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科技政策

既定战略不断推进,新的战略陆续出台,新兴技术领域政策走向引人瞩目。

2016年,美国在继续推进脑计划、精准医疗、智慧城市和美国制造等重大科技战略计划的同时,奥巴马总统在任期最后一年又陆续推出几项重大科技战略,以确保美国头号科技强国地位。

2016年1月,奥巴马宣布发起一项寻找癌症治愈疗法的“登月计划”。10月,相关战略性报告正式提出5大战略目标和大量政策建议,并呼吁国内外数据共享,以完成“5年内加快抗癌进展”的目标;美政府在3月份推出一项名为“全民联网”的宽带网普及计划,目标是到2020年为2000万低收入美国人提供高速互联网服务,最主要内容是将宽带互联网纳入“生命线”项目中;5月,奥巴马宣布启动“国家微生物组计划”,支持跨学科研究,开发检测、分析微生物组的工具,培训人才,以推进对微生物世界的认知。这一计划被认为是微生物组学的一个里程碑。

除上述战略性科研计划外,2016年,美政府在几个新兴技术领域的政策走向也十分抢眼。

联邦航空管理局年中公布了美国第一个针对小型商用无人机的管理规定,旨在确保公共安全的同时,促进在无人机领域的科研创新;7月,联邦通讯委员会一致同意,向移动和固定无线宽带服务提供商开放近10.85兆赫兹(GHz)的频谱资源,美国因此成为世界上第一个为5G应用确定并开放大量高频频谱的国家;9月,美政府推出《联邦自动驾驶汽车政策指南》,为美国自动驾驶汽车的发展指明了方向;10月,白宫推出美政府第一份关于人工智能的正式报告及配套文件,明确了政府发展人工智能的决心。上述政策充分表明了美抢占科技产业制高点,推动经济发展的意愿。

基础研究

引力波探测取得里程碑式成果;多个“首次”发现令人兴奋;量子、超导等领域研究有建树。

2016年2月11日,美国科学家宣布,利用激光干涉引力波天文台(LIGO)首次探测到引力波,这一发现是物理学界里程碑式的重大成果,也是2016年基础科学研究中最令人兴奋的成就之一。

除引力波外,美国科学家在2016年做出了许多“首次”天文发现:首次在距太阳系最近恒星系发现类地行星——比邻星b;首次探测到恒星爆炸激波;首次直接观察到地磁重连;首次在太阳系内发现无尾彗星;首次在太阳系外发现手性分子;首次直接观测到黑洞冷吸积现象……此外,他们还描绘出首份银河系“年龄图”;计算出可观测宇宙半径为453.4亿光年;在星团R136中发现了超大质量恒星群;确认了1284颗行星的存在。

宏大的天文研究突破连连,在对细微物质世界的研究中美国科学家也有诸多“首次”:首次发现由底、奇、上、下四味不同夸克构成的四夸克粒子;首次在准二维材料α-氯化钌内观察到一种新量子物态——量子自旋液体;首次发现运动的粒子能够远距离交互;首次揭示水存在量子隧穿状态;首次用激光拍摄出含4个原子的分子在9飞秒内的化学反应动态过程;首次观测到蝴蝶型里德堡分子;首次让串联式混合磁体的磁场强度达到最大峰值36特斯拉,创造了核磁共振领域的最新世界纪录。

在其他基础研究领域,美国科学家也取得了显著成果。如在量子研究领域,他们使用一种量子反馈技术将量子叠加的时长提高了1000多倍;设计出一种“量子超材料”,能以光子形式释放能量传递信息;克服量子计算一大主要挑战,在超导材料内成功实现传输电子自旋信息。在超导研究方面,提出电子对密度论,称铜氧化物的超导临界温度是由电子对密度决定,对标准超导理论提出挑战;利用界面组装技术成功诱导非超导材料钙铁砷复合物界面表现出超导性,提供了发现高温超导体的全新方法等。

先进制造

继续推进国家制造业创新网络计划,3D打印技术研发成果频现,纳米制造等先进制造工艺研发取得新突破。

2016年,美国政府继续推进在先进制造领域的重要战略—国家制造业创新网络计划(NNMI),继4月宣布成立该项目第八个创新中心—革命性纤维和纺织品制造创新研究所后,奥巴马于6月宣布成立NNMI项目第九个创新中心—智能制造创新研究所。9月,NNMI正式更名为“制造美国”,意味着美国制造业创新战略进入一个新阶段。

