2021年世界科技進展100項

來源：三思派

作者：李萬，錢娅妮

本文系統梳理了2021年在全球範圍内取得的100項科技進展，主要分布于“生命、生物、醫藥健康”“深空、深海、新空間拓展”“物質、材料、化學”“智能、信息、通信”以及“生态能源、交通與建設工程”五大領域。

1、生命、生物、醫藥健康

01、新冠疫情

1. 首次看清新冠患者體内蛋白質變化

中國科學家分析出新冠肺炎死亡患者體内多器官組織樣本中蛋白質分子病理全景圖，相當于将醫生在顯微鏡下看到的人體感染新冠病毒後細胞組織的變化放大了數萬倍，達到蛋白質分子層面，“看”清楚是哪些分子的改變導緻人體器官的病變和衰竭。這是在全球範圍内第一次從蛋白質分子水平上，對新冠病毒感染人體後多個關鍵器官做出的響應進行詳細和系統的分析。

圖｜新冠肺炎死亡患者多器官蛋白分子病理全景圖

2.首次揭示逃逸抗病毒藥物機制

中國科學家發現并重構了病毒“加帽中間态複合體”“mRNA加帽複合體”和“錯配校正複合體”，并闡明其工作機制。揭示了新冠病毒轉錄複制機器的完整組成形式；發現病毒聚合酶的核苷轉移酶結構域是催化mRNA“加帽”成熟的關鍵酶，明确了帽結構的合成過程，為發展新型、安全的廣譜抗病毒藥物提供了全新靶點；發現病毒以“反式回溯”的方式對錯配堿基和抗病毒藥物進行“剔除”，闡明了瑞德西韋等藥物效果不良的分子機制，為優化針對聚合酶的抗病毒藥物提供了關鍵科學依據。該項成果入選2021年中國科學十大進展之一。

3.最完整的新冠病毒基因注釋圖譜

美國研究團隊繪制出了迄今為止最完整的新冠病毒基因注釋圖譜。他們在通過比較大量相似病毒基因組後，确認了新冠病毒（SARS-CoV-2）基因組中未被發現的六個蛋白質編碼基因。

02、認知生命

4.首例AI+腦機接口技術讓“失語”癱瘓患者實現溝通自由

美國科學家首次用腦機接口幫助一位癱瘓超過 15 年的失語男子 BRAVO1 恢複了“說話”能力。腦機接口是指在人或動物大腦與外部設備之間創建的直接連接，實現腦與設備的信息交換。該項成果入選2021年《物理世界》十大突破之一、科技日報評選的國際十大科技新聞之一。

圖 | BRAVO1 在大腦中植入電極列陣的區域（來源：加州大學舊金山分校）

5.成功治療一例重度抑郁症患者

美國科學家團隊通過給患者腦部植入一種類似神經起搏器的裝置，成功緩解了難治性抑郁症。這項概念驗證研究表明了大腦活動可以被用來為神經精神疾病提供個性化的治療，同時也代表了将神經科學進步應用于精神健康領域并取得裡程碑式的成功。

圖｜大腦起搏器

6.揭示鳥類遷徙路線成因和長距離遷徙關鍵基因

中國科學家曆時12年，利用衛星追蹤數據和基因組信息，建立了一套北極遊隼遷徙研究系統，發現遊隼主要使用5條路線穿越亞歐大陸，西部遊隼表現為短距離遷徙，東部為長距離遷徙。在末次冰盛期到全新世的轉換過程中，冰川消退所導緻的繁殖和越冬地變遷，可能是遷徙路線形成的主要曆史原因。研究還發現遷徙距離更長的遊隼攜帶ADCY8優勢等位基因，該基因與長時記憶形成有關，表明長時記憶可能是鳥類長距離遷徙的重要基礎。該研究結合遙感衛星追蹤、基因組學、神經生物學等研究手段，通過多學科整合分析方法闡明了鳥類遷徙路線變遷成因和遺傳基礎。該研究成果入選中國科學十大進展之一。

7.100小時完成迄今最高精度猕猴腦圖譜測繪

中國科學家自主研發了一種高通量、高精度的三維熒光成像 VISoR 技術和靈長類腦圖譜繪制 SMART 流程，實現了猕猴大腦的微米級分辨率三維解析。VISoR 成像系統可以在 100小時内完成猕猴全腦樣品 1×1×2.5 微米三維分辨率的猕猴全腦圖像采集，研究中兩隻猕猴大腦圖像的原始數據量逾 1PB（千萬億字節，其數據儲存大小相當于 113 塊 10T 硬盤），這是迄今世界上最高精度的靈長類動物的腦圖譜。

圖丨猕猴大腦的三維高分辨重建圖（a）、截面圖（b）、内部神經纖維展示（c），以及部分神經纖維的全腦示蹤和可視化（d）（來源：Nature Biotechnology）

03、基因、細胞、胚胎

8.解鎖古老泥土DNA寶庫

科學家們從洞穴地面的土壤中解鎖了一個更大的古代DNA寶庫。研究人員使用這種“泥土DNA”來重建世界各地穴居人的身份。在西班牙的Estatuas洞穴，核DNA揭示了8萬至11.3萬年前生活在那裡的人類的遺傳特征和性别，并表明尼安德特人的一個譜系在10萬年前結束的冰川期之後取代了其他幾個譜系。在美國佐治亞州Satsurblia洞穴有2.5萬年曆史的土壤中，科學家們發現了來自以前未知的尼安德特人系的女性人類基因組，以及野牛和現已滅絕的狼的遺傳痕迹。該研究入選《科學》十大科學突破之一。

圖｜一名研究人員記錄了墨西哥奇基維特洞穴中沉積物樣本的位置

9.隻含480個基因的人造細胞能正常分裂

2016年，美國科學家以支原體的基因為藍本，造出了世界上擁有最小基因組（473個基因）的細胞。它被稱為syn3.0，可以進行代謝和分裂，但是其後代卻形态異常。2021年美國生物學家，通過在syn3.0中表達額外的7個基因，成功地解決了形狀異常的問題。其中2個基因在細胞分裂中具有重要作用，但其他5個基因的具體功能仍然不明。這也是目前可正常分裂的人造細胞中，基因組最小的。

圖｜不斷優化的人造生物基因組成

10.重建“體外卵巢”成功制造卵子

日本研究人員用小鼠胚胎幹細胞，制造出了卵母細胞成熟所需的結構——卵巢中的卵泡。在幹細胞制造的“體外卵泡”中，原始生殖細胞得以生成具有完整功能的卵子，這些卵子最終受精并孕育出了健康的小鼠後代。

圖｜過激活不同的信号通路，誘導小鼠多能幹細胞分化，獲得卵巢體細胞的特征和多樣性

11.首次證明CRISPR基因編輯療法對人類療效

基因編輯工具CRISPR于2020年首次顯現出或可治愈鐮狀細胞病和β—地中海貧血患者的功能。今年，科學家們更進一步，直接在人體内部署CRISPR-Cas9。美國科學家在6名患有一種名為轉甲狀腺素澱粉樣變性病的罕見疾病的患者身上測試了他們的治療方法。結果顯示，所有參與者的畸形蛋白質水平均下降，其中兩名接受高劑量注射的人的蛋白質水平平均下降了87%。該研究入選《科學》十大科學突破之一和《自然》十大科學新聞之一。

