2017年，信息和通信技术领域取得多项重大突破。在集成电路领域，碳化硅（SiC）半导体集成电路、大规模数据存储方案、5nm制程的半导体芯片、新磁存储器、低能耗“迷你”加密芯片等方面取得突破性进展。在高性能计算领域，开发出纳米级别的DNA多米诺电路、复杂的由RNA制成的生物计算机。在人工智能领域，以“认知草图”为基础的新计算模型、AutoML智能系统、人脸识别技术、人工神经网络芯片、新“阿法狗”、可实战的“算法战”等新进展值得关注。在云计算和大数据方面，国内首个80nm自旋转移矩-磁随机存储器器件、超级稳定的光存储技术、新颖的有机存储薄膜等给人留下深刻印象。在网络与通信领域，科学家成功破解了一代安全哈希算法，太赫兹发射器、具有最小体声波的滤波器、“激光通信中继验证”项目、5G国际标准都有不同程度的进展。在量子计算和通信领域，量子区块链系统、量子计算机、量子计算机芯片、超高性能新型量子神经网络原型机等方面的成就尤为突出；我国在单光子的量子模拟机、量子纠缠分发、量子密钥分发、量子隐形传态等方面取得突破，国际上首次验证了水下量子通信的可行性。

集成电路

2月，美国位于俄亥俄州的美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）格伦研究中心，开发出可在恶劣环境下长时间使用的SiC（碳化硅）半导体集成电路。任何到达金星表面的航天器的寿命都会因其表面的高温高压变得非常短。该电子元件在模拟金星表面的高热高压等恶劣环境中至少可以存活521个小时，其寿命是此前探测金星任务中的苏联电子元件的100倍，未来可用于制造携带更多仪器的金星探测器。

3月，美国哥伦比亚大学和纽约基因组中心合作，采用一种新方法将数据编码进DNA，之后可以大规模从中提取信息，从而创造出最高密度的大规模数据存储方法。DNA存储有很多优势：超级紧凑；在寒冷干燥的地方可保存数十万年；人类只要还在读取和书写DNA，就能够解码这些信息；可制作几乎不受数量限制的无差错文件副本。以往的方法远不能达到DNA存储信息能力的理论最大值，新方法可用1gDNA存储215Pb（2.15亿Gb）数据，即原则上可将人类有史以来的所有数据存储在一个大小和重量相当于两辆小货车的存储容器中。目前，该技术实用化的主要障碍是成本问题。

6月，美国IBM公司与格罗方德、三星公司合作，采用堆叠硅纳米片而非鳍式场效应晶体管（FinFET）的方法，成功制备出5nm制程的半导体芯片。当设定与10nm制程相同的能耗时，它的速度比10nm制程快约40%。芯片性能的提升，可加速智能计算、物联网和云计算等领域的研发，推动技术的发展，以满足人工智能、虚拟现实和移动设备的需求；能耗的节省，意味着智能手机和移动设备的电池在一次充电后的使用时间可延长2～3倍。

7月，美国麻省理工学院（MIT）和斯坦福大学合作，开发出一种全新的高能效、高存储率纳米电子系统。该系统在低温（低于200℃）下通过集成碳纳米管场效应晶体管和电阻式随机内存器（RRAM），把输入/输出、计算和数据存储能力集中在一块三维（3D）芯片上，突破了计算机的重大通信瓶颈——数据需要在芯片外的存储器和芯片上的逻辑电路之间转换从而限制了芯片处理数据能力的提高。该系统与传统的硅电路兼容，未来有望支持摩尔定律的延续，成为开发许多变革性应用的平台。

9月，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETHZurich）找到一种可以大幅度提高磁存储速度的方法。传统磁存储器通过带电线圈产生的磁场变化来改变存储介质的磁性，以存储信息，已无法满足现今计算机处理器对其速度的要求。新方法用给特殊半导体薄膜通电的方式来改变存储介质的磁性，以实现磁存储；比传统磁存储器速度快、能耗小（不因线圈电阻而消耗能量）。该技术用于计算机的内存，可使计算机断电后仍保留数据，同时大大减少开机启动的时间。

9月，美国英特尔公司开发出第八代酷睿台式计算机处理器家族，比第七代酷睿性能提高40%。虽然采用14nm工艺制程，但新处理器家族还是实现了全方位的巨大升级，比过去的处理器运算速度更快、功能更强大，可以满足游戏玩家、内容创造者及高性能标准用户的需求。其中性能最高的是被英特尔公司称为“史上最好的游戏处理器”酷睿i7-8700K。

10月，美国空军研究实验室开发出新型“迷你”加密芯片，用于保护系统之间（如无人机或排爆机器人之间）信息和数据的安全。新芯片是一种很轻的加密工具，在保护前线作战人员的信息和通信安全的同时不会产生额外的负担。它能够产生基于对话的“密钥”，其密钥管理系统满足美国国家安全局的数据保护标准，功耗仅为400mW，并可批量生产。

高性能计算

7月，美国微软公司与华盛顿大学合作，利用DNA折纸术构造脚手架结构，并在此基础上构建出排列DNA分子的逻辑门和信号传输线。这是一种纳米级别的DNA多米诺电路，信息的传递不像以前的DNA计算机那样随机进行，而是发生在相邻的电路之间，因而具有很快的速度。这会大幅提高DNA生物计算机的分子运算能力。包含3个输入链的“与门”由新DNA计算机运行只需7分钟，而此前设备需要4小时。这是DNA计算机发展的一大步。未来该技术可用于病原体的体内诊断、生物制造、智能化治疗以及生物实验的高精度成像和探测等方面。

8月，美国亚利桑那州立大学与哈佛大学维斯生物工程研究所、MIT等机构合作，开发出当时最复杂的由RNA（核糖核酸）制成的生物计算机。基于RNA具有的可预测性，研究人员先用计算机软件设计所需的RNA序列，再利用这些RNA之间的相互作用，构筑生物电路。这种电路能像微型机器人和数字计算机一样执行计算指令，是生物计算机领域的重大突破。利用这种电路构建的计算机可在大肠杆菌活细胞内对12种不同指令（这是细胞可以处理的最大数量的指令）同时做出反应，以控制细菌细胞的行为，合成出所需的蛋白质。新成果在智能药物设计、智能给药系统、绿色能源生产、低成本诊断技术，以及捕捉肿瘤细胞方面具有重要意义。

10月，美国IBM公司在一台超级计算机上模拟了56个量子比特的量子计算机。以往的研究认为，49个量子比特是目前超级计算机模拟的极限。此次模拟对超级计算机内存的要求很高。研究人员将模拟任务划分为多个并行的模块，并在一台超级计算机上使用多个处理器，满足了模拟56个量子比特的量子计算机所需要的效率。该成果对量子计算机的算法和硬件的发展具有重要促进作用。

人工智能

1月，美国西北大学开发出一款新的计算模型，可按照人类的智力水平进行标准的智力测试。新的计算模型以福伯斯实验室开发的人工智能平台“认知草图”为基础，“认知草图”具有解决视觉问题和理解草图以提供即时互动反馈的能力。新计算模型的测试分数达到美国成人智力标准的75%，高于成人测试分数的平均值。该模型的成功开发是人工智能系统迈向能够像人一样观察和理解世界的重要一步。

5月，美国“谷歌大脑”（Google Brain）研发出可自己发明加密算法并产生自己的“子AI”系统的自动人工智能AutoML。现在这种人工智能的“子AI”系统已打败人类设计的AI。在试验中，作为神经网络控制器的AutoML为特定任务开发出一个名为NASNet的“子AI”。NASNet在经过数千次的训练和提升后，在ImageNet图像分类和COCO目标识别两个数据集上进行测试，结果表明：NASNet的正确率达到82.7%，比同类AI产品的结果高1.2%，系统效率高4%，且计算成本非常低。未来NASNet可用于发展智能机器人和车辆的无人驾驶技术。新成果也存在一些有待解决的问题，例如，如何避免系统产生有偏见的子系统，以及在自动驾驶方面制定什么规则等。

7月，日本NEC公司在2017国际刑警组织大会（INTERPOL World 2017）上展示了新的人脸识别技术。NEC利用特征点提取技术和深度学习技术，让人工智能学习大量的面具、画像及真人的脸，使其掌握皮肤质感等差异，从而开发出“世界首创”的可实时识别移动人脸的技术。该技术被美国国家标准与技术研究院（NIST）认定识别准确度世界第一，这是NEC的人脸识别技术连续第四次在类似的评价中获得冠军。同月该技术被用于在土耳其举办的听障奥运会上。

9月，美国英特尔公司开发出一款名为“Loihi”的人工神经网络芯片。深度学习类智能系统需要事先进行强化训练才能获得某种识别能力，如遇到从未接触过的特定场景，其智能就会大打折扣。Loihi芯片采用“异步激活”的全新计算方式来模仿人脑的神经网络，不需事先接受学习训练，而是利用数据进行自主学习和推理，使学习能力随时间的推移变得越来越强。利用美国标准数据库进行识别对比发现，Loihi的学习速度比其他智能芯片高100万倍，且能耗更少。新芯片在自动化制造和个性化机器人等领域拥有无限潜力。

