科技赋能未来！盘点2019国内、国际十大科技新闻

  近日，由科技日报社主办，部分两院院士和媒体人士共同评选出的2019年国内、国际十大科技新闻揭晓。

  等待了数十亿年后，月球永远背向地球那面的山地荒原，终于迎来第一个翩翩降临的地球访客。

  2019年1月3日，“嫦娥四号”探测器成功着陆在月球背面东经177.6度、南纬45.5度附近的预选着陆区，并通过“鹊桥”中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图，揭开了古老月背的神秘面纱。

  从2018年12月8日发射升空，到2019年1月3日顺利到达，“嫦娥四号”走完了约40万公里的地月之路。她着陆后，静态着陆器和月球车分别被部署到月球表面，两者都携带了一系列探测仪器，探测该地区的地质特征，并进行了生物实验。

  月球总有一面背对着地球，且不像正面那样平坦，着陆区的选择及精准着陆是难题。“嫦娥四号”着陆从未实地探测过的处女地，或将取得突破性发现，同时能填补射电天文领域在低频观测段的空白。“嫦娥四号”将我国航天器制导、导航与控制技术提升到了新的高度。

  5G是一场影响深远的全方位变革，将推动万物互联时代的到来。2019年6月6日，工业与信息化部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照，中国郑重进入5G商用元年。

  5G具有高速度、低时延、高可靠等特点，是新一代信息技术的发展趋势和数字化的经济的重要基础。随着5G牌照的发放，我国5G建设将大大提速，这不仅会影响我国的经济格局，也会在很大程度上影响全球5G发展格局。

  在技术标准方面，我国倡导的5G概念、应用场景和技术指标已纳入国际电信联盟的5G定义；产业高质量发展方面，我国率先启动5G研发技术试验，加快了5G设备研发和产业化进程。目前，我国5G中频段系统设备、终端芯片、智能手机处于全球产业第一梯队，具备了商用部署的条件。有必要注意一下的是，三大运营商早已在各地建设5G基站，投资巨大。5G牌照的发放，有利于抢抓数字化的经济发展的契机。

  这是中国长期资金市场的历史性时刻。2019年7月22日，科创板在上海证券交易所鸣锣开市。中国长期资金市场由此向科学技术创新企业开放大门。在未来国际科学技术实力竞争中，科创板将成为中国“硬科技”企业持续补充后续能量的“大粮仓”。

  ▲上海证券交易所举行的科创板首批公司上市仪式现场。（新华社记者 方喆摄）

  科创板作为新设的增量板块，重点支持高新技术产业和战略性新兴起的产业。面向新一代信息技术、新材料、生物和高端装备制造四大领域。设立科创板并首次在中国股票市场引入注册制，被一致认为是中国A股市场设立以来，发行上市制度方面最为重大的变革。科创板承载着各方对长期资金市场在推进科学技术创新及经济转型发展中的殷切期望。

  放眼国际，从美国长期资金市场的历史看，科技产业的崛起和长期资金市场的发展紧密关联。上世纪70年代，纳斯达克的创建成功对接了新兴行业的科学技术创新，而美国也由此成为超级大国。有评论认为，科创板开市，将吸引更多风险资本，撬动科创产业高质量发展，为中国迈向高水平质量的发展注入澎湃动力。

  2019年8月1日，清华大学开发出的全球首款异构融合类脑计算芯片登上了《自然》杂志的封面。该芯片结合了类脑计算和基于计算机科学的机器学习，这种融合技术有望提升各个系统的能力，促进人工通用智能的研究和发展。原则上，一个人工通用智能系统能执行人类能完成的绝大多数任务。

  ▲清华大学开发出的全球首款异构融合类脑计算芯片登上了《自然》杂志的封面。（图据：《自然》网站 ）

  发展人工通用智能的方法主要有两种：一种是以神经科学为基础，尽量模拟人类大脑；另一种是以计算机科学为导向，让计算机运行机器学习算法。然而，由于两套系统使用的平台各不相同且互不兼容，极大地限制了人工通用智能的发展。

  新型芯片融合两条路线，被命名为“天机芯”。一辆由该芯片驱动的无人驾驶自行车可实现自平衡、动态感知、目标探测、跟踪、自动避障、过障、语音理解、自主决策等功能。展现了未来的人工智能平台的潜力。

