本報告是中國科學(xué)院發(fā)布的年度系列報告《科學(xué)發(fā)展報告》的第十九部，旨在全面綜述和分析2015年度國際科學(xué)研究前沿進(jìn)展動(dòng)態(tài)，研判和展望國際重要科學(xué)領(lǐng)域研究發(fā)展趨勢，揭示和洞察科技領(lǐng)域創(chuàng )新突破及快速應用的重大經(jīng)濟社會(huì )影響，報道和介紹我國科學(xué)家具有代表性的重要研究成果，觀(guān)察和綜述國際主要科技領(lǐng)域研究進(jìn)展及科技戰略規劃與研究布局，概括和介紹我國科學(xué)研究整體發(fā)展狀況，并向國家決策部門(mén)提出有關(guān)中國科學(xué)的發(fā)展戰略和科技政策咨詢(xún)建議，為國家宏觀(guān)科學(xué)決策提供重要決策依據。

    本報告對各級科技決策部門(mén)、科研管理部門(mén)等具有連續的重要參考價(jià)值，可供各級科技決策和科研管理人員、科研院所科技研究人員、大專(zhuān)院校師生以及社會(huì )公眾閱讀和參考。

創(chuàng )造未來(lái)的科技發(fā)展新趨勢

（代序）

白春禮

    當前，全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革方興未艾，科技創(chuàng )新正加速推進(jìn)，并深度融合、廣泛滲透到人類(lèi)社會(huì )的各個(gè)方面，成為重塑世界格局、創(chuàng )造人類(lèi)未來(lái)的主導力量。我們只有認清趨勢、前瞻擘劃，才能順勢而為、搶抓機遇。從宏觀(guān)視角和戰略層面看，當今世界科技發(fā)展正呈現以下十大新趨勢。

    顛覆性技術(shù)層出不窮，將催生產(chǎn)業(yè)重大變革，成為社會(huì )生產(chǎn)力新飛躍的突破口。作為全球研發(fā)投入最集中的領(lǐng)域，信息網(wǎng)絡(luò )、生物科技、清潔能源、新材料與先進(jìn)制造等正孕育一批具有重大產(chǎn)業(yè)變革前景的顛覆性技術(shù)。量子計算機與量子通信、干細胞與再生醫學(xué)、合成生物和“人造葉綠體”、納米科技和量子點(diǎn)技術(shù)、石墨烯材料等，已展現出誘人的應用前景。先進(jìn)制造正向結構功能一體化、材料器件一體化方向發(fā)展，極端制造技術(shù)向極大（如航母、極大規模集成電路等）和極?。ㄈ缥⒓{芯片等）方向迅速推進(jìn)。人機共融的智能制造模式、智能材料與３Ｄ打印結合形成的４Ｄ打印技術(shù)，將推動(dòng)工業(yè)品由大批量集中式生產(chǎn)向定制化分布式生產(chǎn)轉變，引領(lǐng)“數碼世界物質(zhì)化”和“物質(zhì)世界智能化”。這些顛覆性技術(shù)將不斷創(chuàng )造新產(chǎn)品、新需求、新業(yè)態(tài)，為經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展提供前所未有的驅動(dòng)力，推動(dòng)經(jīng)濟格局和產(chǎn)業(yè)形態(tài)深刻調整，成為創(chuàng )新驅動(dòng)發(fā)展和國家競爭力的關(guān)鍵所在。

    科技更加以人為本，綠色、健康、智能成為引領(lǐng)科技創(chuàng )新的主流方向。未來(lái)科技將更加重視生態(tài)環(huán)境保護與修復，致力于研發(fā)低能耗、高效能的綠色技術(shù)及其產(chǎn)品。以分子模塊設計育種、增強光合作用、智能技術(shù)等研發(fā)應用為重點(diǎn)，綠色農業(yè)將創(chuàng )造農業(yè)生物新品種，提高農產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)，保障糧食和食品安全?；驕y序、干細胞與再生醫學(xué)、分子靶向治療、遠程醫療等技術(shù)大規模應用，將使醫學(xué)模式進(jìn)入個(gè)體化精準診治和低成本普惠醫療的新階段。智能化成為繼機械化、電氣化、自動(dòng)化之后的新“工業(yè)革命”，工業(yè)生產(chǎn)向更綠色、更輕便、更高效的方向發(fā)展。服務(wù)機器人、自動(dòng)駕駛汽車(chē)、快遞無(wú)人機、智能穿戴設備等的普及，將持續提升人類(lèi)生活質(zhì)量，提升人的解放程度?？萍紕?chuàng )新在滿(mǎn)足人類(lèi)不斷增長(cháng)的個(gè)性化、多樣化需求和增進(jìn)人類(lèi)福祉方面，將展現出超乎想象的神奇魅力。

