创新攻坚 上万名院士专家选出10大工程难题

魏晓文

为研判未来科技发展趋势，抓住科技创新突破口，前瞻谋划和布局前沿科技领域与方向，8月15日，中国科协在第二十二届中国科协年会闭幕式上发布了 10个对科学发展具有导向作用的科学问题和10个对技术和产业具有关键作用的工程难题。作为一项有1.88万名院士、专家、一线科技工作者参与评选的活动，这些工程难题，也为产业和企业的创新攻坚指明了方向。

今年的这些问题和难题具有哪些特点？我们为读者进行了简单的解读和梳理——

如何开发新型免疫细胞在肿瘤治疗中的新途径与新技术？

当前，恶性肿瘤已成为严重威胁中国人群健康的主要公共卫生问题之一，根据最新的统计数据显示，恶性肿瘤占居民全部死因的23.91%，且近十几年来恶性肿瘤的发病率和死亡率均呈持续上升态势，每年恶性肿瘤所致的医疗花费超过2200亿元。

免疫细胞治疗是一种新型的肿瘤治疗技术，起自上个世纪80年代。2011年，细胞治疗技术进入美国医疗保险系统，树突细胞的研究和细胞治疗技术获得诺贝尔医学奖。此后，一些国家相继批准细胞治疗技术的临床应用。由于其卓越的疗效和创新性，在2013年被《科学》杂志评为年度最重要的科学突破。

随着科学的进步，免疫治疗有了更多的选择，2018年诺贝尔生理学或医学奖颁布给了T 细胞抑制受体 PD1/PDL1的发现者。PD-1的抗体可以迅速激活被抑制的免疫系统，使这些细胞能够杀伤肿瘤细胞。美国前总统卡特，就是这些免疫细胞治疗方法的受益者，通过综合的治疗方案，开展个性化治疗，卡特宣布战胜了恶性肿瘤。

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。此外，新型DC技术还可以对现有的嵌合抗原受体（CAR-T）、T细胞受体（TCR-T）技术等进行更新迭代，使单一靶点变成多靶点T细胞，有利于防止癌症复发，最终提升癌症的治疗效果。

免疫细胞技术成为人类彻底治愈肿瘤的希望，已经成为全球前沿医学和资本追捧的热点领域之一。但到目前为止，这类疗法只对约20%的癌症患者有效。为了改善这一现状，我们需要寻找新的方法来调动免疫系统以摧毁肿瘤。

水平起降组合动力运载器一体化设计

一直以来，为降低航天发射成本，使天地往返更加便捷，世界各国都卯足了劲儿发展可重复使用的运载器。

传统的一次使用的运载火箭，在把卫星或者其他航天器送入预定轨道后，就彻底报废了，基础级坠入落区，上面级再入大气焚毁。可重复使用的运载器，则能够安全返回，重新加注燃料后，实现再次使用。

对于可重复使用的运载器，目前人类掌握的有三种技术方案。最早实现的，是航天飞机，但成本原因和两次重大的事故，使航天飞机这种可重复使用的飞行器在2011年提前退役。第二种可重复使用的飞行器方案，是SpaceX公司的猎鹰9号运载火箭，这种飞行器带有支撑腿，通过合理设计第一级的再入弹道，能够让火箭的第一级实现陆地或者海上平台的软着陆回收。目前已经能够做到单枚火箭第一级的第4次复用，对卫星等航天器的入轨成本，实现了数量级程度的降低。第三种方案，就是两级入轨水平分离式空天飞行器，相较于航天飞机的垂直起飞水平着陆和猎鹰9号运载火箭的垂直起飞垂直着陆的飞行模式，两级入轨空天飞行器采用水平起飞水平着陆的方式进行发射和回收。

其实，近几十年来，人类在能够水平起降的运载器研制上没少花功夫。美国曾于上世纪80年代推行过“国家空天飞机计划”，当时虽研制出“X-30”等试验机型，但苦于无法攻克关键的发动机技术，最终无奈下马。英、德等国也曾有各自的空天飞机计划，后来也纷纷折戟。

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，具备应急响应发射入轨、在轨维护与按需返回能力，大力推动空间开发。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。

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？

外来入侵物种（alien invasive species）是指从自然分布区通过有意或无意的人类活动而被引入、在当地的自然或半自然生态系统中形成了自我再生能力、给当地的生态系统或景观造成明显的损害或影响的物种。随着全球经济一体化的迅速发展，频繁的国际贸易和国际旅行等活动成为外来入侵生物传播和扩散的驱动力之一，外来物种入侵的数量和种类在全球范围内呈现急剧增长的趋势，入侵物种不仅危及入侵地的物种生存，还会破坏生态环境。

