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(rèn)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(xiàn)，正在深刻影響未來(lái)國(guó)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(qiáng)國(guó)繼續(xù)高度重視國(guó)防前沿科技發(fā)展，制定戰(zhàn)略規(guī)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(shì)與發(fā)展后勁。

積極規(guī)劃發(fā)展方向。美國(guó)發(fā)布了《21世紀(jì)國(guó)家安全科技與創(chuàng)新戰(zhàn)略》、《聯(lián)合作戰(zhàn)環(huán)境2035》等戰(zhàn)略文件，預(yù)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(guó)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(zhàn)略計(jì)劃》;在“第三次抵消戰(zhàn)略”下，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)重點(diǎn)圍繞復(fù)雜系統(tǒng)、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(wèi)省發(fā)布了《防衛(wèi)技術(shù)戰(zhàn)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(guī)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(jì)劃。英國(guó)國(guó)防部宣布推出為期10年的創(chuàng)新計(jì)劃，研究前沿國(guó)防技術(shù)、應(yīng)對(duì)未來(lái)挑戰(zhàn)。

借眾智促前沿創(chuàng)新。美國(guó)在太空、網(wǎng)電、無(wú)人系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域舉辦了一系列挑戰(zhàn)賽、論壇、研討會(huì)等，充分挖掘企業(yè)、大學(xué)、個(gè)人等各類創(chuàng)新力量的潛力推進(jìn)前沿技術(shù)發(fā)展。2016年3月，美國(guó)“國(guó)防創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)小組”為陸軍舉辦賽博創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽;美國(guó)航空航天局(NASA)舉辦了“突破、創(chuàng)新和改變游戲規(guī)則”創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽決賽和首屆太空機(jī)器人挑戰(zhàn)賽;8月，美國(guó)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(kuò)大與工業(yè)界和學(xué)術(shù)界之間的協(xié)作。俄羅斯航天國(guó)家公司和先期研究基金會(huì)開展了系列競(jìng)賽選拔，挑選從事顛覆性技術(shù)研究的青年學(xué)者和專家，組建航天前沿技術(shù)青年實(shí)驗(yàn)室，以確保未來(lái)航天活動(dòng)中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

捕捉商業(yè)技術(shù)機(jī)遇。美國(guó)繼續(xù)推進(jìn)協(xié)同創(chuàng)新，引入商業(yè)企業(yè)等傳統(tǒng)國(guó)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(jī)遇。美國(guó)國(guó)防部長(zhǎng)卡特就任后已經(jīng)四次造訪硅谷，參加多次商業(yè)創(chuàng)新會(huì)議，顯示了對(duì)商業(yè)技術(shù)的重視程度。2015年7月、2016年7月和9月，美國(guó)國(guó)防部先后在硅谷、波士頓和奧斯汀設(shè)立“國(guó)防創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)”(DIUX)，以銜接軍方與企業(yè)，加速商業(yè)技術(shù)的國(guó)防轉(zhuǎn)化應(yīng)用。2016年3月，美國(guó)防部組建了由商業(yè)創(chuàng)新領(lǐng)袖組成的國(guó)防創(chuàng)新咨詢委員會(huì)，旨在將商業(yè)部門的創(chuàng)新人員和機(jī)構(gòu)融入國(guó)防領(lǐng)域。DARPA啟動(dòng)了“Improv”項(xiàng)目，重點(diǎn)識(shí)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(fù)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(guó)和德國(guó)科學(xué)家聯(lián)合開發(fā)了一種相變材料，這種材料更加節(jié)能、可永久儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，并且在執(zhí)行特定操作時(shí)速度比現(xiàn)有存儲(chǔ)器快1000倍。美國(guó)科研人員通過伸展和收縮改變開口環(huán)形諧振器的形狀與參數(shù)，調(diào)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(diào)諧選擇性的超材料，在隱身飛機(jī)、電磁屏蔽等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用前景。華盛頓州立大學(xué)開發(fā)出可在光和熱的作用下改變形狀，并實(shí)現(xiàn)自我折疊和展開，具有形狀記憶、光激活及自修復(fù)能力的多功能“智能”材料。多國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)氧化銦錫可以獲得高于其它材料數(shù)百倍以上的光學(xué)非線性，未來(lái)有望在多個(gè)光子學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域大顯身手，對(duì)光子通信意義重大。美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和北伊利諾伊大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)首次成功制造出一種名為“可擦寫磁荷冰”的新材料，能以前所未有的精確度控制局部磁場(chǎng)，有助于開發(fā)新的計(jì)算技術(shù)，研發(fā)更小、更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)。美國(guó)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(guó)休斯頓大學(xué)科學(xué)家利用界面組裝技術(shù)，誘導(dǎo)非超導(dǎo)材料產(chǎn)生超導(dǎo)性，并增強(qiáng)了超導(dǎo)材料的超導(dǎo)性能;加拿大科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)材料中的電子云可以對(duì)齊并按照某個(gè)方向有序排列，即呈現(xiàn)向列相，這一新發(fā)現(xiàn)有助于懸浮列車和超級(jí)計(jì)算機(jī)等技術(shù)的研發(fā)。美國(guó)麻省理工學(xué)院和NASA科學(xué)家開發(fā)出一種可變形的超輕符合材料機(jī)翼，重量是傳統(tǒng)機(jī)翼的十分之一。

