2020重大科学问题和工程技术难题

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前沿科学问题

●问题1：冠状病毒跨种传播的生态学机制是什么？

目前新冠肺炎在全球肆虐。病毒学家曾多次警示冠状病毒跨物种传播是大概率事件。蝙蝠等野生动物携带冠状病毒的本底情况以及野生动物如何突破生态和生理屏障发生跨种传播和感染，在科学层面都尚不清晰。该问题对于揭示冠状病毒跨物种的传播机制和预防未来冠状病毒导致的流行病具有重要意义。

●问题2：引力波将如何揭示宇宙奥秘？

自2015年首次直接探测到引力波以来，引力波已迅速成为国际上基础物理与天体物理前沿研究的热点，预计十余年内宇宙起源问题将有取得重大突破的历史机遇。引力波打开了观测宇宙的一扇新窗户，通过观测引力波源在宇宙中的产生与分布，有望解答广义相对论与粒子物理的标准模型所遗留下来的深层次科学问题，从而加深对自然界的理解。

●问题3：地球物质是如何演化与循环的？

地球物质主要分为岩石和矿物。人们对地球历史时期岩浆岩和变质岩的演化与循环的认识由于缺乏大数据的综合分析而模糊不清。利用大数据平台和地球深时大数据系统的综合分析，可以在矿物演化历程与行星地质演化的基本历程和特殊事件之间建立联系，从矿物演化的角度来厘清行星地球及其多圈层演化规律和耦合关系，并解答行星地球如何演化、地球各圈层是否存在共演化关系的基本科学问题。

●问题4：第五代核能系统会是什么样子？

2000年，美国能源部倡议发起的第四代核能系统国际论坛把核能的发展分为四代。目前对于第五代核能系统的研究仍处于探索交流阶段，暂无成熟的概念界定和目标定义，对其实现路径更是少有谈及。如能推动第五代核能系统概念的落地和最终实现，其可以革新核能开发观念，革新核能开发模式，革新核能应用观念，支撑能源系统的深度脱碳；引领世界核能创新，助推中国成为世界核能创新高地。

●问题5：特种能场辅助制造的科学原理是什么？

随着航空航天、交通运输等领域对轻量化和安全性的持续需求，包括超高强度钢、轻合金、复合材料和金属间化合物等高强材料应用于复杂构件。随着材料强度的提高，制造难度显著提高，成形缺陷更难控制。现有的研究表明，特种能场辅助成形技术在改善高强难变形材料制造难题方面具有巨大潜力。

●问题6：数字交通基础设施如何推动自动驾驶与车路协同发展？

未来自动驾驶车辆大范围社会化运行局面必然会出现，对交通运输系统而言将是一场变革，道路交通运输系统面临演进换代的挑战。对于支撑自动驾驶社会化运行的新型道路基础设施的研究，我国尚处于起步阶段，国外也无现成的先进技术和经验可借鉴，需要适时将自动驾驶研究的支持重点向基础设施侧智能供给研究及综合集成落地应用研究转移。

●问题7：调节人体免疫功能的中医药机制是什么？

虽然免疫学的基础研究取得了令人瞩目的成就，医学也在突飞猛进地发展，但在许多疑难重症的防治方面仍显得不足。系统性红斑狼疮、类风湿关节炎、强直性脊柱炎等自身免疫性疾病仍然困扰着患者。这些重大、疑难疾病的发生、发展和转归均与免疫密切相关。中医药能够多层次、多靶点、多途径作用于机体，调节机体免疫功能，在疾病预防和治疗中有重要的应用价值。

●问题8：植物无融合生殖的生物学基础是什么？

无融合生殖是一种通过种子进行无性繁殖的生殖方式，可以使杂交品种产生克隆种子，保持杂交后代性状不发生分离，从而永久固定杂种优势。然而，由于无融合生殖发生机制的复杂性，尽管经过了多国科学家近一个世纪的努力，其形成机制依然不清楚，也未能将其成功应用于作物育种中。

●问题9：如何优化变化环境下我国水资源承载力，实现健康的区域水平衡状态？

当前，我国生态文明建设进入加速期和关键期，对水资源集约利用和严格保护提出了更高要求。研究变化条件下水资源承载力与水平衡优化这一科学问题，有利于深化认识我国区域水循环要素及其演化规律，完善水资源承载力评价方法，阐明水平衡状态对于水资源承载力的指标意义，明确诸多水问题及生态环境问题的发生机制，为总结与水资源承载力相适应的经济社会发展和生态保护模式，有效保护和修复生态环境提供重要的理论和技术支撑。

●问题10：如何建立虚拟孪生理论和技术基础并开展示范应用？

虚拟孪生是在数字孪生的基础上，利用传感器、物联网、虚拟现实、人工智能等数字技术对真实世界中物理实体和智能实体对象的特征、行为、形成过程和性能等进行描述和建模的过程和方法，也称为虚拟孪生技术。它以数字孪生为基础，但更侧重于对智能实体或生命体的建模和仿真。如何实现制造物理世界与信息世界的交互与共融，是当前国内外实践智能制造理念和目标所共同面临的核心瓶颈之一。

