科學(xué)家在一塊10厘米的晶圓上，構建了144個(gè)突觸晶體管，研制出迄今為止能耗最低的人造突觸，這一突破有望使研制大型類(lèi)腦計算機成為現實(shí)。美國科學(xué)家研制出了一種新型“擴散式憶阻器”，能逼真地模擬人腦突觸內鈣離子的行為，新設備有助于開(kāi)發(fā)類(lèi)腦(神經(jīng)形態(tài))計算機。美國亞利桑那州立大學(xué)試驗了腦控多架無(wú)人機的技術(shù)，已經(jīng)成功實(shí)現單人對4架無(wú)人機的控制。美國普林斯頓大學(xué)研制出全球首枚光子神經(jīng)形態(tài)芯片，其中的每個(gè)節點(diǎn)擁有神經(jīng)元一樣的響應特征，實(shí)驗中其能以超快速度計算——比現有運算速度快3個(gè)數量級，該芯片有望開(kāi)啟全新的光子計算產(chǎn)業(yè)。美國明尼蘇達大學(xué)研究人員在腦控技術(shù)領(lǐng)域取得重大進(jìn)展，首次利用非植入性腦機接口技術(shù)通過(guò)意念控制機械臂抓取物品。

光量子技術(shù)不斷取得重要突破，在糾纏原子數量、光量子電路、量子位穩定性等方面有了里程碑式進(jìn)展，讓人們看到了光計算、量子計算與量子通信的曙光。美國多所大學(xué)組成的研究團隊提出了可以產(chǎn)生由數千個(gè)糾纏的原子形成的量子網(wǎng)絡(luò )。英國帝國理工學(xué)院的研究人員通過(guò)將光和單個(gè)電子“綁”在一起，制造出一種擁有光和電子屬性的新形式“耦合”光，有助研制出用光工作的電路，以及在可見(jiàn)尺度上研究量子物理現象。俄羅斯科學(xué)家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(zhù)光計算機技術(shù)向前邁出重要一步。美國麻省理工學(xué)院科學(xué)家使用量子的反饋控制技術(shù)將量子疊加時(shí)長(cháng)提高了1000多倍，向最終研制出可靠的量子計算機邁出了重要一步。澳大利亞和日本科學(xué)家聯(lián)合開(kāi)發(fā)出一種新的量子位，其量子疊加態(tài)穩定性比此前提高了10倍，有助于開(kāi)發(fā)更可靠的硅基量子計算機。美國馬里蘭大學(xué)科學(xué)家制造了一臺由五比特的量子比特組成的新型計算機，它能執行一系列不同的量子算法。德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院科學(xué)家首次成功將一個(gè)完整的量子光學(xué)結構集成到芯片上，這一最新成果將幫助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量子模擬等。歐洲科學(xué)家將一臺激光器內的光子“播種”進(jìn)另一臺激光器內，成為研制實(shí)用量子加密系統的里程碑進(jìn)展。美國哈佛大學(xué)科學(xué)家成功實(shí)現在超導材料內傳輸電子自旋信息，從而克服了量子計算的一個(gè)主要挑戰，這種三明治結構獨特的超導性能也將帶來(lái)全新的量子材料，為構建量子傳導裝置奠定基礎。美、俄等國際研究團隊利用釔鋁石榴石晶體產(chǎn)生了超短激光脈沖，在激光總能量基本不變下，將功率提高了3倍、達到0.5太瓦，有望推動(dòng)激光領(lǐng)域變革。美國布法羅大學(xué)的科學(xué)家采用軌道角動(dòng)量技術(shù)讓激光采用螺旋模式分布，能將信息編碼成不同的渦流，所攜帶的信息量是傳統激光的10倍以上。

