2020年世界前沿科技发展态势及展望（下）

国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究小组

（接上期）

能源篇

全球油气市场供大于求，国际油价低位震荡。受新冠疫情影响，全球油气市场需求低迷，国际油价低位震荡，大量油企面临生存挑战。2020 年2 月，世界多国疫情持续发酵，原油需求疲软，国际油价连续下挫，自年初以来已累计下跌27%。3 月，石油输出国组织欧佩克（OPEC）未与俄罗斯就减产协议达成一致，国际油价再次遭受重击，出现恐慌性下跌。随后，沙特阿拉伯大幅下调销往欧洲、远东及美国等市场的原油价格，率先打响石油价格战。4 月，美国芝交所交易规则修改后的极端投机行为造成美国WTI 原油期货结算价跌至负值。OPEC+重启谈判达成的最大规模减产协议于2020 年5 月1 日正式执行，同时欧美经济重启，油价开始回升，但仍处于历史低位。受低油价冲击，国际石油巨头雪佛龙公司、巴西国家石油公司等多家油企入不敷出，面临生存挑战。

可再生能源投资火热，能源转型是大势所趋。越来越多的国家和企业为振兴经济而纷纷投资可再生能源。意大利国家电力公司发布“3 年能源可持续投资计划”，将在2020—2022 年间投资278 亿欧元用于绿色能源项目，以进一步增加可再生能源电力占比。英国政府宣布，将资助1.17 亿美元用于支持一系列清洁能源项目，以帮助一些工业领域和民众家庭降低碳排放。韩国公布了一项可再生能源长期计划，将可再生能源占韩国能源结构的比例从目前的15.1%提高到2034 年的40%。此外，美国能源信息署预测，到2021 年，美国风能和太阳能等可再生能源的发电量将超过核能和煤炭，2045 年将超过天然气，可再生能源在美国发电结构中所占的份额将从2019 年的19% 增加到2050 年的38%。

先进核反应堆和小堆商业化应用加速。全球多个国家和机构正在加速实现先进核反应堆和小堆的商业化应用。芬兰国家技术研究中心宣布，将启动开发区域供热小型模块化反应堆项目，并围绕小型堆技术在芬兰建立新的工业产业链。乌克兰国家核电公司表示，将不再新建大型水-水高能反应堆（VVER）机组，转为建设小型模块化反应堆，以更好地实现可再生能源与核电的电力互补。国际原子能机构启动一项为期3 年的小型模块化反应堆经济性研究项目，以帮助开发者按照市场的需求和期望开发特定的小堆商业模型。美国能源部宣布启动先进反应堆示范计划，不仅提供1.6 亿美元的初始资金，建造2 座能够在未来5～7 年内投入运行的反应堆，而且通过国家反应堆创新中心测试和评估先进核反应堆技术，以帮助美国私营企业进行研发。

氢能技术备受关注，产业发展迅猛。作为清洁能源供给体系的重要载体，氢能开发与利用成为世界新一轮能源技术变革的重要方向。澳大利亚塔斯马尼亚州政府发布的《可再生氢能工业行动计划》称，塔斯马尼亚州将于2025 年开始出口可再生氢气，并于2030 年成为全球最重要的可再生氢气生产商和出口商。德国通过《国家氢能战略》，计划将氢能技术发展成为德国出口的核心业务领域。欧洲氢能学会发布《2×40GW绿色氢能倡议计划》，以支持欧盟市场绿色氢的生产。欧盟采取了多项举措，例如，为氢能源生产提供50 亿～300 亿欧元支持，将下个长期预算中对氢能源项目的扶持资金提升至13 亿欧元，通过特别基金项目加大对可再生能源和氢能源基础设施的投资等，以此推动氢能源技术的发展。