  限于通信光纤的损耗和探测器的噪声等原因，量子密钥分发系统通常只能在100公里内获得较高成码率。目前最远成码距离是潘建伟团队于2016年实验实现的404公里。

  ▲清华大学开发出的全球首款异构融合类脑计算芯片登上了《自然》杂志的封面。（图据：《自然》网站）

  有一种新型的量子密钥分发方案——双场量子密钥分发方案，巧妙地利用单光子干涉的特性，让量子密钥分发的成码率在长距离也维持较高水准。2019年，中科大的潘建伟教授等科学家在300公里真实环境的光纤中完成了双场量子密钥分发实验。成果2019年9月正式发表。

  这种双场量子密钥好比双胞胎携手将成码率大幅度的提升，基于“发送—不发送”的双场量子密钥分发方案，大幅度的提升了对相位噪声的容忍能力和安全性。在现实环境下相位剧烈变化的300公里光纤信道上，实现了双场量子密钥分发。该方案还验证了700公里以上光纤远距离量子密钥分发的可行性，有望成为新一代远距离城际量子密钥分发的基础。被业内专家评论为“实用双场量子密钥分发的重要里程碑”。

  一次性治愈艾滋病？曾遥遥无期的梦想，已触手可及。2019年9月公布的一个成就是：中国科学家基因编辑了人体造血干细胞，失活CCR5基因，并移植到HIV感染合并急性淋巴细胞白血病患者体内产生效果。这名艾滋病病毒阳性的中国男性手术后表现良好并观察了19个月。虽没完全清除艾滋病病毒，但也没再次出现令人担忧的诱发癌症或遗传损伤的副作用。

  十几年前，科学家偶然发现了一个奇迹：2007年，同时患有艾滋病和白血病的蒂莫西·雷·布朗接受了骨髓移植手术，捐赠者的细胞具有阻断HIV的CCR5突变，布朗因此治愈了他的白血病和艾滋病。复制“柏林病人”的奇迹是困难的。干细胞进入新环境其实很脆弱，患者进行了清髓，如果基因编辑后的干细胞难以存活，患者将有生命危险。

  在先期动物实验的基础上，中国团队摸索多种条件，建立能进行基因编辑的造血干细胞的预处理方法，不仅让它活跃，还不破坏它的多能潜力、稳态和生存能力。基因编辑的T细胞体现了更强的抗敌能力，在T细胞总数量占比上从2.96%增加到4.39%，相当于提高了1.5倍。研究团队后续还将继续摸索，达到治愈的目标。

  非洲猪瘟，生猪养殖户的一场噩梦。这是由非洲猪瘟病毒引起的一种急性、热性、高度接触性动物传染病。猪感染后发病率和死亡率高达100%。非洲猪瘟病毒基因类型多，免疫逃逸机制复杂，可逃避宿主免疫细胞的清除，目前国内外均缺乏有效疫苗。

  2019年10月，《科学》杂志发表了中国学者解析非洲猪瘟病毒精细三维结构的论文。这是一种正二十面体的巨大病毒，由基因组、核心壳层、双层内膜、衣壳和外膜5层组成，病毒颗粒包含3万余个蛋白亚基，组装成直径约260纳米的球形颗粒。以前“盲人摸象”，如今看到了病毒全貌，疫苗研发可以更有针对性。

  这是国际上首次解析非洲猪瘟病毒结构，为揭示非洲猪瘟病毒入侵宿主细胞以及逃避和对抗宿主抗病毒免疫的机制提供了重要线索，为开发效果佳、安全性高的新型非洲猪瘟疫苗奠定了坚实基础。

  2016年初，中国科学家开始利用LAMOST观测了3000多个双星天体，其中一颗“走路拉风”的B型星引起关注，并进而发现它的伙伴是一颗黑洞，有70倍太阳质量，刷新了人类对于恒星级黑洞质量上限的认知。

  ▲我国天文学家利用LAMOST发现迄今最大的恒星级黑洞。（新华社发 喻京川绘）

  目前恒星演化模型只允许在太阳金属丰度下形成最大为25倍太阳质量的黑洞。现有理论认为，恒星在形成黑洞前，会吹出星风丧失物质，因此恒星级黑洞不会特别重。最重的恒星，形成的黑洞也就20多个太阳质量。之前发现的黑洞都没超过这个量级。LB-1的发现可能意味着有关恒星演化形成黑洞的理论将被改写，或者以前某种黑洞形成机制被忽视。

