全球工程前沿發展新趨勢1

◎ 中國工程院戰略咨詢中心 鄭文江 穆智蕊

一、工程前沿發展趨勢

2021年度全球工程前沿研究在以專家為核心、數據為支撐的原則下，通過近6年167.24萬篇高被引論文聚類獲得機械與運載工程、信息與電子工程、化工冶金與材料工程、能源與礦業工程、土木水利與建筑工程、環境與輕紡工程、農業、醫藥衛生、工程管理9大領域的775個備選研究熱點，通過對50多萬個專利主題聚類獲得53張ThemeScape專利地圖。進而通過多輪的專家研討以及專家與數據交互，獲得298個備選研究前沿和174個備選開發前沿。經過問卷調查和專家研判最終形成工程研究前沿和工程開發前沿各93個。

通過對2021年度93個工程研究前沿和工程開發前沿的總體分析，發現全球工程前沿呈現出四個趨勢：

（一）智能技術正帶來范圍更廣、層次更深的變革，并將深刻改變社會與生產形態。一是智能技術的算力得到顯著增強。本年度全球工程前沿顯示以光路與電路混合集成芯片制造、量子計算、存算一體技術等算力技術不斷取得新進展，智能技術的底層基礎得到進一步夯實。二是智能技術的算法不斷強化，近年來深度學習、聯邦學習等算法不斷突破，算法模型的通用性、便捷性、可解釋性不斷提升，夯實智能計算的核心技術。三是智能技術助推科技創新，新一代人工智能相關技術與多學科的交叉融合強有力地推動了其他工程科技領域數據研究范式與基礎理論的創新發展。尤其是在生命科學領域，智能技術在基因編輯靶點識別、蛋白質等生物大分子結構預測、醫藥研發、藥物設計與發現等方面取得了重要突破。四是智能技術的產業化應用，正加快現實生產力的提升。一方面智能技術與產業加速融合，不斷推進工業技術進步。機器人化增材制造、大數據驅動的分布式智能制造決策優化技術、智能可重構制造技術等將不斷助推制造業向個性化定制、柔性化生產、服務型制造、智能化預測的方向轉型。另一方面智能技術與生命科技不斷交叉，推動醫療健康新變革。人工智能輔助智能診斷、智能治療、智能疾病預警預測干預、智能群體健康管理和智能醫藥監管等取得新突破；5G等互聯網技術助推互聯網醫院發展，不斷提升一體化公共衛生應急響應能力。

（二）數據資源日益成為工程科技研究的關鍵要素。一是數據推動科技研究范式的變革。大數據的采集、存儲、關聯和可視化技術的發展，極大推動了生物、材料、醫學、工程管理等領域進入數據密集型科學研究范式，相關研究向可定量、可計算、可調控、可預測方向躍升。二是工程科技創新對數據的依賴程度將越來越高，一方面工程科技創新越來越需要數據的積累，傳統的樣本、統計、測試數據需求已經轉向實時、全面、全過程數據，另一方面基于海量數據的自我監督學習、增強學習、深度學習等正不斷助推工程科技創新。三是數據推動產業價值躍升。數字孿生、多維深度融合建模計算、數字畫像等技術支撐智能制造、智能建造、智能服務和個性化定制等新產業形態。四是數據成為社會治理重點。新一代密碼技術、區塊鏈、網絡虛擬身份管理等安全前沿技術不斷取得突破，數據應用在合規性和便捷性之間將不斷平衡。

（三）綠色低碳成為工程科技發展新路徑。一是能源生產消費方式不斷向清潔、低碳等替代方向加速轉化，新一代低碳能源技術與產業加快布局，核能、太陽能、氫能等可再生能源已成為全球能源增量主體，并向多元協調方向發展。二是低碳技術不斷發展。提高能源利用效率已成為全球應對氣候變化的重要選擇，化學燃料的高效低排放技術不斷發展，儲能技術和智能電力系統加快發展，新能源汽車加快向市場滲透。三是低碳技術成為全球競爭新熱點。二氧化碳捕集、利用和封存已經成為全球碳中和目標實現的關鍵，二氧化碳驅替其他資源和利用技術成為新興方向，二氧化碳地質儲存環境風險防控技術也成為環境研究的重點。

