三、重要前沿技术领域的研究进展
（一）信息技术
2019年，全球信息技术水平稳步提升，5G技术在世界范围逐步商用，人工智能加速推进，量子计算机研发取得里程碑式进展，超级计算机的运算能力迈向百亿亿次级。在技术不断进步的同时，以大数据、云计算和人工智能为代表的信息技术与各行各业的融合也进一步深化，数字经济规模持续扩张，传统行业迎来升级迭代的新机遇。
1.重要趋势
（1）信息技术产业规模逐步扩张，为经济发展注入新动能。德勤发布《全球人工智能发展白皮书》并预测，2025年世界人工智能市场规模将超过 6 万亿美元，2017—2025年复合增长率达30%。毕马威预测，5G技术在主要垂直行业的全球市场潜在价值可达4.3万亿美元。咨询公司高德纳（Gartner）发布报告称，2020年全球云计算市场规模将达到4110亿美元。咨询公司Tractica预测，2030年全球量子计算市场的总营收额将达到91亿美元。咨询公司弗若斯特沙利文预测，2023年全球军事网络安全市场份额将达160亿美元。
（2）各国将加快在网络攻防系统中应用人工智能等先进技术。美国国防部制定网络安全数据新框架，为人工智能网络防御体系奠定基础。美国国防信息系统局（Defense Information Systems Agency，DISA）寻求开发人工智能驱动的网络防御系统，以抵御常规网络攻击。法国拟开发和部署智能化网络攻击武器，强化对网络空间的保护。日本拟开发新型病毒软件，以在遭到网络攻击时发起反击。
（3）下一代超级计算机研发竞争激烈，超级计算机算力向百亿亿次级迈进。日本启动研发新一代超级计算机“富岳”（Fugaku），“富岳”最早将于 2021年投入运行。美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory，ANL）、英特尔（Intel）和克雷公司（Cray）将共建下一代超级计算机“极光”，其浮点运算能力将达到每秒百亿亿次级。欧盟斥资8.4亿欧元建造8台超级计算机，这些超级计算机预计将于 2020年下半年开放使用。印度提出“国家超级计算机任务规划”，拟投资 6.27亿美元，在2022年前分阶段建造60台超级计算机。
（4）半导体芯片制造工艺趋近极限，芯片设计水平稳步提升。台积电5纳米制程工艺研发成功，拟于2020年正式量产，苹果（Apple）、海思、高通（Qualcomm）等企业将率先采用。同时，台积电2纳米制程工艺开始研发，最早将在2024年投产。三星（Samsung）5纳米极紫外线光刻工艺技术开发完成，并获得高通5纳米基带芯片生产订单。三星3纳米芯片闸极全环工艺的技术路线图也已发布，该芯片拟于2021年实现量产。ARM发布下一代架构设计方案，采用新架构的CPU、GPU和神经网络芯片已经上市。
（5）各国政府强化对科技公司和数据平台的管控，打击网络虚假信息和网络恐怖主义。日本拟于2020年修改《电信企业法》，加强对苹果、亚马逊（Amazon）等海外科技巨头的监管。美国国会将对谷歌、脸谱和推特展开调查，以防范 2020年选举的潜在风险。美国政府问责局（Government Accountability Office，GAO）发布报告，建议国会效仿欧盟《通用数据保护条例》，制定《互联网数据隐私法》。新加坡议会提交《在线虚假信息与操纵规避法案》，以打击网络虚假信息。法国、德国、新西兰、日本和印度等18国政府机构和脸谱、亚马逊、谷歌等8家科技公司签署协议，共同打击网络恐怖主义。
（6）全球范围的数字税征收被提上日程。意大利政府于2020年1月正式推出数字税政策，对海外大型科技公司征收数字税，税额为它们在意大利营业额的3%。奥地利政府从2020年1月起对谷歌、亚马逊和脸谱等互联网巨头征收5%的数字广告税。捷克政府拟对全球互联网巨头征收 7%的数字税，以增加国库收入。新西兰拟出台新法律，以便对谷歌、脸谱和亚马逊等互联网巨头的收入征税。印度拟对谷歌等互联网巨头征收数字税，税率将会按照企业在印度运营的业务收入和用户基数来计算。
2.重大进展
（1）5G成为全球主要经济体博弈的焦点，竞争日益激烈。2019年，韩国、美国、瑞士、英国、意大利、西班牙、德国和中国等国的通信运营商陆续推出5G服务，拉开5G商用序幕，如爱立信（Ericsson）、华为、诺基亚（Nokia）、中兴通讯在全球已分别获得75笔、65笔、50笔和35笔5G商用订单。据不完全统计，2019年全球已有109个国家和地区的328家运营商开始进行5G方面的投资，其中27个国家和地区的50家运营商已完成5G基础设施的初步建设。此外，世界主要经济体持续颁布5G扶持政策和规划，如美国发布《美国无线通信领导力研发优先事项》《新兴技术及其对非联邦频谱需求的预期影响》两份5G技术报告，推动美国制定长期的国家频谱战略；欧盟发布《5G挑战、部署进展及竞争格局》报告，为提高欧洲5G竞争力提出建议；日本将发展5G通信作为国家战略，计划对通信运营商给予优惠税收待遇；韩国公布《5G应用战略推进计划》，通过减税等措施刺激5G部署。
（2）量子技术获得更多政策倾斜和资金支持，不断取得新的突破。美、德、英、日等国大力推动量子技术研发，如美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）发布“量子跃迁挑战研究所”项目指南，拟投资9400万美元用于推动量子信息科学与工程前沿研究；德国政府拨款6.5亿欧元开展大型量子通信研究项目，以拓展德国及欧洲在量子通信技术领域独立自主的能力；英国政府投资1.5亿英镑用于量子技术商业开发，最大限度地发挥英国在量子技术方面的潜力；日本发布《集成创新战略2019》，提出日本未来在量子技术、生物技术等关键领域的发展目标和建议。量子技术突破性进展不断出现，如美国IBM公司上线53比特量子计算机并进行商用，希望通过提供云计算服务和开源软件，进一步拓展量子计算的科研和商业应用；加拿大多伦多大学（University of Toronto）研制出全光子量子中继器的关键元件，该元件可用于远距离光量子信息传输；澳大利亚新南威尔士大学（The University of New South Wales）成功测量硅双量子比特操作的准确性，首次验证了硅双量子比特逻辑运算的保真度。谷歌在《自然》期刊发表文章，宣称其量子计算机在完成特定计算任务时，只需要200秒即可完成全球最强大的“顶点”超级计算机耗时1万年完成的计算。
