：“变革性技术关键科学问题”重点专项2017年度项目申报指南.doc

附件 “变革性技术关键科学问题” 重点专项 2017 年度项目申报指南 为落实创新驱动发展战略， 促进我国变革性技术的不断涌现， 按照《国家中长期科技发展规划纲要（2006-2020） 》部署，根据 国务院《关于深化中央财政科技计划（专项、基金等）管理改革 的方案》 ， 国家重点研发计划启动实施 “变革性技术关键科学问题” 重点专项。根据本重点专项实施方案的部署，现发布 2017 年度 项目申报指南。 变革性技术是指通过科学或技术的创新和突破，对已有传统 或主流的技术、工艺流程等进行一种另辟蹊径的革新，并对经济 社会发展产生革命性、 突变式进步的技术。 “变革性技术关键科学 问题”重点专项重点支持相关重要科学前沿或我国科学家取得原 创突破，应用前景明确，有望产出具有变革性影响技术原型，对 经济社会发展产生重大影响的前瞻性、原创性的基础研究和前沿 交叉研究（如材料素化、碳基资源催化、超构材料、太赫兹科学 技术等方向） 。 在 5 类科技计划中已有布局的研究内容不在本专项 重复支持。专项实施周期为 5 年（2017-2021 年） 。 2017 年，变革性技术关键科学问题重点专项将围绕化学键精 — 1 — 准重构、超构材料、精确介观测量、新型太赫兹辐射源等方向部 署 13 个研究方向，国拨总经费约 3.9 亿元。同一指南方向下，原 则上只支持 1 项，仅在申报项目评审结果相近，技术路线明显不 同，可同时支持 2 项，并建立动态调整机制，根据中期评估结果， 再择优继续支持。 申报单位根据指南支持方向，面向解决重大科学问题和突破 关键技术进行一体化设计。鼓励围绕一个重大科学问题，从基础 研究到应用研究全链条组织项目。鼓励依托国家重点实验室等重 要科研基地组织项目。项目应整体申报，须覆盖相应指南方向的 全部考核指标。如无特殊说明，每个项目下设课题不超过 5 个， 每个项目所含单位数不超过 10 家。项目申报需具备相关研究基 础，并曾获得国家科技计划支持且实施效果良好、具有重大应用 前景。申报项目负责人需具有承担国家重大科技项目的经历。 项目执行期一般为 5 年，申报项目特别需提出明确、有显示 度的 5 年总体目标和 2 年阶段目标和考核指标（或研究进度） 。 项目实行“2+3”分段式资助，在项目执行 2 年左右对其目标完 成情况进行评估，根据评估情况确定项目后续支持方式。 1. 电-热耦合催化能源小分子化学键的精准重构 研究内容：能源小分子的活化和转化是化石能源高效利用的 核心，常规转化过程存在高耗能、高耗水、低选择性等瓶颈；发 展基于电-热耦合催化分子选键活化新方法，促进甲烷和二氧化碳 —2 — 等碳基小分子中碳-氢、碳-氧和碳-碳键精准重构，实现温和条件 下甲烷无氧活化和转化的变革性方式，发展甲烷与二氧化碳以及 甲烷与煤碳中性转化的原子炼制新过程。 考核指标：利用电场等外场激发与纳米和单原子活性中心催 化相耦合，实现温和条件下甲烷的活化和转化，阐明自由基反应 和外场增强活化等非常规甲烷活化机制；突破甲烷利用的传统方 式，与煤转化或二氧化碳转化过程相耦合，实现转化过程的碳、 氢、氧自身平衡（碳中性） ，有效降低碳基能源利用中的二氧化碳 排放和水的消耗；发展外场作用下表界面反应的原位表征技术和 方法，对表面催化反应的初生产物、中间物种以及过渡态进行有 效探测，实现在原子分子层次上对变革性反应过程的理解。 2. 数字编码和现场可编程超构材料 研究内容：超构材料是物理和信息领域的前沿方向，但现有 的基于等效媒质超构材料属于模拟体系， 很难实时地调控电磁波。 本项目建立数字编码和现场可编程超构材料新体系，包括：数字 编码超构材料对电磁波近远场的调控理论；数字编码超构材料的 信息论操作及数字信号处理运算；高比特位数字编码和现场可编 程超构材料的设计方法及物理实现。 