排列在二維晶格中的納米磁體

石墨烯的應(yīng)用研究繼續(xù)取得新的進(jìn)展，其潛力和價(jià)值不斷展現(xiàn)。美國(guó)倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室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(jí)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(cè)提供了簡(jiǎn)單的解決方案。英國(guó)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發(fā)了一款可調(diào)諧太赫茲激光器，改變了現(xiàn)有太赫茲激光器只能固定一個(gè)波長(zhǎng)的限制。瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的研究人員開發(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(shù)，有助于開發(fā)出更小更節(jié)能的電子信息裝備。美國(guó)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(qiáng)度將產(chǎn)生顛覆性應(yīng)用效果;該大學(xué)科學(xué)家還基于雙層石墨烯開發(fā)出電子流態(tài)控制設(shè)備，可能開辟電子學(xué)新的發(fā)展方向。美國(guó)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(qiáng)大的計(jì)算機(jī)。

無(wú)人集群技術(shù)持續(xù)進(jìn)行演示驗(yàn)證，未來(lái)將形成以無(wú)人蜂群式攻擊為代表的新型作戰(zhàn)能力。在空中無(wú)人系統(tǒng)集群方面，美國(guó)空軍通過F-16戰(zhàn)斗機(jī)在指定空域進(jìn)行了快速布撒了大量微型無(wú)人機(jī)的試驗(yàn);6月，31架無(wú)人機(jī)在40秒內(nèi)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(jī)、無(wú)人機(jī)自主集群飛行，機(jī)間感知和精確編隊(duì)等技術(shù)驗(yàn)證;8月，完成50架“微風(fēng)”無(wú)人機(jī)同時(shí)自主飛行試驗(yàn)。在海上無(wú)人系統(tǒng)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(yuǎn)程艇”等項(xiàng)目取得了新進(jìn)展，將對(duì)未來(lái)海上區(qū)域監(jiān)視產(chǎn)生重大影響;美國(guó)海軍年內(nèi)對(duì)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(yàn)證。美喬治亞理工學(xué)院開發(fā)出新算法，可使多個(gè)機(jī)器人在彼此距離數(shù)厘米的范圍內(nèi)移動(dòng)且不會(huì)發(fā)生碰撞，以支持類似“蜂群”的無(wú)人系統(tǒng)自主協(xié)同作戰(zhàn)。

