当前，上海正加快建设具有世界影响力的社会主义现代化国际大都市，强化科技创新策源和高端产业引领等“四大功能”。上海市科学学研究所运用技术预见的方法，突出科技发展趋势、瓶颈与攻关重点以及市场前景，对人工智能、医疗健康、信息技术、材料、能源、城市民生等领域做了梳理分析，分别提出了一批“十四五”期间需要关注的领域方向，形成《蓝色风向标：前沿科技领域产业创新趋势》一书。
一、科技发展新趋势正加速孕育经济发展新赛道
基础研究与应用性基础研究的发展不断拓展人类认知的同时也在勾勒新赛道的雏形。城市及城市群为科技创新提供了海量的应用场景，科技正在日益提速的应用发展中催生城市经济的新赛道。
科学领域交叉跨界渗透愈加明显，新赛道的源头供给呈现群体突破态势。宇宙演化、量子科学、生命起源、脑科学等的原创突破正在开辟科学研究的新疆界，以数字信息、生命科学、物质与能源、材料制造、深空与深海探测等为典型代表的科研领域正呈现集群化发展，孕育重大突破。
应用性基础研究驱动产业领域发展，成为新赛道起跑的预备口令。具有快速转化潜力的应用性基础研究被赋予厚望，能够直接支撑应用需求的基础材料研究、生命科学研究、脑及类脑研究等应用性基础研究成为全球科研的热点，例如生命科学的基因组及表型组研究、神经科学研究、重大疾病研究；信息科学的延迟忆阻神经网络、记忆采样数据控制、自适应视觉跟踪等。
科学技术的研究范式正在发生深刻变化并持续演进，为新赛道发展增添了加速度。新科学、新技术、新产业的诞生不再遵循单一的“线性”模式，加速推动知识、技术、产业的融合迭代是国家、地区、城市在新一轮科技革命中异军突起的主要路径。大规模协同创新不断拓展科研前沿，推动重大科学问题的解决。开放式、体系化科技创新组织模式成为主流。大数据研究成为继实验科学、理论分析和计算机模拟之后新的科研范式。
二、科技创新的国际赛道竞争热点日渐清晰
美国、中国、俄罗斯、欧盟、英国、日本、印度等围绕信息技术、生物医药、能源及资源、航空航天、先进制造等领域进行了高密度的战略部署和任务布局，竞争态势日趋激烈。
数据驱动成为加速信息技术赛道创新发展的重要动力。信息技术大大深化了对人们个性化需求的挖掘能力，将人类从大规模数据中总结规律的能力大大提升，使知识发现、因果分析和未来预测成为可能。人工智能与先进计算技术、人工智能与自动化、人工智能与大数据等跨领域融合发展成为发展趋势，网络化、平台化、生态化成为产业新范式。信息技术赛道各方竞争的焦点涉及信息安全与管理、人工智能算法及应用、人工智能芯片及智能硬件、信息接入与新型传感器、物联网、区块链、脑机接口、量子计算机等。
生物技术赛道产业化进程再加速。随着基因技术、干细胞技术及细胞工程学等前沿技术的深入发展，针对疾病的单一治疗方案将逐渐被精准治疗所取代，针对病因和治疗靶点的精确判定将给患者带来个性化和定制化的治疗方案，显著提高疾病的预防和诊断能力。此外，单细胞基因活性分析、人类细胞图谱及整合功能图谱、干细胞与再生医学、干细胞治疗和免疫治疗等新兴技术和治疗方式的深入发展也将为疾病救治与健康维持带来革命性进步。在新型药剂研制方面，一些国家研发的新兴技术，如利用电子束快速确定分子结构、蛋白质-RNA液滴、新机制和新靶点化学药物、抗体药物等，也都将进一步提升患者的生存质量，是生物医药领域的研究热点。生物技术赛道各方竞争的焦点涉及脑及神经研究、基因编辑与合成、基于分子和细胞的早期检测、精准医学、癌症治疗、远程及可穿戴医护设备、肢体和器官的再生及增强等。