10月，美国谷歌深度思维（DeepMind）公司开发出一款新版的“阿法狗”（AlphaGo）计算机程序。旧版“阿法狗”需要来自人类的围棋数据。新“阿法狗”——AlphaGo Zero强大而又简单，仅用一台机器和4个谷歌公司的专用智能芯片，就能够从空白状态起，在没有任何人类指导的条件下，迅速“自学成才”，以100比0的战绩打败了旧版“阿法狗”。新成果也可用于解决现实世界中的问题，如制造新的建筑材料、开发新药、促进蛋白质的研究等。

12月，美军“算法战”开始投入实战，即使用计算机（采用特殊算法），对“扫描鹰”无人机在中东地区所拍的视频展开识别。“算法战”的核心是基于人工智能的“智能+”战争。最初几天，计算机对人员、车辆、建筑等物体的识别准确率达到60%，一周后达到80%。未来，“算法战”将促进大数据分析、人工智能、机器学习、计算机视觉算法和卷积神经网络技术的开发，提高情报分析的自动化水平，加速人工智能技术在情报分析、辅助决策、精确协同、智能指挥等军事领域的应用。

云计算和大数据

5月，中国科学院微电子研究所与北京航空航天大学合作，利用可兼容传统CMOS集成电路的工艺方法和流程，成功制备出国内首个80nm自旋转移矩-磁随机存储器（STT-MRAM）器件。传统存储器能耗大且在断电后会丢失数据。STT-MRAM是一种接近“万能存储器”的极具应用潜力的下一代存储器解决方案，以磁状态存储数据，具有天然的抗辐照、高可靠性以及接近无限次的读写次数等优势，且可能被美国、日本、韩国等国垄断。该器件具有良好的性能，相关关键参数已达到国际领先水平，有望应用于电脑（死机或断电后会保留所有数据）、大型数据中心（降低功耗）和各类移动设备（提高待机时间）。

10月，俄罗斯先进研究项目基金会激光纳米玻璃实验室正在研发一种超级稳定的光存储技术。利用该技术制造出的新型光盘可在特定条件下将数据存储100万年。目前已开发出新光盘的原型样品。新光盘由石英玻璃制成，使用飞秒激光技术刻录，在正常保存条件下，可将数据原样存储超过100万年；不同条件下其存储能力和稳定性的测试工作正在进行。该光盘目前存储容量的目标为25GB，与现今主流光盘的容量相当，未来有望达到1TB。

10月，新加坡国立大学（NUS）纳米科学与纳米技术研究所科学家率领国际团队，开发出一种新颖的有机薄膜。该薄膜支持100万次的读写周期，可以存储和处理1万亿次循环的数据，比商业用闪存的功耗低1000倍，其尺寸可能小于25nm²，同时成本更低。新发明为灵活轻便设备的设计和开发开拓了新领域，有望扩展到新的应用领域。

11月，中国首次建成国家地质大数据共享服务平台“地质云1.0”，从而解决了“数据孤岛”与“信息烟囱”等难题，实现了国家层面十大类75个地质调查数据库、八大类2382个地学信息产品、部分软件系统及计算资源的互联互通与共享。“地质云1.0”遵循了“大平台、大数据、大系统、大集成”的理念，采用混合云技术架构，创新了分布式数据集成共享技术、地质调查业务系统整合协同应用、地质调查数据安全有序开放和分级共享机制，探索了云环境下智能地质调查工作的新模式，达到了国际上同行业的领先水平。它的建成意味着中国地质信息一站式云端服务的全新工作模式已经开启。

网络与通信

2月，美国谷歌公司和荷兰阿姆斯特丹Centrum Wiskunde & Informatica研究所合作，基于哈希碰撞采用非穷举方案，在国际上首次成功破解了一代安全哈希算法（SHA-1）。哈希算法由美国国家安全局设计，已取得美国联邦信息处理标准认证，广泛用于互联网环境下的安全认证。此次破解，将可能严重威胁政府、银行及军事部门等机构内众多采用SHA-1加密机制的计算机系统的安全。

2月，日本广岛大学和松下公司合作，开发出一种频率在290～315GHz的太赫兹发射器。该发射器的单频道（300GHz波段）传送功率是此前发射器的10倍，其数据传输速度首次达到105Gbps，比之前快6倍。利用太赫兹波进行无线传输数据，可同时实现光速传输和最快速存取。此外，太赫兹波是非离子性的，对人体不会产生辐射危害。未来，太赫兹发射器可采用无线方式与卫星进行超高速连接，将极大促进动态网络连接的发展。下一步将研发300GHz的超高速无线电路，以与新型太赫兹发射器配合使用。

6月，美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL）在高速水声通信技术方面取得重大突破，首次验证了螺旋声波信号的高效并行传输技术的可行性。水声通信技术在水下全球定位系统中占据重要地位，对于了解海底世界具有重要意义。该技术可以把更多的声道放入单一频率中，从而有效地增加了可传输的信息量，比现有水声通信的速率高8倍。新成果有助于破解远距离水声通信速率低的难题，未来将对水下通信技术的发展产生重要影响。

6月，美国北卡罗来纳州的Qorvo公司推出具有最小体声波（BAW）的滤波器，该滤波器可处理平均输入功率为5W的无线电频率。电信运营商正在建设大规模MIMO设备，以提升LTE网络，并为发展大型交通领域的5G做好准备。而新滤波器的尺寸和功率容量的优势，可以解决大规模MIMO电信基础设施所涉及的可靠性、组装、测试和空间约束带来的挑战，使运营商和制造商能够更有效地利用现有频谱，实现更高的速度和更大的带宽。

8月，美国约翰·霍普金斯大学成功验证了海上两艘移动船舶间或近岸环境中的高带宽、自由空间光学通信系统，证明了自由空间光学技术可在海洋环境中应用。已有的商用自由空间光学通信系统在机动性、数据传输速率、尺寸等方面均不能满足军用的要求。新的高容量光学通信系统（10Gbps），比当前海军舰艇系统上的无线电射频通信能力高出几个数量级，且具有更远的工作范围，甚至在雾霾天仍能工作，是现有无线电射频和微波通信的补充，有可能改变未来的作战规则。

12月，美国NASA的“激光通信中继验证”（Laser CommunicationsRelay Demonstration，LCRD）任务，开始在戈达德太空飞行中心进行集成与测试。新任务证明激光通信可指数级提高太空通信的能力。完成有效载荷的集成后，NASA需要对整个载荷进行电磁学、声学和热真空等飞行环境的测试。NASA在太空通信中一直采用无线电射频通信技术，使用激光通信则会把数据传输速率提高10～100倍，从而实现从太空传回视频及高精度的测量数据。LCRD继承了月球激光通信演示（LLCD）的遗产，是太空通信发展的重要一步，将促进太空高速互联网的建立。

12月，国际标准组织——第三代合作伙伴计划（3GPP）在5G国际标准全会上正式宣布：面向非独立组网的第一版5G新空口（NR）国际标准完成。该标准覆盖低、中、高波段频谱，是一个过渡性标准。它的完成意味着全球业界有了第一个正式的5G网络相关标准，表明5G独立组网标准和产业化开始进入实质性加速阶段，为2019年5G的大规模试验和商业部署奠定了基础。

量子计算和通信

5月，中国科学院开发出世界上第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟计算机。新计算机在光学体系和超导体系方面都取得了突破，并在超导量子处理器上实现了快速求解线性方程组的量子算法。测试表明，它的“玻色取样”速度比国际同行类似的实验快至少24000倍。它的运行速度比人类历史上第一台电子管计算机和第一台晶体管计算机快10～100倍。

5月，俄罗斯量子中心和俄罗斯科学院合作，测试首个量子区块链系统，并在俄罗斯Gazprombank银行成功完成了验证。传统区块链主要采取基于哈希算法的密钥加密信息，现在这种密钥有可能被破译。新的量子区块链系统将量子密码中防窃听、防截获特性应用于区块链网络，因而具有极高的安全系数。这样的系统能够监测任何干扰和窃听，确保信息传输的安全与稳定。

8月，中国上海交通大学成功完成首个海水量子通信实验，在国际上首次验证了水下量子通信的可行性。实验表明，即使经历了海水巨大的信道损耗，仍有少量单光子存活下来，依然建立起了安全密钥；这就证明了海水量子通信的可行性。新成果为量子通信技术上天、入地、下海的未来图景添加了浓重的一笔，补上了海洋作为未来海陆空一体化量子网络拼图的最后一块空缺。