    “互聯(lián)網(wǎng)＋”蓬勃發(fā)展，將全方位改變人類(lèi)生產(chǎn)和生活方式。新一代信息技術(shù)發(fā)展和無(wú)線(xiàn)傳輸、無(wú)線(xiàn)充電等技術(shù)實(shí)用化，為實(shí)現從人與人、人與物、物與物、人與服務(wù)互聯(lián)向“互聯(lián)網(wǎng)＋”發(fā)展提供豐富、高效的工具與平臺。隨著(zhù)大數據普及，人類(lèi)活動(dòng)將全面數據化，而云計算為數據的大規模生產(chǎn)、分享和應用提供了基礎。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、太空互聯(lián)網(wǎng)等新網(wǎng)絡(luò )形態(tài)不斷涌現，智慧地球、智慧城市、智慧物流、智能生活等應用技術(shù)不斷拓展，將形成無(wú)時(shí)不在、無(wú)處不在的信息網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，對人們的交流、教育、交通、通信、醫療、物流、金融等各種工作和生活需求作出全方位及時(shí)智能響應，推動(dòng)人類(lèi)生產(chǎn)方式、商業(yè)模式、生活方式、學(xué)習和思維方式等發(fā)生深刻變革?；ヂ?lián)網(wǎng)的力量將借此全面重塑這個(gè)世界和社會(huì )，使人類(lèi)文明在繼農業(yè)革命、工業(yè)革命之后邁向新的“智業(yè)革命”時(shí)代。

    國際科技競爭日趨激烈，科技制高點(diǎn)向深空、深海、深地、深藍拓進(jìn)?？臻g進(jìn)入、利用和控制技術(shù)是空間科技競爭的焦點(diǎn)，天基與地基相結合的觀(guān)測系統、大尺度星座觀(guān)測體系等立體和全局性觀(guān)測網(wǎng)絡(luò )將有效提升對地觀(guān)測、全球定位與導航、深空探測、綜合信息利用的能力。海洋新技術(shù)突破正催生新型藍色經(jīng)濟的興起與發(fā)展，多功能水下纜控機器人、高精度水下自航器、深海海底觀(guān)測系統、深?？臻g站等海洋新技術(shù)的研發(fā)應用，將為深海海洋監測、資源綜合開(kāi)發(fā)利用、海洋安全保障提供核心支撐。地質(zhì)勘探技術(shù)和裝備研制技術(shù)不斷升級，將使地球更加透明，人類(lèi)對地球深部結構和資源的認識日益深化，為開(kāi)辟新的資源、能源提供條件。量子計算機、非硅信息功能材料、第五代移動(dòng)通信技術(shù)（５Ｇ）等下一代信息技術(shù)向更高速度、更大容量、更低功耗發(fā)展。第五代移動(dòng)通信技術(shù)有望成為未來(lái)數字經(jīng)濟乃至數字社會(huì )的“大腦”和“神經(jīng)系統”，幫助人類(lèi)實(shí)現“信息隨心至、萬(wàn)物觸手及”的用戶(hù)體驗，并帶來(lái)一系列產(chǎn)業(yè)創(chuàng )新和巨大經(jīng)濟及戰略利益。