在技术研发方面,3D打印作为先进制造技术的代表,成为美研发重点。2016年,美国科学家开发出可使超强3D打印陶瓷耐1700摄氏度高温的新技术,研制出能打印有一定机械强度的人体组织的生物打印机。美国企业在3D技术产业化方面亦有所建树,美铝公司3D打印的飞机零部件进入市场,通用电气公司3D打印制造的涡轮机关键零件也通过了测试。

在先进制造工艺方面,美国科学家还取得了许多成就。他们研发出制作纳米线材和纳米激光器的新方法,借助一种简单的化学浸渍溶剂工艺,让材料“自我组合”成纳米晶体、板材和线材;开发出制造耐氢合金的新工艺,通过掺入铬、铌来强化锆合金的抗氢蚀能力。

信息技术

量子技术取得重大进展,离普通人更进一步;全新芯片制造技术有望催生更强大的计算机。

在量子计算机方面,IBM推出了一项新的在线服务,允许所有人使用其5个量子比特的量子计算机,使量子计算机离普通人更近了一步;麻省理工学院的科学家用量子的反馈控制来保护量子叠加,将量子叠加的时长提高了1000多倍,向最终研制出可靠的量子计算机迈出了重要一步;哈佛大学科学家成功实现在超导材料内传输电子自旋信息,克服了量子计算的一大挑战;谷歌将测试能抵抗量子计算机破解的加密算法。

在超级计算机方面,美国推出新超级计算机可预测极端天气影响。

在芯片和晶体管方面,麻省理工学院开发了一种全新的芯片制造技术,可将不同材料集成于单一芯片层,用于研制功能更强大的计算机;杨百翰大学研究团队的DNA“折纸术”有望实现更快、更便宜的计算机芯片。

在晶体管方面威斯康星大学麦迪逊分校的科研团队,研制出处理速度超快的柔性硅基晶体管,能无线传输数据和能量,有望用在可穿戴电子设备和传感器等诸多领域;该校材料学家研制的碳纳米晶体管性能首次超越硅晶体管。

此外,美国研究小组利用碳纳米管和二硫化钼,成功研制出目前世界最小晶体管,其栅极长度仅一纳米。

在存储方面,华盛顿大学和微软科学家在DNA储存数据方面更进一步,数据首次存入DNA内并可无损读取,新研究或将彻底变革计算机存储方式;IBM相变存储技术每单元存3比特数据,为物联网时代呈指数级增长的数据提供了简单快速的存储方式。

此外,谷歌欲用太阳能无人机传输5G网络;美国波士顿大学科学家首次开发出能在可见光波段内操作的纳米无线光学通讯系统,将大大缩小计算机芯片的尺寸。

新材料

超导材料和电池研发获突破;发现新型二维半导体材料;首次3D打印出受热收缩的超材料。

在超导方面,美国休斯顿大学科学家利用界面组装技术,诱导非超导材料钙铁砷复合物界面表现出超导性。

在半导体材料方面,犹他大学工程师新发现一种新型二维半导体材料一氧化锡(SnO),可用于制造晶体管;美韩科学家将液体纳米晶体“墨水”按顺序放置,或可用3D打印技术制造出晶体管;美国科学家还设计出“量子超材料”,以光子形式释放能量、传递信息。

在新型电池方面,斯坦福大学研究团队利用表面“亲锂化”处理的碳质主体材料,成功制备出一种复合金属锂电极,可大大提高锂电池性能。佐治亚理工学院开发出能同时捕获太阳能和风能的新布料,有助于开发出能给手机和导航系统等移动设备充电的服装。

在聚合物方面,中美科学家将氮化硼纳米片添加到一种塑料聚合物原材料上,研制出一种即使破碎多次也能自动恢复所有功能的新型电子材料。

此外,美国多家机构合作,首次3D打印出受热会收缩的全新超材料。麻省理工学院研制出一种实现化学储能的固体材料——透明的聚合物薄膜,可遇光吸热并按需放热。

生物技术

脑科学研究硕果累累;人类基因组编写计划“呱呱坠地”;基因编辑技术风生水起;3D打印可按需定制人造器官。

在脑科学方面,艾伦脑科学研究所和哈佛医学院、弗兰德斯神经电子学研究所共同发表了迄今最大的脑皮层神经元连接网络研究报告。艾伦脑科学研究所不仅绘出了迄今最完整的数字版人脑结构图谱,还公布了最大规模小鼠视觉皮层数据。美国国家卫生研究院(NIH)开发出一种新的神经成像技术,可以“看到”人脑基因开关。杜克大学在抑制性突触中找到一百多种过去没有发现的蛋白。华盛顿大学开发出以接近脑认知速度破译脑信号的新方法。麻省理工学院发现忘却的记忆可以被拯救。