考核指标：建立数字编码超构材料对电磁波近远场的调控理 论并探索其高效求解方法，挖掘信息论操作和数字信号处理给数 字编码超构材料调控电磁波带来的新物理特征和新应用潜力，制 — 3 — 备高比特位数字编码和现场可编程超构材料（编码切换时间小于 30 ms ，工作频率覆盖 X 、Ku 、Ka 波段，编码状态误差小于 10%） ；发展双频数字编码和现场可编程超构材料、各向异性数字 编码和现场可编程超构材料、频（时）空联合数字编码超构材料、 以及幅相联合数字编码超构材料；研制基于数字信号处理、现场 可编程门阵列（FPGA）控制模块和数字编码超构材料软硬件一 体化的现场可编程信息系统原型。 3. 多能流综合能量管理与优化控制 研究内容：针对类互联网能源网络具有的多能协同互补、多 端供需互动、信息能量融合等核心挑战，突破多能流综合能量管 理与优化控制瓶颈问题。包括：特性各异多能流统一建模与多时 间尺度状态估计；多主体在线多能流分析与动态安全评估；含高 维复杂约束的多能流动态优化与协同控制；信息能量融合系统安 全机理；多能流综合能量管理原型系统。 考核指标：构建面向类互联网能源网络的多能流综合能量管 理与优化控制理论体系。实现以下关键技术的原创性或变革性突 破：提出冷、热、电、气、交通等特性各异多能流统一建模方法， 突破多能流多时间尺度状态估计技术；实现多主体在线分布式多 能流分析与动态安全评估技术；突破含高维偏微分-微分代数方程 组约束的多能流动态优化，实现能量“发输配用储”各环节、多 主体的互动协调；揭示在信息扰动条件（含恶意网络攻击）下信 —4 — 息能量融合系统的动态行为特征和安全性机理；提出多能流综合 能量管理的自律协同算法， 研发多能流综合能量管理系统原型， 涵 盖冷、热、电、气、交通等至少 3 种能源链，实现 10 个以上能 量管理自律子系统的协同互动，能源网络节点数大于 1000 个。 在 典型运行场景下，通过仿真验证多能流协同优化后综合用能成本 下降 8%以上。 4. 完整器官三维结构与功能信息的精准介观测量 研究内容：针对生物医学前沿科学问题，发展精准介观测量 新原理和方法，突破现有研究手段在大体积样本中难以进行高分 辨率三维测量的瓶颈问题，实现重要器官内多维生命科学大数据 的高精度获取、重建与可视化。进而，在具有代表解剖结构、组 织特征和生理病理状态的辅助坐标或注释中，可视化展现完整器 官内不同类型细胞的结构与功能图谱。 考核指标：以完整器官三维结构与功能信息的精准介观测量 为关键科学问题，通过对通量标记、示踪、成像与检测及与之配 套的图像信息处理原理和方法的变革性发展， 建立全新技术体系， 具体包括，1）建立全器官（厘米级生物大样本）的原位稳态成像 检测方法，具有微米量级的体素分辨和空间定位能力，实现多尺 度测量范围（单个细胞、组织微环境、结构功能区等）和多参数 （形态、表型、转录组或蛋白组等）并行测量与精准匹配；2）建 立活体瞬态的超高灵敏原位活体成像检测方法，具有生物组织中 — 5 — 重要分子纳摩尔（nM）量级的检测能力；3）海量空间信息的高 效并行处理与整合，对大于 10 TB 高维数据进行多维重建与可视 化。由此，为在重要器官的细胞综合图谱绘制中取得引领性成果 提供创新性研究手段。 5. 人体器官芯片的精准介观测量 研究内容：探索人体器官芯片生化特征介观测量与表征新原 理与方法，从分子、细胞到组织、器官甚至系统的多个层次，建 立具有多参数、多维度、多模态的高分辨率在线精准检测手段， 以实现对微器官的实时监控和对微结构仿生状态的客观评估，并 研究器官芯片的模型特征，验证其与人体组织的相似性，为药物 筛选和疾病治疗提供技术支撑。 考核指标：从分子、细胞到组织、器官甚至系统的多个层次， 建立可与肝脏、心脏等器官芯片集成的多模态精准介观测量与表 征全新技术体系，具体包括：1）发展在毫米量级的三维空间视场 下空间分辨率达到亚细胞量级的快速成像技术；2）发展成像范围 在毫米量级的高分辨率多模态检测，空间分辨率亚微米水平；3） 发展复杂环境下分子水平的超高时空分辨率检测新技术，实现对 人体芯片中生物表界面的介观测量；4）发展三维智能仿生支架材 料，原位构建人体芯片在线检测技术，检测指标不少于 5 个。实 现对可用于药物筛选与疾病疗效评价的人体组织／器官芯片进 行示范性的筛选评估。 —6 — 6. 面向智能制造的软件自动构造 研究内容：研究智能制造系统的领域模型和运行机理，建立 面向物联制造、定制化柔性生产、供应链协同优化以及智能服务 的创新型信息化支撑体系架构。 研究部分知识下的软件刻画方法， 研究非完备定义下的目标软件行为推理与预测方法，研究面向领 域的软件自动构造技术。研究面向智能制造软件的正确性确保和 性能优化技术，为自动构造软件提供可信保障。 考核指标：研制面向智能制造的软件自动构造平台，要求具 备领域知识建模的能力，模块级工业控制软件自动构造的能力， 以及软件形式化分析与验证的能力，显著提高软件开发生产力和 软件质量。在 3-5 家制造领域企业进行示范应用，在应用企业实 现提质增效、转型升级，为本领域服务型制造业和生产性服务业 的变革性发展做出表率。 7. 界面调控与构筑实现材料素化的原理及演示验证 研究内容：跨尺度界面（晶界、相界）结构的形成、演化、 调控规律；界面数量及分布、结构、成分与材料力学性能和物理 性能间的关系；界面调控实现高温合金素化原理验证；界面调控 实现热电材料素化原理验证。 通过界面调控与构筑实现材料素化， 突破材料发展过度依赖合金化的瓶颈，减少稀、贵、毒元素的使 用，促进回收再利用，实现可持续发展。 考核指标：研究晶界调控方法以及合金元素在晶界与相界的 — 7 — 偏析规律，在三种典型不同材料中实现材料的低能晶界含量超过 50%以上，发展出高稳定性相界控制方法。建立不同类型界面与 材料的力学性能、物理性能之间的关系。围绕高温结构素化，在 铸造高温合金中实现合金不含铼和钌，合金密度≤8.6g/cm3、高温 强度高于 1100℃/137MPa，持久寿命≥120h；在变形高温合金中实 现 Co 含量≤20%，特殊晶界含量>30%，760°C 的 σ0.2>900MPa， 760°C/480MPa 持久寿命>450h。 降低高温合金对稀贵资源的依赖， 降低高温合金成本。在 Bi2Te3 合金体系中通过界面调控实现现有 无机热电材料优值系数（ZT）值提升 20%以上。发展环境友好型 和资源节约型新型热电材料。 8. 下一代深度学习理论与技术 研究内容：面向泛在（如移动计算）、高风险（如精准医 疗） 、高可靠性（如智能交通）等应用场景，突破深度学习理论基 础薄弱、模型结构单一、资源消耗过高、数据依赖性强的瓶颈。 研究下一代深度学习基本理论；非神经网络、资源节约型深度学 习模型、方法及高效优化技术；适于小样本/无监督样本、强化/ 博弈学习的深度学习方法与技术。 考核指标：针对深度学习模型高度非线性、参数空间分层且 巨大等复杂特性，建立一套揭示深度学习工作机理的理论框架、 形成一组深度学习模型分析工具与方法；研制出一系列基于非神 经网络结构的新型机器学习模型、方法与技术，在深度学习模型 —8 — 可解释性、高扩展性、易配置性上取得突破；提出存储和计算资 源消耗低的多种深度学习模型与方法，设计快速高效、适用于非 凸深度学习训练的新型梯度与非梯度优化技术，大幅提升深度学 习技术部署能力；研制面向小样本、无监督样本、弱标记样本、 非单标记样本的深度学习方法与技术，降低深度学习对于大规模 高质量标注数据的严重依赖；研制多事件触发的深度学习模型和 技术，适应信息社会的开放环境和快速涌现的新现象；拓广深度 学习应用领域，提出适用于在线学习、强化学习、博弈学习的深 度学习方法与技术。 9. 深度神经网络处理器的新原理、新结构和新方法 研究内容：深度神经网络已在多种云端和终端应用中起到了 关键性支撑作用。然而，现有芯片远远难以满足深度神经网络的 速度和能效需求，有必要探索能高效处理大规模深度神经网络的 新型处理器的设计原理、体系结构、指令集和编程语言；探索深 亚微米工艺（≤16nm）及新型器件对深度神经网络处理器设计方 法的影响。研制新型深度神经网络处理器芯片，探索全异步特征 的极低功耗神经网络架构。 考核指标：研制能处理大规模深度神经网络（包含一亿神经 元和十亿突触）的深度神经网络处理器样片。