    前沿基礎研究向宏觀(guān)拓展、微觀(guān)深入和極端條件方向交叉融合發(fā)展，一些基本科學(xué)問(wèn)題正在孕育重大突破。隨著(zhù)觀(guān)測技術(shù)手段的不斷進(jìn)步，人類(lèi)對宇宙起源和演化、暗物質(zhì)與暗能量、微觀(guān)物質(zhì)結構、極端條件下的奇異物理現象、復雜系統等的認知將越來(lái)越深入，把人類(lèi)對客觀(guān)物質(zhì)世界的認識提升到前所未有的新高度。合成生物學(xué)進(jìn)入快速發(fā)展階段，從系統整體的角度和量子的微觀(guān)層面認識生命活動(dòng)的規律，為探索生命起源和進(jìn)化開(kāi)辟了嶄新途徑，將掀起新一輪生物技術(shù)的浪潮。人類(lèi)腦科學(xué)研究將取得突破，有望描繪出人腦活動(dòng)圖譜和工作機理，有可能揭開(kāi)意識起源之謎，極大帶動(dòng)人工智能、復雜網(wǎng)絡(luò )理論與技術(shù)發(fā)展。前沿基礎研究的重大突破可能改變和豐富人類(lèi)對客觀(guān)世界與主觀(guān)世界的基本認知，不同領(lǐng)域的交叉融合發(fā)展可望催生新的重大科學(xué)思想和科學(xué)理論。

    國防科技創(chuàng )新加速推進(jìn)，軍民融合向全要素、多領(lǐng)域、高效益深度發(fā)展。受世界競爭格局調整、軍事變革深化和未來(lái)戰爭新形態(tài)等影響，主要國家將重點(diǎn)圍繞極地、空間、網(wǎng)絡(luò )等領(lǐng)域加快發(fā)展“一體化”國防科技，信息化戰爭、數字化戰場(chǎng)、智能化裝備、新概念武器將成為國防科技創(chuàng )新的主要方向。大數據技術(shù)將使未來(lái)戰爭的決策指揮能力實(shí)現根本性飛躍，推動(dòng)現代作戰由力量聯(lián)合向數據融合方向發(fā)展，自主式作戰平臺將成為未來(lái)作戰行動(dòng)的主體。軍民科技深度融合、協(xié)同創(chuàng )新，在人才、平臺、技術(shù)等方面的界限日益模糊。隨著(zhù)腦科學(xué)與認知技術(shù)、仿生技術(shù)、量子通信、超級計算、材料基因組、納米技術(shù)、智能機器人、先進(jìn)制造與電子元器件、先進(jìn)核能與動(dòng)力技術(shù)、導航定位和空間遙感等方面的重大突破，將研發(fā)更多高效能、低成本、智能化、微小型、抗毀性武器裝備，前所未有地提升國防科技水平，并帶動(dòng)眾多科技領(lǐng)域實(shí)現重大創(chuàng )新突破。國際科技合作重點(diǎn)圍繞全球共同挑戰，向更高層次和更大范圍發(fā)展。全球氣候變化、能源資源短缺、糧食和食品安全、網(wǎng)絡(luò )信息安全、大氣海洋等生態(tài)環(huán)境污染、重大自然災害、傳染性疾病疫情和貧困等一系列重要問(wèn)題，事關(guān)人類(lèi)共同安危，攜手合作應對挑戰成為世界各國的共同選擇。太陽(yáng)能、風(fēng)能、地熱能等可再生能源開(kāi)發(fā)、存貯和傳輸技術(shù)的進(jìn)步，將提升新能源利用效率和經(jīng)濟社會(huì )效益，深刻改變現有能源結構，大幅提高能源自給率。據國際能源署（ＩＥＡ）預測，到２０３５年可再生能源將占全球能源的３１％，成為世界主要能源。極富發(fā)展潛能的新一代能源技術(shù)將取得重大突破，氫能源和核聚變能可望成為解決人類(lèi)基本能源需求的重要方向。人類(lèi)面臨共同挑戰的復雜性和風(fēng)險性、科學(xué)研究的艱巨性和成本之高昂，使相互依存與協(xié)同日趨加深，將大大促進(jìn)合作研究和資源共享，推動(dòng)高水平科技合作廣泛深入開(kāi)展，并更多上升到國家和地區層面甚至成為全球共同行動(dòng)。

