今年，这些关键技术将改变世界（上）

过去的一年，科技发展迎来了一系列值得期待的突破和变革：从空间探索到新材料研发，从制造升级到能源转型，还有通信技术的突破性进展、信息技术的颠覆和疾病治疗的创新......各领域的重大项目与研究进展将塑造新一年的科学版图。

2025年，无疑将成为一个关键节点。我国在这些技术领域的布局和发展备受瞩目。这一年，有哪些关键技术将改变世界？哪些领域又将展开激烈竞争？

库叔邀请了业内资深观察者，聚焦材料、空间、制造、信息、能源、健康六个领域，带你一探究竟。此为上篇，将重点说说未来材料、空间与制造。

文｜严寒、孙晶、吴慧珺

编辑｜王乙雯 瞭望智库

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“未来材料”

有望解决诸多挑战

在科技飞速发展的今天，新材料的研发与应用正在推动各个领域的变革。从石墨烯到超导材料，从超宽禁带半导体到新一代生物医用材料，这些“未来材料”不仅展现出卓越的性能，还有望解决人类面临的诸多挑战。

*石墨烯

石墨烯的独特性质，如大表面积、高导电性、优异的机械强度和柔韧性等，使其在多个领域展现出巨大潜力。作为二维材料的领军者，石墨烯在2024年继续取得突破性进展。

工作人员展示“石墨烯柔性透明键盘”。新华社记者 唐奕 摄

在电子和能源领域，石墨烯可用于开发更快的晶体管和柔性电子设备。复合材料方面，石墨烯能增强航空航天和汽车零部件的强度和轻量化性能，同时它还可以提高太阳能电池的效率。能源存储上，石墨烯基超级电容器可在几秒钟内完成充电，显著提高了能量密度。

在环境保护和生物医药领域，石墨烯基膜在海水淡化和水污染处理中展现出高效性能。其在生物传感、药物递送和组织工程等方面也有广泛应用。例如，基于石墨烯的传感器能以极高灵敏度检测癌细胞对药物的反应，而氧化石墨烯（GO）则被用于靶向药物输送。

2024年10月举行的北京石墨烯论坛（BGF2024）上，诺贝尔物理学奖获得者Konstantin Novoselov教授等多位知名学者做了大会报告，近30家企业展示了最新产品。这不仅展示了石墨烯的前沿技术和产业发展现状，也凸显了中国在石墨烯研究和应用方面的持续投入和重视。

随着研究的深入和技术的进步，石墨烯及其衍生物在各个领域的应用前景愈发广阔，预计将在未来的科技发展中发挥关键作用。

*超导材料

中国科学家在高温超导材料方面取得了显著进展。2024年7月，复旦大学物理学系赵俊团队联合中国科学院物理研究所郭建刚团队和北京高压科学研究中心曾桥石团队，成功合成了三层镍氧化物La₄Ni₃O₁₀高质量单晶样品。这项研究发现La₄Ni₃O₁₀在69GPa压力下，超导临界温度达到30K，且该单晶样品的超导体积分数高达86%，证实了镍氧化物的体超导性质。这一突破为理解高温超导机理提供了新的视角和平台，尤其是在镍基超导体方面。

此外，中国科学院物理研究所靳常青团队在高温超导材料研究方面也取得了显著成果。他们研制发现了液氮温区“三高”超导体Cu-1234，其常压下临界温度达到118K。同时，该团队还发现了铁基超导四大体系之一的“111”体系，并独立实验发现了钙基近室温富氢超导体，连续刷新元素超导最高温度纪录。

这些研究成果展示了中国科学家在高温超导材料领域的重要贡献，为开发更高温度下工作的超导材料提供了新的方向。随着研究的深入和技术的进步，超导材料在未来有望在更多领域发挥重要作用，包括高效能源传输、医疗诊断和交通系统等，为人类社会的发展带来革命性的变革。

市场研究公司Cognitive Market Research的报告显示，全球超导体市场规模在2024年会达到71.246亿美元，预计到2031年将以10.6%的年复合增长率增长到144.2亿美元。中国在超导材料领域也取得了重要突破。而中国超导体行业2024年的市场规模则达到7.374亿美元，预计到2031年将以12.1%的年复合增长率增长到16.4亿美元。这反映了中国在超导材料研究和应用方面发展尤为迅速，超过世界平均速度近2个百分点。

*半导体材料

宽禁带、超宽禁带半导体材料，如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)和氧化镓(Ga₂O₃)，在2024年展现出巨大潜力。