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(xiàn)有能力的存儲(chǔ)器、處理器等問世，將推動(dòng)信息技術(shù)的躍升。美國(guó)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(jì)算機(jī)電路的電子器件，將大大節(jié)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)線射頻通信能力提高一倍，在雷達(dá)、通信等領(lǐng)域應(yīng)用后將極大提升裝備效能。美國(guó)加州大學(xué)在DARPA資助下研制出全球首個(gè)芯片級(jí)光頻合成器，在光頻梳技術(shù)上取得重大突破，該技術(shù)應(yīng)用后可將現(xiàn)有授時(shí)精度提高3個(gè)數(shù)量級(jí)，將對(duì)定位導(dǎo)航、激光通信等領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。荷蘭的研究團(tuán)隊(duì)將存儲(chǔ)器密度提高到目前最好商業(yè)硬盤的500倍，這種存儲(chǔ)密度能把人類目前為止創(chuàng)作的所有書籍都寫到一張郵票上。美國(guó)洛馬公司成功研制出新型微流體散熱片，較傳統(tǒng)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(guó)麻省理工學(xué)院和快速電容公司合作開發(fā)出一種新型超級(jí)電容器，存儲(chǔ)能量和能量密度均達(dá)到現(xiàn)有水平的10倍。美國(guó)愛荷華州立大學(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(chǔ)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(guó)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)線通信和其它半導(dǎo)體電子器件領(lǐng)域的廣泛應(yīng)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，將開辟新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造途徑。軌道ATK公司成功試驗(yàn)了3D打印制造的高超聲速發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室;美國(guó)休斯實(shí)驗(yàn)室使用3D打印方法制造出超強(qiáng)陶瓷材料，不僅可擁有復(fù)雜的形狀，還能耐受超過1700攝氏度的高溫;美國(guó)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(jī)器人。在美國(guó)將3D打印機(jī)送入國(guó)際空間站后，俄羅斯研究人員也宣布制成了該國(guó)首臺(tái)太空3D打印機(jī)樣機(jī)，計(jì)劃在進(jìn)一步完善后，在2018年送入國(guó)際空間站進(jìn)行測(cè)試。美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(xiàn)了自組裝概念的重要突破，將改變電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造途徑。美國(guó)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(diào)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(xù)受到高度關(guān)注，多項(xiàng)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?nèi)剂霞夹g(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?xì)浠衔锶剂?。美?guó)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(shè)備，太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率可突破理論限制。美國(guó)斯坦福大學(xué)科學(xué)家設(shè)計(jì)出一種鈣鈦礦太陽(yáng)能電池驅(qū)動(dòng)的光解水復(fù)合體系，可使光解水制氫的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到6.2%，利用該方法后光到氫的能源轉(zhuǎn)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(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了小分子有機(jī)太陽(yáng)能電池效率近50%的增長(zhǎng)，麻省理工學(xué)院開發(fā)出一種超輕、超薄的柔性太陽(yáng)能電池。美國(guó)哈佛大學(xué)開發(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(zhuǎn)換成高能燃料，這種通過納米結(jié)構(gòu)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(guó)啟動(dòng)了最大的仿星器核聚變反應(yīng)設(shè)備并首次制造出氫等離子體，預(yù)計(jì)4年后可實(shí)現(xiàn)等離子體脈沖持續(xù)時(shí)間30分鐘，向?qū)崿F(xiàn)受控核聚變邁出重要一步。美國(guó)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(yīng)堆實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)造世界新紀(jì)錄，等離子體壓強(qiáng)首次超過兩個(gè)大氣壓。

仿生技術(shù)發(fā)展迅猛、軍事應(yīng)用前景廣闊，涌現(xiàn)出一批新型仿生機(jī)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)了類似蜜蜂的“機(jī)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(jī)器魚，可在藍(lán)光控制下像魚一樣游泳。波蘭、意大利和英國(guó)合作利用光電機(jī)械液晶彈性體單片電路研發(fā)出一款長(zhǎng)約15毫米的軟體機(jī)器人，可模仿毛蟲不同步態(tài)、爬坡、推動(dòng)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(wù)的能力。英國(guó)研究人員設(shè)計(jì)出一種模仿蝙蝠的新型薄膜可變機(jī)翼，利用這種機(jī)翼制作出的微型無(wú)人機(jī)可以飛得更遠(yuǎn)并節(jié)省更多燃料。美國(guó)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(xiàn)了復(fù)雜電子表面模仿人類皮膚，是仿生學(xué)發(fā)展的重大突破，將為新一代類皮膚可穿戴裝備奠定基礎(chǔ)。

