如何實現(xiàn)低能耗人工智能？全球氣候變化背景下作物如何適應土壤環(huán)境？如何突破碳纖維復合材料在我國未來超高速軌道交通車輛裝備的應用？

10月22日，在安徽合肥舉行的第二十五屆中國科協(xié)年會主論壇上，中國科協(xié)發(fā)布了具有前瞻性、創(chuàng)新性和引領性的10個前沿科學問題、9個工程技術(shù)難題和10個產(chǎn)業(yè)技術(shù)問題。其中，人工智能、新能源、高性能材料、生命科學等領域重大問題受到關(guān)注。

2023重大問題難題發(fā)布人、中國科協(xié)副主席高鴻鈞院士表示，此次征集評選強調(diào)把準問題前沿性、戰(zhàn)略性、創(chuàng)新性、引領性，把握科技發(fā)展趨勢和學科前沿發(fā)展方向，服務科技工作者為國為民建功立業(yè)。

據(jù)了解，今年的征集發(fā)布活動共收到89家全國學會和學會聯(lián)合體、部分企業(yè)科協(xié)推薦的590個問題難題，涵蓋數(shù)理化基礎科學、地球科學、生態(tài)環(huán)境、制造科技、信息科技、先進材料、資源能源、農(nóng)業(yè)科技、生命健康、空天科技等十大領域。征集過程中，進一步廣泛動員，通過定向邀請等方式，號召一批知名院士專家和境外科技組織參與問題難題的凝練推薦；評選過程中，進一步突出高層次專家評議指導，包括中國科協(xié)學術(shù)交流與期刊出版專委會委員等在內(nèi)的117位院士專家經(jīng)過復選、終選等環(huán)節(jié)進行嚴格評議把關(guān)，最終評選出29個重大問題難題。

10 個前沿科學問題

01

如何實現(xiàn)低能耗人工智能？

所屬領域：信息科技

推薦單位：中國移動通信集團有限公司科學技術(shù)協(xié)會

人工智能技術(shù)的進步得益于人類大腦和計算技術(shù)的研究進展和發(fā)現(xiàn)。通過學習人類視覺神經(jīng)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡解決機器視覺的問題；通過學習人類大腦的獎勵機制，發(fā)現(xiàn)了強化學習的方法，大幅提升了機器學習效率。但在能量的使用方面，機器對數(shù)據(jù)的處理和對能量的消耗是大腦的數(shù)千倍。如何實現(xiàn)低能耗人工智能已經(jīng)成為亟待解決的重大科技問題。綠色AI領域的研究和突破將帶動通用人工智能在各個應用領域的廣泛發(fā)展，解決人工智能產(chǎn)業(yè)的高耗能問題，促進全社會的數(shù)智化轉(zhuǎn)型，助力實現(xiàn)碳達峰、碳中和的目標。

如何實現(xiàn)低能耗人工智能？解決這一問題可能的兩條路徑為：一是算力硬件領域的進步，仿照人類神經(jīng)元的組成和工作原理，突破現(xiàn)有計算機的架構(gòu)，實現(xiàn)低能耗人工智能硬件；二是算法領域的進步，發(fā)現(xiàn)和學習人類神經(jīng)元信息處理的方式，突破信息表征新范式，發(fā)現(xiàn)低數(shù)據(jù)處理、低計算量的人工智能訓練和推理方法，實現(xiàn)低能耗人工智能算法。

02

如何實現(xiàn)飛行器在上層大氣層機動飛行？

所屬領域：空天科技

推薦單位：中國空氣動力學會

距離地面100～200km的上層大氣層是人們一直想利用而沒有利用到的空域。這一空域大氣密度極低，相比傳統(tǒng)意義下的空氣動力學，上層空氣動力學流動的非平衡效應更加顯著，具有強烈的多尺度特征，低密度環(huán)境導致物面的影響傳播得更遠，多場耦合效應更加嚴重，不足以支撐這一空域飛行器發(fā)展的需求。在這一空域飛行的理論和技術(shù)尚屬空白，一旦取得突破，將帶來顛覆性影響，制造出100～200km上層大氣層飛行器，實現(xiàn)在這一空域的機動飛行，帶動對地觀測、通信等民生和國防領域的重大科技進步，填補在此空域飛行的飛行器空白。

03

利用新型符合測量方式能否搜尋磁單極子和軸子暗物質(zhì)的存在？

所屬領域：數(shù)理化基礎科學

推薦單位：中國科協(xié)創(chuàng)新融合學會聯(lián)合體

磁單極子以及軸子等新粒子，是目前對于超出粒子物理標準模型新物理搜尋的主要目標之一，是粒子物理領域的重大科學前沿問題。過去幾十年通過眾多的實驗手段，國際上相繼開展了多個搜尋實驗，都沒有發(fā)現(xiàn)這些新粒子的跡象。在深空環(huán)境中利用新型探測手段對這些新粒子的搜尋，將能提高對此類新粒子探測的靈敏度，填補研究空白。

