科学前沿 “把制造业搬到太空去” － 西安交大发布21世纪24个重大科学问题观察

2016年4月20日《陕西日报》第九版

      科学一旦插上想象的翅膀，就会给世界带来不可思议的变化。沿着西安交通大学近期发布的24个重大科学问题，我们正在渐渐触摸未来，让人类社会朝更好的方向发展。
        在太空旅行中，只需携带一台3D打印机，就如同携带一个大型工厂，随时随地制造需要的物品。
      本世纪下半叶，机器的智力有可能达到人类所期望的水平，机器能否具有自我意识、情感和反思能力，无论对科学和哲学来说，这都是一个引人入胜的探索领域。
      风力发电很好地弥补了能源过度消耗的难题，却也对区域的气候带来明显的影响，面对温室效应，人类到底何去何从？
      ……
      这些不是科幻大片，而是科学家们的预言。
      4月8日，来自西安交通大学的5位院士和多位千人计划特聘专家、长江计划特聘学者联合发布了面向21世纪自然科学和社会科学24个重大问题。
      其中，既有先进制造、未来电力、人工智能、大数据等自然科学领域，又有全球法律治理、人口与社会政策等社会科学领域的重大科学问题。
      科技改变世界，沿着这24个重大科学问题，我们正在触摸未来。
      “24”：瞄准国家的重大需求
      中国工程院院士卢秉恒：3D打印是更加深刻影响现在和未来的技术。中国必须研发核心技术与原创技术，打造自己的创新链与产业链。
      在这24个重大科学问题中，卢秉恒提出“把制造业搬到太空去”：太空3D打印在真空、失重、极端温差环境下进行，有望实现一台小设备打印无限大的东西，且打印件性能优异，同时还可节约能源消耗，避免相关污染。
      虽然这是一个充满浪漫主义的提法，背后却是中国由一个制造大国向制造强国迈进的坚定信念和不懈努力。
      制造业是兴国之器。为加速我国制造业的转型升级，2015年3月25日，李克强总理组织召开国务院常务会议，部署加快推进实施“中国制造2025”。也正是这次国务院常务会议，审议通过了《中国制造2025》。
      科技是第一生产力。作为智能制造的重要组成部分，3D打印已成为未来制造业的战略高地。不同于传统的减材制造，3D打印属于增材制造，它直接由设计数据驱动，不需要传统制造必须的工装夹具模具制造等生产准备，仅在需要的地方堆积材料，材料有效利用率接近100%。
      “3D打印是从质和量两方面对国家战略地位和今后的科技发展都产生重大影响的技术，我们现在就需要布局，争取抢占这一战略性高地。”被誉为中国3D打印开拓者之一的卢秉恒院士说。
      不仅如此，3D打印在“创材”与“创生”有非同一般的表现，无疑将为材料科学和技术、生命科学和医疗技术乃至整个制造业带来巨大颠覆性变革。
      无论是人工智能、终极半导体、抑或是无人驾驶车辆，盘点自然科学领域的重大科学问题，不难发现，科学家们把自己的科学研究与中国的发展需求紧密地结合在一起，服务国家发展战略，特别是为中国制造业的创新发展、转型升级提供重要的科技支撑。
      “24”：搏击世界学术最前沿
      中国工程院院士郑南宁：“阿尔法围棋”4∶1战胜人类，人工智能取得了令人瞩目的进展，这是否意味着机器即将获得类人智能了呢？要实现这一目标，人工智能还面临三大挑战。
      如果说3D打印的竞争是如何在世界范围内占领制造领域的先机，那么对人工智能的研究，则是影响人类未来发展的一个重大科学命题，吸引了世界各国的科学家投入其中，郑南宁无疑就是其中之一。
      今年3月，谷歌团队研发的阿尔法围棋（Al-phaGo）战胜拿过14个世界冠军的围棋名将李世石，人工智能的出色表现再次让世人震惊。
      “人工智能是由人工制造出来的系统所表现出来的智能，其核心问题包括推理、规划、学习、感知能力等。未来人工智能的挑战，将是如何处理非完整信息下模拟人的智能，从而辅助人类提升生产力，更好地服务人类。”郑南宁说。
      而要让人工智能像人一样的“思维”和行动，郑南宁认为还面临着三大挑战。
      挑战一：机器需要具备在没有人类过多监督和指令的情况下进行学习的能力，或在先验知识和少量样本的基础上完成学习。
      挑战二：感知能力是智能的最重要的组成部分，如能让机器像人类一样感知和理解世界，就能够解决人工智能研究领域长期以来面临的规划和推理方面的问题。
      挑战三：使机器具有自我意识、情感以及反思自身处境与行为的能力。而这也是实现类人智能最艰难的挑战。
      搏击世界学术最前沿，让人类社会朝更好的方向发展，也许就是科学家们身负的使命。
      中国工程院院士邱爱慈发布的“Z箍缩聚变电站”就是这样一个科研问题。可控热核聚变能源被认为是人类未来彻底解决能源与环境问题的主要希望所在。Z箍缩惯性约束聚变以其能量转化效率高、装置造价相对低等优点，有望实现聚变裂变混合堆发电。
      同样关注能源与环境的问题，中国科学院院士何雅玲则将研究重点放在“能源消耗与温室效应”和“风能利用与局部气候变化”上。她这样预测：“大规模的利用风能可能对全球气流的运动产生影响。中国可能成为世界上最大风电生产国，在兴建更多风电厂之前，应当通过多学科交叉融合的研究，更深入了解和掌握风电厂对地方及全球气候系统的影响。”
      “24”：融入国民经济主战场
      中国科学院院士徐宗本：大数据技术是国家创新发展的核心驱动力，也是解决众多国家重大需求问题的一个共性基础。而将大数据转化为现实的生产力，我们面临三大挑战。