中国在宽禁带半导体材料领域也在积极布局。国家“十四五”规划将第三代半导体列为重点发展领域，提供了强有力的政策支持。国内企业如三安光电和中车时代电气在SiC和GaN材料研发和生产上取得了重要进展。中国科学院半导体研究所的专家指出，中国在Ga₂O₃材料的研究上已达到国际领先水平，有望在未来5年内实现产业化。

宽禁带材料因其卓越的物理性质，成为电动汽车、可再生能源电力转换和航空航天等战略领域的首选材料。例如，在电动汽车领域，特斯拉和比亚迪等领先企业已开始在新车型中大规模采用SiC功率器件，显著提升了车辆性能和续航里程。在可再生能源方面，GaN基逆变器在太阳能发电系统中的应用，使能量转换效率提高了近5个百分点。

超宽禁带半导体材料，如氧化镓(Ga₂O₃)，具有更宽的禁带宽度（约4.8-4.9eV），比SiC和GaN更高的击穿电场强度和更低的理论导通损耗。Ga₂O₃在高压大功率电力电子器件和深紫外光电器件领域展现出独特优势。例如，西安电子科技大学开发的Ga₂O₃基MOSFET器件，其功率优值(PFOM)达到0.74 GW/c㎡，显示出在大功率高效率电力电子方面的巨大应用前景。

随着技术不断进步和应用领域扩大，超宽禁带半导体材料正在重塑多个行业的技术格局，推动能源效率的提升和电子设备的小型化。

*生物医用材料

2024年全球和中国在生物医用材料领域取得了显著进展。全球生物医用材料市场预计在2024-2034年期间以11.8%的年复合增长率增长,到2034年将达到5237亿美元。创新材料如智能水凝胶、生物活性纳米材料和可降解聚合物在组织工程、药物递送和诊断工具等领域得到广泛应用。

中国在这一领域表现突出,2024年8月在成都举行的“2024生物材料科学与工程前沿国际学术论坛”，汇聚来自全球的科研人员、工程师、学者及业界专家，涵盖了基因和药物递送系统、生物仿生材料、生物医学无机非金属材料、生物医学金属材料和生物医学聚合物材料等多个主题，展示了生物医用材料领域的最新研究成果和应用。

9月，在德国纽伦堡举行了第八届中欧生物材料再生医学研讨会，该会议旨在回顾生物材料科学和工程领域的最新趋势和前沿研究进展，包括临床研究和转化方面的进展。这反映了全球科研界对生物医用材料的高度重视。

展望2025年及今后一段时期，未来材料的研究和应用将更加注重跨学科合作和可持续发展。

中国在积极布局未来材料产业。据国信证券经济研究所整理统计，预计到2025年，中国新材料产值有望突破10万亿元。上海自贸试验区临港新片区正在打造全国链最全、创新能力最强、应用生态最好的宽禁带半导体产业基地，计划到2026年实现“双百亿”目标，即设备材料及晶圆制造规模超100亿元、模组器件规模超100亿元。

2025年，中国预计还将保持在石墨烯领域的迅猛发展势头，不仅拥有巨大的潜在市场，还在产业化应用方面取得显著进展。国家石墨烯创新中心（NGIC）目前正在加速建设研发中心、产业服务中心、协同创新基地和国际合作基地，以支持石墨烯领域的创新体系。

在美国，未来材料研究也将迎来新的发展机遇。美国国家科学基金会（NSF）计划在2025年5月启动新一轮的“材料创新平台”（MIP）项目。该项目旨在支持跨学科研究和培训，提供尖端工具，并在国家优先领域分享知识。MIP项目将重点关注合金、非晶和复合材料的研究，这反映了美国在先进材料领域的战略布局。此外，NSF还将继续推进“设计材料以革新和工程化我们的未来”（DMREF）项目，该项目的目标是“以更低的成本，至少以当前两倍的速度部署先进材料”，致力于加速材料从发现到应用的过程，支持人工智能、量子信息科学、先进制造和生物技术等新兴技术领域的基础研究。

欧洲材料研究学会预计在2025年的会议上会延续NanoInnovation2024年会上的议题，专门讨论SiC、GaN和Ga₂O₃材料和技术的最新发展。这表明宽禁带半导体材料在未来电子和能源领域的重要性持续增加。