04

非線性效應會隨尺度變化嗎？

所屬領域：制造科技

推薦單位：中國微米納米技術(shù)學會

非線性效應是前沿科學和工程技術(shù)中廣泛存在的非線性因素導致的復雜物理現(xiàn)象，在宏觀尺度上各學科都開展了深入的研究。然而，隨著更小尺寸的人造體系不斷涌現(xiàn)，人們對于非線性效應的已有認識，到微米、納米甚至更小的尺度是否仍然適用？非線性因素及其作用是否會隨體系尺度變小出現(xiàn)新的表現(xiàn)形式，帶來新的非線性現(xiàn)象？

05

影響高性能纖維發(fā)展的基礎科學問題是什么？

所屬領域：先進材料

推薦單位：中國科學學與科技政策研究會

高性能纖維及復合材料以其卓越的性能和輕量化特點，在航空航天、風電等高端領域已大量應用，并正迅速擴散至軌道交通、汽車、壓力容器和新能源等領域，成為各大國軍事發(fā)展與經(jīng)濟競爭的焦點之一。高性能纖維及復合材料的表面界面對于制備工藝、產(chǎn)品性能和應用具有重要影響。我國尚未全面掌握高性能纖維及復合材料表面界面的組成-結(jié)構(gòu)-工藝-性能之間深層次關(guān)聯(lián)關(guān)系，相關(guān)科學機理仍不明晰。由于缺乏理論指導和系統(tǒng)應用驗證積累，我國在高性能纖維及復合材料表面界面的基礎科學研究方面滯后于應用研究，自主創(chuàng)新后勁不足，材料性能提升與功能化進展緩慢，阻礙了進一步應用發(fā)展。在高端領域關(guān)鍵材料尚不能實現(xiàn)國產(chǎn)化替代，仍存在“卡脖子”技術(shù)難題。因此，大力推動高性能纖維及復合材料表面界面的基礎學科建設，對于推動我國尖端領域技術(shù)進步與可持續(xù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、實現(xiàn)高水平科技自立自強具有重大社會效益和經(jīng)濟效益。

06

全球氣候變化背景下作物如何適應土壤環(huán)境？

所屬領域：農(nóng)業(yè)科技

推薦單位：中國植物營養(yǎng)與肥料學會

當今和未來很長時間內(nèi)，人類活動強烈、快速且持續(xù)性地影響全球氣候環(huán)境，包括大氣中溫室氣體（如二氧化碳、甲烷和氧化亞氮）的濃度增加、平均氣溫的上升、極端天氣事件的增多，以及由此帶來的土壤環(huán)境和動植物物種分布等變化。

土壤和溫光環(huán)境是植物生長發(fā)育及其演化適應的基礎。氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響因素主要有三個方面。（1）降雨和溫度變化：氣候變化可能導致降雨分布和數(shù)量的變化以及溫度的升高，影響水資源的數(shù)量和分配，改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局和種植制度，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成威脅；（2）土壤質(zhì)量變化：氣候變化影響土壤水分和土壤中的生命活動過程，可能導致土壤質(zhì)量下降，嚴重影響農(nóng)作物的生長和產(chǎn)量；（3）農(nóng)業(yè)氣象災害加劇和病蟲害發(fā)生加重：氣候變化導致天氣極端事件頻發(fā)，農(nóng)業(yè)氣象災害風險和受害程度加重，改變農(nóng)作物病蟲害發(fā)生和傳播規(guī)律，加重病蟲害的發(fā)生風險和受害程度。因此，利用最新的生物和環(huán)境技術(shù)手段，解析農(nóng)作物基因與環(huán)境互作的分子與遺傳機制，一方面是預判未來作物適應環(huán)境變化的基礎前沿科學問題，另一方面也可以用于指導適應土壤環(huán)境的未來作物育種品種設計。在該問題上取得突破，可以引領未來在全球氣候環(huán)境變化背景下的資源高效利用的生物育種，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟和環(huán)境效益。

07

現(xiàn)代陸地生態(tài)系統(tǒng)是如何起源的？

所屬領域：地球科學

推薦單位：中國古生物學會

現(xiàn)代陸地生態(tài)系統(tǒng)形成于白堊紀中期。它的出現(xiàn)也改變了地球系統(tǒng)能量流動和碳、磷等關(guān)鍵元素的循環(huán)過程，也深刻影響了地球表層系統(tǒng)的演化進程。了解“白堊紀陸地革命”的起因、過程和動力機制是解答現(xiàn)代陸地生態(tài)系統(tǒng)起源問題的關(guān)鍵。