森林消失、生物环境破坏、草场退化、沙漠扩展、沙尘暴频发、水体污染……这都与破坏生态系统稳定的外来生物入侵息息相关。

我国是世界上遭受生物入侵最为严重的国家之一，生物入侵每年造成的经济损失达2000亿元以上。特别是在农林领域，外来有害生物入侵对粮食安全、生物安全、生态安全和经济安全构成威胁，成为制约农林产品对外贸易的重要因素。

非洲大蜗牛、美国白蛾、德国小蠊、牛蛙、福寿螺、小龙虾......近年来，这些外来入侵物种渐渐进入大眾视野。6月2日，生态环境部发布《2019中国生态环境状况公报》，公报显示，我国已发现660多种外来入侵物种。其中，71种对自然生态系统已造成或具有潜在威胁，215种外来入侵物种已入侵国家级自然保护区。国际自然保护联盟公布的全球100种最具威胁的外来入侵物种中，我国就有50种以上。

这些外来的“凶猛动物”“疯狂的植物”危害区域已经遍及我国各个行政区，农田、森林、水域、湿地、草地等几乎所有生态系统都有其身影。松材线虫、美国白蛾、美洲斑潜蝇、稻水象甲、豚草、紫茎泽兰、微甘菊、大米草、凤眼莲、水葫芦、福寿螺、食人鱼、巴西龟、非洲大蜗牛等外来物种的入侵已给侵入地农业生产和生态建设造成巨大损失。

近5年来，农业农村部组织开展了13次全国性外来入侵生物灭除行动，包括紫茎泽兰、豚草、福寿螺、水花生、水葫芦、薇甘菊等。然而，对农林有害生物入侵的防范和治理仍然任重道远，加快立法进程以提高公众防范意识，开展入侵生物早期预警、检测监测、紧急处理和防治技术创新研发，迫在眉睫。

当前，农业入侵生物正呈现入侵源头增多、传入风险提高、入侵地点分散、传播扩散加剧且易于跨境（区域）扩散传播的态势，防控形势十分严峻。

信息化条件下国家关键基础设施如何防范重大电磁威胁？

千百年来，电与磁就如同与人类捉迷藏一般，电可以生磁，磁也可以生电，但就是看不见也摸不着。从磁石、静电、指南针，到法拉第发现电磁感应定律，再到发电机、广播和移动通信，电磁技术从古至今一直悄无声息地伴随人们左右。如今，这些我们看不到、摸不着却真实存在的电磁场，正加速成为奠定人类现代文明社会的物质基础。

当电流与磁场相交，就会在电流和磁场方向上产生电磁力。在数字信息时代，无论你的公司数据是保存在私有数据中心、一个托管设施，还是云服务提供商，你都想让它尽可能的安全。但有一个危险几乎所有的数据中心都没办法抵抗，即电磁脉冲。电磁脉冲在自然界会以太阳耀斑的形式发生，它们也可以由人们来引爆，也就是通常被提及的“电子炸弹”。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。

早在1901年，挪威克里斯蒂尼亚大学就申请了电磁线圈炮的发明专利，这个利用电磁力发射的“新奇火炮”可将重约50克的弹头加速到每秒50米。1920年，法国人维勒鲁伯开始了电磁轨道炮的研究工作，并于1944年研制出可将10克弹丸加速到每秒超过1公里的电磁炮。目前，已经研制成功的电磁技术最成熟的应用当属电磁脉冲武器。依靠电磁技术驱动产生的能量相当于几十个闪电的强电磁脉冲，可在一定地区或目标周围空间造成瞬间具备强大破坏力的电磁场。

2015年底，美国国会通过了3项涉及电磁脉冲防御的议案，包括《2016财年国防授权法》《修复美国地面运输法》《关键基础设施保护法》。相关法案为防御基础设施遭受电磁脉冲破坏做出了规定，包括要求国土安全部、能源部对电磁脉冲的潜在威胁展开研究并做出应对安排，也要求电力和其他公用事业运营商针对电磁脉冲的威胁采取具体的防御措施。

我国在关键基础设施的规划布局、设计建造、运行管理中，没有考虑基础设施对强电磁脉冲攻击的防御问题，也未开展关键基础设施强电磁脉冲威胁系统评估。为了提升我国关键基础设施电磁安全，保护经济建设成果，急需突破强电磁脉冲环境耦合效应数值模拟、试验与考核评价、威胁评估建模与仿真、防护加固与减缓方法等关键技术，建立综合试验平台和仿真平台，验证和示范强电磁脉冲防御方法和策略，制定可推广的标准规范和行动指南，快速提升我国关键基础设施强电磁脉冲防御能力。