  这颗迄今为止最大质量的恒星级黑洞，标志着利用LAMOST巡天优势搜寻黑洞新时代的到来。“光谱之王”才能发现“黑洞之王”。相信未来会有一批平静态黑洞现身, 揭开这个“黑暗家族”的内幕。

  中国第一艘国产航空母舰“山东号”2019年12月17日下午在海南军港交付海军，习亲自出席交接入列仪式。2019年12月26日，山东号驶过台湾海峡，一举一动牵动着网民的心。

  山东号是中国自主设计、研发、建造的一艘航空母舰，比起辽宁号有不少改进，型号为002型，是中国真正意义上的第一艘国产航空母舰。

  ▲2019年12月17日，我国第一艘国产航空母舰山东舰在海南三亚某军港交付海军。经批准，我国第一艘国产航母命名为“中国人民海军山东舰”，舷号为“17”。（新华社记者 李刚 摄）

  山东号有三个足球场长，使用常规动力推进，将搭载歼-15B战斗机以及其他型号舰载机。固定翼舰载机将采用滑跃起飞。据新闻媒体报道，山东号可搭载36架歼-15舰载机，而辽宁号只能搭载24架。与辽宁号相比，山东号略大一点，而舰岛尺寸有缩短；甲板设计经过优化，扩大了飞行甲板面积，可停放更多舰载机。山东号的滑跃甲板的角度也比辽宁号低两度，这样更加省油。另外，山东号的内部舱室、机库、电子系统、弹药升降机、舰载武器等均优化了设计，提升了战力。

  航母的设计制造较为复杂，体现了一个国家的工业能力和科技水准。山东舰顺利完成建造、海试，正式交付海军，说明中国已通过了设计建造航母的毕业考试。

  时隔两年多，中国推力最大的新一代运载火箭——长征五号（以下简称“长五”）再一次发射，并成功将实践二十号卫星送入轨道。“长五”是中国现役起飞质量最大、芯级直径最粗、运载能力最强的运载火箭，也称“胖五”。它身高57米，箭体直径达到5米，起飞重量达870吨。它的近地轨道最大有效载荷25吨，相当于一次将16辆小汽车送入太空。探月三期、火星探测、载人空间站……未来，众多航天工程的实施都指望它。

  “长五”使用无毒无污染的液氢、液氧和煤油，液氢必须保存在零下253摄氏度的环境，这也让“长五”成为一颗冰箭。发动机研制不容易，比如薄壁大直径燃料槽是国际机密技术，焊接工艺和结构设计全靠自己摸索。

  “长五”的制造基地设于沿海的天津滨海新区。由于火车不便运输“长五”的大身板，它经过海上运输到达海南文昌——全球为数不多的低纬度火箭发射场。

  2016年11月3日，长征五号遥一首飞成功，但经历了发射前惊心动魄的三小时；2017年7月2日，长征五号遥二发射任务失利。经过两年多的努力，长征五号遥三火箭于2019年12月27日点火升空，一切顺利，宣告复出成功。

  此处屏蔽了来自地球的各种无线电干扰信号，可以监测到地面和地球附近的太空中无法分辨的电磁信号，为研究恒星起源和星云演化提供重要资料。所以天文学家一直希望利用这片寂静去监听来自宇宙深处的微弱信号，但长久以来，从未有航天器登陆过月球背面。

  2019年1月3日，“嫦娥四号”探测器成功着陆在月球背面东经177.6度、南纬45.5度附近的预选着陆区，并通过“鹊桥”中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图，实现了人类探测器首次月背软着陆。

  ▲嫦娥四号着陆器地形地貌相机环拍全景图（方位投影）。（新华社发 国家航天局供图）

  2019年12月21日，着陆器受光照自主唤醒，按计划继续对月表线性能量转移谱、综合粒子辐射剂量及月表低频射电特征开展有效探测工作。

  静静的月背，太阳光照射在“嫦娥四号”着陆器上。繁忙的地面，在月背刻上中国足迹的青年人团队，平均岁数仅为33岁。

  地球生物皆由细胞构成，而细胞集体运作能力的强悍与复杂，至今人们也不能说完全了解。可若能够在智能领域模拟出某些特定的程度的细胞组合运动，并能轻易扩展，那么理论上，便可通过大规模机器人创造出无限的可能。