（3）人工智能发展加速，在各领域的应用持续深化。世界主要经济体不断强化人工智能战略布局，如美国总统特朗普签署“维护美国人工智能领导力”行政令，将人工智能研究和开发作为优先事项；俄罗斯总统普京批准《2030年前俄罗斯国家人工智能发展战略》，推动人工智能领域科学研究的发展；欧洲人工智能项目正式启动，打造以人为中心的人工智能开放协作平台；丹麦政府发布《人工智能国家战略》，确定人工智能未来发展愿景；荷兰政府制定《国家人工智能战略》草案，将发展人工智能作为国家优先事项；日本文部科学省（Ministry of Education，Culture，Sports，Science and Technology，MEXT）拟与全国的大学共同制定新的人才培养课程，以培养能够熟练运用人工智能技术的人才；韩国政府发布《推动数据、人工智能、氢经济发展规划》，加大对数据及人工智能产业的投资力度；新加坡发布为期11年的国家人工智能战略，在交通物流、智慧城市等领域推动人工智能技术的应用。人工智能与产业结合引领新变革，如美国DeepMind公司将人工智能应用于风力发电，可提前36个小时预测发电状况；美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）开发出自动学习诊断声带疾病的系统，推进人工智能在医疗诊断领域的应用；英伟达公司（NVIDIA）与沃尔沃集团签署协议，联合开发适用于自动驾驶卡车的人工智能平台。
（4）网络安全形势依然严峻，各国持续强化网络安全防御能力。网络安全漏洞等威胁加剧，如英特尔芯片爆出严重安全漏洞，几乎影响英特尔 2011年以后推出的所有处理器；德国柏林工业大学发现可被用于窃取数据的5G网络漏洞；新加坡、德国和英国研究人员发现蓝牙连接存在安全漏洞，可导致用户通信被监视。公共基础设施和政府机构成为网络攻击的重点目标，如美国路易斯安那州教育系统遭受严重恶意软件攻击；西班牙巴斯克自治区、赫雷斯市等多个政府办公系统遭遇勒索病毒攻击；委内瑞拉电力系统遭到网络攻击，导致全国大范围停电；格鲁吉亚网络供应商遭遇网络攻击，包括总统府、法院和报社网站在内的15000余个网站受到影响。各国积极提升国家层面网络安全防护水平，如美国总统特朗普签署“网络安全人才队伍建设”行政令，强化美国网络安全人才队伍建设。俄罗斯总统普京签署法令，拟建立可独立运行、不受国外网络限制的“俄罗斯自主互联网”（俄政府于2019年12月23 日宣布俄罗斯国家互联网基础设施断网测试取得成功）；日本防卫省对陆海空自卫队网络防卫人才进行统一培养，并扩大网络防卫队规模。网络攻防手段向智能攻防转变，如美国雷神公司（Raytheon）研发出网络异常检测系统，以实时监测网络攻击和异常行为；美国普林斯顿大学（Princeton University）开发出新型防御算法，以抵御物联网攻击，防止电力网络被破坏；以色列本—古里安大学（Ben-Gurion University of the Negev）开发出恶意软件，该软件可利用人工智能技术控制USB键盘的输入。
（二）生物技术
2019年，生命科学技术研究和生物技术持续取得突破。基因编辑、合成生物学等前沿颠覆性技术发展成熟催生出的基因治疗、生物材料、生物存储等产业日益兴起，助推生物经济规模持续扩大，引发世界主要经济体的高度关注。基因编辑伦理问题得到重视。前沿生物技术治理框架被提上议程。同时，生物传统安全威胁和非传统安全威胁仍然突出。世界主要经济体继续深化生物安全布局，推动生物安全防御体系的建立健全，以有效提升其应对和治理能力。
1.重要趋势
（1）世界主要经济体强化生物经济布局，推动经济社会绿色可持续发展。随着生命科学基础研究的不断突破和生物技术的创新发展，生物经济对于激发国家经济活力的作用愈加凸显，成为世界主要经济体竞相争夺的科技高地。美国举办首届“美国生物经济峰会”，进一步确立生物经济在国民经济中的重要地位，强调在国家关键研发预算中应优先考虑生物经济，并讨论了美国生物经济的领导力、挑战和机遇；发布《生物经济计划：实施框架》，重点部署生物质资源利用技术的研发，以生产生物基产品、生物燃料和生物能源。欧盟发布《面向生物经济的欧洲化学工业路线图》，推动2030年前将生物基产品或可再生原料的份额增加到化学工业有机化学原料总量的25%。意大利发布《意大利的生物经济：为了可持续意大利的新生物经济战略》，以整合主要生物经济部门，建立系统的生态经济体系。加拿大发布首个国家生物经济战略——《加拿大生物经济战略——利用优势实现可持续性未来》，以促进生物质及其残余物的高值化利用，同时减少碳排放。
（2）全球生物安全形势复杂，多国加强生物防御体系建设。2019年，以新冠肺炎、埃博拉、非洲猪瘟、草地贪夜蛾等为代表的重大新发突发传染病、动物疫情和植物病虫害等传统生物威胁不断加剧，同时生物DIY、网络生物安全等非传统生物安全风险也日益突出，促使各国着力加强生物防御体系建设。美国、英国在2018年发布国家级生物安全战略的基础上，2019年又分别配套发布了美国《全球卫生安全战略》《2019—2022 国家卫生安全战略》、英国《传染病战略 2020—2025》等。同时，多国启动生物安全领域基础科学研究，强化生物安全科技支撑。例如，美国卫生与公众服务部（United States Department of Health and Human Services，HHS）、DARPA、IARPA 等多个政府机构启动“预防新兴致病威胁”“寻找工程相关指标”“基因编辑用于检测”等项目，并积极部署预防流感、天花、炭疽、埃博拉、马尔堡等病毒感染的疫苗研发和储备工作。