硅光技术能否促成光电子和微电子的融合？

近50年来，微电子学一直是现代信息社会发展的驱动力。

微电子芯片的发展遵从摩尔定律，即平均每18～24个月，其性能提升一倍，或者价格下降一半，以更大的集成度获得更高的信息处理性能。其结果是从个人电脑（PC）到智能手机等产品的尺寸越来越小、速度越来越快，价格也越来越便宜。

2020年，微电子技术从5nm工艺节点提升至3nm节点，台积电在最近的技术研讨会上发表声明称该公司已经为3nm工艺节点技术开发做准备。然而在2～3nm尺度下可容纳原子数量不到15个，器件的速度、功耗和散热已经成为制约微电子技术发展的瓶颈。

早在上世纪90年代，IT从业者就开始为半导体芯片产业寻找继任者。光子计算、量子计算、生物计算、超导计算等概念一时间炙手可热，它们的目标都是在硅芯片发展到物理极限后取而代之。

其中光子计算一度被认为是最有希望的未来技术。与半导体芯片相比，光芯片用超微透镜取代晶体管、以光信号代替电信号进行运算。但是现实并不尽如人意，科学家和工程师很快就发现制造纳米级的光学透镜是如此困难，想在小小芯片上集成数十亿的透镜远远超出了人类现有的技术水平。

很快科研人员发现用光通路取代电路来在硅芯片之间传输数据是很有潜力的应用方向：光信号在传输过程中很少衰减，几乎不产生热量，同时可以轻松获得恐怖的带宽;最重要的是在硅芯片上集成光学数据通道的难度不算太高，不像光子计算那样近乎幻想。于是从21世纪初开始，以Intel和IBM为首的企业与学术机构就开始重点发展硅芯片光学信号传输技术。

硅光技术是基于硅和硅基衬底材料（如 SiGe/Si、SOI 等），利用现有 CMOS 工艺进行光器件开发和集成的新一代技术，结合了集成电路技术的超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势，是应对摩尔定律失效的颠覆性技术。这种组合得力于半导体晶圆制造的可扩展性，因而能够降低成本。

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。

如何解决集成电路制造工艺中缺陷在线检测难题？

随着科技进步，智能化产品与日俱增。从电脑、智能手机，再到汽车电子、人工智能，如今在我们的生产生活中已随处可见。它们之所以能夠得以发展，驱动内部收发信号的集成电路芯片是关键。

在一颗芯片上集成的晶体管的数量，越来越多，从20世纪60年代至今，从1个晶体管增加到100亿以上。集成电路芯片虽然广泛应用于多个领域，但是制造过程中产生的缺陷会直接影响集成电路芯片的寿命和可靠性。

无论从集成电路芯片的研发设计，再到前道工序，后道工序，甚至最终投入使用，每一个流程都需要有必要的检测来护航。对于芯片制造商来说，单纯知道芯片是否达标，以此来淘汰坏品保证输出产品质量，是远不够的。还需要“知其所以然”，保证良率，追根溯源，节约成本的同时给企业创造更高的效益。所以围绕着这个主题进行一系列的检测，我们将此称为半导体失效分析。

集成电路制造工艺日新月异发展飞速。制程上，从70年代的微米级芯片早已经提升至纳米级芯片。芯片层数增加和晶体管数量的急剧增加，让失效点越来越难以发现。不断提升的集成度，对检测设备的性能提出了更多的挑战。

在上一代國家集成电路制造02专项中，缺陷在线检测设备的研发投入相对较少，我国在该领域存在明显短板，设备水平远落后于发达国家，因此，缺陷检测设备是我国半导体产业链中最薄弱的环节之一，研发集成电路高灵敏度缺陷在线检测技术与装备迫在眉睫。

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，对我国技术封锁;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。因此，突破下一代节点集成电路制造缺陷在线检测技术，不但可以打破以美国为首的技术封锁，解决“卡脖子”问题，还将提升我国制造业整体水平，为交叉领域科技发展产生重大影响力和引领推动作用，同时带来巨大经济效应和国际影响力，占领国际竞争至高点。

