9大领域187项全球工程前沿，3D打印覆盖7领域18项工程

2019年12月11日

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12月10日，中国工程院战略咨询中心、科睿唯安以及高等教育出版社在中国工程院联合发布《全球工程前沿2019》报告。

报告围绕机械与运载工程、信息与电子工程、化工冶金与材料工程、能源与矿业工程、土木水利与建筑工程、环境与轻纺工程、农业、医药卫生、工程管理9个领域，遴选出年度全球工程研究前沿93项和全球工程开发前沿94项。3D打印技术参考统计发现，3D打印技术覆盖七大领域，11项工程直接相关，不少于7项工程涉及3D打印。

▌机械与运载工程

机械与运载工程领域所研判的Top10工程研究热点和Top10工程开发前沿中新兴前沿与传统工程科技并驾齐驱，智能化、绿色化、微型化成为发展趋势，3D打印的制造形式恰好复合这一发展目标。

工程研究前沿	工程开发前沿
基于工业物联网的智能制造	临近空间高超声速飞行器推进系统
高能固态锂电池	基于深度学习的人机智能交互系统
超声速流中的减阻减热研究	基于3D打印的生物组织再生技术
多机器人系统的协同控制	高效燃气涡轮发动机设计与制造技术
高性能微纳生物传感器	面向无人驾驶的视觉传感与识别
车联网信息安全与隐私保护	波浪能发电与能量收集
基于拓扑优化和增材制造的设计与制造一体化	反小型无人机系统
空间机器人自适应目标捕获控制	新型高效氢燃料电池
基于可再生能源/燃料电池的混合动力系统	船舶电力推进系统
智能电网的资源调度和风险评估	飞行器电磁隐身超材料开发与应用

▌信息与电子工程

需求牵引成为信息与电子工程的主要驱动力，工程前沿也在应用场景中不断得以强化，同时大数据、人工智能引发的安全和治理问题也日益受到关注。与此同时，该技术的发展也为增材制造深入发展、智能控制提供了契机。

工程研究前沿	工程开发前沿
类脑智能	毫米波高速通信技术
天地一体化组网	超精密仪器技术及智能化
脑成像技术	图像视频分析识别系统与技术
感知、通信、计算、控制协同融合理论与方法	基于微纳电子技术的传感器开发
混合增强智能	手术机器人技术
面向光互联、光计算及光传感的硅基集成光子器件	高能效人工智能芯片技术
面向5G的大规模天线无线传输理论与技术	基于石墨烯等纳米新材料的传感器单元及测量技术
人工微纳结构对光及电磁场的调控	柔性可穿戴光电子器件应用技术
量子化精密计量/测量技术与相关理论	物联网安全检测技术
新一代神经网络及其应用	基于合成孔径雷达的图像处理、目标识别以及特征学习

▌化工、冶金与材料工程

化工、冶金与材料工程领域组的Top11工程研究前沿和Top12工程开发前沿中呈现出与信息、生物等多学科融合趋势。其中，高性能金属材料、难熔材料以及先进陶瓷，也是3D打印材料业已发展的趋势，它们在航空航天、军工等领域具有重要的应用潜力。

工程研究前沿	工程开发前沿
可再生能源系统	人工智能与化工过程深度结合
高温合金	高分子材料的生物基替代
材料生命周期工程	军用难熔金属材料
人工智能设计催化剂	微反应系统开发
航天航空用高性能C/C复合材料	可穿戴柔性电子器件
膜生物反应器及膜污染防控技术	煤转化制化学品
生物质催化转化	计算机辅助的材料“靶向”功能设计
化学生物技术	极端服役环境下性能与服役行为检测与表征技术
多孔有机材料在CO₂捕集中的应用	生物质炼制化学品及材料
高性能分离净化吸附-催化材料开发	国防重大需求先进结构功能一体化陶瓷材料关键制备技术
化学固氮	智能仿生自修复涂层技术
	可反复循环生物降解高分子材料

▌能源与矿业工程

能源与矿业工程领域研判的Top12工程研究前沿和Top12工程开发前沿，涵盖了能源和电气科学技术与工程、核科学技术与工程、地质资源科学技术与工程、矿业科学技术与工程4个学科。

工程研究前沿	工程开发前沿
与可再生能源耦合使用的多元高密度储能方法	高效电动/混合动力汽车和动力电池技术
先进核燃料和相关材料损伤机理及验证	核能高温制氢及氦气透平发电技术
人工智能与油藏预测机制	基于微地震监测的裂缝形态处理方法和系统
煤炭与油气安全高效智能化开采理论	煤炭安全智能精准开采技术
光催化和光电催化分解水制氢研究	煤炭高效转化和超低污染排放控制技术
大数据和人工智能与电网的耦合方法研究	可再生能源制氢及储运一体化技术
全固态高能量密度锂电池和快速充电锂电池	数字化、智能化核电站及反应堆技术
核电站严重事故特性及预防与缓解措施	智能一体化模块式浮动堆技术
油气田地质-工程-地面一体化中的大数据应用方法	基于无线传感器网络的油田综合数字生态管理系统
关键金属富集机制	海洋地震勘探的地震信号获取和处理技术
超高温高压钻井液研究	新型压裂技术、装备与压裂液、支撑剂及添加剂的开发
深部金属矿开采过程中多场耦合致灾机理	深部金属矿开采灾害超前预警系统开发

▌土木、水利与建筑工程

土木、水利和建筑工程领域工程前沿，涉及结构工程、建筑设计及其理论、土木工程材料、城市规划、桥梁工程、地下与隧道工程、水工结构工程、摄影测量与航天测量、水文学与水资源、交通规划等学科方向，3D打印建筑技术开始受到重视。

