2021年世界科技进展100项
时间：2022-08-27 22:00:00
来源：三思派
作者：李万，钱娅妮
1
生命、生物、医学健康
01
新冠疫情
1. 第一次看到新冠肺炎患者体内蛋白质的变化
中国科学家分析了新冠肺炎死亡患者体内多器官组织样本中蛋白质分子病理的全景图，相当于将医生在显微镜下看到的人体感染新冠肺炎后细胞组织的变化放大了数万倍，达到了蛋白质分子的水平。看哪些分子的变化导致人体器官的病变和衰竭。这是世界上第一次详细系统地分析新冠肺炎感染人体后多个关键器官的反应。
新冠肺炎死者多器官蛋白分子病理全景图
2.首次揭示逃逸抗病毒药物机制
中国科学家发现并重构了病毒加帽中间态复合体mRNA加帽复合体和错配校正复合体，并阐明其工作机制。揭示了新冠肺炎转录复制机的完整组成形式；发现病毒聚合酶的核苷转移酶结构是催化剂mRNA帽成熟的关键酶明确了帽结构的合成过程，为开发新型、安全的广谱抗病毒药物提供了新的靶点；发现病毒以反向追溯的方式去除了不匹配的碱基和抗病毒药物，阐明了瑞德西韦等药物的分子机制，为聚合酶抗病毒药物的优化提供了关键的科学依据。该成果入选2021年中国科学十大进步之一。
3.新冠肺炎最完整的基因注释图谱
美国研究小组绘制了迄今为止最完整的新冠肺炎基因注释图。在通过大量相似的病毒基因组后，他们确认了新冠肺炎（SARS-CoV-2)基因组中未发现的六种蛋白质编码基因。
02
认知生命
4.首例AI 脑机接口技术使瘫痪患者能够自由沟通
美国科学家首次用脑机接口帮助一个瘫痪超过一个 15 年失语男子 BRAVO1 恢复了说话的能力。脑接口是指人或动物大脑与外部设备之间的直接连接，实现大脑与设备之间的信息交换。该成果被选为2021年《物理世界》十大突破之一和《科技日报》评选的国际十大科技新闻之一。
图 | BRAVO1 电极阵列区域(来源:加州大学旧金山分校)植入大脑
5.成功治疗一例重度抑郁症患者
美国科学家团队通过植入类似于神经起搏器的装置，成功地缓解了难治性抑郁症。这一概念验证研究表明，大脑活动可以用来为神经精神疾病提供个性化的治疗，但也代表了神经科学进步在精神健康领域的应用，并取得了里程碑式的成功。
图|大脑起搏器
6.揭示鸟类迁徙路线和长途迁徙关键基因的原因
历时12年，中国科学家利用卫星跟踪数据和基因组信息建立了一套北极猎鹰迁徙研究系统，发现猎鹰主要使用五条路线穿越亚欧大陆，西部猎鹰离迁徙，东部长距离迁徙。从最后一个冰盛时期到新世界的转变过程中，冰川消退引起的繁殖和越冬变化可能是迁徙路线形成的主要历史原因。研究还发现，移民距离较长的游猎鹰携带ADCY与长期记忆形成有关的优势等位基因表明，长期记忆可能是鸟类长期迁徙的重要基础。本研究结合遥感卫星跟踪、基因组学、神经生物学等研究手段，阐明了鸟类迁徙路线变化的原因和遗传基础。该研究成果被选为中国十大科学进步之一。
7.100小时完成最高精度猕猴脑图谱测绘
中国科学家自主研发了一种高通量、高精度的三维荧光成像 VISoR 绘制技术和灵长类脑图 SMART 该过程实现了猕猴大脑微米分辨率的三维分析。VISoR 可在成像系统中 100猕猴全脑样品在小时内完成 1×1×2.5 猕猴全脑图像采集微米三维分辨率，研究了两个猕猴大脑图像的原始数据 1PB(数据存储相当于数千万亿字节 113 块 10T 硬盘)，世界上精度最高的灵长类动物的脑图谱。
猕猴大脑的三维高分辨重建图（a）、截面图（b）、展示内部神经纤维（c），部分神经纤维的全脑示踪和可视化（d）（来源：Nature Biotechnology）
03
基因、细胞、胚胎
解锁古土DNA宝库
科学家们从洞穴地面的土壤中解锁了一个更大的古代DNA宝库。研究人员使用这种土壤DNA来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8万至11.3万年前生活在那里的人类的遗传特征和性别，并表明尼安德特人的一个谱系在10万年前结束的冰川期之后取代了其他几个谱系。在美国佐治亚州Satsurblia洞穴有2.在5万年的土壤中，科学家们发现了尼安德特人系的女性基因组，以及野牛和灭绝狼的遗传痕迹。本研究入选科学十大科学突破之一。
图|一名研究人员记录了墨西哥奇基维特洞穴沉积物样本的位置
9.只有480个基因的人工细胞可以正常分裂
2016年，美国科学家以支原体基因为造了世界上最小的基因组(473个基因)细胞。它被称为syn3.可以代谢分裂，但后代形态异常。2021年，美国生物学家通过syn3.在0中解决了形状异常的问题。其中两个基因在细胞分裂中起着重要作用，但其他五个基因的具体功能尚不清楚。这也是人工细胞中最小的基因组，可以正常分裂。
图|不断优化的人工生物基因组成
10.重建体外卵巢，成功制造卵子
日本研究人员利用小鼠胚胎干细胞创造卵母细胞成熟所需的结构——卵巢中的卵泡。在干细胞产生的体外卵泡中，原始生殖细胞产生功能齐全的卵子，最终受精并孕育出健康的小鼠后代。
图|过度激活不同的信号通路，诱导小鼠多能干细胞分化，获得卵巢细胞的特征和多样性
11.首次证明CRISPR基因编辑疗法对人类有疗效
基因编辑工具CRISPR镰状细胞病和镰状细胞病在2020年首次出现或可治愈β—地中海贫血患者的功能。今年，科学家们进一步部署在人体内CRISPR-Cas9。美国科学家测试了6名罕见的转甲状腺素淀粉样变性病患者的治疗方法。结果表明，所有参与者的畸形蛋白质水平均下降，其中两名接受高剂量注射的人的蛋白质水平均下降87%。该研究被选为十大科学突破之一和十大科学新闻之一。
图｜来自CRISPR注射指导。RNA（蓝色）将DNA将切割酶(白色)引导到其目标(橙色)。