无人车如何实现在卫星不可用条件下的高精度智能导航？

定位、定向、测速、授时是人们惆怅千年都未能完全解决的问题。最早的时候，古人只能靠夜观天象和司南来做简单的定向。直至元代，出于对定位的需求，才华横溢的中国人发明了令人叹为观止的牵星术，用牵星板测量星星实现纬度估计。

1970年美国立项建造GPS，军用定位可以达到1-2米级精度，开放给大众使用的民用定位也能够实现5-10米级的精度。

今年6月23日，我国北斗全球导航系统最后一颗组网卫星发射成功，北斗和GPS等定位系统的原理，是用户同时接受多个定位卫星的广播信号，以计算出自己的所在位置。北斗定位今后不光会靠卫星，还有一张细密的地面站网辅助，让定位精确到几厘米。

卫星导航技术的成熟，基本上解决了室外的定位和定姿问题。但是室内这个问题就难办多了，为了实现室内的定位定姿，一大批技术也在不断涌现。

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很多是在室内或地下完成现代化作业、抢险救灾等任务，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。

目前无人的自动驾驶的技术基本上都源自机器人，自动驾驶汽车可以看做是轮式机器人外加一个舒适的沙发组成。机器人系统中定位和路径规划是一个问题，没有定位，就无法规划路径。厘米级实时定位是目前自动驾驶最大的挑战之一。

对机器人系统来说，定位主要靠SLAM与先验地图（Prior Map）的交叉对比。SLAM是Simultaneous Localization and Mapping的缩写，意为“同时定位与建图”。它是指运动物体根据传感器的信息，一边计算自身位置，一边构建环境地图的过程。科学家提出了通过惯性与里程计组合导航，实现一定距离内的高精度绝对定位，辅之视觉和雷达传感器，能够获得高精度相对定位信息与环境感知信息，实现自主避障与在线路径规划，满足无人车的实际使用需求的研究方向。

该技术取得突破后，相关研究成果可应用于无人救援车、无人采矿车等，进一步推动无人车向智能化发展，增强无人车的任务效能。同时，相关研究成果可进一步推广应用至多种无人平台，提升无人船、无人机等无人装备的智能化导航水平。

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？

随着现代化工业的发展，不可再生的化石能源越来越少，仅可再支撑几百年。氢能作为一种新兴清洁能源出现在人们视野，电解水作为其中一个重要方面也受到人们的关注。通电，分解水，制氢气，再用氢气发电。

2018年12月，国家发展改革委与国家能源局联合印发《清洁能源消纳行动计划（2018—2020年）》（以下简称《计划》），《计划》指出，探索可再生能源富余电力转化为热能、冷能、氢能，实现可再生能源多途径就近高效利用。

而电解水制氢被认为是将富余电力转化为氢能的好途径。氢能和电能都是重要的二次能源，也是未来主要的绿色清洁能源。氢气无污染、零排放，在未来人类生活生产中扮演极其重要的角色。氢能具有远距离输送、大规模存储和氢—电互换的特性。全球氢工业也发展迅猛，市场规模从2011年的1870.82 亿美元增长到2017年的2514.93 亿美元，增速达34.4%。

电解水制氢是在直流电的作用下，通过电化学过程将水分子解离为氢气与氧气，分别在阴、阳两极析出。根据电解质不同，其技术目前主要可分为碱性电解（ALK）、质子交换膜（PEM）电解水、固体氧化物（SOEC）电解水三大类。

在美国，PEM电解水技术于20世纪70年代被用作核潜艇中的供应氧气装置。20世纪80年代，美国国家航天宇航局又将PEM电解水技术应用于空间站中，作宇航员生命维持及生产空间站轨道姿态控制的助推剂。近年来许多国家在电解水技术的开发中取得长足的进步。欧盟、北美、日本涌现了很多PEM电解水设备企业，这些企业在某种程度上推动了PEM电解水的发展。加拿大Hydrogenics公司于2011年在瑞士实施HySTATtm60电解池的项目，为加氢站提供电解槽产品，每天可电解产生130kg纯氢。美国Proton Onsite公司在全球72个国家有约2000多套PEM电解水制氢装置，占据了世界上PEM电解水制氢70%的市场。

当前，我国可再生能源重点产业布局成熟、链条完备，发电成本已接近化石能源发电成本。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，具备重大经济和生态环境的社会意义。本技术取得突破后，将促进我国氢能产业的进步，并有效缓解我国和“一带一路”沿线国家的能源问题。

如何突破进藏高速公路智能建造及工程健康保障技术？

在国家在2004年制定的《国家高速公路网规划》中，中国的高速公路网由7条首都放射线、11条南北纵向线和18条东西横向线组成，简称为“71118网”。其中的7条起始于首都北京的放射线中就有规划的G6（北）京拉（萨）线。但到目前为止，这条高速公路还没有连通拉萨。