工程研究前沿	工程开发前沿
结构长期性能演化机理与控制	既有结构加固、修复和改造技术
基于全寿命周期的绿色建筑设计方法	城市群综合交通规划系统及安全智能管理技术
水泥基材料的纳米改性和纤维复合	河湖海与地下水生态水环境监测与修复技术
应对城市热岛效应的城市设计与规划	基于资源化及能源回收的污水可持续处理技术
大跨桥梁运营智能监测与检测	生态住区与生态修复技术
城市与水下隧道全寿命期变形预测和控制	装配式钢结构标准化建造技术
极端地震作用下高坝抗震安全评价理论与方法	超级隧道高效安全掘进及智能装备
基于深度学习的多源卫星遥感影像时空融合	3D打印建筑用水泥基材料
流域洪水的精细化预测及灾情的快速评估	地下空间开发抢险与快速修复技术
新型多模式混合交通流建模理论与方法	海洋测量装备

▌环境与轻纺工程

环境与轻纺工程领域所研判的Top10工程研究前沿和Top10工程开发前沿涉及环境科学工程、气象科学工程、海洋科学工程、食品科学工程、纺织科学工程以及轻工科学工程等6个学科方向。

工程研究前沿	工程开发前沿
纳米复合材料在废水处理中的应用	多技术协同土壤污染修复
高效海水淡化	用于污水处理的复合微生物活菌制剂
土壤污染对作物代谢的影响	环境纳米催化材料
抗生素耐药基因环境污染与控制	膜分离材料与工艺开发
气候变化与生态环境	智能化预报技术
冬季严重雾霾	海洋能高效综合利用技术
海洋微塑料污染的监控与防治	海洋环境立体观测技术
食品中有害物快速筛查与智能判别新技术	食源性致病微生物快速精准检测技术
高效油水分离材料的制备与应用	纤维基3D打印技术
生物能源	生物质能源转化技术

▌农业

农业领域的Top10工程前沿涉及农业作物、植物保护、畜牧兽医、农业装备、资源利用等学科方向。

工程研究前沿	工程开发前沿
农业生物CRISPR-Cas9基因编辑	绿色植保技术
动物疫病发病机理及防控	农业生物基因编辑技术
作物基因组选择育种	土壤重金属污染防治
智能生物工厂	智能农业装备
植物免疫调控机理	林产物生物质利用
气候变化对农业生态的影响	动物健康管理系统
生物多样性与生态系统服务	苗种高效培育
人工诱导产卵繁殖	作物杂交新品种选育
全球气候变化与作物生产	精准栽培技术
林业高光谱遥感监测	作物DNA序列与基因组分析

▌医药卫生

医药卫生领域的Top10工程研究前沿和Top10工程开发前沿，涉及基础医学、临床医学、医学信息学与生物医学工程、药学、公共卫生与预防医学等学科方向，医疗一直是3D打印的重要应用领域。

工程研究前沿	工程开发前沿
人工智能在生物医药的应用研究	肿瘤免疫治疗技术
肠道微生态和稳态免疫	智能辅助诊断技术
脑科学的神经计算和类脑智能研究	基因编辑技术
类器官芯片机器生物医学应用研究	基于基因组学大数据疾病预测与干预技术
肿瘤免疫治疗	脑机接口技术
个体化肿瘤治疗疫苗	智能可穿戴健康辅助设备
干细胞在再生医学中的应用研究	基于干细胞的组织重建与器官重塑技术
肿瘤微环境代谢异质性与相互作用	人源化动物模型技术
单细胞测序与疾病诊断	单细胞分析技术
3D打印技术在再生医学的应用研究	组织再生修复材料

▌工程管理

在工程管理领域的Top10工程研究前沿中，工业4.0下的可持续发展研究、机器视觉驱动的施工管理、基础设施系统韧性为重点解读的前沿。

在工程管理领域的Top10工程开发前沿中，面向工程管理的可视化技术、面向工程安全的预警技术与方法、面向工程管理的物联网技术开发为重点解读的前沿。

工程研究前沿	工程开发前沿
工业4.0下的可持续发展研究	面向工程管理的可视化技术
机器视觉驱动的施工管理	面向工程安全的预警技术与方法
基础设施系统韧性	面向工程管理的物联网技术开发
大数据在远程健康监测系统的应用	智慧物流
高速铁路网络对城市发展的影响	风险评估与管理系统
共享社会经济路径描述及其扩展	车辆信息与资源共享系统
建筑信息模型与安全管理	智能医疗健康管理
能源互联网分析研究	基于云计算的集成管理方法与技术
一带一路下的物流、贸易和海运管理	基于可穿戴设备的管理方法和技术
用于能源交易的区块链联盟研究	面向智能制造的质量工程技术

▌3D打印的重要性得到充分体现

报告显示，2019年度全球各国在前沿创新空前密集活跃，Top10国家争夺不断激烈。在全球研究前沿中第一作者核心论文篇均被引排名前十的国家或地区和全球开发前沿中第一专利权国家专利均被引排名前十的国家或地区中，美国各个领域的工程前沿均有涉及，前沿研究与开发活跃，首发和引领性稳居全球首位。我国在工程前沿上总体位居第2位，但在全球开发前沿的引领性（即开发前沿排名第一名的数量）与英国并列第4位。

而笔者统计到此9大领域187项前沿项目中，3D打印涵盖面甚广，从材料、工艺到智能控制，体现出3D打印作为工程前沿的重要性。虽没有直接体现应用领域，但工程覆盖面却相当广泛，3D打印作为未来制造技术之一的重要性得到充分体现。

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