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“未来空间”探索

进入前所未有的时代

当前，人类对于未来空间的探索和应用正进入一个前所未有的时代。从商业航天到卫星网络，从深海探索到地下空间利用，每一个领域都充满了无限的可能性和挑战。

*商业航天

2024年11月30日22时48分，我国首个商业航天发射场——海南商业航天发射场首次发射取得圆满成功。新华社记者 郭程 摄

商业航天作为航天产业的新兴力量，正在改变全球航天产业的格局。技术创新是商业航天发展的核心驱动力。可重复使用火箭技术的发展将大幅降低发射成本，提高发射效率。同时，新材料、新工艺的应用也将显著提升航天器的性能。此外，人工智能和大数据技术的应用将使航天器更加智能化，提高其在轨运行的可靠性和效率。

随着可复用火箭技术的突破和卫星互联网的快速发展，以太空探索技术公司（以下简称SpaceX）为代表的企业，通过技术创新和成本控制，大大降低了太空探索的门槛，使得太空旅游、卫星发射等曾经遥不可及的活动逐渐走向商业化。随着商业火箭技术的成熟，太空旅游已成为现实。SpaceX的载人龙飞船已经成功将多名私人乘客送入国际空间站，开启了商业太空旅游的新篇章。未来，随着技术的不断进步和成本的进一步降低，太空旅游有望成为一种新的高端旅游方式，为普通人提供前所未有的太空体验。（点击查看此前报道→“打卡太空站、旅居外星球……离你不远了！”）

近年来，中国在商业航天领域取得了显著进展。2024年，商业航天作为新增长引擎之一，首次被写入政府工作报告，标志着中国商业航天产业站在了新的起跑线上。

中国企业在技术与市场两端快速追赶。长征十号运载火箭、梦舟载人飞船、揽月月面着陆器、登月服等主要飞行产品均已完成方案研制工作，正在全面开展初样产品生产和各项试验。商业航天的发展还辐射带动了诸多相关产业技术进步，据统计，当前已有4000余项空间应用成果进入生物、医疗等行业。（点击查看此前报道→“中国的货运航天飞机来了！”）

*卫星网络

卫星网络作为一种新型通信方式，正在逐步改变全球通信格局。通过发射数百颗乃至上千颗小型卫星，在低轨组成卫星星座，实现太空互联网。这种通信方式具有广覆盖、低延时、宽带化和低成本的特点，为解决地球“无互联网”人口数字鸿沟问题提供了重要手段。

卫星网络的建设面临诸多技术挑战，包括卫星制造、发射、轨道部署以及地面站建设等。然而，随着技术的不断进步和创新，这些挑战正在被逐一克服。例如，可复用火箭技术的应用大大降低了卫星发射成本，使得大规模星座部署成为可能。

卫星网络在商业领域的应用前景广阔。它不仅可以为偏远地区提供互联网接入服务，还可以为航空、航海、应急通信等领域提供稳定的通信保障。此外，随着物联网技术的快速发展，卫星网络还将成为连接万物的重要基础设施。

2024年8月6日14时42分，我国在太原卫星发射中心使用长征六号改运载火箭，成功将千帆极轨01组卫星发射升空，卫星顺利进入预定轨道。新华社发（郑斌 摄）

中国在卫星网络领域的发展也取得了显著进展。例如，我国在太原卫星发射中心以“一箭18星”方式，成功将千帆极轨03组卫星的18颗低轨卫星送入预定轨道，未来这些卫星将组成“千帆星座”，为更多人提供互联网服务。此外，中国还启动了多个卫星星座计划，如航天科技的“鸿雁”星座、航天科工的“虹云工程”等，旨在构建一个覆盖全球的低轨卫星互联网。（点击查看此前报道→“必争之地！美俄英德等都发布了计划，中国迈出重要一步”）

*深海探索

深海作为地球上最后的未知领域之一，蕴藏着丰富的生物资源和矿产资源。随着深海探测技术的不断进步，人类对深海的探索正进入一个全新的阶段。

深海探测面临极端的水压、复杂的地形和环境以及通信困难等挑战，但未来的材料科学可能开发出更轻便、更强韧且能够承受极端深海压力的新材料。自主无人潜水器（AUV）和遥控无人潜水器（ROV）的技术将继续进步，这些设备将配备更先进的导航系统和人工智能，能够在极少甚至无需人类直接控制的情况下进行复杂的深海探索任务。同时，随着通信技术的发展，未来的深海探索设备将能够实时传输大量的数据回到地面研究中心，大大提高研究效率和安全性。