  美国哥伦比亚大学和麻省理工的科学家2019年3月份报告了一种能模拟生物细胞集体迁移的机器人，25个物理机器人“粒子”，能移动、搬运物体以及向光刺激移动。

  有意思的是，单个机器人“粒子”并不能移动，但如果其中一个或几个成员“丧失行动能力”，也不会对整体有大影响——在20%粒子失效的情况下，其仍能以完整状态一半的速度运行。而在传统机器人，单独个体的缺失，往往会导致满盘崩溃。

  25个松散的“粒子”，可以轻易扩增为十万个，这比此前传统机器人和仿生系统具有更高的可扩展性，也为开发有预先确定性行为的大规模群体机器人系统，提供了全新途径。

  在我们所有人头顶，在几乎每个大星系的中央，黑洞无声无息地盘踞、吞噬、辐射。当天体物理学发展到某些特定的程度，没有一点一个文明可以对黑洞视而不见。

  天文学家们为此搭建了一张行星级观测网——“事件视界望远镜（EHT）”，它比任何独立设备都更了解黑洞，它还能达到足够分辨率来区分光被拉入黑洞时的状况。拜其成全，从来都无法直接观察到的黑洞，此次“眼见为实”。

  北京时间2019年4月10日21时7分，全球6个城市（比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京、美国华盛顿）在同一时间公布了首张黑洞照片，揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞。黑洞这一神秘天体，终于展露真容。

  黑洞“现身”的同时，其中的物理现象还很可能为我们阐明广义相对论和量子力学间的巨大矛盾——众所周知，这二位“不和”已久，皆因我们找不到一种既是宏观又是微观的东西。而黑洞，恰好兼具大尺度宏观形态和小尺度微观量子理论的特性。

  这就是科学的进步，既不会忽略小到无法体验的粒子，也不会避开大到超乎你我想象的物体。

  但在2019年，这项已然不再新鲜的技术取得了具有里程碑意义的成果。2019年5月，《科学》杂志封面报道了美国莱斯大学与华盛顿大学主导的研究，该团队克服了3D打印器官的一大障碍，创造出一个由水凝胶3D打印而成的肺气囊模型。

  这个模型，具有与人体血管和气管结构相同的网络结构，在体外模拟肺气囊生理学功能，实现了往周围血管输送氧气，完成了“呼吸”过程。而通常认为，只有3D打印的组织能像健康组织一样“呼吸”，且构建出可与其他组织交互的管路系统，才可以说它在功能上已经接近一个健康组织。

  这项成果被认为代表了3D生物打印可实现的最强生理功能，它也代表着，未来的以及人类寿命延长等许多问题，都将可能得到解决。

  应用物理界有一个终极使命，就是寻找能在室温下具有超导性的材料并将其用于生活中。

  一般的材料在导电过程中会消耗大量能量，而超导体在传输中就没有耗损，还能在每平方厘米上承载更强的电流。但目前，超导材料只有在低温度的环境下才会具有超导性。

  2019年5月，美德两国科学家团队在《自然》上发文称，其所观察到的3个特征已可证明，在250K（约为-23℃）的温度下，氢化镧在超过100万倍地球大气压下会变成超导物质。

  而250K，是迄今为止超导材料中证实的最高临界温度，其距离室温的295K已并不遥远。

  值得注意的是，在2018年，已有两个独立研究小组同时发布对压缩氢化镧化合物超导性的理论预测，并指出了其临界温度范围值。这一从“预测”到“验证”的过程表明，人类对超导材料的研究可能进入了一个新阶段——从靠经验规则、直觉或运气发现超导体，向由具体理论预测指导研究过渡。

  誓要向癌症进军的CAR-T疗法，还缺一副铠甲。现在，“抗癌疫苗”可做其铠甲。

  该明星疗法被认为彻底地改变了癌症治疗格局，但却有一定局限——仅能治疗某些类型的白血病。但2019年7月，麻省理工学院科学家们在《科学》杂志上发表了题为“利用疫苗增强CAR-T细胞治疗实体瘤的疗效”的研究。他们开发出新型“抗癌疫苗”，可以让CAR-T细胞对实体肿瘤进行攻击，极大提高CAR-T疗效，最终可清除60%的小鼠体内的实体瘤，此外还能刺激免疫系统产生记忆T细胞，防止肿瘤复发。

