2018年12月科技前沿快报.pdf

目 录 深度 关注 美国先进制造业领导力战略提出未来优先关注技术方向 . 1 美国未来水资源科学优先研究方向与政策建议 . 5 基础前沿 欧洲量子旗舰计划启动首批项目资助 . 10 英国和新加坡将联合实施空间量子密码学项目 . 12 信息与制造 Gartner公司 公布 2019年十大战略技术趋势 . 14 美国 NSF资助 225项网络安全与隐私研究前沿新项目 . 16 英 国 启动第二轮繁荣伙伴关系合作研究项目 . 17 英 国 EPSRC资助催化中心开展新一轮研究 . 19 生物与医药农业 美国 NSF宣布 10个地球生物多样性研究新项目 . 20 能源与资源环境 科学 刊文评述钙钛矿 太阳能电池 商业化挑战 . 22 空间与海洋 美国 国家 科学院发布寻找宇宙生命的宇宙生物学战略 . 24 设施与综合 美国智库 CNAS发布 “ 超级战士 ” 报告之新兴技术 . 26 瑞典研究理事会公布 科研基础设施 需求清单 . 29 美国 NSF投资 2.2亿美元维护海洋观测站 . 31 美国先进制造业领导力战略提出未来优先关注技术方向 1 深度 关注 美国先进制造业领导力战略提出未来优先关注技术方向 2018 年 10 月 5 日，美国白宫发布了由国家科学技术委员会先进制造分委员会编写 的 美国先进制造业领导力战略，首次公开了特朗普政府确保未来美国占据先进制造业领导地位的战略规划 1。该报告提出了涉及 “ 技术、劳动力、供应链 ” 三大战略目标， 目的 是 扩大制造业就业，确保强大的国防工业基础 与 可控的弹性供应链。同时，采取有力行动打击不公平的全球贸易。报告还将目标分解到了诸多联邦部门，国防部几乎参与了全部行动。 在 “ 制造业劳动力的教育、培训及信息联网 ” 战略目标下， 报告 提出了吸引并培养未来劳动力、更新并扩大职业及技术教育途径、推广学徒制以及实现技术工人与所需行业相匹配等 4个方面未来 4年的行动目标；在 “ 提升美国国内制造业供应链能力 ” 战略目标下，提出了强化中小型制造商在先进制造业中的作用、鼓励制造业创新的生态系统、加强国防制造业基础以及加强农村社区先进制造业等 4 个方面的行动目标。以下重点介绍 “ 新型制造技术的开发与转移 ” 战略目标下，报告确定的5 项行动目标，以及各行动目标重点关注的优先技术方向。 一、赢得智能制造系统的未来 要在数字设计和制造方面处于领先地位，美国还需在数字制造环境中产品、工艺和物流信息的呈现、结构、传输、存储、标准化及保护等方面加强努力。技术优先方向 包括 4 项 。 1、智能与数字制造。 实现从设计到零部件生产的无缝集成，生产质量有保证的优质零部件。当前智能制造可靠性不足，需要通过改进复1 Strategy for American Leadership in Advanced Manufacturing. whitehouse.gov/wp-content/uploads/2018/10/Advanced-Manufacturing-Strategic-Plan-2018.pdf 科技 前沿快报 2 杂产品的高度集成设计和制造，使其能够在更短时间内以更低的成本实现，同时加快新产品推向市场的步伐。需要将大 数据分析和先进传感与控制技术应用于规模化制造活动，促进制造业的数字化转型。优先支持机器、工艺和系统的实时建模和仿真，以预测和改进产品性能及可靠性；通过对设计、生产和性能历史数据的挖掘，揭示产品和工艺技术隐含的专业知识。制定标准，实现智能制造组件和平台之间无缝集成。 2、先进工业机器人。 受益于下一代机器人技术的主要工业部门包括航空航天、汽车、电子、生物技术和纺织品等。促进新技术和标准的开发，以便在先进制造环境中更广泛地采用机器人技术，并促进安全和有效的人机交互。 3、人工智能基础设施。 云计算、数据分析和计算建 模与人工智能的融合将成为工业互联网的关键推动因素之一。