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(tǒng)動(dòng)力的物理極限。 美國(guó)NASA公布了一種新型推進(jìn)系統(tǒng)“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(guó) NASA格倫研究中心測(cè)試了一種全新的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)——邊界層吸入推進(jìn)器，有望讓現(xiàn)有最先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)試驗(yàn)，該技術(shù)改變了傳統(tǒng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，使火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)試驗(yàn)

奠定新的技術(shù)基礎(chǔ)

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(shì)。2016年3月，美國(guó)谷歌公司運(yùn)用“深度學(xué)習(xí)算法”開發(fā)的“阿爾法圍棋”人工智能程序，在與世界圍棋冠軍的“人機(jī)大戰(zhàn)中”4：1取得勝利，標(biāo)志著人工智能技術(shù)發(fā)展取得新突破。美國(guó)科學(xué)家發(fā)明了一種被稱為結(jié)構(gòu)映射引擎的新模型，能使計(jì)算機(jī)類人分析和學(xué)習(xí)能力顯著增強(qiáng)。谷歌“深度思維”公司發(fā)表了一項(xiàng)人工智能重要成果，描述了一種集神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)優(yōu)點(diǎn)于一身的混合型學(xué)習(xí)機(jī)器，既能像神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)那樣學(xué)習(xí)，又能像計(jì)算機(jī)那樣處理復(fù)雜數(shù)據(jù)。微軟雷蒙德研究院開發(fā)出一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，使計(jì)算機(jī)對(duì)指定主題對(duì)話的語(yǔ)音識(shí)別率增至94.1%，首次與人類水平相當(dāng)。