先进制造篇

全球制造业发展滞缓，各国采取措施积极应对。新冠肺炎疫情对全球经济影响巨大，全球制造业发展滞缓。世界主要国家均采取分阶段解封措施扩大复工复产范围。欧盟签署总额为5400 亿欧元的紧急救助计划，并酝酿采取措施吸引制造业回归，以降低供应链外部依赖。美国启动“大众企业贷款计划”，以支持受疫情影响的中小企业。英国通过降息、拨款、拟定创业就业计划等措施，应对可能出现的失业潮。法国拨款1360 亿欧元实施经济救助，包括援助航空产业150 亿欧元和汽车产业80 亿欧元。

机器人技术持续创新，应用落地速度加快。德国马克斯· 普朗克研究所研发出能在血液中逆流移动的微型机器人，可通过体外磁场控制运动方向，或将为微型机器人从事针对性和局部性治疗铺平道路。中国科学院化学研究所开发出可程序化控制的磁性机器人，首次实现了液滴的切割、移动、释放和旋转等复杂行为，在化学分析和生物医学等领域具有广泛应用前景。波士顿动力机器狗Spot 在挪威石油公司Aker BP 实现应用，使用其立体摄像头系统、避障系统和机载传感器进行故障检查。韩国SK 电讯公司和日本欧姆龙集团合作开发出5G 防疫AI 机器人，其使用了AI、5G、机器人自动控制等尖端技术，可执行建筑物内喷洒消毒喷雾、使用紫外线灯灭菌、协助进行出入访客体温检查等任务。

3D 打印技术创新成果不断，技术与应用齐发展。德国卡尔斯鲁厄理工学院开发出“分光束”双光子3D 打印技术，可实现从100nm 到100μm 大跨度尺寸的3D打印，较之前提高数十倍至上百倍。中美科学家利用3D 打印技术构造出三维锥形不对称结构蒸发体系，使海水淡化速率达1.72kg/(m2·h)， 显 著 提 高 了水蒸发速率和能量利用效率。美国海军空战中心飞机分部（NAWCAD） 利 用3D 打 印 技术制造出医用防护面罩，以供给美国海军“仁慈”级医疗船，用于新型冠状病毒的防护工作。英国国防部利用增材制造技术开发出个性化形状的爆炸物，为爆炸效果创造新可能性，同时减少材料消耗，降低成本。

5G 技术加速与工业融合，促进智能制造新发展。英国投资900 万英镑启动名为“5G-Encode”的5G 技术与制造业融合项目，将探索工业环境中专用5G 网络的新业务模型，研究5G 在改善复合材料设计和生产过程中的实际应用。韩国现代重工集团与电信运营商KT 公司合作开发了基于5G 网络的先进智能船厂解决方案，进一步提升自主机器人技术，以提高效率和安全性。中国台湾微软公司与台达电子公司、远传电信公司三方共同打造了中国台湾地区第一个5G 智慧工厂，在生产过程中建立智慧物流调度系统，稳定执行物流搬运工作，大幅缩减物料搬运次数及人力成本，并依据监测资讯即时下达指令，有效提高产能。

航天篇

主要航天国家加快军事太空系统能力建设，以夺取太空战略优势。美国成立太空咨询委员会和数据治理委员会，以进一步掌握全球太空前沿技术发展态势，并将全面推行数据战略，为维持美国太空军事力量优势提供支持；研发出“小林丸”太空跟踪系统，启用太空监视雷达站“太空篱笆”和首套太空攻击武器系统“反通信系统Block 10.2”，并开始推进天基传感器层建设，以进一步提升美国的太空攻防能力，强化太空威慑。俄罗斯计划对国家太空监视系统进行改进，将重点提升系统信息探测和数据处理能力，加强太空综合保障能力建设；研制出“努多利河”机动式反卫星系统，并利用该系统发射直升式反卫星导弹，对其实战性能进行测试。英国任命首位太空司令部司令，并组建内阁级国家太空委员会，以领导英国全面开展太空能力建设，保护英国的太空利益。日本正式组建太空部队，并将构建天基预警系统，以提升对高超声速和弹道导弹等威胁目标的探测预警能力，加强太空防御能力建设。

