《科技导报》自2004年第3期刊登“2003年中国重大科学、技术与工程进展”以来，至今已连续18年遴选发布中国年度重大科学、技术和工程进展。

为盘点2021年中国重大科学、技术和工程进展，《科技导报》编辑部从国内外重要科技期刊和科技新闻媒体2021年1月1日至12月31日间发表、公布或报道的中国科技成果中，遴选、推荐27项重大科学进展、28项重大技术进展、27项重大工程进展候选条目，由《科技导报》编委、审稿人等专家通信评选，根据每项进展的得票情况，推选出2021年中国重大科学进展10项、重大技术进展10项、重大工程进展10项，以下按发表、公布及报道的时间先后逐一介绍。

今天我们介绍2021年中国重大技术进展，分别为：自供电软机器人成功挑战马里亚纳海沟；首次实现高性能的纤维聚合物锂离子电池；研发成功-271℃超流氦大型低温制冷装备；研制出应用于哺乳动物成像的自适应扫描光场显微成像仪器；世界最大的小鼠全脑神经元数据集建成；12英寸超精密晶圆减薄机正式进入集成电路大生产线；国产宫颈癌疫苗、四价流脑结合疫苗获重大突破；SWQSIM实现每秒4.4百亿亿次的持续计算性能；开发出搜寻暗物质的超灵敏量子精密测量技术；新冠病毒监测、防治取得系列重要进展。

自供电软机器人成功挑战马里亚纳海沟

深海机器人与装备需要高强度金属耐压外壳或压力补偿系统来保护内部机电系统。

浙江大学李铁风等从深海狮子鱼“头部骨骼分散融合在软组织中”这一生理特性获取仿生灵感，揭示了在深海中软体机器人自适性极端水压力的机制；提出了硬质器件分散融入软基体实现内应力调控的方法，以及适应深海低温、高压环境的电驱动人工肌肉融合制造方法；建立了万米深海软体机器人的系统构造方法和驱动理论。

Nature封面刊发自供电软机器人挑战马里亚纳海沟成果 来源：Nature

实现了无需耐压外壳的软体机器人深潜马里亚纳海沟10900 m海底实现驱动与南海3224 m深海航行。

该研究大幅降低了深海机器人的重量及经济成本，推动了软体机器人与智能装备在深海工程领域的应用，同时也为极端环境作业机器人的设计应用提供了新思路。

相关成果作为封面文章于2021年3月4日发表在Nature上。

首次实现高性能的纤维聚合物锂离子电池

锂离子电池已成为人类生产生活不可或缺的组成部分。

如何通过设计新结构如创建纤维锂离子电池，获得优异的电化学储能性能，满足电子产品高度集成化和柔性化发展要求，是锂离子电池领域面临的重大挑战。

国际学术界长期以来有一个共识：纤维锂离子电池内阻随长度增加而显著增大，导致无法实现其高性能化与应用。

复旦大学彭慧胜团队颠覆了上述传统认知，发现纤维锂离子电池内阻与长度之间独特的双曲余切函数关系（即内阻随长度增加并不增大，反而先下降后趋于稳定），奠定了纤维锂离子电池发展的理论基础。

在此理论指导下构建的新型纤维聚合物锂离子电池，能量密度较过去提升了近2个数量级，弯折10万次后容量保持率超过80%。

纤维锂离子电池纺织品的应用 来源：Nature

建立了世界上首条纤维锂离子电池生产线，在国际上率先实现了其规模化连续制备。

编织集成得到的纤维锂离子电池系统，电化学性能与商业锂离子电池相当，而稳定性和安全性更加优异，在柔性电池领域开拓出一个新方向。

以上成果分别于2021年3月和9月发表在Nature上。

研发成功-271℃超流氦大型低温制冷装备

2021年4月15日，由中国科学院理化技术研究所承担的国家重大科研装备研制项目“液氦到超流氦温区大型低温制冷系统研制”通过验收及成果鉴定，标志着中国具备了研制液氦温度（-269℃）千瓦级和超流氦温度（-271℃）百瓦级大型低温制冷装备的能力，可满足大科学工程、航天工程、氦资源开发等国家战略高技术发展的迫切需要。

液氦到超流氦温区大型低温制冷系统 来源：科学网

该装置取得了一系列核心技术突破，包括大型低温制冷系统整机设计体系构建及控制技术、系列化气体轴承氦透平膨胀机技术、大型超流氦负压换热器技术、大型高效氦气喷油螺杆压缩机技术、高稳定性离心式冷压缩机技术、大型复杂低温制冷系统集成与调试技术等。

项目的成功实施还带动了中国高端氦螺杆压缩机、低温换热器和低温阀门等行业的快速发展，使相关技术实现了从无到有、从低端到高端的提升，提高了一批高科技制造企业的核心竞争力，在中国初步形成了功能齐全、分工明确的低温产业群。

