2021前沿科学问题、工程技术难题和产业技术问题揭晓

7月28日下午，在“第二十三届中国科协年会”闭幕式上，中国科协发布了10个对科学发展具有导向作用的前沿科学问题、10个对工程技术创新具有关键作用的工程技术难题，并首次发布10个对产业发展具有引领作用的产业技术问题。

2018年以来，中国科协组织全国学会等科技共同体，面向广大科技工作者征集评选重大前沿科学问题和工程技术难题，在中国科协年会上发布。今年，中国科协重点围绕数理化基础科学、技术科学、生态环境、制造科技、信息科技、先进材料、资源能源、农业科技、生命健康、空天科技等十大领域，继续开展重大问题难题征集评选，并首次启动了重大产业技术问题征集评选。

2021年征集发布活动共征集到89个国内科技组织、73个国外组织和境外专家推荐的472个问题难题，22965名一线科技工作者参与网络初审、实名投票，150位院士专家参与复评、中审、预审和终审，那么，最终评选出的问题难题都是什么呢？入选理由又是什么？中科院院士、清华大学雒建斌教授现场揭晓最终评选结果。

   一、前沿科学问题  

1.如何突破大尺寸晶体材料的制备理论和技术？

晶体材料已广泛应用于能源、环境、信息、医疗、军事等领域，在人类社会发展中起着举足轻重的作用。近年来，随着高新技术的飞速发展，获取大尺寸、高品质晶体材料已成为制约相关行业发展的瓶颈。

突破该问题后，会大幅提升我国大尺寸合金、玻璃、陶瓷、光纤、晶体等新材料产业与高端装备制造业的发展水平，形成具有我国自主知识产权的技术与装备，破解我国面临的“卡脖子”技术难题，实现“中国制造2025”、“2035材料强国”等国家重大战略的目标。

2.纳米尺度下高效催化反应的作用机制是什么？

研究纳米尺度下高效催化反应的作用机制，从分子水平研究、加深对催化反应过程本质的认识，将能从原子、分子层面指导构建原子经济性和节能高效的绿色催化体系，从而发展高效碳减排技术，为“碳达峰”“碳中和”做好技术储备。

3.农作物基因到表型的环境调控网络是什么？

基因与环境共同决定了农作物表型性状，但环境因子对基因到表型的过程调控机制及作用网络尚不够清晰，该研究将提高育种和栽培的“有效性”，推动农作物定向设计育种和精准栽培管理，实现良种良法配套及资源最优配置。

4.中微子质量和宇宙物质-反物质不对称的起源是什么？

通过江门中微子实验和其他未来可能的中微子实验，深入研究中微子振荡、中微子天体物理、无中微子双贝塔衰变等问题，将有助于解决基本粒子质量起源、宇宙原初反物质消失和暗物质之谜等重大前沿科学问题，意义深远。

5.地球以外有统一的时间规则吗？

现有的时间管理理论和方法仅仅适用于地球及其附近空间，不适用于更广域的宇宙空间。由此出现了“空间守时系统”新概念，这不仅仅是概念创新，更重要的是颠覆了传统时空观念。二十一世纪，以信息和航天产业为引领展开了新的产业革命，深空探测和地外基地的布局是未来20年发展的热点，重新制定时间管理规则成为大势所趋。

6.大脑中的记忆是如何产生和重现的？

大脑如何存储记忆是尚未解决的科学难题和前沿性问题。记忆印迹的信息编码与读取研究从基础学术角度，有助于找到信息高效存储的生物学本质，对人类的思维与认知基础进行定量研究。从人类健康角度，有助于推进高效高速脑机接口策略的探索，为脑功能修复提供全新的选项。从类脑智能角度，有助于发展全新的计算模型，产生仿生物的高效智能计算网络。从人类发展角度，该研究会为将来保存思维和记忆、实现长时间空间跨度星际旅行提供可能的一种选项，使得人类知识甚至个体意识的延续成为可能。

7.以新能源为主体的新型电力系统路径优化和稳定机理是什么？

构建以新能源为主体的新型电力系统对我国能源转型具备重要的意义，是我国新能源的持续快速发展、如期实现“碳达峰、碳中和”目标的前提与基础。本问题涉及新能源、电气工程、控制和气象等学科，学科跨度大、融合程度深，有望孕育新的学科增长点，为我国能源相关领域提供重要的参考和支撑。

8.铝合金超低温变形双增效应的物理机制是什么？

铝合金在超低温条件下出现延伸率与硬化指数同时提高的反常双增效应，有助于形成超低温成形技术体系，发展出与现有冷成形、热成形并列的第三大类成形制造技术，为大尺度铝合金、铝锂合金整体结构曲面薄壁构件的成形提供全新技术途径，颠覆欧美沿用半个多世纪的技术路线，满足我国航天航空高端装备对大型铝合金整体结构的迫切需求。

9.如何揭示板块运动动力机制?