工程技术难题

●问题1：如何开发新型免疫细胞在肿瘤治疗中的新途径与新技术？

免疫细胞技术是人类彻底治愈肿瘤的希望，是全球前沿医学和资本追捧的热点领域之一。树突状细胞（DC）作为链接细胞免疫和体液免疫的关键节点细胞，能够调动整个免疫系统，抵抗病原体的入侵以及促进肿瘤细胞的清除，成为新型免疫细胞疗法的重点研究方向。新型DC可扩增技术可实现DC疫苗的标准化、批量化生产，可显著减低制备成本，服务更多癌症患者，具有明显的经济效益和社会效益。

●问题2：水平起降组合动力运载器一体化设计为何成为空天技术新焦点？

水平起降组合动力运载器具有快速、廉价、可靠的特点，可成为低成本天地往返运输工具。水平起降组合动力运载器一体化设计技术是支撑未来航天运输系统发展与应用的核心技术之一，是未来先进航天运输系统的重要支撑技术之一。

●问题3：如何实现农业重大入侵生物的前瞻性风险预警和即时控制？

农业有害生物入侵不仅仅是简单的植物病虫害或动物疫情问题，入侵生物的发生流行不仅危害食品安全和农业生产，造成巨大的直接经济损失，还可能对人类健康构成越来越大甚至是灾难性的威胁，对外交、经济和社会产生巨大影响。因此，站在国际化、全球化视角，从科学研究和专业技术层面，开展农业入侵生物跨境传播预警及防减技术合作的协同攻关，将有力解决入侵生物疫情的源头治理和联防联控关键技术难题，保障社会稳定与公共安全。

●问题4：信息化条件下国家关键基础设施如何防范重大电磁威胁？

强电磁脉冲一旦对金融、能源、电力等领域的关键信息基础设施产生影响，将可能导致交通中断、金融紊乱、电力瘫痪等重大事故。开展此项研究，对确保关键基础设施电磁安全、保护经济建设成果、提升关键基础设施容灾抗毁能力具有重要意义。

●问题5：硅光技术能否促成光电子和微电子的融合？

信息光电子芯片已然成为“数字化新基建”的核心和基石，也是全球信息通信价值链的关键领域和网络强国建设的“国之重器”。硅基光电子芯片技术既可应用于芯片级光互连，又适用于长距离光纤通信，可实现全功能光电子集成，具有极高的通用性和兼容性，是微电子和光电子两大产业公认的发展方向。利用国内现有微电子产业资源和互补金属氧化物半导体（CMOS）制造平台，建立健全硅光产业链，可以有效提升我国信息光电子的制造能力，缓解光电子芯片制造工艺的“卡脖子”困境，为我国信息化新基建提供有力支撑。

●问题6：如何解决集成电路制造工艺中缺陷在线检测难题？

集成电路领域目前是国际科技竞争的主战场和大国博弈焦点。对于集成电路缺陷检测技术及设备，一方面现有最先进技术设备被少数几个发达国家垄断；另一方面，世界范围内7纳米及以下节点的缺陷在线检测技术仍未成熟，设备缺口仍然巨大，谁率先掌握了相应关键技术，谁就掌握了未来主导权，这对我国来说既是机遇又是挑战。

●问题7：无人车如何实现在卫星不可用条件下的高精度智能导航？

以无人救援车、无人采矿车、无人运输车等为代表的特种无人车是完成现代化作业、抢险救灾等任务的核心无人装备。为提高无人车的紧急救援、联合作业等能力，要求其导航系统具备高精度定位、自主避障、智能路径规划及导引等功能。因此，需要研究具有高精度、全自主的导航方式以及需要解决面向无人车的惯性基智能导航问题。

●问题8：如何在可再生能源规模化电解水制氢生产中实现“大规模”“低能耗”“高稳定性”三者的统一？

发展高效低成本的可再生能源和氢能技术是对国家重大需求的及时响应，也是全球减少碳排放和减缓气候变化的优质解决方案。但当前电解水制氢技术的发展水平限制了可再生能源转为化学能的转化效率及产业化进程。突破高效、低成本、规模化电解水制氢技术可极大地促进可再生能源、氢能的利用和发展。

●问题9：如何突破进藏高速公路智能建造及工程健康保障技术？

青藏高原地层岩性复杂多变，新构造运动剧烈，深大活动断裂广布，冰川、冻土与山地灾害群（链）发育，具有“显著的地形高差”“强烈的板块活动”“频发的山地灾害”“敏感的冻土环境”四大地质环境特征，以及“高频冻融循环”“剧烈干湿交替”“极端高寒缺氧”三大气候环境特征，由此带来的系列工程技术难题是制约西藏高速交通发展的关键技术因素。