（3）人类基因组编辑国际治理框架或将出台。随着基因编辑技术滥用事件发生及研究人员公开宣布将开展人类生殖系基因编辑临床试验，人类基因组编辑的国际治理迫在眉睫。世界卫生组织已成立人类基因组编辑监管标准咨询委员会，并将进一步推进全球人类基因组编辑注册计划。英国、美国已牵头建立旨在制定人类生殖系基因组编辑临床应用标准的国际委员会，拟于 2020年年底发布报告。美国将加大对人类体细胞基因编辑研究的政策、资金支持，加快细胞和基因疗法的研发及上市。
2.重大进展
（1）基因编辑的精准性进一步提升，应用潜力不断增强。2019年4月，美国密歇根大学（The University of Michigan）和美国康奈尔大学（Cornell University）的两位华人科学家开发出 CRISPR/Cas3 基因编辑系统，该基因编辑系统可在人胚胎干细胞中实现大片段的基因敲除，编辑效率达13%～60%。2019年6月，美国哥伦比亚大学（Columbia University）科学家开发出新型基因编辑系统 INTEGRATE，INTEGRATE能够将DNA序列准确插入基因组而无须切割DNA。2019年8月，美国索尔克研究所（Salk Institute for Biological Studies）开发出新型基因编辑技术SATI，SATI 能够使早衰小鼠寿命提高 45%。2019年9月，美国斯坦福大学（Stanford University）开发出CRISPR多功能成像方法CRISPR LiveFISH，可实时观测活细胞中基因组编辑的动态变化。2019年10月，美国博德研究所（Broad Institute）研发出超精确基因编辑工具Prime Editor，该工具不依赖DNA模版即可实现单碱基自由转换和多碱基增删，有望修正89%的已知致病性人类遗传突变。
（2）生命图谱绘制范围日益扩大，精准度不断提升。生命图谱绘制正逐渐从分子图谱扩展到细胞图谱，为人们多层次理解生命系统、认识和治疗疾病提供支持，有望推动精准医疗、类脑智能等领域技术的发展。2019年8月，美国科学家对果蝇完整大脑进行了纳米级成像，之后利用谷歌云TPU重建了高达40万亿像素的果蝇完整大脑图像。2019年10月，美国启动“人类生物分子图谱计划”，拟在细胞分辨率水平上绘制人体图谱；中国和欧洲多国科学家计划在未来3～5年对100万份来自肠道、口腔、皮肤、生殖道等器官的微生物组样品进行测序分析，构建全球最大人体微生物组数据库，以绘制多个群体的微生物图谱。2019年11月，德国科学家重建了小鼠大脑皮层神经网络，揭示了迄今最大的哺乳动物神经连接组。此外，德、法、英、美等国科学家也在 2019年分别绘制出更加完整的人类肝细胞图谱、肾细胞图谱、秀丽隐杆线虫神经图谱。
（3）合成生物学的进步推动生物分子成为数据存储的优质载体，以DNA存储为代表的生物存储与计算技术取得系列突破。2019年3月，微软（Microsoft Corporation）与美国华盛顿大学（University of Washington）的科学家实现了数据信息0和1与碱基信息A、T、C、G的全自动互转和识别，推动DNA存储再进一步。2019年5月，美国哈佛大学（Harvard University）的科学家开发出一种利用易获得、低能耗、可超长时间保存的寡肽分子存储数据的新方法，该方法能够实现数据恢复准确率超过99%。2019年7月，美国布朗大学（Brown University）的科学家成功将数字图像存储在含有糖、氨基酸和其他类型小分子的液体混合物整列中，并能够在其中实现检索功能。2019年8月，美国麻省理工学院的科学家利用CRISPR创建了“DOMINO”系统，该系统可在细菌和真核细胞中创建用于逻辑计算和存储的电路。
（三）能源技术
2019年，全球油气供应安全风险大幅增加，能源转型趋势越发明显。可再生能源尤其是光伏、海上风电产业发展迅猛，市场前景巨大。全球核能合作进一步加强，美国、俄罗斯、日本、英国加速推进先进核技术的商业化应用。新能源汽车产业链逐渐成熟，氢能及燃料电池热度不减，产业化应用持续推进。
1.重要趋势
（1）全球油气供应安全风险大幅增加。全球尤其是中东地区能源地缘政治冲突加剧，大大增加了油气供应的安全风险。2019年4月，美国宣布终止对伊朗石油进口的制裁豁免，重启对伊朗原油出口的限制。2019年7月，英国在直布罗陀海域扣押了伊朗油轮，随后，伊朗在霍尔木兹海峡查扣一艘英国油轮。2019年9月，沙特阿美旗下的两处重要石油设施遭无人机袭击，原油产量一度锐减 570 万桶/日，引发了全球油价短期跳涨。此外，卡塔尔退出石油输出国组织“欧佩克”（Organization of the Petroleum Exporting Countries，OPEC）、叙利亚局势震荡也在一定程度上影响全球的油气供应安全。
（2）全球能源转型趋势延续。德国将逐渐停止以煤炭作为电力来源，并将在2030年将可再生能源的发电比重从现在的38%提升至65%。法国能源部表示，到2030年，法国要将可再生能源在法国能源结构中的比重提高到40%左右。韩国产业通商资源部公布《第三次能源基本计划》草案，提出力争到 2040年将可再生能源占比提高到30%～35%，大幅降低煤炭发电比重。波兰公布《2040年能源政策》草案，拟大幅增加核电和可再生能源在能源结构中的比例，不断降低对煤炭的依赖。
（3）可再生能源市场前景巨大。国际能源署（International Energy Agency，IEA）发布《可再生能源2019：分析和预测至2024年》报告称，2019—2024年，全球可再生能源装机将增加 50%。美国能源信息署（Energy Information Administration，EIA）发布的《2019年度能源展望》报告称，未来30年，可再生能源（风力、太阳能、水力）发电量将从2018年的5000亿千瓦·时增加到2050年的1.5万亿千瓦·时。欧洲风能协会发布《我们的能源，我们的未来》报告称，欧盟现在的海上风电装机容量是20吉瓦，到2050年欧盟海上风电装机容量要达到230～450吉瓦，比现有容量增长10倍以上。英国发布的《海上风电产业战略规划》提出，英国将在2030年前将海上风电装机容量提高到3000万千瓦，将海上风力发电量提高到总发电量的30%。