驱动板块运动的源动力是什么一直存在争议，它是地球系统科学中的顶级科学问题。如何通过综合地球物理证据验证各种假说和模型的真伪是解决问题的关键。该问题一旦获得突破，对地球系统科学的发展将产生划时代的影响：不但对大地构造学研究领域有突破性进展，而且对地形地貌演化、古地理学、地球生态环境系统演化以及“人类生存共同体”的发展都具有重大影响。

10.“亚洲水塔”失衡失稳对青藏高原河流水系的影响如何？

由于“亚洲水塔”失衡失稳引发的地质灾害，正持续改变青藏高原河流水系统结构与水沙通量，对我国及下游国家水资源安全和灾害防治具有重要影响。在这一演化的大背景下，开展青藏高原河流水系统变化过程与成因、影响及演化趋势等科学问题研究，对于丰富和理解气候变化背景下“亚洲水塔”失衡失稳的科学内涵和过程机理、减缓和应对这一演化趋势对我国及下游国家水资源供给安全影响和科学防治水旱灾害具有十分重要的科学意义和应用价值，同时对于开展全球其他气候变化影响严重区域河流系统变化研究具有重要的参考价值。

  二、工程技术难题  

1.如何高效利用农业微生物种质资源？

农业微生物种质资源是国家战略资源，是支撑农业绿色高质量发展的重要保障。针对当前农业微生物资源开发利用中的基础科学问题和产业瓶颈，加强微生物种质资源保护、功能性微生物作用机理、农业微生物产业化关键技术及其绿色投入品的应用技术集成等研究，将会推进农业微生物种业高质量发展，对保障粮食安全和人民生命健康具有重要推动作用。。

2.如何解决三维半导体芯片中纳米结构测量难题？

三维芯片大深宽比结构可溯源测量是世界性难题，该难题取得突破后，将极大丰富和扩展计量科学和方法的创新，直接影响半导体芯片制造领域，并将促进半导体芯片进一步向多层堆叠结构发展，在三维世界中延续摩尔定律。发展三维芯片大深宽比纳米结构的可溯源测量技术，一方面可使我国在半导体芯片测量领域率先突破。另一方面，该技术难题的突破将进一步促进航空航天、国防军工等领域微纳器件的制造水平提升，并将极大丰富和扩展计量科学和方法创新。

3.如何开发比能量倍增的全固态二次电池？

目前，固态电池已成为各国争先角逐的新能源汽车热点技术，通过关键技术研发，在未来5-10年实现全固态电池的产业化，预计2030年全球市场规模可达到数百亿甚至数千亿美元。

全固态锂二次电池采用致密固态电解质，理论上比能量可达到现有锂离子电池的2-3倍，应用领域将从小型便携式电子设备拓展到动力和储能领域，这对加速我国新能源汽车技术进步，增强我国新能源汽车全球竞争力，节能减排和保障我国能源安全具有重要意义。

4.如何发展我国自主超高分辨率立体测图卫星关键技术？

卫星测绘是航天遥感高精尖技术的聚集地，发展大比例尺卫星测绘是建设测绘强国的必由之路，是维护国家地理信息安全的重要举措，有利于提升我国测绘地理信息的国际话语权，也是支撑国民经济高质量发展、国家治理体系和治理能力现代化的重要手段。不论是大比例尺地形图测绘、国土调查、自然资源精细化管理、“一带一路”倡议实施，还是不动产登记、新型城镇化发展、智慧城市构建，对自主甚高分辨率卫星遥感数据存在旺盛需求。这也成为衡量一个国家高技术水平的重要标志。

5.如何利用人工智能实现医疗影像多病种识别并进行辅助诊疗？

实现人工智能驱动下的医学影像多病种识别，不仅可以帮助医生实现对影像数据的全方位分析，对病灶的勾画，更加准确无误的实现疾病的诊断，有助于对疾病的精准治疗，更重要的有助于实现多病种的识别，通过疾病关联性等因素来干预和预防其他病种引起的并发症等，第一时间发现身体里的各种病变位置，进行有针对性的治疗，这对人类生命健康和社会经济发展意义重大。