腦和認(rèn)知方面，腦圖譜繪制、認(rèn)知計(jì)算、腦控等技術(shù)取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，為人類認(rèn)知能力的增強(qiáng)，以及腦科學(xué)的軍事應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。美國(guó)艾倫腦科學(xué)研究院繪出了迄今最完整的數(shù)字版人腦結(jié)構(gòu)圖譜，也是迄今最清晰腦部微觀解剖學(xué)結(jié)構(gòu)圖譜，將成為大腦研究人員的最新指南和“導(dǎo)航圖”，標(biāo)志著在理解人腦方面的巨大飛躍;美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校繪制出人類大腦中語(yǔ)義信息功能呈現(xiàn)的圖譜，可揭示語(yǔ)言的神經(jīng)生物學(xué)機(jī)理;美國(guó)華盛頓大學(xué)的研究小組繪制出迄今最全面、最精確的人類大腦圖譜，其中97個(gè)人類大腦皮層區(qū)域?qū)儆谑状喂?。美?guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院的研究項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種新的神經(jīng)成像技術(shù)，可看到人腦中基因開關(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(cè)試了一種通過血管進(jìn)入腦部，記錄神經(jīng)活動(dòng)的微型傳感器。 美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和IBM公司聯(lián)合公布了以“真北”仿腦處理器芯片為基礎(chǔ)的具有認(rèn)知能力的深度學(xué)習(xí)超級(jí)計(jì)算機(jī)，標(biāo)志著人類進(jìn)入認(rèn)知計(jì)算的新時(shí)代，深度學(xué)習(xí)超級(jí)計(jì)算機(jī)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)安全、核武器模擬等具有重大意義。韓國(guó)科學(xué)家在一塊10厘米的晶圓上，構(gòu)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腦計(jì)算機(jī)成為現(xiàn)實(shí)。美國(guó)科學(xué)家研制出了一種新型“擴(kuò)散式憶阻器”，能逼真地模擬人腦突觸內(nèi)鈣離子的行為，新設(shè)備有助于開發(fā)類腦(神經(jīng)形態(tài))計(jì)算機(jī)。美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)試驗(yàn)了腦控多架無(wú)人機(jī)的技術(shù)，已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)單人對(duì)4架無(wú)人機(jī)的控制。美國(guó)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(jié)點(diǎn)擁有神經(jīng)元一樣的響應(yīng)特征，實(shí)驗(yàn)中其能以超快速度計(jì)算——比現(xiàn)有運(yùn)算速度快3個(gè)數(shù)量級(jí)，該芯片有望開啟全新的光子計(jì)算產(chǎn)業(yè)。美國(guó)明尼蘇達(dá)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(jī)接口技術(shù)通過意念控制機(jī)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(shù)量、光量子電路、量子位穩(wěn)定性等方面有了里程碑式進(jìn)展，讓人們看到了光計(jì)算、量子計(jì)算與量子通信的曙光。美國(guó)多所大學(xué)組成的研究團(tuán)隊(duì)提出了可以產(chǎn)生由數(shù)千個(gè)糾纏的原子形成的量子網(wǎng)絡(luò)。英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的研究人員通過將光和單個(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，以及在可見尺度上研究量子物理現(xiàn)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(xiàn)有計(jì)算機(jī)中的硅和砷化鎵芯片，標(biāo)志著光計(jì)算機(jī)技術(shù)向前邁出重要一步。美國(guó)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(zhǎng)提高了1000多倍，向最終研制出可靠的量子計(jì)算機(jī)邁出了重要一步。澳大利亞和日本科學(xué)家聯(lián)合開發(fā)出一種新的量子位，其量子疊加態(tài)穩(wěn)定性比此前提高了10倍，有助于開發(fā)更可靠的硅基量子計(jì)算機(jī)。美國(guó)馬里蘭大學(xué)科學(xué)家制造了一臺(tái)由五比特的量子比特組成的新型計(jì)算機(jī)，它能執(zhí)行一系列不同的量子算法。德國(guó)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(jié)構(gòu)集成到芯片上，這一最新成果將幫助光量子計(jì)算機(jī)早日用于數(shù)據(jù)加密、大數(shù)據(jù)超快計(jì)算及高度復(fù)雜系統(tǒng)量子模擬等。歐洲科學(xué)家將一臺(tái)激光器內(nèi)的光子“播種”進(jìn)另一臺(tái)激光器內(nèi)，成為研制實(shí)用量子加密系統(tǒng)的里程碑進(jìn)展。美國(guó)哈佛大學(xué)科學(xué)家成功實(shí)現(xiàn)在超導(dǎo)材料內(nèi)傳輸電子自旋信息，從而克服了量子計(jì)算的一個(gè)主要挑戰(zhàn)，這種三明治結(jié)構(gòu)獨(dú)特的超導(dǎo)性能也將帶來(lái)全新的量子材料，為構(gòu)建量子傳導(dǎo)裝置奠定基礎(chǔ)。美、俄等國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)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(dá)到0.5太瓦，有望推動(dòng)激光領(lǐng)域變革。美國(guó)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(tǒng)激光的10倍以上。

量子疊加態(tài)穩(wěn)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?jié)摿Γ⒓{感知、傳輸、集成等發(fā)展十分迅猛，微系統(tǒng)的研制與應(yīng)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(xiàng)目，旨在開發(fā)相關(guān)技術(shù)和工藝將接近原子尺寸的納米級(jí)碎片組裝成至少毫米級(jí)尺寸的系統(tǒng)、部件或材料，并保留其在納米尺寸時(shí)具備的特性;在該項(xiàng)目下，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室采用創(chuàng)新型3D打印工藝在厘米級(jí)尺度制備出具有納米級(jí)特性的多層金屬超材料。DARPA微系統(tǒng)辦公室正在開展相關(guān)項(xiàng)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(shù)。意大利、德國(guó)和西班牙的科學(xué)家合作，設(shè)計(jì)出一種由微粒子推動(dòng)的新型微齒輪，微粒子以周圍過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(jī)器開辟了新途徑。 英國(guó)劍橋大學(xué)科學(xué)家研制出采用光驅(qū)動(dòng)的全球最小納米發(fā)動(dòng)機(jī)“螞蟻”，大小只有十億分之幾米，其有望成為未來(lái)納米機(jī)器的零件。DARPA和NASA聯(lián)合開展了輕型光學(xué)系統(tǒng)，將利用微系統(tǒng)技術(shù)在硅材料上通過極精確的激光燒錄成上千個(gè)望遠(yuǎn)鏡陣列，該領(lǐng)域的突破可將傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡的尺寸、質(zhì)量和功耗降至百分之一。美國(guó)能源部橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)復(fù)合氧化物單晶材料被局限在微觀納米尺度時(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(jì)算體系結(jié)構(gòu)。美國(guó)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，其有助開發(fā)出較硅基芯片更小、更快、更節(jié)能的光子芯片。美國(guó)工程師制作出首個(gè)無(wú)需半導(dǎo)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(dǎo)率可增加10倍，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)為研制速度更快、功率更強(qiáng)的無(wú)半導(dǎo)體微電子設(shè)備及更高效的太陽(yáng)能板鋪平了道路。

