【专题报告】我国应对颠覆性技术创新需要重点布局的七大领域
作者：刘春平
来源:中国科协创新战略研究院《创新研究报告》总第18期
编者按：
《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》发布。习近平总书记在“十三五”规划建议的说明中指出，当前中国科技创新已步入以跟踪为主转向跟踪和并跑、领跑并存的新阶段。要实现这种转变，就需要在核心技术和重点领域超前布局。基于前几期对世界各国颠覆性技术创新方向的研判（附后），本文将着重介绍我国未来战略发展需要重点布局的领域。
一、未来十年，世界范围内可能出现颠覆性创新的科技领域
根据近年来世界主要国家和知名智库的技术预见研究成果，以国内外有一定影响力的科学家、企业家和科技管理专家的访谈，以及对科技组织的调研为基础进行综合研判，笔者认为，从全球角度来看未来十年可能取得突破的颠覆性技术有以下九个领域。
1.先进计算技术与人工智能
先进计算技术与人工智能将改变行业秩序，促使利润在资本、劳动力和消费者之间发生转移，从而影响全球经济秩序和政治格局。谷歌、IBM、微软、甚至相关国家的政府都已经开始致力于开发量子计算机。中国科学技术大学潘建伟院士领衔的关于量子科学的研究处于世界领先水平，我国有望在量子信息等产业抢占先机、成为领跑者。
2.纳米技术与材料科学
纳米技术作为下一代通用技术，在材料与制造、医疗与卫生、能源与环境、计算与信息等领域，特别是有关国家安全的技术领域将取得新突破，纳米技术的应用将引发生产革命和消费革命。美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）甚至认为，与纳米技术相比，也许没有其他新兴技术在未来能够产生更加颠覆性的影响。纳米技术将覆盖每一个经济部门，包括电子、建筑、医药、食品、甚至国防。以纳米医用材料为例，麦肯锡研究院一项研究表明，纳米医用材料可为癌症患者提供癌症靶向药物，到2025年其直接经济影响可达1500～5000亿美元。美国、欧盟、俄罗斯和日本纷纷采取有效措施，争取在未来高科技发展中取得主动。美国在21世纪以来实施并持续推进国家纳米技术计划（National Nanotechnology Initiative，NNI），支持对纳米技术的长期持续开发。但同时，由于纳米颗粒向空气或环境中排放而造成的新的污染等问题需引起高度重视。
3.基因与精准医疗
基因技术将给人类自身带来颠覆性革命，以基因组信息为基础的精准医疗将为患者量身制定出最佳治疗方案，达到治疗效果最大化和副作用最小化。精准医疗是系统工程，大数据是基础，基因测序是工具。基因测序产业的竞争要素是技术、服务和渠道，门槛是数据库。据麦肯锡研究院预测，下一代基因组学将推动生物学领域的快速进步。到2025年，其潜在经济影响可达0.7～1.6万亿美元。由中科院北京基因组研究所牵头、多个院所参加的中国人群精准医学研究计划已于2016年年初正式启动，国家卫计委会同科技部等部门正在拟定中国版的精准医疗计划。
4.能源开发与存储
能源的战略价值不言而喻。先进油气勘探开采方面，到2025年，页岩气和轻质致密油勘探开采的直接经济影响可达数千亿美元。可再生能源方面，到2025年，风能和太阳能光伏发电占全球电力产量的比例可能由目前的2%增至16%，其潜在经济影响可达2000亿美元，每年可减少碳排放10～12亿吨。储能方面，到2025年，其潜在经济影响将达到数千亿美元，主要应用于电动和混合动力汽车、分布式能源、公用事业等。基于中国发展中的能源与环境压力，为解决好技术与管理瓶颈，需要在新能源开发利用、能源智能管理、清洁能源存储等方面进行战略布局。
5.航空航天与地外生命探测
谁拥有太空话语权，谁就拥有了真正话语权。奥巴马在2015年国情咨文演说中强调“投资太空技术至关重要，太空冒险的长期目标是要留在太空，而不仅仅是到访”。2013年，DARPA启动了“凤凰（Phoenix）计划”，即针对地球静止轨道卫星重复利用验证计划，该计划重要内容之一是在地球同步轨道（Geostationary Earth Orbit，GEO）建造太空机器人。美国国家航空航天局支持保护宇航员免受太空辐射、先进推进系统、人类外太空生存等多项研究，以奠定发展太空文明的基础，并为未来人类去往火星提供保障。
6.网络与大数据