8月，中国的全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”圆满完成三大科学实验任务：量子纠缠分发、量子密钥分发、量子隐形传态。其中，千公里级星地10kbps速率双向的量子纠缠分发，比地面同距离光纤量子通信水平提高15个数量级以上。在千公里级星地量子密钥分发和地星量子隐形传态中，密钥分发速率比地面同距离光纤量子通信水平高20个数量级。这些成就为构建覆盖全球的天地一体化量子保密通信网络提供了可靠的技术支撑。该成果入选Nature和Science News评选的“2017年度重大科学事件”。

10月，美国英特尔公司生产出一种包含17个超导量子位的全新芯片，并由合作伙伴荷兰代尔夫特理工大学量子研究所（QuTech）对该芯片进行了各种性能测试。量子计算机的超导量子芯片需要在极低温度下才能工作。研究人员采用300nm“覆晶技术”，通过修改材料、电路设计以及不同组件之间的连接，克服了超导量子芯片需要低温集成的障碍，使制备出的芯片在更高温度下表现更加稳定，量子位之间的射频干扰也更小。

11月，日本电报电话公司（NTT）与国家信息研究所等机构合作，成功开发出具有超高性能的新型量子神经网络原型机，可以在网络上向公众开放使用。与谷歌公司等其他机构采取的方法不同，日本主要利用光的特性来实现高速计算，可以很快解析以往计算机不易解开的复杂算法。此外，该原型机能耗仅为1kW。NTT等机构表示，未来将进一步优化该量子神经网络原型机的性能。

11月，美国在量子模拟器方面取得重大突破：两项独立实验展示了量子模拟器的受控量子比特（相当于经典计算机中的比特）数量已达到50多个。在新的量子模拟器中，哈佛大学与MIT合作，使用51个不带电荷的铷原子；马里兰大学与国家标准与技术研究院合作，使用53个镱离子；两者的实验类似，但前者的量子比特只持续几秒，后者持续几小时。53个量子比特的确是一个里程碑。新成果有望为研究更大规模系统中的量子动力学和量子模拟提供一个前所未有的平台，也可用于研究经典计算机无法完成的交互任务，模拟出目前真实物理设备达不到的物理条件。

12月，德国康斯坦茨大学与美国普林斯顿大学及马里兰大学合作，利用电子自旋开发出一种稳定的基于硅双量子位系统的量子门，即量子计算机的基本切换系统。量子门作为量子计算机的基本元素，能够执行量子计算机所有必要的基本操作。量子计算机比传统计算机对外部的干扰要敏感得多，因此需要稳定的量子门。新量子门稳定，被称为量子计算机发展的里程碑。

2017年，健康和医药技术领域进展显著。在合成生命领域，半合成有机体、成人神经细胞、人工合成酿酒酵母染色体、“数字生物转换器”、“碱基编辑器”等取得突破，启动了国际人类细胞图谱计划。在个性化治疗方面，能够进入人体喂药的微型机器人、黑色素瘤个体化疫苗、治疗实体瘤的抗体、全球首个癌症病理图谱、可移植肝脏的泵洗细胞技术等的涌现给人留下深刻印象。在重大新药创制和重大疾病治疗方面，CAR-T疗法产品、世界首款数字药物等获批，“三重特异性”艾滋病抗体、活体内的细胞重组、人类胚胎的基因编辑、基因疗法等方面也取得重要成就。在医疗器械方面，开发出机械假肢用新型传感器、可杀死癌细胞的纳米机器、高分辨率人体器官快速制造新技术、“芯片上的大脑”装置等，完成了世界首例由机器人主刀、医生监督的人工耳蜗植入手术。

基因与干细胞

1月，美国斯克里普斯研究所（TSRI）制造出首个稳定的半合成有机体。研究人员把此前制造出的两个相配对的人工碱基X与Y，成功插入大肠杆菌的DNA中；该大肠杆菌在分裂过程中可以无限保留这两个人工碱基。该成果虽然只适用于单细胞，但仍被认为是向“人造生命”迈出的重要一步。

1月，美国宾夕法尼亚大学首次利用手术切除的不含肿瘤细胞的脑组织，采用一种能分解蛋白质的木瓜蛋白酶，在实验室培育出活的成人神经细胞，并从中识别出5种脑细胞类型及每种细胞合成的蛋白质。这是一项可以载入史册的新成果，对利用细胞替代疗法修复受损脑组织的“修复神经外科”意义重大，有望早日进行人体临床试验。此外，新成果也为个性化医疗提供了有力支持。

3月，中国天津大学、清华大学与深圳华大基因研究院合作，利用小分子核苷酸精准合成出4条人工设计的酿酒酵母染色体，首次实现人工基因组合成序列与设计序列的完全匹配，使合成的酵母基因组具备完整的生命活性。这项工作是酵母基因组合成国际计划（Sc2.0）的一部分，是继合成原核生物染色体之后的又一里程碑式突破，标志着人类向“再造生命”又迈进一大步。而中国也成为除美国之外具备真核基因组设计与构建能力的国家。

5月，美国SyntheticGenomics（SGI）公司展示出世界首台“数字生物转换器”（Digital Biological Converter，DBC）。该设备由很多小型机械和计算设备组成，可接收远程发送的DNA数字代码，并将其植入“通用型细胞”中，从而合成蛋白质、病毒等生物材料。可以预计，新设备改善后的最直接的可能用途是从疾病暴发源收集生物信息，并在最短时间内设计出相应疫苗，以及加速生产个性化治疗药物。它已完全自动化地制造出噬菌体，未来可实现星际生命传递。

10月，美国哈佛大学和MIT博德研究所合作，开发出一种新型“碱基编辑器”，可以纠正DNA和RNA中的特定位点的碱基突变。与CRISPR-Cas9相比，新技术无须使DNA链断裂即可实现单碱基精度的编辑，且不会引起任何随机插入和删除等突变；在全基因组编辑中，其脱靶效应也更优。该技术将推动人类遗传疾病新疗法的研究，未来在医疗领域有广泛的应用。

10月，国际人类细胞图谱（Human Cell Atlas，HCA）计划正式启动。HCA是生物学界又一个国际超级大型项目，需要对37.2万亿人体细胞进行编目，具有比人类基因组计划更为远大的目标：表征一切人体细胞，覆盖所有组织和器官，描绘健康人体的微观参考图。这将是一项技术奇迹，首次全面揭示人体究竟是由什么构成的，为科学家提供了一种复杂的生物学新模式，从而加快药物的研发。未来，HCA将极大提高医生和研究人员对疾病的理解、诊断和治疗。

个性化诊疗

1月，美国哥伦比亚大学基于槽轮机构的原理，使用可植入微机电系统，制造出一款能够进入人体喂药的15mm微型机器人。这款机器包裹着与生物兼容的水凝胶，无须电池或电线驱动，医生可以在体外根据病人的反应，利用磁力精确控制药剂的用量和释放时机。这种微型机器人已经在小鼠身上完成初步测试。它虽然有可能仍受人体外磁石的影响，但能满足用户个性化医疗的需求，有希望取得显著的治疗效果，具有广阔的应用前景。

4月，美国Dana-Farber癌症中心和德国美因茨大学，分别使用不同的方法制备出针对每个患者的个体化癌症疫苗。在晚期黑色素瘤患者身上展开的初步试验中，美国团队使用的是多肽疫苗，有60%的多肽在患者体内引起T细胞免疫反应；德国团队使用的是RNA疫苗，也有60%的RNA片段在患者体内引起T细胞免疫反应。这说明，新的个体化疫苗在晚期黑素瘤患者身上取得良好的疗效。扩大到更多患者的治疗效果还有待进一步的验证。

4月，中国华东师范大学结合光遗传学、合成生物学和智能手机，利用手机APP实现了远程调控治疗糖尿病。研究人员首先设计合成出远红外光调控基因表达的定制化细胞，然后用远红外光照射激活该定制化细胞，表达出任何想要的基因或药物蛋白。随后，他们开发出可检测血糖水平和控制LED亮度的APP，并将可发出远红外光的LED灯植入小鼠体内。手机APP当检测到血糖水平过高时，便会调整LED灯的亮度，进而控制胰岛素的表达。新成果实现了对糖尿病的智能化一体化精准治疗，是国内合成生物学领域的一项标志性的突破，充分展示出移动医疗的发展前景。

5月，美国FDA批准由默沙东（MSD）开发的KEYTRUDA（pembrolizumab），用于治疗具有微卫星不稳定性高（MSI-H）或错配修复缺陷（dMMR）的实体瘤患者。KEYTRUDA是一款抗PD-1抗体，能抑制人体内的PD-1/PD-L1通路，从而帮助人体的免疫系统对抗癌症细胞。它是FDA批准的首款不依照肿瘤原发部位，而是依照生物标志物区分的抗肿瘤疗法。通过遗传变异特征而非发病部位来区分癌症，对于癌症的治疗有更好的指导意义。该疗法的获批，标志着人类对癌症的认知水平达到一个新阶段，具有里程碑意义。

