2016年美國科技全面井噴

科技政策

既定戰略不斷推進，新的戰略陸續出台，新興技術領域政策走向引人矚目。

2016年，美國在繼續推進腦計劃、精準醫療、智慧城市和美國製造等重大科技戰略計劃的同時，奧巴馬總統在任期最後一年又陸續推出幾項重大科技戰略，以確保美國頭號科技強國地位。

2016年1月，奧巴馬宣布發起一項尋找癌症治癒療法的「登月計劃」。10月，相關戰略性報告正式提出5大戰略目標和大量政策建議，並呼籲國內外數據共享，以完成「5年內加快抗癌進展」的目標；美政府在3月份推出一項名為「全民聯網」的寬頻網普及計劃，目標是到2020年為2000萬低收入美國人提供高速互聯網服務，最主要內容是將寬頻互聯網納入「生命線」項目中；5月，奧巴馬宣布啟動「國家微生物組計劃」，支持跨學科研究，開發檢測、分析微生物組的工具，培訓人才，以推進對微生物世界的認知。這一計劃被認為是微生物組學的一個里程碑。

除上述戰略性科研計劃外，2016年，美政府在幾個新興技術領域的政策走向也十分搶眼。

聯邦航空管理局年中公布了美國第一個針對小型商用無人機的管理規定，旨在確保公共安全的同時，促進在無人機領域的科研創新；7月，聯邦通訊委員會一致同意，向移動和固定無線寬頻服務提供商開放近10.85兆赫茲（GHz）的頻譜資源，美國因此成為世界上第一個為5G應用確定並開放大量高頻頻譜的國家；9月，美政府推出《聯邦自動駕駛汽車政策指南》，為美國自動駕駛汽車的發展指明了方向；10月，白宮推出美政府第一份關於人工智慧的正式報告及配套文件，明確了政府發展人工智慧的決心。上述政策充分表明了美搶佔科技產業制高點，推動經濟發展的意願。

基礎研究

引力波探測取得里程碑式成果；多個「首次」發現令人興奮；量子、超導等領域研究有建樹。

2016年2月11日，美國科學家宣布，利用激光干涉引力波天文台（LIGO）首次探測到引力波，這一發現是物理學界里程碑式的重大成果，也是2016年基礎科學研究中最令人興奮的成就之一。

除引力波外，美國科學家在2016年做出了許多「首次」天文發現：首次在距太陽系最近恆星系發現類地行星——比鄰星b;首次探測到恆星爆炸激波；首次直接觀察到地磁重連；首次在太陽系內發現無尾彗星；首次在太陽系外發現手性分子；首次直接觀測到黑洞冷吸積現象……此外，他們還描繪出首份銀河系「年齡圖」；計算出可觀測宇宙半徑為453.4億光年；在星團R136中發現了超大質量恆星群；確認了1284顆行星的存在。

宏大的天文研究突破連連，在對細微物質世界的研究中美國科學家也有諸多「首次」：首次發現由底、奇、上、下四味不同夸克構成的四夸克粒子；首次在准二維材料α-氯化釕內觀察到一種新量子物態——量子自旋液體；首次發現運動的粒子能夠遠距離交互；首次揭示水存在量子隧穿狀態；首次用激光拍攝出含4個原子的分子在9飛秒內的化學反應動態過程；首次觀測到蝴蝶型里德堡分子；首次讓串聯式混合磁體的磁場強度達到最大峰值36特斯拉，創造了核磁共振領域的最新世界紀錄。

在其他基礎研究領域，美國科學家也取得了顯著成果。如在量子研究領域，他們使用一種量子反饋技術將量子疊加的時長提高了1000多倍；設計出一種「量子超材料」，能以光子形式釋放能量傳遞信息；克服量子計算一大主要挑戰，在超導材料內成功實現傳輸電子自旋信息。在超導研究方面，提出電子對密度論，稱銅氧化物的超導臨界溫度是由電子對密度決定，對標準超導理論提出挑戰；利用界面組裝技術成功誘導非超導材料鈣鐵砷複合物界面表現出超導性，提供了發現高溫超導體的全新方法等。

先進位

繼續推進國家製造業創新網路計劃，3D列印技術研發成果頻現，納米製造等先進位造工藝研發取得新突破。

2016年，美國政府繼續推進在先進位造領域的重要戰略—國家製造業創新網路計劃（NNMI），繼4月宣布成立該項目第八個創新中心—革命性纖維和紡織品製造創新研究所後，奧巴馬於6月宣布成立NNMI項目第九個創新中心—智能製造創新研究所。9月，NNMI正式更名為「製造美國」，意味著美國製造業創新戰略進入一個新階段。