（4）先进核技术商业化应用加速。根据美国麻省理工学院报告，先进、非常规的核反应堆将在 2030年颠覆当前的核能行业。美国首座小型反应堆纽斯凯尔小堆将于2020年9月完成核管会的设计认证，并将于2026年下半年投入运行。俄罗斯首座浮动式核电厂“罗蒙诺索夫院士”号将于 2020年开始全面运行。英国投资两亿英镑建造全球首个商用核聚变发电厂，并拟于 2040年实现核聚变能源生产的商业化。加拿大加速推进小型模块堆的研发应用，并计划于2026年前在乔克河（Chalk River）建成首座小堆。
2.重大进展
（1）海上风电产业发展迅猛。美国能源部（Department of Energy，DOE）宣布拨款2800万美元，用于推广全国范围的陆上、海上及分布式风电领域的风能发展。英国发布新的产业规划，提出要大规模扩大海上风电装机容量。法国拟在诺曼底海域建造一个装机容量为1吉瓦的海上风电场，以扩大海上风电的发电量。日本东京电力公司与丹麦能源公司∅rsted发布联合声明，将共同开发日本及其海外的海上风电市场。全球风能理事会和世界银行集团宣布合作计划，将共同开发新兴市场的新型海上风电。
（2）全球核能合作进一步加强。美国和印度发表联合声明，承诺加强双边安全与民用核能合作，内容包括在印度兴建6座核电站。美国和加拿大核监管机构签署首个合作备忘录，以增加两国在小堆和先进核反应堆上的长期合作。俄罗斯国家原子能集团公司（Rosatom）及其子公司与古巴、埃及等国签署一系列核能发展相关协议。俄罗斯国家原子能公司与韩国科学技术信息通信部就加强核能研发合作、共同进行核电池研发达成协议。英国核设施退役管理局和加拿大原子能有限公司签署一项为期5年的延长协议，双方将在放射性废物管理、退役和环境恢复等核设施退役项目上进一步合作。法国和日本签署快中子堆开发合作协议，旨在针对快中子堆技术进行深入研发合作。
（3）动力电池梯次利用商业化加速。德国大众集团推出一款新型移动充电站，其内部电能存储单元由二次回收的电动车动力电池组成，已在德国率先投放使用。日本本田汽车公司与美国电力公司（American Electric Power，AEP）展开合作，共同开发一个能够将废旧电动汽车电池集成至AEP电网中的新商业模式。北汽鹏龙、北汽新能源等企业合伙在河北省黄骅市实施了北汽鹏龙动力电池梯次利用及资源化项目。
（四）新材料技术
2019年，世界科技大国持续布局新材料研发应用，加速推进前沿信息、先进制造、新能源和生物医疗等产业的原创性突破，以抢占未来竞争制高点。以量子材料、超导材料、石墨烯和水凝胶为代表的前沿新材料不断涌现，加速引领信息、能源、生物和航空航天等产业颠覆性发展。新材料已成为大国科技角逐的重点，新材料引发的贸易摩擦也愈演愈烈。
1.重要趋势
（1）科技强国积极推进信息技术在新材料研发中的应用。2019年，美国、德国和日本纷纷推出资助项目，以深化信息技术与新材料技术的融合。美国能源部接连推出“材料计算设计”“量子信息科学中的材料和化学研究”“用于化学与材料学的数据科学”等多项资助计划，加速计算设计、量子计算和人工智能技术在新材料研究中的应用。德国联邦教育与研究部（Ministry of Education and Research，BMBF）推出“材料数字化平台”项目，聚集弗朗霍夫学会（Fraunhofer-Gesellschaft）、亥姆霍兹联合会（Helmholtz）、莱布尼茨学会（Leibniz-Gemeinschaft）和马克斯·普朗克研究所（Max Planck Institute）等顶尖机构，共同推动新料研究的数字化。日本科学技术振兴机构推出由政府、学术界和企业界共同参与的“材料集成项目”，加速推动新材料技术与信息技术相融合。
（2）新材料成为大国之间贸易摩擦、科技竞争的关键领域。由于新材料在技术和产业变革中具有支撑性作用，美国开始警惕中国在新材料领域展现出的实力。2019年6月，美中经济安全审查委员会举行“中国对人工智能、新材料和新能源的追求”听证会，邀请美国复合材料制造商协会、美国国家石墨烯协会和美国卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University）等机构发布证词，评价中国前沿技术发展对美国经济地位和国家安全的影响。此外，新材料在国际贸易摩擦中开始扮演“撒手锏”角色。例如，2019年7月，日本经济产业省发布《关于对大韩民国出口管制运作的审查》文件，宣布对出口韩国的氟聚酰亚胺、光刻胶和氟化氢3种原材料实行出口限制，直接导致三星、LG、SK海力士（SK Hynix）3家科技巨头受到影响。
（3）新材料在科技发展中的颠覆性、引领性作用更加显著。英国利物浦大学（University of Liverpool）、加拿大麦克马斯特大学（McMaster University）等机构的科学家组成国际科研团队，发现金属氧化物 TbInO3展现出量子自旋液态，有望促进量子计算等领域发展。美、德两国科学家采用金刚石压腔对镧样品进行挤压，成功在 170 吉帕的高压下制备出氢化镧化合物 LaH10，新材料在零下 23 摄氏度以下具有零电阻、同位素效应等超导材料特征，离室温超导目标更进一步。英国牛津大学（University of Oxford）与瑞士苏黎世IBM公司的科学家合作，成功合成出仅由sp杂化碳原子形成的C18碳环，该C18碳环有望进一步用于制备分子尺度晶体管。
2.重大进展
