“青年科学家50²论坛”发布“十大科学技术问题”

2021-08-02

来源:科学探索奖

2021年8月1日,首届“青年科学家50²论坛”发布“十大科学技术问题”。 “十大科学技术问题”由“科学探索奖”的100位获奖人提出,并投票产生,体现中国最杰出青年科学家们最前沿的科学探索和他们对未来科学技术趋势的判断。

十大科学技术问题

一。人类的意识,以及学习和记忆的生物基础从何而来?

解读人:李毓龙(北京大学生命科学学院教授,2019年“科学探索奖”生命科学领域获奖人)

第二次工业革命之前,研究意识为何物一直是哲学家的“特权”;近一百年来,技术革命推动生命科学的蓬勃发展,生物学家也开始参与到这个问题的解答当中。目前研究表明,意识的产生以及学习记忆能力的发展主要依赖于我们的大脑。人类大脑中有数百亿的神经元,神经元之间会形成复杂的网络连接:神经网络以电信号形式编码客观世界——形成意识;反过来客观世界又能够重塑网络的连接方式——发生学习和记忆。基于电学、光学或化学等单一学科的技术路径已经不足以解析大脑这一复杂系统的结构和功能。想要进一步理解大脑的工作原理,人类需要在技能树上点亮一系列学科深度交叉的新技术:包括神经网络空间结构解析技术、大规模神经活动记录和分析技术,以及精准的神经操控技术。第四次工业革命产生的新技术将推动人类对脑科学的认知更上一步台阶,自然科学与哲学将更快在“山顶”相会。

二。人脑和机器是否能实现直接通讯?

解读人:杨玉超(北京大学人工智能研究院研究员、2019年“科学探索奖”信息电子领域获奖人)

根据世界卫生组织报告,截止目前全球残疾人数量已超过10亿,仅中国就有超过8500万,这样一个庞大群体的生存质量亟待改善。对于具有肢体残疾和感知障碍的人群来说,实现人脑和机器的直接通讯可以部分甚至完全恢复其运动和感知功能,极大地便利其生活,是一个关系亿万人福祉、具有重要现实意义的问题。脑机接口技术是实现人脑和机器直接通信的桥梁,通过脑机接口可以直接提取神经信号,完成对人的行为意向的分析,并借助光、电、磁、声等调控技术反向干预人脑行为,主要依靠包括高通量多位点脑信息获取、在线神经信号解码、脑机融合智能设备、脑干预技术等关键技术来实现。当前脑机接口技术已经实现高速意念打字、人脑控制机械手快速抓取等任务,但离人脑和机器直接通讯还有相当大的距离。精准、小型化、高度集成化、生物兼容性强的脑机接口是未来的发展方向,以实现脑机深度融合,达到高精度的行为意向抽取及神经行为干预,并进一步与类脑计算、人工智能等技术结合实现脑机混合智能。

三。通用人工智能是否能实现?

解读人:山世光(中国科学院计算技术研究所研究员、2019年“科学探索奖”信息电子领域获奖人)

人类一直以万物之灵自居,但计算机诞生后,人类的基础计算能力和机械记忆能力却被机器碾压式超越。65年前,人工智能(AI)作为一门学科诞生,其先驱们曾经乐观地相信不用20年即可实现人类水平的智能,现实却是残酷的,AI科学家们越来越清晰地认识到实现通用人工智能(AGI)是一项巨大的科学挑战,人工智能研究的两次“寒冬”让更多的研究者彻底失去了实现AGI的信心。但最近十年来,深度学习的复兴,特别是最近BERT/GPT-3等具备超强语言能力的预训练大模型的诞生,再次燃起了AI专家心中的理想火焰。实现AGI的核心是赋予算法机器类人的、求解新问题的能力,其挑战在于:机器如何更高效的获取经验数据并从中学习,实现“举一反三”、小样本归纳并演绎、“吃一堑长一智”乃至“无师自通”等能力?机器如何高效获取、紧凑表示和充分利用人类知识(特别是常识)?如何实现机器学习所得“机器知识”与“人类知识”的融会贯通和相互转换?求解之路仍然迷雾重重,甚至连初见端倪的预训练大模型是否是正确的起点亦不得而知,AI科学家们只能在迷雾中上下求索。

四。如何延缓衰老,促进机体修复,提高人类寿命?