在技術研發方面，3D列印作為先進位造技術的代表，成為美研發重點。2016年，美國科學家開發出可使超強3D列印陶瓷耐1700攝氏度高溫的新技術，研製出能列印有一定機械強度的人體組織的生物印表機。美國企業在3D技術產業化方面亦有所建樹，美鋁公司3D列印的飛機零部件進入市場，通用電氣公司3D列印製造的渦輪機關鍵零件也通過了測試。

在先進位造工藝方面，美國科學家還取得了許多成就。他們研發出製作納米線材和納米激光器的新方法，藉助一種簡單的化學浸漬溶劑工藝，讓材料「自我組合」成納米晶體、板材和線材；開發出製造耐氫合金的新工藝，通過摻入鉻、鈮來強化鋯合金的抗氫蝕能力。

信息技術

量子技術取得重大進展，離普通人更進一步；全新晶元製造技術有望催生更強大的計算機。

在量子計算機方面，IBM推出了一項新的在線服務，允許所有人使用其5個量子比特的量子計算機，使量子計算機離普通人更近了一步；麻省理工學院的科學家用量子的反饋控制來保護量子疊加，將量子疊加的時長提高了1000多倍，向最終研製出可靠的量子計算機邁出了重要一步；哈佛大學科學家成功實現在超導材料內傳輸電子自旋信息，克服了量子計算的一大挑戰；谷歌將測試能抵抗量子計算機破解的加密演算法。

在超級計算機方面，美國推出新超級計算機可預測極端天氣影響。

在晶元和晶體管方面，麻省理工學院開發了一種全新的晶元製造技術，可將不同材料集成於單一晶元層，用於研製功能更強大的計算機；楊百翰大學研究團隊的DNA「摺紙術」有望實現更快、更便宜的計算機晶元。

在晶體管方面威斯康星大學麥迪遜分校的科研團隊，研製出處理速度超快的柔性硅基晶體管，能無線傳輸數據和能量，有望用在可穿戴電子設備和感測器等諸多領域；該校材料學家研製的碳納米晶體管性能首次超越硅晶體管。

此外，美國研究小組利用碳納米管和二硫化鉬，成功研製出目前世界最小晶體管，其柵極長度僅一納米。

在存儲方面，華盛頓大學和微軟科學家在DNA儲存數據方面更進一步，數據首次存入DNA內並可無損讀取，新研究或將徹底變革計算機存儲方式；IBM相變存儲技術每單元存3比特數據，為物聯網時代呈指數級增長的數據提供了簡單快速的存儲方式。

此外，谷歌欲用太陽能無人機傳輸5G網路；美國波士頓大學科學家首次開發出能在可見光波段內操作的納米無線光學通訊系統，將大大縮小計算機晶元的尺寸。

新材料

超導材料和電池研發獲突破；發現新型二維半導體材料；首次3D列印出受熱收縮的超材料。

在超導方面，美國休斯頓大學科學家利用界面組裝技術，誘導非超導材料鈣鐵砷複合物界面表現出超導性。

在半導體材料方面，猶他大學工程師新發現一種新型二維半導體材料一氧化錫（SnO），可用於製造晶體管；美韓科學家將液體納米晶體「墨水」按順序放置，或可用3D列印技術製造出晶體管；美國科學家還設計出「量子超材料」，以光子形式釋放能量、傳遞信息。

在新型電池方面，斯坦福大學研究團隊利用表面「親鋰化」處理的碳質主體材料，成功製備出一種複合金屬鋰電極，可大大提高鋰電池性能。喬治亞理工學院開發出能同時捕獲太陽能和風能的新布料，有助於開發出能給手機和導航系統等移動設備充電的服裝。

