《科技前沿讲座》课件

科技前沿讲座本讲座旨在探索当今科技前沿领域的最新发展与突破我们将深入研究从人工智能到太空探索的各种尖端技术，解析其原理、现状及未来发展趋势通过本次分享，希望能够帮助大家了解科技创新的最新动态，把握未来发展方向科技创新正以前所未有的速度改变着我们的世界，深刻影响着人类社会的发展方向我们正处于一个技术变革的关键时期，各种前沿科技相互融合，催生出无限可能目录引言科技创新的重要前沿科技专题讲解12性深入解析人工智能与机器学习探讨科技创新如何驱动经济发、量子计算、生物技术与基因展，解决全球性挑战，并提高编辑、新能源与可持续发展、人类生活质量与物联网、太空探索及纳5G米技术等领域的最新进展结语展望未来3探讨跨学科融合趋势、人机协作新模式、可持续发展科技、颠覆性技术预测、科技伦理与监管、全球科技合作、科技人才培养及科技创新生态系统引言科技创新的重要性驱动经济发展科技创新是推动经济增长的核心引擎，通过提高生产效率、创造新产业和新就业机会，有效促进国民经济持续健康发展研究表明，技术进步对经济增长的贡献率已超过，成为当今世界各国竞争70%的焦点解决全球性挑战从气候变化到粮食安全，从公共卫生到能源危机，科技创新为人类应对全球性挑战提供了强有力的工具创新型解决方案正在帮助我们建设更加可持续的未来提高生活质量科技创新极大地改善了人类生活质量，从医疗保健到通信技术，从交通出行到娱乐方式，科技进步使我们的生活更加便捷、健康和丰富多彩人工智能与机器学习（）1/8年代早期概念形成11950-人工智能概念由约翰麦卡锡等人在年达特茅斯会议上正式提出·1956，开启了研究的学术旅程这一时期主要集中在符号逻辑和问题求AI解上，如早期的逻辑理论家程序年代专家系统兴起21980-1990-基于规则的专家系统在特定领域取得了成功，如医疗诊断系统同时，机器学习理论开始发展，神经网络研究重获关注MYCIN年至今深度学习革命32010-大数据、算法改进和计算能力提升推动了深度学习的爆发式发展，AI在图像识别、自然语言处理等领域取得突破性进展，开始大规模商业应用人工智能与机器学习（）2/8超人类表现在特定任务中超越人类水平1多模态深度模型2整合文本、图像、声音等多种数据大规模预训练模型

3、等基础模型GPT BERT卷积神经网络和循环神经网络CNN RNN4图像和序列处理的基础架构多层人工神经网络5深度学习的核心结构深度学习技术通过建立多层次的人工神经网络，模拟人脑的信息处理机制，实现了从数据中自动学习特征和模式的能力近年来，随着大规模预训练模型的兴起，系统AI展现出了前所未有的理解和生成能力，在图像分类、目标检测、语言翻译等多个领域取得了突破性进展人工智能与机器学习（）3/8第一代基于规则NLP早期的自然语言处理主要依赖手工编写的语法规则和词典，能力有限，适应性差，难以处理语言的复杂性和歧义性第二代统计方法NLP通过使用概率模型和机器学习算法，如隐马尔可夫模型、条件随机场等，提高了系统在真实文本上的表现，但仍需大量特征工程第三代神经网络NLP基于深度学习的方法，特别是循环神经网络、长短期记忆网RNN络和注意力机制，大幅提升了系统的性能LSTM NLP第四代预训练语言模型NLP以、为代表的预训练语言模型，通过在海量文本上进BERT GPT行自监督学习，掌握了丰富的语言知识，实现了通用语言理解能力人工智能与机器学习（）4/8面部识别医学影像分析自主导航与障碍物检测基于深度学习的面部识别技术已广泛应用系统能够辅助医生分析光片、和计算机视觉技术使无人机、机器人等设备AI XCT于安防监控、身份验证等领域，识别准确扫描图像，提高诊断效率和准确性，能够识别环境、避开障碍物，实现自主导MRI率在理想条件下可达以上中国在该特别是在肿瘤检测、骨折识别等方面表现航，为工业检测、物流配送等应用提供技99%领域技术应用处于世界领先地位突出术支持人工智能与机器学习（）5/8行动选择环境感知评估可能的行动方案2通过传感器收集环境数据1执行行动在环境中实施选定的行动35策略优化获取反馈基于反馈调整决策模型4接收行动带来的奖励或惩罚强化学习是机器学习的一个重要分支，通过试错方式让代理在与环境的交互中学习最优决策策略与监督学习不同，强化学习不AI需要标记数据，而是通过奖励信号指导学习战胜世界围棋冠军、的自动对战系统等都是强化学习的典型AlphaGo OpenAIDOTA2应用人工智能与机器学习（）6/8智能辅助诊断个性化治疗方案系统能够分析医学影像、电子健康记录和基因组数据，辅助医生进基于患者的基因特征、病史和生活习惯，算法可以推荐更加个性化AI AI行疾病诊断例如，百度开发的算法将新冠病毒的治疗方案，提高治疗效果已在多家中LinearFold AIRNA IBMWatson forOncology二级结构预测时间从分钟缩短到秒，大大加速了疫苗研发进程国医院应用，协助制定癌症治疗计划5527药物研发加速医疗机器人技术显著缩短了新药发现和开发周期例如，华为和阿斯利康合作手术机器人如达芬奇手术系统，能够辅助医生进行微创手术，提高手术AI开发的药物研发平台，能够预测药物分子与靶点蛋白的结合情况，精确度；护理机器人可以减轻医护人员工作负担，提供基础照护服务AI大幅提高筛选效率人工智能与机器学习（）7/8级完全自动驾驶L51无需人类监督，全场景自动驾驶级高度自动驾驶L42特定场景下完全自动驾驶级有条件自动驾驶L33部分场景自动驾驶，需人类接管级部分自动驾驶L24提供转向和加减速辅助级驾驶辅助L15提供单一辅助功能自动驾驶技术是应用的重要前沿目前，中国的百度、小马智行等公司已在多个城市开展自动驾驶测试和商业化尝试感知系统是自动驾驶的核心，通过摄像头AI