青藏高速的难题和青藏铁路难题大致相同，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。

青藏高速公路全长约1100公里，是国家“71118”高速公路网中京藏高速尚未建设的最后一段，也是西藏自治区唯一一条纳入国家高速公路网的公路项目。项目实施需要攻克生态脆弱、大温差、长期负温、强紫外线辐射等环境下多年冻土地基上修筑高速公路这一世界工程难题，突破高海拔、高寒地区高速公路建设关键技术瓶颈。

由于青藏高原特殊的地理、气候及多年冻土环境，使得青藏高速仍然面临着能否建设和如何建设的难题。高速公路路面施工条件要求比二级以下的等级公路更高，沥青路面上去以后，路基加宽，吸热量会更大，加上高速行车，对路面的平整度要求更高，冻土地区路基的变形控制，包括对路面的要求跟以前有很大的区别。同时全球气候升温对冻土的影响已经出现，在以后数十年内，冻土的退化对工程造成的伤害是必须面临的课题。青藏工程走廊内现有工程分布密集、相互作用影响显著。高海拔高寒地区高速公路合理布局、建设形式及其冻土环境效应，关系到青藏高速能否顺利建设。多年冻土地区桥梁与隧道修筑也一直被视为世界性难题。突破高海拔高寒地区高速公路建设关键技术瓶颈，是青藏高速成功建设的技术保障。

此外，大规模工程建设的环境效应及其修复技术，对青藏高原脆弱生态系统功能的保护与恢复、改善，意义重大、影响深远。这些问题的突破将整体提升青藏高原高速公路建养技术现代化水平，降低工程造价和全寿命成本，提高特殊自然环境下交通设施的供给品质与服务能力，为彻底打通西南战略高地—西藏与祖国内地的高速通道提供全面技术保障。

如何突破光刻技术难题？

芯片产业可以分为设计、制造、封装三大流程，在这大三领域里，我国在设计与封装方面进展尚可，如海思等少数龙头企业还能够与国际一线玩家共台竞技。

然而在芯片的制造领域，却是另一个故事。

受制于自身起步较慢与国外的技术封锁，中国大陆的芯片制造领域与国外先进技术相差巨大。目前台积电的7nm芯片已经量产，而技术最领先的玩家——中芯国际——在前阵子才刚刚宣布14nm工艺开始导入客户，与台积电相差了至少2-3代工艺。

而在芯片制造的各个环节当中，光刻机又是一项重中之重的设备，其重要地位仿佛冠上明珠。

简单来说，芯片制造的过程就是将芯片设计的“图纸”复原在硅片，并保证这块芯片能够实现预设的功能。

芯片制造的环节也有很多，包括光刻、刻蝕、离子注入、薄膜沉积、化学机械研磨等。

而这其中，光刻又是生产流程中最复杂、最关键、耗时最长（几乎一半时间）、成本最高（约占芯片生产成本1/3）的工艺步骤，光刻的工艺水平直接决定芯片的制程水平和性能水平。

光刻机被称为“人类工业皇冠上最璀璨的明珠”，是一项非常复杂的核心技术，在芯片生产过程中占据着不可替代的地位。没有光刻机就无法生产出芯片，而且只有高端的光刻机才能生产出先进的芯片，这是半导体行业公认的事实！

最近十年，国家相关部委组织多个大型项目和专项进行光刻技术和产品的攻关，取得了一定的进展，但跟世界发达国家水平相比，我国光刻技术和产业的发展水平仍较落后，差距仍然很大，“受制于人”的困境依然存在。

光刻技术属敏感技术，发达国家对光刻技术的转让严格管控，光刻设备的购买属于高度管制，同时光刻胶产品的采购也极易受到限制，将严重影响我国相关产业链，乃至国家安全。光刻技术的国产化必须是包括光刻设备、光刻胶和所使用全部原料的国产化，否则仍不能摆脱受制于人，“卡脖子”的尴尬现状。在光刻机方面，应扩大低端光刻机的市场，优化性能，同时尽快推出国产193纳米浸入式光刻机，实现中端光刻机的国产化;在极紫外（EUV）光刻方面，需要进一步开展相关基础研究。同时，应开展所有种类光刻胶的完全国产化研究。突破光刻技术不仅可以提高我国相关产业链在世界上的竞争力，更是从国家安全角度具有十分重大的战略意义。