在聚合物方面，中美科學家將氮化硼納米片添加到一種塑料聚合物原材料上，研製出一種即使破碎多次也能自動恢復所有功能的新型電子材料。

此外，美國多家機構合作，首次3D列印出受熱會收縮的全新超材料。麻省理工學院研製出一種實現化學儲能的固體材料——透明的聚合物薄膜，可遇光吸熱並按需放熱。

生物技術

腦科學研究碩果累累；人類基因組編寫計劃「呱呱墜地」；基因編輯技術風生水起；3D列印可按需定製人造器官。

在腦科學方面，艾倫腦科學研究所和哈佛醫學院、弗蘭德斯神經電子學研究所共同發表了迄今最大的腦皮層神經元連接網路研究報告。艾倫腦科學研究所不僅繪出了迄今最完整的數字版人腦結構圖譜，還公布了最大規模小鼠視覺皮層數據。美國國家衛生研究院（NIH）開發出一種新的神經成像技術，可以「看到」人腦基因開關。杜克大學在抑制性突觸中找到一百多種過去沒有發現的蛋白。華盛頓大學開發出以接近腦認知速度破譯腦信號的新方法。麻省理工學院發現忘卻的記憶可以被拯救。

在基因組研究方面，人類基因組編寫計劃在爭議聲中「呱呱墜地」。艾倫腦科學研究所繪製出靈長類動物出生前後大腦基因表達位置。

在幹細胞方面，人類胚胎體外發育首次突破10天。NIH放寬對資助人體幹細胞注入動物胚胎方面的研究禁令。斯坦福大學醫學院開發出或能讓中風病人行走的幹細胞療法，並識別出多組可使幹細胞迅速發育成純細胞群的生化信號。卡內基梅隆大學新型生物模擬法能製備間充質幹細胞。

基因編輯技術風生水起，登上了「大規模殺傷性與擴散性武器」威脅清單。哈佛大學改進CRISPR/Cas9後，成功逆轉單個鹼基變異。哈佛—麻省理工博德研究所基於CRISPR系統開發出以RNA為目標的新基因編輯工具。

在病毒研究方面，發現寨卡病毒感染會影響成人大腦細胞並引起小兒大頭症，繪製出寨卡病毒結構圖，建成克隆寨卡病毒新模型。華盛頓大學在小鼠中發現能有效阻止寨卡病毒感染的抗體。美國過敏和傳染病研究所開發出的DNA疫苗成功阻止獼猴感染寨卡病毒。此外，人類基因組中發現了19個特殊DNA片段，再次「擒獲」古老病毒。英美科學家通過收集超過110年的數據，共同編繪出首個全球蝙蝠病毒傳染人類風險圖譜。美國斯克里普斯研究所、國際艾滋病疫苗行動組織與拉霍亞過敏和免疫學研究所，發現新強效免疫原可用於設計艾滋病疫苗。紐約州立大學布法羅分校利用無害大腸桿菌研發出一種可輸送疫苗的「細菌膠囊」。IBM開發出一種可附著到病毒上的高分子，能摧毀多種病毒。日、美、英聯合開發出一項可準確預測季節性流感病毒的新技術。

放寬基因療法臨床試驗年齡限制，可治療「失明」的基因治療產品「SPK-RPE65」有望上市。麻省理工學院和佛羅里達大學開發出一套先進技術平台，能發現更多DNA變體。美國科學家開發出一種編程語言，能用來設計複雜的DNA編碼線路，賦予活細胞新的功能。美國哈佛醫學院重新設計大腸桿菌遺傳密碼獲成功。

在癌症研究方面，美國將啟用癌症研究新模型。辛辛那提大學發現急性骨髓性白血病小分子RNA療法效果初顯。實驗發現，現有藥物羥化氯喹能阻止癌細胞在體內擴散。哥倫比亞大學研究發現，癌症在多種貝類中傳染超預想。

在器官移植方面，范德堡大學用微晶元人工腎臟讓患者擺脫透析。北卡羅來納州維克森林大學醫學院開發出一種改進版生物印表機，可按需定製人體「零件」。哈佛大學3D列印出接近真實功能的人體腎臟中近端小管。杜克大學開發出一種迅速製造人工動脈的新技術，比現有技術快10倍。NIH開發出一種高效免疫抑製藥物療法，打破跨物種心臟移植存活時間紀錄。威斯康星醫學院再生技術成功重建人體食道組織。

航空航天

美國仍是航空航天領域的「大哥大」，火箭回收等壯舉讓世界對美國私企的表現刮目相看。

美國總統奧巴馬重申本世紀30年代前把人類送上火星的目標，並表示將藉助私營企業的力量實現這一「巨大飛躍」。美國國家航空航天局（NASA）已加緊研製登陸火星用的電力推進系統，「洞察」號火星探測器將於明年發射，「機遇」號也將首次探索火星溝渠。此外，新開發的新型遙感儀器或將能「聞」出火星生命的跡象。