数据资源和数据入口的抢夺越来越成为国家、企业竞争的关键。大数据和移动互联网革命将从信息不对称的服务业延伸到政府、制造业甚至第一产业中。据估算，到2025年，仅通过网络提供计算机软硬件资源服务的云技术一项，其潜在经济影响将为数万亿美元。从更大范围来看，基于网络与大数据的物联网，将涵盖包括智能电网、城市基础设施、公共安全、资源开采、农业和汽车等众多领域。“互联网+”将助力“中国制造2025”的实现，“互联网+”新经济形态将初步形成，“互联网+”成为经济社会创新发展的重要驱动力量。
7.智能汽车与智慧交通
智能汽车集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体，集中运用计算机、现代传感、信息融合、通讯、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。智能汽车将是汽车产业的发展趋势，智能汽车与智慧交通孕育巨大投资潜力和消费潜力，未来汽车产业90%以上的科技创新将集中在汽车智能化领域和交通智慧化领域。对消费者而言，安全性是最大的考量因素。据统计，超过90%的事故涉及人为错误，而机器智能决策的反应速度和精度可以极大提升交通的安全性。基于传感器、计算机和数据科学方面取得的突破，无人驾驶汽车将很快投入商用。世界范围内的传统车企、信息技术企业纷纷发力,车载智能系统、无人驾驶成为研发方向。
8.绿色制造与先进制造
为降低高能耗、高污染的传统制造业的比重，需要发展绿色制造与先进制造。在产品整个生命周期中，实现对环境的负作用最小，资源利用率最高，是全球面临的重大课题。绿色制造、先进制造能力与信息技术、新材料技术的融合，将在全球范围内带来颠覆性改变，受到发达国家和发展中国家政府和产业界的极大重视。
9.教育技术与知识自动化
颠覆性创新因人而生，先进教育技术和知识自动化系统将以较小成本带来社会思想领域和行为领域的深刻变革。据统计研究显示，数字化训练的效果明显优于传统训练。奥巴马提出，在2018年之前为至少99%的学生接通高速宽带网络。知识自动化可以引发知识传播、获取、分析、影响、产生等方面的重要变革，到2025年，其潜在经济影响相当于增加1.1～1.4亿个全职劳动力。
二、国内外科技界、产业界对我国战略布局的研判
为了解国内外科技界、产业界对我国战略布局的意见，中国科协创新战略研究院近期开展了关于世界范围颠覆性技术的调查研究。本次调查以开放式调查为主，向世界顶级科学家、企业家征集意见，具体为“未来10年，在哪5～10个科技领域可能出现颠覆性创新？”和“立足中国国情，要抓住此次科技和产业变革重大机遇，中国应在哪5～10个战略性科技领域超前谋划布局？”两大议题。同时，也请参与者推荐10位左右世界级科学家、企业家出席本次战略对话。征集对象包括：中国科协常委、千人计划入选者、全国学会理事长、海智计划和未来论坛联系的科学家等。
1.对未来颠覆性技术领域的预判
从反馈的意见来看，当前不同科学家对于未来可能出现的颠覆性技术的研判不尽相同。为了原汁原味地反映科学家的提议，笔者尽量保留了他们提议的用语。同时为了便于分析，笔者按照大学科领域分为医学与生命、信息技术、工程材料、能源环境、地球天文、综合交叉等六大领域。
从大的分类来看，征集到的意见主要集中在医学与生命科学、信息技术、工程材料科学、能源环境、地球天文等几个重大领域。
按提及频次来看，“基因组学”“机器人/人工智能”“量子信息技术”“新材料”“能源生产与智能管理”等出现频次较高。
此外，医学与生命科学领域中“神经系统科学”“生物技术”“分子演化”“认知生物学”“干细胞”“疾病的早期诊断和预测”，信息技术领域的“大数据”“物联网”“虚拟现实”“无人机”，工程材料领域的“3D打印”，能源环境领域的“气候变化与可持续发展”“环保与绿色经济”“环境科学”“储能技术”“先进油气勘探开采”“核聚变及应用”，地球天文科学领域的“地球观测与宇宙探索”，综合交叉领域的“生态农业与精准农业”等，出现频次较高。
2.对我国应超前谋划领域的建议
调查显示，科学家们认为，立足中国国情，中国应该超前布局的领域也主要集中在医学与生命、工程材料、信息技术、能源环境、地球天文和综合交叉等六大领域。不同的是，科学家们对于地球天文领域中国的布局与世界相比，还存在一定的差异。另外，科研人员创业、国家安全、应急预案等与国家发展和国防安全相关领域也受到科学家的关注。
按照提及频次来看，“基因组学”“细胞技术与生命机理探索”“新材料”“机器人/人工智能”“能源”等出现频次较高。