Apollo、激光雷达、毫米波雷达等传感器融合，结合深度学习算法，实现对道路环境的精确感知和理解人工智能与机器学习（）8/8隐私保护挑战算法偏见问题安全与控制风险系统依赖大量数据训练，如何在保障如果训练数据中包含人类社会的偏见，随着系统变得更加复杂，其行为可能AI AI个人隐私的同时满足发展需求，是一系统可能会放大这些偏见例如，在变得难以预测和解释特别是在自动武AI AI个亟待解决的难题中国《个人信息保某些招聘系统中，发现存在性别偏见器、关键基础设施等领域，失控可能AI AI护法》等法规已开始对数据使用进行，倾向于推荐男性候选人如何确保带来严重后果需要建立有效的安全机AI AI规范决策的公平性是重要挑战制和伦理准则面对这些挑战，全球各国正在制定伦理准则和监管框架中国于年发布《新一代人工智能伦理规范》，强调人工智能应遵循AI2021和谐友好、公平公正、包容共享、尊重隐私、安全可控、共担责任、开放协作等原则量子计算（）1/6量子力学基础并行计算能力适用问题类型123量子计算基于量子力学原理，利用通过量子叠加原理，个量子比特量子计算特别适合解决传统计算机n量子叠加和量子纠缠等量子现象进可以同时表示个状态，这使得难以处理的问题，如大数分解、数2^n行信息处理与经典计算使用确定量子计算机在处理特定问题时具有据库搜索、量子模拟和优化问题的或不同，量子计算使用量子比指数级的速度优势例如，一个例如，算法可以高效分解大数0150Shor特，可以同时处于多个状态的叠加量子比特的系统理论上可以同时处，对现有密码系统构成潜在威胁理个状态2^50量子计算（）2/6量子比特量子门量子电路Qubit量子计算的基本单位，与经典比特不同，量子计算中的基本操作单元，用于操控量通过组合量子门构建的量子算法执行路径量子比特可以同时处于和的叠加子比特状态常见的单量子比特门包括泡量子电路表示了量子比特如何通过一系|0|1⟩⟩状态可以通过布洛赫球面来可视化量子利门、、、阿达马门等；双量子列量子门操作进行演化，最终得到计算结X YZ H比特的状态，其中球面上的每一点代表一比特门包括受控非门、门果量子电路模型是量子计算的主流计算CNOTSWAP个可能的量子态等这些量子门构成了量子算法的基础模型量子计算（）3/6量子纠缠量子态传输量子叠加当两个或多个量子比特纠缠在一起利用量子纠缠和经典通信，可以将量子系统可以同时处于多个状态的时，它们的状态不能独立描述，即一个未知的量子态从一个位置传送叠加，直到被测量这使得量子计使相距遥远，一个量子比特的测量到另一个位置这不是物质的传输算机能够同时处理多条计算路径，会立即影响其他纠缠比特的状态，而是量子信息的转移这一技术在某些问题上展现出巨大的并行计爱因斯坦曾称之为鬼魅般的远距作为未来量子网络奠定了理论基础算潜力用这一性质是量子计算强大能力的核心量子退相干量子系统与环境相互作用导致量子信息泄露，是构建实用量子计算机的主要挑战各种量子纠错技术正在被开发，以解决这一问题量子计算（）4/6算法Shor由于年提出，能够高效分解大整数这一算法一旦在大规模Peter Shor1994量子计算机上实现，将破解当前广泛使用的加密系统目前已在小规模量RSA子计算机上验证了其可行性算法Grover提供了在无序数据库中搜索的平方加速，将搜索复杂度从降低到ON O√N这一算法在数据库搜索、优化问题等领域有广泛应用前景量子模拟算法利用量子计算机模拟其他量子系统的行为，特别适合物理、化学和材料科学领域例如，可以精确模拟分子的量子行为，加速新药开发和新材料设计量子机器学习算法将量子计算与机器学习相结合，如量子支持向量机、量子神经网络等，有望在处理高维数据方面展现优势中国科学家在量子机器学习理论研究方面取得了多项突破量子计算（）5/6全球主要科技强国正在积极研发量子计算机的超导量子计算机已达到量子比特；谷歌的处理器实现了量子霸权IBM127Sycamore，完成了经典超级计算机需要数千年的计算任务；中国的九章光量子计算机在高斯玻色采样问题上展现出指数级加速量子计算硬件路线主要包括超导量子比特、离子阱、光量子计算、量子点和拓扑量子计算等目前，超导量子比特和离子阱技术最为成熟，而中国在光量子计算领域具有独特优势量子计算（）6/6量子通信网络量子密码学基于量子密钥分发的安全通信网络正在建设开发抵抗量子计算攻击的后量子密码算法，中中国建成了世界上第一条量子通信骨干同时利用量子力学原理构建无条件安全的量网京沪干线，并通过墨子号卫星实现了洲子加密系统，如量子密钥分发12QKD际量子通信量子软件生态容错量子计算开发用户友好的量子编程语言、编译器和算43开发有效的量子纠错码和容错技术，构建大法库，降低量子计算使用门槛如的IBM规模实用量子计算机，预计在未来年5-