（1）元器件小型化技术发展快速，有望极大降低计算所需能耗。2019年8月，美国加利福尼亚大学（以下简称“加州大学”）圣地亚哥分校（University of California，San Diego）的研究人员开发出仅有3个原子层厚度的波导，新型波导由悬浮在硅框架上的二硫化钨单层晶体组成，其厚度约为6埃，比集成光子电路中的片上光波导薄500倍，该技术有望将现有光学器件尺寸缩小几个数量级。2019年11月，美国密歇根大学的研究人员在硅芯片上直接堆叠第二层晶体管，开发出可在高工作电压下运行的三维晶体管阵列，该技术有助于开发更紧凑、具有更多功能的芯片，并有望打破摩尔定律。
（2）锂离子电池安全性和能量密度显著提升，有望带来汽车和消费电子产业的新变革。2019年6月，美国卡内基梅隆大学的研究人员开发出一种容量更高、更安全的半液态锂金属阳极，其寿命和能量密度均显著高于传统锂电池阳极。2019年8月，美国斯坦福大学和SLAC国家加速器实验室的科学家合作发明出一种新型涂层，该涂层可显著延长电池寿命，并可通过形成一个分子网络来阻止析锂，该技术可以使轻量金属锂电池更安全持久。
（3）生物 3D 打印技术获得突破性进展。2019年5月，美国莱斯大学（Rice University）与华盛顿大学的研究团队突破3D打印器官的障碍，创造出一个由水凝胶3D打印而成的肺气囊模型，该模型具有与人体血管和气管结构相同的网络结构，能够像肺部一样朝周围的血管输送氧气，完成“呼吸”过程。2019年10月，奥地利维也纳工业大学（Vienna University of Technology）的研究人员采用分辨率极高的双光子聚合技术，在细胞友好型的“生物墨水”中制备高精度的超精细结构，从而可以精准地控制组织的生长行为，为细胞适应环境提供了更多可能性，该技术有望应用于疾病传播和干细胞等领域研究。
（五）智能制造技术
随着新一轮科技革命和产业变革不断深入，制造业呈现出数字化、网络化、智能化发展趋势，特别是作为重要方向的智能制造，正在不断发展新技术，催生新业态。同时，人工智能与制造业深度融合，5G赋能制造业发展，机器人、3D 打印技术不断推陈出新，推动制造业高质量发展迈上新台阶。
1.重要趋势
（1）人工智能技术应用不断深化，加速向制造业渗透融合。在大量的数据、更好的算法和更强的算力的共同推动下，人工智能应用已在众多行业落地，并带来了实际价值。“人工智能+制造”在自动化、数字化、网络化基础上实现智能化。中国机器人智能物流公司Geek+，将人工智能和机器人技术赋能物流仓储行业，开发出基于“极智云脑”的柔性无人仓整体解决方案，该解决方案能够优化拣选、搬运、分拣等仓储物流环节，提高仓库效率，降低人工成本及劳动强度。德国卡尔斯鲁厄技术学院（Karlsruhe University of Applied Sciences）正在开发一种基于人工智能的敏捷生产系统，该系统采用特殊的学习算法，可充分利用人工智能和已有技术知识进行自主学习，动态响应制造需求并确定最佳解决方案。美国工业设计软件巨头欧特克（Autodesk）推出创新软件平台Fusion360和3D打印软件Netfabb，Fusion360和Netfabb集成了人工智能和机器学习模块，能够理解设计师的需求并掌握造型、结构、材料和加工制造等数字化设计生产要素的性能参数，可根据设计师设置的期望尺寸、重量及材料等约束条件自主设计出成百上千种可选方案。
（2）工业互联网布局推进，引领信息化与传统领域走向深度融合。工业互联网是新一代信息技术与制造业深度融合形成的新兴业态和应用模式，是连接工业全系统、全产业链、全价值链，支撑工业智能化发展的关键基础设施，是互联网从消费领域向生产领域、从虚拟经济向实体经济拓展的核心载体。2019年，微软和宝马集团（Bayerische Motoren Werke，BMW）合作推出开放式制造平台，旨在通过创建开放的技术框架解决复杂的专有系统造成的数据孤岛问题，从而缩短生产时间，提高生产效率，不断刺激行业创新并加快发展工业物联网。ABB集团扩大与惠普在工业互联网领域的合作，ABB 集团的Ability Smart Sensor技术将与惠普的Aruba WiFi和支持蓝牙的接入点相集成，为大型工业客户提供可扩展的连接，帮助工业制造商利用数据分析做出更好的设备决策，以提高生产效率并降低维护成本。
（3）5G赋能智能制造、与工业融合成为重要趋势。作为新一代无线通信技术，5G 技术将为智能制造生产系统提供多样化和高质量的通信保障，促进各个环节海量信息的融合、贯通，将引发一系列融合创新的应用与变革，为制造业转型升级带来历史性的发展机遇。荷兰皇家电信KPN和华为联手在荷兰壳牌（Royal Dutch）鹿特丹港的炼油厂设置了3个站点，以便工作人员利用5G网络遥控小型工业机器人对石油和天然气线路进行巡检，提升工作效率。英国在博世集团（Bosch Group）的伍斯特工厂开启首次5G工厂试验，旨在利用5G技术提高产量，并通过物联网传感器和数据分析确定潜在故障，提前制定预防性维护措施。海尔、中国移动和华为联合推出全球首个智能+5G互联工厂。
2.重大进展
（1）智能工厂建设持续推进，帮助制造企业智能转型。智能工厂是未来制造业发展的必然趋势。2019年，全球范围内智能工厂建设步伐加快。普惠（Pratt&Whitney Group）启动互联工厂试点项目，该项目将构建数字化环境，使整个运营过程实现端到端的可视化，优化物料流转、提高设备利用率，进而提高生产力，快速、低成本地向客户交付高质量产品。韩国政府计划到 2030年建设 2000 家“人工智能工厂”，通过智能工厂收集数据，建立数据中心，支持基于人工智能的服务，并促进关键软件、机器人、传感器和设备等智能制造设施的发展。俄罗斯联合发动机制造集团旗下的土星公司启动“智慧工厂”战略，旨在推动数字化技术向产品研发、批量生产及使用维护等全生命周期渗透。
