北约预测未来20年科技趋势.pdf

科技中国 2023年9月 第9期93北约预测未来 20 年科技趋势文/张丽娟（中国科学技术信息研究所）2023年3月22日，北约科技组织发布题为科学技术趋势20232043：贯通物理域、生物域和信息域的预测报告，在综合考量新冠疫情、俄乌冲突、气候变化等复杂国际形势的基础上对2020年发布的预测报告进行了更新，帮助军事和民用领域的决策者了解新兴和颠覆性技术，特别是这些技术未来将如何发展及其对北约活动的影响。一、未来科技发展呈现四大特征北约科技组织认为，未来20年的科技发展将呈现四大关键特征，这将定义军事技术的发展方向。（一）智能化利用集成人工智能、知识导向型分析能力、人工智能与人类智能共生等，提供跨技术领域的颠覆性应用。具体包括：自主性：人工智能支持的自主系统能够进行某种程度的自主决策。协同智能：心理社会技术系统的无缝集成能够支持增强型人机协作和协同行为。知识分析：开发大型数据集和基于高等数学的高级分析方法能够提供在现实中无法获得的见解、知识和建议。（二）互联化利用技术构建虚拟域、生物域和物理域内部及其互相组成的大规模网络，并通过新的加密方法和分布式账本技术互联。具体包括：可信通信：利用分布式账本技术、量子密钥分发、后量子加密和人工智能网络代理等技术确保可信的交互与信息交换。协同系统：开发允许创建新生态系统（如智慧城市）的混合（物理或虚拟）复杂系统。生物物理系统：通过人工智能、人机接口、基因组操控等技术实现人类、机器、生物与物理世界的交互。（三）分布式采用分散的、无处不在的大规模传感、存储和计算实现颠覆性影响。具体包括：边缘计算：数据存储、计算和分析（人工智能）将被嵌入靠近信息源的代理和对象中。无处不在的传感：低端（或更低成本）的传感器将创建跨人类物理域信息域的大型传感器网络。分散生产：利用人工智能辅助设计、新型材料和3D/4D打印技术支持即时本地数字化制造及生产。科学技术民主化：高性能计科技中国 2023年9月 第9期94算能力的提升、设计和生产成本的降低以及由此产生的新科学能够提高科技信息的广泛可用性，并培育创新。（四）数字化人类、物理域和信息域基于数字化的融合将带来新的颠覆性影响（包括积极和消极）。具体包括：数字孪生：利用物理、生物或信息实体的数字化模拟支持预测性分析、实验和评估。合成现实：基于心理社会技术系统的整合创造新的认知或物理现实。二、十大新兴和颠覆性技术发展趋势北约科技组织确立了十大优先技术领域，并将他们定义为新兴和颠覆性技术（EDT），包括：数据技术、人工智能、机器人与自治系统、空间技术、高超音速技术、量子技术、生物与人类增强技术、材料与先进制造、能源与推进技术、电子与电磁技术。其中：量子技术、生物与人类增强技术、材料与先进制造以及部分数据技术（如6G）被认为是新兴技术，未来20年将成熟，但对北约的影响尚不清楚；其他技术被认为是颠覆性技术，未来510年有望对北约产生重大或颠覆性影响。北约科技组织基于自己的研究网络对这十大技术的未来发展趋势进行研判，重点包括各技术领域自2020年以来取得的突出进展、未来细分技术领域的发展趋势（含到特定时间节点对北约军事能力的影响程度和技术就绪度，该报告将技术对军事能力的影响程度分为中等、重大和颠覆性三级）、各国英文论文发表情况（该报告分析所用英文论文来源于Microsoft Academic、arXiv、MedRxiv、bioRxiv数据库，统计周期为2018年到2021年）等。（一）数据技术数据是所有新兴和颠覆性技术的支撑技术。自2020年以来，分布式账本技术、高级分析和可视化使用的增加以及新网络和无线技术（如6G）的发展正在加速对数字数据骨干网的需求，这能够连接分散式传感器和指挥控制（C2）节点。未来20年，数据技术领域的重点技术发展趋势如表1所示。