【创研报告】日本颠覆性技术创新计划研究要点

创新研究2021-02-10 07:37:22


来源:中国科协创新战略研究院《创新研究报告》

第104期(总第109期)2016-10-31


编者按:为促进给社会带来变革的颠覆性创新,支持具有挑战性、高风险性的创新活动。2016 年 4 月,日本内阁府与科学技术振兴机构(Japanese Science and Technologies Agency, JST) 联合推出 “日本颠覆性技术创新计划”(Impulsing Paradigm Change through Disruptive Technologies Program,ImPACT)。该计划的推行将对日本经济社会具有巨大的影响力,能够为未来产业生产、经济增长和社会发展带来根本性的转变。该计划中的各领域设有项目经理(program manager,PM),他们作为研究项目负责人,与传统的研究者不同,主要负责本领域内研究人员和研发机构的任务分配以及项目的管理。本文将围绕各个领域的研究要点及内容做简要介绍。


ImPACT 始于 2014 年,是一个综合性科技创新计划,作为政府科技创新的司令塔, 主要促进高风险、 高冲击性的研发活动,以实现可持续发展的创新系统。最初该计划只有 12 个领域,在 2016 年 1 月颁布的“第五科学技术基本计划”后又新增加了 4 个领域。各领域设有项目经理,他们在自己的研究构想下勇敢挑战科技前沿,社会各界对他们的研究成果报以很大期待。


一、超薄、有弹性、高强度的高分子材料


要点:解析富有弹性、不易被破坏的分子结构,并应用于廉价聚合物的研发。


高分子聚合物在人类发明的材料中用途最为广泛。但是,这种材料存在一个问题,即如果做得很薄就很容易被破坏,如果做得很厚、很硬就会变脆。本领域的目标是开发出能够同时实现前所未有的薄膜化以及高强度化的有弹性且结实的高分子材料。具备坚韧性、柔软性、自我恢复性(利用热和光还原)的高分子材料,有助于在汽车零件和运输设备开发领域实现飞跃性的突破。这种有弹性且结实的高分子材料如果能在高分子材料产业得到广泛的应用,将来可为满足安全、安心、低环境负载等社会需求做出贡献。
                              

二、以计划性手段实现偶然性突破


要点:以先进光技术为基础,跨学科融合电子工程、机械工程、基因工程、应用化学、信息科学、分子生物学的知识和方法。


传统的生命科学研究就像“寻找沙滩中的一粒金沙”,通过试错的方式找到偶然性突破。因此,发现的概率也非常低,且需要很长的时间。 本领域的研究着重于开发革新性基础技术,从而以计划性手段实现偶然性突破。为了将偶然事件转化为必然,将以先进光技术为基础,融合不同领域的知识及技术,创造细胞搜索引擎“意外新发现”(serendipiter)。该引擎可以从一兆个以上的不同种类的不同细胞群中,高速、精准地搜索到具有颠覆性性能的稀有细胞。


三、面向安全、长寿社会的泛用型电子激光器


要点:通过将激光等离子加速超小型 X 射线自由电子激光器应用于不同领域,确保电子激光器随时随地均可应用。


X 射线自由电子激光器(X-ray free electron laser, XFEL)兼备 X 射线与激光的特征,是可以在原子层面解析材料的“梦之光”。但是,这种技术的运用必须需要 km 级的大型加速器,目前日本国内实现该要求的最新实验设施(SPring-8 Angstrom Compact Free Electron Laser, SACLA) 只有一台,也不是任何人都能使用。因此,本项目通过使用激光等离子体与加速器技术的激光等离子体加速, 实现XFEL装置的超小型化。若 XFEL 装置可以随时随地应用,将在产业和医疗等领域得到广泛且有效的利用,从而实现安全、安心长寿社会的目标。


四、终极节能通信设备


要点 : 利用终极非挥发性内存和自旋电子学逻辑集成电路,实现计算机的终极省电化。


随着移动设备和“云计算”的普及,日常生活因 IT 技术而发生大变化的时代到来了。但是,目前的移动设备如果不频繁充电就无法使用。而且,越来越多的人将充电器一直连在插座上,导致能源浪费。如何利用大数据和物联网(Internet of Things,IoT)进一步减少不断增加的电力消耗成为亟待解决的问题之一。因此,本项目力争实现计算机在各内存 / 储存层面上的省电化,从而有效解决该问题。并且,本项目将极力降低IT设备的电力使用量, 实现没有充电压力且舒适环保的IT社会,营造一个即使在大规模灾害时也可以顺利获取信息的安全安心社会。