10、谷歌的和中国的本源量子软件Qiskit Cirq内可能实现平台等量子计算有望在未来年内取得重大突破，对密码学、药物发现、材料科学和人工智能等领域产生革命性影响中国在量子通信10-20领域已处于世界领先地位，在量子计算硬件和软件方面也在快速追赶生物技术与基因编辑（）1/7年双螺旋结构发现1953-DNA1沃森和克里克发现的双螺旋结构，为现代分子生物学奠定基础这一发DNA现揭示了遗传信息如何在分子中编码和传递DNA年桑格测序法21977-弗雷德里克桑格开发的链终止法，是第一代测序技术的代表，允许科学·DNA家开始读取序列人类基因组计划初期主要使用这一技术年下一代测序技术DNA2005-3以等公司为代表的高通量测序技术出现，大幅降低测序成本和提高Illumina速度这一技术革命使得个人基因组测序成为可能年至今第三代测序技术42015-以牛津纳米孔和为代表的单分子实时测序技术兴起，能够产生更长读PacBio长，更好地解析复杂区域这些技术正在彻底改变基因组学研究生物技术与基因编辑（）2/7系统原理高精度靶向技术创新CRISPR-Cas9该系统源自细菌的天然免疫系统，由系统的关键优势在于除了基础的系统外，研究人员还CRISPR-Cas9Cas9两个关键部分组成其高度的特异性，可以精确靶向基因开发了多种变体，如高保真、碱CRISPR RNA Cas9引导和酶引导引导组中的特定位置这种精确性使其成基编辑器和质粒转化，进一RNACas9RNA CRISPR酶精确定位到目标序列，为基因治疗的理想工具，但也存在脱步拓展了基因编辑的可能性中国科Cas9DNA酶切割，启动细胞修复机靶效应的风险学家张锋是领域的先驱者之Cas9DNA CRISPR制，从而实现基因编辑一医疗应用技术已在多种遗传病的治疗CRISPR研究中取得进展，如镰状细胞贫血、地中海贫血和某些癌症类型中国β在临床试验方面走在了世界CRISPR前列生物技术与基因编辑（）3/7基因电路设计合成生物学家设计具有特定功能的基因网络，如振荡器、双稳态开关或逻辑门电路这些设计通常以计算机建模为指导，结合生物元件库中的标准化部件合成与组装DNA使用合成技术构建所需的序列，再通过组装等方法将多个片DNA DNAGibson DNA段精确组装成完整的基因电路中国在大规模合成能力上已处于世界前列DNA宿主细胞转化将合成的构建体导入宿主细胞（如大肠杆菌、酵母或哺乳动物细胞），使其DNA在宿主中正确表达和功能化选择合适的宿主对成功率至关重要功能测试与优化测试合成系统的性能，通过迭代设计循环不断优化高通量筛选和机器学习方法正在加速这一过程，提高成功率合成生物学正在从单基因操控向复杂基因线路和全基因组合成方向发展中国科学家在酵母人工染色体合成、大肠杆菌基因组重编程等领域已取得重要进展生物技术与基因编辑（）4/7体内基因治疗体外基因治疗治疗RNA直接在患者体内修改靶基因例如，用从患者体内提取细胞，在实验室中进行不直接编辑，而是通过调控来DNA RNA于治疗视网膜疾病的，通过病基因修饰，然后回输给患者如实现治疗目的如反义寡核苷酸和Luxturna CAR-T RNA毒载体将功能性基因导入视网膜细胞细胞疗法，通过改造患者的细胞使其能干扰技术新冠疫苗的成功也为T mRNA这种方法简化了治疗流程，但面临精确够识别和攻击癌细胞疗法开辟了新前景RNA靶向和免疫反应等挑战中国在细胞疗法研发和临床应用中国企业已开始布局技术平台，CAR-T mRNA中国科学家在腺相关病毒（）载体方面位居世界前列，已有多个产品获批加速推进治疗的本土化研发AAV RNA开发方面取得了显著进展，这是体内基上市因治疗的主要载体生物技术与基因编辑（）5/7多能干细胞包括胚胎干细胞和诱导多能干细胞，可分化为人体几乎所有类型的细胞ESCs iPSCs年，山中伸弥开发出技术，通过重编程成人细胞获得多能性，避免了使2006iPSC用胚胎的伦理争议中国科学家已建立了世界领先的细胞库iPSC成体干细胞存在于成年组织中的具有有限分化能力的干细胞，如造血干细胞、神经干细胞和间充质干细胞骨髓移植是成体干细胞治疗的经典应用中国在间充质干细胞治疗自身免疫疾病方面取得了显著进展组织特异性干细胞能够分化为特定组织或器官细胞的干细胞例如，皮肤干细胞可用于治疗严重烧伤，肝脏干细胞可促进肝脏再生中国科学家在肝脏干细胞研究领域处于国际前沿定向分化与类器官培养通过精确控制培养条件，引导干细胞定向分化为特定细胞类型或三维类器官结构类器官技术为疾病建模和药物筛选提供了强大工具北京大学等机构在脑类器官研究方面取得重要突破生物技术与基因编辑（）6/7生物打印原理生物打印是一种将活细胞、生物材料和生物活性分子精确沉积到预定位置的层层叠加技术主要打印方法包括挤出式生物打印、喷墨式生物打印和激光辅助生物打印生物墨水的成分和性能是决定打印成功的关键因素皮肤组织打印最成熟的生物打印应用之一，已有产品进入临床使用阶段打印皮肤可用于烧伤治疗、药物3D测试和化妆品安全评估中国科学院正在开发个性化皮肤打印技术，以满足临床需求血管网络打印解决大型组织氧气和营养物质供应的关键挑战中国研究人员开发了多种打印血管的创新方法，包括共轴打印和牺牲材料技术，已实现复杂血管网络的构建器官芯片技术结合微流控技术和生物打印，构建模拟器官功能的微型体外模型肝脏芯片、肺芯片等可用于药物筛选和毒性测试，减少动物实验上海交通大学在多器官芯片集成方面取得重要进展生物技术与基因编辑（）7/7伦理问题具体关切监管进展人类胚胎基因编辑修改可遗传的生殖细胞，引大多数国家禁止；中国已颁发设计婴儿担忧布《人类遗传资源管理条例》加强监管生物安全风险基因驱动技术可能对生态系《卡塔赫纳生物安全议定书统造成不可预见影响》；中国修订《生物安全法》基因隐私与歧视基因信息可能导致就业或保中国《个人信息保护法》将险歧视基因信息列为敏感个人信息公平获取问题高成本技术可能加剧健康不各国探索医保覆盖和价格管平等控机制知识产权争议基因专利引发伦理和法律争专利战；中国加强CRISPR议生物技术知识产权保护生物技术的快速发展需要伦理框架和监管体系的同步更新中国正在加强生物技术伦理审查和监管，并积极参与国际生物伦理治理对话，以促进科学进步与伦理平衡新能源与可持续发展（）1/731%光电转换效率当前实验室太阳能电池最高效率25%成本下降率过去十年太阳能发电成本年均下降860GW全球装机容量年全球光伏累计装机量2021305GW中国装机容量中国光伏累计装机量，全球第一太阳能技术正经历快速发展，光电转换效率不断提高，成本持续下降钙钛矿太阳能电池是近年来最具突破性的技术，效率已从年的2009提升至年的，接近传统硅基太阳能电池中国在光伏制造和应用领域处于全球领导地位，拥有全产业链优势