08

生殖衰老的觸發(fā)及延遲機制是什么？

所屬領域：生命健康

推薦單位：中國女醫(yī)師協(xié)會

人類社會正面臨著人口老齡化和生育力下降的嚴峻挑戰(zhàn)。與年齡相關(guān)的生育率下降，如孕產(chǎn)婦年齡增長、高齡男性精子質(zhì)量下降等，是現(xiàn)代生殖醫(yī)學面臨的全球性挑戰(zhàn)。配子（卵母細胞和精子）、胚胎與子宮生理性衰老及病理性發(fā)育異常是導致生殖衰老后不育和出生缺陷發(fā)生的關(guān)鍵因素。針對生殖衰老的觸發(fā)及延遲機制，有以下科研重點問題：（1）配子（卵母細胞和精子）及胚胎發(fā)育衰老過程中表觀遺傳變化，包括RNA修飾（m6A、a c 4 C、Ψ等）、組蛋白修飾（H 3 K 4 m e 3、H3K9me3和H3K27me3等）、DNA甲基化及蛋白翻譯后修飾，結(jié)合抑制劑及激活劑篩選新型衰老延緩藥物，從表觀遺傳角度深入解析生殖衰老觸發(fā)和延遲機制；（2）衰老配子（卵母細胞和精子）及胚胎非整倍體發(fā)生機制，篩選參與調(diào)控染色體精準分離的關(guān)鍵因子并進行結(jié)構(gòu)解析，揭示生殖衰老非整倍體率增高的病因；（3）高級DNA結(jié)構(gòu)（包括G四聯(lián)體、Z-DNA結(jié)構(gòu)等）在生殖衰老的觸發(fā)及延遲過程中的變化特征及功能機制；（4）生殖衰老過程中配子（卵母細胞和精子）及胚胎發(fā)育與線粒體穩(wěn)態(tài)的關(guān)系及具體作用機制。本問題取得突破后，將為女性生殖衰老分子機制提供新認識、創(chuàng)建精準診療技術(shù)，促進女性健康生育，保障出生人口質(zhì)量。

09

如何實現(xiàn)可控核聚變的穩(wěn)態(tài)燃燒？

所屬領域：資源能源

推薦單位：中國能源研究會

實現(xiàn)聚變能商用，必須解決的首要科學問題是如何實現(xiàn)聚變堆堆芯等離子體的穩(wěn)態(tài)燃燒。實現(xiàn)堆芯等離子體穩(wěn)態(tài)燃燒，獲得足夠高的聚變功率以及氚自持所需的氚增殖比，需將等離子體溫度、密度和能量約束時間提升至足夠高，即聚變核心綜合參數(shù)“三乘積”超過10²¹m-3·keV·s。在此苛刻條件下，堆芯等離子體的穩(wěn)定運行將面臨嚴峻挑戰(zhàn)，如燃燒等離子體電流驅(qū)動、加料與排灰、等離子體與壁相互作用、阿爾法粒子物理、大尺度磁流體不穩(wěn)定性和破裂控制等科學問題。突破聚變堆高參數(shù)、高性能燃燒等離子體穩(wěn)定運行核心問題，將有助于提升我國在國際重大前沿科學技術(shù)的話語權(quán)，對我國未來聚變堆建設起到極大推動作用。

10

如何探明更高速度輪軌系統(tǒng)耦合機理及能量場分布特征？

所屬領域：地球科學

推薦單位：中國鐵道學會

列車運營速度是衡量一個國家鐵路發(fā)展水平和工業(yè)科技水平的重要指標之一，為了提高影響力和競爭力，當前多個國家已計劃或規(guī)劃進一步提高列車運營速度。而輪軌系統(tǒng)耦合機理是制約輪軌制式交通運營速度、安全性、可靠性和舒適性進一步提升的關(guān)鍵核心問題。在更高速度條件下，輪軌瞬態(tài)滾動接觸行為變得更為復雜，存在強摩擦力、多環(huán)境能量交互、高應變率載荷等復雜效應。更高速度輪軌復雜的耦合接觸行為將導致系統(tǒng)能量場發(fā)生不可預知的變化，并在輪軌系統(tǒng)多環(huán)境能量場交互機制作用下，產(chǎn)生車輛—軌道系統(tǒng)的能量重構(gòu)現(xiàn)象，影響車輛和軌道系統(tǒng)的能量耗散響應，若能量耗散不合理，將導致車輛和軌道系統(tǒng)關(guān)鍵部件的不可逆?zhèn)麚p，嚴重影響列車運行的安全性和系統(tǒng)可靠性。因此，如何探明更高速度條件下的輪軌系統(tǒng)耦合機理及能量場分布特征是提高列車運營速度，提升安全性、可靠性和舒適性，并降低車輛和軌道系統(tǒng)關(guān)鍵部件傷損的關(guān)鍵核心科學問題，是構(gòu)建我國高速鐵路全面系統(tǒng)正向設計理論和方法體系，整體提升我國鐵路行業(yè)國際競爭地位，彰顯國家工業(yè)科技水平和綜合國力的核心基礎。

