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提出问题是取得科技突破的关键一步——解读2020重大科学问题和工程技术难题

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  原标题:提出问题是取得科技突破的关键一步——解读2020重大科学问题和工程技术难题

  光明日报记者 詹媛

  “提出重大科学问题工程技术难题并判别其优先顺序,是科学发现和技术创新的出发点和动力源,是解决问题、难题,取得科技突破的关键一步。”在8月15日举办的中国科学技术协会年会闭幕式上,中国科协发布了2020“重大科学问题和工程技术难题”。作为一项有1.88万名院士、专家、一线科技工作者参与评选的活动,今年的这些问题和难题具有哪些特点,连续三年的发布产生了哪些科研和社会影响,未来会如何解决这些问题和难题,中国科协学会学术部部长刘兴平就此进行了解读。

  与国家乃至人类发展密切相关

  记者:重大科学问题和重大工程难题已经连续发布了三年,与往年相比,今年有哪些特点?

  刘兴平:此次的重大科学问题与工程技术难题征集的覆盖面比往年更广,共有96家全国学会、3家学会联合体和4家企业科协参与,覆盖面超过了2018年的69家和2019年81家全国学会。同时,也初步建立了国际合作机制。中国航空学会,中国创造学会联合体,中国岩石力学与工程学会等全国学会,联合了世界自然基金会,荷兰宇航院,国际地质灾害与减灾学会,国际岩石学会,国际岩石力学与岩石工程学会等国际组织和国家组织,共同提交了若干个问题和难题。

  为了保证问题和难题提交的质量,今年在征集阶段首次邀请院士提出问题,发动科技界共同参与,今年的网络初评阶段共有18864名科技工作者参与投票,其中含432名境外科技工作者,实名投票数50346票,比往年有大幅提高。

  值得注意的是,今年入选的前沿科学问题——“冠状病毒跨种传播的生态学机制是什么”在初选之际就颇受科技工作者关注。该问题最终入选,说明这些问题难题同样也是社会发展中迫切需要解决的实际问题。科技工作者的关注点,也同样与社会发展密切相关,与国家乃至人类发展密切相关。这也体现了此项活动具有重要的现实意义。

  研判前沿趋势,优化爱科学的环境

  记者:自中国科协发布重大科学问题和重大工程难题以来,产生了哪些科研和社会影响?

  刘兴平:2020重大科学问题与工程技术难题发布活动征集到103家全国学会提交的490个问题难题,1.88万名院士、专家、一线科技工作者参与。

  中国科协一直坚持尊重科学家对科学前沿的敏感性和探索精神,重视发挥跨界学术交流孕育创新的积极作用,团结引导科技工作者科学研判前沿趋势、识别重大问题。我们每年的发布活动引起了广大科技工作者的关注,形成了广泛影响力,也让广大科技工作者更好地把握世界科技前沿和发展趋势,引导他们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。

  此外,为加强科技前沿进展与未来趋势研判,建言国家中长期科技发展规划,今年中国科协还组织召开基础科学重大问题高层次研讨会,组织中国数学会、中国物理学会、中国化学会、中国细胞生物学学会等11家与基础研究相关的全国学会凝练基础科学重大问题、推动科技体制机制创新、培养领军人才等主题深入研讨,形成若干战略共识。这项工作也受到教育、科技等多个相关主管部门的关注,他们了解重大科学问题与工程技术难题的详情,希望这项活动能够为科技规划和中长期战略规划做参考。

  这项发布活动还形成了学术、智库、科普相融互促的良好局面。今年参与评选和关注的人数比往年增加了160%,国内有50多所高校在微博、公众号发布投票和交流信息,公众参与十分广泛。中国科协也以发布重大难题为契机,不断激发青少年科学兴趣、优化爱科学的环境,推动高端科研资源科普化工作,促进公众理解和支持科学,营造讲科学、爱科学、用科学的环境。

  将不断推动攻克科研问题难题

  记者:在怎么攻克这些问题和难题方面,未来还会开展哪些工作?

  刘兴平:提出重大科学问题工程技术难题并判别其优先序,是科学发现和技术创新的出发点和动力源,是解决问题难题的关键一步。

  自2018年中国科协发布重大科学问题和工程技术难题以来,中国科协通过组织学术交流、专题研讨会等形式,不断推动攻克这些问题难题。中国科协正在完善重大问题凝练与持续性智库机制建设。同时在国内重大问题研讨基础上,探索与国际科学共同体开放协同、与国际科技组织交流合作的机制,以此助推中国科学家深度参与全球科技治理。

  中国科协还以“科创中国”建设为切入点,打造“三库一平台”(问题库、项目库、人才库和技术服务与交易平台),推动产学研协同网络与组织创新,推动科技经济深度融合、相互促进。

  今年中国科协组织出版了《面向未来的科技——2020重大科学问题和工程技术难题解读》图书,以解读问题和难题的形成背景、国际发展趋势,分析可能的解决方案,和预测未来的发展前景为主要内容。这本图书可以让广大科技工作者更好地把握世界科技前沿和发展趋势,激发青少年科学兴趣,促进公众理解科学,提升公民科学素质,培育更多科技创新人才,为创新营造良好环境。

  我们知道,攻克这些重大科学问题和工程技术难题绝非一日之功。中国科协将继续发挥组织优势,团结引领更多科技工作者面向世界前沿、把握国家战略需求,锚定目标不放松,久久为功解决重大科学问题。

  链接

  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?

  目前新冠肺炎在全球肆虐。病毒学家曾多次警示冠状病毒跨物种传播是大概率事件。蝙蝠等野生动物携带冠状病毒的本底情况以及野生动物如何突破生态和生理屏障发生跨种传播和感染,在科学层面都尚不清晰。该问题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?