3.8%

202125.7%新能源与可持续发展（）2/7海上浮动风电垂直轴风力发电机空中风能系统浮动式海上风电场可以部署在更深的海域适用于城市环境的创新风力发电技术，可利用高空更强劲稳定的风能资源，通过风，获取更稳定、更强的风能资源这项技以捕获多方向风能，噪音低，占地面积小筝或飞行装置捕获风能这一前沿技术可术克服了传统固定式海上风电对水深的限这种设计特别适合分布式能源系统和城以获取地面风力发电机无法达到的高空风制，扩大了可开发区域中国已在福建、市建筑集成中国在垂直轴风机小型化和能，提高发电效率中国科学院等机构正广东等地开展浮动式海上风电示范项目高效化方面取得显著进展积极研发此类技术新能源与可持续发展（）3/7制氢储存与运输1电解水、甲烷重整、生物制氢等高压气态、液态氢或有机载体2回收与再利用氢能应用4水作为唯一排放物可循环利用3燃料电池、工业原料、化工合成氢能源被视为清洁能源转型的关键载体，尤其适合难以电气化的重工业、长途运输和季节性储能领域中国已将氢能纳入国家能源战略，发布《氢能产业发展中长期规划》，明确了十四五及中长期氢能发展路线图燃料电池汽车是氢能最重要的应用方向之一中国已建成数十座加氢站，多家企业量产氢燃料电池客车和物流车上海、北京等城市正在推动氢能公共交通示范同时，中国正积极发展可再生能源制氢技术，降低绿氢成本新能源与可持续发展（）4/7磁约束核聚变惯性约束核聚变12通过强磁场约束高温等离子体，实利用激光或粒子束等外部能量源压现受控核聚变反应中国的人造太缩和加热氘氚燃料，在极短时间内阳东方超环已实现实现聚变反应中国的神光系列激——EAST亿摄氏度等离子体运行超过光装置在惯性约束聚变研究中发挥

1.2秒，创造世界纪录中国还是重要作用年，美国国家点1002022国际热核聚变实验堆项目的火装置首次实现聚变能量增益ITER NIF重要参与方，负责多个关键部件的大于的点火里程碑1研发制造新型聚变概念3探索磁约束和惯性约束之外的新途径，如磁惯性约束聚变、箍缩等中国科学家Z正在研究小型化、低成本的聚变堆概念，以加速聚变能源的商业化进程清华大学提出的混合式聚变裂变系统是一种过渡性解决方案-核聚变被视为人类未来的终极能源，具有燃料丰富、无污染、安全系数高等优势尽管技术挑战巨大，专家预测商业化核聚变电站可能在年实现2045-2060新能源与可持续发展（）5/7能量密度循环寿命次成本元Wh/kg/kWh能源存储是可再生能源大规模应用的关键支撑锂离子电池目前是主流技术，但面临资源限制；钠离子电池作为新兴技术，具有成本优势；固态电池提供更高能量密度和安全性；液流电池适合大规模长时储能；氢能储存具有季节性调节潜力中国在能源存储领域投入巨大，已建成全球最大的电化学储能电站群，并在钠离子电池、液流电池等前沿技术研发方面处于国际领先水平新能源与可持续发展（）6/7智能电网基础设施分布式能源与微电网能源互联网平台智能电网利用先进传感、通信和控制技分布式能源系统将小规模发电设施部署能源互联网是电力系统与信息技术的深术，实现电力系统的智能化监控和管理在靠近用户的位置，减少传输损失微度融合，通过物联网、大数据和人工智中国已建成世界上规模最大的特高压电网可以实现区域能源自给自足，提高能技术，实现能源的高效共享和智能交电网，能够将西部和北部丰富的可再生系统韧性中国正在推动源网荷储一体易国家电网提出的泛在电力物联网概能源输送到东部和南部负荷中心，显著化和多能互补的综合能源服务体系建设念，正在引领能源数字化转型提高电力资源配置效率智能电网与能源互联网是构建清洁、低碳、安全、高效能源体系的关键基础设施中国正加快推进新型电力系统建设，支撑高比例可再生能源接入和消纳，助力双碳目标实现新能源与可持续发展（）7/7碳捕获技术碳运输系统碳地质封存从工业排放源直接捕获二氧化碳的通过管道、船舶或车辆将捕获的二将二氧化碳注入地下深层盐水层、技术，主要包括燃烧后捕获、燃烧氧化碳运输到存储或利用地点中枯竭油气藏或不可开采煤层中长期前捕获和富氧燃烧三种路线中国国正规划建设碳捕集、利用与封存封存中国在陕西延长石油、吉林华能集团在北京高碑店电厂建成了产业集群和运输网络，促进油田等地开展了多个碳封存示范项CCUS亚洲最大的碳捕获示范项目，每年区域碳减排协同目，积累了宝贵经验可捕获约万吨二氧化碳10碳资源化利用将捕获的转化为有价值的产品CO2，如化学品、建材或合成燃料中国科学院开发的二氧化碳制甲醇技术已实现产业化，每年可消耗二氧化碳万吨15与物联网（）5G1/6超高速率超低时延理论峰值速率可达每秒吉比特，是的倍这使得端到端时延可低至毫秒，远低于的毫秒，满足自动驾驶、5G10Gbps4G10-1005G14G20-100超高清视频实时传输、云等应用成为可能中国移动已在商用网工业控制等对实时性要求极高的场景华为开发的确定性网络技术能够保证8K