9個工程技術(shù)難題

01

如何實現(xiàn)在原子、電子本征尺度上的微觀動力學實時、實空間成像？

所屬領域：數(shù)理化基礎科學

推薦單位：中國光學工程學會

在微觀世界，物理、化學、生物、材料等領域不再有清晰的界限，其本質(zhì)都是源于電子、原子、分子等構(gòu)成物質(zhì)微觀粒子的相互作用與運動規(guī)律，特征空間和時間尺度分別為超小的皮米至納米和超快的阿秒至飛秒量級。微觀粒子作為精密測量和新量子技術(shù)革命的重要載體和平臺，在本征時間和空間尺度對其結(jié)構(gòu)和動力學的研究具有重要科學意義。正因為此，2023年諾貝爾物理學獎授予了皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）、安妮·盧利爾（Anne LHuillier）三位科學家，以表彰他們開發(fā)了能夠產(chǎn)生阿秒光脈沖的實驗方法，促進了物質(zhì)中電子動力學的研究。然而，受到光脈沖衍射極限的限制，阿秒光譜技術(shù)的空間分辨能力無法突破納米量級，仍然無法完全實現(xiàn)對這些微觀粒子特別是電子的直接時空觀測，嚴重阻礙了基礎科學研究和重大應用領域的發(fā)展。目前，最具前景的兼具超高時間與空間分辨的探測技術(shù)為超快電子顯微技術(shù)，但該技術(shù)受到電子間的庫倫排斥作用、光發(fā)射電子的固有能量彌散以及系統(tǒng)穩(wěn)定性等因素的限制，一直難以突破百飛秒-納米級時-空分辨瓶頸。如若攻克上述制約因素，有望實現(xiàn)在原子、電子本征時空尺度上的微觀動力學實時、實空間觀測，進而推動我國基礎物理、新型光電子器件、超快化學、生物安全 、量子科學、清潔能源等重要科技前沿領域的跨越式發(fā)展，為我國基礎研究的原始創(chuàng)新突破提供有效支撐。

02

如何解決稀土基體中痕量雜質(zhì)的高效分離難題，突破高純稀土材料工程化制備技術(shù)及裝備？

所屬領域：先進材料

推薦單位：中國有色金屬學會

稀土元素因其特殊的4f亞層電子結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出豐富而獨特的磁、光、電、催化等功能性質(zhì)，被譽為“現(xiàn)代工業(yè)維生素”和“21世紀新材料寶庫”，已成為全球公認的重要戰(zhàn)略資源。高純稀土材料作為稀土功能材料的基礎物質(zhì)保障，可以確保從原子、電子層次研究稀土材料組織結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，體現(xiàn)稀土元素本征性質(zhì)。隨著稀土在高科技領域的開發(fā)應用研究不斷取得重大突破，稀土功能材料對稀土材料的純度提出了更高的要求。

目前，我國在高純稀土制備方面與國外還存在較大差距。為保障我國高端裝備、電子信息、國防軍工等領域關(guān)鍵核心材料的自主可控，針對目前高純稀土提純工藝流程復雜，裝備規(guī)模小、提純效率低、制備周期長等問題，如何解決稀土基體中痕量雜質(zhì)的高效分離問題，突破5N～6N超高純稀土化合物、4N5～5N級高純稀土金屬工程化制備技術(shù)和關(guān)鍵敏感雜質(zhì)痕量去除技術(shù)，開發(fā)精準控制的大型高效提純新裝備是亟待解決的重大工程技術(shù)難題。

03

適用于新型電力系統(tǒng)的長周期儲能方式是什么？

所屬領域：資源能源

推薦單位：中國電機工程學會

由于新能源發(fā)電出力波動大、可靠出力低，隨著新能源裝機占比不斷擴大，以及煤電的逐步退出，新型電力系統(tǒng)面臨嚴峻的電力電量平衡及保供挑戰(zhàn)。大規(guī)模、長周期儲能技術(shù)可以實現(xiàn)大規(guī)模能量的長時間存儲、轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)換，對于提升新型電力系統(tǒng)長周期靈活性及充裕性具有重要作用，同時也關(guān)系著未來系統(tǒng)的演化路徑和電網(wǎng)形態(tài)，但目前國內(nèi)外新能源發(fā)展場景、路徑有很大差異，長周期儲能技術(shù)的定義、需求也不同，當前的儲能類型多樣，但滿足我國新型電力系統(tǒng)建設的長周期儲能技術(shù)尚無明確答案，適用于新型電力系統(tǒng)的大容量、高效率、具有成本經(jīng)濟性的長周期儲能方式還一直在探索與研究之中，大規(guī)模工程應用和實踐尚未開展。其突破將根本性破解高比例新能源發(fā)展與消納的關(guān)鍵難題，是我國新型能源體系構(gòu)建的重要組成部分，戰(zhàn)略意義重大。

04

如何實現(xiàn)大田作物綠色優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)無人化栽培技術(shù)？

所屬領域：農(nóng)業(yè)科技

推薦單位：中國作物學會

根據(jù)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞力持續(xù)減少、土地流轉(zhuǎn)與規(guī)?；?jīng)營加速、全程田間作業(yè)要求更為高質(zhì)高效舒適的大趨勢，圍繞大田作物綠色豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效目標，以大田作物栽培無人化作業(yè)技術(shù)為核心，配套控混肥一次性施用技術(shù)、無人機飛防高效植保技術(shù)、智能遠程控制灌溉技術(shù)和智能精準無人化收獲技術(shù)，創(chuàng)建大田作物生產(chǎn)無人化作業(yè)技術(shù)體系，破解未來糧食“怎么種、靠誰種”的“卡脖子”技術(shù)問題，推動糧食生產(chǎn)由機械化向無人化跨越。