6.如何突破深远海航行装备制造与安全保障工程技术难点？

深远海与极地开发涉及国家安全和经济发展，具有重要战略意义。通过深远海（包括极地）装备制造及安全保障工程技术的研发，解决深远海航行装备涉及的环境、制造与安全保障技术及工程软件等关键技术问题，实现技术自主可控，并占领全球技术的制高点。因此，如何面向深远海和极地的开发，在深远海与极地这种极端环境下解决未来的资源采集、运输，以及如何提高安全性成为了颇具价值的问题。

7.如何创建5G+三早全周期健康管理系统？

人口老龄化、慢性病已成为严重威胁我国居民健康、影响国家经济社会发展的重大问题。基于5G构建早筛查、早评估和早干预的健康管理系统，促健康、防大病、管慢病，对健康中国建设具有重大的战略意义。若运用5G、云计算、可穿戴设备、人工智能等最新技术，建立具有连续性、动态性、个性化的“三早”主动健康管理系统，探索“医院-社区-家庭/个人”的健康管理服务模式，实现“促健康、防大病、管慢病”的目标，可形成具有可复制可推广的健康管理服务模式。

8.如何通过重要生态系统修复工程构建精准高效的生态保护网络和恢复生物多样性？

探索精准高效构建保护地网络，有助于促进就地保护、自然恢复等领域的理论创新，并为基于自然的解决方案等国际关注热点提供有益范例。在实践层面，有助于提升生态保护领域投入产出效率，增强生态保护规划和管理成效，实现保护和发展的双赢。

开展群落重建和生物多样性提升研究，可以有效遏制生物多样性和资源衰退，并促进生物资源快速恢复，大大提升我国重要生态系统稳定性和生态服务功能。同时，将为我国提供重要的国家战略资源，从景观资源、生态资源和经济资源，促进“山水林田湖草”生态一体化建设，服务于我们生态文明建设和满足人们美好生活的实现。

9.如何构建我国生态系统碳汇扩增的技术体系？

积极应对气候变化实现碳中和是我国实现可持续发展的内在要求，是加强生态文明建设、实现美丽中国目标的重要抓手，是我国履行负责任大国责任、推动构建人类命运共同体的重大历史担当。在全球碳循环中，生态系统作用巨大，生态系统碳汇扩增作为一种高效可行、绿色可持续的减碳方法，是我国2060年实现碳中和目标重要途径。

10.如何制造桌面级的微小型反应堆电池？

桌面级微小型反应堆电池超越了现有微堆理念，可以进一步缩小装置尺寸，本问题突破后可以大大促进军事国防、太空探索、海洋利用等领域的重大发展，为核动力发展引入新鲜血液，产生较大的科技经济和社会效益。

  三、产业技术问题  

1.如何实现面向大规模集成光芯片的精准光子集成？

大规模集成光芯片在未来网络、大数据（如高速宽带传输和交换）和人工智能（如激光雷达）中具有颠覆性的能力。以精准光子集成为重要核心竞争力之一的技术思路不仅可以大大推动集成光芯片的发展，同时对培养面向光通信网络的中国特色集成电路和相关网络设备产业链也有极大的支撑作用。。

总之，在“卡脖子“高端光芯片上，一方面在传统技术和产业上努力跟踪追赶，另一方面更要在大规模光子集成上另辟蹊径，集中和发挥中国优势力量，引导光芯片未来发展潮流。

2.如何开发针对老龄化疾病的医用人工植入材料？

随着我国老年化现象越来越严重，很多与老年化有关的退行性疾病，比如心血管疾病、骨关节病等等，发病率会逐年升高。而这些重要器官的“老化”，目前主要的解决办法就是“人工材料”替换，比如心脏瓣膜置换、人工血管搭桥、关节置换等等。但是我国这类高端植入医疗器械市场一直被国外进口产品所垄断，尤其是这种可以代替人体组织的“人工材料”一直是“卡脖子”工程，几乎完全依赖进口。

针对日益严重的老龄化疾病，必须迅速提升我国在基础人工植入材料领域的研发和转化水平，开发新型功能性医用高分子材料：比如用可缓释抗凝血物质的高分子材料做成人工血管或心脏支架；利用金属3D打印技术，结合先进的个性化设计理念打造高技术含量的国产骨科产品等。