VR/AR络中实现了超过的下行速率，为用户提供前所未有的移动体验工业场景的时延稳定性，为智能制造提供可靠保障1Gbps海量连接网络切片每平方公里可支持万个设备同时连接，为大规模物联网部署创造条件通过软件定义网络技术，在同一物理网络上创建多个虚拟网络，为不同应用100中国电信在智慧城市项目中已实现数十万个传感器的高密度部署和高效管理提供定制化服务中国联通已推出面向智能电网、智慧医疗等垂直行业的专属网络切片服务与物联网（）5G2/6核心网基于云原生架构的服务化网络1传输网2高带宽光纤网络和毫米波回传无线接入网3大规模和波束赋形技术MIMO基站设备4宏站、微站和室内分布系统终端设备5智能手机、和物联网模组CPE网络采用全新的网络架构，实现了控制面和用户面分离、网络功能虚拟化和边缘计算等创新中国已建成全球最大规模的网络，截至年底，累计建设开通基站超过5G5G20225G200万个，覆盖全国所有地级以上城市在技术标准和设备制造方面，中国企业发挥了重要作用华为、中兴等公司在专利数量上位居全球前列，主导了多项关键技术的国际标准制定中国移动、中国电信和中国联通积5G5G极开展商业部署和应用创新，推动与各行业深度融合5G5G与物联网（）5G3/6智慧城市工业物联网智能家居车联网智慧农业其他领域物联网技术正在改变人类生活和生产方式据统计，全球物联网连接数已超过亿，预计到年将达到亿中国物联网产业规模已超过万亿元，连续多年保持两位数增长

13020253002.4窄带物联网、和等多种通信技术共同构成物联网连接基础中国已建成全球最大的网络，连接数超过亿同时，中国在、传感器、边缘计算等物联网核心技术领域也取NB-IoTLoRa5G NB-IoT1RFID得了重要突破与物联网（）5G4/6设备互联工业互联网通过各类传感器和通信模块，实现生产设备的全面互联中国工业企业数字化改造正在加速，联网设备数量年增长率超过海尔、徐工等龙头企业已建成30%示范性工业互联网平台数据采集与分析通过工业大数据分析，挖掘生产过程中的优化空间华为与鞍钢合作的智能冷轧项目，利用算法优化生产参数，产品质量一次合格率提升了，能源消耗降低AI15%10%智能决策与控制基于数据分析结果，实现生产过程的智能决策和精准控制徐工集团的挖掘机远程监控系统，能够实时监测设备状态，预测潜在故障，减少停机时间，提高作业效率生产模式创新工业互联网促进了柔性制造、远程运维、共享制造等新模式的发展海尔平台已服务超过家企业，支持大规模个性化定制生产，企业库存COSMOPlat4000周转率提升超过40%与物联网（）5G5/6智慧城市运营中心智能交通系统智慧能源管理集成城市各系统数据，实现跨部门协同和利用、和物联网技术，提高交通运通过智能电网和能源互联网，优化能源生5G AI一体化管理杭州城市大脑通过算法优行效率和安全性深圳交通大脑接入了全产、配送和使用上海虹桥商务区能源互AI化交通信号配时，使主城区通行时间平均市万多个信号灯和万多个摄像头，实现联网示范项目，整合光伏发电、储能和需23缩短，在个路口实现了救护车了交通流的实时监测和智能调度，高峰期求侧响应，降低了区域用电成本，减

15.3%12015%一路绿灯通行效率提升超过少碳排放约万吨年20%2/与物联网（）5G6/6超高频段利用1将探索太赫兹频段，提供比更宽的频谱资源，理论峰值速率可6G

0.1-10THz5G达每秒太比特中国已启动太赫兹通信关键技术研究，在高频器件、天线和1Tbps信道建模等领域取得初步进展集成感知与通信2将实现通信和感知功能的深度融合，网络不仅能传输信息，还能感知环境、定位目6G标这一技术将为全息通信、精准导航和环境重建提供支持中国科学院已开展了相关原型系统研发智能化网络架构3将采用网络即理念，通过深度学习和强化学习等技术，实现网络自组织、自优6GAI化、自演进华为提出的内生智能概念正在为网络智能化奠定理论基础6G天地一体化网络4将整合卫星、高空平台和地面系统，构建全球无缝覆盖的立体通信网络中国正在6G推进天地一体化信息网络试验系统建设，为未来全连接奠定基础6G太空探索（）1/7年天问一号成功着陆12021-中国首次火星探测任务天问一号成功着陆火星乌托邦平原，使中国成为继美国之后第二个成功在火星软着陆的国家祝融号火星车在火星表面工作超过个火星日，行驶米，获取了大量火星表面数据和图像3581921年毅力号与机智号22021-美国毅力号火星车和机智号火星直升机成功着陆火星机智号是人NASA类首次在另一个星球上实现受控飞行的航空器，已完成多次成功飞行，证明了在火星稀薄大气中飞行的可行性年多国火星任务32022-2028-欧空局任务、阿联酋希望号、印度火星轨道飞行器二号等多个国ExoMars际火星探测项目陆续展开中国计划在年前后实施火星采样返回任务2028，与美国和欧空局形成竞争态势太空探索（）2/7重返月球并建立永久月球基地已成为主要航天国家的共同目标美国阿尔忒弥斯计划旨在年前实现载人登月，并在年前20252030建立月球表面基地中国与俄罗斯联合宣布国际月球科研站计划，预计在年前完成基本建设欧空局提出的月球村概ILRS2035念强调国际合作模式月球基地面临多重技术挑战，包括辐射防护、极端温差、月尘危害和资源自给等就地资源利用技术是解决月球基地可持续性ISRU的关键，包括从月壤中提取氧气、氢气、水和建筑材料中国嫦娥六号、七号、八号计划将为月球基地建设进行关键技术验证太空探索（）3/7近地小行星采矿关键采矿技术经济和法律挑战近地小行星