量子疊加態(tài)穩定性提升10倍的新型量子位示意圖

微納技術(shù)具有重大的發(fā)展潛力，微納感知、傳輸、集成等發(fā)展十分迅猛，微系統的研制與應用將在近期取得實(shí)質(zhì)性突破。DARPA正式啟動(dòng)了“從原子到產(chǎn)品”的項目，旨在開(kāi)發(fā)相關(guān)技術(shù)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、部件或材料，并保留其在納米尺寸時(shí)具備的特性;在該項目下，勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室采用創(chuàng )新型3D打印工藝在厘米級尺度制備出具有納米級特性的多層金屬超材料。DARPA微系統辦公室正在開(kāi)展相關(guān)項目，致力于發(fā)展下一代微系統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(shù)。意大利、德國和西班牙的科學(xué)家合作，設計出一種由微粒子推動(dòng)的新型微齒輪，微粒子以周?chē)^(guò)氧化氫溶液為燃料推動(dòng)自身前進(jìn)，這種微齒輪為造出可控制的微機器開(kāi)辟了新途徑。 英國劍橋大學(xué)科學(xué)家研制出采用光驅動(dòng)的全球最小納米發(fā)動(dòng)機“螞蟻”，大小只有十億分之幾米，其有望成為未來(lái)納米機器的零件。DARPA和NASA聯(lián)合開(kāi)展了輕型光學(xué)系統，將利用微系統技術(shù)在硅材料上通過(guò)極精確的激光燒錄成上千個(gè)望遠鏡陣列，該領(lǐng)域的突破可將傳統望遠鏡的尺寸、質(zhì)量和功耗降至百分之一。美國能源部橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室研究人員發(fā)現，當復合氧化物單晶材料被局限在微觀(guān)納米尺度時(shí)，其如同一個(gè)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。美國科研人員利用特殊的隱形原理，在兩個(gè)光子器件間放置一個(gè)特殊的納米硅基屏障，可“欺騙”兩個(gè)光子器件相互無(wú)視，其有助開(kāi)發(fā)出較硅基芯片更小、更快、更節能的光子芯片。美國工程師制作出首個(gè)無(wú)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(shí)，電導率可增加10倍，這項發(fā)現為研制速度更快、功率更強的無(wú)半導體微電子設備及更高效的太陽(yáng)能板鋪平了道路。

復合氧化物材料在納米尺度可自組裝成電子電路

(北京航天情報與信息研究所，吳勤 主任)

Science評2016年十大科技突破!

1.首次直接探測到引力波

Science將“發(fā)現引力波”評為2016年最重要科技突破。引力波的發(fā)現應驗了100年前愛(ài)因斯坦的預測，并為人類(lèi)探索宇宙的引力波天文學(xué)開(kāi)辟了新的道路。

引力波是愛(ài)因斯坦在廣義相對論中預言的一種以光速傳播的時(shí)空波動(dòng)，被稱(chēng)為“時(shí)空漣漪”。宇宙中黑洞等大質(zhì)量天體碰撞、加速和合并等情況下才有可能產(chǎn)生強大的引力波。

探測引力波的意義在于：檢驗包括廣義相對論在內的各種理論的正確性，并讓我們探索宇宙大爆炸瞬間，了解宇宙的開(kāi)端和運行方式。

2.發(fā)現相鄰的系外行星

開(kāi)辟人類(lèi)探索太陽(yáng)系之外的世界的新道路!

3.人工智能打敗頂級圍棋選手

經(jīng)過(guò)五輪拼殺，AlphaGo打敗了世界排名第二的圍棋高手!人工智能這一里程碑事件表明了機器深度學(xué)習的強大，昭示人工智能時(shí)代的來(lái)臨。

4.殺死衰老細胞可保持年輕

小白鼠已證明有效!

5.發(fā)現大猩猩也有讀心術(shù)

人類(lèi)不是唯一能夠讀懂心靈的了,大猩猩也能看穿你的心思……

6.定制設計蛋白質(zhì)

通過(guò)計算生物學(xué)解析氨基酸的三維組裝機制，指導蛋白質(zhì)仿生設計，獲得一系列全新的蛋白結構，實(shí)現新功能。

7.實(shí)驗室培育卵細胞

首次實(shí)現在體外以多能干細胞為材料培育成熟卵細胞!