（2）机器人技术迭代加快，落地应用深入各行业。2019年，美国波士顿动力公司大幅提升其人型机器人Atlas的性能，该机器人可完成倒立、翻滚、360度水平跳转等复杂体操动作，且能够在狭窄、崎岖的地形中实现自主导航，有望在灾难救援中发挥重要作用。2019年6月，以色列通用机器人公司（General Robotics）推出了一种名为“DOGO”的武装机器人，该武装机器人可用于支援特种部队和安全人员开展室内作战。2019年8月，英国布里斯托大学（University of Bristol）的研究人员将计算机嵌入软体机器人，使软体机器人具备自我决策能力。该软体机器人具备极强的自主性和环境适应性，将在环境监测、污染清理及药物输送等领域具备应用前景。2019年10月，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）和美国麻省理工学院联合研发出一种铰链臂形式的小型组装机器人BILL-E，该机器人能够夹取三维组件进行放置，并使各部分相接，快速构建大型结构，也可对现有结构进行修复与更换，未来或将在空间站和月球基地建设中发挥重要作用。2019年9月，英国SDM公司推出一款工作级电驱动水下机器人（ROV），该机器人可下潜至6000米的海底，整机功率高达400千瓦，是目前世界范围内下潜最深、功率最大的作业级电驱动 ROV，可用于海底油气工程、海洋科考、海上救援打捞、水下钻井等多个领域。
（3）3D打印技术与设备创新不断，在各领域应用持续深入。2019年11月，美国哈佛大学工程与应用科学院开发出一种多材料、多喷头的3D打印技术，该技术可实现单个喷嘴对材料的体素级控制，该打印技术最多可支持软硬度不同的8种材料同步打印，极大拓展了3D打印制造复杂功能结构的能力。2019年10月，美国西北大学（Northwestern University）的科学家开发出一种新型SLA 3D打印机——HARP（High-Area Rapid Printing），该打印机每小时可打印约0.5米长的材料，打印速度是传统 SLA 设备的 100 倍。该打印机使用坚硬或具备弹性的材料，制造出的零件具备高分辨率，可应用于汽车、飞机、牙科等领域。2019年12月，澳大利亚海军搭载了SPEE3D公司生产的WarpSPEE 3D打印机，该机器能够生产直径为1000毫米、长为700毫米的金属部件，将有助于提升舰上维修保障能力。2019年5月，美国莱斯大学和美国华盛顿大学的研究人员开发出一种新生物打印技术，该技术可在几分钟内构建出具有复杂结构的柔软、水基性的血管网络，该血管网络具有足够的硬度，不会因为血液流动而破裂，且能够为细胞输送养分，有助于细胞存活。该技术有望为器官移植格局带来革命性突破。
（六）航天技术
2019年，世界航天装备研发稳步发展，诸多重点项目实现重大技术突破或达到重要节点。美国、俄罗斯、日本、印度、欧盟等世界主要经济体的发展引人注目。美国全面开展军事航天能力建设。俄罗斯大力推进航天装备现代化建设。欧盟、日本、印度等为争夺未来航天战略优势，也加速发展符合自身需求的航天装备。
1.重要趋势
（1）太空成为全球战略竞争新疆域。美国颁布“4号航天指令”，重启太空司令部，并正式组建天军，以确保美国对太空的控制。美国拟研发天基激光拦截器，并建设“天基传感器层”，以提升对来袭导弹的探测、跟踪及摧毁能力。美国继续开展“太空旗帜”“施里弗”太空演习，锤炼太空实战能力。俄罗斯总统普京要求深化太空领域工作，完善管理模式，强化太空竞争优势，谋求太空领域领先地位。法国成立太空司令部，发布新版《太空防御战略》，并将研发反卫星激光武器，以提升太空防御能力。印度成功完成反卫星武器试验，成为全球第四个掌握反卫星技术的国家。印度组建了国防太空署（Defense Space Agency）和国防太空研究机构，并完成首次太空军事演习，对太空作战必备能力开展评估。日本拟设立“宇宙作战队”，以提升太空感知能力。此外，北约宣布将太空列为“第五战场”，并计划发展太空防御能力。
（2）主要航天国家强化太空领域合作，以应对太空威胁。美国将向盟国开放太空态势感知数据库，并对盟国感知数据进行整合，提升对太空轨道进行监测的能力。美国与波兰、芬兰、日本深化太空合作，进一步提升太空态势感知能力。美、英等七国联合发布的《太空行动联合声明》指出，各国已认识到太空领域的重要战略意义，将加强太空领域的军事合作，共同应对太空威胁。日本、印度开展第一次太空对话，并表示将在全球导航卫星系统、太空态势感知、太空安全和太空产业等领域进行合作。
（3）深空探索有序开展，多国启动月球探测计划。美国为NASA追加16亿美元预算，以加速推进重返月球任务进程。为此，NASA公布“阿尔忒弥斯”（Artemis）计划细节，推进“航天发射系统”（Space Launch System，SLS）、“猎户座飞船”（Orion）、“门廊”（Gateway）等项目的登月设备的测试和研制进度。同时，加拿大、日本及澳大利亚相继加入美国的“门廊”项目和重返月球任务，为美国载人登月提供支持。俄罗斯启动探月项目设计工作，旨在为载人月球任务设计新型运输系统。中国“嫦娥四号”月球探测器成功在月背着陆，中国成为全球第一个实现月背软着陆和完成月背与地球中继通信的国家，“玉兔二号”月球车成为世界上在月工作时间最长的月球车。印度成功发射“月船 2 号”月球着陆器，首次尝试月面软着陆，但因技术问题，着陆器在下降过程中与地面失联，导致任务失败。以色列成功发射“创世纪”号月球探测器，但探测器在降落月球表面前出现一系列故障，最终坠毁。
2.重大进展
（1）商业低轨卫星星座部署加速，为天基通信网络建设奠定基础。美国铱通信公司（Iridium Communications）的“下一代铱”星座完成部署，成为全球首个完成组网的低轨通信星座，将提供低轨互联网通信服务。美国太空探索技术公司（SpaceX）成功发射120颗“星链”（Star Link）试验卫星，稳步推进“星链”星座初期组网进程。亚马逊拟组建由 3236 颗卫星组网的宽带互联网星座，该宽带互联网星座将为全球未普及互联网的社区提供低宽带服务。英国一网公司（OneWeb）成功发射6颗互联网卫星，开启低轨互联网星座部署工作。加拿大电信卫星公司（Telesat）公布低轨卫星星座建设方案，将建设由300颗卫星组网的低轨卫星星座。