富含稀有金属和矿物，特别小行星采矿涉及多项前沿技术，包括自小行星采矿面临巨大的启动成本和技术是铂族金属含量远高于地球估主控制系统、微重力下的锚定技术、原风险，同时国际空间法对太空资源开发NASA计小行星可能含有价值超过位资源利用和提纯设备等中国科学家的规范尚不完善《外层空间条约》规16Psyche万亿美元的镍铁和贵金属中国计划提出了采用气囊包裹和旋转分离等独特定太空是全人类共同的领域，但对资源10在年前启动近地小行星采样和探采矿方案，针对小行星结构特点设计商业开发权缺乏明确规定中国主张建2025测任务，为未来采矿做准备立公平合理的太空资源开发国际规则太空探索（）4/7激光通信量子通信深空互联网相比传统无线电通信，激光通信可提利用量子纠缠原理实现安全通信，防提出的延迟容忍网络协NASA DTN供更高的数据传输率，理论带宽可达止信号被截获中国科学家成功实现议，可适应深空通信中的长延迟和间数十的激光通信中继演了卫星与地面站之间的量子密钥分发歇性连接特点中国正研发类似技术Gbps NASA示任务实现了从月球到地球每秒，为未来构建全球量子通信网络奠定，并计划在未来月球和火星探测任务的数据传输率中国的墨基础这一技术对保障深空探测任务中应用，构建太阳系互联网的雏形622Mbps子号量子科学实验卫星也验证了空间的通信安全具有重要意义激光通信技术大型天线阵列中国建成的米口径球面射电望远500镜和欧洲的甚大望远镜阵列FAST等大型天线系统，不仅用于天EVN文观测，也将支持未来深空探测任务的远距离通信需求太空探索（）5/7可重复使用火箭的关键优势传统火箭采用一次性设计，导致发射成本居高不下可重复使用技术通过回收和再利用火箭的主要部件，特别是第一级和助推器，可将发射成本降低高达这一技术革命90%性地改变了航天发射经济学垂直回收技术突破成功开发了第一级火箭的垂直着陆回收技术，通过控制推力、网格翼和着陆SpaceX腿实现精准着陆截至年，猎鹰号一级火箭已完成超过次成功回收，单20229150个助推器最多重复使用次13完全重复使用系统太空探索技术公司的星舰系统计划实现全部组件的重复使用，包括超SpaceX重型助推器和星舰上面级这一系统设计运载能力超过吨，可显著降低火星100探测和大规模太空基础设施建设的成本中国可重复使用技术进展中国航天科技集团已成功测试了垂直回收技术，并计划在长征号上实现第一8级的常规回收同时，中国航天科工集团正在开发腾云工程，采用水平起降的空天飞机方案，适合小型卫星快速发射需求太空探索（）6/7中国空间站国际空间站商业空间站中国空间站天宫由核心舱、问天实验舱由美国、俄罗斯、欧洲、日本和加拿大共多家私营企业正在开发商业空间站，如和梦天实验舱组成，总重量约吨，设同建造和运营，总重量约吨，是迄今空间站计划先连接国际空间站，后100450Axiom计寿命不少于年空间站具备支持人最大的太空设施自年以来持续有独立运行；蓝色起源的轨道礁计划提供1032000长期驻留的能力，设有多个科学实验机柜人驻留，已完成超过项科学实验太空旅游和微重力研究服务；中国也鼓励3000，可开展空间生命科学、材料科学、微重国际空间站计划运行至年，后续将商业企业参与空间站后续扩展和利用2030力流体物理等研究由商业空间站接替其部分功能太空探索（）7/7截至年，天文学家已确认发现超过颗系外行星，其中一小部分位于其恒星的宜居带内，可能存在液态水开普勒太空望远镜、太空望远镜等设备通过凌星法或径向速度法发现了大多数20225000TESS系外行星中国计划于年发射地外生命探测卫星觅音，专门用于系外行星大气成分探测，寻找生命存在的生物特征詹姆斯韦布太空望远镜已开始对系外行星大气进行详细光谱分析，预计将首次检测到宜2026·居带系外行星上的水和有机分子迹象纳米技术（）1/7新型纳米材料研发纳米复合材料自组装纳米结构123碳纳米管和石墨烯等碳基纳米材料展通过在基体材料中引入纳米级增强相利用分子间相互作用，实现纳米结构现出卓越的力学、电学和热学性能，可显著提升材料综合性能清华大的自发形成中科院化学所开发的中国科学家在超长碳纳米管阵列制备学开发的石墨烯铝复合材料，比强折纸技术可构建复杂三维纳米/DNA方面保持世界领先，已实现长度超过度提高了，导热性提高了结构，为药物递送和生物传感提供新62%230%厘米的连续碳纳米管纤维，强度，在航空航天和电子散热领域具有广平台深圳先进院的纳米机器人能够55是钢的倍，电导率比铜高阔应用前景在血管中自主导航，有望革新药物精20准递送方式纳米技术（）2/7量子点技术量子点是纳米尺度的半导体颗粒，由于量子限域效应，展现出独特的光电特性中国企业和京东方已将量子点技术应用于高端显示器生产，实现更广的色域和更高的色彩饱和TCL度北京大学开发的镧系掺杂量子点在安全标识和防伪领域取得应用柔性纳米电子基于纳米材料的柔性电子器件可弯曲、拉伸甚至折叠华南理工大学的石墨烯透明导电薄膜技术已用于柔性触摸屏生产，透光率超过，弯折超过次性能无明显衰减98%10000纳米能源器件利用纳米结构的压电、热电和摩擦电效应，收集环境中的微能量北京大学和中科院开发的纳米发电机可将人体运动能量转化为电能，为可穿戴设备提供持续电力，已成功商业化超密集存储基于纳米技术的新型存储器件可极大提高信息存储密度中科院半导体所研发的相变存储器利用纳米相变材料实现数据存储，读写速度比传统闪存快倍，能耗更低100纳米技术（）3/7纳米药物递送系统纳米诊断技术组织工程与再生医学纳米载体可以保护药物分子、提高其稳纳米材