8月，瑞典皇家理工学院发布了全球首个癌症病理图谱“Atlas”。研究人员使用超级计算机，分析了人类17种主要癌症的近8000个肿瘤样本，发掘出32种不以癌症类型分类、但与80%人类癌症相关的“公共”基因，并把它们作为潜在新药研发的精准靶点。该图谱将成为战胜癌症的一柄利刃。它的发布有利于更好地研究癌症演变，理解癌症的发病机理和肿瘤发育过程；可帮助医生预测和研究未来癌症的治疗；推动临床癌症的个性化治疗的发展；开创了大数据在科研及医疗应用上的先河。Atlas图谱是无偿开放的，仍在不断收集用于开发癌症药物和诊断方法的实用信息。

10月，美国Miromatrix医疗公司开发出一种全新的泵洗细胞技术，利用该技术可以培育出供移植的肝脏。新技术需要先将猪肝内的活细胞全部溶解，留下蛋白质框架，然后再回注猪肝细胞或人体细胞，以培育出可供移植的肝脏。这种肝脏的血管可以长期保持畅通。该技术向按需定制可移植器官迈出了重要一步，未来将培育出完全来自人体细胞的肝脏。

11月，英国剑桥大学首次在实验室制造出人类原发性肝癌的“迷你”生物学模型——肝脏肿瘤类器官，并成功用在小鼠实验中。原发性肝癌是排名第二的致命癌症。以往培育的肝癌细胞很难存活，也不能重现人类肿瘤的三维结构和组织架构。制造出肝脏肿瘤类器官是癌症研究领域的关键一步。新微型肿瘤模型有助于理解肝肿瘤的生物学特性，可用来筛查肝癌新药，减少实验用动物的数量，甚至在未来用于为肝癌病患制定个性化疗法。然而，下一步的研究仍需更多的实验验证。

重大新药

8月，美国FDA批准了诺华公司的CTL019（tisagenlecleucel-T）细胞治疗产品。该药物为世界首款获批的CAR-T疗法，主要用于治疗复发性或难治性儿童、青少年B细胞急性淋巴细胞白血病。之后，美国FDA批准了Kite Pharma公司的Yescarta。这也是一种CAR-T疗法，首次被批准用于治疗在接受至少两种其他治疗方案后无响应或复发性的成人大B细胞淋巴瘤患者及特定类型非霍奇金淋巴瘤患者。这些事已成为肿瘤免疫细胞领域具有里程碑意义的事件，预示着细胞免疫治疗的产业化阶段即将到来。

9月，美国国家卫生研究院和制药商赛诺菲合作，利用基因工程技术开发出一种可攻击99%的艾滋病病毒（HIV）株系的新抗体。这是一项令人振奋的新突破。新研究将三种广泛中和抗体结合起来，制造出一种更强大的“三重特异性”抗体。这种新抗体可攻击HIV病毒的三个关键部位，对抗99%的HIV变种；极低浓度的新抗体的效果比任何一种自然形成的最好抗体更强大、更广泛；可防止灵长类动物受到感染。新抗体已在猴子身上试验成功，随后会启动人类临床试验。

10月，由中国人民解放军军事医学科学院和康希诺生物股份公司合作开发的“重组埃博拉病毒病疫苗（腺病毒载体）”获得中国国家食品药品监督管理总局新药注册的批准。该疫苗由中国独立研发，具有完全自主知识产权。它采用国际先进的复制缺陷型病毒载体技术和无血清高密度悬浮培养技术，可同时激发人体细胞免疫和体液免疫，既可保证安全性，又具有良好的免疫原性。特别突出的是，该疫苗突破了病毒载体疫苗冻干制剂的技术瓶颈。此前全球仅美国和俄罗斯有可供使用的埃博拉病毒病疫苗。中国的冻干剂型疫苗的稳定性优于国外的液体剂型，在非洲等高温地区使用的优势会更突出。

11月，美国FDA批准了日本大冢制药公司（Otsuka Pharmaceutical Co.，Ltd）与其他公司联合开发的世界首款数字药物。该药物为阿立哌唑胶囊（Abilify MyCite），内有含硅、镁、铜等矿物质的微型传感器，可用于治疗精神分裂症、躁郁症和其他精神疾病。该胶囊被吞下后，传感器与胃酸混合，并通过病人躯体上的贴片向智能手机的APP发出信号，据此，医生和护理人员及时对精神疾病患者的服药情况进行监护。传感器最终可通过消化道正常排出。该药不适于“实时”或在紧急情况下追踪药物摄入，也未被批准用于治疗与痴呆症相关的精神疾病，同时对儿童患者的安全性和有效性也未证实。

重大疾病治疗

4月，美国哈佛大学与MIT博德研究所合作，开发出一款全新的CRISPR应用工具，即可在单分子级灵敏度快速检测病毒的“SHERLOCK”（Specific High Sensitivity Enzymatic Reporter UnLOCKing）系统。该系统与CRISPR-Cas9有本质上的差异，它利用活跃时的Cas13a蛋白会切开荧光标志物所携带的RNA并发出荧光的特点，以及“等温扩增”（isothermal amplification）技术，可在数小时内检测识别寨卡、登革热等病毒，大肠杆菌等特定细菌及细胞内基因突变，甚至可检测出单个核酸。新系统使每次检测的成本低至0.61美元，在疾病快速诊断及疫情防控方面具有巨大的应用价值。

5月，美国科罗拉多州立大学成功把“环介导等温扩增”（LAMP）技术用于检测来自美国、巴西和尼加拉瓜的蚊子体内和人体体液中的寨卡病毒。新研究发现，LAMP能够帮助区分寨卡病毒的非洲株和亚洲株，可更有效地追踪寨卡病毒的传播；更突出的是，不会把登革病毒和基孔肯雅病毒等与寨卡病毒相似的病原体，错误检测成寨卡病毒。它检测寨卡病毒的精度与目前标准聚合酶链反应（PCR）检测技术相同，但成本要低很多且检测速度快而简单，也可用于野外检测。人为掺入病毒的健康人样本及从寨卡病毒感染者身上采集的临床样本，已经验证了LAMP的有效性。LAMP对监控寨卡疫情很有价值，但要通过审批进而大范围使用，估计需要很长时间。

6月，美国北卡罗来纳大学（UNC）医学院与北卡罗来纳州立大学（NCSU）合作，研制出可用于治疗肺纤维化的新型干细胞。肺纤维化是一种以进行性肺功能下降为特征的慢性、不可逆的致命疾病。FDA已批准的两种治疗特发性肺纤维化（IPF）的药物可减轻疾病症状，但不能阻止疾病的发展。唯一有效的肺移植法具有很高的死亡风险，并且需要患者长期服用免疫抑制剂。研究人员采用相对微创、在医生办公室即可完成的简易技术，收集人体的肺干细胞，然后在实验室中进行扩增，以获得足够多的肺球样细胞，用于治疗IPF、慢性阻塞性肺疾病和囊性纤维化等多种严重肺部疾病。小鼠的肺纤维化模型中的试验证明，该研究获得的肺球样细胞具有优良的再生能力。这是首次从微创活检标本中获取具有潜在治疗价值的肺干细胞。研究人员已向美国FDA提交在IPF患者上进行初步临床试验的申请；同时授权BreStem Therapeutics公司进行后续的开发。

7月，欧美等地的多家研究中心合作，在艾滋病治疗方面取得一项重要成果。一项在美国、加拿大、德国、法国和西班牙的50个医学中心同时开展的二期临床试验证明：与每日口服抗逆转录病毒药物（ART）相比，一种每月或每两月注射一次的长效注射型HIV疗法，在阻止病毒反弹和传染方面取得了同样、甚至更好的疗效。三期临床试验正在进行中。新成果是艾滋病治疗方面的一大进步，有望帮助HIV携带者摆脱每日服药的困境，极大改善他们的生活质量。

8月，美国俄亥俄州立大学开发出一种组织纳米转染（TNT）新技术，首次实现了活体内的细胞重组，并在小鼠和猪的实验中取得成功。与以往的再生技术不同，TNT技术是一种在单细胞水平上良性的、瞬时的和剂量可控的方法，不像引入病毒等细胞疗法那样具有高风险，而且患者不用去实验室或医院，在任何地方都可现场操作，仅需短暂接触一下专用的芯片即可。这是再生医学领域的一项重大突破，有望在体内生成任何用于治疗的细胞类型，帮助修复受损组织或恢复老化的器官、血管及神经细胞等。

8月，美国俄勒冈卫生科学大学（Oregon Health and Science University）领导的一个国际团队，利用CRISPR-Cas9基因编辑技术，成功修复了人类早期胚胎中一种与遗传性心脏病相关的基因突变。这是美国国内首次进行人类胚胎的基因编辑。在这次修复中，定向非常精确，没有在非靶点位置产生突变。该研究说明，早期胚胎编辑能够达到较高的效率和安全性，可有效解决胚胎嵌合问题，在单基因遗传病安全防治方面潜力巨大。但相关基因编辑方法仍需进一步优化。