      充分发挥科技创新在全面创新中的引领作用，是科技融入国民经济主战场的重要方式，也是科学家们脚踏实地解决现实发展问题的重要途径。
      24个科学重大问题，既着眼于未来，又以当前发展瓶颈为突破点，蕴藏巨大的推动力。在徐宗本看来，“大数据里蕴藏大价值。信息社会里，通过解读碎片化信息，使大数据已经成为一个新的高新技术、一类新的科研范式、一种新的决策方式，乃至成为一种文化。”
      据预测，在全球七大重点领域内，包括教育、交通、消费、电力、能源、大健康以及金融等，大数据的产业价值预计在上万亿美元。
      党的十八届五中全会明确提出了“国家大数据战略”，“我们预测，大数据、传感器与软件，是制造业发展的‘新三基’。”徐宗本说，“通过制造大数据分析产生的智能信息，推动形成创造知识和价值的新兴制造业，推动创新设计、智能制造、智能监控产业发展，将可望形成新的制造业态，为中国制造业的转型提供革命性的技术支撑。”
      但要真正实现大数据的大价值，特别是将大数据转化为现实的生产力，徐宗本认为，还面临三大挑战。一是科学基础的挑战，必须重建统计学基础、计算基础与逻辑基础；二是计算技术的挑战，必须采用革新的计算模式和新的计算方法；三是真伪性判定的挑战，从大数据中产生结论、形成决策的方法论基础不坚实，直接运用大数据结论就可能是不可靠的，甚至是危险的，难免让大数据变成“大忽悠”。
      除了大数据，中国工程院院士郑南宁提出的“无人驾驶车辆技术”问题无疑就是人工智能的一种应用研究。
      近年来，世界主要发达国家均将无人驾驶车辆的研发作为探索认知科学、突破人工智能技术、发展智能汽车产业的重要途径。郑南宁认为，不远的将来，无人驾驶就可以成为整个交通的一个重要的组成部分，可以应用在国防、智能交通系统和残疾人生活质量改善等方面，为国家安全和社会发展作出重要贡献。
      21世纪24个重大科学问题
      自然科学：6个领域、12个重大问题
      先进制造
      1、把制造搬到太空去
      2、碳时代的制造技术
      未来电力
      3、Z箍缩聚变电站
      4、弹性电力系统
      能源环境
      5、能源消耗与温室效应
      6、风能利用与局部气候变化
      人工智能
      7、人工智能的挑战
      8、无人驾驶车辆技术
      大数据
      9、大数据解译中的数学
      10、大数据产业
      空天与半导体
      11、终极半导体
      12、太空工程中心
      社会科学：4个领域、12个重大问题
      全球法律治理
      13、世界投资体制的未来
      14、一带一路”的法律架构
      15、Gx时代的全球治理
      社会发展与治理
      16、发展模式
      17、公正社会
      18、社会共同体
      人口与社会政策
      19、性别失衡社会的治理与发展
      20、低生育与老龄化社会的后果和应对
      21、移民搬迁与人类福祉
      管理理论与实践
      22、科技发展与人类心灵
      23、大数据与管理2.0时代
      24、绿色发展与管理
      卢秉恒：中国要打造自己的3D 打印创新链和产业链
      3D打印技术正处于一个技术的井喷期，产业的起步期，企业的跑马圈地期，是从质和量两方面对国家战略地位和今后的科技发展都产生重大影响的技术。
      目前，中国在3D打印研究方面处于国际前列，但金属打印的商业化设备及国产工业级装备的关键器件还主要依靠进口。工业级3D打印材料基本依靠进口。中国必须研发核心技术与原创技术，研究制定3D打印的数据标准，在航空件和高端医疗器械方面，加速3D打印个性化制造产品准入的标准研究，推动新技术的应用，打造自己的创新链与产业链。
      郑南宁：人工智能是把双刃剑
      人工智能有助于人类应对气候变化问题、解决环境生态问题、治疗疾病、老龄化社会等人类社会发展与生存所面临的重大挑战，在未来人类社会发展中扮演着不可替代的重要作用。
      但同时人工智能发展是一把双刃剑，我们要关注人工智能的发展将会带来深刻的伦理道德问题，人类必须谨慎从事。我们需要的是“帮助人类而不是代替人类”的人工智能，人工智能的目的不是把机器变成人，也不是把人变成机器，而是要扩展人类的智能和能力，解决人类社会发展所面临的重大问题，这才是科学界、各国政府和人类社会应该认真对待人工智能发展的意义所在。人们需要某种道德伦理的约束和完善外部监督，来保护人类免受人工智能的发展所带来的负面影响。
      徐宗本：建立国家数据资源库
      在大数据时代，除了上帝，任何人都要用数据说话，这就是大数据时代的文化和智慧。
      大数据产业发展除受大数据技术发展的制约外，面临的最主要挑战：一是来自数据资源管理的公共政策，二是与行业的深度融合，特别是将大数据技术无缝嵌入到生产、服务与管理全过程。
      建议国家在战略、政策、生态、文化等方面，特别是在促进数据资源共享和开放、推进重点行业先行、围绕产业转型升级等方面，能够统筹规划、出台政策、扎实推进。
      同时，要抓数据资源管理与国家数据资源库建设，强化数据是国家资源的意识。当前要特别注意大数据资源意识所诱发的行业数据保护以及数据资源流失与滥用问题等。