料基因测序技术使得快速、低成纳米支架材料可模拟天然细胞外基质，定性、改善药代动力学特性，并实现靶本的全基因组测序成为可能深圳华大为细胞生长提供理想微环境四川大学向递送和控制释放中国科学院上海药基因的纳米孔测序平台已在临床诊断和研发的纳米水凝胶支架成功应用于角膜物研究所开发的紫杉醇白蛋白纳米颗粒科学研究中广泛应用北京大学开发的再生，已完成临床试验并获批上市中制剂已获批上市，显著提高了抗肿瘤药量子点荧光标记技术可同时检测多种生国科学院深圳先进技术研究院的打印3D物的疗效并减轻副作用物标志物，提高癌症早期诊断准确率纳米陶瓷已用于骨缺损修复华中科技大学开发的磁响应性纳米药物系统，能够在外部磁场引导下精准到达肿瘤部位，实现物理和化学协同治疗纳米技术（）4/7生物传感器纳米传感器利用纳米材料和结构对特定生物分子进行高灵敏度检测清华大学开发的石墨烯场效应晶体管生物传感器可检测血液中低至摩尔浓度的生物标志物，为癌症早期筛查提供新手段中10^-15科院上海微系统所的纳米线传感器阵列可同时监测多种疾病标志物气体传感器基于纳米材料的气体传感器具有高灵敏度、快速响应和低功耗特点中科院深圳先进院研发的MOF纳米多孔材料气体传感器对甲醛的检测限低至，已应用于室内空气质量监测华南理工大学的5ppb石墨烯金属氧化物复合气体传感器在工业安全监测领域表现优异/物理量传感器利用纳米材料对物理量变化的敏感响应，开发高性能传感器哈尔滨工业大学的碳纳米管应变传感器灵敏度比传统金属应变片高倍，可用于结构健康监测南京大学开发的纳米磁传感器能检测地1000球磁场的微小变化，用于精确导航传感网络集成将多种纳米传感器集成为智能传感网络，实现环境、健康等全面监测深圳湾实验室开发的皮肤芯片集成了多种纳米传感元件，可实时监测人体生理指标，为慢性病管理提供连续数据支持纳米技术（）5/7单原子催化剂光催化材料工业催化应用单原子催化剂将活性金属原子分散在载体纳米结构光催化剂可利用太阳能驱动化学纳米催化剂在石油化工、精细化工和环保表面，最大化利用贵金属资源中科院大反应中科院金属所开发的多级纳米领域具有广阔应用前景中国石化开发的TiO2连化物所开发的铂单原子催化剂，铂原子光催化剂在太阳能分解水制氢方面效率显纳米分子筛催化剂已应用于清洁汽油生产利用效率接近，在氢能源和环境净著提高，转化效率达到，接近商业化，提高辛烷值的同时降低硫含量，减少污100%

5.7%化领域具有重大应用价值单原子催化技应用门槛这类材料为氢能源可持续生产染物排放以上，经济效益显著90%术有望革新化工和能源产业提供了新途径纳米技术（）6/7光子晶体表面等离激元周期性纳米结构可控制光传播，形成光子带金属纳米结构表面的电子集体振荡现象，可隙中国科学技术大学开发的三维光子晶体12突破衍射极限，实现亚波长尺度光操控南可实现全方位光控制，为光学计算和量子通京大学研发的等离激元超透镜分辨率达到信提供关键器件，远超传统光学系统λ/12非线性纳米光学纳米激光器纳米结构中增强的非线性光学效应可用于频纳米尺度激光源是光子集成电路的关键中率转换和光学开关华中科技大学的石墨烯科院半导体所开发的纳米线激光器尺寸仅/43二维材料异质结实现了超快光学调制，响应纳米，可集成于硅基光电子芯片，促进200时间低至飞秒光通信小型化100纳米光子学正推动光通信、光计算和光传感等领域的革命性发展中国在这一领域的研究与应用已处于国际前沿，多项成果在Nature和等顶级期刊发表Science纳米技术（）7/7纳米过滤与净化纳米吸附材料环境光催化纳米膜材料可实现高效水处理和空气高比表面积纳米材料具有优异的吸附纳米光催化材料可在阳光照射下分解净化清华大学开发的石墨烯氧化物性能中科院生态环境研究中心开发有机污染物复旦大学开发的类石墨膜具有精确的分子筛分能力，可有效的纳米铁基复合吸附剂可高效去除水相氮化碳纳米片可见光催化剂能够高去除水中的重金属离子、有机污染物中砷、汞等有毒金属，吸附容量是传效降解水中抗生素和微塑料，为水体和病原体，同时保持超高渗透率这统材料的倍，已在湖南某砷污生态修复提供绿色解决方案5-10类膜已在饮用水处理和工业废水净化染地区成功应用中进行试点应用环境监测传感纳米传感器网络可实时监测环境污染物深圳华大智造开发的纳米传感器阵列能够检测空气中级别的挥发ppb性有机物，已在工业园区污染监控中部署应用结语展望未来（）1/8融合创新突破形成新学科领域与解决方案1协同研究网络2跨学科团队与开放科研平台学科边界融合3知识方法与技术工具的互通传统学科发展4各自独立的专业化研究路径跨学科融合是当前科技创新的主要特征和趋势物理学、化学、生物学、信息科学等传统学科边界正在变得模糊，产生了生物信息学、量子信息学、合成生物学等新兴交叉学科这些学科融合点往往是科学突破和技术创新的热点区域中国正在推动学科交叉融合的体制机制创新，如设立交叉学科国家重点实验室，推动高校院系重组，鼓励跨学科研究团队组建未来年，融合型创新将主导10科技发展方向，推动颠覆性技术的产生结语展望未来（）2/8认知增强体力协作直接交互人工智能将作为认知伙伴，增强人类的思协作机器人将与人类共享物理工作空间，脑机接口技术将实现人类与机器的直接神维能力大型语言模型可以帮助科研人员形成互补优势新一代机器人可以感知人经连接无创脑机接口已能实现简单的意综合分析海量文献，发现潜在关联；医生的意图、学习人的动作，自适应调整配合念控制；植入式接口正在探索恢复瘫痪患可以利用辅助诊断系统提高判断准确性方式这种协作模式已在汽车制造、电子者的运动能力未来，这一技术可能重新AI；创意工作者可借助生成式激发新思路组装等领域应用，提高了生产效率和灵活定义人机交互方式，创造前所未有的感官AI这种人机共生将重新定义人类智力活性，同时减轻工人的体力负担和能力增强可能性动结语展望未来（）3/8可持续发展科技是应对气候变化、资源短缺和环境污染的关键工具根据国际能源署分析，要实现全球温升控制在°的目标，约的减排贡献需要来自尚未商业化的新兴技术，包括新一代太阳能