12.第一个人类胚胎完整模型
由美国研究人员领导的团队成功地使用了多能干细胞分化来诱导早期人类胚胎样结构。该结构与囊胚胚胎相似，能正确表达相应的基因和蛋白质，并能在体外发育2-4天，形成羊膜囊等结构。2021年，世界十大科技进选为世界十大科技进步新闻。
两个团队使用了不同的方法
13.第一人猴嵌合体胚胎
在实验室里，中外科学家共同制造了世界上第一个人猴嵌合体胚胎 20天空的生长。这种有争议的做法可以帮助人们开发新的疾病治疗方法，并为器官移植找到新的方向。
14.创造无胚化人类胚胎学技术
对人类胚胎早期发育的研究对了解生命和繁殖具有重要意义。但由于样本获取难度大，对活胚胎的体内外研究受到严格伦理的限制，人类对胚胎早期发育的研究几个世纪以来基本处于技术真空状态。为了打破这一技术真空，中国科学家最初与多能干细胞和机械微系统合作，重建了早期胚胎发育结构及其动态进化过程，并率先开发了一系列无胚胎人类胚胎技术。
图｜干细胞（来源：blog.eardoctor.org）15.肠道菌群的绝大多数特征都显示出某种程度的遗传性
美国研究团队详细分析了14年来收集的16000多份野生狒狒的粪便样本，最终澄清了关于肠道菌群的一个长期误解。他们发现，对于定居在肠道内的各种微生物，宿主自身遗传因素起到的作用比人们过去以为的大得多，肠道菌群的绝大多数特征都显示出某种程度的遗传性。
图｜肠道菌群
16.首次揭开细菌“飞奔”的秘密
中国科学家揭示了细菌“快速运动之谜”，细菌鞭毛马达工作原理终于得以解开，这一成果将给抗生素设计带来新思路。该研究首次以高清形式，展示了鞭毛马达的不同组件如联动杆、外膜环、周质环、内膜环、分泌装置、接头装置等，也首次系统地揭示了沙门氏菌鞭毛马达的组装和扭矩传输机制。
图｜鞭毛马达结构与工作机制的示意图
（来源：Cell）
17.首次发现昆虫可以“偷窃”植物基因
中国科学家在国际上首次揭示昆虫能如何通过水平基因转移的方式，“偷窃”植物基因，协助自己分解植物的有毒分子。为探索昆虫适应性进化规律开辟了新的视角，也为新一代靶标基因导向的烟粉虱田间精准绿色防控技术研发提供全新思路。该项成果入选两院院士评选的2021年中国十大科技进展新闻。
图｜烟粉虱利用来自植物的基因化解植物中的有毒物质
18.异源四倍体野生稻快速从头驯化获得新突破
中国科学家团队首次提出了异源四倍体野生稻快速从头驯化的新策略，旨在最终培育出新型多倍体水稻作物，从而大幅提升粮食产量并增加作物环境变化适应性。本项研究为未来应对粮食危机提出了一种新的可行策略，开辟了全新的作物育种方向。该项成果入选两院院士评选的2021年中国十大科技进展新闻。
图｜异源四倍体野生稻与二倍体栽培稻的植株表型
19.建成世界最大的小鼠全脑神经元数据集
中美科学家团队建成迄今世界最大的小鼠全脑1741个单细胞神经元数据集，包含来自皮层，屏状核，纹状体和丘脑等脑区神经元，并进行了神经元分型方面的研究，根据投射特征和转录组特征，鉴定了11种投射类别。
图丨单细胞水平的 11 种长程投射神经元类型的形态学和投射特性（来源：Nature）
04
恶性疾病的预防与治疗
20.首个由中国学者命名的运动障碍性疾病
一种新的运动障碍性疾病综合征——“瘢痕舞蹈综合征”（scar dancing syndrome），这是首个由中国学者命名的运动障碍性疾病。该类患者进行口服药物治疗后，往往没有效果。不过相关研究发现：多靶点的肉毒毒素注射治疗，可以改善部分患者的疼痛和肌肉异常运动。
图｜瘢痕舞蹈
21.提高中晚期鼻咽癌疗效的高效低毒治疗新模式
鼻咽癌放疗后的全身微小残留肿瘤是其治疗失败的根源，而由于放疗后患者身体状况差，难以耐受既往高强度的传统化疗（完成率仅约40%-50%），成为制约疗效提高的瓶颈。中国科学家提出了小剂量、长时间口服细胞毒药物卡培他滨的节拍化疗模式，其可通过抗血管生成、杀伤肿瘤干细胞等机制持续抑制肿瘤，同时提高机体耐受性。此研究入选2021年度中国生命科学十大进展。
22.MDMA可治疗创伤后应激障碍
美国科学家团队进行的一项多中心、随机、对照试验发现，3,4-亚甲基二氧基甲基苯丙胺(MDMA) ，显著减轻了创伤后应激障碍(PTSD)患者的症状。76名受试者，部分接受了3次MDMA治疗，部分接受了安慰剂指导治疗课程。2个月后，67%的接受MDMA治疗的患者不再有PTSD症状，而安慰剂组则仅有32%。该研究入选《科学》十大科学突破之一。
图｜研究人员对创伤后应激障碍（PTSD）使用MDMA治疗
23.阿尔茨海默病治疗重要进展
美国科学家证实了抑制神经炎症和神经元死亡对于阿尔茨海默病治疗的重要性与可行性，这一发现对于新药开发有着指导意义。死于神经炎症的脑细胞，数量是死于淀粉样蛋白沉积和神经原纤维缠结的脑细胞的十倍，即便存在淀粉样蛋白沉积和神经原纤维缠结，但只要不引起神经炎症，就可能控制住阿尔茨海默病的病情。
24.用癌细胞重组纳米疫苗实现肺癌预防痊愈
中国科学家研发出一款纳米疫苗，在小鼠癌症模型中对小鼠肺癌和黑色素瘤的预防痊愈率分别为100%和70%。相比 CAR-T 等技术，纳米疫苗不仅更方便，价格也会更便宜。
图｜纳米疫苗的制备和纳米疫苗诱导的肿瘤特异性免疫反应的简要示意图
25.颠覆百年癌症代谢理论
美国科学家发现肿瘤细胞并非此前认为的高代谢葡萄糖的罪魁祸首，而是被称为巨噬细胞的免疫细胞存在较高葡萄糖高代谢水平。这一发现颠覆了过去百年来的肿瘤微环境中新陈代谢竞争的普遍观点，有助开发新的抗癌疗法和用于癌症诊断与检测成像新策略。
图｜肿瘤微环境
26.喝绿茶能抗癌的分子机制