制定人工智能新标准并明确最佳实践，在保护知识产权的前提下，在行业内和行业间实现制造业数据的一致性、可用性，同时保持数据安全性。 4、制造业网络安全。 随着智能制造的实施，美国制造业越来越易受到恶意行为和数据剽窃的攻击。制造系统及其集成控制系统是对现实世界有直接影响并通常无法按需更新的操作技术系统，因此通常不能通过简单地采用更新信息技术方法来保护。应制定标准、工具和测试平台，并普及在智能制造系统中实施网络安全的指南。 二、开发世界领先的材料和加工技术 先进材 料对于新产品的开发以及经济和国家安全至关重要，但从发现新材料到市场化可能需要 20 年或更长时间。通过用更快、更高效、更精确和更强大的技术取代现有技术，以增强材料性能提升整个产业部门的成本效益和竞争力。技术优先方向 包括 3 项 。 1、高性能材料。 轻质及现代金属、复合材料和其他先进材料的发美国先进制造业领导力战略提出未来优先关注技术方向 3 现与开发，能够显著提升国防、能源、运输和其他行业效能。许多美国高科技企业使用昂贵的材料和加工工艺，使其产品拥有最高端性能，而其他企业则是大批量、低成本生产的领导者，在降低生产成本方面具有丰富的经验。在高技术和大批量非竞争对手之间转移 专业知识，可以降低高性能产品的成本并提升低成本产品的性能，从而为整个行业带来显著优势。利用高性能计算预测材料行为的强大新方法将促进这种知识转移。促进材料基因组和系统级计算方法用于材料设计、优化和实施，显著减少高性能材料识别、开发、验证和规模化生产的设计时间与成本。 2、增材制造。 增材制造在制造行业的应用取决于能否可靠地设定加工参数，从而在不同机器和不同地点之间进行可靠、可重复的生产，这就需要机器 /工艺实现标准化，以及组成材料质量可靠。持续推进过程控制和过程监控，以确保增材制造技术成为可行的生产替代方案。开发 新方法来衡量和量化材料与加工技术之间的相互作用，以更好地理解材料 -工艺 -结构的关系。建立新标准，以支持增材制造数据的表征、呈现和评估，以确保零件质量和可重复性。未来应扩大研究工作，建立将计算技术用于增材制造的最佳实践。 3、关键材料。 包括关键矿物在内的关键材料是支撑美国能源、国防、制成品和整个经济的诸多先进技术中，最易遭受供应风险的重要环节之一。应推进经济高效的加工和分离技术降低生产成本，或者通过研究可能的材料替代品，减少对关键材料的依赖，并通过创新制造工艺开发回收关键元素的方法。 三、确保国内制造医疗产品 有研究指出，医疗器械制造商和制药行业每年在直接销售额和高薪工作方面，为美国经济的贡献超过 1 万亿美元，此外还有难以量化的改善公共卫生等方面的间接贡献。技术优先方向 包括 3 项 。 科技 前沿快报 4 1、低成本分布式制造。 传统小分子药物（如通用抗菌药物、疫苗）的制造已经外包到印度等亚洲地区，这将带来潜在的国家安全风险。应扩大国内药物生产能力，减少药物短缺的风险，并提供经济、小规模药物和生物制剂的生产。通过提供从实验室到诊所的更快生产途径，鼓励开发新的疗法和器械。 2、连续制造。 连续制造是特殊化学品和药物制造的新生产范式，可提高产品均一性、增加可持续性，并利用更小的占地面积、更高效率的生产基地实现生产更多种类药品和特殊化学品的灵活性。开发新方法，将当前 “ 以批次为中心 ” 的制药生产转变为无缝集成、连续单元操作的制造生产模式，以保持产品质量的一致性。 3、组织与器官的生物制造。 美国生物技术和生物制造技术的基础科学研究处于全球领先地位。为可重复和可扩展的组织制造开发流程和平台技术应该是主要关注点。制定标准、确定起始材料、自动化制造流程，以增强生物制造技术，并利用患者自己的细胞推进组织和器官 制造的愿景。 四、保持电子设计和制造的领导地位 对于几乎所有经济部门和国家安全许多关键系统来说，半导体技术的进步都至关重要。互补金属氧化物半导体（ CMOS）技术创新一直是增加晶体管密度指数同时降低每个晶体管功率的驱动力。