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世界科技发展新趋势

来源:时间:2016-01-05 15:18:15作者:点击数:

世界科技发展新趋势

 

 

    当前,新一轮科技革命和产业变革正在孕育兴起,全球科技创新呈现新的发展态势和特征。本期“世界科技发展新趋势”邀请专家学者主要介绍新一代信息技术、材料科技、智能制造与机器人技术发展的新趋势。

  ——编者

  移动化和泛在化、集中化和大数据化、智能化和个性化

  新一代信息技术发展新趋势(大势所趋)

  李国杰

  近几年媒体上频繁出现“新一代信息技术”这一概念。新一代信息技术,不只是指信息领域的一些分支技术如集成电路、计算机、无线通信等的纵向升级,更主要的是指信息技术的整体平台和产业的代际变迁。上世纪80年代以前普遍采用的大型主机和简易的哑终端,被认为是第一代信息技术平台。从上世纪80年代中期到本世纪初,广泛流行的是个人计算机和通过互联网连接的分散的服务器,被认为是第二代信息技术平台。近10年来,以移动互联网、社交网络、云计算、大数据为特征的第三代信息技术架构蓬勃发展。概括地说,新一代信息技术,“新”在网络互联的移动化和泛在化、信息处理的集中化和大数据化、信息服务的智能化和个性化。新一代信息技术发展的热点不是信息领域各个分支技术的纵向升级,而是信息技术横向渗透融合到制造、金融等其他行业,信息技术研究的主要方向将从产品技术转向服务技术。以信息化和工业化深度融合为主要目标的“互联网+”是新一代信息技术的集中体现。

  网络互联的移动化和泛在化。近几年互联网的一个重要变化是手机上网用户超过桌面计算机用户,以微信为代表的社交网络服务已成为我国互联网的第一大应用。移动互联网的普及得益于无线通信技术的飞速发展,4G无线通信的带宽已达到100Mb。我国提出的TD—LTE制式被认定为4G无线通信的国际标准之一,已率先在国内部署,这是我国从通信大国走向通信强国的重要机遇。正在研发的5G无线通信不只是追求提高通信带宽,而是要构建计算机与通信技术融合的超宽带、低延时、高密度、高可靠、高可信的移动计算与通信的基础设施。当前,基于IPv4协议的互联网在可扩展性、服务质量和安全性等方面已遇到难以突破的瓶颈,近来各大企业和研究者们正在积极发展软件定义的互联网和以内容为中心的互联网,这可能是未来互联网发展的重要方向。过去几十年信息网络发展实现了计算机与计算机、人与人、人与计算机的交互联系,未来信息网络发展的一个趋势是实现物与物、物与人、物与计算机的交互联系,将互联网拓展到物端,通过泛在网络形成人、机、物三元融合的世界,进入万物互联时代。

  信息处理的集中化和大数据化。上世纪末流行个人计算机,由分散的功能单一的服务器提供各种服务,但这种分散的服务效率不高,难以应付动态变化的信息服务需求。近几年兴起的云计算将服务器集中在云计算中心,统一调配计算和存储资源,通过虚拟化技术将一台服务器变成多台服务器,能高效率地满足众多用户个性化的并发请求。过去长期以来计算机企业追求的主要目标是“算得快”,每隔11年左右超级计算机的计算速度提高1000倍。但为了满足日益增长的云计算和网络服务的需求,未来计算机研制的主要目标是“算得多”,即在用户可容忍的时间内尽量满足更多的用户请求。这与传统的计算机在体系结构、编程模式等方面有很大区别,需要突破计算机系统输入输出和存储能力不足的瓶颈,未来10年内具有变革性的新型存储芯片和片上光通信将成为主流技术。同时,社交网络的普及应用使广大消费者也成为数据的生产者,传感器和存储技术的发展大大降低了数据采集和存储的成本,使得可供分析的数据爆发式增长,数据已成为像土地和矿产一样重要的战略资源。人们把传统的软件和数据库技术难以处理的海量、多模态、快速变化的数据集称为大数据,如何有效挖掘大数据的价值已成为新一代信息技术发展的重要方向。大数据的应用涉及各行各业,例如互联网金融、舆情与情报分析、机器翻译、图像与语音识别、智能辅助医疗、商品和广告的智能推荐等等。大数据技术大概5—10年后会成为普遍采用的主流技术。