绿茶对肿瘤的化学预防作用主要归因于多酚类化合物，其中表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）最为重要。在EGCG诱导的抗肿瘤特性中，p53发挥了重要作用。p53通常被称为“基因守护者”，是一种重要的肿瘤抑制因子。然而，关于EGCG如何与p53相互作用的分子机制尚不清楚。一项最新研究中，来自美国研究团队发现了p53和EGCG之间存在一种前所未知的直接相互作用，并解释了EGCG如何增强p53的抗癌活性，从而为开发抗癌药物指明了新靶点。
27.癌细胞竟会全体“冬眠”躲过化疗
科学家们发现癌细胞会进入一种类似“冬眠”的状态，几乎不需要任何营养，非常低调地“熬”过化疗阶段，等待卷土重来。可喜的是，探索这一机制的研究人员，也已经找到了针对这种耐药性的抗癌策略。
图｜在化疗诱导下，癌细胞可以进入一种缓慢生长的状态，并且似乎所有癌细胞都拥有这种能力
28.首次发现人体存在“组织液循环网络”
中国科学家在国际上首次发现了“人体组织液循环网络”的解剖学结构，并首次提出了“组织液循环网络”学说，即在已知的血液循环系统、淋巴循环系统之外，人体还存在第三种体液循环系统——“组织液循环网络”系统。该研究有望建立一种新型给药方式，即在穴位区注射药物，通过与这个穴位连接的特定组织液循环网络，有可能实现针对特定器官的靶向药物治疗。
05
仿生学、器官移植
29.首次研发仿生关节外骨骼模型
中国科学家团队以节肢类生物中的两类优势种群生物为研究对象，包括甲壳类的珍宝蟹和波士顿龙虾，首次提出一种具有一对反向共轭面的刚柔一体的外骨骼模型，并将其应用于人手外骨骼的设计中，通过融合生物关节优势与人体运动特性，克服了目前手功能损伤患者所用的康复辅助设备中普遍存在的体积重量大、机械结构复杂、传动效率低、适配性差等缺陷。因此，这种新型仿生关节可用于可穿戴式外骨骼康复机器人。
图｜关节模型原型的运动捕获（来源：IEEE Access）
30.成功创建首个人类胰腺3D类器官模型
美国科学家从人类干细胞来源的胰腺祖细胞(PP)细胞中产生胰管样或腺泡样器官结构的尝试，用于模拟外分泌胰腺的发育和疾病。
31.世界首例人工角膜移植手术成功
以色列初创企业的人工角膜研发成功，帮助失明十年的78岁老翁顺利恢复视力，随着时间的推移，人造眼角膜和眼白完全融合，且创伤面积小，伤口恢复得很快。这是人类史上人工角膜移植手术临床试验的一项重大进展。
图｜CorNeat Vision 公司设计的人工角膜
32.世界首例猪肾已被移植到人体内
美国科学家将来源于猪的肾脏首次移植到人体中，目前暂时没有产生排异反应。如果手术成功，这将表明猪的器官可以被安全地用于拯救人类生命。该成果入选科技日报评选的2021年国际十大科技新闻之一。
33.全球首个人类自组织心脏类器官
维也纳研究团队使用人类多能干细胞成功培养出全球首个体外自组织心脏类器官模型，该模型可自发形成空腔，自主跳动，无需支架支持。同时，这种心脏类器官在受伤后可以自主动员心脏成纤维细胞迁移修复损伤。
06
生物合成
34.光驱动“细胞工厂”
中国科学家提出光驱动“细胞工厂”：以CO₂代替葡萄糖，碳中和的同时高效产出高值化合物。光合细胞工厂是基于光合微生物发展起来的一种新型合成生物技术。光合细胞工厂能够直接利用CO₂和太阳能合成包括白藜芦醇、花青素、青蒿素等具有较高市场价值的植物天然产物，同时缓解了当今世界所面临的“气候”和“健康”两大难题，既吸收了温室气体CO₂，又能带来有价值的产物。
图丨光合细胞工厂
35.人类首次突破二氧化碳人工合成淀粉技术
中国科学家首次报告了从二氧化碳合成人造淀粉的路线。这是世界上首次在实验室实现二氧化碳到淀粉的从头合成，代表着人类人工合成淀粉领域的重大颠覆性和原创性突破，对于粮食安全、外星探索、气候变化都有着巨大意义。他们设计出一种化学酶系统，借此也设计出一种仅由11个核心反应组成的人造淀粉合成代谢路线，将二氧化碳转化为淀粉。与之对比，自然界利用光合作用合成淀粉需要 60 余步。此研究入选2021年度中国生命科学十大进展和2021年中国科学十大进展。
图｜通过计算设计的人工淀粉合成途径
36.世界首家细胞培育肉工厂诞生
以色列细胞肉公司Future Meat Technologies（FMT）用生物反应器取代鸡舍、谷仓和屠宰场。工作人员使用培养基过滤再生专利技术，由于可支持高细胞密度，因此可帮助克服成本难题。FMT成为业内少有的、利用培养基过滤再生技术实现规模量产的公司。
图｜FMT 的细胞培育肉工厂
07
考古与远古生命生态
37.脊椎动物从水生到陆生演化的遗传创新机制
4亿多年前脊椎动物从水生到陆生是包括人类在内的陆生脊椎动物演化史上的重大事件，但长期以来对这一重大事件的遗传创新机制知之甚少。中国科学家发现硬骨鱼祖先已进化出了陆生适应性相关的初步遗传基础，在肺鱼代表的肉鳍鱼内得到进一步加强，到四足动物最终完善而成功登上了陆地。此研究入选2021年度中国生命科学十大进展之一。
图｜脊椎动物水生到陆生演化过程的主要遗传创新
38.中国发现全新古人类支系“龙人”
中国科学家通过研究头骨，发现了“龙人”这一新人种。通过数据对比以及铀系测定的直接证据证明龙人头骨化石的年代大概率来自中更新世晚期的湖相地层，并证实龙人的年龄老于14.6万年，而该时间段恰好是智人和其他古人类分开演化的关键时期。
图｜龙人头骨化石（来源：The Innovation）
2
深空、深海、新空间拓展
39.首次观测到黑洞磁场