研制出应用于哺乳动物成像的自适应扫描光场显微成像仪器

显微仪器存在的光毒性会造成活体损伤，导致很难同时实现长时间、高速度和高时空分辨率成像，难以揭示肿瘤转移和免疫机制。

清华大学戴琼海、俞立团队提出了自适应扫描光场成像原理，建立了高维时空耦合扫描机制，给出了自适应解耦重构映射关系，解决了显微仪器光毒性制约，突破了高时空分辨率性能提升的瓶颈问题，研制出扫描光场显微镜（digital adaptive optics scanning lightfield mutual iterative tomography，DAOSLIMIT）。

DAOSLIMIT系统概念与原理应用示意 来源：Cell

该仪器满足衍射极限分辨率、毫秒级速度等活体显微的苛刻条件，实现哺乳动物连续30万时间帧的三维观测，将国际最长观测时间从分钟级提升至6 h，为揭示神经、肿瘤、免疫新现象和新机制提供了变革性工具。

相关成果于2021年6月发表在Cell上。

世界最大的小鼠全脑神经元数据集建成

单神经元精度全脑图谱，对理解大脑至关重要。

东南大学脑科学与智能技术研究院彭汉川、顾忠泽、谢维团队建立了世界上首个完整的全脑单神经元分辨率大数据和信息学平台并应用于全鼠脑研究，针对神经元的全脑三维影像数据进行高通量神经元重建，全脑映射以及智能数据挖掘，并基于此平台生产了目前世界上数目最大的单细胞神经元形态数据集，首次揭示了长程投射规则和分子水平基础上的神经元形态亚类多样性，对研究大脑细胞分型和功能、脑连接环路、全脑大规模模拟、类脑计算、基于生物脑的新型人工智能算法和系统等会持续产生重要作用。

神经元分析模块mBrainAnalyzer用于跨模态图像配准、大脑轮廓绘制、全脑完整形态神经元重建数据映射、fMOST鼠脑图谱建立的总体流程 来源：Nature Methods

本成果实现了首个软硬件结合的PB级超大规模脑大数据平台和首个完整的单细胞形态数据生产流水线，定量证明了完整单细胞解剖学分析对神经细胞类型鉴定至关重要。

主要科研成果分别于2021年10、12月发表在Nature、Nature Methods上。

12英寸超精密晶圆减薄机正式进入集成电路大生产线

12英寸超精密晶圆减薄机是集成电路制造不可或缺的关键装备。

该装备复杂程度高、技术攻关难度大且市场准入门槛高，长期被国外厂商高度垄断，国内市场严重依赖进口。

为了突破减薄装备领域技术瓶颈，清华大学路新春教授带领清华大学成果转化项目公司华海清科集中力量开展超精密减薄理论与技术研究，攻克晶圆背面超精密磨削、平整度智能控制、表面损伤及缺陷控制系列核心技术，研制出首台用于12英寸3D集成电路制造、先进封装等领域晶圆超精密减薄机Versatile-GP300。

12英寸超精密晶圆减薄机Versatile-GP300 来源：清华大学网站

2021年10月，Versatile-GP300正式出机，发往国内某集成电路龙头企业。

该装备是路新春教授团队与华海清科继解决中国集成电路抛光装备“卡脖子”问题后的又一突破性成果，将满足12英寸晶圆超精密减薄工艺需求。

国产宫颈癌疫苗、四价流脑结合疫苗获重大突破

2021年10月26日，由厦门大学和厦门万泰沧海生物技术有限公司联合开发的双价人乳头瘤病毒疫苗——馨可宁（Cecolin）正式通过世界卫生组织预认证。

用于接种的双价人乳头瘤病毒疫苗馨可宁 来源：新京报

这是第6个通过预认证的中国国产疫苗，也是首个获得该认证的国产宫颈癌疫苗产品，使中国继美国、英国之后，成为世界上第三个具备宫颈癌疫苗对外供应能力的国家，标志着中国疫苗产品的监管、研制和生产体系及产品质量获得了国际的广泛认可。

2021年12月，由康希诺生物股份公司自主研发的ACYW135群脑膜炎球菌多糖结合疫苗（CRM197载体）曼海欣正式获得国家药监局批准上市。

该疫苗是国内首个上市的覆盖A、C、W135、Y 4种血清群的流脑结合疫苗，可用于预防3月龄至3周岁儿童因脑膜炎奈瑟球菌引起的流行性脑脊髓膜炎，有效克服了多糖疫苗在保护年龄范围上的不足。