3.如何开发融合软体机器人与智能影控集成技术的腔道手术机器人产品？

本需求对标世界前沿，在核心部件、关键技术、机器人集成和临床应用研究等层面进行创新，实现经腔道手术的技术变革，确立我国在相关医疗技术上的领先地位，服务人民健康。现在腔道软体机器人技术全球基本处于同一起跑线，为避免国外技术垄断和专利保护，希望政府相关部门，早日布局支持相关科研团队抢占软体手术技术制高点或实现技术领跑，为早一日实现我国腔道软体微创治疗机器人关键技术与产品开发的弯道超车。

4.如何开发大规模低能耗液氢技术和长距离绿氢储运技术？

通过联合技术攻关，开发正仲氢催化转化、液氢罐、液氢泵、膨胀机、有机物储氢载体等液氢生产储运过程工艺及装备“卡脖子”技术。大力推广液氢、有机液体储氢项目落地，充分释放液氢、有机液氢储氢在氢能产业中的独特优势，能够大幅度降低氢气储运成本。不仅提升了国产高端装备制造水平，同时可助推氢能社会建设，提前实现碳中和、碳达峰目标。具有显著的经济、生态和社会三重效应。

5.如何解决我国航空发动机短舱关键技术问题？

在中国航空发动机集团的主导下和相关高校及科研机构的支持下，航空发动机的研制工作已经全面展开。但匹配航空发动机的短舱系统的研制还没有得到足够的重视，其已经成为我国航空产业亟待解决的“卡脖子”问题。我国亟需启动新一代航空推进系统短舱一体化设计关键技术研究。拟获取的研究成果不仅在航空发动机短舱的研制中具有至关重要的作用，而且可推广用于其它涉及到复杂系统多学科系统集成与优化的航空工程技术领域。这将为国产化短舱系统的研制奠定坚实的技术基础，对国家航空产业发展具有重要的战略意义。

6.如何突破耕地重金属的靶向快速经济安全减污技术？

耕地重金属污染防治是国家重大需求。如何使污染耕地中重金属有效态含量快速安全减少是国际性难题。创制土壤污染靶向功能修复材料，创新减量净化技术，促进土壤修复产业化发展，对改善土壤环境质量和保障农产品安全具有重要的科学与现实意义。

7.如何利用风光水加快实现“碳中和”目标？

依托青藏高原独特的自然环境，突破优化风光水能互补开发技术，对于贯彻新发展理念，以流域水循环推动双循环，构建流域新发展格局，实现高质量发展具有重要意义。

一是建设“亚洲水塔”形成水资源综合利用体系。二是加快实现“碳达峰”、“碳中和”。三是助力青藏高原生态屏障建设。

8.如何攻克漂浮式海上风电关键技术研发与工程示范难题？

该问题克服后将解决我国深远海海上风电开发的技术难题，拥有深海海上风电开发的能力，掌握半潜型漂浮式海上风电的设计、建造技术，填补我国无漂浮式海上风电样机的空白，引领我国海上风电开发迈入深海。同时，也为“一带一路”和“走出去”战略打下基础的良好契机。

9.如何制备高洁净高均质超细晶高端轴承钢材料？

我国轴承制造目前面临的主要瓶颈问题在于轴承钢材料制备水平低下，洁净度、组织控制、服役评价等远低于国外水平，关键轴承一直依赖进口，将对我国的中长期发展规划战略的实现、制造业强国战略的实施产生巨大的阻碍。因此，开展高性能轴承钢母材的全新全流程制造技术研究，切实解决关键轴承严重依赖进口的“卡脖子”问题，保障我国国防、航空、航天、高速轨道交通、能源等关键领域轴承的自主可控制造。

10.如何发展与5G/6G融合的卫星互联网络通信技术？

在大国太空竞争背景下，构建高低轨协同、天地一体、与5G等地面网络融合的卫星互联网将直接关系到一个国家的产业安全和国家安全，相关技术的攻关能够打破跟随国外技术的局面，成为国际相关标准的制定者和领跑者，有利于构建自主可控网络空间国防体系。实现我国互联网发展由“消费型”向“生产型”转变，通过构建面向天地一体化信息网络的新型网络架构，保障大规模“生产型”互联需求，将为我国实现从制造大国向制造强国迈进的战略举措提供有力支撑。

希望广大科技工作者能够踊跃投身于这十个科学问题、技术难题以及产业问题的研发，也希望在这些方面能够实现突破，呼吁广大科技工作者团结科技力量协同攻关，推动高水平科技自立自强。

责编：代建安