8.發(fā)現非洲外居住的人類(lèi)來(lái)源于同一批移民

基因分析證明，非洲之外人類(lèi)的祖先來(lái)源于10萬(wàn)年前從非洲移民的同一批種群。這是真的么?

9.實(shí)現便攜式基因測序

基于納米孔的便攜式檢測技術(shù)，可在野外使用，24h內生成測序信息，有效控制類(lèi)似埃博拉的疫情爆發(fā)，并將用于太空尋找生命跡象。

10.TiO2超材料透鏡

約600納米的二氧化鈦“納米磚”形成超薄超表面聚光鏡片，有效聚集可見(jiàn)光，超高的圖象分辨率。這一技術(shù)將大幅減小鏡片的尺寸和成本，并對目前大多數光學(xué)設備帶來(lái)重大改變。

《科學(xué)》雜志刊出五大“年度科技突破”

2016年科學(xué)發(fā)現、發(fā)展和趨勢中,哪個(gè)最令你印象深刻?不久前,《科學(xué)》雜志收回11000張讀者對這一問(wèn)題的投票,刊登出讀者所選的5項“年度科技突破”?！犊茖W(xué)》雜志還將于12月22日宣布“2016年度十大科技突破”,屆時(shí)讀者可以將自己的答案與權威發(fā)布進(jìn)行對比,來(lái)一場(chǎng)智慧較量。

老細胞清除術(shù) 讓小鼠煥發(fā)新活力

美國梅奧診所研究人員簡(jiǎn)?萬(wàn)?德?tīng)柹瓐F隊通過(guò)小鼠實(shí)驗發(fā)現,衰老細胞會(huì )促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化形成,為心臟病或中風(fēng)等心血管疾病埋下隱患。

攜帶受損DNA的衰老細胞會(huì )在體內長(cháng)期“逗留”,一旦繼續分裂就會(huì )引發(fā)癌變,因此保持“沉默”才是好消息。但它們有時(shí)會(huì )打破“沉默”,向周?chē)尫琶负推渌肿?影響其他正常細胞。

德?tīng)柹瓐F隊首次通過(guò)藥物清除轉基因小鼠體內大部分衰老細胞,然后喂食高脂肪食物,讓它們“大快朵頤”3個(gè)月,并每天注射藥物。測量主動(dòng)脈內脂肪累積量后發(fā)現,存留衰老細胞對照組的小鼠動(dòng)脈病變斑塊內含有大量衰老細胞。

如何針對性清理衰老細胞,是他們下一步要解決的問(wèn)題。德?tīng)柹瓍⑴c創(chuàng )建的公司宣布,將于明年初針對其中一種能靶向衰老細胞的化合物,在一類(lèi)關(guān)節炎患者中開(kāi)展臨床試驗。

納米孔測序儀 被訴訟、再升級、上太空

因開(kāi)發(fā)出快速、便攜式基因測序平臺,牛津納米孔技術(shù)公司已成為英國最具價(jià)值的科技公司,2016年雖歷經(jīng)基因測序壟斷巨頭Illumina的專(zhuān)利訴訟,仍然實(shí)現飛躍式發(fā)展?；驕y序平臺不斷升級后精確度提高,更隨著(zhù)美國宇航員登上國際空間站,經(jīng)受住發(fā)射途中的顛簸和太空微重力的考驗。

納米孔測序理念是,讓單鏈DNA堿基逐個(gè)穿過(guò)納米蛋白孔,檢測不同堿基組合穿過(guò)時(shí)的電流變化來(lái)進(jìn)行測序。2012年正式發(fā)布的納米孔測序平臺——MinION,只有U盤(pán)大小,價(jià)格僅1000美元左右,能對很長(cháng)的DNA進(jìn)行測序,特別適用于非洲臨時(shí)實(shí)驗室診斷埃博拉患者。