新型材料赛道加速引领行业变革。低碳化、绿色化、定制化，功能材料的多功能化、集成化、智能化，结构材料的高性能化、复合化和低成本化等是新材料发展的主要趋势。在先进材料领域，3D打印材料、新能源材料不断取得重大突破，新型半导体材料和显示材料继续强势发展，而量子芯片材料已经成为研发热点。纳米技术在新农业、生物医学、防御材料、航空交通、节能环保等多元化领域的应用，以及石墨烯材料在水处理、高精度制造及电子信息等领域的应用，将给各领域和行业开创新的发展版图。新型材料赛道各方竞争的焦点涉及新型半导体材料、超导材料、仿生和医用材料、电池材料、复合材料、可再生和可降解塑料、纳米材料、轻量化及高强结构材料、石墨烯、材料的仿真和测试等。
能源领域赛道清洁化和可再生化为趋势，将为产业变革发展带来新的契机。为应对全球气候、环境、生态及能源供需等一系列问题，全球能源发展格局正在积极转型。太阳能、风能等可再生能源的充分利用及并网调控，智能电网、煤炭清洁转化、碳捕捉利用与封存以及光伏技术的深入发展都将促进能源领域向清洁化和低碳化发展，可再生能源的发展瓶颈也将逐一打破。此外，一些国家在深海探测、海洋能源与资源开发、海洋观测和监测传感器、非常规油气资源开发、全新节能技术、废弃物和无毒物质安全有效循环利用等领域的技术开发也将从另一层面改善全球能源发展现状。能源产业与新兴互联网技术的融合、能源大数据的深入应用、新能源汽车的产业化发展也将重塑能源产业的发展模式，进而加速推进全球能源的转型。能源领域赛道各方竞争的焦点涉及催化制氢、核电及核废物处理、非常规油气及矿产开采、电池及储能、柔性和智能电网、碳捕捉、高温超导、资源循环、太阳能、生物质资源等。
先进制造赛道正迎来数字化和个性化的未来。数字孪生技术通过虚拟环境模拟实验，将大幅减少制造过程中的风险、成本、污染和损耗，实现从产品设计、生产计划到制造执行的全过程数字化。增材制造技术在降低资源消耗的同时也将带来新的设计理念、生产方式和商业模式，在顺应绿色发展模式下实现定制化产品制造。先进制造赛道各方竞争的焦点涉及数控装备、核心软件、工业机器人、纳米机械及纳米制造、学习算法、传感控制、智能识别、超级人工智能、人工智能处理器、人机交互、自然语言处理、自动驾驶、大型飞机制造及控制系统、先进航空发动机、电驱飞机、卫星集群、新型火箭等。
三、持续谋划开辟上海经济发展新领域新赛道
新领域新赛道的培育需要提前布局、久久为功，纵观科技创新的国际赛道竞争热点，结合上海促进“五型经济”发展加快培育具有战略性和前瞻性的新兴产业集群的基础条件，以下几个领域方向在“十四五”期间需予以重视。
1.脑科学与类脑人工智能
有关大脑学习记忆、抉择等认知神经网络机制的研究，不仅可以揭示大脑智能信息处理的奥秘，更可为人工智能的研制提供全新的理论指导以开发出能力更强的智能设备和机器人，还可为前额叶皮层和高认知功能异常导致的阿尔茨海默病等与记忆相关的脑疾病的治疗提供帮助。根据国际风险投资数据库CB Insights的数据，脑科学领域的全球市场规模预计将在2024年突破100亿美元，2020-2024年的复合增长率有望达到17%。对大脑神经网络和认知机制的研究分别是对大脑开展“硬件”和“软件”层面的解析，而类脑智能算法和类脑智能技术应用的创新则分别是在“软件”和“硬件”层面的输出接口，能够直接催生新兴产业。
2.精准医疗与新医疗
精准医疗以大样本人群基因组、蛋白质组、代谢组信息和表型数据为基础，对疾病的深层次原因进行深度挖掘，精确寻找到疾病发生的原因和治疗的靶点，并对同种疾病的不同状态和过程进行精确亚分类，最终实现对疾病和患者的个性化精准治疗，提高疾病诊治和预防的效益。液体活检技术通过基因测序对血液中的循环肿瘤细胞（CTC）、血浆游离DNA（ctDNA）和外泌体进行定性和定量的追踪，实现了更为便捷、有效的早期诊断。随着人工智能技术的新一轮发展，图像识别、深度学习等技术正渗透到药物研发、影像诊断识别、临床辅助治疗等多个医疗领域，成为新医疗的一面代表性旗帜。以基因疗法、细胞疗法、寡核苷酸、糖生物学为代表的革命性、创新性疗法研发项目近年激增。众多一度专注于基因组市场的生物技术公司都在向微生物组领域拓展，以开发新的诊断和治疗产品。未来，对微生物组的利用将渗透到人类健康评估监测、慢性病早期诊断、新药研发、个体用药等多个方面，预计5年内会形成新的产业。