    科技創(chuàng )新活動(dòng)日益社會(huì )化、大眾化、網(wǎng)絡(luò )化，新型研發(fā)組織和創(chuàng )新模式將顯著(zhù)改變創(chuàng )新生態(tài)。網(wǎng)絡(luò )信息技術(shù)、大型科研設施開(kāi)放共享、智能制造技術(shù)提供了功能強大的研發(fā)工具和前所未有的創(chuàng )新平臺，使創(chuàng )新門(mén)檻迅速降低，協(xié)同創(chuàng )新不斷深化，創(chuàng )新生活實(shí)驗室、制造實(shí)驗室、眾籌、眾包、眾智等多樣化新型創(chuàng )新平臺和模式不斷涌現，科研和創(chuàng )新活動(dòng)向個(gè)性化、開(kāi)放化、網(wǎng)絡(luò )化、集群化方向發(fā)展，催生越來(lái)越多的新型科研機構和組織。以“創(chuàng )客運動(dòng)”為代表的小微型創(chuàng )新正在全球范圍掀起新一輪創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)熱潮，以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為依托的“軟件創(chuàng )業(yè)”方興未艾，由新技術(shù)驅動(dòng)、以極客和創(chuàng )客為重要參與群體的“新硬件時(shí)代”正在開(kāi)啟。這些趨勢將帶來(lái)人類(lèi)科研和創(chuàng )新活動(dòng)理念及組織模式的深刻變革，激發(fā)出前所未有的創(chuàng )新活力。

    科技創(chuàng )新資源全球流動(dòng)形成浪潮，優(yōu)秀科技人才成為競相爭奪的焦點(diǎn)。一方面，經(jīng)濟全球化對創(chuàng )新資源配置日益產(chǎn)生重大影響，人才、資本、技術(shù)、產(chǎn)品、信息等創(chuàng )新要素全球流動(dòng)，速度、范圍和規模都將達到空前水平，技術(shù)轉移和產(chǎn)業(yè)重組不斷加快。另一方面，科技發(fā)達國家強化知識產(chǎn)權戰略，主導全球標準制定，構筑技術(shù)和創(chuàng )新壁壘，力圖在全球創(chuàng )新網(wǎng)絡(luò )中保持主導地位，新技術(shù)應用不均衡狀態(tài)進(jìn)一步加劇，發(fā)達國家與發(fā)展中國家的“技術(shù)鴻溝”不斷擴大。發(fā)達國家利用優(yōu)勢地位，通過(guò)放寬技術(shù)移民政策、開(kāi)放國民教育、設立合作研究項目、提供豐厚薪酬待遇等方式，持續增強對全球優(yōu)秀科技人才的吸引力。新興國家也紛紛推出各類(lèi)創(chuàng )新政策和人才計劃，積極參與科技資源和優(yōu)秀人才的全球化競爭。

    全球科技創(chuàng )新格局出現重大調整，將由以歐美為中心向北美、東亞、歐盟“三足鼎立”的方向加速發(fā)展。隨著(zhù)經(jīng)濟全球化進(jìn)程加快和新興經(jīng)濟體崛起，特別是國際金融危機以來(lái)，全球科技創(chuàng )新力量對比悄然發(fā)生變化，開(kāi)始從發(fā)達國家向發(fā)展中國家擴散。從２００６年到２０１４年，美國研發(fā)投入占全球比重由３４．６％逐步下降到３０％，中國研發(fā)投入所占比重從３．１７％增加到１２．９７％。雖然以美國為代表的發(fā)達國家目前在科技創(chuàng )新上仍處于無(wú)可爭議的領(lǐng)先地位，但優(yōu)勢正逐漸縮小，中國、印度、巴西、俄羅斯等新興經(jīng)濟體已成為科技創(chuàng )新的活化地帶，在全球科技創(chuàng )新“蛋糕”中所占份額持續增長(cháng)，對世界科技創(chuàng )新的貢獻率也快速上升。全球創(chuàng )新中心由歐美向亞太、由大西洋向太平洋擴散的趨勢總體持續發(fā)展，未來(lái)２０～３０年內，北美、東亞、歐盟三個(gè)世界科技中心將鼎足而立，主導全球創(chuàng )新格局。