圖｜來自CRISPR注射的引導。RNA（藍色）将DNA切割酶（白色）引導至其目标（橙色）。

12.首個人類胚胎完整模型

美國研究人員領銜的團隊成功用人多能幹細胞分化誘導出人類早期胚胎樣結構。該結構與人囊胚期胚胎具有類似的結構，能正确表達相應的基因與蛋白，并且可在體外發育2至4天，形成類羊膜囊等結構。此項研究入選兩院院士評選的2021年世界十大科技進展新聞。

圖｜兩支團隊使用了不同的方法

13.首個人猴嵌合體胚胎

中外科學家共同制造全球首個人-猴嵌合體胚胎，其在實驗室中進行了長達 20天的生長。這種有争議的做法可以幫助人們開發全新的疾病治療方法，并為器官移植找到新方向。

14.開創“無胚化”人類胚胎學技術

研究人類胚胎早期發育對了解生命和繁衍有着重要意義。但由于樣本獲取難度大且對活胚胎的體内外研究受到嚴格倫理學限制，人類對于胚胎早期發育的研究幾個世紀以來基本處于“技術真空”狀态。為了打破這一技術真空，中國科學家獨創地聯合應用人多能幹細胞與機械微系統，在體外重建了早期胚胎發育結構及其動态演化過程，并率先發展了一系列“無胚化”的人類胚胎學技術。

圖｜幹細胞（來源：blog.eardoctor.org）

15.腸道菌群的絕大多數特征都顯示出某種程度的遺傳性

美國研究團隊詳細分析了14年來收集的16000多份野生狒狒的糞便樣本，最終澄清了關于腸道菌群的一個長期誤解。他們發現，對于定居在腸道内的各種微生物，宿主自身遺傳因素起到的作用比人們過去以為的大得多，腸道菌群的絕大多數特征都顯示出某種程度的遺傳性。

圖｜腸道菌群

16.首次揭開細菌“飛奔”的秘密

中國科學家揭示了細菌“快速運動之謎”，細菌鞭毛馬達工作原理終于得以解開，這一成果将給抗生素設計帶來新思路。該研究首次以高清形式，展示了鞭毛馬達的不同組件如聯動杆、外膜環、周質環、内膜環、分泌裝置、接頭裝置等，也首次系統地揭示了沙門氏菌鞭毛馬達的組裝和扭矩傳輸機制。

圖｜鞭毛馬達結構與工作機制的示意圖

（來源：Cell）

17.首次發現昆蟲可以“偷竊”植物基因

中國科學家在國際上首次揭示昆蟲能如何通過水平基因轉移的方式，“偷竊”植物基因，協助自己分解植物的有毒分子。為探索昆蟲适應性進化規律開辟了新的視角，也為新一代靶标基因導向的煙粉虱田間精準綠色防控技術研發提供全新思路。該項成果入選兩院院士評選的2021年中國十大科技進展新聞。

圖｜煙粉虱利用來自植物的基因化解植物中的有毒物質

18.異源四倍體野生稻快速從頭馴化獲得新突破

中國科學家團隊首次提出了異源四倍體野生稻快速從頭馴化的新策略，旨在最終培育出新型多倍體水稻作物，從而大幅提升糧食産量并增加作物環境變化适應性。本項研究為未來應對糧食危機提出了一種新的可行策略，開辟了全新的作物育種方向。該項成果入選兩院院士評選的2021年中國十大科技進展新聞。

圖｜異源四倍體野生稻與二倍體栽培稻的植株表型

19.建成世界最大的小鼠全腦神經元數據集

中美科學家團隊建成迄今世界最大的小鼠全腦1741個單細胞神經元數據集，包含來自皮層，屏狀核，紋狀體和丘腦等腦區神經元，并進行了神經元分型方面的研究，根據投射特征和轉錄組特征，鑒定了11種投射類别。

圖丨單細胞水平的 11 種長程投射神經元類型的形态學和投射特性（來源：Nature）

04、惡性疾病的預防與治療

20.首個由中國學者命名的運動障礙性疾病

一種新的運動障礙性疾病綜合征——“瘢痕舞蹈綜合征”（scar dancing syndrome），這是首個由中國學者命名的運動障礙性疾病。該類患者進行口服藥物治療後，往往沒有效果。不過相關研究發現：多靶點的肉毒毒素注射治療，可以改善部分患者的疼痛和肌肉異常運動。

圖｜瘢痕舞蹈

21.提高中晚期鼻咽癌療效的高效低毒治療新模式

鼻咽癌放療後的全身微小殘留腫瘤是其治療失敗的根源，而由于放療後患者身體狀況差，難以耐受既往高強度的傳統化療（完成率僅約40%-50%），成為制約療效提高的瓶頸。中國科學家提出了小劑量、長時間口服細胞毒藥物卡培他濱的節拍化療模式，其可通過抗血管生成、殺傷腫瘤幹細胞等機制持續抑制腫瘤，同時提高機體耐受性。此研究入選2021年度中國生命科學十大進展。

22.MDMA可治療創傷後應激障礙

美國科學家團隊進行的一項多中心、随機、對照試驗發現，3,4-亞甲基二氧基甲基苯丙胺(MDMA) ，顯著減輕了創傷後應激障礙(PTSD)患者的症狀。76名受試者，部分接受了3次MDMA治療，部分接受了安慰劑指導治療課程。2個月後，67%的接受MDMA治療的患者不再有PTSD症狀，而安慰劑組則僅有32%。該研究入選《科學》十大科學突破之一。

圖｜研究人員對創傷後應激障礙（PTSD）使用MDMA治療

23.阿爾茨海默病治療重要進展

美國科學家證實了抑制神經炎症和神經元死亡對于阿爾茨海默病治療的重要性與可行性，這一發現對于新藥開發有着指導意義。死于神經炎症的腦細胞，數量是死于澱粉樣蛋白沉積和神經原纖維纏結的腦細胞的十倍，即便存在澱粉樣蛋白沉積和神經原纖維纏結，但隻要不引起神經炎症，就可能控制住阿爾茨海默病的病情。

24.用癌細胞重組納米疫苗實現肺癌預防痊愈

中國科學家研發出一款納米疫苗，在小鼠癌症模型中對小鼠肺癌和黑色素瘤的預防痊愈率分别為100%和70%。相比 CAR-T 等技術，納米疫苗不僅更方便，價格也會更便宜。

圖｜納米疫苗的制備和納米疫苗誘導的腫瘤特異性免疫反應的簡要示意圖

25.颠覆百年癌症代謝理論

美國科學家發現腫瘤細胞并非此前認為的高代謝葡萄糖的罪魁禍首，而是被稱為巨噬細胞的免疫細胞存在較高葡萄糖高代謝水平。這一發現颠覆了過去百年來的腫瘤微環境中新陳代謝競争的普遍觀點，有助開發新的抗癌療法和用于癌症診斷與檢測成像新策略。