11月，美国哥伦布市一家儿童医院采用基因疗法，在脊髓神经元中添加了一个缺失的功能性基因（SMN1基因），成功挽救了身患I型脊髓性肌萎缩症（SMA）的婴儿的生命。SMA是一类由脊髓前角运动神经元变性导致肌无力、肌萎缩的疾病，属常染色体隐性遗传病，在临床并不少见；如果不及时治疗，患病婴儿将在2岁左右面临死亡的危险。此前尚无有效治疗手段。新疗法不仅挽救了患SMA-1型疾病的婴儿的性命，还可以使基因突破血脑屏障到达中枢神经，这对于把基因疗法用于治疗其他退行性神经疾病具有开创性意义。

11月，意大利摩德纳雷焦艾米利亚大学再生医学中心通过移植转基因表皮培养物，使一位7岁的交界型大疱性表皮松解症（JEB）患者全身约80%的皮肤获得重建，且后期研究显示其皮肤功能完全正常。交界型大疱性表皮松解症是一种严重的可导致皮肤起泡并进一步致癌的遗传疾病，具有致命性。以往移植转基因表皮培养物只能重建小面积的皮肤。此次，新方法利用患者身体上的皮肤细胞，重建了转基因表皮，然后移植给患者，从而挽救了患者的生命。实践证明，再生的皮肤质量很好。进一步的临床试验已经启动，未来的皮肤移植充满希望。

医疗器械

2月，英国、美国、加拿大、奥地利等国科研机构合作，开发出一种可让机械假肢直接探测到脊髓运动神经元发出的电信号的新型传感器。以往的机器人假肢依靠患者剩余肌肉的抽动来操控。新传感器相当于用意念控制假肢，可使患者比单纯依靠剩余肌肉的抽动更精确地操控假肢，完成更复杂的动作，从而提高了机械假肢的实用性。这种假肢下一步将进行更大范围的临床测试，有望在未来帮助截肢人士恢复更多的运动功能。

3月，瑞士伯尔尼大学和伯尔尼大学医院合作，利用手术机器人，成功完成了世界首例由机器人主刀、医生监督的人工耳蜗植入手术。这款手术机器人具有可靠的由计算机控制的安全机制，在触觉分辨率、灵敏性以及手术规模上均优于人类。人工耳蜗植入手术是一种显微外科手术，需要在亚毫米级的要求下进行。传统的手术是医生操作机器手术臂进行，切口很大，会造成永久性的伤害；而新手术是由医生监督、这款机器人“主刀”，是微创。本次微创手术没有该机器人的帮助医生不能手动独立完成。这是医疗机器人应用领域的重要拓展。下一步将把该手术机器人用于向内耳传送药物。

5月，中国北京大学运用微集成、微光学、超快光纤激光和半导体光电子学等技术，在高时空分辨率在体成像系统方面取得突破性成果，研制出可实现自由状态脑成像的2.2g微型化佩戴式双光子荧光显微镜（FHIRM-TPM）。利用该设备，在动物自然行为条件下，可实现对神经突触、神经元、神经网络、多脑区等多尺度、多层次动态信息处理的长时程观察；这样，人类就可以“看得见”大脑学习、记忆、决策、思维的过程。新设备已经用小鼠进行了稳定性演示。它是研究大脑的空间定位神经系统的革命性新工具，将为可视化研究自闭症、阿尔茨海默病、癫痫等脑疾病的神经机制做出重要贡献。此外，它还将开拓新的研究范式。

8月，英国达勒姆大学、美国莱斯大学及北卡罗来纳州立大学等合作，开发出一种可杀死癌细胞的光驱动的纳米机器。这款纳米机器对特定类型细胞上的蛋白质非常敏感，在被紫外线激活后，可以每秒300万次的转速穿过细胞膜，钻入癌细胞内部并迅速将其杀死；如果没有被紫外线激活，对人体无害；此外，还可携带药物进入并杀死癌细胞。新技术会给非侵入式癌症治疗带来潜在的飞跃，极大提高患者的生存率和幸福感。

9月，美国人体组织工程公司PrellisBiologics利用3D打印技术和干细胞，开发出快速制造具有高分辨率的人体器官的新技术。利用新技术可以快速3D打印出含有微血管结构的支架，从而制造出为细胞提供营养和氧气的无毒的复杂微血管系统。利用该技术，还可以在16～24小时打印出一个肾脏模型。这项技术在药物研发和器官移植领域具有巨大的应用价值。该公司已经筹集到巨额投资，用于进一步发展该项技术，包括打印出更大的组织器官并开展临床试验。

10月，日本东京大学和东京医科齿科大学合作，使用氨基酸开发出一种直径约三万分之一毫米的超级微型胶囊，使空腹状态下的药效增强100倍左右。除葡萄糖外，血液中任何其他物质几乎都无法进入人脑，因此如何将药物输送到人脑内部一直是一个重大难题。用葡萄糖覆盖新的超级微型胶囊，再与脑血管中的特定蛋白质结合，可把药物输送到人脑。新技术不仅可以有力帮助治疗阿尔茨海默病，还可以帮助治疗神经关联的疑难病症以及精神疾病。

12月，美国能源部劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）开发出“芯片上的大脑”装置（brain-on-a-chip）。该成果是“基于体外芯片的人类研究平台”（iCHIP）项目的一部分。新装置通过记录来自微电极阵列上培育出的多种类型脑细胞的神经活动，模仿中枢神经系统。它能够代替人或动物大脑开展针对生物化学制剂以及病原体的测试，用于检测和预测生化战剂、疾病和药物对大脑的影响。新装置是迈向充分描述体外大脑的一大步，应用成熟后将为医疗领域带来重大变革，并在检测生化威胁方面发挥重大作用。

2017年，新材料技术向结构功能一体化、器件智能化、制备过程绿色化方向发展。在纳米材料方面，涌现出新的柔性超材料、氮化硼纳米管-钛复合材料、碳化硅绒毛纤维、具有超导特性的超薄纳米材料等多种材料。多孔“三维石墨烯”、纳米金刚石、3D石墨烯泡沫材料、半导体人造石墨烯等二维（2D）材料问世。隐形超材料、新一代超高强钢、新型热电转换材料、晶体铝等金属材料也取得重要进展。在半导体材料方面，制备出新型二维材料“六边硼-碳-氮”、超固体等。一批先进的储能材料如世界首份全氮阴离子盐、三维石墨烯、“无序”结构的新电极材料等已出现，“绿色元素”铋取代太阳能电池中的铅。生物医用材料领域进展显著，开发出可缠绕在受损末梢神经上的纳米网状新材料、可疗伤的生物纸、缝合切口的“超级胶水”、用“iPS细胞”生产出血小板的方法等。在其他材料方面，研制出可躲避武器攻击的变色材料、可隐形和抵御病毒的薄膜材料和T-碳等，还用电脑算法合成新材料。

纳米材料

1月，美国加利福尼亚大学利用纳米技术，开发出一种轻薄透明的可近乎完美吸收宽波段光的柔性超材料（THMMP）。此前设计的材料容易出现开裂和脱层，不能用于制造具有机械柔性和低成本的基底；而用能克服这些缺点的材料制备的独立系统又不具备宽带吸收的特点。新材料是一种柔性的透明薄材料，可从各个角度吸收光，对近红外光（波长1200～2200nm）的吸收率在87%以上，对1550nm波长的光的吸收率达98%；在理论上，可只吸收特定波长的光而允许其他波长的光通过。该材料可将太阳能电池的效率提高3倍以上。此外，它还具有隐身性能，可广泛应用于隐身技术。

3月，澳大利亚迪肯大学开发出世界上第一个3D打印的氮化硼纳米管（BNNT）-钛复合材料。BNNT拥有很多独特的性能，如与复合材料结合，可使材料更坚固、更轻，让部件的寿命更长、高温耐受性更强。以往的BNNT不能大量生产。迪肯大学采用一项自己开发出的突破性技术，实现了BNNT的商业化生产。新的BNNT-钛复合材料在很多方面优于常规复合材料，可用于航空航天和国防工业。此外，它也标志着纳米管应用和3D打印技术的重大进步。

3月，美国莱斯大学与NASA合作，开发出一种碳化硅绒毛纤维。目前，NASA火箭发动机的陶瓷基复合材料使用碳化硅纤维来增强性能，虽然能够承受住1600℃的高温，但易氧化开裂。研究人员先把碳化硅纤维浸泡在铁催化剂中，然后利用水辅助化学气相沉积方法将一层碳纳米管嵌入纤维表面，再放入硅纳米粉末中加热到很高温度，从而生产出碳化硅绒毛纤维。这种碳化硅绒毛纤维具有非常强的咬合作用，可防止材料裂开和氧化；把它嵌入NASA火箭发动机的陶瓷基复合材料上，可提升火箭喷嘴和其他部件的强度和耐高温性，同时进一步减轻发动机的重量（因省去冷却系统）。未来，该技术将用于制备更多新型材料。