  自2015年首次直接探测到引力波以来,引力波已迅速成为国际上基础物理与天体物理前沿研究的热点,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。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,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。

  ●问题3:地球物质是如何演化与循环的?

  地球物质主要分为岩石和矿物。人们对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模糊不清。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,从矿物演化的角度来厘清行星地球及其多圈层演化规律和耦合关系,并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?

  2000年,美国能源部倡议发起的第四代核能系统国际论坛把核能的发展分为四代。目前对于第五代核能系统的研究仍处于探索交流阶段,暂无成熟的概念界定和目标定义,对其实现路径更是少有谈及。如能推动第五代核能系统概念的落地和最终实现,其可以革新核能开发观念,革新核能开发模式,革新核能应用观念,支撑能源系统的深度脱碳;引领世界核能创新,助推中国成为世界核能创新高地。

  ●问题5:特种能场辅助制造的科学原理是什么?

  随着航空航天、交通运输等领域对轻量化和安全性的持续需求,包括超高强度钢、轻合金、复合材料和金属间化合物等高强材料应用于复杂构件。随着材料强度的提高,制造难度显著提高,成形缺陷更难控制。现有的研究表明,特种能场辅助成形技术在改善高强难变形材料制造难题方面具有巨大潜力。

  ●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,道路交通运输系统面临演进换代的挑战。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。

  ●问题7:调节人体免疫功能的中医药机制是什么?

  虽然免疫学的基础研究取得了令人瞩目的成就,医学也在突飞猛进地发展,但在许多疑难重症的防治方面仍显得不足。系统性红斑狼疮、类风湿关节炎、强直性脊柱炎等自身免疫性疾病仍然困扰着患者。这些重大、疑难疾病的发生、发展和转归均与免疫密切相关。中医药能够多层次、多靶点、多途径作用于机体,调节机体免疫功能,在疾病预防和治疗中有重要的应用价值。

  ●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。然而,由于无融合生殖发生机制的复杂性,尽管经过了多国科学家近一个世纪的努力,其形成机制依然不清楚,也未能将其成功应用于作物育种中。

  ●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?

  当前,我国生态文明建设进入加速期和关键期,对水资源集约利用和严格保护提出了更高要求。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?

  虚拟孪生是在数字孪生的基础上,利用传感器、物联网、虚拟现实、人工智能等数字技术对真实世界中物理实体和智能实体对象的特征、行为、形成过程和性能等进行描述和建模的过程和方法,也称为虚拟孪生技术。它以数字孪生为基础,但更侧重于对智能实体或生命体的建模和仿真。如何实现制造物理世界与信息世界的交互与共融,是当前国内外实践智能制造理念和目标所共同面临的核心瓶颈之一。

  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?

  免疫细胞技术是人类彻底治愈肿瘤的希望,是全球前沿医学和资本追捧的热点领域之一。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,抵抗病原体的入侵以及促进肿瘤细胞的清除,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,服务更多癌症患者,具有明显的经济效益和社会效益。

  ●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?

  水平起降组合动力运载器具有快速、廉价、可靠的特点,可成为低成本天地往返运输工具。水平起降组合动力运载器一体化设计技术是支撑未来航天运输系统发展与应用的核心技术之一,是未来先进航天运输系统的重要支撑技术之一。

  ●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?

  农业有害生物入侵不仅仅是简单的植物病虫害或动物疫情问题,入侵生物的发生流行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。开展此项研究,对确保关键基础设施电磁安全、保护经济建设成果、提升关键基础设施容灾抗毁能力具有重要意义。

  ●问题5:硅光技术能否促成光电子和微电子的融合?

  信息光电子芯片已然成为“数字化新基建”的核心和基石,也是全球信息通信价值链的关键领域和网络强国建设的“国之重器”。硅基光电子芯片技术既可应用于芯片级光互连,又适用于长距离光纤通信,可实现全功能光电子集成,具有极高的通用性和兼容性,是微电子和光电子两大产业公认的发展方向。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?

  集成电路领域目前是国际科技竞争的主战场和大国博弈焦点。对于集成电路缺陷检测技术及设备,一方面现有最先进技术设备被少数几个发达国家垄断;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,设备缺口仍然巨大,谁率先掌握了相应关键技术,谁就掌握了未来主导权,这对我国来说既是机遇又是挑战。

  ●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。为提高无人车的紧急救援、联合作业等能力,要求其导航系统具备高精度定位、自主避障、智能路径规划及导引等功能。因此,需要研究具有高精度、全自主的导航方式以及需要解决面向无人车的惯性基智能导航问题。

  ●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?

  发展高效低成本的可再生能源和氢能技术是对国家重大需求的及时响应,也是全球减少碳排放和减缓气候变化的优质解决方案。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。

  ●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?

  青藏高原地层岩性复杂多变,新构造运动剧烈,深大活动断裂广布,冰川、冻土与山地灾害群(链)发育,具有“显著的地形高差”“强烈的板块活动”“频发的山地灾害”“敏感的冻土环境”四大地质环境特征,以及“高频冻融循环”“剧烈干湿交替”“极端高寒缺氧”三大气候环境特征,由此带来的系列工程技术难题是制约西藏高速交通发展的关键技术因素。

  ●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。光刻技术的核心在于光刻机、光刻工艺和光刻胶三个方面。尽管取得了一定的进展,但跟世界发达国家水平相比,我国光刻技术和产业的发展水平仍较落后,差距仍然很大,“受制于人”的困境依然存在。

  (光明日报记者 詹媛整理)

  《光明日报》( 2020年08月16日 04版)(詹媛整理)

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