此外，医学与生命科学领域中“分子演化”“神经系统科学”“认知生物学”“生物和大健康产业”，信息技术领域的“量子计算机与量子通信”“大数据”“交通管理系统的高度智能化”，工程材料领域的“3D打印”，能源环境领域的“环境科学”“资源可持续循环利用和发展”“新能源”“储能技术”，综合交叉领域的“生态农业与精准农业”等，出现频次较高。
三、中国科技创新并跑、领跑新阶段的国家科技战略布局
《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》（以下简称《建议》）提出，要重视颠覆性技术创新，积极提出并牵头组织国际大科学计划和大科学工程；要坚持战略和前沿导向，集中支持事关发展全局的基础研究和共性关键技术研究。
在可能取得颠覆性创新的领域及早布局，能够取得变革性结果。结合我国未来战略技术拓展空间的可能、目前的战略布局情况，以及本次征集到的我国科学家和企业家的建议，进一步聚焦，目前我国需要在以下几个领域进行优先布局：
一是先进计算技术与人工智能。包括：认知科学、量子通信、量子计算机等。
二是纳米技术与材料科学。包括：纳米材料、纳米传感器、生物医学纳米技术和纳米药物、纳米制造等。
三是基因与精准医疗。包括：基因组、分子医学、合成生物技术、生物技术诊断等。
四是能源开发与存储。包括：先进油气勘探、核能、可再生能源、先进电池技术、能源智能管理等。
五是网络与大数据。包括：互联网、大数据、产业融合等。
六是智能汽车与智慧交通。包括：无人驾驶汽车、自动控制、云平台、传感器、交通管理系统等。
七是绿色制造与先进制造。包括：智能制造、机器人、3D打印、数控机床、航空航天装备、海洋工程装备等。
在重视技术创新和战略布局的同时，需要树立新的发展理念。《建议》中指出，要树立创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念。这与我国的现实是密切相关的，当前我国在加速实施创新驱动发展战略的同时，也遭遇了前所未有的环境危机，可以说，生态文明是小康社会建设的突出短板。
（本文转自创新研究公众号，作者：刘春平，《创新研究报告》编辑:高晓巍 施云燕）
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美国对颠覆性技术创新方向的预判
作者：刘春平
来源:中国科协创新战略研究院《创新研究报告》总第16期
编者按：
当前,世界新一轮科技革命和产业变革蓄势待发，全球产业结构和竞争格局的深度调整正在孕育,未来可能取得突破的颠覆性创新对人类“技术—经济—社会”范式变革具有重大意义。中国科协创新战略研究院在对世界主要国家技术预见相关研究的基础上，组织开展了专题调研，形成调研报告。本刊将分三期介绍该调研报告的相关内容。本期主要介绍美国各机构对颠覆性技术创新方向的预判。
一、美国白宫科技政策办公室
2015年10月底，美国国家经济委员会和白宫科技政策办公室联合发布了新版《美国国家创新战略》（《美国国家创新战略》首次发布于2009年），主要大力支持以下九大战略领域（表1）[1]。
二、美国国防部高级研究计划局
2015年9月，美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）未来技术论坛召开，内容覆盖了从太空机器人、自主人工智能到地外生命及神经科学里程碑等多个方面（表2）[2]。
DARPA也在部署开展创新研究项目，例如：（1）实施保护数据安全、促进信息共享的布兰代斯（Brandeis）计划；（2）开展全天候、全自动、全覆盖核探测的西格玛（Sigma）工程；（3）进行智能化复杂频谱管理的频谱地图（RadioMap）项目；（4）开展与计算机交流的研究，推进人机有效沟通与协作。
DARPA从征集的“未来30年技术愿景”中遴选出若干技术领域，如表3所示。
三、美国战略与国际研究中心
2015年11月，美国战略与国际研究中心（Center for Strategic and International Studies，CSIS）发布题为《国防2045：为国防政策制定者评估未来的安全环境及影响》的评估报告[3]。这篇报告是CSIS国际安全项目的研究成果，报告从人口、经济和国家力量、权力扩散、新兴技术和颠覆性技术、连通性、地缘政治六个方面，对未来安全环境进行评估。其中，未来可能要产生新兴技术和颠覆性技术的领域主要集中在以下几个方面，如表4所示。