    正如雨果所說(shuō)：與有待創(chuàng )造的東西相比，已經(jīng)創(chuàng )造出來(lái)的東西是微不足道的?？萍紕?chuàng )新的前沿永無(wú)止境，科技創(chuàng )新的未來(lái)激動(dòng)人心。我們要準確把握世界科技發(fā)展新趨勢，樹(shù)立創(chuàng )新自信，搶抓戰略機遇，實(shí)施創(chuàng )新驅動(dòng)發(fā)展戰略，加快建成世界科技強國，為實(shí)現中華民族偉大復興的中國夢(mèng)提供強有力科技支撐。

    （本文刊發(fā)于２０１５年７月５日《人民日報》，收入本書(shū)時(shí)略作修改）。

目　錄

創(chuàng )造未來(lái)的科技發(fā)展新趨勢（代序）/白春禮

前言/中國科學(xué)院“科學(xué)發(fā)展報告”課題組

第一章　科學(xué)展望

1.1　等離子體物理發(fā)展展望/李建剛　朱少平　李儒新等

1.2　引力波探測和引力本質(zhì)研究——21世紀基礎科學(xué)的革命性突破/吳岳良

1.3　精準醫學(xué)發(fā)展展望/金　力　楊　忠　徐　萍等

第二章　科學(xué)前沿

2.1　宇宙線(xiàn)起源的天文學(xué)前沿問(wèn)題/劉四明

2.2X射線(xiàn)自由電子激光現狀與未來(lái)發(fā)展/趙振堂　王　東　陳建輝

2.3　新型二維石墨炔碳材料研究進(jìn)展/李玉良

2.4　聚合物太陽(yáng)電池的相關(guān)研究進(jìn)展及未來(lái)挑戰/侯劍輝

2.5　鋰空氣電池技術(shù)研究進(jìn)展與展望/徐吉靜　張新波　李　泓

2.6　腫瘤免疫治療研究前沿進(jìn)展與展望/劉　洋　曹雪濤

2.7　常見(jiàn)精神障礙的分子遺傳學(xué)研究進(jìn)展/張于亞楠　岳偉華

2.8　近期青藏高原冰川變化及其影響/姚檀棟　楊　威　余武生等

2.9　中微子振蕩：新物理的突破口——2015年諾貝爾物理學(xué)獎評述/曹　俊

2.10DNA修復與基因組穩定性——2015年諾貝爾化學(xué)獎評述/孔道春

2.11　抗擊寄生蟲(chóng)病的里程碑——2015年諾貝爾生理學(xué)或醫學(xué)獎評述/劉　滿(mǎn)　俞　強

第三章　2015年中國科研代表性成果

3.1　邏輯系統的代數狀態(tài)空間理論/程代展　齊洪勝　劉　挺

3.2　發(fā)現宇宙早期黑洞質(zhì)量最大的超亮類(lèi)星體/吳學(xué)兵

3.3　外爾半金屬及外爾費米子的理論預言與實(shí)驗發(fā)現/翁紅明　戴　?！》健≈?/p>

3.4　豐質(zhì)子核22Mg和23Al的雙質(zhì)子發(fā)射實(shí)驗測量/馬余剛　方德清

3.5　鐵電材料中通量全閉合疇結構的發(fā)現/馬秀良

3.6　科學(xué)家實(shí)現多自由度量子體系隱形傳態(tài)/汪喜林　劉乃樂(lè )　陸朝陽(yáng)等

3.7　二維超導中量子格里菲思奇異性的發(fā)現/王　健

3.8　硫醇分子的生物學(xué)功能認知取得重要進(jìn)展——兩個(gè)小分子硫醇通過(guò)代謝偶聯(lián)主導林可霉素的生物合成/趙群飛　王　敏　劉　文

3.9　為綠色能源求解：人工合成光合作用水裂解催化中心/張純喜

3.10　表面分子分形結構研究進(jìn)展/吳　凱　王永鋒

3.11　環(huán)內過(guò)氧橋鍵生物合成獲得重要進(jìn)展——α-酮戊二酸依賴(lài)的單核非血紅素鐵酶催化的環(huán)內過(guò)氧橋鍵的形成/張立新