復(fù)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(bào)與信息研究所，吳勤 主任)

Science評(píng)2016年十大科技突破!

1.首次直接探測(cè)到引力波

Science將“發(fā)現(xiàn)引力波”評(píng)為2016年最重要科技突破。引力波的發(fā)現(xiàn)應(yīng)驗(yàn)了100年前愛因斯坦的預(yù)測(cè)，并為人類探索宇宙的引力波天文學(xué)開辟了新的道路。

引力波是愛因斯坦在廣義相對(duì)論中預(yù)言的一種以光速傳播的時(shí)空波動(dòng)，被稱為“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(qiáng)大的引力波。

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

2.發(fā)現(xiàn)相鄰的系外行星

開辟人類探索太陽(yáng)系之外的世界的新道路!

3.人工智能打敗頂級(jí)圍棋選手

經(jīng)過五輪拼殺，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(jī)器深度學(xué)習(xí)的強(qiáng)大，昭示人工智能時(shí)代的來(lái)臨。

4.殺死衰老細(xì)胞可保持年輕

小白鼠已證明有效!

5.發(fā)現(xiàn)大猩猩也有讀心術(shù)

人類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(shè)計(jì)蛋白質(zhì)

通過計(jì)算生物學(xué)解析氨基酸的三維組裝機(jī)制，指導(dǎo)蛋白質(zhì)仿生設(shè)計(jì)，獲得一系列全新的蛋白結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)新功能。

7.實(shí)驗(yàn)室培育卵細(xì)胞

首次實(shí)現(xiàn)在體外以多能干細(xì)胞為材料培育成熟卵細(xì)胞!

8.發(fā)現(xiàn)非洲外居住的人類來(lái)源于同一批移民

基因分析證明，非洲之外人類的祖先來(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(xiàn)便攜式基因測(cè)序

基于納米孔的便攜式檢測(cè)技術(shù)，可在野外使用，24h內(nèi)生成測(cè)序信息，有效控制類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(duì)目前大多數(shù)光學(xué)設(shè)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(xiàn)、發(fā)展和趨勢(shì)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(duì)這一問題的投票,刊登出讀者所選的5項(xiàng)“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(quán)威發(fā)布進(jìn)行對(duì)比,來(lái)一場(chǎng)智慧較量。

老細(xì)胞清除術(shù) 讓小鼠煥發(fā)新活力

美國(guó)梅奧診所研究人員簡(jiǎn)?萬(wàn)?德爾森團(tuán)隊(duì)通過小鼠實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),衰老細(xì)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(xì)胞會(huì)在體內(nèi)長(zhǎng)期“逗留”,一旦繼續(xù)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”,向周圍釋放酶和其他分子,影響其他正常細(xì)胞。

德爾森團(tuán)隊(duì)首次通過藥物清除轉(zhuǎn)基因小鼠體內(nèi)大部分衰老細(xì)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(cè)量主動(dòng)脈內(nèi)脂肪累積量后發(fā)現(xiàn),存留衰老細(xì)胞對(duì)照組的小鼠動(dòng)脈病變斑塊內(nèi)含有大量衰老細(xì)胞。

如何針對(duì)性清理衰老細(xì)胞,是他們下一步要解決的問題。德爾森參與創(chuàng)建的公司宣布,將于明年初針對(duì)其中一種能靶向衰老細(xì)胞的化合物,在一類關(guān)節(jié)炎患者中開展臨床試驗(yàn)。