05

如何突破低鉑、低成本車用燃料電池電堆關(guān)鍵技術(shù)？

所屬領域：制造科技

推薦單位：中國汽車工程學會

當前質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）技術(shù)水平（包括功率密度、壽命、能量轉(zhuǎn)換效率、低溫啟動性能等）均已滿足車用要求，然而其成本居高不下，成為限制車用燃料電池動力系統(tǒng)商業(yè)化與規(guī)?；瘧玫钠款i。降低燃料電池成本的關(guān)鍵是大幅降低電極中鉑基催化劑的用量，然而催化劑載量的不斷降低會犧牲燃料電池的性能與壽命。因此，如何突破低鉑、低成本車用燃料電池電堆關(guān)鍵技術(shù)，解決性能、壽命與成本之間的矛盾是當務之急。此外，燃料電池催化劑、質(zhì)子膜、氣體擴散層等關(guān)鍵材料主要依賴進口，進一步推高了我國燃料電池的制造成本，如何突破低鉑、低成本車用燃料電池關(guān)鍵材料批量化制備技術(shù)，實現(xiàn)完全自主的國產(chǎn)化替代，構(gòu)建完整的燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈，對于我國燃料電池技術(shù)發(fā)展至關(guān)重要。

06

如何突破多災種驅(qū)動作用下艱險山區(qū)國家重大鐵路超高寬幅站場路基長期風險評估與性能保持技術(shù)難題？

所屬領域：地球科學

推薦單位：中國地震學會

艱險山區(qū)國家重大鐵路超高寬幅站場路基長期風險評估與性能保持是關(guān)系到工程安全建設與運維的技術(shù)難題。超高寬幅站場路基功能分區(qū)多，在構(gòu)造活動、高原隆升、氣候變化和工程擾動等劇烈內(nèi)外動力耦合作用下，長期穩(wěn)定與空間變形演化十分復雜。亟須凝聚優(yōu)勢科研力量開展協(xié)同攻關(guān)，構(gòu)建超高寬幅站場路基長期風險評估與性能保持的理論與技術(shù)體系，闡明艱險山區(qū)多災種綜合風險內(nèi)涵與形成機制，量化區(qū)域多災種危險性、承災體脆弱性和恢復力，實現(xiàn)多災種、全要素、多層級的超高寬幅站場路基綜合風險動態(tài)模擬，突破多災種、多尺度、多物理場的超高寬幅站場路基長期風險評估技術(shù)瓶頸，創(chuàng)新多災種、全過程、分階段的超高寬幅站場路基韌性提升與性能保持技術(shù)，助力川藏鐵路、滇藏鐵路等艱險山區(qū)國家重大鐵路工程高起點高標準高質(zhì)量建設，貫徹落實“交通強國”戰(zhàn)略。

07

如何突破新能源廢料清潔高值化利用？

所屬領域：生態(tài)環(huán)境

推薦單位：中國化工學會

“十四五”規(guī)劃針對國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)體系構(gòu)筑明確指出加快發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)、深入推進資源循環(huán)利用。新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要關(guān)鍵資源對外依存度高。因此，新能源廢料等二次資源對資源供給安全意義重大。此外，新能源廢料易造成嚴重的環(huán)境和安全風險，亟待推進新能源廢料的清潔高值化利用。典型新能源廢料處理過程依賴傳統(tǒng)冶礦原理，以高價值金屬回收為目標，存在金屬流失嚴重、流程復雜、回收產(chǎn)品功能降級、伴生元素利用率低，以及二次污染嚴重等問題。針對新能源廢料宏觀組成非均勻、復雜，組元均勻、高純，組元間結(jié)合方式多樣，以及含有多種毒性物質(zhì)的典型特征，亟須發(fā)展宏觀多樣、介觀高純、微觀復雜的新能源廢料短流程、高值化、清潔利用理論和方法。其突破將有利于減少相關(guān)資源的進口依賴，防范原材料供給風險，對保障國家資源安全和改善生態(tài)環(huán)境具有重要戰(zhàn)略意義。

08

如何實現(xiàn)核動力載人火星探測的快速往返？

所屬領域：空天科技

推薦單位：中國宇航學會

載人火星探測是一項艱巨的任務，以往的研究方案多以低速度增量需求的長期火表停留任務為主，增加了航天員在軌長期駐留的風險挑戰(zhàn)，因此開發(fā)快速往返技術(shù)是安全實現(xiàn)載人火星探測任務的最基本要求。采用先進推進技術(shù)，降低發(fā)射重量，提高推進效率是快速往返的必然選擇，但目前工程實施難度大。需通過頂層設計規(guī)劃，選擇合適出發(fā)窗口，進行軌道設計與優(yōu)化，決策推進技術(shù)途徑，攻關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，開展在軌演示驗證，提高載人火星飛行器快速往返能力。逐步突破人類進入近地空間、地月空間、深空等的頻率并縮短航行時間，對建立航班化載人航天運輸系統(tǒng)，高效開發(fā)和探索宇宙具有重要意義。