  这项开创型的研究，不啻于为千万人带来希望，而对研究者来说，它为对抗实体瘤的攻坚战提供了新思路。

  20870型“罗蒙诺索夫院士”号浮动核电站，是移动式低功率核电机组的首型号，也是世界上最北端的核装置。

  浮动核电站本质上就是一个建在船上的核电站，因其安全性和经济性获得各国广泛持续关注，被认为是最理想的海洋能源开发保障。2019年8月23日，“罗蒙诺索夫院士”号从俄罗斯北极不冻港摩尔曼斯克港启航，2019年9月抵达楚科奇地区的佩斯韦克市，随后连接到电网。

  2019年12月份，浮动核电站开始试运行。等正式运营后，它将能替代当地一座陆上核电站和火力电站的发电产能。这座浮动式核电站在设计时留有了很大的安全余量，两台KLT-40S反应堆能产生高达70兆瓦的电功率，能够完全满足一个10万人口城镇的能源所需。

  “罗蒙诺索夫院士”号启航，标志着俄罗斯在该领域取得实质性突破。现在，俄罗斯国家原子能公司正在研制第二代浮动式核电站，将成为解决北极等特殊地域能源供应的重要选项。

  当量子计算在某些任务上拥有超越所有传统计算机的计算能力，就是“量子霸权”。

  2019年9月，谷歌发表题为《使用可编程超导处理程式的量子优势》的文章，宣布其实现“量子霸权”：一台可编程量子计算机超越了最快的经典超级计算机。该量子系统只用了约200秒，就完成了经典计算机大约需要1万年才能完成的任务——而这里惨败的对手，是目前世界上的排名第一的超级计算机、美国能源部橡树岭国家实验室的“Summit”。

  秒杀经典计算机业界翘楚，这一成就被视为量子计算的重大里程碑事件，“对世界领先的超级计算机实现量子霸权，无疑是一项了不起的成就”。

  但也要看到，从实用的量子计算系统再到通用可编程的量子计算机，其路漫漫。在量子计算机投入实际应用前，还需开展更多工作，譬如，实现可持续的容错运算。

  CRISPR-Cas这把“基因魔剪”的潜力，一直受到难以进行精确修饰的限制。

  近年来，我们正真看到基因组编辑技术取得了重要进展，但是已知的约75000个人类病理性遗传变异体，大部分仍没办法得到有效修正——受到复杂细胞过程的影响，CRISPR-Cas在精度和效率上并不完美。

  但现在，许多研究工作正集中将不完美平衡为一种精确的编辑。2019年10月，美国博德研究所等机构的科学家在《自然》发文称，他们开发出新型多功能基因组编辑技术，可以精确地编辑基因，而不造成DNA双链断裂。其比传统Cas9效率更加高、副产物更少、脱靶率更低。

  这项新技术名为“先导编辑”，原则上，其可以修正约89%的已知与疾病相关的人类遗传变异体。

  基因组编辑的最终目标，就能对生命蓝图做出任何特定的改变。而一种用于基因组编辑的“搜索和替换”方法，使我们朝着这一宏伟目标迈出了一大步。

  人们随口就说“数据暴涨”这个词，但你我只是转手去买块新硬盘，但对技术人员来说，数据量的持续不断的增加、既有存储架构的不足，是恐惧之源。

  传统存储方式难以为继。幸好，我们还有“更传统的”——依靠自然界神奇而精巧的生物存储。有人研究过，DNA信息储存密度为一千万TB/立方厘米。在这种密度下，一个大约一米长的DNA立方体，就能满足目前世界上一年的信息储存需求。而且，它如此稳定。

  2019年12月，哥伦比亚大学著名专家、以色列计算遗传学家亚尼夫·埃尔利赫与苏黎世联邦理工学院报告了一种运用“万物DNA”特别的材料3D打印出来的“兔子”，该材料包含了用以合成DNA编码的兔子蓝图。之后，原始兔子所含的DNA被解码，并稳定复制了五代兔子。这种新的存储架构，意味着DNA存储的潜力又被进一步拓展。

  而2019年稍早时间，美国微软与华盛顿大学也联合公布了全球首个全自动DNA数据存储和检索系统。这是人类首次采用全自动手段去进行DNA存储。全自动的合成和读取，不但有助于推动规模化并减少相关成本，还将是DNA存储技术从实验室走向商业数据中心的关键步骤。