科技中国杂志

影响智能社会的16项颠覆性技术

来源:《科技中国》2018年第二期p6-10

日期:2018-02-07

文/姜念云(北京科学学研究中心)

       颠覆性技术一般是指某一类具有替代或部分替代原有技术(产品、系统或服务)的新技术(产品)。本文介绍了结合当前世界科技发展前沿,面向未来智能社会重点领域,由相关科技领域专家研判提出的16项颠覆性技术,对于了解未来技术变革趋势具有参考作用。
一、关于颠覆性技术
       颠覆性技术(产品、创新)这一概念,最早是由美国哈佛商学院教授克莱顿·克里斯滕森(Clay Christensen)在其所著的《创新者的窘境》(Innovator’s Dilemma)一书中提出的。由于对于企业或产业来讲,所谓颠覆性技术,往往是某一类具有替代原有产品、系统或服务的新产品,因此,更多的被称为颠覆性创新,并可以分为两类:一是能够开辟一片新市场的颠覆性产品,称为新市场颠覆(new-market disruption);二是能给现有产品提供一个更简单、低价或更方便的替代品,称为低端颠覆性(low-end disruption)。
       由于颠覆性技术(产品、创新)往往直接关系到相关产业的升级和可持续发展,对于国家和产业竞争力的形成和保持具有重要意义,因此,及时跟踪世界科技创新的发展前沿,捕捉颠覆性技术发生、发展的苗头和趋势,努力在其还未形成燎原之势之时,把握先机,及时部署,占领技术及其产业应用的至高点,不但直接关系到相关高新技术产业的升级和可持续发展,对于国家、产业竞争力的形成和保持也具有重要意义。
二、国外对颠覆性技术的研判
       基于颠覆性技术和创新的重要意义,目前产业界、投资界以及一些关注高新技术产业发展的媒体、学者,分别根据其各自的观察和经验,对于颠覆性技术或创新提出过各种研判结论。
       2013年5月,麦肯锡全球研究所(McKinsey Global Institute)从对未来经济影响程度的角度,对当前正在飞速发展,且对经济具有广泛影响的技术(相对成熟且影响行业超过2个)进行了研究,提出了《2025年前可能改变生活、企业与全球经济的12项颠覆性技术》,即:移动互联网、知识工作自动化、物联网、云、先进机器人、自动汽车、下一代基因组、储能技术、3D打印、先进材料、先进油气勘探开采、可再生能源——太阳能与风能等,涉及信息、材料、能源、制造、交通、健康与生活多个领域,并估算,到2025年这些技术对全球经济的直接影响将达14~33万亿美元。
三、影响智能社会发展的16项颠覆性技术
       综合分析颠覆性技术的概念、特点,结合科技支撑应用领域发展的一般规律,可以提出影响智能社会发展的颠覆性技术的判别标准:一是具备在功能或性能方面具有显著提升、变革或替代性;二是能够直接或间接为智能社会人类生产、生活某方面或特定领域(包括生活与生产方式、思维与商业模式、社会秩序与规则等)带来革命性变化或扩展;三是配套技术齐全,具有可实现的应用前景或广泛影响的某单项或集成技术或产品(包括系统、服务等)。
       根据以上标准,科技部高技术中心通过组织相关科技领域专家,分别从信息、材料、能源、制造、交通、服务等6个领域,结合其当前世界发展前沿热点,面向信息、智能材料、智能能源、智能制造和智能生活等重点领域未来发展需求,研判提出了包括大数据技术、语音智能技术、类脑计算等在内的16项可能的颠覆性技术。
       1. 大数据技术
       大数据技术泛指无法在可容忍的时间内,用传统IT技术和软硬件工具,对其进行感知、获取、管理、处理和服务的巨量数据集合,具有数据规模大、来源丰富、类型复杂、变化迅速等诸多特征。
       大数据提供了人类认识复杂系统的新思维、新手段。基于大数据,可触摸、理解和不断逼近复杂系统;大数据已经成为人类认识和改造世界的第四范式。
       预计产生颠覆作用时间:5~10年
       2.语音智能技术