五、病(老年)人行动辅助系统


要点:促进创新性计算机控制系统的实际运用, 减少个人、家人、社会的负担。

在先进长寿的国家,重度看护成为社会共同面对的严重问题。本项目通过创新性计算机控制系统,将人的脑神经系、身体和机器人等融合、 复合在一起发挥功能, 飞跃性地改善、 扩张、放大、辅助人体机能,通过人与创新技术的融合,该系统将作为生活支援基础设施在社会上得到广泛应用。该项目目标是推进创新型人类支援技术新产业的崛起,实现重度看护零负担社会,从传统的消费型经济转变为社会问题解决型经济,实现社会和产业的变革。


六、高级高功能结构蛋白质推动材料产业创新


要点:通过模仿自然界,活用超高功能结构蛋白质素材,如蜘蛛和跳蚤等。


传统的制造产业依赖石油、金属、陶瓷等天然资源,因此未来可能会出现资源枯竭的问题。本项目主张向自然学习,创造超高性能的下一代素材,力争使日本产业竞争力得到飞跃性提高。例如,蜘蛛丝的承重性高达钢铁的 340 倍,要开发的超高功能结构蛋白质的强韧性更是超过了蜘蛛丝;将制造超高功能结构蛋白质的遗传基因嵌入微生物中,便可以用人工的方式实现规模生产。通过揭开实现高效性能的原理,确立新素材设计和加工技术的基础,就可以引起材料领域的产业革命。


七、挑战高强度机器人技术

 

要点:研发高强度的基础技术,如极限环境无障碍、极限传感、复原功能、极限环境相容性等。


日本是全球可数的灾难频发国。曾有人预计,在不久的将来, 会发生首都圈的直下型地震, 研究其对应策略也迫在眉睫。东日本大震灾中,虽然机器人在发生灾难时的有效性已显而易见,但在每时每刻都在发生变化的未知环境下,研发出真正可利用的机器人仍然很遥远。本项目的目标是开发出能够在极限灾害现场坚持高效工作的远程自律机器人。除此之外,本项目还致力于在高度竞争环境下, 研发室外机器人的关键基础技术,并为开展未来高度发达的室外服务机器人建立基础。


八、通过核反应技术回收高辐射废料


要点:获得全球首批核反应数据,提出核反应工序。确立新的核反应控制方法。


对原子能发电站已使用的燃料进行再处理时,必须将产生高水平放射性的废弃物进行玻璃固化, 并填埋在地层深处。 但是,该废弃物中包含了半衰期长的原子核素,长期保存容易产生不确定因素。在这种情况下,该项目将着力探明产生长寿命裂变产物(long lived fission products,LLFP)的核反应路径,这种产物是唯一能够通过地层处理的。通过确立合理的核转换方法,将核废料转换为稳定的原子核素或者短寿命原子核素,同时努力建立能够将回收生成物中包含的稀有金属等作为资源利用的生态系统。


九、实现有害或危险微痕迹监测的高速、多元传感系统


要点:利用超细微电子学发展昆虫在生物进化中获得的传感系统。


我们周围充满细菌、病毒、有害低分子、PM2.5 等有害危险物质。若想让所有人都过上健康舒适的生活,就要模仿昆虫出色的生物能力,利用日本擅长的超微细电子学技术,开发出超过该能力的超快速多项目传感系统。 若将此应用于智能手机、家电、汽车、眼镜、手表等中,就可以随时随地传感极微量有害危险物质,实现舒适安全、安心的社会。同时,这项技术也关系到下一代电子产业的产生。


十、通过创新型视觉技术推动新产业发展


要点:利用融合了最先进的激光和超声波的光超声波成像技术实现血管等部位的实时三维可视化。


在高龄化社会到来的背景下,患病率和需看护者的数量急剧增加,导致疾病和看护方面的问题不断扩大。同时,人们对健康、保持美丽、可以安心工作的需求以及对于食品安全和产品品质等方面的疑问也在不断高涨,实现安全安心的国民生活是重要的社会性课题。 通过本项目开发的实时三维可视化技术,让血管成像,就可以尽早发现疾病和进行预防医疗,有助于美容和健康管理,为延长健康寿命做出贡献。此外,通过灵活运用光的特征、用简易的方法记录物理性质变化的微观影像等手段,可以期待在提高食品产品结构可靠性的同时,提高日本产品的质量,从而提升产业竞争力。