该样片支持国产深 度神经网络指令集，集成硬件神经元/突触作为其运算部分，支持 硬件神经元的时分复用，支持 Caffe、TensorFlow 和 MXNet 等主 — 9 — 流深度神经网络编程框架，能完成多层感知机（MLP） 、卷积神 经网络（CNN ）、长短时记忆网络（LSTM ）、循环神经网络 （RNN） 、生成对抗网络（GAN）和更快速的基于区域的卷积神 经网络（Faster-RCNN）等主流深度神经网络的使用，实测能效 和性能超过英伟达图形处理单元（NVidia GPU）产品 M40 的 20 倍。设计深度神经网络处理器的基准测试集，覆盖语音、图像和 自然语言理解等应用。设计高效的深度神经网络处理器核和片上 互联结构。研制面向深度神经网络处理器的编程语言、编译器和 汇编器。研制面向深度神经网络处理器的驱动和系统软件。完成 深度神经网络处理器在超过 100 万部移动终端中的应用部署，实 现原来需要云计算才能处理的智能任务在移动终端本地处理。 10. 面向生物医学应用研究的新型太赫兹辐射源 研究内容：面向太赫兹波生物效应及检测等生物医学应用， 探索自由电子与新兴材料及新型结构互作用产生太赫兹辐射的 物理机制，揭示变革性太赫兹辐射的基本规律，突破传统太赫兹 辐射源的技术瓶颈，产生宽频带可调谐、大功率、连续波小型化 和具有一定无衍射长度的相干太赫兹辐射。 考核指标：研发出频段可调谐、连续波、室温工作、瓦级功 率输出、具有一定无衍射长度的相干太赫兹辐射源。 11. 类生物体灵巧假肢及其神经信息通道重建 研究内容：围绕“再造人手功能”的科学目标，探索操作感 — 10 — 知一体化类生物体灵巧假肢设计、制造、神经接口编码解码算法 和神经接口硬件系统，及其与神经系统的信息通道重建方法，及 神经智能与人工智能的融合与交互。重点研究基于软体材料的灵 巧假肢机构设计制造原理，神经信号的提取与解码，人手运动信 息的神经编码规律与新一代神经控制模型，传感信号的神经传入 机制及假肢的自然感觉功能再造方法， 实现闭环的双向神经接口， 完成稳定和可以持续学习改善功能的能力。 考核指标：建立基于主动功能材料的软体机构设计、制造与 运动控制原理，研发具有类生物体机械特性的新一代灵巧假肢机 构；研制神经信号的高分辨率无创或植入式微创测量系统，揭示 肢体运动信息在神经单元中的编码规律，建立假肢多自由度运动 的神经控制模型，实现 10~15 种离散动作模式的准确控制及 2~4 个自由度的连续运动控制；建立非侵入式或植入式微创电触觉系 统的刺激编码与控制方法，重建假肢触觉传感信号的神经传入通 道，解决触感位置及触觉模式的有效分辨问题，实现假肢触觉信 息的自然反馈。完成操作感知一体化类生物体灵巧假肢的样机研 制与功能验证。 12. 多复杂曲面共体光学元件纳米精度制造基础 研究内容：多复杂曲面共体光学元件将为自由曲面在下一代 大视场、高分辨率成像系统中的应用带来变革性影响。瓶颈难题 是多复杂曲面共体元件的控形、控位、控性制造，需研究制造约 — 11 — 束的共体自由曲面光学元件设计理论、纳米精度形位检测方法和 形、性智能可控的加工方法等，形成光学智能制造新理论、新工 艺与新方法。 考核指标：形成制造约束的共体自由曲面光学系统设计方法， 建立该类光学系统可靠描述的精确表达模型；揭示多复杂曲面共 体光学系统的像差形成机理，建立面形与位姿误差协同的测量模 型和像差解耦机制；建立复杂曲面多方法检测的统计检验与推断 模型，形成纳米精度复杂光学表面误差信息的表征方法与理论； 揭示共体复杂曲面多物理特性再构机理和光学制造过程精度演 进规律，创新智能可控柔体光学制造工艺；建立形位误差测量感 知智能、 工艺决策认知智能以及可控柔体制造智能的方法与装备， 形成光学智能制造理论与方法。 光学自由曲面面形精度优于 10nm RMS，位置精度优于 3μm。 13. 有望培育变革性技术的重大科学问题研究 目前已在科学前沿取得国际公认的重大创新，经过 3~5 年研 究，在科学上取得重大原创突破，有望培育形成对产业变革和经 济社会发展具有重大影响的技术原型。 （本条指南由教育部、中国科学院、国家自然科学基金委员 会作为组织申报的推荐单位） — 12 —