从论文发表量来看，在数据技术领域排名前十的国家及占比为：美国（44%）、英国（13%）、德国（12%）、中国（10%）、法国（7%）、意大利（6%）、加拿大（5%）、日本（5%）、澳大利亚（5%）、西班牙（4%）。其中，北约国家占7席。（二）人工智能颠覆性的人工智能应用以及人工智能作为科学技术发展推动者的作用一直是物理、信息和生物科学及相关技术取得重大进步的关键因素。同时，人工智能实践的局限性正在引发探索新的、更强大和更可信的方法，这将超越深度学习和人工智能物联网的发展，但通用人工智能不太可能在未来20年内实现。人工智能领域的重点技术发展趋势如表2所示。从论文发表量来看，在人工智能领域排名前十的国家及占比为：美国（41%）、中国（16%）、英国（11%）、德国（10%）、法国（5%）、日本（5%）、加拿大（5%）、意大利（4%）、澳大利亚（4%）、印度EDT重点技术领域影响技 术 就 绪 度（TRL）时间（年）数据技术高级计算与方法重大7820252030新型应用与决策（如群体决策）重大5620302035分布式账本技术重大5620252030创新网络重大5620302035联网传感器和传感重大5620252030数据存储重大7820222025网络重大5620252030表1 数据技术领域的重点技术发展趋势科技中国 2023年9月 第9期95（4%）。其中，北约国家占6席。（三）机器人与自治系统人工智能和储能领域的发展正在推动日益复杂和强大的自主系统的发展。成本降低、广泛可用性和战场上的创造性使用推动了机器人与自治系统的创新。未来20年，机器人与自治系统领域的重点技术发展趋势如表3所示。从论文发表量来看，在机器人与自治系统领域排名前十的国家及占比为：美国（35%）、德国（15%）、英国（12%）、法国（8%）、意大利（7%）、中国（7%）、日本（5%）、西班牙（5%）、加拿大（5%）、瑞士（4%）。其中，北约国家占7席。（四）空间技术商业企业和战略竞争对手正在加速推动空间技术的发展。持续的天基通信（如StarLink）在敌对地区的影响尤其值得注意。同时，反卫星研究越来越受到关注，在轨维修能力有望推动实现成本更低、时间更长的在轨运行，新的推进系统有望增加非近地（地月）空间的使用并降低发射成本。未来20年，空间技术领域的重点技术发展趋势如表4所示。从论文发表量来看，在空间技术领域排名前十的国家及占比为：美国（43%）、德国（20%）、英国（19%）、法国（11%）、中国（10%）、意大利（10%）、日本（8%）、西班牙（8%）、加拿大（7%）、澳大利亚（7%）。其中，北约国家占7席。（五）高超音速当前，全球正在研发具有广泛军事用途的混合式发动机，部署可操作的高超音速导弹系统，并制定有效的对抗措施。未来20年，高超音速领域的重点技术发展趋势如表5所示。从论文发表量来看，在空间技术领域排名前十的国家及占比为：美国（43%）、英国（12%）、加拿大（4%）、中国（4%）、德国（4%）、法国（4%）、瑞士（3%）、澳大利亚（2%）、荷兰（2%）、印度（2%）。其中，北约国家占6席。（六）能源与推进技术能源领域的发展正在推动更多的军事探索以及电力推进和用于先进储能的新型电池化学的采用。对全球大规模太阳能生产以及地面和地外天基小型核反应堆、钍反应堆和聚变反应堆的研表2 人工智能领域的重点技术发展趋势EDT重点技术领域影响技术就绪度（TRL）时间（年）人工智能高级人工智能颠覆性342035或（+）应用（如ChatGPT）重大5620252030反人工智能颠覆性3420302035人机共生颠覆性342035或（+）EDT重点技术领域影响技术就绪度（TRL）时间（年）机器人与自治系统先进机器人与自治系统重大5620252030应用重大5620252030反机器人与自治系统重大3420302035人机协作重大3420302035表3 机器人与自治系统领域的重点技术发展趋势EDT重点技术领域影响技术就绪度（TRL）时间（年）空间技术通信重大920222025反空间技术重大5620302035平台重大920222025推进和发射系统重大920222025传感器重大7820222025表4 空间技术领域的重点技术发展趋势科技中国 2023年9月 第9期96究表明，到2030年下半年或2040年代初期，安全和广泛可用的能源生产将具有广阔前景。