1.5C50%电池、固态电池、绿氢生产和直接空气碳捕获等中国正在实施一系列可持续发展科技战略，包括《十四五节能减排综合工作方案》和《年前碳达峰行动方案》这些举措将推动中国在清洁能源、绿色制造和生态环境保护领域的技术创新和产业2030升级，助力实现年碳中和目标2060结语展望未来（）4/8合成生物学突破到年，人工设计的生物系统可能实现工业规模的碳固定和污染物降解，为气候2030变化提供生物解决方案人工设计的微生物工厂将取代传统化工合成路线，生产药物、材料和化学品，显著降低环境影响量子计算实用化年前后，容错量子计算机可能实现商业应用，解决经典计算机难以处理的复杂2035问题这将彻底改变材料设计、药物发现和金融优化等领域，同时可能挑战现有密码系统，促使全球网络安全架构重构脑科学与人工智能融合到年，对人脑工作原理的深入理解将引导全新一代架构设计，实现真正的通2040AI用人工智能同时，神经修复技术可能治愈多种脑部疾病，脑机接口将实现思维直接控制设备可控核聚变商业化年，可控核聚变发电可能实现商业化，提供几乎无限的清洁能源这将2045-2050彻底改变全球能源格局，推动氢能和合成燃料大规模应用，为解决气候变化和能源危机提供终极方案结语展望未来（）5/8技术领域伦理挑战监管趋势人工智能算法偏见、透明度、自动化风险分级管理、算法公开、决策问题可解释性要求生物技术基因编辑伦理边界、生物安人类胚胎编辑限制、基因驱全风险动技术严格审批神经科技脑数据隐私、认知自由、人神经数据特殊保护、脑机接格同一性口伦理标准量子技术密码安全、计算垄断、国际后量子密码标准、量子技术安全出口管制自主系统责任归属、安全边界、人机人类监督要求、事故责任框关系架、伦理设计原则随着技术发展速度加快和影响范围扩大，科技伦理与监管变得日益重要中国正在推进负责任创新理念，构建涵盖法律法规、行业标准和社会共识的多层次科技治理体系国际社会正努力建立科技伦理的全球共识，如联合国教科文组织《人工智能伦理建议书》等然而，不同国家和文化背景下的价值观差异，也使科技伦理成为国际治理的复杂议题构建包容、平衡的科技伦理框架是人类社会的共同挑战结语展望未来（）6/8科技外交新格局开放科学运动12科技已成为国际关系的核心维度，开放科学理念正在全球科研体系中科技外交正成为国家外交的重要组扩散，包括开放获取出版、开放数成部分一方面，全球挑战如气候据共享、开放源码和公民科学等方变化、传染病防控等需要科技合作面中国科技界正积极融入这一趋解决；另一方面，技术竞争和安全势，推动科研数据开放共享平台建关切也导致部分领域的去耦合趋设，参与国际大科学计划，为全球势未来的国际科技合作将更加复科技创新贡献中国智慧杂，呈现小院高墙与开放合作并存的特点跨国创新网络3尽管面临挑战，跨国企业研发网络、国际科研协作和人才流动仍是全球创新生态的重要特征特别是在基础科学、气候技术、公共卫生等领域，国际合作仍具有不可替代的价值中国正建设更加开放的科技创新体系，推动构建全球创新共同体结语展望未来（）7/8新时代科技人才素质要求创新教育模式变革国际人才竞争与流动未来科技人才不仅需要专业知识，还需科技教育正从知识传授转向能力培养，全球科技人才竞争日益激烈，人才已成具备跨学科视野、创新思维、全球视野强调批判性思维、创造力和解决复杂问为国家创新能力的关键要素中国正实和伦理责任感在技术快速迭代的时代题的能力翻转课堂、项目式学习和沉施更加开放的人才政策，通过千人计划，持续学习能力成为科技人才的核心竞浸式教育等新型教学模式正在普及中、外国专家项目等吸引国际顶尖人才争力中国正在推进科技人才评价改革国高校正推动新工科、新医科、新农科同时，中国科学家在国际舞台上的影响，从唯论文向破五唯转变，更加注重、新文科建设，培养复合型创新人才力也在持续提升，参与全球科学治理的原创能力和实际贡献程度不断加深结语展望未来（）8/8转化应用1成果转化与创新创业生态技术研发2企业研发体系与应用技术创新应用研究3科研院所与产学研协同创新基础研究4高校与科研机构前沿探索科技教育5人才培养与科学素养提升健康的科技创新生态系统需要各环节协调发展，形成从基础研究到商业应用的完整创新链条中国正在推进国家创新体系建设，通过一系列制度安排促进创新要素高效配置和流动未来的创新生态将更加开放、协作和多元化开源创新、众包研发、创客文化等新型创新模式正在兴起中国提出构建基础研究技术攻关成果转化科技金融全过程创新生态链，打造世界一+++流科技创新高地随着体制机制改革深入和创新文化培育，中国科技创新活力将进一步释放谢谢聆听感谢各位参加本次《科技前沿讲座》我们探讨了从人工智能到纳米技术的多个前沿科技领域，分析了它们的发展现状、技术突破和未来趋势希望这次分享能够拓宽大家的视野，激发对科技创新的思考科技创新是推动人类社会进步的永恒动力面向未来，我们需要保持开放包容的态度，加强国际合作，共同应对全球挑战，让科技创新成果更好地造福人类期待与各位在未来的科技创新征程中继续交流合作欢迎提出您的问题和见解！。