為回避占據基因測序90%市場(chǎng)的Illumina公司的專(zhuān)利訴訟,MinION的核心部件——微通道R7被公司升級成R9,精確度更提高了10個(gè)百分點(diǎn)。MinION今年8月甚至登上了國際空間站,宇航員用它在太空對老鼠、病毒和細菌的DNA樣本進(jìn)行了測序,結果與地球同時(shí)進(jìn)行的測序“完美匹配”,預示著(zhù)納米孔測序儀必將占領(lǐng)基因測序的“制高點(diǎn)”。

人機圍棋大戰 贏(yíng)了比賽也是工具

今年3月,谷歌人工智能“阿爾法狗”與世界排名第一的圍棋選手李世石展開(kāi)人機圍棋大戰,最終以4∶1完勝世界冠軍。繼人工智能“深藍”在象棋比賽中戰勝人類(lèi)冠軍后,再次引起人工智能是否會(huì )威脅人類(lèi)的大討論。

但回顧“深藍”戰勝人類(lèi)的歷程,人類(lèi)或許不必擔心:人工智能雖然在諸多方面改變了我們的生活,但真正的挑戰不是如何擊敗它們,而是如何使其更好地為我所用。“深藍”經(jīng)過(guò)多年發(fā)展,已成為很多象棋選手學(xué)習和備賽的工具。

今年的人機圍棋大賽留給人們的思考也應如此。“阿爾法狗”不可怕,它只是在經(jīng)過(guò)程序員精心準備后的一次檢驗而已。未來(lái)這些智能程序會(huì )逐漸進(jìn)入圍棋培訓領(lǐng)域,幫助快速提高圍棋競賽水平,甚至人機組團參賽。

首次探測到引力波 開(kāi)啟天文學(xué)全新時(shí)代

2月11日凌晨,美國科學(xué)家宣布了物理學(xué)領(lǐng)域具有里程碑意義的重大成果:激光干涉引力波天文臺(LIGO)首次直接檢測到引力波。6月,LIGO再次捕捉到引力波信號,雖然比首次探測到的信號要弱,但置信度高達5西格瑪。

12月初,LIGO完成重新升級工作,經(jīng)過(guò)對其激光器、電子回路和光學(xué)設備的升級后,它的靈敏度和觀(guān)測時(shí)長(cháng)進(jìn)一步提高。未來(lái)必將探測到更多引力波,開(kāi)啟天文學(xué)的全新時(shí)代。

體外胚胎發(fā)育 首次超越一周存活13天

人類(lèi)胚胎發(fā)育研究出現里程碑式突破。5月初,美國洛克菲勒大學(xué)胚胎實(shí)驗室主任阿里?布萊文盧、英國劍橋大學(xué)生理學(xué)教授瑪格麗娜?澤尼卡-戈茨帶領(lǐng)的研究團隊分別在《自然》和《自然?細胞生物學(xué)》雜志上發(fā)表論文稱(chēng),他們將人類(lèi)胚胎在實(shí)驗室培育時(shí)間提升到10天和13天,突破了以前難以超越的7天局限。

之前科學(xué)家們曾認為,胚胎在第7天后只有進(jìn)入子宮并接受母體指令才能繼續發(fā)育。他們設計了一組特殊的氨基酸、激素和生長(cháng)因子混合物,使胚胎成功度過(guò)第7天,并開(kāi)始自我組織,形成身體內各個(gè)復雜器官組織極早期階段的結構。

新研究再次掀起倫理之爭:實(shí)驗室胚胎是否應該延長(cháng)“14天”禁令。在12月7日召開(kāi)的一次會(huì )議上,英國權威專(zhuān)家表示,現在延長(cháng)為時(shí)尚早,或要等5年之后時(shí)機才更成熟。

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