       语音智能技术是能够使机器具备感知能力,像人一样“能听会说”并进而“能理解会思考”的技术。主要包括语音合成(让机器开口说话)、语音识别(让机器听懂人说话)、自然语言理解(让机器理解人的意图)等核心技术。
       语音智能技术可释放人力双手,颠覆传统的键盘、鼠标、触屏等接触式输入方式,让信息系统及终端的人机交互、人人交互更加简单、便捷,有效推动社会向信息化、智能化发展,对于移动互联网、汽车电子、智能家电、智能客服、教育培训、医疗卫生等众多行业具有影响带动作用,可以创造巨大的经济价值。
       预计产生颠覆作用时间:5~10年
       3.类脑计算
       类脑计算是借鉴人脑信息处理方式,是可实时处理非结构化信息,具有自学习能力、超低功耗等特性的计算方法、器件与系统。
       通过类脑计算研究,可实现低能耗、高性能的计算系统,更能提升计算机的认知能力,有望实现人工智能。
       预计产生颠覆作用时间:8~10年
       4.量子通信
       量子通信是利用量子效应进行信息传递的一种新型通信方式。量子通信研究是量子论和信息论相结合的交叉学科,主要涉及量子密码分发、量子隐形传态和量子计算机等内容(其实量子通信是一个比较广泛的概念,现在还没有一个严格而公认的定义)。
       量子通信具有传输高效和绝对安全等特点,在国防、军事和日常生活中都有重要应用。同时,对物理、信息、材料等许多学科的发展也会产生重大而广泛的影响。预计到2030年左右,量子通信技术将成为生活和生产中最重要的颠覆性技术之一。
       预计产生颠覆作用时间:15年
       5.超材料
       超材料是一种人工复合材料或结构,通过对材料关键物理尺寸上进行有序结构设计,使其获得常规材料所不具备的超常物理性质。
       超材料对于提升传统材料的性能,突破稀缺资源瓶颈,实现传统材料产业的技术升级和结构调整具有显著作用,可产生具有重大军用、民用价值的新技术、新材料,促进甚至引领新兴产业发展。
       预计产生颠覆作用时间:3~5年
       6.石墨烯
       石墨烯是紧密堆积成二维六方蜂窝状晶格结构的单层碳原子,是目前已知的最薄材料,蕴含了丰富而新奇的物理现象。
       石墨烯在新型反应分离、新材料(化工、结构、功能等)、节能环保、海洋工程、新能源、航天、军工、新一代显示器等多个传统和新兴战略性产业领域,都具有大规模应用的前景。
       预计产生颠覆作用时间:10~20年
       7.材料基因组工程
       材料基因组工程是融合材料学、物理学、化学及计算机技术交叉发展的一个新兴研究领域。其借用生物基因组的理念,系统研究材料的成分、相结构和显微组织等基本属性,及其组合规律和比例与性能之间的定量关系,通过融合高通量理论计算、高通量实验、专用数据库等三大技术,实现新材料研发理念和模式变革。
       材料基因组工程可实现新材料研发由“经验指导实验”的传统模式,向“理论预测、实验验证”的新模式转变,加速新材料发现,缩短新材料研发周期,降低研发成本。最终达到新材料研发周期缩短一半(从目前的10~20年缩短到5~10年),研发成本降低一半的目的,大幅度提升新材料研发能力和应用水平,支撑先进制造和高新技术发展。
       预计产生颠覆作用时间:5~10年
       8.碳化硅电力电子器件
       指基于第三代半导体材料碳化硅(SiC)的一种宽禁带电力电子器件。具有击穿电场强度高、热稳定性好、载流子饱和漂移速度高、热导率高等特点;可用来制造各种耐高温的高频、高效大功率器件,应用于硅器件难以胜任的场合。
       能源高效变换系统的发展和进步对耐高压、高温的大容量、高频功率半导体器件的需求持续增长。碳化硅半导体正在凭借其优良的性能逐步取代硅半导体,打破硅基电力电子器件由于材料本身性能所遇到的瓶颈,在能源转换领域开辟全新的应用市场,并对现代工业发挥重要革新作用,应用前景和市场潜力十分巨大。