视界望远镜得到了第一张显示超大质量黑洞附近区域光偏振情况的图像。这种偏振现象表明，在物质加速进入黑洞M87*（这个黑洞的质量超过太阳的60亿倍）的区域存在强磁场。进一步的研究或许将有助于研究某些黑洞如何形成将物质和辐射喷发到周遭宇宙空间中的巨大喷流。该成果入选《物理世界》十大突破之一。
图｜磁旋：偏振光下的超大质量黑洞M87*图像，图中的线代表偏振方向，与黑洞阴影周围的磁场相关
40.中国航天全年发射55次位居世界第一
2021年中国航天发射次数达到55次，位居世界第一，发射次数和航天器数量再创历史新高。2021年长征系列运载火箭发射总数创造历史，在2021年完成了48次发射，创造了年度宇航发射总数的历史。这一年间，长征系列运载火箭完成了第400次发射，长征五号B、长征二号F、长征七号运载火箭用5次发射完成了今年的载人航天工程空间站建造任务，这背后不仅是数量的变化，更是国家航天工业实力、宇航任务执行力与国家整体科技实力在新时代的质变。
图｜长征三号乙运载火箭发射成功
2021年5月15日7时18分，天问一号探测器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区，我国首次火星探测任务着陆火星取得成功。迈出了我国星际探测征程的重要一步，实现了从地月系到行星际的跨越，在火星上首次留下中国人的印迹，使我国成为第二个成功着陆火星的国家。该成果入选2021年度中国科学十大进展之一。
2021年4月29日，天和核心舱成功发射。神舟十二号、神舟十三号载人飞船分别于6月17日、10月16日成功发射并与天和核心舱成功完成对接。该成果入选2021年度中国科学十大进展之一。
10月14日18时51分，中国在太原卫星发射中心采用长征二号丁运载火箭，成功发射首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”。实现中国太阳探测零的突破，这标志着中国正式步入“探日”时代。该星将实现国际首次太阳Hα波段光谱成像的空间探测，填补太阳爆发源区高质量观测数据的空白，提高我国在太阳物理领域研究能力，对我国空间科学探测及卫星技术发展具有重要意义。
图｜“羲和号”发射成功
41.首次确证月球的火山活动可以持续到20亿年前
中国科学家利用过去十多年来建立的超高空间分辨率的定年和同位素分析技术，对嫦娥五号月球样品玄武岩进行了精确的年代学、岩石地球化学及岩浆水含量的研究。结果显示，嫦娥五号玄武岩形成于20.30±0.04亿年，确证月球的火山活动可以持续到20亿年前，比以往月球样品限定的火山活动延长了约8亿年。该研究成果入选中国科学十大突破之一。
42.“洞察”号首次揭示火星内部结构
自“扎根”火星以来，美国国家航空航天局（NASA）的“洞察”号火星探测器在其着陆点测量了大约733次地震。科学家基于其中35次地震的数据，揭示了火星的内部结构，估计了火星地核的大小、地幔的结构和地壳的厚度。这也是科学家第一次使用地震数据来探测地球以外行星的内部，这是了解火星形成和热演化的重要一步。该研究入选《科学》十大科学突破之一。
图｜地震波显示火星有一层薄薄的地壳、浅层的地幔和一个异常大的液体核心
43.人类直升机首次成功在火星上空飞行
北京时间4月19日18点55分左右，NASA宣布人类直升机首次在火星试飞成功。这架名为“机智”号（Ingenuity）的小型直升机是此前跟随NASA毅力号火星车一同抵达火星的。机智号仅重1.8公斤，高0.5米，由两个反向旋转的旋翼提供升力。旋翼由碳纤维制成，直径达1.2米，驱动电机功率350瓦。机智号的主要目的是进行技术验证，验证人类采用飞行探测地外星球的全新技术。
图｜火星上的直升飞机
44.商业航天新突破
北京时间2021年5月6日6点20分左右，SpaceX星舰原型（代号SN15）在得克萨斯州博卡奇卡（Boca Chica）成功进行了高空飞行测试，这是SpaceX星舰原型第五次挑战10公里级高度，也是首次没有发生爆炸事故的完美着陆。
图｜SN15成功从10公里高度落下站住且没爆炸
2021年2月4日，SpaceX发射了60颗星链互联网卫星进入轨道，这是猎鹰 9（Falcon 9）火箭的第50次发射，代表着该公司可重用性火箭的又一里程碑。
北京时间 2021 年 1 月 24 日 23 时，美国佛罗里达卡纳维拉尔角发射基地，SpaceX 的猎鹰 9 号火箭携 143 颗卫星顺利发射升空，突破航天记录。
美东时间7月11日上午，维珍银河创始人理查德·布兰森（Richard Branson）搭乘太空船二号成功从约86千米高的亚轨道返回。他成为商业航天试飞第一人，也成为年龄第二大的宇航员。
美国时间9月15日晚8点02分，特斯拉CEO马斯克旗下，美国太空技术探索公司SpaceX的猎鹰9号火箭与“二手的龙”飞船，载着4名机组人员，成功从NASA肯尼迪航天中心发射升空本次任务的代号为“灵感4号”（Inspiration 4）。此次飞行任务中，灵感4号飞船预计将在太空中停留长达3天左右，以90分钟绕地球一圈的速度运行，这是世界上首次全员平民的飞行。
图｜机组合影
美国当地时间10月13日上午10:50分，蓝色起源NS-18飞行器完成第二次载人太空飞行。短短3个月，贝索斯再一次成功将4名乘客送入太空，整个飞行过程约10分钟。同时，进入太空的最高年龄刷新了记录。90岁《星际迷航》柯克船长终于圆梦太空，成为登上太空最年长的人类。
图｜机组合影