中国在深海探索方面也取得了举世瞩目的成就。“蛟龙号”“深海勇士号”和“奋斗者号”等载人深潜器不断刷新下潜纪录，为深海科学研究提供了重要支持。

深海探测不仅有助于揭示地球的历史和演化过程，还为人类提供了丰富的生物和矿产资源。例如，深海热液喷口附近生活着独特的生物群落，这些生物对极端环境的适应能力为生命科学研究提供了新的启示。此外，深海还蕴藏着丰富的矿产资源，如多金属结核、富钴结壳和热液硫化物等，这些资源的开发将为人类社会的可持续发展提供新的动力。

*地下空间

随着人口的增长和城市化进程的加快，地面空间变得日益紧张，地下空间的开发利用成为缓解城市压力的重要途径。通过建设地下交通、商业设施、储水系统等设施，可以有效提高城市的空间利用率和承载能力，不仅能在战时保护人民生命财产安全，还能在平时融入城市生活，为城市发展提供有力保障。

国际隧道与地下空间协会主席严金秀认为，城市地下空间是解决许多城市问题的有效途径，是未来的发展方向。目前，国际上地下空间利用率大约为30%，而中国只有17%。

深地开发方面，中国已将其列入国家科技重大专项，力争到2035年深地钻达15000米，油气开采到10000米，地热开发到6000米，固态资源开采到3000米，地下空间工程到1000米。

地下空间的开发利用面临诸多技术挑战，如地质条件复杂、施工难度大、通风照明等问题。然而，通过采用先进的勘探技术、施工技术和智能化管理系统等手段，这些挑战正在被逐步克服。例如，利用三维激光扫描技术进行地质勘探可以精确掌握地下空间的结构和分布；采用智能化管理系统则可以实现地下空间的高效利用和管理。

目前，全球范围内已有多个城市在地下空间开发利用方面取得了显著成效。例如，东京、巴黎等城市通过建设发达的地下交通网络有效缓解了地面交通压力；新加坡则通过建设地下储水系统提高了城市的水资源利用效率。未来，随着技术的不断进步和创新，地下空间的开发利用将更加广泛和深入。

总体来看，对未来空间的多维探索与应用展望展示了人类在太空、深海和地下空间等领域的无限可能性和巨大潜力。我们也应关注这些领域发展带来的挑战和问题，加强国际合作与交流，共同推动未来空间的和平利用与可持续发展。

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“未来制造”

蕴含着变革的先锋力

制造业是塑造世界面貌的基础。未来世界将呈现出怎样的模样，取决于未来制造业力量的走向与发展。未来制造是制造业发展的前沿领域,它涵盖了智能制造、生物制造、纳米制造、激光制造等多个关键技术领域，正在深刻改变着传统制造业的样貌，蕴含着变革的先锋力。

*智能制造

智能制造是未来制造的重要组成部分,它通过将新一代信息技术与先进制造技术深度融合,实现制造过程的智能化。根据工业和信息化部的定义,智能制造贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节,具有自感知、自决策、自执行、自适应、自学习等特征。

2024年10月30日，工作人员在海油工程天津智能制造基地制管作业车间调试数控切板机。新华社记者 赵子硕 摄

在全球范围内,智能制造正在推动制造业的数字化转型。研究显示,随着人工智能、大数据、物联网等技术的不断成熟,智能制造已成为制造业发展的重要方向。通过引入智能设备和系统,企业可以实现生产过程的自动化、智能化和数字化,从而提高生产效率和产品质量。

中国高度重视智能制造的发展。据工业和信息化部数据，中国智能制造产值规模由2017年的1.27万亿元增长至2023年的3.2万亿元以上，年复合增长率超过16%。同时，中国已累计培育421家国家级智能制造示范工厂，建成万余家省级智能工厂。新经济学家智库研究员齐栋梁指出，智能制造是制造业数字化转型的核心,它不仅能提高生产效率,还能实现个性化定制生产,满足消费者日益多样化的需求。未来,随着5G、人工智能等技术的进一步成熟,智能制造将迎来更大的发展空间。

*生物制造

生物制造是一种利用生物组织或生物体进行物质加工,生产各种人类所需产品的先进物质转化工业模式。与传统制造相比,生物制造使用的生产材料基本上是可持续再生的原料,生产的产品也可降解、可回收，使生产过程更加绿色低碳。