圖｜腫瘤微環境

26.喝綠茶能抗癌的分子機制

綠茶對腫瘤的化學預防作用主要歸因于多酚類化合物，其中表沒食子兒茶素沒食子酸酯（EGCG）最為重要。在EGCG誘導的抗腫瘤特性中，p53發揮了重要作用。p53通常被稱為“基因守護者”，是一種重要的腫瘤抑制因子。然而，關于EGCG如何與p53相互作用的分子機制尚不清楚。一項最新研究中，來自美國研究團隊發現了p53和EGCG之間存在一種前所未知的直接相互作用，并解釋了EGCG如何增強p53的抗癌活性，從而為開發抗癌藥物指明了新靶點。

27.癌細胞竟會全體“冬眠”躲過化療

科學家們發現癌細胞會進入一種類似“冬眠”的狀态，幾乎不需要任何營養，非常低調地“熬”過化療階段，等待卷土重來。可喜的是，探索這一機制的研究人員，也已經找到了針對這種耐藥性的抗癌策略。

圖｜在化療誘導下，癌細胞可以進入一種緩慢生長的狀态，并且似乎所有癌細胞都擁有這種能力

28.首次發現人體存在“組織液循環網絡”

中國科學家在國際上首次發現了“人體組織液循環網絡”的解剖學結構，并首次提出了“組織液循環網絡”學說，即在已知的血液循環系統、淋巴循環系統之外，人體還存在第三種體液循環系統——“組織液循環網絡”系統。該研究有望建立一種新型給藥方式，即在穴位區注射藥物，通過與這個穴位連接的特定組織液循環網絡，有可能實現針對特定器官的靶向藥物治療。

05、仿生學、器官移植

29.首次研發仿生關節外骨骼模型

中國科學家團隊以節肢類生物中的兩類優勢種群生物為研究對象，包括甲殼類的珍寶蟹和波士頓龍蝦，首次提出一種具有一對反向共轭面的剛柔一體的外骨骼模型，并将其應用于人手外骨骼的設計中，通過融合生物關節優勢與人體運動特性，克服了目前手功能損傷患者所用的康複輔助設備中普遍存在的體積重量大、機械結構複雜、傳動效率低、适配性差等缺陷。因此，這種新型仿生關節可用于可穿戴式外骨骼康複機器人。

圖｜關節模型原型的運動捕獲（來源：IEEE Access）

30.成功創建首個人類胰腺3D類器官模型

美國科學家從人類幹細胞來源的胰腺祖細胞(PP)細胞中産生胰管樣或腺泡樣器官結構的嘗試，用于模拟外分泌胰腺的發育和疾病。

31.世界首例人工角膜移植手術成功

以色列初創企業的人工角膜研發成功，幫助失明十年的78歲老翁順利恢複視力，随着時間的推移，人造眼角膜和眼白完全融合，且創傷面積小，傷口恢複得很快。這是人類史上人工角膜移植手術臨床試驗的一項重大進展。

圖｜CorNeat Vision公司設計的人工角膜

32.世界首例豬腎已被移植到人體内

美國科學家将來源于豬的腎髒首次移植到人體中，目前暫時沒有産生排異反應。如果手術成功，這将表明豬的器官可以被安全地用于拯救人類生命。該成果入選科技日報評選的2021年國際十大科技新聞之一。

33.全球首個人類自組織心髒類器官

維也納研究團隊使用人類多能幹細胞成功培養出全球首個體外自組織心髒類器官模型，該模型可自發形成空腔，自主跳動，無需支架支持。同時，這種心髒類器官在受傷後可以自主動員心髒成纖維細胞遷移修複損傷。

06、生物合成

34.光驅動“細胞工廠”

中國科學家提出光驅動“細胞工廠”：以CO₂代替葡萄糖，碳中和的同時高效産出高值化合物。光合細胞工廠是基于光合微生物發展起來的一種新型合成生物技術。光合細胞工廠能夠直接利用CO₂和太陽能合成包括白藜蘆醇、花青素、青蒿素等具有較高市場價值的植物天然産物，同時緩解了當今世界所面臨的“氣候”和“健康”兩大難題，既吸收了溫室氣體CO₂，又能帶來有價值的産物。

圖丨光合細胞工廠

35.人類首次突破二氧化碳人工合成澱粉技術

中國科學家首次報告了從二氧化碳合成人造澱粉的路線。這是世界上首次在實驗室實現二氧化碳到澱粉的從頭合成，代表着人類人工合成澱粉領域的重大颠覆性和原創性突破，對于糧食安全、外星探索、氣候變化都有着巨大意義。他們設計出一種化學酶系統，借此也設計出一種僅由11個核心反應組成的人造澱粉合成代謝路線，将二氧化碳轉化為澱粉。與之對比，自然界利用光合作用合成澱粉需要 60餘步。此研究入選2021年度中國生命科學十大進展和2021年中國科學十大進展。

圖｜通過計算設計的人工澱粉合成途徑

36.世界首家細胞培育肉工廠誕生

以色列細胞肉公司Future Meat Technologies（FMT）用生物反應器取代雞舍、谷倉和屠宰場。工作人員使用培養基過濾再生專利技術，由于可支持高細胞密度，因此可幫助克服成本難題。FMT成為業内少有的、利用培養基過濾再生技術實現規模量産的公司。

圖｜FMT的細胞培育肉工廠

07、考古與遠古生命生态

37.脊椎動物從水生到陸生演化的遺傳創新機制

4億多年前脊椎動物從水生到陸生是包括人類在内的陸生脊椎動物演化史上的重大事件，但長期以來對這一重大事件的遺傳創新機制知之甚少。中國科學家發現硬骨魚祖先已進化出了陸生适應性相關的初步遺傳基礎，在肺魚代表的肉鳍魚内得到進一步加強，到四足動物最終完善而成功登上了陸地。此研究入選2021年度中國生命科學十大進展之一。

圖｜脊椎動物水生到陸生演化過程的主要遺傳創新

38.中國發現全新古人類支系“龍人”

中國科學家通過研究頭骨，發現了“龍人”這一新人種。通過數據對比以及鈾系測定的直接證據證明龍人頭骨化石的年代大概率來自中更新世晚期的湖相地層，并證實龍人的年齡老于14.6萬年，而該時間段恰好是智人和其他古人類分開演化的關鍵時期。

圖｜龍人頭骨化石（來源：The Innovation）

2、深空、深海、新空間拓展

39.首次觀測到黑洞磁場

視界望遠鏡得到了第一張顯示超大質量黑洞附近區域光偏振情況的圖像。這種偏振現象表明，在物質加速進入黑洞M87*（這個黑洞的質量超過太陽的60億倍）的區域存在強磁場。進一步的研究或許将有助于研究某些黑洞如何形成将物質和輻射噴發到周遭宇宙空間中的巨大噴流。該成果入選《物理世界》十大突破之一。

圖｜磁旋：偏振光下的超大質量黑洞M87*圖像，圖中的線代表偏振方向，與黑洞陰影周圍的磁場相關

40.中國航天全年發射55次位居世界第一

2021年中國航天發射次數達到55次，位居世界第一，發射次數和航天器數量再創曆史新高。2021年長征系列運載火箭發射總數創造曆史，在2021年完成了48次發射，創造了年度宇航發射總數的曆史。這一年間，長征系列運載火箭完成了第400次發射，長征五号B、長征二号F、長征七号運載火箭用5次發射完成了今年的載人航天工程空間站建造任務，這背後不僅是數量的變化，更是國家航天工業實力、宇航任務執行力與國家整體科技實力在新時代的質變。