2021年6月11日，起源太空“仰望一号”光学-紫外太空望远镜搭载长征二号丁火箭成功发射升空。它是中国首个光学波段太空望远镜，搭载可见光、紫外大视场天文望远镜载荷，上天后将开展多波段天文观测，同时也将成为人类在太空中大视场紫外波段最强的探测器。“仰望一号”由起源太空主导设计研发，空间光学、空间紫外望远镜将观测近距离飞掠地球的近地小天体，捕捉更详细的轨道和物态信息，为太空资源开发积累数据。进入太空后，“仰望一号”已经在轨工作超过100天，开展了多波段天文观测及商业观测合作，逐步绘制天上的“藏宝图”，也是全世界太空资源开采领域的里程碑事件。起源太空“仰望一号”获得国际天文学联合会认证的天文台站编号，使中国成为除美国外，国际上第二个拥有被国际天文学联合会认证的小天体观测空间天文望远镜的国家。
图｜仰望一号拍摄的大气层中红色幽灵
45.“实验6”科考船首次使用多联网开展作业
“实验6”科考船航行至南海北部海域，船上的科考队员在本航次中第一次使用了多联浮游生物分层拖网（MultiNet，以下简称多联网）进行科考作业。多联网是一种海洋仪器，可以自动对海洋浮游生物连续分层采样，能在连续的水层中进行水平采样和垂直采样。
图｜多联浮游生物分层拖网
3
物质、材料、化学
01
物质世界
46.粒子物理学的标准模型出现“裂缝”
美国费米国家实验室公布了缪子（μ子）反常磁矩的测量结果：实验与理论预测之间存在4.2个标准差的偏差。虽然距离宣称“发现新物理”的5个标准差仍有一步之遥，但这起码可以说明旧有的“标准模型”已经遭遇到了前所未有的挑战。如果这个发现进一步确认，可能将标志着有50年历史的粒子物理标准模型的预言失败，或打开物理学变革之门。该研究入选《科学》十大科学突破之一、《自然》十大科学新闻以及《物理世界》十大突破之一。
图｜缪子g-2实验装置中的磁铁（来源：Fermilab）
47.宇宙诞生瞬间的“第一种物质”
丹麦科学家利用大型强子对撞机（LHC），揭示了宇宙大爆炸第一个0.000001秒内发生的新细节，即第一个微秒内一种特殊的等离子体发生了什么。科学家们研究了一种叫做夸克—胶子等离子体的物质，它是在大爆炸第一个微秒内存在的唯一物质，它的独特经历是：首先，等离子体被宇宙热膨胀所分离；然后，夸克碎片重组为所谓的强子；一个有3个夸克的强子组成一个质子，是原子核的一部分，这些也是构成地球、人类和现今包容着我们的宇宙的基础核心。该研究成果入选科技日报评选的2021年国际十大科技新闻。
图｜“第一种物质”研究示意图
48.首次实现对原子核的量子相干控制
欧洲科学家团队率先实现了对原子核激发的量子相干控制。他们通过两个超短脉冲将同步加速器产生的X射线送入原子核中。他们通过调整脉冲相位实现了铁原子核在相干增强激发和相干增强发射之间的切换。除了可以促使我们更好地认识量子物质，这项成果还可能加速新技术的发展，比如超精准的核时钟以及可以储存大量能量的电池。该项成果入选《物理世界》十大突破之一。
49.首次“抓住”单个原子
美国物理学家首次将单个原子“固定”在原位，并观察到了以前未见过的复杂原子相互作用。到目前为止，人们只能通过涉及大量原子的实验统计平均来了解这个量子过程，这项实验在现有知识的基础上进行了改进。
50.首次合成三维人工自旋轨道耦合
中国研究团队利用超冷原子体系国际上首次实现了三维人工自旋轨道耦合，且构造出只有一对外尔点的最基本外尔半金属（Weyl Semimetals）拓扑能带。
图｜三维自旋轨道耦合（来源：Science）
51.在超冷费米气体中观测到泡利阻塞现象
美国三支研究团队各自独立地在超冷费米气体中观测到了泡利阻塞现象。当构成气体的原子几乎占据所有可能的低能量子态时，就会出现泡利阻塞现象，它会阻碍原子通过小幅跃迁进入邻近量子态。泡利阻塞现象会影响气体原子散射光的方式。未来某一天，我们或许可以借助这项技术改进基于超冷原子的相关技术，比如光学时钟和量子中继器。该项成果入选《物理世界》十大突破之一。
52.成功精确测定三维表面原子结构
对于一般三维纳米材料的三维表面原子结构的单原子水平测定仍然是一个难题。在此，韩国研究者使用铂纳米颗粒作为模型系统，在15 pm精度下测量的三维原子结构。
53.首次发现原子团簇“旋转木马跳”
中外科学家团队联合利用原位高温透射电子显微学对Al60Cr20Fe10Si10系十次准晶在高温下的原子跳跃行为进行了研究，首次发现了原子团簇有类似于“旋转木马”的取向跳跃运动。这种完全不同于以往的微观粒子规律性跳跃为利用原子和原子团簇的来调控材料微结构提供了科学依据。
图｜Al60Cr20Fe10Si10系十次准晶的室温及高温下的结构特点
02
材料与化学
54.史上最冷反物质问世
加拿大科学家团队在日内瓦进行了一项名为ALPHA-2的反氢捕获实验，演示了反氢原子的激光冷却，将样品冷却到了接近绝对零度。该研究产生了比以往任何时候都更冷的反物质，并使一种全新的实验成为可能，有助于科学家在未来更多地了解反物质。此项研究入选两院院士评选的2021年世界十大科技进展新闻。
55.首次发现地球内部的超离子态矿物相
中国科学家团队使用理论计算和实验相结合的方法首次发现了地球深部的超离子态——含水矿物羟基氧化铁(FeO2H)会在压力大约75万大气压，温度高于1500摄氏度的条件时进入超离子态。这个温度和压力范围覆盖了下地幔深部的大部分区域。
图｜深下地幔高导电的超离子态
56.粒子冷却新技术
欧洲核子研究中心团队通过两项独立的研究得到了冷却粒子和反粒子的新方法。这些技术为精确检验宇宙物质-反物质不对称性的研究打下了基础。反氢激光物理装置的研究人员首次证明，可以用激光冷却反氢原子。为此，他们开发了一种能够产生121.6纳米脉冲的新型激光，以冷却反原子。随后，他们又以前所未有的精确度测量了反氢原子中的一项关键电子跃迁。这一突破为日后进一步检验反物质的其他关键特性奠定了基础。该项成果入选《物理世界》十大突破之一。