作为中国首个且唯一覆盖A、C、W135、Y 4种血清群的流脑结合疫苗，曼海欣将填补国内尚无四价流脑结合疫苗的空白。

SWQSIM实现每秒4.4百亿亿次的持续计算性能

由之江实验室、国家超算无锡中心等单位研究人员组成的联合科研团队基于新一代神威超级计算机，研发了量子计算模拟器SWQSIM，提出近似最优的张量网络并行切分和收缩方法及混合精度算法，可高效扩展至数千万核并行规模，并提供4.4百亿亿次/s的持续计算性能，是超算领域全世界目前已知的最高混合精度浮点计算性能。

SWQSIM获颁2021年度“戈登贝尔奖”现场 来源：科学网

与“悬铃木”系统200 s完成0.2%保真度的百万采样任务相比较，SWQSIM可在304 s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，还可以在60 h内完成比“悬铃木”系统复杂1000多倍的量子电路模拟，实现100~400比特量子电路算法的单振幅和多振幅模拟，为未来量子计算的发展提供了坚实的模拟支撑。

2021年11月18日，美国密苏里州圣路易斯举行的全球超级计算大会（SC21）上，SWQSIM获颁2021年度“戈登贝尔奖”。

开发出搜寻暗物质的超灵敏量子精密测量技术

在宇宙物质质量组成中暗物质约占85%，然而迄今为止还没有找到暗物质存在的直接证据。

中国科学技术大学彭新华研究组利用气态氙和铷原子混合蒸气室，发明了具有超高灵敏度的新型核自旋量子测量技术，实现了新型核自旋磁传感器。

自旋放大器基本原理和超灵敏磁场放大效应 来源：Nature Physics

该技术利用激光先极化铷原子蒸气，再利用铷与气态氙原子的自旋交换碰撞，从而将氙原子的核自旋极化和超灵敏读出。

基于该物理机制，研究人员设计出磁场量子放大器，并将这台自旋放大器与团队已发展的原子磁力计相结合，将原子磁力计的磁探测灵敏度提高了100倍。

暗物质搜寻结果比先前的国际最好水平提升至少5个数量级，并且突破国际公认最强的宇宙天文学界限。

相关成果于2021年11月18日在线发表在Nature Physics。

新冠病毒监测、防治取得系列重要进展

新冠病毒处于不断变异发展的态势，为了应对这项危机，需要对其进行持续有效的监测。

上海交通大学Bio-X研究院师咏勇团队利用深度学习算法AlphaFold2获得了新冠奥密克戎毒株突刺（S）蛋白、膜（M）蛋白及核衣壳（N）蛋白的高精度结构，揭示奥密克戎毒株的潜在免疫逃逸机制，为后续研发针对奥密克戎毒株的潜在药物提供基础。

奥密克戎S1 NTD、M蛋白和N蛋白结构 来源：Research

成果展示了高精度结构模拟在其中的有效性，AlphaFold2算法可以迅速地获得不同突变株的关键结构，为抗击新冠突变株提供第一手资料，同时也可以与实验结果相辅相成为疫苗和新药开发提供有力支撑。

这可以成为后续研究新突变株的一种典范和方法。相关研究成果于2021年12月在线发表在Research。

2021年11月30日，香港大学微生物学系宣布成功从临床标本中分离出新冠变异病毒奥密克戎毒株。这是亚洲研究团队首次成功分离和培养奥密克戎毒株，分离出来的毒株将可用于开发和生产灭活全病毒疫苗。

据了解，该毒株的分离和培养都是在香港大学生物安全三级实验室（P3 laboratory）严格按照操作规范下进行，研究团队正在对该病毒株进行进一步的分离与培养，以得到更大量的毒株用于后续实验。培养出来的病毒将用于动物模型，以评估其传播性、免疫逃逸性和致病性。

2021年12月8日，腾盛华创医药技术（北京）有限公司的新冠病毒中和抗体联合治疗药物安巴韦单抗注射液及罗米司韦单抗注射液注册申请获批。

这是中国首款获批的、具有自主知识产权的新冠病毒中和抗体联合治疗药物，用于治疗轻型和普通型且伴有进展为重型高风险因素的成人和青少年新型冠状病毒感染患者，其中青少年适应证人群为附条件批准。

新冠病毒中和抗体联合治疗药物有望成为助力全球抗击新冠肺炎疫情的又一重要武器。

致谢 本次遴选中，“2021年重大科学进展”候选条目，是从科学技术部高技术研究发展中心主办，《中国基础科学》《科技导报》《中国科学院院刊》《中国科学基金》《科学通报》协办的2021年度“中国科学十大进展”候选条目中产生的，特此感谢！

本文作者：王康友，徐丽娇，刘志远，祝叶华

本文节选自《2021年中国重大科学、技术和工程进展》，全文发表于《科技导报》2022年第3期，欢迎订阅查看。