圖｜長征三号乙運載火箭發射成功

2021年5月15日7時18分，天問一号探測器成功着陸于火星烏托邦平原南部預選着陸區，我國首次火星探測任務着陸火星取得成功。邁出了我國星際探測征程的重要一步，實現了從地月系到行星際的跨越，在火星上首次留下中國人的印迹，使我國成為第二個成功着陸火星的國家。該成果入選2021年度中國科學十大進展之一。

2021年4月29日，天和核心艙成功發射。神舟十二号、神舟十三号載人飛船分别于6月17日、10月16日成功發射并與天和核心艙成功完成對接。該成果入選2021年度中國科學十大進展之一。

10月14日18時51分，中國在太原衛星發射中心采用長征二号丁運載火箭，成功發射首顆太陽探測科學技術試驗衛星“羲和号”。實現中國太陽探測零的突破，這标志着中國正式步入“探日”時代。該星将實現國際首次太陽Hα波段光譜成像的空間探測，填補太陽爆發源區高質量觀測數據的空白，提高我國在太陽物理領域研究能力，對我國空間科學探測及衛星技術發展具有重要意義。

圖｜“羲和号”發射成功

41.首次确證月球的火山活動可以持續到20億年前

中國科學家利用過去十多年來建立的超高空間分辨率的定年和同位素分析技術，對嫦娥五号月球樣品玄武岩進行了精确的年代學、岩石地球化學及岩漿水含量的研究。結果顯示，嫦娥五号玄武岩形成于20.30±0.04億年，确證月球的火山活動可以持續到20億年前，比以往月球樣品限定的火山活動延長了約8億年。該研究成果入選中國科學十大突破之一。

42.“洞察”号首次揭示火星内部結構

自“紮根”火星以來，美國國家航空航天局（NASA）的“洞察”号火星探測器在其着陸點測量了大約733次地震。科學家基于其中35次地震的數據，揭示了火星的内部結構，估計了火星地核的大小、地幔的結構和地殼的厚度。這也是科學家第一次使用地震數據來探測地球以外行星的内部，這是了解火星形成和熱演化的重要一步。該研究入選《科學》十大科學突破之一。

圖｜地震波顯示火星有一層薄薄的地殼、淺層的地幔和一個異常大的液體核心

43.人類直升機首次成功在火星上空飛行

北京時間4月19日18點55分左右，NASA宣布人類直升機首次在火星試飛成功。這架名為“機智”号（Ingenuity）的小型直升機是此前跟随NASA毅力号火星車一同抵達火星的。機智号僅重1.8公斤，高0.5米，由兩個反向旋轉的旋翼提供升力。旋翼由碳纖維制成，直徑達1.2米，驅動電機功率350瓦。機智号的主要目的是進行技術驗證，驗證人類采用飛行探測地外星球的全新技術。

圖｜火星上的直升飛機

44.商業航天新突破

北京時間2021年5月6日6點20分左右，SpaceX星艦原型（代号SN15）在得克薩斯州博卡奇卡（Boca Chica）成功進行了高空飛行測試，這是SpaceX星艦原型第五次挑戰10公裡級高度，也是首次沒有發生爆炸事故的完美着陸。

圖｜SN15成功從10公裡高度落下站住且沒爆炸

2021年2月4日，SpaceX發射了60顆星鍊互聯網衛星進入軌道，這是獵鷹 9（Falcon 9）火箭的第50次發射，代表着該公司可重用性火箭的又一裡程碑。

北京時間 2021 年 1 月 24 日 23 時，美國佛羅裡達卡納維拉爾角發射基地，SpaceX 的獵鷹 9 号火箭攜 143 顆衛星順利發射升空，突破航天記錄。

美東時間7月11日上午，維珍銀河創始人理查德·布蘭森（Richard Branson）搭乘太空船二号成功從約86千米高的亞軌道返回。他成為商業航天試飛第一人，也成為年齡第二大的宇航員。

美國時間9月15日晚8點02分，特斯拉CEO馬斯克旗下，美國太空技術探索公司SpaceX的獵鷹9号火箭與“二手的龍”飛船，載着4名機組人員，成功從NASA肯尼迪航天中心發射升空本次任務的代号為“靈感4号”（Inspiration 4）。此次飛行任務中，靈感4号飛船預計将在太空中停留長達3天左右，以90分鐘繞地球一圈的速度運行，這是世界上首次全員平民的飛行。

圖｜機組合影

美國當地時間10月13日上午10:50分，藍色起源NS-18飛行器完成第二次載人太空飛行。短短3個月，貝索斯再一次成功将4名乘客送入太空，整個飛行過程約10分鐘。同時，進入太空的最高年齡刷新了記錄。90歲《星際迷航》柯克船長終于圓夢太空，成為登上太空最年長的人類。

圖｜機組合影

2021年6月11日，起源太空“仰望一号”光學-紫外太空望遠鏡搭載長征二号丁火箭成功發射升空。它是中國首個光學波段太空望遠鏡，搭載可見光、紫外大視場天文望遠鏡載荷，上天後将開展多波段天文觀測，同時也将成為人類在太空中大視場紫外波段最強的探測器。“仰望一号”由起源太空主導設計研發，空間光學、空間紫外望遠鏡将觀測近距離飛掠地球的近地小天體，捕捉更詳細的軌道和物态信息，為太空資源開發積累數據。進入太空後，“仰望一号”已經在軌工作超過100天，開展了多波段天文觀測及商業觀測合作，逐步繪制天上的“藏寶圖”，也是全世界太空資源開采領域的裡程碑事件。起源太空“仰望一号”獲得國際天文學聯合會認證的天文台站編号，使中國成為除美國外，國際上第二個擁有被國際天文學聯合會認證的小天體觀測空間天文望遠鏡的國家。

圖｜仰望一号拍攝的大氣層中紅色幽靈

45.“實驗6”科考船首次使用多聯網開展作業

“實驗6”科考船航行至南海北部海域，船上的科考隊員在本航次中第一次使用了多聯浮遊生物分層拖網（MultiNet，以下簡稱多聯網）進行科考作業。多聯網是一種海洋儀器，可以自動對海洋浮遊生物連續分層采樣，能在連續的水層中進行水平采樣和垂直采樣。

圖｜多聯浮遊生物分層拖網

3、物質、材料、化學

01、物質世界

46.粒子物理學的标準模型出現“裂縫”

美國費米國家實驗室公布了缪子（μ子）反常磁矩的測量結果：實驗與理論預測之間存在4.2個标準差的偏差。雖然距離宣稱“發現新物理”的5個标準差仍有一步之遙，但這起碼可以說明舊有的“标準模型”已經遭遇到了前所未有的挑戰。如果這個發現進一步确認，可能将标志着有50年曆史的粒子物理标準模型的預言失敗，或打開物理學變革之門。該研究入選《科學》十大科學突破之一、《自然》十大科學新聞以及《物理世界》十大突破之一。