其中，人工智能和新型材料已经并将继续成为推动此类发展的关键因素。未来20年，能源与推进技术领域的重点技术发展趋势如表6所示。从论文发表量来看，在能源与推进技术领域排名前十的国家及占比为：美国（34%）、中国（16%）、德国（14%）、英国（11%）、法国（8%）、意大利（7%）、日本（7%）、印度（5%）、西班牙（5%）、俄罗斯（4%）。其中，北约国家占6席。（七）生物与人类增强技术疫苗（如新冠疫苗）奇迹般的快速发展和工程病原体的潜在发展尤其值得注意。生物制造、合成生物学和3D生物打印的进步正在加速。未来20年，生物与人类增强技术领域的重点技术发展趋势如表7所示。从论文发表量来看，在生物与人类增强技术领域排名前十的国家及占比为：美国（34%）、中国（25%）、英国（8%）、德国（7%）、日本（6%）、加拿大（4%）、澳大利亚（4%）、法国（4%）、意大利（4%）、印度（4%）。其中，北约国家占6席。（八）材料与先进制造研究室温超导体、石墨烯和其他二维材料的新用途、新型半导体材料等对未来技术发展具有重大潜在影响。增材制造和生物打印的应用呈现爆炸式增长，严重扰乱了当前的医疗和物流系统。未来20年，材料与先进制造领域的重点技术发展趋势如表8所示。从论文发表量来看，在生物与人类增强技术领域排名前十的国家及占比为：美国（36%）、中国（19%）、德国（12%）、英国（9%）、法国（7%）、日本（6%）、印度（5%）、意大利（5%）、西班牙（4%）、瑞士（4%）。其中，北约国家占6席。（九）电子与电磁技术新型非硅材料和半导体设计正在构建更快的芯片和专用处理器（如神经形态计算芯片）。未来20年，电子与电磁技术领域的重点技术发展趋势如表9所示。从论文发表量来看，在电子与电磁技术领域排名前十的国家及占比为：美国（31%）、EDT重点技术领域影响技术就绪度（TRL）时间（年）高超音速反高超音速重大3420302035运载工具与推进器重大5620302035表5 高超音速领域的重点技术发展趋势表6 能源与推进技术领域的重点技术发展趋势EDT重点技术领域影响技术就绪度（TRL）时间（年）能源与推进技术能源生产重大5620252030储能重大5620302035推进技术重大5620252030传输技术重大5620252030EDT重点技术领域影响技术就绪度（TRL）时间（年）生 物 与 人 类增强技术生物工程与遗传学重大5620302035生物信息学重大7820252030生物制造重大3420302035生物传感器和生物电子学重大3420302035认知增强颠覆性342035或（+）人机共生颠覆性342035或（+）体能增强重大5620302035社交增强重大5620302035表7 生物与人类增强技术领域的重点技术发展趋势科技中国 2023年9月 第9期97中国（25%）、德国（12%）、英国（8%）、日本（7%）、法国（7%）、印度（6%）、意大利（5%）、西班牙（4%）、俄罗斯（4%）。其中，北约国家占6席。（十）量子技术量子技术利用原子和亚原子尺度的量子物理学现象，特别是量子纠缠和叠加，支持密码学、计算、精确导航与授时、传感与成像、通信和材料领域的重大进步。未来20年，量子技术领域的重点技术发展趋势如表10所示。