4月，德国萨尔兰大学和莱布尼茨新材料研究所合作，开发出具有超导特性的超薄纳米材料。大部分现今常用的超导材料因具有硬、脆和致密等特性而显得笨重。研究人员先制备出超导纳米线，然后利用静电纺丝技术将超导纳米线编制成柔性的超薄超导薄膜。新材料在低于−200℃时具有超导特性，可以悬浮磁体并屏蔽磁场；还具有轻、柔软、适应性强、制作成本低等优势，理论上讲可做成任何尺寸。未来，它可以作为涂层材料用于空间技术和医疗技术领域。

5月，美国NASA在飞行的“黑雁9”探空火箭中搭载了由碳纳米管复合材料制成的压力容器（COPV），以测试其拉伸性能并将其与传统碳纤维环氧树脂复合材料的结构进行对比。这是碳纳米管复合材料首次以大结构件形态进行飞行试验，是一项颠覆性的测试。碳纳米管复合材料比现今广泛使用的碳纤维复合材料具有更高的力学特性。计算机建模分析表明，采用碳纳米管复合材料制造火箭可使火箭质量减少30%；而这是其他任何单项技术都做不到的。NASA将继续提升材料的力学性能，努力实现量产，以使它比传统碳纤维复合材料更具竞争力。该材料未来有望大幅降低火箭质量，改善航天系统的性能。

7月，澳大利亚国立大学开发出一种防辐射的新型纳米材料。此前的技术只是利用厚的过滤器吸收各种辐射，而新技术显著提高了材料的抗辐射能力，同时也使材料变得非常薄。通过控制温度，新材料可以反射各种环境中危险的紫外光或红外光，有望应用于航空航天领域，以保护宇航员、航天设备等免受辐射的伤害。此外，针对其他光谱对该材料进行调整，还可用于汽车、建筑等领域，以降低能耗，提高室内环境舒适度。

10月，美国能源部布鲁克海文国家实验室和石溪大学合作，利用神经网络和机器学习实时解读了化学反应中以前无法用公式描述的X射线信息，解释了催化剂的纳米级3D结构。开发催化剂的最大困难是不知道催化剂在原子水平上是如何工作的。新方法不用试错的办法，而是采用X射线，可以准确测量化学反应中催化剂原子间的距离。化学反应中的高温和压力会干扰X射线的测量信息。因此，研究人员利用X射线对很少受到高温和压力影响的低能波的光谱进行了测量，从而获得了所需的信息；再利用神经网络和机器学习解码这些信息，最终解释了催化剂的纳米级3D结构。新方法有助于提高催化剂的效能，加快产品的生产速度。

二维材料

1月，美国MIT利用二维石墨烯制备出超强超轻的多孔“三维石墨烯”材料。二维石墨烯是目前世界上最强的材料之一，具有很多优异的特性；但如何把它做成三维而性能保持不变一直是个难题。MIT的研究人员解决了这个难题。他们利用计算机模型进行设计，然后3D打印出材料并展开试验，从而开发出新的碳材料——多孔3D石墨烯材料。研究表明，新材料的强度比低碳钢高10倍，密度是后者的4.6%；其机械性能在低于一定密度时会降低。采用同样的方法，利用其他材料也有可能制造出具有类似几何结构的强而轻的材料。

6月，美国卡内基科学研究所、芝加哥大学、宾夕法尼亚州立大学与中国燕山大学合作，通过高温和高压处理玻璃碳，制备出一种新形式的碳——纳米金刚石。新形式的碳由多层石墨烯组成，结构上可以看到像金刚石和石墨烯的图案。它具有特殊的性能组合，非常坚硬、轻，具备导电属性和很好的弹性，适用于最需要减少重量的应用领域，未来可应用到航天工程、军事装甲等诸多领域。制备这种纳米金刚石的方法可用于开发其他超常形式的碳和种类完全不同的材料。

7月，美国莱斯大学利用激光加热松木表面，成功制备出3D石墨烯泡沫材料。此前研究人员曾利用激光加热高分子聚合物制备出3D石墨烯泡沫，但高分子聚合物不适合作为3D打印石墨烯的底物。松木丰富且可再生。在特定条件（室温、缺氧等）的室内，利用合适强度的激光加热松木，可获得3D石墨烯泡沫，即松木激光诱导石墨烯（P-LIG）。在P-LIG表面沉积钴和磷或镍和铁，可制成电极，用于高效分解水（制氢和氧）。利用它还可制造出储能用的超级电容器。P-LIG由于可降解，用于制造电子产品可以减少电子垃圾。

10月，英国国家物理实验室（NPL）领导制定的世界上第一个ISO石墨烯标准出版。石墨烯具有优异的性质和广阔的市场前景，正在全球形成一个巨大的产业。然而，相关术语此前并没有普遍认同的定义，甚至有的术语被错误使用。标准的缺失是石墨烯产品商业化的关键壁垒。因此，NPL领导不同国家的37位技术专家，制定出石墨烯ISO标准。该标准包含了关于2D材料的类型、材料生产、材料特性和材料属性等99个术语和定义。这是石墨烯这个新兴行业迈向标准化的第一步，将为与石墨烯相关的制造商、供应商、非政府组织和学术界提供清晰的认识，有助于开启石墨烯的新应用，降低制造成本，开辟石墨烯广泛的工业化应用。

12月，美国哥伦比亚大学、普林斯顿大学、普渡大学和意大利理工学院合作，首次在人工设计的纳米级别的半导体结构中观察到石墨烯的电子结构，从而构建出半导体人造石墨烯。人造石墨烯比天然石墨烯表现出更多的优势。理论预测，可以人工制造出具有石墨烯电学性质的系统。此前人造石墨烯已经在光学、分子和光子晶格等其他系统中实现，但还没有在半导体结构中观察到；而半导体人工石墨烯具有更多的优势。研究人员采用纳米光刻和刻蚀技术，在砷化镓标准半导体材料中制备出类石墨烯结构，从而开发出半导体人造石墨烯。新材料在凝聚态物理和纳米加工领域具有重要意义，未来有望应用于半导体器件和量子芯片等领域。

金属材料

1月，俄罗斯国立科技大学和希腊克里特大学合作，开发出一种可使战车隐形的超材料。超材料广泛用于发展新式武器和设计超级计算机。新研制的超材料由从普通钢铁上切削下来的一小块超分子网格组成，可用于制造探测爆炸物和化学武器的超灵敏传感器。在该超材料中添加一种非线性的半导体器件，可以制造出隐形屏幕，使战车在无线电、红外线和其他波段具有更强的隐蔽性。此外，该超材料对制造用于量子计算机中的最新型激光器是至关重要的。目前俄罗斯卫星通信公司（RSCC）和其他太空组织已对此成果表现出兴趣。

3月，美国MIT与日本九州大学和德国马普学会合作，找到一种减少金属疲劳的方法，即将层压纳米结构引入合金中。金属疲劳会导致零部件失效，进而造成飞机、航天器、桥梁和动力装置的损坏。骨头在反复压力下具有抵抗裂开的能力，其主要原因是具有分层结构。层压纳米结构赋予合金像骨骼一样的弹力，允许其变形，但不会出现导致疲劳失效的微裂纹的扩展。新技术走向商业化还有一段路，未来在汽车、航空航天等领域具有广阔的应用前景。

4月，中国北京科技大学与其他机构合作，基于共格纳米制备出强化的新一代超高强钢。超高强钢在航空航天、交通运输、先进核能以及国防装备等重要领域发挥支撑作用，也是未来轻型化结构设计和安全防护的关键材料。以往的超高强钢是基于传统的半共格析出制备的，这样做降低了材料的塑韧性，严重影响了服役的安全性，同时也使制备成本高。新超高强钢采用轻质便宜的铝元素替代钢中昂贵的钴和钛等元素，利用高密度共格纳米析出相来增强材料的强度和韧性，具有很高的强度（最高达2.2GPa）、很好的塑性（大约8.2%）和较低的成本。新成果为研发具有优异的强度、塑性和低成本特性的结构材料提供了新的途径。

7月，俄罗斯莫斯科钢铁学院研发出具有非常高的品质因数的新型热电转换材料。科研人员一直在研发热电直接转换材料，但成果均处于实验室阶段。新的热电转换材料由两类具有不同性能的原子组成：严格固定在晶体晶格节点上的原子，以及自由震荡的原子。固定原子可保证材料的高导电率，震荡原子可大大降低材料的导热性。晶格结构有空穴，在不破坏晶格结构的前提下用“做客”原子填充空穴，可实现不同材料之间的性能“搭配”。新技术以方钴矿（成分CoSb₃）为原材料，采用多种技术手段（如改变金属成分的配比、杂化处理等），得到了高品质因数（最高1.8）的新型热电转换材料。该材料制备成本低，有望广泛应用于航天领域。