十一、大脑信息的可视化和控制技术


要点:将大脑信息可视化和控制技术的发展与社会课题相结合,创造领先世界的大脑信息产业。


第二次世界大战后,日本通过以制造业为中心的创新丰富和改善了日常生活,但是近年来,不知何时会发生的灾难和人口的减少, 导致人们看不清经济发展前景, 陷入极度的不安中。在此背景下,对于企业而言,他们越来越期待将大脑信息技术应用于民生,实现大脑科学与实业的融合。为此,本项目不断推进可实现各种心理状态可视化的大脑信息解码技术以及让大脑调整为自己期望状态的反馈技术,开发脑信息大数据库并推进其国际标准化,在 2020 年以前将以上技术作为可共享的资源提供给社会。通过本项目,可利用大脑健康状态的预测算法实现心理健康护理服务,利用专家和个人大脑活动的图形系统实现默认知识学习支援服务。


十二、基于量子网络人工大脑的高度智能化社会


要点将大脑信息处理导入应用量子力学原理的量子计算机中。


在现代社会的各个领域都出现了组合最优化问题。超级计算机采用循环算法从多个组合中寻找答案,若组合过于庞大,就会花费太多的时间, 导致无法处理所有的组合。 在这种情况下,难以得出严密答案,只能得到近似解。本项目开发的新型协调型计算机(coherent computer)解决了该问题,计算机将通过量子网络连接在一起,作为量子人工大脑发挥作用。


十三、实现可即时观测的小型合成孔径雷达卫星系统


要点摒弃广泛应用的传统方式,通过第三被动平面展开天线方式,建立世界最轻、高密度收纳的小型合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)卫星系统。


当发生自然灾害和人为灾害等紧急事件时,必须利用社会基础设施,迅速采取措施并将受害情况控制到最小限度。作为此类应急社会基础设施的卫星系统,需要具备应对恶劣天气和夜间观测的能力、即时性、广域灾害对应能力以及周边地区同时观测性等。本项目将开发按需发射、可以即时观测的 SAR 卫星系统。SAR 采用与以前方式不同的被动平面展开天线方式,在 1m 级的分辨率上,实现整个卫星 100kg 级的轻量化,加强其高密度收纳性。项目目标是将量产成本也控制为以往的 1/10 左右(20 亿日元)。通过以上改进,发射可以在必要的时候观测指定区域的卫星,建立一个兼容夜间和恶劣天气、在发射几十分钟至几小时内均可观测的系统。


十四、实现新型生物制造的人工细胞反应堆


要点利用人工细胞装置实现技术创新,从而解决生物分析产业和使用酵素、细胞产业的根本问题。


生物产业被认为是一个极具潜力的领域。但是,当前产业仍然需要基础技术的革新。比如,农林水产业迫切希望用简单的方法正确地筛查遗传基因,以及实现超高灵敏度的预防流行病学检测;预防医学体系中,针对癌症和阿尔茨海默症等疾病先兆的超高灵敏度检测和定量检测技术也是关注的焦点;生物学体系则迫切希望尽早开发出凌驾于天然酶的超级酶技术,以及业内前所未有的人工细胞合成技术。本项目将通过实现新型生物制造的人工细胞反应堆,引起非连续创新。具体来说,就是根据分子集成度和目的,分三个阶段(测量、制造、增加)推进开发,通过小型、超高灵敏度生物传感装置快速处理生物质的超级酶以及有自我复制性的人工细胞来创造生物技术,并在社会上应用。


十五、仿生机器人开拓的新产业创新

  

要点 :活用具有传感器的仿生产品, 定量理解人类感性表现,消除试行错误


在人类相关机器的研发、评估、教育、训练中,由于人类感性表现丰富,因此,试行错误率高,将创新技术投入使用的周期较长。本项目将使用内置传感器的仿生产品,定量理解人类感性表现, 消除试行错误。 该项目首先从医疗方面开始挑战,开发取代人类和实验动物的、带有传感器的精巧人体模型——仿生机器人。基于该技术,开发出可以在一个小孔里进行精密手术的智能臂,实现医疗革命。若将该成果推广到其他产业就会引起新的产业革命。


十六、建立降低社会风险的超大数据平台


要点建立超大数据平台,实现大数据处理的超高速分析和超广域数据收集。


全世界可以通过网络连接的传感器设备数量在 1000 亿以上,但实际上联网并可以发送数据的设备在 2013 年时只有其中的百分之几。而且,目前尚缺乏可以在几分钟内处理几百亿数据的基础技术。因此,需要构筑一个超大型数据平台,并在此基础上有效利用国家和地区的公共医疗数据和连续测量数据,实现富有预见性的健康护理、 先行医疗服务, 延长人类健康寿命。另外一个目标是实现安全工厂,即利用该平台,消灭对工厂群的网络攻击,同时与 1000 台规模的工厂内控制机器群相连,从而提高生产效率和利润


文章来源:

http://www.jst.go.jp/impact/



编译:梁晨  曾乐融  王达

《创新研究报告》编辑:高晓巍


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