  信息服务的智能化和个性化。过去几十年信息化的主要成就是数字化和网络化,今后信息化的主要努力方向是智能化。“智能”是一个动态发展的概念,它始终处于不断向前发展的计算机技术的前沿。所谓智能化本质上是计算机化,即不是固定僵硬的系统,而是能自动执行程序、可编程可演化的系统,更高的要求是具有自学习和自适应功能。无人自动驾驶汽车是智能化的标志性产品,它融合集成了实时感知、导航、自动驾驶、联网通信等技术,比有人驾驶更安全、更节能。美国已有几个城市给无人驾驶汽车颁发了上路许可证,估计10年内计算机化的智能汽车将开始流行。德国提出的工业4.0,其特征也是智能化,设备和被加工的零件都有感知功能,能实时监测,实时对工艺、设备和产品进行调整,保证加工质量。建设智慧城市实际上是城市的计算机化,将为发展新一代信息技术提供巨大的市场。

  (作者为中国工程院院士)

  追求高性能、低污染、低成本

  材料科技发展新趋势(势所必然)

  卢柯

  材料是人类生存和社会发展的物质基础,它既包括日常广泛使用的水泥、陶瓷、玻璃、金属、木材和高分子材料,也包括那些通过创新工艺制造出的具有特殊性能和功能的材料,如纳米材料、光电子材料、量子材料、超材料等。材料是一个既古老又充满活力的科技领域。从历史上看,人类从使用天然材料的石器时代开始,材料科技的进步推动着人类文明不断走向铜器时代、铁器时代和硅时代(电子时代)。现在,钢铁和水泥的制造与使用仍被看作是一个国家工业发展水平的重要指标;碳纤维、高温合金、隐身材料、激光晶体等先进材料发展水平则被视为一个国家国防技术水平的标志。而未来,正如汤森路透所言:“材料研究中的革命性发现会使21世纪人类社会和人们生活方式产生深远的变化。”

  材料科技是一个多学科交叉融合的领域,它的发展既依赖于数学、物理、化学、生物学等基础学科的发展,同时也与机械工程、信息工程、装备与制造技术、航空航天、汽车、核电等工业技术紧密相连。因此,材料科技一直是近一个世纪以来世界上几个最重要的科技领域之一。各发达国家无不把材料科技放在至关重要的位置进行规划和部署,涌现出一批像美国的橡树岭国家实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室、日本国立材料科学研究所、德国马普学会钢铁研究所等世界知名的材料研究机构。世界上绝大多数研究型大学均设立了材料院系,以满足工业发展对大量材料领域人才的需求。近年来,基于再工业化以及巩固科技领先优势的需要,美欧日等多国加大了对材料研发的顶层设计和规划,相继发布了“材料基因组计划”“材料发展路线图”“冶金欧洲”等发展规划,并投入巨资推动材料科技的加速发展。

  传统意义上材料科技的主要任务是研究材料成分、制备与加工、组织结构、性能和使役行为等要素以及它们之间的相互关系,以发现新的材料或对现有材料进行性能和功能提升。随着经济社会发展对材料需求的不断变化和相关学科领域的发展,近年来材料研究呈现出一些新的发展趋势。

  材料技术与纳米技术、信息技术的深度融合使人们对材料结构性能的认识更加深入,对材料制备过程和功能调控更加精准。随着计算技术和各种分析测试技术的发展,人们已经可以观察和测试材料中单个原子的行为,可以进一步理解材料性能与成分、组织结构之间的关系,并通过跨尺度构筑与组织结构调控提高材料的综合性能或者获得特殊性能材料。纳米技术实现了材料在纳米尺度上的制备、测试、结构调控、性能表征。以碳纳米材料(如石墨烯、纳米碳管等)为代表的大量纳米材料,由于结构尺寸接近电子的相干长度而表现出奇特的电、热、光、磁性能。金属材料的结构纳米化可使其强度提高10倍以上,大大拓宽了金属材料的性能和用途。信息技术与材料制备技术的融合,使材料微观结构的定量调控能力不断提高,从而实现各类性能和可靠性的定量可控。

  降低材料制备与使用各环节的能耗物耗及环境污染,降低材料全寿命成本,满足可持续发展需求。人类社会由于工业快速发展需要使用大量的材料,带来原材料短缺尤其是稀贵元素匮乏、能源大量消耗和温室气体排放等一系列问题。如何实现材料的可持续发展已成为材料科学家们关注的焦点。降低材料及器件制备与使用各环节的能耗、物耗,重视回收与再利用,发展替代稀贵和有毒元素的方法,成为材料科技的前沿方向。在中国科学院2009年发布的《中国至2050年先进材料科技发展路线图》中我们提出,应对材料从原料、部件、系统再到废料回收利用全寿命周期的能耗、物耗及对环境的影响进行综合评估,以降低材料的全寿命成本。2012年英国剑桥大学一些学者通过对以钢和铝为代表的金属材料从矿石的开采、冶炼、加工、有效使用和循环等各个环节的能耗、物耗、气体排放进行全周期分析,提出了类似的概念和观点,推动材料可持续发展。