技术优先方向包括两项 。 1、半导体设计工具与制造。 缺乏低成本先进半导体材料和工艺的集成电路的设计工具和制造代工厂，是半导体和微电子行业创新的一个重大障碍。应优先考虑能力投资，以确保在国内开发和制造新微电子产品。从原型设计阶段开始，研究灵活制造方法，推动新设备开发和新材料测试。创建模型，以更好 地利用设计工具和微电子代工厂。 美国未来水资源科学优先研究方向与政策建议 5 2、新材料、器件与架构。 优先支持半导体和电子产品研究，扩大投资范围至包括电路板制造技术在内。 五、扩大食品和农产品制造业的机遇 美国将开发相关技术，推动粮食生产，满足不断增长的人口需求，保护食品供应链，改善生物基产品制造。技术优先方向 包括 3 项 。 1、加工、测试和食品安全追溯。 推广智能制造和数字制造概念，并应用到食品制造，包括利用数字成像、自动化、高级检测和数字线程来改善供应链的完整性。 2、粮食安全和供应链。 建设高效、公平分配的强大供应链，支持国内粮食生产。实施下一代质量控制 系统，确保所有美国民众都能吃到营养安全的食品。 3、改善生物基产品的成本与功能性。 创新优先选项包括多产品生物精炼、纤维素纳米材料、高附加值林业产品、受保护农业和其他技术。其他制造优先事项对于食品和非食品应用同样重要，例如从植物育种的数学优化中提高种子产量、提高植物生产力和弹性、降低加工和转化成本、确保工人安全，以及提高整个供应链的效率等。开展植物育种、基因组学和生物基产品开发的联合研发。调整高通量自动化，以开发和筛选植物特性，如提高高附加值产品的产量、提高区域适宜环境中作物的恢复能力。 （万勇 黄健） 美国 未来水 资源科学优先研究方向与 政策建议 9 月 26 日 ，美国国家科学院 （ NAS）发布 美国 未来水资源科学优先研究 方向 的 研究报告 2，确定了美国在未来 25 年内水资源科学面临 的主要 挑战 ，以及 全球水资源 存在 的 问题和应对 的创新技术 ，并 提出2 Future Water Priorities for the Nation: Directions for the U.S. Geological Survey Water Mission Area. nap.edu/catalog/25134/future-water-priorities-for-the-nation-directions-for-the-us#toc 科技 前沿快报 6 了 政策建议 。 未来几十年，人口增长、气候变化 、 极端天气 以及 与水有关的基础设施老化 ， 威胁 着 水资源 质量 及其 利用 ，解决与水资源使用有关的问题至关重要。 鉴于此 ， 2017 年 8 月，美国地质调查局水务处（ USGS-WMA）委托 NAS 的水科学技术理事会组建美国国家未来水资源需求专家委员会，分析未来 25 年美国重要的水资源挑战，研究确定美国地质调局水资源领域面临的战略机遇。经过 一年多的 探讨 研究 ，国家未来水资源需求专家委员会发布了本研究报告， 为 USGS-WMA 以至 美国 水资源科学研究 和管理提供 战略性指导。 一 、未来 美国水 资源 科学 优先事项 报告确定了美国未来 25 年内水资源 科学面临 的挑战 及 优先发展事项。水资源优先 研究 方向 综合 了 已发表相关主题的成果和 USGS 当前的水资源科学研究，并 采纳来自美国联邦、州、地方、非政府和学术界 专家的意见，确定了 跨水资源科学所面临的诸多挑战。 1、 了解水在地球系统中的作用 。 水在大气、岩石圈和生物圈中的流动促进了物理、化学和生物过程。了解水循环响应机制，并反馈到全球变化的 趋势中 ，仍然是地球系统研究的关键挑战。 2、 量化水循 环。 有效管理水资源需要了解水的含量、状态和位置。由于水的存量、流量和停留在空间和时间上的变化使得水循环的量化非常困难， 这也是未来水科学研究的方向之一 。 