圖｜缪子g-2實驗裝置中的磁鐵（來源：Fermilab）

47.宇宙誕生瞬間的“第一種物質”

丹麥科學家利用大型強子對撞機（LHC），揭示了宇宙大爆炸第一個0.000001秒内發生的新細節，即第一個微秒内一種特殊的等離子體發生了什麼。科學家們研究了一種叫做誇克—膠子等離子體的物質，它是在大爆炸第一個微秒内存在的唯一物質，它的獨特經曆是：首先，等離子體被宇宙熱膨脹所分離；然後，誇克碎片重組為所謂的強子；一個有3個誇克的強子組成一個質子，是原子核的一部分，這些也是構成地球、人類和現今包容着我們的宇宙的基礎核心。該研究成果入選科技日報評選的2021年國際十大科技新聞。

圖｜“第一種物質”研究示意圖

48.首次實現對原子核的量子相幹控制

歐洲科學家團隊率先實現了對原子核激發的量子相幹控制。他們通過兩個超短脈沖将同步加速器産生的X射線送入原子核中。他們通過調整脈沖相位實現了鐵原子核在相幹增強激發和相幹增強發射之間的切換。除了可以促使我們更好地認識量子物質，這項成果還可能加速新技術的發展，比如超精準的核時鐘以及可以儲存大量能量的電池。該項成果入選《物理世界》十大突破之一。

49.首次“抓住”單個原子

美國物理學家首次将單個原子“固定”在原位，并觀察到了以前未見過的複雜原子相互作用。到目前為止，人們隻能通過涉及大量原子的實驗統計平均來了解這個量子過程，這項實驗在現有知識的基礎上進行了改進。

50.首次合成三維人工自旋軌道耦合

中國研究團隊利用超冷原子體系國際上首次實現了三維人工自旋軌道耦合，且構造出隻有一對外爾點的最基本外爾半金屬（Weyl Semimetals）拓撲能帶。

圖｜三維自旋軌道耦合（來源：Science）

51.在超冷費米氣體中觀測到泡利阻塞現象

美國三支研究團隊各自獨立地在超冷費米氣體中觀測到了泡利阻塞現象。當構成氣體的原子幾乎占據所有可能的低能量子态時，就會出現泡利阻塞現象，它會阻礙原子通過小幅躍遷進入鄰近量子态。泡利阻塞現象會影響氣體原子散射光的方式。未來某一天，我們或許可以借助這項技術改進基于超冷原子的相關技術，比如光學時鐘和量子中繼器。該項成果入選《物理世界》十大突破之一。

52.成功精确測定三維表面原子結構

對于一般三維納米材料的三維表面原子結構的單原子水平測定仍然是一個難題。在此，韓國研究者使用鉑納米顆粒作為模型系統，在15 pm精度下測量的三維原子結構。

53.首次發現原子團簇“旋轉木馬跳”

中外科學家團隊聯合利用原位高溫透射電子顯微學對Al60Cr20Fe10Si10系十次準晶在高溫下的原子跳躍行為進行了研究，首次發現了原子團簇有類似于“旋轉木馬”的取向跳躍運動。這種完全不同于以往的微觀粒子規律性跳躍為利用原子和原子團簇的來調控材料微結構提供了科學依據。

圖｜Al60Cr20Fe10Si10系十次準晶的室溫及高溫下的結構特點

02、材料與化學

54.史上最冷反物質問世

加拿大科學家團隊在日内瓦進行了一項名為ALPHA-2的反氫捕獲實驗，演示了反氫原子的激光冷卻，将樣品冷卻到了接近絕對零度。該研究産生了比以往任何時候都更冷的反物質，并使一種全新的實驗成為可能，有助于科學家在未來更多地了解反物質。此項研究入選兩院院士評選的2021年世界十大科技進展新聞。

55.首次發現地球内部的超離子态礦物相

中國科學家團隊使用理論計算和實驗相結合的方法首次發現了地球深部的超離子态——含水礦物羟基氧化鐵(FeO2H)會在壓力大約75萬大氣壓，溫度高于1500攝氏度的條件時進入超離子态。這個溫度和壓力範圍覆蓋了下地幔深部的大部分區域。

圖｜深下地幔高導電的超離子态

56.粒子冷卻新技術

歐洲核子研究中心團隊通過兩項獨立的研究得到了冷卻粒子和反粒子的新方法。這些技術為精确檢驗宇宙物質-反物質不對稱性的研究打下了基礎。反氫激光物理裝置的研究人員首次證明，可以用激光冷卻反氫原子。為此，他們開發了一種能夠産生121.6納米脈沖的新型激光，以冷卻反原子。随後，他們又以前所未有的精确度測量了反氫原子中的一項關鍵電子躍遷。這一突破為日後進一步檢驗反物質的其他關鍵特性奠定了基礎。該項成果入選《物理世界》十大突破之一。

57.中國科學家觀測到最高能量光子

中國科學家依托“高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）”，在銀河系内發現12個超高能宇宙線加速器，并記錄到能量達1.4拍電子伏（PeV，拍=千萬億）的伽馬光子，這是人類迄今觀測到的最高能量光子，突破了人類對銀河系粒子加速的傳統認知，揭示了銀河系内普遍存在能夠把粒子加速到超過1PeV的宇宙線加速器，開啟了“超高能伽馬天文”觀測時代。該項成果入選2021年中國十大科技進展新聞。

圖｜2021.7，LHAASO全陣列建成并投入運行

58.中國強流高功率質子加速器研制再創世界紀錄

中國獨立自主研制的ADS超導直線加速器樣機在國際上首次實現束流強度10毫安連續波質子束176千瓦運行指标，并于2月12日淩晨實現10毫安束流穩定運行，刷新了此前創造的世界紀錄。這次重大突破首次驗證了全超導直線加速器可以穩定加速5-10毫安連續波質子束這一國際加速器領域長期追求的目标，為國際上同類強流高功率加速器裝置建設及其一系列重大應用提供了成功先例。

03、新型材料

59.新納米材料吸水速度提升6倍

新加坡研究人員制作出了一種全新納米吸水材料 Co-SHM，這種薄膜狀的材料能夠使皮膚上的汗水快速蒸發，其吸水量是傳統材料的 15 倍，吸水速度則是傳統材料的 6 倍。并利用水驅動發電技術，将人體汗液中的水分收集起來，為手表、健身追蹤器等可穿戴電子設備供電。

圖｜WEHD 的原理圖工作機制（來源：該論文）

60.高質量冰單晶微納光纖實現10.9%的彈性應變

中美研究人員聯合發現當冰生長成單晶微納光纖時，就可以靈活彎曲，并且具有和玻璃光纖類似的性能，且能以較低的損耗傳輸光。

圖｜冰單晶微納光纖彈性彎曲光學顯微鏡照片

61.實現金剛石陣列深度彈性應變

中美科學家經研究發現鑽石這種“最硬的”材料不僅可以彎曲，甚至還可發生彈性變形。他們通過相對較大的樣本展示了金剛石微橋陣列如何實現同步的深彈性應變。而超大的、高度可控的彈性應變，則能從根本上改變金剛石的能帶結構，最終計算出帶隙在某特定取向上最多可減小約 2 eV（電子伏特），上述發現将對金剛石的電子應用産生重大影響，或開啟微電子、量子應用新時代。