  探索新材料原理,发展新制备技术,减少材料对稀贵元素的依赖。能源、军工、航空航天、电子等诸多领域所需的高性能材料往往需要消耗大量的稀贵元素。例如,计算机、高性能显示屏、移动电话、电力马达、锂离子电池、光电催化等所用的功能材料,主要靠稀土或稀贵金属元素实现性能的提升。但地球上稀贵元素储量有限,其战略重要性与日俱增。有数据显示,全世界稀贵金属已探明的静态可采储量可开采年限分别是:钒233年、铀110年、钛95年、钨64年、钼42年、锗40年、锑24年、金18年、银16年、铟10年。同时,开采和提纯这些稀贵金属也加重了对环境的破坏。此外,一些现有材料通过添加有毒元素以达到性能目标,给环境和人类健康带来不利影响。在加紧储存稀贵元素的同时,世界各国也在发展替代稀贵元素和有毒元素的材料技术。例如,日本2007年启动的“元素战略计划”,就是为推动研制稀贵元素替代物的一种尝试。

  (作者为中国科学院院士)

  促进制造新业态诞生

  智能制造与机器人技术发展新趋势(审时度势)

  于海斌

  智能制造作为新一代信息通信技术(ICT)与制造技术融合发展的产物,代表着先进制造技术发展的主要方向,而机器人是实现智能制造的一类重要而特殊的载体。智能制造与机器人技术不仅会促进制造业发展,也将促进制造新业态的诞生。

  智能制造驱动新一轮产业变革并重构国际竞争格局。智能制造的核心思想是以信息通信技术、自动化技术与制造技术交叉融合为基础,实现跨企业产品价值网络的横向集成,贯穿企业设备层、控制层、管理层的纵向集成以及从产品设计开发、生产计划到售后服务全生命周期的工程数字化集成。智能制造能极大提升产品的创新能力,增强企业快速响应市场的能力,提高生产制造过程的自动化、智能化、柔性化和绿色化水平,提升产品的质量和品牌,促进制造业向产业价值链高端迈进。本轮智能制造发展的主要技术特点是:信息化与工业化深度融合。通过大数据、云计算和物联网等泛在信息技术的应用,实现制造全过程深度信息化,打造新一代的信息物理融合系统(CPS),实现智能制造的战略目标。以德国工业4.0和美国先进制造业发展战略为典型代表,主要发达国家正着力推动信息化与工业化深度融合,加快智能制造发展。这些国家的根本出发点在于打造信息化背景下国家制造业领先优势,抢占新一轮国际竞争制高点。我国制造业经过20多年的快速增长,迫切需要实施创新驱动发展战略,实现转型升级。今年5月,国务院正式发布了《中国制造2025》。作为我国实施制造强国战略第一个十年的行动纲领,《中国制造2025》提出把智能制造作为信息化与工业化深度融合的主攻方向。

  机器人必将是未来智能制造的重要使能装备。机器人是高端智能装备的代表,是国家的战略支撑技术,对现代制造业、民生服务业、国防安全和社会发展至关重要,被称为新技术革命的核心、“制造业皇冠上的明珠”。机器人诞生于20世纪60年代,其构造宗旨是:在人类不可达或不适合于人类生产生活的环境中,辅助甚至代替人类高效率、高精度、高可靠地完成各项工作。传统的工业机器人以及以空间、深海探测为代表的专业服务机器人,很好地贯彻了上述宗旨。比如,工业机器人在汽车生产线上的大规模应用,极大提升了生产效率,降低了生产成本。但进入21世纪以来,环境污染、资源短缺等关乎人类可持续发展的重大问题,正在迫使人们反思并逐步改变过去粗放型生产消费模式,绿色制造、柔性制造、个性化制造等新的制造模式正成为制造业的发展方向。在刚性生产线上高速、高精度完成重复性使命的传统工业机器人已难以满足这些新制造模式对自动化、智能化装备的需求。同时,由于机器人在制造系统中处于信息空间与制造过程交互的枢纽位置,智能制造对其自组织、自适应生产需求等方面提出了新期望新需求。但现有机器人系统一直未能脱离自动化机器范畴,要满足智能制造需求还面临巨大技术挑战。正是在这种大背景下,研制下一代工业机器人成为传统制造业强国保持其地位的迫切需求。在新一代信息通信技术、人工智能技术带动下,新一代机器人将突破感知、智能等核心技术瓶颈,具备强大的人机交互能力,形成与人、机器、环境间的多重协调能力,向上作为信息空间的有力延伸,向下覆盖更多制造功能,沿着人机协调与共融的方向发展。