在基因组研究方面,人类基因组编写计划在争议声中“呱呱坠地”。艾伦脑科学研究所绘制出灵长类动物出生前后大脑基因表达位置。

在干细胞方面,人类胚胎体外发育首次突破10天。NIH放宽对资助人体干细胞注入动物胚胎方面的研究禁令。斯坦福大学医学院开发出或能让中风病人行走的干细胞疗法,并识别出多组可使干细胞迅速发育成纯细胞群的生化信号。卡内基梅隆大学新型生物模拟法能制备间充质干细胞。

基因编辑技术风生水起,登上了“大规模杀伤性与扩散性武器”威胁清单。哈佛大学改进CRISPR/Cas9后,成功逆转单个碱基变异。哈佛—麻省理工博德研究所基于CRISPR系统开发出以RNA为目标的新基因编辑工具。

在病毒研究方面,发现寨卡病毒感染会影响成人大脑细胞并引起小儿大头症,绘制出寨卡病毒结构图,建成克隆寨卡病毒新模型。华盛顿大学在小鼠中发现能有效阻止寨卡病毒感染的抗体。美国过敏和传染病研究所开发出的DNA疫苗成功阻止猕猴感染寨卡病毒。此外,人类基因组中发现了19个特殊DNA片段,再次“擒获”古老病毒。英美科学家通过收集超过110年的数据,共同编绘出首个全球蝙蝠病毒传染人类风险图谱。美国斯克里普斯研究所、国际艾滋病疫苗行动组织与拉霍亚过敏和免疫学研究所,发现新强效免疫原可用于设计艾滋病疫苗。纽约州立大学布法罗分校利用无害大肠杆菌研发出一种可输送疫苗的“细菌胶囊”。IBM开发出一种可附着到病毒上的高分子,能摧毁多种病毒。日、美、英联合开发出一项可准确预测季节性流感病毒的新技术。

放宽基因疗法临床试验年龄限制,可治疗“失明”的基因治疗产品“SPK-RPE65”有望上市。麻省理工学院和佛罗里达大学开发出一套先进技术平台,能发现更多DNA变体。美国科学家开发出一种编程语言,能用来设计复杂的DNA编码线路,赋予活细胞新的功能。美国哈佛医学院重新设计大肠杆菌遗传密码获成功。

在癌症研究方面,美国将启用癌症研究新模型。辛辛那提大学发现急性骨髓性白血病小分子RNA疗法效果初显。实验发现,现有药物羟化氯喹能阻止癌细胞在体内扩散。哥伦比亚大学研究发现,癌症在多种贝类中传染超预想。

在器官移植方面,范德堡大学用微芯片人工肾脏让患者摆脱透析。北卡罗来纳州维克森林大学医学院开发出一种改进版生物打印机,可按需定制人体“零件”。哈佛大学3D打印出接近真实功能的人体肾脏中近端小管。杜克大学开发出一种迅速制造人工动脉的新技术,比现有技术快10倍。NIH开发出一种高效免疫抑制药物疗法,打破跨物种心脏移植存活时间纪录。威斯康星医学院再生技术成功重建人体食道组织。

航空航天

美国仍是航空航天领域的“大哥大”,火箭回收等壮举让世界对美国私企的表现刮目相看。

美国总统奥巴马重申本世纪30年代前把人类送上火星的目标,并表示将借助私营企业的力量实现这一“巨大飞跃”。美国国家航空航天局(NASA)已加紧研制登陆火星用的电力推进系统,“洞察”号火星探测器将于明年发射,“机遇”号也将首次探索火星沟渠。此外,新开发的新型遥感仪器或将能“闻”出火星生命的迹象。

关于木星,NASA第二艘专门造访它的探测器“朱诺”号顺利进入木星轨道,成为人类历史上距离木星最近的航天器,并发回首批木星图像;关于月球,“猎户座”载人飞船主体结构基本完成,2018年将飞往月球背面执行无人探测任务。在探索小行星方面,除新的行星猎手“凌日系外行星勘测卫星”或在明年升空外,OSIRIS-REx探测器已升空,开始了历时7年的追踪小行星贝奴的“猎星之旅”。

美国私营公司在太空探索上的表现令人惊叹。太空探索技术公司(SpaceX)的“猎鹰9”号火箭几经沉浮,至今完成了四次火箭第一级成功回收,有助于大幅降低发射费用。该公司的“猛禽”火箭发动机也完成了首次测试。另一家美国公司——蓝色起源也实现了火箭的重复利用,其可回收的“新格伦”火箭设计亦闪亮登场。