57.中国科学家观测到最高能量光子
中国科学家依托“高海拔宇宙线观测站（LHAASO）”，在银河系内发现12个超高能宇宙线加速器，并记录到能量达1.4拍电子伏（PeV，拍=千万亿）的伽马光子，这是人类迄今观测到的最高能量光子，突破了人类对银河系粒子加速的传统认知，揭示了银河系内普遍存在能够把粒子加速到超过1PeV的宇宙线加速器，开启了“超高能伽马天文”观测时代。该项成果入选2021年中国十大科技进展新闻。
图｜2021.7，LHAASO全阵列建成并投入运行
58.中国强流高功率质子加速器研制再创世界纪录
中国独立自主研制的ADS超导直线加速器样机在国际上首次实现束流强度10毫安连续波质子束176千瓦运行指标，并于2月12日凌晨实现10毫安束流稳定运行，刷新了此前创造的世界纪录。这次重大突破首次验证了全超导直线加速器可以稳定加速5-10毫安连续波质子束这一国际加速器领域长期追求的目标，为国际上同类强流高功率加速器装置建设及其一系列重大应用提供了成功先例。
03
新型材料
59.新纳米材料吸水速度提升6倍
新加坡研究人员制作出了一种全新纳米吸水材料 Co-SHM，这种薄膜状的材料能够使皮肤上的汗水快速蒸发，其吸水量是传统材料的 15 倍，吸水速度则是传统材料的 6 倍。并利用水驱动发电技术，将人体汗液中的水分收集起来，为手表、健身追踪器等可穿戴电子设备供电。
图｜WEHD 的原理图工作机制（来源：该论文）
60.高质量冰单晶微纳光纤实现10.9%的弹性应变
中美研究人员联合发现当冰生长成单晶微纳光纤时，就可以灵活弯曲，并且具有和玻璃光纤类似的性能，且能以较低的损耗传输光。
图｜冰单晶微纳光纤弹性弯曲光学显微镜照片
61.实现金刚石阵列深度弹性应变
中美科学家经研究发现钻石这种“最硬的”材料不仅可以弯曲，甚至还可发生弹性变形。他们通过相对较大的样本展示了金刚石微桥阵列如何实现同步的深弹性应变。而超大的、高度可控的弹性应变，则能从根本上改变金刚石的能带结构，最终计算出带隙在某特定取向上最多可减小约 2 eV（电子伏特），上述发现将对金刚石的电子应用产生重大影响，或开启微电子、量子应用新时代。
图｜金刚石阵列样品在原位拉伸下发生均匀弹性应变
（来源：香港城市大学）
62.全世界最硬的玻璃
中国研究团队研制出了一种全新的玻璃材料——不仅硬度超过了金刚石，并且具备金刚石不具备的韧性，以及半导体特性。研究团队使用的原材料是富勒烯（C60）。富勒烯的碳原子都是sp2杂化，结构规整，具有高度的对称性。因此，在800℃下，5GPa的压力就足以破坏富勒烯高度对称的结构。
图｜富勒烯C60
63.中国科学家攻克塑料降解难题
中国科学家研发一项新技术——无需特殊条件，一天到几周内就能完全降解塑料。研究人员将酶介入到塑料诞生的初始阶段，让其作为生产塑料的原料。具体生产塑料时，只要保证酶的功能不变，当制备出来的塑料结束使用用途、并进行再回收时，只要遇水遇热，就能唤醒酶的降解能力。
图｜36 小时后降解
64.增材制造新路线实现航天着陆器承载、隔热、减震三位一体
行星着陆器的“大底”部件的传统加工制造，一般要经过多种工艺步骤的不断尝试和耦合，目前仍面临着结构选择和材料选择有限、过程复杂、性能&功能不足等局限。基于此，中国研究人员革新传统串联式的增材制造路线，并提出“材料–结构–性能一体化增材制造”（MSPI-AM）的概念，从而实现在复杂整体构件内部，同步实现多材料设计与布局、多层级结构创新与打印，最终可实现相关构件的高性能和多功能。
图｜材料–结构–性能一体化增材制造（MSPI-AM）的概念及内涵
65.世界“最白”油漆
在寻找遏制全球气候变暖的方法上，科学家从未停止他们的步伐。美国研究团队研发了一种可以辐射制冷的硫酸钡超白漆，这种油漆不仅能反射 98.1% 的太阳辐射，还成为 “最白”的油漆。
66.无源制冷超材料织物
中国研究团队基于辐射制冷原理和形态分级设计理念，通过光学、织造技术的跨领域多学科协同创新，联合研发了一种无源随身“空调”——在阳光直射的室外环境下，可无源制冷的光学超材料织物（Metafabric）。该技术对多尺度光学层级结构进行优化，能有效调谐超材料织物在太阳光谱上精准的光学响应，并将黑体辐射达到极限，展现了相较于以往工作更优异的功能。具备零能耗、低成本、可产业化批量生产等特征，适合大规模推广制备和产业化应用。
图｜超材料织物示意图（来源：Science）
04
其他
67.同时发射30束激光表现为单一相干光源
德国科学家开发了一个由30台垂直腔面激光发射器（VCSELs）组成的阵列。这30台发射器一起发射激光时，整体表现为单一相干光源。这项成就为后续的大规模、高功率应用铺平了道路。这个研究团队利用拓扑学原理确保阵列中每台发射器发射的激光都会流经其他所有发射器，这样一来，30束激光的频率就会保持一致。该项成果入选《物理世界》十大突破之一。
68.FAST捕获世界最大快速射电暴样本
快速射电暴（FRB）是无线电波段宇宙最明亮的爆发现象。FRB 121102是人类所知的第一个重复快速射电暴，中国科学家使用“中国天眼”FAST成功捕捉到FRB 121102的极端活动期，最剧烈时段达到每小时122次爆发，累计获取了1652个高信噪比的爆发信号，构成目前最大的FRB爆发事件集合。该研究首次展现了FRB的完整能谱，深入揭示了FRB的基础物理机制。该项成果入选2021年中国科学十大进展之一。
69.中国制冷机成功实现零下273.1391℃