09

如何將腦機接口技術(shù)應用到臨床醫(yī)療中？

所屬領域：生命健康

推薦單位：中國圖書館學會

腦機接口系統(tǒng)旨在建立一種腦與外部設備之間直接的雙向交流通道，以同時實現(xiàn)對外部設備的控制和對腦的調(diào)控，從而達到監(jiān)測腦狀態(tài)、治療腦疾病、增強腦功能等目的。按照信息采集的方式，腦機接口可以分為侵入式和非侵入式兩種技術(shù)路徑。

侵入式腦機接口直接與神經(jīng)元緊密接觸，在神經(jīng)信號質(zhì)量和神經(jīng)調(diào)控精度等關(guān)鍵性能上有著天然的優(yōu)勢，但植入手術(shù)對大腦的創(chuàng)傷和植入器件長期在體的安全性等問題是當前的技術(shù)瓶頸。

非侵入式腦機接口，是目前最常采用的腦信號采集路徑，也是在商業(yè)化探索中更有望率先落地的技術(shù)路徑。雖然采集的信號強度遠遠弱于侵入式腦機接口方案，信噪比低，時空分辨率更模糊，但因為這種方案不會對腦組織造成創(chuàng)口傷害，因此在普惠式應用方面更有潛力。

雖然腦機接口技術(shù)的臨床應用前景廣闊，但在性能、精準、高效、安全等方面仍存在眾多挑戰(zhàn)。

10個產(chǎn)業(yè)技術(shù)問題

01

如何突破碳纖維復合材料在我國未來超高速軌道交通車輛裝備的應用？

所屬領域：制造科技

推薦單位：詹天佑科學技術(shù)發(fā)展基金會

根據(jù)國家“雙碳”發(fā)展戰(zhàn)略部署，時速600公里高速磁浮、時速400公里及以上動車組及雙層動車組為代表的超高速列車憑借高速高效、輕量智能、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢，將成為未來主流產(chǎn)品，而解決其存在的高速-能耗-低碳、輕量-安全-大載荷突出矛盾是關(guān)系今后發(fā)展的最主要問題。因此，尋求綜合性能優(yōu)良的新材料、新結(jié)構(gòu)，突破傳統(tǒng)金屬材料的局限，形成更輕、更強的材料-結(jié)構(gòu)-工藝一體化核心技術(shù)解決方案，是確保高速列車領域引領地位、提升國際話語權(quán)的良好路徑，也將為國家戰(zhàn)略新型材料在高端裝備領域應用提供產(chǎn)業(yè)引擎。以碳纖維為代表的國家戰(zhàn)略新型材料，具有高強度、高模量、耐腐蝕、耐疲勞、可設計性強等優(yōu)異性能，是解決高速-能耗-低碳、輕量-安全-大載荷矛盾問題、實現(xiàn)高速列車輕量化的絕佳選擇。

02

如何發(fā)揮我國信息通信產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，快速實現(xiàn)芯粒（Chiplet）技術(shù)和產(chǎn)業(yè)突破？

所屬領域：信息科技

推薦單位：中國通信學會

芯粒（Chiplet）技術(shù)相較于傳統(tǒng)芯片，可有效降低成本，提升集成規(guī)模和設計效率，緩解對先進工藝的依賴。但是由于缺乏有效的產(chǎn)業(yè)牽引，我國在Chiplet標準制定、技術(shù)研究、產(chǎn)品研發(fā)、生態(tài)構(gòu)建等方面與國外先進水平存在一定差距，導致目前國內(nèi)Chiplet技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對緩慢。在過去的二十年中，我國信息通信產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，形成了廣泛的應用場景、完善的產(chǎn)業(yè)生態(tài)和充足的人才儲備，為發(fā)揮新型舉國體制開展關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)創(chuàng)造了條件。據(jù)分析，Chiplet技術(shù)有望應用于5G基站、數(shù)據(jù)中心、人工智能平臺等信息通信產(chǎn)業(yè)核心環(huán)節(jié)，提供更低成本、更高算力的基礎設施。因此打造Chiplet“中國方案”、快速實現(xiàn)Chiplet技術(shù)和產(chǎn)業(yè)突破，是突破芯片技術(shù)封鎖、實現(xiàn)集成電路領域高水平自立自強的關(guān)鍵。