       预计产生颠覆作用时间:5年
       9.无线电力传输技术
       无线电力传输(Wireless Power Transmission,WPT)是指通过无线的方式来实现电力从能量源传输到负载的一种电力传输技术。
       无线电力传输所具有的独特技术优势,为新型产品的开发应用带来了更为广阔的空间,更适应智能社会的发展需求。
       预计产生颠覆作用时间:5年
       10.云制造
       云制造是一种基于网络的、面向服务的智能制造模式。可实现制造资源的广域集成和优化,以及低成本定制化制造。
       云制造技术有利于充分利用制造资源,提高制造能力和效率。目前已应用于航空航天、装备制造、汽车制造、模具加工、数控机床等行业的大型企业集团和中小企业。
       预计产生颠覆作用时间:10年
       11.3D打印
       3D打印技术是指基于离散材料逐层堆积的成形原理,依据产品三维CAD(Computer Aided Design)模型,通过软件与数控系统将特制材料逐层堆积固化,制造出实体产品的数字化制造技术。
       3D打印技术的应用,可以使零件的加工从快速原型、工艺辅助等环节构成的间接制造,向从设计到加工的直接制造转变。3D打印技术与生物学科、信息学科、材料学科交叉融合,形成了新的更为广阔的发展空间。
       预计产生颠覆作用时间:10年
       12.智能机器人
       智能机器人是具有感知、思维和行动能力的机器人,可获取、处理和识别多种信息,自主完成较为复杂的操作任务。机器人按应用领域可分为工业机器人、服务机器人和特种机器人。
       智能机器人技术是一个交叉的学科,在计算机技术和人工智能科学发展的基础上产生,作为新一代生产和服务的技术,在制造和非制造领域都具有广泛、重要的应用。
       预计产生颠覆作用时间:10年
       13.车联网
       车联网是以车内网、车际网和车载移动互联网为基础,按照约定的通信协议和数据交互标准,在车-车、车辆与互联网之间,进行无线通讯和信息交换,以实现智能交通管理控制、车辆智能化控制和智能动态信息服务的一体化网络,它是物联网技术在智能交通系统领域的延伸。
       车联网是以移动互联网为代表的现代信息技术与现代汽车的深度融合,可大大拓展汽车感知、交互和控制能力,实现人车及后台服务平台多维协同,汽车整车、零部件企业、智能交通与现代服务业广泛的融合。
       预计产生颠覆作用时间:10年
       14.自动驾驶
       自动驾驶是指在传统汽车的基础上,增加先进的传感器(雷达、摄像等)、控制器、执行器等装置,通过车载传感系统,使车辆具备智能的环境感知能力,能够自动地分析汽车行驶的安全及危险状态,从而实现在不需要人参与的情况下,自行到达目的地的要求。
       自动驾驶技术在大幅提升人们驾车出行的便利度和安全性的同时,可通过系统集成,将零部件企业从供应商升级为合作伙伴,产业链从自上而下的设计链转化为合作共享的生态网。
       预计产生颠覆作用时间:5年
       15.万物互联技术
       万物互联技术是指将人、流程、数据和事物结合一起,从而使所有东西获得语境感知,获得更强的信息感应和处理能力,使网络连接变得更加相关、更有价值的互联网技术。
       万物互联技术的应用,将极大地扩展和提升人类的生存维度和体验,并有望使人类具备对未来环境中出现的巨大挑战做出指数级响应的能力。
       预计产生颠覆作用时间:10~15年
       16.个性化的智能服务
       个性化的智能服务技术是指利用新技术将Internet上所有的API调用、服务集成都挪到后台,让用户像“编程”一样,可视化地拖动设定条件,以极简的方式为整个互联网“编程”,让整个互联网成为每个人的自动服务机器。是在计算机联网、终端联网、实物联网基础上,进一步建立起的服务联网技术。