（四）“后疫情時代”工程科技的發展將更貼近現實需求。一是問題導向、結果驅動越發成為各國工程科技發展的重點。事關人類生命健康、國家競爭力提升、國家安全方面的研究越發成為世界關注的焦點。二是應對疫情的相關技術得到極大發展，以疫苗、數據跟蹤為代表的新冠肺炎疫情防控技術、適應遠程辦公與生產的互聯網技術、虛擬與現實交互技術得到階段躍升。三是適應后疫情時代，科學研究和生產生活的相關技術也快速發展。同時，后疫情時代也改變了現代產業發展的結構和布局，進而影響工程科技創新的國際競爭與合作。

二、分領域工程前沿發展趨勢

（一）機械與運載工程

機械與運載工程領域的前沿呈現出兩大特點：一是多學科交叉融合，如柔性內窺鏡微創手術機器人、仿昆蟲微型撲翼飛行器、仿生水下航行器推進與控制技術、折紙力學超材料等。二是機械與運載工程智能化、無人化將成為主體趨勢，這將顯著提高作業質量、工作效率與可靠性。如大數據驅動的分布式智能制造決策優化技術、城市智能客車多模態感知與自主決策技術、基于深度學習的城市交通流量智能預測方法、水下無人航行器、無人載具軌跡精確跟蹤控制、水面無人集群自組織與協同控制技術。

人的個體有不同的耐受性，因此影響將有所不同，這使得健康影響的量化更難測量。然而，人們承認，兒童、老年人和那些身體不好的人在空氣質量方面的風險最大。富蘭克林等人的2014項目調查發現，嬰兒在生命的第一年患呼吸系統疾病的風險很大。該報告的作者將觀察到的健康風險與孕婦從新的強化地板中吸入揮發性有機化合物的濃度聯系起來。

（二）信息與電子工程

信息與電子工程領域是構建未來智能社會的關鍵，是當前經濟社會發展和生活質量提高的重要使能技術。本年度信息與電子工程領域的工程研究前沿重點關注點在算力、算法的提升，感知能力的增強和人機交互領域的強化。工程開發前沿重點關注芯片集成技術、微納米制造技術、人工智能應用技術與產品等。信息與電子工程領域前沿充分體現了工程前沿與生產力的高度融合發展，基于應用場景需求的創新正快速實現突破。

（三）化工、冶金與材料工程

綠色、低碳、高效、智能已成為化工、冶金與材料工程領域的持續性特征。圍繞信息、能源、環境、生物、裝備等領域以及產業變革等的戰略需求，化工冶金材料呈現出高性能、高效率、低排放、低成本的供給保障科技創新趨勢。本年度的高性能儲能材料、低成本高效率鈣鈦礦電池、均質化高熵合金制備技術、低碳冶金等均體現了這一趨勢。此外化工領域與生物、信息技術的融合交叉也不斷助推傳統領域的研究發展。

（四）能源與礦業工程

能源領域前沿的核心是推動傳統能源清潔低碳發展，提升新能源的經濟化，提高能源的智能化，本年度的工程前沿集中在核能、氫能、頁巖氣、天然水合物等的高效開發、電力系統的智能調控等。礦業工程領域前沿的關鍵是深部富礦的勘察開發與智能化，以及極端環境下相關技術的開發研制，助力全球礦業從淺表勘察開采走向深部勘察和開采，如本年度的高溫壓致密硬巖高效破巖機理、礦山災害隱患多元信息感知預警分析、智能高效鉆具組合與鉆完井技術等。