中国自主研发的无液氦稀释制冷机成功实现10mK（绝对零度以上0.01度）以下极低温运行。这标志着中国在高端极低温仪器研制上取得了突破性的进展。该项成果入选2021年中国十大科技进展新闻。
图｜物理所10mK原型机全貌
4
智能、信息、通信
01
70.基于光的并行卷积神经网络有望彻底“变革”AI硬件
持续增加的数据量在为 AI 提供源源不断的“动力”的同时，也对用于 AI 的电子计算硬件提出了更多的挑战，无论是在计算速度，还是在功耗方面，都已经成为严重制约 AI 发展的主要瓶颈之一。多国科学家团队开发了一种新的方法和架构，通过使用基于光的处理器或光子处理器，将处理和数据存储结合到单个芯片上。研究结果首次证明，这些设备可以快速并行处理信息，而这种能力是现有电子芯片无法做到的。
图｜新型光子处理器的并行卷积处理示意图
（来源：牛津大学）
71.实现全硅基芯片间高速光通信
在提高硅的电致发光亮度与速度以及在商用微电子芯片内部直接实现全硅基光电融合上，美国研究团队取得突破性进展，为微电子芯片光互连、短距高速光通信以及高度集成的光学传感与探测提供了全新的可能性。他们设计了一种微米级大小正向偏置全硅基 LED，在完全集成于 55 纳米制程商用 CMOS 微电子芯片（无任何实验室处理）的基础上实现了低电压、高速高亮的近红外发光，其发光强度和调制解调速度可同时达到此前类似器件实验室记录的十倍以上。
图｜硅基 micro-LED 集成在 55BCDL CMOS 上
72.中国首款7nm通用GPU
国内首款自主可控的7nm云端通用GPU在上海正式发布。该芯片为上海初创公司天数智芯研发的旗舰7nm GPGPU云端训练芯片BI，其加速卡也一并以实体形式发布，即将进入批量生产和商用交付。BI芯片能以竞品50%的芯片面积、更低的功耗，提供主流厂商产品近2倍的峰值性能。
02
量子
73.有史以来首张量子纠缠的成像照片
英国科学家团队捕捉到了世界上首张量子纠缠的实际图像。这张特殊的照片看起来可能平平无奇，就是两团模糊的灰色块，但其显示了两个光子之间的纠缠。在量子力学领域里，两个相互作用的粒子会以一种极其特殊方式“纠缠”在一起，形成一种纠缠系统，在这个系统里，无论相隔多远，两个粒子都会“瞬间”共享它们的物理状态。此前，量子纠缠已实际应用于量子计算和密码学等领域，但它从未被用图像捕获过，此次研究的成果将推动量子计算新兴领域的发展。
74.量化波粒二象性
韩国和美国科学家联合通过理论和实验，量化了光子的“波动度”和“粒子度”，并且证明，这两项性质都与光子源的纯度相关。这项成果在量子信息领域大有作用，并且能够让我们重新认识互补性原理。所谓“互补性”，最早是由量子理论先驱尼尔斯·玻尔在20世纪初提出的，这个概念是说，量子物体有时表现得像波，有时表现得像粒子。该项成果入选《物理世界》十大突破之一。
75.首次实现两宏观振动鼓面的纠缠现象
美国两支科学家团队采用不同方式率先在量子力学层面上实现了两枚此类鼓面的纠缠现象。一只团队使用了一个特别挑选的共振频率消除系统噪声。而美国国家标准与技术研究所的团队实现的纠缠态则类似一个双量子位门。这两支团队为我们打开使用纠缠共振器的大门——我们可以在量子网络中使用这类纠缠共振器，将其作为量子感应器或结点。该成果入选《物理世界》十大突破之一。
图｜美国国家标准与技术研究所科研人员使用的两枚铝鼓面
76.首款面向图论问题求解的光量子芯片诞生
中国研究团队研发出一款可编程硅基光量子计算芯片，打破了光量子计算机无法编程的质疑，展示了光量子计算的实用化潜力。据悉，该芯片有望快速实现量子计算技术在数据库搜索、图同构问题等场景中的落地应用。
图｜可编程量子行走光量子芯片概念图
77.攻克室温条件下构建预报量子纠缠难题
中国研究团队首次基于室温原子系综实现独立量子节点之间的预报纠缠。在实验中，该团队通过设计巧妙的解决方案，攻克了在室温原子系综中构建量子节点间的预报量子纠缠的难题，这促进了更加大规模可扩展、更加实用化的量子网络的发展。
图｜室温量子网络节点示意图(a) 量子网络概念图 (b) 室温量子节点建立纠缠流程图
78.世界首个移动量子链路诞生
中国研究团队首次使用光学中继，并将光学中继的节点放到处于飞行状态的小型无人机上，成功实现了纠缠光子分发实验。他们开创性地引入了无人机元素来交换量子信息和构建量子信息网络，从而实现了更远和更广的覆盖范围；同时，还极大便利了多节点移动量子网络的搭建，做到 “即搭即用”、机动灵活；这种移动式的量子网络，还可以作为一种新型量子通讯平台，与已有的地基（光纤）、天基（卫星）量子链路功能互补，构建实用化的量子互联网。
图｜相关实验（来源：Physical Review Letters）
79.首台高精度量子重力仪
中国科学家在量子重力仪研发上再次取得突破，研制出实用化的高精度铷原子绝对重力仪装备，并成功交付给中国地震局地震研究所。这是中国首台为行业部门研制的量子重力仪，意味着将打破高精度重力仪国外技术垄断的局面，为中国高端量子装备的发展提供新途径，也为行业部门的仪器使用提供了具有我国自主知识产权的新选项，更能够保障核心数据的安全。
图｜华中科技大学研制的量子重力仪正在进行测量
80.稀土离子实现多模式量子中继及1小时光存储
中国科学家在光量子存储领域取得重要突破，其将相干光存储时间提升至 1 小时，创造了新的世界纪录。这意味着向基于可搬运量子存储的远距离量子通信技术迈出了重要一步。该项成果入选2021年中国十大科技进展新闻。
图｜中科大团队光量子储存方案：
a.ZEFOZ 磁场下的能级结构；b. 系统光路示意图
81.中国团队打破“量子霸权”