       个性化的智能服务是一种按需服务的模式,可智能服务人们的日常生活、工作、娱乐等;还能够根据人们的个性化需求,综合方方面面的资源与条件,提出若干可被选择的方案。一方面为用户提供多、快、好、省的智能服务,另一方面也为服务的运营者带来更高的经济和社会效益。
       预计产生颠覆作用时间:10~15年
四、颠覆性技术对智能社会重点领域的影响作用与路径
       进一步分析可以看出,相关颠覆性技术对于智能社会重点领域发展可能产生的影响作用:
       1. 信息领域:以计算和传播能力为基础的变革
       智能语音、大数据等基础技术的进步与应用,有望使信息的获取与处理能力产生革命性的提升与扩展;而更为安全可信的通信技术和准确高效的智能技术的发展,又为基于先进信息技术平台的各类智能生产与生活技术、产品的创新与升级发展提供了可能。从而,使一系列具有智能、高效、实时、泛在、个性化特点的智能生产与生活形式逐渐出现,并带动了智能社会的形成与发展。
       2. 智能材料领域:源于设计制备能力的多方发展
       信息处理技术和新材料设计制备技术的提升,使得支撑智能社会应用的关键智能材料、电子信息材料、智能制造材料,以及相关功能器件、部件等都获得了更好的发展条件,并由此整体上变革着新材料领域的研究与应用发展模式。
       3. 智能能源领域:传输的变革带动系统的提升
       能源传输的管理能力、高性能能源电子材料与器件的设计制造能力的提升,有望成为能源领域技术进步与变革的动力,并由此使整个能源系统从供能到用能都变得更为智能、泛在、高效、低耗。
       4. 智能制造领域:以制造方式变革为核心的模式创新
       各类功能材料的设计制作能力,信息与万物的互联能力,以及新型智能制造与执行系统的构建能力等制造业基础技术的提升,将使制造生产模式进一步向网络化、智能化、泛在化、个性化转变。
       5.智能生活领域:始于交通智能化的服务体系升级
       信息的获取、处理与传输技术,以及智能材料与系统的设计制造能力的提升,特别是人类对于交通安全与便捷的提升需求,使得交通工具与系统有望成为最早实现智能化的领域;并以此为牵引,进一步将智能化向人类生活的其它领域渗透,从而带动各类生活技术向智能化变革。
五、产生颠覆性作用的时间进程分析
       根据专家对16项颠覆性技术可能产生颠覆性作用的预期时间的判断,可以按照时间先后将其分为两个技术组群,并由此进一步看出其可能产生的综合影响及时间进程:
       第一组群:在未来3~5年可能产生颠覆作用的技术
       主要包括:超材料、大数据、智能语音技术、材料基因组工程、碳化硅电力电子器件、无线电力传输技术和自动驾驶技术。
       可以看出,这些技术主要是以信息的处理能力、能源的传输能力、功能材料的设计制造能力的提升为主要内容与特点的,而这些又恰恰是实现智能社会的技术基础。正是这些方面技术的成熟与应用,为未来智能社会的发生与发展提供了可能。
       第二组群:在未来8~15年可能产生颠覆作用的技术
       主要包括:类脑计算、万物互联技术、个性化的智能服务、云制造技术、3D打印技术、机器人技术、车联网技术、石墨稀、量子通信。
       可以看出,这些技术是以更为深度的智能基础技术(类脑计算、石墨稀、量子通信等),以及智能制造和智能生活应用技术为主的。其综合应用将为智能社会的发展,提供一个更为稳定有效的技术支撑平台。
       由此,也可以看出,按照这样的发展态势,预期应在10~15年以后,智能社会的雏形有望开始逐渐呈现。


本文为中国科协调研课题《支撑智能社会的颠覆性技术研判(编号:2015ZCYJ4-11)》研究成果之一。本文参考科技部高技术研究发展中心信息、材料、能源等6个领域子课题研究报告相关内容综合分析而成。