3.12　解析細胞炎性壞死的關(guān)鍵分子機制/石建金　邵　峰

3.13NAIPNLRC4炎癥小體激活的分子機制/胡澤汗　柴繼杰

3.14CRISPRCas系統中外源DNA獲取的結構基礎和分子機制/王久宇　王艷麗

3.15　神經(jīng)環(huán)路精確化的競爭機制——鈣黏蛋白／環(huán)連蛋白復合物介導樹(shù)突棘的協(xié)同修剪與成熟/邊文杰　于　翔

3.16　人類(lèi)三維基因組學(xué)的研究進(jìn)展及其精準醫學(xué)意義/朱菊芬　李國亮　阮一駿

3.17　共生菌調控貨物分揀促進(jìn)共生/劉志華

3.18E3泛素連接酶Nrdp1負向調節CD8＋T細胞的活化/陳濤涌　曹雪濤

3.19　植物氣體激素乙烯作用的新機制/李文陽(yáng)　馬夢(mèng)迪　郭紅衛

3.20　太平洋西邊界流及其氣候效應/吳立新　胡敦欣　林霄沛等

3.21　地球內核內的核/宋曉東

3.22　海洋驅動(dòng)下冰架的變薄可加劇南極冰架的崩解和退縮/程　曉　劉　巖　惠鳳鳴

3.23　氣候與地表覆蓋對產(chǎn)水量作用的全球模式/周?chē)?/p>

3.24　未來(lái)的中國森林仍然是一個(gè)顯著(zhù)的碳匯/方精云　胡會(huì )峰

第四章　科技領(lǐng)域發(fā)展觀(guān)察

4.1　基礎前沿領(lǐng)域發(fā)展觀(guān)察/劉小平　呂曉蓉　黃龍光等

4.2　人口健康與醫藥領(lǐng)域發(fā)展觀(guān)察/徐　萍　許　麗　王　玥等

4.3　生物科技領(lǐng)域發(fā)展觀(guān)察/陳云偉　陳　方　丁陳君等

4.4　農業(yè)科技領(lǐng)域發(fā)展觀(guān)察/董　瑜　楊艷萍　邢　穎

4.5　環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展觀(guān)察/曲建升　廖　琴　曾靜靜等

4.6　地球科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展觀(guān)察/張志強　鄭軍衛　趙紀東等

4.7　空間科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展觀(guān)察/楊　帆　韓　淋　王海名等

4.8　信息科技領(lǐng)域發(fā)展觀(guān)察/房俊民　王立娜　唐　川等

4.9　能源科技領(lǐng)域發(fā)展觀(guān)察/陳　偉　張　軍　趙黛青等

4.10　材料制造領(lǐng)域發(fā)展觀(guān)察/萬(wàn)　勇　馮瑞華　黃　健等

4.11　重大研究基礎設施領(lǐng)域發(fā)展觀(guān)察/李澤霞　孫　震　冷伏海

第五章　中國科學(xué)發(fā)展概況

5.12015年科技部基礎研究管理工作進(jìn)展/傅小鋒　李　非　周　平等

5.22015年國家自然科學(xué)基金項目申請與資助情況/謝煥瑛

5.3　中國科學(xué)五年產(chǎn)出評估——基于WoS數據庫論文的統計分析（2010～2014年）/岳　婷　楊立英　丁潔蘭等

第六章　中國科學(xué)發(fā)展建議

6.1　改進(jìn)我國科學(xué)評價(jià)體系，促進(jìn)卓越科學(xué)研究/中國科學(xué)院學(xué)部咨詢(xún)評議工作委員會(huì )“全球化深入發(fā)展下的科學(xué)價(jià)值評估”咨詢(xún)課題組

6.2　關(guān)于設立國家生命倫理委員會(huì )的建議/中國科學(xué)院學(xué)部“生命醫學(xué)倫理研究與生命科學(xué)前沿的發(fā)展”咨詢(xún)課題組

6.3　加強信息與生命交叉學(xué)科研究，促進(jìn)信息科學(xué)與醫學(xué)生命科學(xué)融合創(chuàng )新發(fā)展/中國科學(xué)院學(xué)部“信息與生命交叉學(xué)科研究與對策”咨詢(xún)課題組

6.4　全面推進(jìn)我國湖泊與濕地保護的戰略對策與建議/中國科學(xué)院學(xué)部“中國水安全保障的戰略與對策”重大咨詢(xún)課題組