  机器人在探索空天海洋未知世界、改善人类生活质量等方面将发挥不可替代的作用。机器人代替人类登上了月球、火星,下潜到深达万米的海底,为人类探索空天海洋未知世界发挥了不可替代的作用。苏联“Moonwalker”、中国“玉兔号”月球车实现了月球的无人化巡视探测,美国“勇气号”“机遇号”火星车在火星恶劣表面环境完成了长期的探测工作;中国“蛟龙号”下潜超7000米,获取了海底生物和矿藏资源的珍贵资料。正是依靠机器人,人类已将探索范围延伸到了太空、深海和其他星球。此外,研发安全的新型智能化机器人装备,不仅能更广泛地代替人类从事生产劳作,而且能够直接、安全地服务老年人、辅助残疾人等。在世界范围内,人口老龄化加剧、残障人口众多引发的社会服务和民生问题正日益突出。截至2013年,我国有逾8000万的残障人士和超过2亿的老龄人口。机器人在提升残障人士的生活质量、加强老年人护理等方面将能发挥重要作用。

  (作者为中国科学院沈阳自动化研究所所长、研究员)

  把核心技术掌握在自己手中(适势求是)

  胡化凯

  当今世界,科学技术已经成为一个国家的强国之基,而原创性基础理论和核心技术则是科学技术中最重要的部分。在一系列国际竞争中,掌握相关的核心技术是制胜的关键。所谓核心技术,是指支撑产品生产的关键技术和工艺。核心技术是不可复制的,因而具有独特的市场价值和竞争优势。习近平同志强调:“只有把核心技术掌握在自己手中,才能真正掌握竞争和发展的主动权,才能从根本上保障国家经济安全、国防安全和其他安全。”

  纵观世界上一些国家,正是由于在一些重要领域掌握了核心技术,因而可以在一定的历史时期占据发展先机,进而成为强国。16世纪,葡萄牙和西班牙依托先进的航海技术而驰骋全球。18世纪,英国凭借其率先掌握的蒸汽机技术而成为第一个工业化国家。19世纪,电能的开发与应用使美、法、德等国家得到快速发展。上个世纪发展起来的信息技术,对现代社会产生了重要影响,而信息技术的核心是芯片制造技术。美国几乎掌握了全部的芯片核心技术,大到中央处理器芯片、网络路由器芯片、全球定位系统芯片,小到手机基带芯片、摄像机芯片等,其核心技术大多被美国垄断。由于受制于这些核心技术,我国不仅在相关商品生产上获利微薄,而且国家的信息安全也面临巨大威胁。比如,我国是手机制造大国,据统计,全球70%多的手机由中国制造,但只有不到3%的手机用的是中国芯片。因此,要保障我国的信息安全和获得合理的商业利润,我们必须掌握一些重要电子产品芯片制造的核心技术。

  目前,在一些新技术领域,我国也面临手机制造这样的尴尬局面。比如,“机器人革命”被认为有望成为“第三次工业革命”的一个切入点和未来经济发展的重要增长点,将会影响全球制造业的格局。国际机器人联合会预测,“机器人革命”将会创造数万亿美元的市场,而我国也将成为全球最大的机器人市场。当前,德国、日本、美国等已经掌握了这一领域的一些核心技术,在机器人生产方面占据绝对优势。而我国的机器人产业才刚刚起步,迫于国外企业的先发优势,走的依然是模仿跟踪的发展模式,只能赚取微薄的利润。要改变这种状况,我国就必须走创新驱动发展之路,尽快掌握自己的机器人核心技术。

  总的来看,我国制造业的生产总值已居世界第一,是名副其实的制造大国,但还不是制造强国,原因就在于尚未掌握一些高端产品的核心技术,不能摆脱国外企业的技术垄断与控制。世界各发达国家又都有一些禁止向别国出口的核心技术,这些核心技术是无法用金钱购买或以市场换取的。在这种情况下,自己不掌握核心技术,我国制造业的发展就没有主动权,就会长期受制于人。

  严峻的现实反复证明,只有把各种核心技术掌握在自己手中,我国才能真正成为富强而安全的国家。核心技术的研发,投入大、周期长、代价高,是一个由基础理论、实验技术、工艺、设备、材料、配件、中试、样品生产等多项内容构成的研发体系,既需要有稳定的人才队伍,更需要有超前的理念和科学的程序,需要持续不断努力。中华民族是一个具有悠久技术发明传统的民族,曾创造了以“四大发明”为代表的众多科技成就。新中国成立以来,我们不仅在国防科技方面取得了以“两弹一星”为代表的众多成就,而且在其他科技领域也取得了丰硕成果,研发了一批具有中国特色的核心技术。当前,经过改革开放30多年的发展,我国的经济实力和科技整体水平都有大幅度提升,为核心技术的研发提供了重要保障。只要我们锐意进取,就一定能够在越来越多的领域逐步把一些核心技术掌握在自己手中。我们尤其要树立这样的自信,绝不做其他国家的技术附庸。