美国强化太空领域合作，以应对太空威胁。美国计划与日本构建太空情报共享网络，并将帮助日本培养太空军事作战人员，继续深化双方在太空领域的合作。美国与印度签署《在太空态势感知领域开展科学合作》谅解备忘录，双方将在太空态势感知技术研发和地面监视设施建设等方面开展合作。美国与秘鲁签署《太空数据共享协议》，将为秘鲁提供太空态势感知信息。美国太空司令部正式接管“奥林匹克防卫者行动”项目，将与盟友构建太空联盟，共同强化太空威慑能力。英国作为该项目的成员国之一，计划与美国在2020 年合作研制并发射一颗试验卫星，以加强双方在太空领域的合作。

商业航天稳步发展，为天基通信网络建设、载人航天发射及在轨维护等任务提供有力支持。美国SpaceX 公司通过9 次发射成功将538 颗“星链”卫星送入轨道，并计划于2020 年底利用“星链”星座为北美和加拿大地区提供天基互联网服务。美国军方希望借助“星链”星座满足其北极地区通信需求，并将探索该星座的潜在军事能力。同时，SpaceX 公司成功发射载人龙飞船，将2 名航天员送往国际空间站，完成全球首次商业载人轨道发射，并使美国再度恢复载人航天发射能力。美国诺格公司的“任务扩展飞行器-1”商业在轨服务航天器成功完成卫星延寿服务，开启商业卫星在轨服务新模式。英国OneWeb公司成功发射第三批34 颗组网卫星，使其星座在轨卫星总数达74 颗，并拟于2021 年开始为政府和企业提供商业通信服务。

美俄日等国加强对深空探索的规划和投入，推动深空探索任务有序开展。美国发布《鼓励国际社会支持回收和利用太空资源》行政令，为美国商业航天企业进入太空资源开发领域提供支持。美国在《2021 财年预算案》中为NASA 提供252.46 亿美元预算，旨在推进“阿尔忒弥斯”登月计划，以在2024 年前实现送人重返月球目标。同时，该预算中有5.29 亿美元经费用于火星探索任务，以支持开展无人火星探测和取样回送任务。NASA 发布“阿尔忒弥斯”探月计划协定，要求参与该计划的国家遵守协定原则，以保障月球探索有序开展。俄罗斯计划与欧空局开展合作，拟在2025 年前完成3 次落月任务，并对月球极地和土壤环境开展研究。日本“火星卫星探测”任务进入全面研制阶段，将首次尝试把“火卫一”样品送回地球。印度计划于2021 年发射“月船”3 号探测器，第二次挑战月球软着陆任务。

航空篇

全球航空产业进入萧条期。在航空运营市场方面，新冠疫情致使全球航班大面积停飞，民航客运市场陷入低迷。美国航空公司、达美航空公司及联合航空公司停飞航班超过60%。德国汉莎公司、法国航空公司及爱尔兰航空公司等欧洲航空公司的航空载客量均下降近90%。亚洲地区航空公司的客运航班量也均下降50%以上。国际机场理事会发布报告称，新冠疫情的传播将使2020 年全球客运量减少2/5，并且使机场收入减少约50%。在航空产业链方面，受疫情影响，全球主要航空制造公司及供应商正面临生产延期、订单锐减及大幅裁员等问题。美国波音公司第一季度交付50 架飞机，同比下降45%。美国通用电气公司认为，疫情将对其飞机和发动机的生产及维修业务造成严重冲击，宣布将裁员10%，并削减一切不必要的开支。法国空客公司多地工厂遭遇短期停工，预计2020 年的飞机交付量将同比下降25%。英国罗罗公司预测全球对宽体发动机的需求锐减，宣布放弃2020 年度的盈利、交付及现金储备计划，并停止股东分红。