（2）主要航天国家升级完善定位导航与授时系统。美国国防部出台《定位导航授时体系战略》，强化定位、导航、授时体系建设，以保障美军全域作战优势。美国成功发射第二颗第三代“全球定位系统”（Global Positioning System-3，GPS-3）卫星，并在轨开展校验测试。同时，美国空军宣布，GPS-3应急运行系统与首颗GPS-3卫星成功建立连接。俄罗斯成功发射1颗“格洛纳斯”（GLONASS）M型导航卫星，使“格洛纳斯”系统在轨卫星数量达 27 颗。按照新“格洛纳斯”联邦专项计划2021—2030年的构想，俄罗斯拟于2021年后为“格洛纳斯”系统星座补充重量在500千克以下的迷你型卫星。
（3）美、俄继续提升导弹预警探测能力。美国空军完成对“天基红外系统”（Space-Based Infrared System，SBIRS）地球同步轨道4号卫星的验收试验，使“天基红外系统”实现全球覆盖。美国“天基杀伤评估”（Spacebased Kill Assessment，SKA）系统的全部传感器载荷完成入轨部署，并参与了美军地基拦截弹齐射拦截洲际导弹试验。俄罗斯发射“苔原”（Tundra）系列下一代预警卫星的第 3 颗卫星，计划2020年完成6颗卫星组网。
（七）航空技术
2019年，世界主要国家继续探索航空战略和新概念航空作战平台，加速创新技术研发，持续推动航空装备的更新换代与能力提升。美国响应大国竞争战略，大力推进新作战概念的技术验证和下一代装备研发。俄罗斯为应对以美国为首的北约日益强化的战略挤压，发展有针对性的“非对称”威慑打击能力，推进装备现代化进程。欧洲国家为应对俄罗斯的压力，积极研发下一代航空装备，以打造独立的攻防作战体系。
1.重要趋势
（1）美国发布多份战略文件，加强军用航空科技谋划。美国空军发布《2030年科技战略》，提出发展并形成战略转型能力、改革领导和管理科技的方式、优化拓展科技研发机构的人才建设及对外合作机制的目标及相关举措。同时，美国空军发布了《“数字空军”倡议白皮书》，将通过三大举措建设“数字空军”：一是建设能响应现代作战需求的信息技术基础设施，支撑跨域、多域条件下数据及信息的组织、使用和共享；二是发展数据赋能的人工智能和机器学习能力，持续缩短决策周期；三是广泛应用成熟的商用解决方案，提升管理体系的效率和效果。此外，美国空军还发布了2019年版《国家人工智能战略》，描述了美国空军的人工智能定义、发展背景和目的，提出五大关注领域：降低技术准入门槛；将数据视为战略资产；实现人工智能使用权限泛化；招募、发展、培训和培养人工智能人才；增强与国际伙伴、政府部门、工业界和学术界的沟通和合作。
（2）美、俄等持续加强无人机研发，为构建空中优势奠定基础。美国在2019年公布的2020财年预算中为无人机远征项目申请了2100万美元资金，以进一步扩展美国海军陆战队作战范围。美国新型隐身无人攻击机XQ-58A首飞成功，这标志着美国低成本无人作战飞机技术和装备取得阶段性进展。美国“进攻性蜂群使能战术”项目进行到第四阶段，将开发蜂群战术虚拟测试平台，以提升人和无人机集群的协同能力。俄罗斯首款重型攻击无人机S-70“猎人”完成首飞，并与苏-57战斗机完成首次协同飞行测试。俄罗斯正在为第三代作战装备开发微型无人机，该微型无人机可在安全距离内监视敌方位置和动态，并能在电子对抗和极端气候环境中使用。英国拟于 2020年完成蜂群无人机中队部署，以提升对敌方防空系统的攻击能力。英国 MAGMA 无人机首次在飞行中采用超声速吹气技术，突破了飞机机翼环量和射流推力矢量两大控制技术难点，为改善飞机控制能力提供重要帮助。
（3）航空强国持续推进新型战斗机的研制和部署。美国拟升级 F-35 战斗机的油箱、武器系统及电子战系统，以提升战斗机综合作战性能。同时，美国F-35C战斗机形成初始作战能力，将于 2021年进入西太平洋地区执勤，这标志着美国海军正式进入舰载五代机时代。俄罗斯拟为苏-57 战斗机装备人工智能和高超声速武器等先进作战系统，并对其安全通信系统开展国家测试。俄罗斯拟制造氢燃料空天飞机，以获取在大气和太空两种空间内飞行的能力。法、德开启“未来作战航空系统”（Future Combat Air System，FCAS）项目的概念研究，以支持下一代战斗机的研发工作。意大利和瑞士加入英国“暴风”战斗机项目，将为该项目提供技术和资金支持。日本拟启动新型 F-3 隐身战斗机的研发和生产工作，或将与 BAE 系统公司、洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin）及波音等开展合作。
2.重大进展
（1）高超声速武器技术面向实战化应用。美国已将高超声速武器列为 21 世纪技术竞赛的重点技术之一，并拟在未来5年投入105亿美元，以加速高超声速攻防能力建设。同时，美国发布“国家应用高超声速联盟”信息征询书，并拟出台《高超声速工业基础战略》，以推进高超声速武器化进程。俄罗斯拟进一步发展空天力量，并将高超声速武器防御能力列为建设重点之一。同时，俄罗斯开始列装“先锋”高超声速导弹，并在北极部署新雷达，以加强高超声速武器攻防能力。法国开启高超声速武器研发进程，拟于 2021年年底对高超声速滑翔弹技术开展飞行试验。日本公布高超声速武器发展计划，拟于2030年前研发出速度达5马赫的巡航导弹。印度完成“高超声速技术验证飞行器”项目超燃冲压发动机首次飞行试验，并开始为生产高超声速武器开展准备工作。
（2）航空强国稳步推进下一代航空发动机技术研发工作。美国空军向霍尼韦尔（Honeywell）、波音授予“支持经济可承受任务能力的先进涡轮技术”（Advanced Turbine Technologies for Affordable Mission-Capability，ATTAM）计划第一阶段合同，以研发下一代先进涡轮推进、电力和热技术。美国陆军授予美国通用电气公司（General Electric Company，GE）改进涡轮发动机项目（Improved Turbine EngineProgram，ITEP）研制合同，美国将发展下一代军用直升机发动机。美国通用电气公司完成 XA100 自适应循环发动机详细设计，该设计将为未来战斗机作战能力提升提供重要支持。法国赛峰集团（SAFRAN）与德国MTU航空发动机公司签署合作协议，将成立合资公司，开发法德新一代战斗机用发动机。英国国防部（Ministry of Defence，MoD）授予罗尔斯·罗伊斯公司（Rolls-Royce）研究合同，以开发高马赫数的飞机发动机技术。英国“佩刀”高超声速发动机验证机的核心机完成初步设计评审，其预冷器换热器元件也通过了关键冷却测试，为后续核心机整机地面试验奠定基础。