9月，美国犹他州立大学和俄罗斯南联邦大学合作，利用计算机模型设计出比水还轻的晶体铝。根据一个已知的结构，利用计算机模型设计新材料，是该研究的创新性突破。研究人员用铝原子取代钻石结构中的碳原子，从而设计出类似钻石四面体结构的晶体铝；进一步的计算表明，这种晶体铝拥有0.61g/cm³的晶体密度，比水轻，结构稳定。新材料在航空航天、医药、汽车制造等领域或许会有较大的应用价值。新设计方法有助于设计出具有特殊属性和应用价值的金属材料。

半导体材料

2月，德国拜罗伊特大学与波兰和美国的机构合作，制备出一种由碳、硼、氮三种元素组成的具有单原子厚度的新型二维材料“六边硼-碳-氮”（hexagonal Boron Carbon-Nitrogen，h-BCN）。石墨烯的发现是一项科学突破。石墨烯有很多优异的特性，但不适用于大部分电子设备。而h-BCN具有优良的半导体特性，比石墨烯更适用于高新技术领域。它将使当前的电子技术发生变革。未来采用h-BCN制备的电子晶体管、电路和传感器将比现有电子元器件更小巧、更易弯曲，功耗更低。

3月，美国MIT和瑞士苏黎世联邦理工学院各自独立创造出新的物质形态——超固体。超固体是一种空间有序的材料，同时具备了固体的刚性结构和超流体的无摩擦流动特性。此前超固体只是理论上的概念，未在实验室发现。MIT的研究人员在极低温度和超高真空环境中，用激光操纵被称为“玻色-爱因斯坦凝聚物”的气态超流体，使之变成一种具有量子相位的物质——超固体。而ETH的研究人员采用另一种方法同样用激光操纵把“玻色-爱因斯坦凝聚物”变成了超固体。新成果有助于人类更好地理解超流和超导的性质，促进超导磁体、超导传感器以及高效的能量输运等行业的发展。

5月，美国犹他大学与华盛顿州立大学、中国南京理工大学合作，首次发现有机-无机混合钙钛矿材料有望将自旋电子器件从理论变为现实。自旋是基础粒子的内在秉性，可用在数据处理中，上旋代表1，下旋代表0。而电子自旋器件具有存储密度高、响应速度快等优点，用于计算设备可极大提高其运行效率、速度和存储容量，降低能耗，延长设备电池的使用寿命。电子自旋材料不激发磁场，不会对其他器件产生干扰，处理的数据也很难被监视。研究人员先制造出杂化钙钛矿铅碘铵薄片，然后将其暴露于高频脉冲激光下，获得了纳秒级的电子自旋弛豫时间。也就是说，在1纳秒内大量信息就能被处理及储存。这种杂化钙钛矿材料是一种具有颠覆性意义的新材料，同时满足了自旋电子器件所需的较高的电子极化率和较长的极化弛豫时间，具有很大的应用潜能，适合制备电子自旋器件。

10月，美国MIT在芯片上成功把硅光子与层状二碲化钼（二维过渡金属二硫属化物，TMDs）集成在一起。随着计算机性能的快速提高，微处理器中的接线数量不断增加。这会导致芯片的不同部分之间的通信质量和速度的下降。解决的办法是芯片的不同部分之间通过光而不是线进行通信。硅因不易发射光且容易吸收可见光，不适合用于光通信。研究人员发现，二维材料二碲化钼可与硅兼容；把它整合到SiCMOS芯片上，可以制备出一种尺寸更小的发光二极管；把这个发光二极管用作光发射和探测的装置，可在芯片上进行光通信。这个装置仅是概念验证，要走向实用还需要做很多工作。新技术未来可将波导、耦合器、干涉仪和调制器等器件直接集成在硅处理器上。研究者同时在寻找其他类似的可用于光通信的材料，如黑鳞。

10月，俄罗斯莫斯科工程物理学院开发出一种制造量子点材料的新技术。目前的光电装置用基于硅的无机半导体材料制成，效率低，不能吸收广谱太阳光，且成本很高。量子点是大小在几纳米的半导体晶体，如改变其间距，可控制太阳能电池的性质（如扩大吸收光谱）。新技术可在室温下改变量子点之间的距离，以控制电荷能源传递的效率。采用该技术，不仅可制造出光电电池或发光二极管，还可制造出更复杂的半导体结构，有助于研发可吸收广谱太阳光的廉价的太阳能电池。

先进储能材料

1月，美国创业公司Sunflare研发出一款最先进的特殊的薄膜太阳能电池板SUN2。与市场上最常见的太阳能电池板相比，SUN2更轻，柔韧性更强，可用两面胶像贴纸一样粘贴在物体表面；每瓦特的总安装成本要低1美分，因而在价格上有竞争优势，可批量生产。新材料将用在以前的太阳能电池板不能安装的地方，拓宽太阳能的利用场景，在建筑物、无人机、电动汽车等领域发挥重要作用。

1月，中国南京理工大学成功合成出世界首份全氮阴离子盐，占领了新一代超高能含能材料研究的国际制高点。新型超高能含能材料是国家核心军事技术的制高点。全氮类物质具有高密度、超高能量及爆轰产物清洁无污染等优点，已成为新一代超高能含能材料的代表。获取全氮阴离子是一个世界性难题。研究人员分别以间氯过氧苯甲酸和甘氨酸亚铁为切断试剂和助剂，采用氧化断裂的方法，首次成功制备出室温下稳定的全氮阴离子盐。新成果是全氮类物质研究领域的一个历史性突破，有望在炸药、发射药和推进剂领域产生重要的影响。

3月，美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室和加州理工学院合作，采用新方法开发出一批新型光电阳极材料。利用太阳光，光电阳极材料可从水中分离出大量可再生能源氢。此前只开发出16个光电阳极材料，采用的方法依赖于对单个化合物的烦琐试验，以评估其在特定应用中的潜力。本次研究采用了新方法：首先从材料数据库中挖掘出可能有用的化合物，然后利用高通量试验，快速检测出最有应用前景的材料。研究人员采用新方法，最终从174种可能有用的化合物材料中挑选并开发出12个有应用前景的新型光电阳极材料。新方法加快了材料的研发速度。

7月，英国剑桥大学卡文迪许实验室、美国MIT、美国国家可再生能源实验室和科罗拉多矿业学院合作，成功用“绿色元素”铋取代了太阳能电池中的铅，使电池具有无毒、高效、成本低等优势。硅太阳电池因需要保持硅的高纯度而具有高成本的劣势，最有希望取代硅太阳电池的是“混合卤化铅钙钛矿”，但它含有毒性的铅。新成果证实，铋取代太阳能电池中的铅后，使新电池的光转化效率达到22%，是目前市场最高水平；新电池没有铅基电池的毒性，且可以采用常规的工业技术进行低成本和规模化的生产。

8月，美国密歇根理工大学利用二氧化碳制备出表面是微孔的三维石墨烯。把超稳定的二氧化碳变成有用的材料通常需要耗费大量的能量。研究人员把二氧化碳与钠混合，然后将温度升高至520℃，两者发生化学反应后得到了表面是微孔的三维石墨烯，同时释放出热量。这是一种崭新的材料，可折叠成具有更大孔隙的材料，增加电容器吸收电解质的能力；利用折叠后的材料制造的超级电容器，表现出超高的电容和极好的循环稳定性，可用在储能和混合动力车辆的再生制动系统等领域。

10月，美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室、加州大学伯克利分校（University of California，Berkeley）、MIT合作，开发出一种用于制备新型锂离子电池阴极的具有“无序”结构的材料。开发新电极材料是锂离子电池发展最热的方向。以往的锂离子电池电极材料的结构都是有序的，相关研究都是采取试错的方法，需要依赖人的直觉。无序结构的材料可提高锂离子电池的容量。这次研究人员不用试错的方法，而是采用一个简单的新设计标准来预测材料无序结构的特性，并通过调节参数来优化性能。这种“无序”结构的锂离子电池的阴极材料还可以被氟化，从而提高其结构的稳定性和电池的容量。此外，该材料无须使用钴，而目前钴资源有限且一半以上储量不易稳定获取。新材料将为锂离子电池行业带来重大影响。

生物医用材料

2月，日本材料科学研究所与大阪大学合作，开发出可缠绕在受损末梢神经上的纳米网状新材料。以往用于治疗神经受损使用的是人工神经导管，它采用交叉连接的方式连接受损的神经，不能促使神经再生。维生素B12具有促使神经再生的作用，但口服无效。研究者利用直径约为头发丝千分之一的纳米级细纤维，制成了柔软的纳米网状物。这个网状物可携带维生素B12，且在人体内可降解。用它包裹小白鼠的坐骨神经，释放出来的维生素B12在六周内使小鼠恢复了运动与感觉功能。下一步将在人体上做临床试验，未来可用于治疗末梢神经混乱（如腕管综合征）等疾病。

7月，瑞典AstraZeneca公司利用大鼠心脏培育出人类的“迷你”心脏。研究人员采用更先进的技术剥去了大鼠心脏上的细胞，留下较为坚韧的“骨架”（由胶原质和其他蛋白质组成），然后在上面植入人类细胞，最终培育出人类的“迷你”心脏。扫描结果显示，这颗“迷你”心脏的血管和瓣膜功能都正常。新成果将给新药的试验带来革命性影响，也有望培育出可供移植的、功能齐全的人工心脏。

