全球工程前沿发展新趋势1

◎ 中国工程院战略咨询中心 郑文江 穆智蕊

一、工程前沿发展趋势

2021年度全球工程前沿研究在以专家为核心、数据为支撑的原则下，通过近6年167.24万篇高被引论文聚类获得机械与运载工程、信息与电子工程、化工冶金与材料工程、能源与矿业工程、土木水利与建筑工程、环境与轻纺工程、农业、医药卫生、工程管理9大领域的775个备选研究热点，通过对50多万个专利主题聚类获得53张ThemeScape专利地图。进而通过多轮的专家研讨以及专家与数据交互，获得298个备选研究前沿和174个备选开发前沿。经过问卷调查和专家研判最终形成工程研究前沿和工程开发前沿各93个。

通过对2021年度93个工程研究前沿和工程开发前沿的总体分析，发现全球工程前沿呈现出四个趋势：

（一）智能技术正带来范围更广、层次更深的变革，并将深刻改变社会与生产形态。一是智能技术的算力得到显著增强。本年度全球工程前沿显示以光路与电路混合集成芯片制造、量子计算、存算一体技术等算力技术不断取得新进展，智能技术的底层基础得到进一步夯实。二是智能技术的算法不断强化，近年来深度学习、联邦学习等算法不断突破，算法模型的通用性、便捷性、可解释性不断提升，夯实智能计算的核心技术。三是智能技术助推科技创新，新一代人工智能相关技术与多学科的交叉融合强有力地推动了其他工程科技领域数据研究范式与基础理论的创新发展。尤其是在生命科学领域，智能技术在基因编辑靶点识别、蛋白质等生物大分子结构预测、医药研发、药物设计与发现等方面取得了重要突破。四是智能技术的产业化应用，正加快现实生产力的提升。一方面智能技术与产业加速融合，不断推进工业技术进步。机器人化增材制造、大数据驱动的分布式智能制造决策优化技术、智能可重构制造技术等将不断助推制造业向个性化定制、柔性化生产、服务型制造、智能化预测的方向转型。另一方面智能技术与生命科技不断交叉，推动医疗健康新变革。人工智能辅助智能诊断、智能治疗、智能疾病预警预测干预、智能群体健康管理和智能医药监管等取得新突破；5G等互联网技术助推互联网医院发展，不断提升一体化公共卫生应急响应能力。

（二）数据资源日益成为工程科技研究的关键要素。一是数据推动科技研究范式的变革。大数据的采集、存储、关联和可视化技术的发展，极大推动了生物、材料、医学、工程管理等领域进入数据密集型科学研究范式，相关研究向可定量、可计算、可调控、可预测方向跃升。二是工程科技创新对数据的依赖程度将越来越高，一方面工程科技创新越来越需要数据的积累，传统的样本、统计、测试数据需求已经转向实时、全面、全过程数据，另一方面基于海量数据的自我监督学习、增强学习、深度学习等正不断助推工程科技创新。三是数据推动产业价值跃升。数字孪生、多维深度融合建模计算、数字画像等技术支撑智能制造、智能建造、智能服务和个性化定制等新产业形态。四是数据成为社会治理重点。新一代密码技术、区块链、网络虚拟身份管理等安全前沿技术不断取得突破，数据应用在合规性和便捷性之间将不断平衡。

（三）绿色低碳成为工程科技发展新路径。一是能源生产消费方式不断向清洁、低碳等替代方向加速转化，新一代低碳能源技术与产业加快布局，核能、太阳能、氢能等可再生能源已成为全球能源增量主体，并向多元协调方向发展。二是低碳技术不断发展。提高能源利用效率已成为全球应对气候变化的重要选择，化学燃料的高效低排放技术不断发展，储能技术和智能电力系统加快发展，新能源汽车加快向市场渗透。三是低碳技术成为全球竞争新热点。二氧化碳捕集、利用和封存已经成为全球碳中和目标实现的关键，二氧化碳驱替其他资源和利用技术成为新兴方向，二氧化碳地质储存环境风险防控技术也成为环境研究的重点。

（四）“后疫情时代”工程科技的发展将更贴近现实需求。一是问题导向、结果驱动越发成为各国工程科技发展的重点。事关人类生命健康、国家竞争力提升、国家安全方面的研究越发成为世界关注的焦点。二是应对疫情的相关技术得到极大发展，以疫苗、数据跟踪为代表的新冠肺炎疫情防控技术、适应远程办公与生产的互联网技术、虚拟与现实交互技术得到阶段跃升。三是适应后疫情时代，科学研究和生产生活的相关技术也快速发展。同时，后疫情时代也改变了现代产业发展的结构和布局，进而影响工程科技创新的国际竞争与合作。

二、分领域工程前沿发展趋势

（一）机械与运载工程

机械与运载工程领域的前沿呈现出两大特点：一是多学科交叉融合，如柔性内窥镜微创手术机器人、仿昆虫微型扑翼飞行器、仿生水下航行器推进与控制技术、折纸力学超材料等。二是机械与运载工程智能化、无人化将成为主体趋势，这将显著提高作业质量、工作效率与可靠性。如大数据驱动的分布式智能制造决策优化技术、城市智能客车多模态感知与自主决策技术、基于深度学习的城市交通流量智能预测方法、水下无人航行器、无人载具轨迹精确跟踪控制、水面无人集群自组织与协同控制技术。

人的个体有不同的耐受性，因此影响将有所不同，这使得健康影响的量化更难测量。然而，人们承认，儿童、老年人和那些身体不好的人在空气质量方面的风险最大。富兰克林等人的2014项目调查发现，婴儿在生命的第一年患呼吸系统疾病的风险很大。该报告的作者将观察到的健康风险与孕妇从新的强化地板中吸入挥发性有机化合物的浓度联系起来。