四、麦肯锡研究院
2013年5月，麦肯锡研究院发布了《2025年前可能改变生活、企业与全球经济的12项颠覆性技术》[4]，据估算，到2025年这些技术对全球经济的直接影响将达14～33万亿美元。
五、兰德公司
兰德公司经过研究，提出了56项影响未来的技术[5]，如表6所示。
六、美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）技术评论
自2001年以来，美国的《MIT技术评论》每年评选出十大技术榜单，关注最有可能改变世界的创新性技术[6]。笔者梳理了近年来每年上榜的相关技术，如表7所示。
日本、英国、俄罗斯等国家及机构对颠覆性技术创新方向的预判
作者：刘春平
来源:中国科协创新战略研究院《创新研究报告》总第17期
编者按：
国家竞争或企业竞争，根本上都是科技和创新力的竞争。2008年国际金融危机以来，世界主要国家对技术预见高度重视，颠覆性技术成为各国战略布局的重点。颠覆性技术是一种另辟蹊径、对已有传统或主流技术途径产生颠覆性效果的技术，打破了传统的技术思维和技术发展路线，是对渐进性技术的跨越式发展。实践证明，谁能及时抓住颠覆性技术创新，谁就赢得了发展先机。本文将着重介绍日本、英国、俄罗斯等国家及机构对颠覆性技术创新方向的预判。
一、日本对颠覆性技术创新方向的预判
自1971年以来，日本已开展了10次技术预测，前5次预测的技术70%左右都已经实现或者部分实现。2013—2015年，日本进行了第10次技术预测，得出了5个主要结果[1]。分别是10个最重要的技术方向、10项未来竞争的关键技术、10项不确定性最强的技术、10项非连续性最强的技术、10项对社会伦理影响最深的技术。其中，重要的技术方向如表1所示。
二、英国对颠覆性技术创新方向的预判
目前，英国的技术预见活动共进行了三轮，对英国的科技、经济和产业发展产生了深远的影响。第三轮技术预见于2002年启动，2010年，英国发布了第三轮技术预见中技术与创新未来项目的预见报告——《技术与创新未来：英国2030年的增长机会》，对英国面向2030年的技术发展进行了系统性预见[2]（见表2）。
根据53个单项技术和28个技术群，报告确定了未来20年为英国经济持续增长提供动力的7个潜在领域：未来制造业、智能基础设施、第二次互联网革命、能源转型、低碳型新材料、再生医学、知识产权（见表3）。
其中，未来制造业、智能基础设施、第二次互联网革命被认为是最有改革潜力的3个领域，因为这3个领域是英国其他领域创新的平台，它们作为一个整体会对英国社会和商业的不同领域产生深远影响。
三、俄罗斯对颠覆性技术创新方向的预判
据俄罗斯国立高等经济大学研究，提出了2030年7大领域发展方向，主要包括信息和通信技术、医学技术、生物技术、纳米技术、资源与环境技术、运输与空间技术、能源技术等7大领域。
四、联合国对颠覆性技术创新方向的预判
联合国千年项目（The Millennium Project）2015年发布的《未来展望》[3]确定了以下15项全球面临的挑战：气候变化、洁净水资源、人口增长与资源之间的平衡、民主政体、决策力、信息通讯、贫富差距、减少新增疾病和重发疾病及免疫微生物的威胁、智能教育与学习、地区冲突、妇女地位、跨国犯罪、能源、科技、全球伦理。
其中科技发展方面，认为计算化学、计算生物学和计算物理学正在改变新科学和技术应用的性质与速度。未来合成生物学、3D和4D打印、人工智能、机器人、原子精确制造及其他纳米技术形式、远程遥控、无人机、可再生能源系统以及智能系统的协同增效将会使未来25年的技术创新总量远高于过去25年。
五、其他机构对颠覆性技术创新方向的预判
汤森路透在2015年5月26日发布的《开放的未来：2015全球创新报告》[4]中，对12个技术领域的全球科技文献和专利数据进行深入分析（见表4）。
世界著名的技术预测与创新专家丹尼尔·伯勒斯（Daniel Burrus）从企业发展的角度，提出未来需要关注的若干个领域，其中与技术相关的包括：大数据、云计算、硬件和软件虚拟化、按需服务、可穿戴设备、智能虚拟电子助手、生物识别技术、移动银行与智能手机支付、3D打印、机器对机器通信、物联网、自动化和智能机器人、无人机、能源存储、微电网等[5]。
（本文转自创新研究公众号）
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