圖｜金剛石陣列樣品在原位拉伸下發生均勻彈性應變

（來源：香港城市大學）

62.全世界最硬的玻璃

中國研究團隊研制出了一種全新的玻璃材料——不僅硬度超過了金剛石，并且具備金剛石不具備的韌性，以及半導體特性。研究團隊使用的原材料是富勒烯（C60）。富勒烯的碳原子都是sp2雜化，結構規整，具有高度的對稱性。因此，在800℃下，5GPa的壓力就足以破壞富勒烯高度對稱的結構。

圖｜富勒烯C60

63.中國科學家攻克塑料降解難題

中國科學家研發一項新技術——無需特殊條件，一天到幾周内就能完全降解塑料。研究人員将酶介入到塑料誕生的初始階段，讓其作為生産塑料的原料。具體生産塑料時，隻要保證酶的功能不變，當制備出來的塑料結束使用用途、并進行再回收時，隻要遇水遇熱，就能喚醒酶的降解能力。

圖｜36小時後降解

64.增材制造新路線實現航天着陸器承載、隔熱、減震三位一體

行星着陸器的“大底”部件的傳統加工制造，一般要經過多種工藝步驟的不斷嘗試和耦合，目前仍面臨着結構選擇和材料選擇有限、過程複雜、性能&功能不足等局限。基于此，中國研究人員革新傳統串聯式的增材制造路線，并提出“材料–結構–性能一體化增材制造”（MSPI-AM）的概念，從而實現在複雜整體構件内部，同步實現多材料設計與布局、多層級結構創新與打印，最終可實現相關構件的高性能和多功能。

圖｜材料–結構–性能一體化增材制造（MSPI-AM）的概念及内涵

65.世界“最白”油漆

在尋找遏制全球氣候變暖的方法上，科學家從未停止他們的步伐。美國研究團隊研發了一種可以輻射制冷的硫酸鋇超白漆，這種油漆不僅能反射 98.1%的太陽輻射，還成為“最白”的油漆。

66.無源制冷超材料織物

中國研究團隊基于輻射制冷原理和形态分級設計理念，通過光學、織造技術的跨領域多學科協同創新，聯合研發了一種無源随身“空調”——在陽光直射的室外環境下，可無源制冷的光學超材料織物（Metafabric）。該技術對多尺度光學層級結構進行優化，能有效調諧超材料織物在太陽光譜上精準的光學響應，并将黑體輻射達到極限，展現了相較于以往工作更優異的功能。具備零能耗、低成本、可産業化批量生産等特征，适合大規模推廣制備和産業化應用。

圖｜超材料織物示意圖（來源：Science）

04、其他

67.同時發射30束激光表現為單一相幹光源

德國科學家開發了一個由30台垂直腔面激光發射器（VCSELs）組成的陣列。這30台發射器一起發射激光時，整體表現為單一相幹光源。這項成就為後續的大規模、高功率應用鋪平了道路。這個研究團隊利用拓撲學原理确保陣列中每台發射器發射的激光都會流經其他所有發射器，這樣一來，30束激光的頻率就會保持一緻。該項成果入選《物理世界》十大突破之一。

68.FAST捕獲世界最大快速射電暴樣本

快速射電暴（FRB）是無線電波段宇宙最明亮的爆發現象。FRB 121102是人類所知的第一個重複快速射電暴，中國科學家使用“中國天眼”FAST成功捕捉到FRB 121102的極端活動期，最劇烈時段達到每小時122次爆發，累計獲取了1652個高信噪比的爆發信号，構成目前最大的FRB爆發事件集合。該研究首次展現了FRB的完整能譜，深入揭示了FRB的基礎物理機制。該項成果入選2021年中國科學十大進展之一。

69.中國制冷機成功實現零下273.1391℃

中國自主研發的無液氦稀釋制冷機成功實現10mK（絕對零度以上0.01度）以下極低溫運行。這标志着中國在高端極低溫儀器研制上取得了突破性的進展。該項成果入選2021年中國十大科技進展新聞。

圖｜物理所10mK原型機全貌

4、智能、信息、通信

01、芯片

70.基于光的并行卷積神經網絡有望徹底“變革”AI硬件

持續增加的數據量在為 AI 提供源源不斷的“動力”的同時，也對用于 AI 的電子計算硬件提出了更多的挑戰，無論是在計算速度，還是在功耗方面，都已經成為嚴重制約 AI 發展的主要瓶頸之一。多國科學家團隊開發了一種新的方法和架構，通過使用基于光的處理器或光子處理器，将處理和數據存儲結合到單個芯片上。研究結果首次證明，這些設備可以快速并行處理信息，而這種能力是現有電子芯片無法做到的。

圖｜新型光子處理器的并行卷積處理示意圖

（來源：牛津大學）

71.實現全矽基芯片間高速光通信

在提高矽的電緻發光亮度與速度以及在商用微電子芯片内部直接實現全矽基光電融合上，美國研究團隊取得突破性進展，為微電子芯片光互連、短距高速光通信以及高度集成的光學傳感與探測提供了全新的可能性。他們設計了一種微米級大小正向偏置全矽基 LED，在完全集成于 55 納米制程商用 CMOS 微電子芯片（無任何實驗室處理）的基礎上實現了低電壓、高速高亮的近紅外發光，其發光強度和調制解調速度可同時達到此前類似器件實驗室記錄的十倍以上。

圖｜矽基micro-LED集成在55BCDL CMOS上

72.中國首款7nm通用GPU

國内首款自主可控的7nm雲端通用GPU在上海正式發布。該芯片為上海初創公司天數智芯研發的旗艦7nm GPGPU雲端訓練芯片BI，其加速卡也一并以實體形式發布，即将進入批量生産和商用交付。BI芯片能以競品50%的芯片面積、更低的功耗，提供主流廠商産品近2倍的峰值性能。

02、量子

73.有史以來首張量子糾纏的成像照片

英國科學家團隊捕捉到了世界上首張量子糾纏的實際圖像。這張特殊的照片看起來可能平平無奇，就是兩團模糊的灰色塊，但其顯示了兩個光子之間的糾纏。在量子力學領域裡，兩個相互作用的粒子會以一種極其特殊方式“糾纏”在一起，形成一種糾纏系統，在這個系統裡，無論相隔多遠，兩個粒子都會“瞬間”共享它們的物理狀态。此前，量子糾纏已實際應用于量子計算和密碼學等領域，但它從未被用圖像捕獲過，此次研究的成果将推動量子計算新興領域的發展。

74.量化波粒二象性

韓國和美國科學家聯合通過理論和實驗，量化了光子的“波動度”和“粒子度”，并且證明，這兩項性質都與光子源的純度相關。這項成果在量子信息領域大有作用，并且能夠讓我們重新認識互補性原理。所謂“互補性”，最早是由量子理論先驅尼爾斯·玻爾在20世紀初提出的，這個概念是說，量子物體有時表現得像波，有時表現得像粒子。該項成果入選《物理世界》十大突破之一。