中国研究团队基于新一代神威超级计算机的应用“超大规模量子随机电路实时模拟”（SWQSIM），有效模拟了一个深度为10x10 (1+40+1)随机量子电路。与谷歌量子计算机“悬铃木”200秒完成百万0.2%保真度采样任务相比较，“顶点”需要一万年完成同等复杂度的模拟，该团队SWQSIM应用则可在304秒以内得到百万更高保真度的关联样本，在一星期内得到同样数量的无关联样本，一举打破其所宣称的“量子霸权”。该项成果入选2021年中国十大科技进展新闻之一。
82.“祖冲之号”成功研制并实现可编程的二维量子行走
全球最大量子比特数的超导量子体系诞生在中国。中国科学家成功研制出全球超导量子比特数量最多的量子计算原型机“祖冲之号”。“祖冲之号”可操纵的超导量子比特多达 62 个。此外，该团队实现了对格点间隧穿幅、以及游走构型的精准调控，从而实现了可编程的二维量子行走。该项成果入选2021年中国科学十大进展之一。
图｜二维超导量子比特芯片示意图
（来源：Science）
83.实现256个量子比特模拟器
美国科学家在实验上将 256 个原子按照设计需要，排列成任意的三维形状，并进行相干操作演示量子模拟，该成果基于他们最近宣布的“有史以来最大的”256 个量子比特模拟器，产生的量子态数量甚至会超过太阳系原子的数量。
图｜该团队开发出一种量子计算机，名字叫可编程量子模拟器。图为研究人员正在调试设备，以便制造可编程光镊（来源：哈佛大学）
84.全球最快AI超级计算机开动正拼接最大宇宙3D地图
被誉为全球最快的人工智能工作负载超级计算机——Perlmutte宣布开启。这台新超级计算机以拥有6144个英伟达A100张量核心图形处理器，将负责拼接有史以来最大的可见宇宙3D地图。并且，它有望拨开物理学天空的乌云——暗能量。
图｜Perlmutte超级计算机以天体物理学家索尔-珀尔马特（Saul Perlmutter）的名字命名
03
智能
85.全球首个“自我复制”的活体机器人诞生
美国科学家发现了一种全新的生物繁殖方式，并利用其创造了有史以来第一个可进行自我复制多代的活体机器人——Xenobots 3.0。该活体机器人或许可以有助于医学的全新突破——除了有望用于精准的药物递送之外，它的自我复制能力也使得再生医学有了新的帮手，或可为出生缺陷、对抗创伤、癌症与衰老提供开创性的解决思路。此项研究入选2021年世界十大科技进展新闻。
86.人工智能预测蛋白质结构
世界知名人工智能团队深度思维宣布，已经利用AI智能软件程序——阿尔法折叠预测了人类表达的几乎所有蛋白质的结构，以及其他20种生物几乎完整的蛋白质组。AI预测蛋白质结构将实现广泛应用，提供对基础生物学的见解并揭示潜在的药物靶点。8月，中国研究人员使用AlphaFold2绘制了近200种与DNA结合的蛋白质结构图。11月，德国和美国的研究人员利用AlphaFold2和冷冻电镜绘制了核孔复合物的结构图。现在，科学家正使用AlphaFold2来模拟奥密克戎变体刺突蛋白突变的影响。该研究入选《科学》十大科学突破之一和《自然》十大科学新闻之一。
图｜人工智能预测了两种蛋白质如何形成参与酵母DNA修复的复合体
87. 0.1秒完成气动材料软硬切换筑
新加坡和美国研究团队共同研发了一种轻薄、安全、价格低的“链甲”智能织物。这种面料是空心八面体联结、由 3D 打印而成，通过气压调节，可实现 0.1 秒内柔软和坚硬状态的自由切换。
图丨“链甲”智能织物的设计和原型
（来源：Nature）
88.手术机器人完成全球首例全髋关节置换手术
由中国自主研发制造的TRex-RS手术机器人为一名重度髋关节发育不良的患者实施了全球首例全髋关节置换手术，这标志着中国手术机器人技术在关节外科领域已经达到乃至超越国际一流水平。
图｜手术机器人
89.软体机器人成功挑战马里亚纳海沟
受深海生物特性的启发，中国研究团队开发了一种能用于深海探测的无线自供能软体机器人，他们通过在马里亚纳海沟最深 10900 米处和南海最深 3224 米处进行实际测试，验证了这种机器人具有极好的耐压和游泳性能。这种深海机器人，是一种典型的仿生装备与系统。该项成果入选2021年中国科学十大进展之一。
图｜机器人设计与深海试验
（来源：Nature）
90.史上首次一军用无人机自主攻击人类
联合国安理会5月的报告称，一架军用无人机在没有接到任何指令的情况下自主对人类发起袭击，这或为历史上首次。此事发生于2020年3月，利比亚政府军与利比亚国民军司令哈夫塔领导的军事势力发生冲突之际，一架土耳其军事科技公司STM生产的“Kargu-2”型无人机在未接到任何指令的情况下，袭击了利比亚哈夫塔尔国民军阵营的撤退士兵。
图｜土耳其军事科技公司STM的“Kargu-2”型无人机
91.手机天线尺寸缩小100倍，未来有望植入人体
中国科学家突破现有瓶颈，使天线可集成化和微型化，其研发的小型天线由微机电系统（MEMS）和磁电子材料结合构成，从而能通过声学波驱动磁偶极子谐振产生电磁波的辐射。这种天线基于一种声学波和磁子的耦合效应：在压电材料与磁性材料组成的结构中，当压电材料被施加电压时会产生变形，并传递至磁性材料使其变形，产生震荡，并最终完成电磁波的发射，满足信息无线传输的所需。
图｜具有巨大磁电耦合的低频磁电天线
5
生态能源、交通与建设工程
01
能源新兴技术
92.全球首艘100%氢燃料电池动力商用船舶
全球首艘100%氢燃料电池动力商用船舶建成，并在美国西海岸为正式运营做准备。该船配备了由零排放工厂（Golden Gate零排放海运公司）提供的氢燃料电池组件，该氢燃料电池组件包括360千瓦的燃料电池和一个重达246千克的储氢罐。此外，该系统还集成了由XALT提供的100