SpaceX创始人埃隆·马斯克以“让人类成为多星球公民”为宏伟目标,预计花费3亿美元用于其红龙飞船登陆火星任务,其“龙2”无人飞船拟于2018年发射并登陆火星。洛克希德·马丁公司也表示将在12年内发射一艘载人飞船前往火星。“月球捷运”公司则宣布,它将首开先河独立开展登月活动。这些商业实体获准前往外太空目的地,标志着商业太空探测和开发迎来重要转折点。

海洋科技

重视海洋环保,建立海洋保护区;气候变化影响显现,海洋环境让人担忧;海洋资源利用能力不断提升。

在海洋环境保护方面,美国继8月宣布扩建夏威夷帕帕哈瑙莫夸基亚国家海洋保护区面积至150万平方公里后,9月又宣布建立第一个位于大西洋的国家海洋保护区。此外,限制油气开采活动也是其一项海洋环保措施。11月,美内政部决定,在2022年前禁止开展新的北极油气钻探。

尽管海洋环境问题日益受到重视,但海洋环境逐渐恶化仍是不争的事实,气候变化的影响也逐渐显现:3月,美国科学家研究称,全球变暖使北极海冰面积连续第二年创冬季的新低;8月,美科学家指出,未来10年全球海平面上升速度将明显加快;10月,美科学家发现,2002年至2009年西南极洲冰川的坚冰消融了几百米。

海洋环境恶化的后果令人担忧。美科学家研究称,海洋鱼类捕捞量下降或致全球10%人口营养不良;伍兹霍尔海洋研究所研究表明,海水酸化和海洋升温对海洋微生物影响巨大;杜克大学等机构研究称,海水酸化和海洋升温对珊瑚礁生态影响严重,进而影响岛礁人群的生活。

有忧也有喜,人类对海洋资源开发利用的能力也随着科技的进步而不断提升。2月,美科学家研制出类似电池的海水淡化装置,能实现约80%的淡化率;7月,人类又找到了一个重要的氢气来源:研究发现,海底大洋岩石圈蕴含大量氢气,模型显示其总量比陆地产生的氢气还要高;还有研究表明,海洋微藻可成为人类重要的食物和燃料来源,海洋资源名录上又有了新内容。此外,科学家设计出一个海洋保护区网络模型,在“保护物种与保证渔获”的矛盾中找到了一个平衡点,因过度捕捞而受到严重威胁的海洋生物群落或因此而得到保护。

能源环保

新型电池研究成果丰硕;氢能技术开发有突破;核能、太阳能等领域亦有新成果。

2016年,美国科学家在新型电池领域研究成果丰硕:开发出可在0℃下高效运行、有快速自发热功能的锂离子电池和能附着在许多物体之上的超轻薄柔性太阳能电池;研制出以金纳米线为材料可反复充放电数万次的新型纳米电池,以及能廉价高效将二氧化碳转化成碳氢化合物燃料的新型太阳能电池。此外,在新型电池基础研究方面的成果还包括:发现加热铁锈之类金属氧化物,可提升特定太阳能电池转换效率和储能效率;发现钙可以作为三层液态金属电池的重要原料;提出“亲锂性”概念,制备出可大大提高锂电池性能的复合金属锂电极;证明使用太阳热光伏设备有望使太阳能电池光电转化效率突破理论限制;开发出可观察锂离子电池充放电时内部粒子运动的新型X射线显微镜技术。

在氢能技术开发方面,科学家设计出以钙钛矿太阳能电池驱动的光解水复合体系,可使光解水制氢的转化效率提高两倍;发现了一种由钼硒化硫和多孔硒化镍组成的新型复合催化剂,能使水制氢效率达实用水平;开发出成本相对低廉的电解水催化剂,同样有助于高效制氢。

在核能领域,科学家在阿尔卡特C-Mod托卡马克聚变反应堆实验中创造世界新纪录,等离子体压强首次超过两个大气压;在世界最强辐射源——“Z机”装置内开启了氘—氚受控核聚变实验。

在其他新能源领域,科学家也取得了许多成果。他们开发出可把二氧化碳和水直接变成液态烃燃料的新型可再生燃料技术;开发出比自然光合作用效率高10倍的人工仿生叶技术,能利用二氧化碳产出生物乙醇;改进了通过分解水分子储存太阳能的方法,使储能效率达到30%。

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