03

石油基炭材料高端化技術(shù)如何發(fā)展？

所屬領域：先進材料

推薦單位：中國石油學會

石油基炭材料及其制備的石墨制品，在國防軍工、航空航天、核工業(yè)、冶金、新能源汽車等諸多領域得到了廣泛的應用，但在超高功率石墨電極本體及接頭、高能量密度鋰電池負極材料、各向同性核石墨、高性能瀝青基碳纖維、優(yōu)質(zhì)炭素材料用石油瀝青等產(chǎn)品國內(nèi)還以中低端為主，高端產(chǎn)品仍依賴進口，有些甚至受到嚴格管控。因此實現(xiàn)石油基炭材料的高端化發(fā)展，尤其在“雙碳”目標下，實現(xiàn)煉油“油轉(zhuǎn)特”轉(zhuǎn)型升級具有很現(xiàn)實的意義。必須加大高端應用技術(shù)研發(fā)，打造具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高端炭材料生產(chǎn)技術(shù)。

04

如何通過柔性薄膜技術(shù)實現(xiàn)星載輕質(zhì)可展開陣列天線？

所屬領域：空天科技

推薦單位：中國宇航學會

空間天線是航天器的千里眼及順風耳，新一代衛(wèi)星對星載天線提出了更大尺寸、更高性能的迫切需求。陣列天線具有波束靈活、抗干擾能力強等特點，是未來空間天線技術(shù)的重要發(fā)展方向，在空間微波遙感、雷達、通信以及空間電站無線能量傳輸?shù)阮I域有著廣泛的發(fā)展前景。

陣列天線的性能直接與天線有效口徑相關(guān)，天基SAR等任務往往需要數(shù)十平方米，甚至上千平方米的陣列天線。但是由于火箭上行包絡的限制，以傳統(tǒng)剛性材料為主要結(jié)構(gòu)的陣列天線，受到重量、收攏包絡尺寸等一系列問題的制約，極大地限制了星載大型和超大型陣列天線的在軌應用。而薄膜技術(shù)是解決上述問題的有效手段。薄膜天線具有面密度低、收攏體積小、展開方式靈活和成本低等優(yōu)點，容易實現(xiàn)更高面質(zhì)比的陣列天線，已成為國內(nèi)外星載天線領域的研究熱點及難點。星載薄膜陣列天線的開發(fā)，面臨高性能材料、高效率傳熱技術(shù)和芯片化微波組件開發(fā)等一系列工程難題，已成為制約我國星載陣列天線發(fā)展的關(guān)鍵問題。

05

如何實現(xiàn)生殖干細胞精準移植技術(shù)在養(yǎng)殖魚類單性種質(zhì)創(chuàng)制中的廣泛應用？

所屬領域：農(nóng)業(yè)科技

推薦單位：中國農(nóng)學會

生殖干細胞移植是創(chuàng)制魚類全雌（雄）單性新種質(zhì)的前沿育種技術(shù)，可以顯著加速魚類性控育種進程，提高養(yǎng)殖經(jīng)濟效益，推動魚類養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。然而由于魚類供體生殖干細胞系難以長期培養(yǎng)、受體內(nèi)源性生殖干細胞不易全部清除、傳統(tǒng)移植方式存在非定向性遷移等諸多因素影響，極大限制了生殖干細胞移植技術(shù)在養(yǎng)殖魚類單性種質(zhì)創(chuàng)制中的廣泛應用。因此，如何突破魚類體外生殖干細胞穩(wěn)定傳代、受體不育系高效制備、生殖干細胞靶向移植等系列關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)魚類生殖干細胞的快速、高效、精準移植是創(chuàng)制魚類單性新種質(zhì)迫切需要解決的產(chǎn)業(yè)技術(shù)難題。

06

梯級水庫群如何實現(xiàn)汛限水位聯(lián)合優(yōu)化調(diào)控？

所屬領域：地球科學

推薦單位：中國水利學會

我國地處亞洲季風區(qū)，水資源時空分布不均，是一個嚴重缺水的國家，歷史上曾多次發(fā)生嚴重旱情。特別是2022年長江流域發(fā)生流域性特大干旱，給社會經(jīng)濟造成了較大影響，引起社會各界的高度關(guān)注，也促使水利行業(yè)深入思考如何更好地發(fā)揮已建眾多大型水庫群的水資源綜合利用效益。

目前，經(jīng)過幾十年的科技攻關(guān)和技術(shù)進步，我國的水文氣象監(jiān)測預報、通信、水庫調(diào)度決策水平已經(jīng)處于國際前列。隨著具有預報、預警、預演、預案功能的智慧水利體系和數(shù)字孿生流域的持續(xù)構(gòu)建，可以為水庫汛期水位動態(tài)控制、聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度提供強有力的技術(shù)支撐。

研發(fā)梯級水庫群汛限水位聯(lián)合優(yōu)化調(diào)控技術(shù)，一方面可充分發(fā)揮大型水庫群聯(lián)合運行調(diào)度作用，在不降低原防洪標準的前提下實現(xiàn)洪水資源化，提高水庫汛末的蓄滿率，破解水資源時空分布不均的難題，實現(xiàn)綜合利用效益的最大化；另一方面，可充分利用現(xiàn)有水利工程條件，完善調(diào)度方案和操作規(guī)程，達到防洪減災、減少棄水、增加供水等多目標，是實現(xiàn)水利發(fā)展的一條非工程措施，可為加快水利高質(zhì)量發(fā)展提供“軟實力”。本問題的研發(fā)是面向水旱災害防御、水電清潔能源、水資源綜合利用以及水生態(tài)環(huán)境保護的重大國家需求，具有重大的理論意義和工程應用價值。