納米孔測(cè)序儀 被訴訟、再升級(jí)、上太空

因開發(fā)出快速、便攜式基因測(cè)序平臺(tái),牛津納米孔技術(shù)公司已成為英國(guó)最具價(jià)值的科技公司,2016年雖歷經(jīng)基因測(cè)序壟斷巨頭Illumina的專利訴訟,仍然實(shí)現(xiàn)飛躍式發(fā)展?；驕y(cè)序平臺(tái)不斷升級(jí)后精確度提高,更隨著美國(guó)宇航員登上國(guó)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(yàn)。

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

為回避占據(jù)基因測(cè)序90%市場(chǎng)的Illumina公司的專利訴訟,MinION的核心部件——微通道R7被公司升級(jí)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(guó)際空間站,宇航員用它在太空對(duì)老鼠、病毒和細(xì)菌的DNA樣本進(jìn)行了測(cè)序,結(jié)果與地球同時(shí)進(jìn)行的測(cè)序“完美匹配”,預(yù)示著納米孔測(cè)序儀必將占領(lǐng)基因測(cè)序的“制高點(diǎn)”。

人機(jī)圍棋大戰(zhàn) 贏了比賽也是工具

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人機(jī)圍棋大戰(zhàn),最終以4∶1完勝世界冠軍。繼人工智能“深藍(lán)”在象棋比賽中戰(zhàn)勝人類冠軍后,再次引起人工智能是否會(huì)威脅人類的大討論。

但回顧“深藍(lán)”戰(zhàn)勝人類的歷程,人類或許不必?fù)?dān)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(zhàn)不是如何擊敗它們,而是如何使其更好地為我所用。“深藍(lán)”經(jīng)過多年發(fā)展,已成為很多象棋選手學(xué)習(xí)和備賽的工具。

今年的人機(jī)圍棋大賽留給人們的思考也應(yīng)如此。“阿爾法狗”不可怕,它只是在經(jīng)過程序員精心準(zhǔn)備后的一次檢驗(yàn)而已。未來(lái)這些智能程序會(huì)逐漸進(jìn)入圍棋培訓(xùn)領(lǐng)域,幫助快速提高圍棋競(jìng)賽水平,甚至人機(jī)組團(tuán)參賽。

首次探測(cè)到引力波 開啟天文學(xué)全新時(shí)代

2月11日凌晨,美國(guó)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(tái)(LIGO)首次直接檢測(cè)到引力波。6月,LIGO再次捕捉到引力波信號(hào),雖然比首次探測(cè)到的信號(hào)要弱,但置信度高達(dá)5西格瑪。

12月初,LIGO完成重新升級(jí)工作,經(jīng)過對(duì)其激光器、電子回路和光學(xué)設(shè)備的升級(jí)后,它的靈敏度和觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)一步提高。未來(lái)必將探測(cè)到更多引力波,開啟天文學(xué)的全新時(shí)代。

體外胚胎發(fā)育 首次超越一周存活13天

人類胚胎發(fā)育研究出現(xiàn)里程碑式突破。5月初,美國(guó)洛克菲勒大學(xué)胚胎實(shí)驗(yàn)室主任阿里?布萊文盧、英國(guó)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(tuán)隊(duì)分別在《自然》和《自然?細(xì)胞生物學(xué)》雜志上發(fā)表論文稱,他們將人類胚胎在實(shí)驗(yàn)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?cè)J(rèn)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(xù)發(fā)育。他們?cè)O(shè)計(jì)了一組特殊的氨基酸、激素和生長(zhǎng)因子混合物,使胚胎成功度過第7天,并開始自我組織,形成身體內(nèi)各個(gè)復(fù)雜器官組織極早期階段的結(jié)構(gòu)。

新研究再次掀起倫理之爭(zhēng):實(shí)驗(yàn)室胚胎是否應(yīng)該延長(zhǎng)“14天”禁令。在12月7日召開的一次會(huì)議上,英國(guó)權(quán)威專家表示,現(xiàn)在延長(zhǎng)為時(shí)尚早,或要等5年之后時(shí)機(jī)才更成熟。

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