解读人:刘颖(北京大学未来技术学院教授 、2019年“科学探索奖”生命科学领域获奖人)

随着人口老龄化的加剧,衰老及相关疾病正在带来巨大的社会和经济负担,大力推进衰老领域的研究刻不容缓。1939年,研究人员发现限制热量摄入可延长大鼠的寿命,首次证明衰老可以被人为干预。1988年,利用秀丽隐杆线虫进行的遗传学研究实现了另一突破。研究人员发现一个名为age-1的基因的突变可以将线虫的寿命增加40-60%,证明了对单一基因的干预就能影响和决定生物体的寿命,这些让人们确信能找到决定衰老速度和寿命长短的“法宝”。随后,秀丽隐杆线虫和酿酒酵母的遗传学研究揭示了更多影响寿命的关键基因,囊括了当今衰老领域内的“明星通路”:胰岛素样信号途径,雷帕霉素受体蛋白,Sirtuin和NAD+,线粒体与氧化应激,端粒功能和蛋白质稳态等,当今大多数正在进行临床实验的衰老相关药物也与这些关键基因相关。未来我们需要更多的工作来整合多条衰老相关遗传通路,以加深对衰老生物学基础的理解。除此之外,在尊重生物伦理的基础上,要推进直接靶向衰老通路的临床试验。这些方向的研究有望使我们延缓甚至逆转衰老。

五。如何实现量子计算实用化?

解读人:陆朝阳(中国科技大学量子物理与量子信息研究部教授、2019年“科学探索奖”前沿交叉领域获奖人)

在数据暴增的时代,如何满足人类对算力贪得无厌的需求?通过对单原子、单光子等微观粒子进行精确的人工操纵,量子力学原理提供了一种全新的方式对信息进行编码、存储、传输和调制,在增大信息传输容量、提高运算速度和确保信息安全等方面能够突破经典信息技术的瓶颈。量子计算是目前人类唯一被严格证明具有解决经典计算机无法求解的问题的潜力的新方法。然而,真正的应用还有诸多挑战,其中之一就是如何把真实重大应用映射到量子计算系统中。量子模拟和计算的能力随可操纵的量子比特数呈指数增长,因此如何有效扩展量子比特的规模和高保真的逻辑操作是核心任务。由于量子比特不可避免地会受到环境噪声的影响而出错,要最终实现可编程的通用量子计算机,通过量子纠错来保证整个系统的正确运行是必然要求,也是较长时期内面临的主要挑战。在量子比特系统的逻辑操纵精度到达可容错量子计算的要求之前,作为阶段性应用,可以构建针对特定问题的专用量子模拟机,则有望揭示凝聚态物理中若干复杂体系的机制。此外,量子模拟和计算面临的一个重大理论问题是,由于量子计算和模拟解决的是经典计算机无法解决的计算难题,如何验证计算或模拟结果的正确性?

六。清洁能源、环境保护、气候变化的协同机制如何建立?

解读人:王书肖(清华大学环境学院教授、2019年“科学探索奖”能源环保领域获奖人)

当前世界面临能源资源匮乏、全球气候变化、生态环境恶化等一系列重大挑战,原因之一就是人类对化石能源的大量消耗和严重依赖。目前全球化石能源占一次能源消费比重超过80%。化石能源燃烧产生的二氧化碳占温室气体总排放的70%以上,是造成全球气候变化的主要原因;同时,化石能源生产和使用过程产生大量的二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、挥发性有机物、颗粒物等大气污染物,导致大气环境恶化,每年造成全球数百万例早逝。探索能源环境气候协同治理机制,提出气候友好的清洁能源和环境保护协同路径,对于实现全球可持续发展目标具有重要意义。构建能源、环境和气候变化三者协同的机制,需要围绕清洁能源技术、节能提效减污降碳技术、能源环境系统集成耦合与优化技术、气候治理与环境污染协同应对路径、零碳/负碳能源技术及系统的综合评价、促进能源转型的碳市场机制等开展研究。其中,可再生能源发电、储能技术、多污染物协同减排技术、能源环境综合评估模型、碳市场机制等最有可能取得突破。

七。 暗能量和暗物质的本质是什么?