（二）信息与电子工程

信息与电子工程领域是构建未来智能社会的关键，是当前经济社会发展和生活质量提高的重要使能技术。本年度信息与电子工程领域的工程研究前沿重点关注点在算力、算法的提升，感知能力的增强和人机交互领域的强化。工程开发前沿重点关注芯片集成技术、微纳米制造技术、人工智能应用技术与产品等。信息与电子工程领域前沿充分体现了工程前沿与生产力的高度融合发展，基于应用场景需求的创新正快速实现突破。

（三）化工、冶金与材料工程

绿色、低碳、高效、智能已成为化工、冶金与材料工程领域的持续性特征。围绕信息、能源、环境、生物、装备等领域以及产业变革等的战略需求，化工冶金材料呈现出高性能、高效率、低排放、低成本的供给保障科技创新趋势。本年度的高性能储能材料、低成本高效率钙钛矿电池、均质化高熵合金制备技术、低碳冶金等均体现了这一趋势。此外化工领域与生物、信息技术的融合交叉也不断助推传统领域的研究发展。

（四）能源与矿业工程

能源领域前沿的核心是推动传统能源清洁低碳发展，提升新能源的经济化，提高能源的智能化，本年度的工程前沿集中在核能、氢能、页岩气、天然水合物等的高效开发、电力系统的智能调控等。矿业工程领域前沿的关键是深部富矿的勘察开发与智能化，以及极端环境下相关技术的开发研制，助力全球矿业从浅表勘察开采走向深部勘察和开采，如本年度的高温压致密硬岩高效破岩机理、矿山灾害隐患多元信息感知预警分析、智能高效钻具组合与钻完井技术等。

（五）土木、水利与建筑工程

土木、水利和建筑工程前沿关注的核心主题是推动绿色、安全、生态、智慧的高品质基础设施建设。本年度跨流域调水的生态环境效应、低碳长寿命水泥基材料等前沿主要体现绿色化特征；可恢复功能防震韧性结构体系、柔性结构的流致振动及减振、交通基础设施韧性提升、混凝土裂缝智能感知与生物修复技术主要是提升基础设置的安全性；面向智慧可持续城市的时空大数据感知方法、全域全要素的数字孪生城市感知和仿真技术、智能化一体式污水处理装置等前沿的核心是智慧化。

（六）环境与轻纺工程

环境领域工程前沿主要着眼于环境质量的提升。当前环境工程前沿的重点集中在大气、水体、土壤的复合污染的产生机理及其控制与生态协同修复；伴随着全球绿色低碳经济的发展，气候变化，碳固定技术、碳库研究等已成为环境的研究重点，如土壤碳库对全球气候变化响应机制、复合型极端气候事件与灾害风险研究等。轻纺工程的前沿主要集中在个性化、智能化、生物相容性以及和环境友好型技术的研究与开发，如超浸润生物质基复合纤维的制备与功能化应用研究、个性化营养健康食品靶向设计及智能配餐技术等。

（七）农业

现代生物技术与信息技术的迅猛发展，已成为农业领域工程前沿进步的重要引擎。农业前沿技术的趋势体现在生物化、信息化、无害化、循环化和标准化发展，如基因技术和杂交技术育种设计、人工智能技术在农业领域的应用等。农业与生态的精准化、集约化和高值化已呈现出应用的趋势，如智能感知与饲料精准供给等。与此同时，生物技术与信息技术的融合将成为新一轮的农业工程科技竞争的焦点。

（八）医药卫生

满足人类健康需求，基于问题的前沿开发越发成为医药卫生工程前沿的核心驱动力。当前，人类面临着慢性非传染性疾病和传染性疾病的双重威胁，医药卫生领域围绕“促、防、诊、控、治、康”开展。本年度的医药卫生领域工程前沿重点集中在新型冠状病毒分子机制及其防控、诊疗研究、生命健康机理的探索、药物治疗的机制及其健康促进、预防、诊断、控制、治疗、康复相关技术的发展。

（九）工程管理

大数据、区块链、物联网、人机交互等新一代信息技术的快速发展极大催生了工程管理领域工程前沿的发展。本年度工程管理领域工程前沿呈现出三大趋势，一是学科交叉更为明显，工程管理、应用场景领域与新一代信息技术三重融合，催生了工程管理新理论新技术的产生；二是紧密联系社会发展，侧重问题导向和需求导向。本年度的重大传染病疫情的建模与预测研究、能源系统低碳转型管理与驱动机制研究、人工智能对产业转型和要素分配的影响研究等都体现了问题导向与需求导向。

三、小结

工程科技是连接科学技术与产业的关键纽带，工程前沿趋势的研判，对把握全球科技发展大势，降低科技革命的“不确定”性，推动工程科技与产业的创新发展具有重要的意义。总体上，五年来全球工程前沿年度报告数据显示出：工程前沿正呈现出多点突破、互动创新、跨界变革与边际演进的特征。国际合作方面，机械领域的国际合作呈现出下降趋势，但校企合作呈上升趋势；医药卫生领域呈现出上升态势，其他六个工程领域呈波动稳定状态。同时，基于现实问题与需求导向的工程前沿数量正逐渐增多。

“十四五”期间，是新一轮科技革命和产业变革的加速拓展期，是我国开启全面建设社会主义现代化国家新阶段。基于2021年度全球工程前沿趋势情况，现阶段急需处理好科技自立自强与开放合作的关系，在不断开放中寻求自立自强；急需凝练好产业的关键问题与社会核心需求，为我国未来工程科技布局提供核心支撑。（文责自负）