07

如何高值利用有機污染化工廢鹽，推動化工產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展？

所屬領域：生態(tài)環(huán)境

推薦單位：中國環(huán)境科學學會

我國是世界化工產(chǎn)值第一大國，化工行業(yè)總產(chǎn)值約14萬億元，占全球化工產(chǎn)值的40%左右。隨著我國化工行業(yè)的迅猛發(fā)展，化工廢鹽產(chǎn)生量也隨之逐年遞增，化工廢鹽具有產(chǎn)生面廣、量大、種類多、組分復雜等特點，其中有機污染化工廢鹽最常見、處理難度最大的一類可溶性固體廢物，普遍具有廢物和資源的雙重屬性。這類廢鹽以硫酸鈉、氯化鈉及二者的混合物為主，有的廢鹽還伴有重金屬、有毒難降解有機物、硝酸根等國家重點控制的污染物。有機污染化工廢鹽中的污染物不僅會直接危害人類健康，若處理不當，還會導致地表水、地下水污染及土壤污染，甚至導致土地鹽堿化、生態(tài)環(huán)境惡化。除廢物屬性外，有機污染化工廢鹽也具有資源屬性。作為化學工業(yè)的最基本原料之一，氯化鈉和硫酸鈉等原生鹽類當前主要通過鹽礦開采、海水蒸發(fā)等途徑獲取，大量生產(chǎn)、大量消耗、大量排放的生產(chǎn)方式尚未得到根本性扭轉(zhuǎn)。當前，我國亟須建立完善化工廢鹽利用處置的污染防治標準體系，攻關(guān)利用處置技術(shù)并開展工程應用示范，助力我國由化工大國向強國邁進。

08

如何在沙漠戈壁荒漠地區(qū)構(gòu)建千萬千瓦級新能源基地并實現(xiàn)安全穩(wěn)定送出？

所屬領域：資源能源

推薦單位：中國電機工程學會

我國是世界上荒漠化面積最大、受風沙危害最嚴重的國家之一，全國荒漠化土地約占國土面積的1/4。國家提出以沙漠、戈壁、荒漠為重點建設數(shù)億千瓦級大型風光基地，推動構(gòu)建以清潔低碳能源為主體的能源供應體系，加快能源綠色低碳轉(zhuǎn)型。由于荒漠新能源基地所在地區(qū)大多處于電網(wǎng)末端，電網(wǎng)支撐弱，經(jīng)濟欠發(fā)達，本地負荷小，新能源基地缺少大電網(wǎng)支撐，安全運行面臨挑戰(zhàn)，無法就地消納。為此，要將荒漠化地區(qū)改造成為綠色能源基地，亟須解決如何在缺乏電網(wǎng)支撐的情況下實現(xiàn)數(shù)億千瓦級荒漠新能源發(fā)電基地安全穩(wěn)定送出的關(guān)鍵問題。

09

如何發(fā)展面向高性能和低成本產(chǎn)業(yè)升級的自主可控SoC芯片？

所屬領域：信息科技

推薦單位：中國圖象圖形學學會

伴隨美國對中國貿(mào)易戰(zhàn)的不斷升級，美國對中國芯片（尤其是先進工藝制程的高端芯片）的設計制造能力進行全面封殺，通過使用先進工藝提高自主可控芯片整體性能的進程嚴重受阻。如何在現(xiàn)有較為落后但自主可控的國產(chǎn)工藝上設計并制造高性能的芯片成為亟須解決的現(xiàn)實問題。傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)升級模式需要在每一代升級時更換硬件設備和軟件，帶來極大的升級成本（包括時間成本和資源消耗成本）。如果面向行業(yè)需求定制一種SoC芯片，能夠兼顧高性能和可編程的靈活性，實現(xiàn)在未來一代或多代的產(chǎn)業(yè)升級時不需要更新硬件只需要更新軟件，將會產(chǎn)生顯著的“降本增效”的效果。因此，現(xiàn)階段我們亟須破解“如何發(fā)展面向高性能和低成本行業(yè)應用升級的自主可控SoC芯片”這一重要的產(chǎn)業(yè)技術(shù)問題。

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如何實現(xiàn)沖擊地壓煤層智能安全高效開采？

所屬領域：資源能源

推薦單位：中國煤炭學會

煤炭是我國能源安全的“壓艙石”，沖擊地壓已成為制約我國煤礦安全生產(chǎn)和產(chǎn)能釋放的頭號殺手，而且隨著開采深度的不斷增加，其影響越發(fā)凸顯，將嚴重影響我國能源戰(zhàn)略安全和國民經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展。因此，如何突破沖擊地壓煤層開采技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)安全、智能、高效開采是迫切需要解決的關(guān)鍵工程技術(shù)難題。