75.首次實現兩宏觀振動鼓面的糾纏現象

美國兩支科學家團隊采用不同方式率先在量子力學層面上實現了兩枚此類鼓面的糾纏現象。一隻團隊使用了一個特别挑選的共振頻率消除系統噪聲。而美國國家标準與技術研究所的團隊實現的糾纏态則類似一個雙量子位門。這兩支團隊為我們打開使用糾纏共振器的大門——我們可以在量子網絡中使用這類糾纏共振器，将其作為量子感應器或結點。該成果入選《物理世界》十大突破之一。

圖｜美國國家标準與技術研究所科研人員使用的兩枚鋁鼓面

76.首款面向圖論問題求解的光量子芯片誕生

中國研究團隊研發出一款可編程矽基光量子計算芯片，打破了光量子計算機無法編程的質疑，展示了光量子計算的實用化潛力。據悉，該芯片有望快速實現量子計算技術在數據庫搜索、圖同構問題等場景中的落地應用。

圖｜可編程量子行走光量子芯片概念圖

77.攻克室溫條件下構建預報量子糾纏難題

中國研究團隊首次基于室溫原子系綜實現獨立量子節點之間的預報糾纏。在實驗中，該團隊通過設計巧妙的解決方案，攻克了在室溫原子系綜中構建量子節點間的預報量子糾纏的難題，這促進了更加大規模可擴展、更加實用化的量子網絡的發展。

圖｜室溫量子網絡節點示意圖(a)量子網絡概念圖(b)室溫量子節點建立糾纏流程圖

78.世界首個移動量子鍊路誕生

中國研究團隊首次使用光學中繼，并将光學中繼的節點放到處于飛行狀态的小型無人機上，成功實現了糾纏光子分發實驗。他們開創性地引入了無人機元素來交換量子信息和構建量子信息網絡，從而實現了更遠和更廣的覆蓋範圍；同時，還極大便利了多節點移動量子網絡的搭建，做到“即搭即用”、機動靈活；這種移動式的量子網絡，還可以作為一種新型量子通訊平台，與已有的地基（光纖）、天基（衛星）量子鍊路功能互補，構建實用化的量子互聯網。

圖｜相關實驗（來源：Physical Review Letters）

79.首台高精度量子重力儀

中國科學家在量子重力儀研發上再次取得突破，研制出實用化的高精度铷原子絕對重力儀裝備，并成功交付給中國地震局地震研究所。這是中國首台為行業部門研制的量子重力儀，意味着将打破高精度重力儀國外技術壟斷的局面，為中國高端量子裝備的發展提供新途徑，也為行業部門的儀器使用提供了具有我國自主知識産權的新選項，更能夠保障核心數據的安全。

圖｜華中科技大學研制的量子重力儀正在進行測量

80.稀土離子實現多模式量子中繼及1小時光存儲

中國科學家在光量子存儲領域取得重要突破，其将相幹光存儲時間提升至 1 小時，創造了新的世界紀錄。這意味着向基于可搬運量子存儲的遠距離量子通信技術邁出了重要一步。該項成果入選2021年中國十大科技進展新聞。

圖｜中科大團隊光量子儲存方案：

a.ZEFOZ 磁場下的能級結構；b. 系統光路示意圖

81.中國團隊打破“量子霸權”

中國研究團隊基于新一代神威超級計算機的應用“超大規模量子随機電路實時模拟”（SWQSIM），有效模拟了一個深度為10x10 (1+40+1)随機量子電路。與谷歌量子計算機“懸鈴木”200秒完成百萬0.2%保真度采樣任務相比較，“頂點”需要一萬年完成同等複雜度的模拟，該團隊SWQSIM應用則可在304秒以内得到百萬更高保真度的關聯樣本，在一星期内得到同樣數量的無關聯樣本，一舉打破其所宣稱的“量子霸權”。該項成果入選2021年中國十大科技進展新聞之一。

82.“祖沖之号”成功研制并實現可編程的二維量子行走

全球最大量子比特數的超導量子體系誕生在中國。中國科學家成功研制出全球超導量子比特數量最多的量子計算原型機“祖沖之号”。“祖沖之号”可操縱的超導量子比特多達 62 個。此外，該團隊實現了對格點間隧穿幅、以及遊走構型的精準調控，從而實現了可編程的二維量子行走。該項成果入選2021年中國科學十大進展之一。

圖｜二維超導量子比特芯片示意圖

（來源：Science）

83.實現256個量子比特模拟器

美國科學家在實驗上将 256 個原子按照設計需要，排列成任意的三維形狀，并進行相幹操作演示量子模拟，該成果基于他們最近宣布的“有史以來最大的”256 個量子比特模拟器，産生的量子态數量甚至會超過太陽系原子的數量。

圖｜該團隊開發出一種量子計算機，名字叫可編程量子模拟器。圖為研究人員正在調試設備，以便制造可編程光鑷（來源：哈佛大學）

84.全球最快AI超級計算機開動正拼接最大宇宙3D地圖

被譽為全球最快的人工智能工作負載超級計算機——Perlmutte宣布開啟。這台新超級計算機以擁有6144個英偉達A100張量核心圖形處理器，将負責拼接有史以來最大的可見宇宙3D地圖。并且，它有望撥開物理學天空的烏雲——暗能量。

圖｜Perlmutte超級計算機以天體物理學家索爾-珀爾馬特（Saul Perlmutter）的名字命名

03、智能

85.全球首個“自我複制”的活體機器人誕生

美國科學家發現了一種全新的生物繁殖方式，并利用其創造了有史以來第一個可進行自我複制多代的活體機器人——Xenobots 3.0。該活體機器人或許可以有助于醫學的全新突破——除了有望用于精準的藥物遞送之外，它的自我複制能力也使得再生醫學有了新的幫手，或可為出生缺陷、對抗創傷、癌症與衰老提供開創性的解決思路。此項研究入選2021年世界十大科技進展新聞。

86.人工智能預測蛋白質結構

世界知名人工智能團隊深度思維宣布，已經利用AI智能軟件程序——阿爾法折疊預測了人類表達的幾乎所有蛋白質的結構，以及其他20種生物幾乎完整的蛋白質組。AI預測蛋白質結構将實現廣泛應用，提供對基礎生物學的見解并揭示潛在的藥物靶點。8月，中國研究人員使用AlphaFold2繪制了近200種與DNA結合的蛋白質結構圖。11月，德國和美國的研究人員利用AlphaFold2和冷凍電鏡繪制了核孔複合物的結構圖。現在，科學家正使用AlphaFold2來模拟奧密克戎變體刺突蛋白突變的影響。該研究入選《科學》十大科學突破之一和《自然》十大科學新聞之一。

圖｜人工智能預測了兩種蛋白質如何形成參與酵母DNA修複的複合體

87.0.1秒完成氣動材料軟硬切換築

新加坡和美國研究團隊共同研發了一種輕薄、安全、價格低的“鍊甲”智能織物。這種面料是空心八面體聯結、由 3D 打印而成，通過氣壓調節，可實現0.1 秒内柔軟和堅硬狀态的自由切換。