（五）土木、水利與建筑工程

土木、水利和建筑工程前沿關注的核心主題是推動綠色、安全、生態、智慧的高品質基礎設施建設。本年度跨流域調水的生態環境效應、低碳長壽命水泥基材料等前沿主要體現綠色化特征；可恢復功能防震韌性結構體系、柔性結構的流致振動及減振、交通基礎設施韌性提升、混凝土裂縫智能感知與生物修復技術主要是提升基礎設置的安全性；面向智慧可持續城市的時空大數據感知方法、全域全要素的數字孿生城市感知和仿真技術、智能化一體式污水處理裝置等前沿的核心是智慧化。

（六）環境與輕紡工程

環境領域工程前沿主要著眼于環境質量的提升。當前環境工程前沿的重點集中在大氣、水體、土壤的復合污染的產生機理及其控制與生態協同修復；伴隨著全球綠色低碳經濟的發展，氣候變化，碳固定技術、碳庫研究等已成為環境的研究重點，如土壤碳庫對全球氣候變化響應機制、復合型極端氣候事件與災害風險研究等。輕紡工程的前沿主要集中在個性化、智能化、生物相容性以及和環境友好型技術的研究與開發，如超浸潤生物質基復合纖維的制備與功能化應用研究、個性化營養健康食品靶向設計及智能配餐技術等。

（七）農業

現代生物技術與信息技術的迅猛發展，已成為農業領域工程前沿進步的重要引擎。農業前沿技術的趨勢體現在生物化、信息化、無害化、循環化和標準化發展，如基因技術和雜交技術育種設計、人工智能技術在農業領域的應用等。農業與生態的精準化、集約化和高值化已呈現出應用的趨勢，如智能感知與飼料精準供給等。與此同時，生物技術與信息技術的融合將成為新一輪的農業工程科技競爭的焦點。

（八）醫藥衛生

滿足人類健康需求，基于問題的前沿開發越發成為醫藥衛生工程前沿的核心驅動力。當前，人類面臨著慢性非傳染性疾病和傳染性疾病的雙重威脅，醫藥衛生領域圍繞“促、防、診、控、治、康”開展。本年度的醫藥衛生領域工程前沿重點集中在新型冠狀病毒分子機制及其防控、診療研究、生命健康機理的探索、藥物治療的機制及其健康促進、預防、診斷、控制、治療、康復相關技術的發展。

（九）工程管理

大數據、區塊鏈、物聯網、人機交互等新一代信息技術的快速發展極大催生了工程管理領域工程前沿的發展。本年度工程管理領域工程前沿呈現出三大趨勢，一是學科交叉更為明顯，工程管理、應用場景領域與新一代信息技術三重融合，催生了工程管理新理論新技術的產生；二是緊密聯系社會發展，側重問題導向和需求導向。本年度的重大傳染病疫情的建模與預測研究、能源系統低碳轉型管理與驅動機制研究、人工智能對產業轉型和要素分配的影響研究等都體現了問題導向與需求導向。

三、小結

工程科技是連接科學技術與產業的關鍵紐帶，工程前沿趨勢的研判，對把握全球科技發展大勢，降低科技革命的“不確定”性，推動工程科技與產業的創新發展具有重要的意義。總體上，五年來全球工程前沿年度報告數據顯示出：工程前沿正呈現出多點突破、互動創新、跨界變革與邊際演進的特征。國際合作方面，機械領域的國際合作呈現出下降趨勢，但校企合作呈上升趨勢；醫藥衛生領域呈現出上升態勢，其他六個工程領域呈波動穩定狀態。同時，基于現實問題與需求導向的工程前沿數量正逐漸增多。

“十四五”期間，是新一輪科技革命和產業變革的加速拓展期，是我國開啟全面建設社會主義現代化國家新階段。基于2021年度全球工程前沿趨勢情況，現階段急需處理好科技自立自強與開放合作的關系，在不斷開放中尋求自立自強；急需凝練好產業的關鍵問題與社會核心需求，為我國未來工程科技布局提供核心支撐。（文責自負）