解读人:施勇(南京大学天文与空间科学学院教授、2019年“科学探索奖”天文和地学领域获奖人)

量子力学和广义相对论是20世纪物理学两大辉煌的成就,奠定了现代科技的基础。暗能量和暗物质的出现却直接证明了当前的粒子理论和引力理论是不正确的或者不全面的,我们赖以发展科技的“基础”,还存在被优化的空间。暗能量是指未知的“斥力”来加速宇宙的膨胀,暗物质是指未知的物质来产生额外的引力,按照目前的观测推算,这两者分别约占宇宙总能量的70%和25%,而由质子、中子和电子组成的正常物质只占5%。未来,地面和空间的各类大型科学基础设施将通过多种手段来探索暗能量和暗物质。暗能量方面,将探究其能量密度是否随时间变化,以及是否随宇宙空间变化等现象;暗物质方面,将通过其湮灭或衰变现象、与正常物质的碰撞现象、以及其在宇宙空间的密度分布等方法来探索其本质。多种探测手段的结合和互补是我们真正理解暗物质和暗能量的关键。

八。人类如何在地外行星(如火星)上居住一年以上?

解读人:魏勇(中国科学院地球与行星物理重点实验室主任、2020年“科学探索奖”天文和地学领域获奖人)

走出地球是人类永恒的梦想,深空探测是科技竞争的制高点。美国和中国掌握了火星软着陆技术,承载着人类登陆火星的梦想,将赋予人类进化和人与自然关系新内涵。人类火星往返包括一年的太空旅行和一年半的火星生活。火星往返提出三大挑战:地火往返技术、生命保障系统、生理心理干预。太空旅行拥有载人登月的宝贵经验做基础,火星生活则是一个从零开始的全新工程。实现宇航员在火星居住一年以上,是对人类航天、能源、通信、电子、医学、生物科技等各方面科技水平的全面检验,由此产生的新的理论突破和发明创造将显著改变人们的生活方式,甚至引发新一轮历史性的科技革命。该项目的规模和复杂程度为人类历史之最,对管理学等社会科学的发展同样会产生深远影响。国际合作是实现这一目标的最优方式,世界科技合作与竞争也有可能围绕这一问题,产生新局面和新态势。

九。 如何“求教”大自然,开发高度集成、智能、可修复的仿生系统?

解读人:王钻开(香港城市大学机械工程系讲座教授,工学院副院长、2020年“科学探索奖”先进制造领域获奖人)

科技迅猛发展使得人类入太空潜深海,似乎“无所不能”。但一个最基本的科学事实却是,即便神舟十二号上精巧的“天和”机械臂,其系统的集成度、智能化、以及自我修复功能也远远低于生物系统。在集成度方面,生物体系可以利用简单有限的生物材料,高效制备和自组装形成复杂的生物个体,科学家虽然能制造复杂的化学和物理单元,然而让这些单元自发装配成为复杂高度集成的个体结构,仍是梦想;在智能化方面,生物体系可以融合个体感知、思考和控制反馈,衍生出群体沟通、竞争和合作,相比而言,仿生智能软硬件却只能实现其中的“冰山一角”;在修复方面,小到壁虎断尾再生,大到生态系统的有机统一、低能耗和动态平衡,生物体系拥有非凡的修复本领,仿生系统的可修复探索还仅仅停留在分子层面的自愈合。仿生系统的构建,涉及到方方面面:从材料、制造到组装,从单元、个体到集群。从理解自然界材料合成、组装及演变的共性机理,为仿生体系研发提供理论支撑;到构建仿生智能表界面,有效调控仿生系统与外界环境的交互;再到开发规模化绿色制造技术,构建跨尺度、多功能协同的仿生系统;乃至发展高度集成的智能类生命体,人类将一步步向大自然“求教取经”。

十。太阳能发电的规模化高效应用如何突破?

解读人:周欢萍(北京大学材料科学与工程系特聘研究员、2019年“科学探索奖”能源环保领域获奖人)

地球上一切能源来自于太阳能,地球每年消耗的全部能量,仅相当于太阳“给予”地球能量的一万分之一,太阳能利用还大有可为。有效利用太阳能既能逐步满足人类的能源需求,作为最重要的清洁能源之一,太阳能的高效利用也有助于减少环境污染和应对气候变化。光伏技术是实现太阳能直接向电能转化的最有效途径,是解决人类能源危机、环境污染的重要手段。如何通过技术手段使太阳能发电规模化高效利用,也就因此成为重大科学问题。针对太阳能发电的规模化高效应用,目前科学家主要围绕材料体系、制备工艺,器件结构及工作原理展开工作。从目前的研究来看,在光-电转换基本过程与新原理;高效、稳定光电转换材料的理性设计;低成本、高通量的可控制备方法;光电材料与器件中的结构和表界面设计与调控等方向上,最有可能获得突破。

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