圖丨“鍊甲”智能織物的設計和原型

（來源：Nature）

88.手術機器人完成全球首例全髋關節置換手術

由中國自主研發制造的TRex-RS手術機器人為一名重度髋關節發育不良的患者實施了全球首例全髋關節置換手術，這标志着中國手術機器人技術在關節外科領域已經達到乃至超越國際一流水平。

圖｜手術機器人

89.軟體機器人成功挑戰馬裡亞納海

受深海生物特性的啟發，中國研究團隊開發了一種能用于深海探測的無線自供能軟體機器人，他們通過在馬裡亞納海溝最深 10900米處和南海最深 3224 米處進行實際測試，驗證了這種機器人具有極好的耐壓和遊泳性能。這種深海機器人，是一種典型的仿生裝備與系統。該項成果入選2021年中國科學十大進展之一。

圖｜機器人設計與深海試驗

（來源：Nature）

90.史上首次一軍用無人機自主攻擊人類

聯合國安理會5月的報告稱，一架軍用無人機在沒有接到任何指令的情況下自主對人類發起襲擊，這或為曆史上首次。此事發生于2020年3月，利比亞政府軍與利比亞國民軍司令哈夫塔領導的軍事勢力發生沖突之際，一架土耳其軍事科技公司STM生産的“Kargu-2”型無人機在未接到任何指令的情況下，襲擊了利比亞哈夫塔爾國民軍陣營的撤退士兵。

圖｜土耳其軍事科技公司STM的“Kargu-2”型無人機

91.手機天線尺寸縮小100倍，未來有望植入人體

中國科學家突破現有瓶頸，使天線可集成化和微型化，其研發的小型天線由微機電系統（MEMS）和磁電子材料結合構成，從而能通過聲學波驅動磁偶極子諧振産生電磁波的輻射。這種天線基于一種聲學波和磁子的耦合效應：在壓電材料與磁性材料組成的結構中，當壓電材料被施加電壓時會産生變形，并傳遞至磁性材料使其變形，産生震蕩，并最終完成電磁波的發射，滿足信息無線傳輸的所需。

圖｜具有巨大磁電耦合的低頻磁電天線

5、生态能源、交通與建設工程

01、能源新興技術

92.全球首艘100%氫燃料電池動力商用船舶

全球首艘100%氫燃料電池動力商用船舶建成，并在美國西海岸為正式運營做準備。該船配備了由零排放工廠（Golden Gate零排放海運公司）提供的氫燃料電池組件，該氫燃料電池組件包括360千瓦的燃料電池和一個重達246千克的儲氫罐。此外，該系統還集成了由XALT提供的100千瓦時锂離子電池和BAE系統提供的2組300千瓦電力推進系統。氫燃料電池動力系統具有與柴油相當的動力、操作靈活性、零碳排放和維護簡便的優勢。

圖｜半固态高溫熔鹽金屬空氣電池結構

（來源：Zhang et al., 2021.）

93.全固态锂電池商業化進程加速

中國研究團隊設計并合成了一種全新的氯化物固态電解質——氯化锆锂（Li2ZrCl6），該材料不但完美繼承了氯化物固态電解質獨特的優勢，還成功突破了固态電解質成本高昂以及濕度耐受性差兩大瓶頸，為全固态電池的商業化進程掃除障礙。該項成果入選2021年中國科學十大進展之一。

圖｜不同氯化物固體電解質的原材料估價

（來源：Nature Communications ）

94.鈣钛礦電池突破21.6%光電轉化率

澳大利亞研究團隊在太陽能轉化為電能方面取得了 21.6%的效率，這是針對 1 平方厘米以上面積鈣钛礦太陽能電池的新世界紀錄。這意味着，這種鈣钛礦電池在陽光照射下，每平方米可以産生 216 瓦的電能。為制備低串聯電阻的鈣钛礦太陽能電池，提供了切實的可行性方案。

圖｜鈣钛礦太陽能電池的性能記錄

（來源：Science）

95.全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）創造新的世界紀錄

基于40多年努力，有“人造太陽”之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）創造新的世界紀錄，成功實現可重複的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，向核聚變能源應用邁出重要一步，是中國首次在國際上采用全金屬主動水冷第一壁、高性能鎢偏濾器、穩态高功率波加熱等關鍵技術。

圖｜“人造太陽”1.2億攝氏度成功“燃燒”100秒時，内部的紅外影像

96.實現曆史性核聚變突破

美國國家點火裝置(NIF)産生了一種聚變反應，這種反應産生的能量比點燃它所需的激光能量更多。NIF使用來自世界上最高能量激光的脈沖來壓縮胡椒粒大小的氫同位素氘和氚膠囊。這種方法每次發射産生170千焦的聚變能量——遠低于1.9兆焦的激光輸入。但在8月8日記錄顯示，該能量飙升至1.35兆焦耳。研究人員認為這是燃燒等離子體的結果，這意味着聚變反應産生了足夠的熱量，可以像火焰一樣通過壓縮燃料傳播。該研究入選《科學》十大科學突破之一和《物理世界》十大突破之一。

圖｜為了産生美國國家點火裝置（NIF）的聚變反應，192束激光束會聚在一個微小的燃料芯塊周圍

97.全球最大核聚變裝置ITER即将啟動彩排實驗JET

源于歐洲聯合環狀反應堆（JET）将在今年 6 月份進行氘氚核聚變實驗。核聚變反應是一種産生能量的方式。太陽釋放的能量就是核聚變反應，人們現在所使用的能源，大部分是太陽在曆史時期和現在釋放的能量。如果物理學家能夠掌握核聚變反應的方法，在地球上制造幾個“小太陽”，那麼地球上的資源将取之不盡，用之不竭。

圖｜龐大、精密、複雜的ITER一拖再拖，反複跳票

02、建設工程

98.中國首個海底數據艙

中國首個海底數據艙在珠海高欄港揭幕，标志着中國大數據中心走進海洋時代。“海底數據中心項目(Project UDC)”是将服務器等互聯網設施安裝在帶有先進冷卻功能的海底密閉的壓力容器中，用海底複合纜供電、并将數據回傳至互聯網；海底數據中心(UDC)通過與海水進行熱交換，利用巨量流動海水對互聯網設施進行散熱，有效節約了能源、資源。

99.中國成功突破“貪吃蛇”鑽井技術“限速”

中國自主研發的旋轉導向和随鑽測井系統中的高速率脈沖遙傳技術在渤海油田南堡區塊實現重要突破，傳輸速率同比提升24倍，同比提高鑽井時效20％。至此，中國在這一被稱為“貪吃蛇”的鑽井技術領域成功突破“限速”，正式跻身世界前列，為該技術大規模産業化應用鋪平道路。

圖｜“貪吃蛇”系統随鑽頭入井

100.世界最快高鐵

由中國自主研發設計、自主制造的世界首台高溫超導高速磁浮工程化樣車及試驗線啟用，标志着高溫超導高速磁浮工程化研究實現從無到有的突破。該車采用全碳纖維輕量化車體、低阻力頭型、大載重高溫超導磁浮技術等新技術和新工藝，設計時速620千米，有望創造在大氣環境下陸地交通的速度新紀錄。