全球范围内，生物制造受到越来越多的关注。美国政府于2022年9月签署了推动生物技术和生物制造的行政命令，并在2023年3月发布了具体发展目标。欧盟委员会也于2024年3月提出了一系列针对性行动，以促进欧盟的生物技术和生物制造发展，其中包括简化法规、建立生物技术中心、促进公私投资等措施。这些举措和市场趋势表明，生物制造在医药、材料、能源等多个领域的革命性潜力已得到广泛认可，各国正通过政策支持和资金投入来推动这一领域的发展。

中国也高度重视生物制造产业发展。2024年政府工作报告着重提出“积极打造生物制造新增长引擎”，并将其列为发展新质生产力的重要方向之一。它不仅能够减少对化石能源的依赖,还能显著降低环境污染。随着合成生物学等技术的进步,生物制造的应用领域将不断扩大,有望在材料、能源特别是医药等多领域带来革命性变革。

*纳米制造

纳米制造是在纳米尺度上进行的制造活动,它能够在分子甚至原子层面上操控物质,实现超精密加工和制造。纳米制造技术的发展使制造对象由宏观进入到介观和微观,不仅可以大大拓宽制造技术的尺度范围、大幅度提升制造的精度和质量,还可以发展基于物理、化学等基础科学研究成果和信息技术进步的新制造理论、方法和工艺。

国际上，纳米技术正受到越来越多的关注和投资。美国国家科学基金会将纳米制造列为重点资助领域，2024年6月宣布拨款2000万美元支持一个纳米尺度的制造设施，旨在加快原子光子量子设备的联合设计与开发，提升美国在全球量子科学与工程领域的领导地位。欧盟的“地平线欧洲”计划也将纳米技术作为关键支持方向之一。

中商产业研究院发布的《2022-2027年中国纳米新材料行业市场发展分析与前景趋势研究报告》显示，2022年中国纳米材料市场规模达2031亿元，同比增长9.89%。2024年的市场规模将达2490亿元。未来,随着纳米制造技术的进步,我们有望实现原子级精度的制造,这将为新一代电子器件、高性能材料的研发带来革命性突破。

*激光制造

激光制造是利用激光技术进行材料加工和制造的先进制造方法。它具有易于操作、非接触、高柔性、高效率和节能环保等突出优点,是切割、焊接、表面处理、高性能复杂构件制造和精密制造的主流手段。

在全球范围内,激光制造技术正在快速发展。研究显示，激光制造在汽车、航空航天、电子等多个领域展现出巨大潜力。例如,在汽车制造领域,激光焊接技术已经广泛应用于车身制造;在半导体制造领域,激光技术对于确保半导体芯片的性能起着十分重要的作用。

中国激光设备市场总体稳中向好，2023年我国激光设备市场销售收入达到910亿元，同比增长5.6%。据前瞻产业研究院预测，中国激光产业正处于成长期，预计2024-2029年，我国激光产业市场规模将以20%左右的年均增速增长，到2029年产业规模或超7500亿元。

未来，工业互联网、人工智能和5G等新兴技术将更深地融入制造过程，推动生产效率大幅提升。绿色制造将成为主流，可再生能源在最终能源消费中的占比预计在2030年将达到20%。柔性制造和大规模个性化定制将重塑生产模式，使制造业更好地适应多变的市场需求。

中国将坚持以创新为第一动力，以智能制造为主攻方向，推进制造业数字化转型，智能化升级。从现在到2035年，是中国制造业实现由大到强的关键时期，也是制造业发展质量变革、效率变革、动力变革的关键时期。中国工程院院士周济表示，从现在到2035年，我国的智能制造发展总体将分成两个阶段来实现。第一阶段是数字化转型，深入推进“制造业数字化转型重大行动”。到2030年，规上企业基本实现数字化转型，数字化制造在全国工业企业基本普及;同时，新一代智能制造技术的科研和攻关取得突破性进展，试点和示范取得显著成效。第二阶段是智能化升级，从2028年开始，深入推进“制造业智能化升级重大行动”。到2035年，规上企业基本实现智能化升级，数字化网络化智能化制造在全国工业企业基本普及，中国制造业智能升级走在世界前列。

未来制造正在重塑全球制造业格局，为制造业的转型升级提供了新的方向。各国正在加快布局未来制造，通过技术创新、政策引导和产业培育，推动制造业向更高质量、更有效率、更加公平、更可持续的方向发展。在这个过程中，我们既要抓住机遇,又要直面挑战，努力在未来制造的全球竞争中占据有利地位。

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