3.先进计算
先进计算是从单一的计算设备及技术向多元化计算系统及应用的演进，既包括基于传统半导体技术架构的产业演进，又包括换道型的前沿理论及模式、服务创新。先进计算正从以存算一体化、分布式计算的架构创新和以芯片工艺、结构的硬件创新为主，逐步拓展到材料、算法，最终到基础理论的发展应用；由大体积、高能耗、集中式的计算设备向小体积、低能耗、分布式的多元化计算生态演化迈进；重构计算、内存计算等催生摩尔定律不断打破物理极限，量子计算、生物计算不断拓展新兴领域；面向云计算的软件逐渐替代单机版基础软件，持续进步的计算技术推动信息产业突飞猛进，后者加速发展又促进了前者的持续创新，推动计算技术、应用、模式向更先进的方向演进发展。先进计算技术发展方向主要有两类：一是对现有架构的不断优化升级，如高性能计算、云计算、大数据计算、人机物三元融合计算等；二是对未来新型计算架构的颠覆性创新，如量子计算、类脑计算等。
4.新型材料
材料领域更靠近创新链和产业链的上游，更强调循序渐进和长期积累的研究过程。但看似缓慢的变化背后也积聚着巨大的能量，一旦释放将导致市场格局和产业走势的剧变。其中尤其需要关注的材料包括：新型半导体材料、柔性玻璃、有机-无机混合的钙钛矿构形材料、性能多样的超材料、液态自驱动金属、热电材料填充方钴矿、新型二维材料黑磷、纳米压电材料、智能纤维、超导材料、仿生材料、车用新材、新型显示材料等等。
5.低碳能源
展望“十四五”及今后更长时期，我国进入加快培育和发展战略性新兴产业的关键时期，同时也迎来发展绿色低碳产业的重要机遇期。智能户用分布式光伏系统、可控核聚变、海上风力发电等低碳能源生产领域，钙钛矿太阳能电池、有机空气电池、高性能负极材料全固态电池、动力电池回收及梯次利用等高效低碳储能领域有望带来经济发展新动能。例如，国际市场研究机构Markets and Markets发布的报告显示，预计到2025年，全球锂离子电池回收市场规模将达122亿美元；国际原子能机构预测，未来10年，除中国外，全球约有60-70台百万千瓦级核电机组开工建设，依照百万千瓦级核电机组综合造价约150亿元计算，未来10年国际核电市场规模将高达1万亿元。
6.城市建设与民生发展
面向人民未来美好生活的多元化需求和城市未来可持续发展的需求，一批先进技术将在城市民生领域加速应用，创造更加宜居、宜业、宜学、宜乐、宜游的城市环境，推进城市生产、生活和生态和谐发展，同时也孕育着经济发展的新赛道机遇。原位土壤修复、更深层的城市地下空间开发、城市微更新、建筑垃圾资源化综合利用等城市建设相关方向，食源性致病菌快速检测、功能补偿辅具、区块链食品安全、沉浸式娱乐等民生高度相关的领域方向，都有机会催生新一轮的经济增长。例如，半月谈网分析文章指出，万亿元级土壤修复市场将加速启动，土壤修复成为环保产业下一个“风口”；中国产业信息研究网发布的《2019—2024年中国智能服装行业市场调查研究及发展前景预测报告》显示，2024年我国智能服装的市场规模将达到2995亿元人民币；华创证券公司预测，2022年我国康复医疗产业规模将可能达到上千亿元，年复合增长率大于18%；国际数据公司（IDC）预计，2022年全球智能家居市场规模将增至1.7万亿元人民币。
（作者：庄珺，研究员，现为上海市科学学研究所产业创新研究室主任。）