3、 开发 集成建模 。 模型是集成和综合不同 观测数据 、理解复杂 的交互 作用 和测试假设 ，以及 重建过去和预测未来系统发展轨迹的重要工具。 4、 量化 社会水文系统的变化 。 了解人类活动如何影响水资源对管理美国和全球的水资源至关重要。 5、 确保 可靠和可持续的水供应 。 人类 社会依赖于清洁、可靠和可美国未来水资源科学优先研究方向与政策建议 7 负担得起的地表水和地下水，饮用、食品 、 能源生产、工业活动、健康的生态系统、娱乐活动和旅游 都离不开 水供应。 6、 了解 和预测与水有关的灾害 。 从经济和人类角度看，与水有关的灾害是 最严重 的自然灾害之一，而且由于人类活动和气候变化 可能导致 日益恶化。 二 、解决全球水资源科学问题 报告提出了 10 个总体的水资源科学问题，如果这些 问题 得到解决，将在未来对水资源科学的挑战做出最重要的贡献。对这组问题的进一步提炼，形成了五个更优先级别的问题。这些问题主要根据科学重要性、社会需求、与 USGS 任务的相关性以及与 USGS 合作伙伴的相关性等 标准提出 ：量化大气、地表水和地下水的质量和总量，以及它们在空间和时间上的变化；人类活动对水量和水质的影响；如何更有效和全面地进行水资源核算，以提供有关水资源供应和使用的数据？气候变化如何影响水质、水量、水资源利用的可靠性以及与水有关的灾害和极端事件？如何改善与水有关的长期风险管理？ 其他 5 个问题亦非常重 要，但可以通过更广泛的水资源研究加以解决：水循环在不久的将来对大气、岩石圈和生物圈的变化有哪些反应？水文反应如何反馈并加速或抑制大气、岩石圈和生物圈的变化？如何改善气候、水文、水质和相关社会系统的短期预测？制度、治理和制度 弹性 如何影响水量和水质？ 如何更好地理解与水有关的危害 和 人类健康之间的联系 ?在健康的社区和生态系统的 前提下 如何管理和维护水资源的竞争使用？ 三 、技术创新应对 水资源挑战 新兴技术将有助于推动水资源所面临 的 挑战。此后的 25 年，更广泛来源 的观测数据将 提供更高的时间和空间分辨率。新技术的广 泛采用科技 前沿快报 8 支持开发新系统，快速收集来自不同来源的数据，以 进一步 评估、 存储 、处理 和 共享 数据，发挥 数据的最大 作用 。 新的传感器将推进水资源的观测和分析水平，但在测量和监测水质方面存在技术挑战。微传感器仍然是研究和开发的重要方向之一。环境DNA（ eDNA）技术已经可以从单个水样中检测入侵物种， 这 将对环境健康和恢复力具有 重要意义 。 管理 “ 大数据 ” 和整合多源异构数据有助于水资源模型的开发，为跨学科模型集成和不确定性提供辅助决策。 四 、对美国 水资源研究与管理的 政策建议 根据上述水资源领域所面临的挑战和优先研究方向，报告提出以下建议 。 1、 加强数 据收集，开发基于 Web 的分析工具。 为了使国家能够应对未来的水资源挑战，应该使用创新技术加强水量、水质和用水监测，并建立数据库 和 开发 监测 平台 ；进一步将公共科学纳入 USGS 数据收集活动，以增强传统监测网络；研发更直观的基于 Web 的数据分析和可视化工具，以便更好地了解水资源的状况和趋势。 2、 与各 机构和相关组织协调数据对接。 USGS-WMA 作为提供水量、水质数据和信息的机构之一，应与其他机构和相关组织共同协调开发可访问的、开放编码的数据格式、协议、互动工具和软件。这种 数据共享模式 和 综合 多个观测点，更有利于监测水量和水质变化的趋势。 3、 增加 对人类活动与水资源关系的关注。 应优先调查人类活动与地表水和地下水变化之间的关系，通过综合观测，结合受气候和社会经济因素影响的自然 -人类系统模型研究与水有关的灾害。 4、 建立健 全的水资源核算系统。 应开展相关研究，了解如何最好和最有效地执行水资源核算，以及如何评估和呈现报告数据的不确定性。水资源核算应超出资源本 身的测量范围，同时 需 考虑水资源利用的生物