美俄等持续推进空中作战平台和装备的研发、测试及演练，为构建空中优势奠定基础。在无人机方面，美国海军计划在未来5 年为无人机系统投入约79 亿美元，以支持部队装备结构向无人化方向调整。美国成功完成“小精灵”空中发射/回收集群无人机的首次飞行试验，推进智能协同作战技术发展。俄罗斯计划研制一款能在临近空间和低密度大气层环境下执行作战任务的高超声速无人战机，以满足未来空战需求。英国空军正式组建“蜂群无人机”中队，以开展无人机防御能力研究，应对无人机威胁。法国利用“神经元”无人机与“阵风”战斗机开展协同作战测试，以研究实战环境下无人机的作战能力。澳大利亚推出首架具备人工智能技术的“忠诚僚机”无人机，将为其发展有人-无人机协同作战提供关键装备支持。在作战飞机方面，美军拟在未来5 年投入76 亿美元，用于研发“下一代空中主宰”战斗机，以取代现役的F-22 战斗机。美国利用B-1B、B-2及B-52 轰炸机多次演练奔袭亚太地区的洲际空袭能力，验证远程部署打击能力，提升战略威慑力。美国空军首次利用F-15E 战斗机完成B61-12 核弹飞行试验，以丰富空中核打击手段。俄罗斯推进“产品30”发动机的试验工作，以优化苏-57 战斗机的综合飞行性能。法德政府将“未来作战航空系统”项目合同授予空客公司等制造商，推进项目进入演示验证阶段，拟于2026 年实现战机试飞。日本为“哥斯拉”下一代F-X战斗机研制拨款2.5 亿美元，计划在2020 年底前制定研究框架，在2035 年实现列装。印度开展新型战机AMCA 的设计工作，计划在2025 年完成战机首飞任务。在高超声速武器方面，美国空军开启空射型高超声速巡航导弹研究，并将采购8 枚空射快速响应武器（ARRW）高超声速导弹，拟使ARRW 于2022 财年前具备初始作战能力，以提升现有空战平台的作战能力。美国空军和陆军共同开展新型高超声速武器研发工作，以扩展高超声速武器的应用范围。俄罗斯将在图-160 战略轰炸机上装备“匕首”高超声速导弹，并计划到2024 年将第712 航空兵团换装该型导弹，以增强俄罗斯的空中战略威慑力量。日本公布高超声速武器研发线路图，将研发高超声速巡航导弹和超高速滑翔射弹两类高超声速系统，并计划在2024—2028 年间完成两型武器的初期研制工作。

前沿科技在航空领域的探索应用不断加深，将颠覆现有空战模式。在人工智能技术方面，美国空军计划利用人工智能技术提升情报、监视与侦察（ISR）和空战任务规划能力，并帮助其改善全球机动能力和后勤补给水平。美国空军研究实验室计划率先在无人机领域应用神经形态计算技术，以提升空中平台的数据处理能力，加快决策速度。DARPA 推进“空战演进”项目研究，通过改进算法和作战对抗能力，推进空战系统的智能化发展。北约将对人工智能技术开展测试，以缩短空中战术任务的规划周期。韩国军方希望建立一个专门的研究机构，用于开发人工智能和激光武器等新一代技术。在5G 技术方面，美国已选定希尔空军基地、珍珠港-西卡姆联合基地及内利斯空军基地等12 个军事基地开展5G 技术试验和测试，并计划于2020 年底或2021 年初开始测试军用5G 网络。美军希望利用5G 技术提高网络信息体系构建效率和感知通信能力，为保持军事优势提供关键支持。在量子技术方面，美国空军计划举办虚拟量子对撞机活动，以探索量子技术的潜在军事用途，促进量子技术未来在航空领域的发展。印度启用先进军用技术研究实验室，对量子和人工智能等前沿科技开展研究。

新材料篇

美欧韩加快布局，抢占新材料产业发展制高点。美国多位议员推出《Endless Frontier Act》，拟投入千亿美元发展十大关键技术，其中材料科学、半导体在列。韩国产业通商资源部发布旨在应对日本限贸的“百大核心货品研发”扶持项目，将投资逾3000 亿韩元用于材料、零部件、设备领域研发，预计将有1000 多家企业参与。欧盟委员会签署一项价值1.5 亿欧元的资助协议，将继续资助欧洲石墨烯旗舰计划，致力于扶持石墨烯及其相关材料方面的研究和创新。欧洲启动“欧洲空间技术用合格碳纤维和预浸料”项目，旨在应对欧洲卫星子系统所需的高模量/超高模量碳纤维均为非欧洲公司生产的现状，同时提升欧洲本土公司的相关技术水平。