（3）电动飞机技术不断取得突破。波音的自主乘用飞行器（Passenger Air Vehicle，PAV）原型机完成首次试飞，该原型机在飞行期间完成了受控起飞、悬停和着陆等任务，成功对自主功能和地面控制系统进行测试。美国联合技术公司（United Technologies Corporation，UTC）启动“804计划”，将在3年内完成一架混合电动支线客机X-Plane的研制和试飞，把当前多电技术从千瓦量级提升到兆瓦量级。英国罗尔斯·罗伊斯公司宣布，他们将制造世界上飞行速度最快的全电动飞机，该飞机的目标速度约为480千米/小时，并能够实现零排放。德国初创公司百合的垂直起降电动飞机（Electric Vertical Take Off and Landing，eVTOL）验证机——“百合号”喷气飞机完成从垂直飞行到水平飞行的过渡，其测试飞行速度超过100千米/小时。加拿大通勤航空Harbour Air的全电动DHC-2水上飞机完成首飞，该飞机可在空中飞行30分钟，是世界第一架全电动商用飞机。
（八）海洋技术
2019年，世界主要海洋国家和国际组织继续围绕重点海洋研究方向进行布局，持续推进极地开发、海上装备研发、海洋观测和清洁航运等方面的研究，并在无人舰船、海上态势感知能力建设及水下通信领域取得一系列重大进展。
1.重要趋势
（1）美、俄在北极展开全方位竞争。在北极科研方面，美、俄分别成立新极地中心，以更高的科研水平服务北极开发。在破冰船建造方面，俄罗斯宣布将打造一支包含9艘核动力破冰船的北极船队，为北极活动提供强大的后援支撑；美国新一代“极地安全防卫舰”（Polar Security Cutter）首舰开工建造，以弥补国内破冰船短缺现状。在北极航道开发方面，俄罗斯制定外国军舰通行北方海路新规，进一步加大对航道的管控力度；美国计划开辟北极新港口，强化美国在北极地区的战略优势。在北极军事建设方面，俄罗斯在北极新建反导基地，恢复北极空域巡逻，测试极地版S-400防空导弹系统，部署“共振-N”预警雷达，以构建北极绝对军事优势；美国在冰岛凯夫拉维克建立临时海上作战中心，以扩大海军舰艇在北极地区的竞争力。
（2）世界主要国家重点研发海上军用无人系统。俄罗斯计划采购 32 艘可携载核弹头的“海神”核动力无人潜航器，该潜航器入役后将大幅提升潜艇任务拓展能力。美国海军与波音签订合同，美国海军拟采购 4 艘“虎鲸”超大型无人潜航器，以执行多种海上作战任务。英国国防部投资250万英镑设计、改装超大型无人潜航器，使它可承载多种有效载荷，执行ISR和目标搜索定位等任务。日本打造新型水下无人潜航器，以提升日本自卫队对偏远地区尤其是偏远岛屿的侦察与监视能力。韩国推出新型反潜战无人潜航器，该无人潜航器可搜索并猎杀敌方潜艇。
（3）全球海洋观测网（Argo）计划向多区域、多时间、多空间拓展。2019年，Argo计划提出新愿景，即在未来10～20年内建成一个由2500个核心Argo浮标、1200个深海Argo浮标和1000个生物地球化学Argo浮标组成的综合性全球海洋立体实时观测网。Argo计划正从单纯的海洋气候观测升级到生物地球化学观测。建成后的Argo将是一个覆盖深度更深（由当前的2000米增加到6000米）、更实时的跨学科海洋观测网，将帮助人类更好地应对全球气候变暖背景下的海洋酸化等问题。
（4）清洁航运受追捧。随着国际海事组织（International Mariime Organization，IMO）“限硫令”的实施及“碳减排协议”的签署，2019年各国加紧推动清洁航运的实现。英国推出“清洁航运计划”，将建立航运排放法规咨询服务，助力英国在2050年实现温室气体净零增长的目标。日本制定《符合2020年硫排放法规的船用燃料油指导方针》，推动航运业遵守硫排放限制规则。丹麦马士基、德国德迅和荷兰壳牌等60家行业巨头成立“零排放联盟”，以加速实现航运业碳减排目标。
2.重大进展
（1）美国开始打造未来无人水面舰队。2019年，美国海军提出要在未来5年内打造一支由10艘大型无人水面舰组成的舰队，以完成高危任务。美国海军已在2020财年预算中投入3.725亿美元建造首批两艘大型无人水面舰。大型无人水面舰是一种续航力高、功能模块化的舰艇，能搭载不同载荷，执行不同任务，可用于独立作战或与水面部队联合作战。美国海军无人舰队的部署计划，展示了美国希望在未来海战中抢占战略制高点的雄心。
（2）DARPA“海上物联网”项目取得阶段性进展。为在较低成本条件下大幅提升海域态势感知能力，DARPA 启动“海上物联网”项目。该项目旨在利用数千个低成本、携带不同类型传感器的漂浮器组成的分布式海洋监测网络，收集海洋环境数据、海上船只飞机及海洋生物活动等信息，以实现持久、广域的海洋监测。2019年，“海上物联网”项目基本完成第一阶段工作，取得阶段性进展。在下一阶段工作中，DARPA将为浮标开发和数据分析两项工作提供初步解决方案。
（3）美、日水下通信技术取得突破。日本海洋研究开发机构与岛津制作所共同开发出稳定的水下激光通信设备，该设备可以100兆比特/秒的传输速度实现10米距离内的双向通信，主要用于海底油田勘探中无人潜航器的通信。美国麻省理工学院开发出一种不用电池的水下通信系统，该系统可在几乎不用电的情况下从水下将数据传输到陆地，可以帮助研究人员建立水下物联网，以实时监测海水温度和海洋生物，并免去定期更换设备和电源的麻烦。