8月，美国西北大学与其他机构合作，利用动物器官制成了能写能叠还可疗伤的生物纸。研究人员从猪或牛的器官中提取可形成器官和组织的“细胞外基质”——天然结构蛋白，然后把它干燥后制成粉末，再加工出具有生物活性的生物纸。这是一种新型的生物材料，很薄且柔韧性好，具有生物兼容性。每片生物纸都保持着原来器官所具有的特殊细胞属性，可再生卵巢、子宫、肾脏、肝脏、肌肉或心脏蛋白质，刺激受损肌肉的细胞生长，恢复癌症患者激素的分泌，在组织工程、再生医学、药物发现、癌症治疗等领域将有广泛应用。

9月，日本以Megakaryon为首的16家制药和化学相关企业，在全球首次利用“iPS细胞”（诱导性多能干细胞）生产出属于血液成分之一的血小板。此前获得血小板只能采用献血的方式，所获得的血小板无法冷藏，只能保存4天，而且不能满足临床的大量需求，同时还容易发生病毒等病原体混入的现象。iPS细胞可成长为身体任何部分的细胞。研究人员采用新技术，借助iPS细胞生产出大量血小板，使输血不再依赖献血；同时利用无菌化处理，把血小板保存了2周左右，降低了保管成本；还避免了病原体混入的风险。

10月，美国东北大学与哈佛医学院、澳大利亚悉尼大学、加拿大多伦多大学等许多机构合作，开发出可代替外科手术缝合切口的“超级胶水”（MeTro）。在外科手术中修复破裂的组织有以下不足：刺穿已受损的组织会导致新的破裂，使用的密封胶黏合性差、有毒性、机械硬度不合适。研究人员利用光交连技术（photocrosslink）加工重组过的弹性蛋白，开发出具有弹性的超级胶水MeTro。MeTro具有属性可调节、生物兼容和可降解的特点，被注射在内部或外部伤口上，经紫外线照射固化，可在60秒内愈合伤口，同时不会阻止器官如肺、心脏和动脉的自然搏动与放松。它在动物的肺部和动脉的试验中已获得成功；进一步优化其降解率，还可用于其他器官或组织的外科手术中。此外，它可以取代传统的缝合器或缝线，治疗难以触摸的内伤（如心脏、肺部以及动脉等），在战场、交通事故等紧急状况中有较大应用价值。

11月，美国佐治亚大学与克拉克森大学合作，研制出一种非侵入的方法，利用弱磁场把药物准确送到病灶并杀死癌细胞。研究者用两种纳米粒子作药物的载体，一种携带药物，另一种携带酶。在合适的时机，用弱磁场使两种纳米粒子融合，并在指定的地点准确释放药物。以往采用的是脉动磁场，结果脉动磁场产生的热破坏了患者的健康细胞。新方法采用的是静止的弱磁场，不会危害健康细胞，在癌症治疗过程中可以减弱化疗的毒副作用（掉头发和心脏毒性）。新成果是一种体外的概念验证，未来有望用于新型化疗药物中，对癌细胞进行靶向攻击。

11月，美国480Biomedical公司联合哈佛大学及MIT，开发出兼具较高强度和弹性以及优异的生物相容性的支架。目前用在医疗中的可移植物的一个主要不足是：缺少类似真正生物组织的硬度和弹性的材料。此外，理想的移植物应该具有生物相容性并可被生物吸收。研究人员把高弹性PGCL橡胶复合在高强度PGA衍生物的表面，制造出具有生物组织机械属性且可被生物吸收的支架。新生物支架可用于生物体内的腔体和管道等软组织中，未来将在软骨修复、血管移植、鼻窦炎治疗以及儿科疾病治疗等医疗领域发挥重大作用。

其他材料

1月，中国哈尔滨天顺化工科技开发有限公司利用自制的吨级生丝生产线，成功实现低成本生产T800级碳纤维。日本的T800级碳纤维生产技术一直处于国际领先水平。中国的新技术以国际价格1/3的成本，生产出各项指标均达到或超过日本的T800级碳纤维（拉伸强度5495Mpa，强度离散系数Cv3.8%，拉伸模量290Gpa，模量离散系数Cv2.5%）。未来T800级碳纤维将大量用于高端设备中。

2月，俄罗斯电子仪器公司研制出能够通过改变颜色来躲避高精度武器攻击的变色材料。当前的制导设备建立在识别分析图像和目标特性的基础上。新材料是一种特殊的聚合物，无明显的热辐射或电磁辐射，在电脉冲的作用下可改变颜色，甚至按需变成诸如树叶之类的复杂图像。利用它制成的涂层具有低可见性，可隐藏目标，未来在对抗高精度武器方面具有广阔的前景。

5月，瑞士联邦材料研究所（EMPA）开发出一种具有很强阻尼作用的新型声阻尼材料。科研人员用选择性激光烧结3D打印技术，将高聚物逐层打印成型并经过激光烧结强化，获得一种具有特殊弹簧结构和一定强度的新材料。新材料的基本单元是直径约4cm的相互关联的环状结构。该材料在声波作用下沿着上下前后左右各个方向做三维运动，也可以沿其几何对称轴转动。实验结果表明，新材料对人的典型频率声波（约为800Hz）的吸收率达99%，表现出很强的阻尼作用。它在建筑、汽车和航空工业具有广阔的应用前景。

5月，俄罗斯卡巴迪诺·巴尔卡里亚（Kabardino-Balkarian）州立大学开发出一种新的可用于3D打印机器人等的多功能聚合物材料。3D打印最常见的材料是塑料。如今研究人员创造出一种新的多功能聚合物材料。与其他3D打印材料相比，该材料具有很多优势：生产成本低，生产时间短，生产过程中浪费少，纯度高；良好的耐火、耐热、耐冻和耐化学性，以及高水平的生物惰性。它除可用于3D打印假体、无人机、动力外骨骼、机器部件、机器人装置的复杂部件以及太空服元件外，还可应用于医疗、高温、高辐射、航空航天、机械工程、石油和天然气等诸多领域中。与之匹配的3D打印机正在开发中。

6月，英国利物浦大学借助电脑算法在实验室合成出新材料。材料原子的类型和排列结构决定材料的结构和性能，而这种排列组合方式可以有数百万种；以往从中挑选出合适的新材料是一个漫长且费力的过程，而计算机的发展给新材料的发现带来了新希望。研究者利用电脑算法对已知材料的结构进行分析，预测出新的真正具有代表性的原子组合，并在此基础上评估出更稳定、可靠的原子组合，从而有效地缩小了查找范围，成功合成出两种新材料。新方法发展成熟后，可大幅提高新材料的研发效率，对研发新材料具有突破性意义。

6月，英国曼彻斯特大学、罗伊斯研究所和中国中南大学合作，开发出一种可耐3000℃高温烧蚀的碳化锆（ZrC）新型超高温陶瓷涂层。目前高超声速飞行需要耐2000～3000℃高温的陶瓷材料，而传统的超高温陶瓷材料不能满足这个要求。研究人员采用反应熔渗工艺，将多元陶瓷相引入多孔炭/炭复合材料中，获得了一种新型的含Zr-Ti-C-B的炭/炭复合陶瓷材料。新材料表现出优越的抗烧蚀性能和抗热震性能，耐热性是常规耐高温陶瓷涂层的12倍。它代表着一种极有应用前景的材料体系，可用于航空设备、新型导弹、高超声速飞行器中，并给这些应用带来重大影响。

8月，俄罗斯利用电铸纳米聚合物细丝，开发出一种高性能的薄膜材料。新材料的性能超过其他国家的同类薄膜材料，生产成本比较低。利用它制成的服装可以隐形，以及抵御包括病毒在内的各种危险微粒；除服务于空降兵外，还可用于生产极限运动用的服装和装备，以及用于制造极地考察服。目前已制造出隐形衣试验样本，并进入耐用性试验阶段，试验完成后即可批量生产。

9月，中国西安交通大学和新加坡南洋理工大学合作，成功合成出可与石墨和金刚石比肩的新型碳三维结构——T-碳。碳原子是神奇的，当发生轨道杂化的时候，会产生很强的与其他元素结合的能力。中国科学院大学的科学家曾预言，如果用一个由四个碳原子组成的正四面体结构单元取代金刚石中的每个碳原子，将会形成碳的一种新型三维晶体结构，即T-碳。这次中外科学家利用皮秒激光照射悬浮在甲醇溶液中的多壁碳纳米管，在极端偏离热力学平衡态的条件下，成功地合成出T-碳。T碳是一种蓬松的碳材料，具有非常小的密度（约为石墨的2/3）和直接的带隙（可通过掺杂来调控），将在光催化、吸附、储能、航空航天材料等领域有广泛的应用前景。