先进电子材料助力电子信息产业发展。瑞士洛桑联邦理工学院设计出一种基于二维半导体材料的新型器件，可用于构建类似于大脑神经元的节能电子系统，未来有望应用在可穿戴设备和人工智能芯片领域。俄罗斯开发出世界上最紧凑的绿光半导体激光器，对构造光芯片、微传感器和其他使用光作为信息传输及处理媒介的器件具有积极推动作用。美国海军研究实验室开发出应用5G 技术的新型氮化镓基电子器件，该电子器件打破了传统器件的电流输出与开关速率纪录，能使应用程序获取毫米波范围内的电磁波及太赫兹频率。中科院金属研究所在氧化物铁电材料中发现了半子拓扑畴及周期性半子晶格，为探索基于铁电材料的高密度信息存储器件提供了新思路。

智能自修复材料的应用领域不断扩展。日本东京大学开发出可自我修复的新复合材料，其具有机械和电气自愈性，可应用于军用装备、电子产品、汽车、飞机、建筑材料等领域。美国南密西西比大学研发出一种抗撕裂和室温自愈合的半导体复合膜，其可用于制造模拟人类皮肤的抗撕裂性和可愈合特性的新型弹性电子器件。以色列理工大学的研究人员开发出一种在遭受刮擦、割伤或扭伤时能够自愈合的柔性高分子材料，将其与传感器相结合，有望获得柔性具有自我修复能力的电子皮肤。我国科学家研发出“全天候自愈合材料”，其可在严寒、深海和强酸碱等极限条件下快速自愈合，有望成为机器人、深海探测器和极端条件下各类高科技设备的“超级电子皮肤”。

新能源材料推动电池行业创新发展。美国华盛顿州立大学开发出媲美锂电池的钠离子电池，其在1000 次循环充电后仍能保持80%以上的电量，该项研究使利用丰富而廉价的材料开发一种可行的电池技术成为可能。澳大利亚昆士兰大学开发出能量转换效率高达16.6%的新型量子点太阳能电池，比此前的世界纪录高出近25%，有助于进一步研发柔性、透明太阳能电池。我国研究人员成功制备出高能量密度的全柔性锂离子电池，使柔性锂离子电池的商业化应用指日可待，或可为未来可穿戴电子产品和其他极端条件下的应用提供能源。韩国科学技术研究院开发出新型硅负极材料，采用该材料的电池容量可提升4 倍，并且支持快速充电，预计将使电动车的续航里程翻倍。

前沿新材料研究成果竞相涌现。纳米材料方面，美国麻省理工学院发现了制造大片高质量、原子薄石墨烯的新方法，可用于制造超轻柔性太阳能电池和其他薄膜电子产品。3D 打印材料方面，荷兰Brightlands 材料中心正在开发具有自感知功能的3D 打印复合材料，可应用于监控航空航天、建筑和医疗保健等领域的关键结构状态。仿生材料方面，中美研究人员合作研发出兼顾高阻尼、高吸能与形状记忆等性能的镁基仿生材料，其有望成为满足精密仪器、航空航天等领域需求的新型阻尼减震材料。超材料方面，澳大利亚墨尔本斯威本科技大学制备出新型石墨烯太阳能加热超材料，其能够在开放环境中以最小的热损失被快速加热到83℃。液态金属方面，美国纽约州立大学制备出全球首款液态金属晶格结构，有望在航空航天、机器人和可调谐超材料中实现应用。

海洋篇

海洋强国围绕北极活动、舰船建造、海事业务等推出新政。美国海军研究署发布《2020 年海军制造技术计划》，阐述了美国海军2020 年重点型号和平台的发展方向，希望通过技术转化为舰队带来切实利益。欧洲海洋局发布《展望未来V：海洋十年的建议》，提出未来10 年以解决方案为导向的跨学科研究议程，核心目标是推动海洋可持续发展。日本船级社推出《数字化总体设计2030》计划，拟将其丰富的技术与经验拓展至海事相关业务，并着眼于海事及相关产业的创新。俄罗斯出台《俄罗斯2035 年前国家北极政策基础》，提出2035 年前俄罗斯在北极地区的国家政策目标、政策实施领域和主要任务，并确定了落实俄罗斯北极政策的主要机制，旨在保障俄罗斯在北极的国家利益。韩国政府公布一项8200 亿韩元的财政计划，以帮助中小航运企业更新船队，进一步巩固本国海运安全。