从论文发表量来看，在量子技术领域排名前十的国家及占比为：美国（34%）、德国（16%）、英国（12%）、中国（12%）、法国（9%）、意大利（7%）、日本（7%）、西班牙（5%）、加拿大（5%）、瑞士（5%）。其中，北约国家占7席。三、七大技术组合或将带来真正的颠覆性影响北约科技组织预计以下技术间的协同作用和相互依存关系将对未来军事能力产生颠覆性影响：（一）数据人工智能自主技术自主技术、大数据和人工智能通过智能化、广泛分布和廉价的传感器以及自主实体（物理的或虚拟的）进行协同组合，能够利用创新型技术和方法产生潜在的军事战略和作战决策优势。（二）数据人工智能生物与人类增强技术人工智能与大数据相结合，将有助于推动新药设计，实现定向基因改造和直接操控生化反应，研制新型生化威胁和生物传感器。（三）数据人工智能材料技术人工智能与大数据相结合，将有助于设计具有独特物理特性的新材料。这将推动二维材料和新技术的应用取得进展。（四）数据量子技术未来1520年，量子技术将显著提高传感能力、安全通信能力和计算能力，这将支持提高指挥、控制、通信、计算机、情报、监视与侦察（C4ISR）系统的数据收集、处理和利用能力。（五）能源材料人工智能在石墨烯等新型材料以及更坚固的轻质材料和新颖设计的推动下，储能领域的新进展将继续推动军事行动中实现电气化或使用绿色燃料（如氢能和生物燃料）。人工智能将支持这些设计和材料开发，并优化能源使用。EDT重点技术领域影响技术就绪度（TRL）时间（年）材料与先进制造纳米材料与纳米制造重大5620252030新颖设计与增材制造重大5620252030新型材料重大3420302035表8 材料与先进制造领域的重点技术发展趋势EDT重点技术领域影响技 术 就 绪 度（TRL）时间（年）电子与电磁技术天线（如宽带、4D阵列）重大920222025定向能武器重大5620302035微电子重大920222025光电子与激光重大7820252030频谱和签名管理重大5620252030表9 电子与电磁技术领域的重点技术发展趋势EDT重点技术领域影响技术就绪度（TRL）时间（年）量子技术通信重大3420302035信息科学与计算重大342035或（+）传感器重大342035或（+）表10 电子与电磁技术领域的重点技术发展趋势科技中国 2023年9月 第9期98（六）空间技术高超声速技术材料技术基于特殊材料、新颖设计、小型化、储能、制造和推进技术方面的进展将降低利用空间技术和高超声速技术的成本，并提高可靠性，改善性能，同时推动部署价格低廉的任务定制型生产系统。（七）空间技术量子技术在量子密钥分发通信的推动下，天基量子传感器将会是十分适合部署在卫星上的高精度传感器。量子传感器赋能的天基传感器网络将会是未来1015年军事情报、监视和侦察（ISR）架构的关键部分。四、与2020年版科技趋势预测的对比与2020年北约发布的科技趋势预测报告进行对比发现，新版报告在新兴和颠覆性技术的识别、对中国的评述和研究方法方面发生较大变化。在新兴和颠覆性技术的识别方面：新版报告增加2项技术，分别为能源与推进技术、电子与电磁技术，表明近几年来这2项技术的颠覆性影响正在显现，特别是能源与推进技术、材料技术和人工智能的组合被新增至将产生颠覆性影响的技术组合中。在对中国的评述方面：新版报告在空间技术、高超音速技术和量子计算三大章节重点提及中国，概述了中国在这三大技术领域的重大进展，并视为北约的重大挑战。特别是在高超音速技术领域，北约认为其处于战略劣势地位。在研究方法方面：新版报告增加了基于论文的各国研究实力对比，结果显示，美国在所有技术领域的发文量均占据榜首，中国在所有技术领域都进入前十行列，其中人工智能、能源与推进技术、生物与人类增强技术、材料与先进制造、电子与电磁技术位列第二，与美国差距较小。值得注意的是，除中国和电子与电磁技术领域的俄罗斯外，在各技术领域位列前十的均为北约国家或美国盟友国家。