北极开发呈现多国、多方位参与态势。在军事部署方面，俄罗斯在北极地区新部署了第二个防空师、S-300 地空导弹部队，加速构建北极防空网；美国联合英国、加拿大等国举行“ICEX-2020”极地演习，并向阿拉斯加埃尔森空军基地部署首批两架F-35A 战斗机，以应对俄罗斯北极威胁。在航道开发方面，俄罗斯拟定北方航道发展计划，将至少建造40 艘北极船只、升级4 个北极机场、修建铁路和海港，并促进对北极自然资源的大规模开采。在破冰船建造方面，俄罗斯开建全球最强大的“领袖”号重型核动力破冰船；美国总统特朗普下令组建“极地安全破冰船队”，以维护美国在北极的利益。在北极通信方面，美国北方司令部将在2021 财年投入1.3 亿美元开展极地通信实验，并寻求与SpaceX 公司合作，以提高美国的北极通信能力；俄罗斯建成专用于北极的无线军用互联网，将显著提升俄罗斯对偏远部队的作战指挥能力。在国际合作方面，韩国与北极七国大使馆结成“Arctic Club in Korea”组织，希望借此加深与北极七国的合作交流；俄罗斯与瑞典、芬兰、挪威等北极国家讨论了双方的北极合作前景，并与部分国家就北极联合项目达成协议。

美国推动海上无人装备创新发展。DARPA 提出“海上列车”概念，计划通过物理连接方式将无人舰艇连在一起，使其克服波浪阻力，提高航行效率，具备远洋航行能力。“海上列车”聚焦越洋运输和远程作战能力，旨在未来可能发生的海战中，为海军和海军陆战队跨洋进行装备物资投送，从而占据战争主动权。此外，DARPA 正积极推进“无人值守舰船”项目。该项目希望通过开发一种无需考虑安置船员等相关设计因素的舰船，以挑战传统海军平台模式，证明其在尺寸、成本、海上可靠性、海上生存能力等方面的优势，并在不考虑船员安全和舒适性的前提下，通过优化船体结构来提高船舶动力效率。

日欧引领电动及清洁燃料船舶发展方向。在环保政策趋严、动力电池技术成本不断下降的背景下，电动船舶和氨燃料船舶因其绿色环保、零污染、安全及使用成本低等优点而备受关注。在电动船舶领域，日本船企宣布建造全球首制两艘零排放电力推进油船。新船将由大容量锂离子电池供电，能够实现污染物质零排放。此外，日本船企还联合其他企业组建了“e5 联盟”，致力于开发零排放电动船舶，以促进日本沿海航运的可持续发展。挪威航运巨头康士伯公司为全球首艘无人纯电动拖船供应方位推进器，助力电动船舶领域发展。在氨燃料船舶领域，日本5 家船企联合全球船机巨头研发氨燃料船舶，目标是在2024 年实现氨燃料船的商业化，并推出日本行业标准。

航运业网络安全建设加速。美国海岸警卫队发布《技术革命路线图》，旨在彻底改革其数据管理系统，提升网络攻击与防守能力，以保护美国免受对手侵害。韩国船级社与韩国三星重工公司签署《船舶网络保安网络构建及设计安全性评价相关共同研究》谅解备忘录，共同研究应对针对船舶的多种网络威胁技术。数字集装箱运输协会（DCSA）与9 个成员运营商共同发布《DCSA 船舶网络安全实施指南》。该指南与现有的波罗的海国际航运公会和美国国家标准技术研究院的网络风险管理框架保持一致,使船东能够有效地将网络风险管理纳入其现有的安全管理系统中。