關於木星，NASA第二艘專門造訪它的探測器「朱諾」號順利進入木星軌道，成為人類歷史上距離木星最近的航天器，並發回首批木星圖像；關於月球，「獵戶座」載人飛船主體結構基本完成，2018年將飛往月球背面執行無人探測任務。在探索小行星方面，除新的行星獵手「凌日系外行星勘測衛星」或在明年升空外，OSIRIS-REx探測器已升空，開始了歷時7年的追蹤小行星貝奴的「獵星之旅」。

美國私營公司在太空探索上的表現令人驚嘆。太空探索技術公司（SpaceX）的「獵鷹9」號火箭幾經沉浮，至今完成了四次火箭第一級成功回收，有助於大幅降低發射費用。該公司的「猛禽」火箭發動機也完成了首次測試。另一家美國公司——藍色起源也實現了火箭的重複利用，其可回收的「新格倫」火箭設計亦閃亮登場。

SpaceX創始人埃隆·馬斯克以「讓人類成為多星球公民」為宏偉目標，預計花費3億美元用於其紅龍飛船登陸火星任務，其「龍2」無人飛船擬於2018年發射並登陸火星。洛克希德·馬丁公司也表示將在12年內發射一艘載人飛船前往火星。「月球捷運」公司則宣布，它將首開先河獨立開展登月活動。這些商業實體獲准前往外太空目的地，標誌著商業太空探測和開發迎來重要轉折點。

海洋科技

重視海洋環保，建立海洋保護區；氣候變化影響顯現，海洋環境讓人擔憂；海洋資源利用能力不斷提升。

在海洋環境保護方面，美國繼8月宣布擴建夏威夷帕帕哈瑙莫誇基亞國家海洋保護區面積至150萬平方公里後，9月又宣布建立第一個位於大西洋的國家海洋保護區。此外，限制油氣開採活動也是其一項海洋環保措施。11月，美內政部決定，在2022年前禁止開展新的北極油氣鑽探。

儘管海洋環境問題日益受到重視，但海洋環境逐漸惡化仍是不爭的事實，氣候變化的影響也逐漸顯現：3月，美國科學家研究稱，全球變暖使北極海冰面積連續第二年創冬季的新低；8月，美科學家指出，未來10年全球海平面上升速度將明顯加快；10月，美科學家發現，2002年至2009年西南極洲冰川的堅冰消融了幾百米。

海洋環境惡化的後果令人擔憂。美科學家研究稱，海洋魚類捕撈量下降或致全球10%人口營養不良；伍茲霍爾海洋研究所研究表明，海水酸化和海洋升溫對海洋微生物影響巨大；杜克大學等機構研究稱，海水酸化和海洋升溫對珊瑚礁生態影響嚴重，進而影響島礁人群的生活。

有憂也有喜，人類對海洋資源開發利用的能力也隨著科技的進步而不斷提升。2月，美科學家研製出類似電池的海水淡化裝置，能實現約80%的淡化率；7月，人類又找到了一個重要的氫氣來源：研究發現，海底大洋岩石圈蘊含大量氫氣，模型顯示其總量比陸地產生的氫氣還要高；還有研究表明，海洋微藻可成為人類重要的食物和燃料來源，海洋資源名錄上又有了新內容。此外，科學家設計出一個海洋保護區網路模型，在「保護物種與保證漁獲」的矛盾中找到了一個平衡點，因過度捕撈而受到嚴重威脅的海洋生物群落或因此而得到保護。

能源環保

新型電池研究成果豐碩；氫能技術開發有突破；核能、太陽能等領域亦有新成果。

2016年，美國科學家在新型電池領域研究成果豐碩：開發出可在0℃下高效運行、有快速自發熱功能的鋰離子電池和能附著在許多物體之上的超輕薄柔性太陽能電池；研製出以金納米線為材料可反覆充放電數萬次的新型納米電池，以及能廉價高效將二氧化碳轉化成碳氫化合物燃料的新型太陽能電池。此外，在新型電池基礎研究方面的成果還包括：發現加熱鐵鏽之類金屬氧化物，可提升特定太陽能電池轉換效率和儲能效率；發現鈣可以作為三層液態金屬電池的重要原料；提出「親鋰性」概念，製備出可大大提高鋰電池性能的複合金屬鋰電極；證明使用太陽熱光伏設備有望使太陽能電池光電轉化效率突破理論限制；開發出可觀察鋰離子電池充放電時內部粒子運動的新型X射線顯微鏡技術。

在氫能技術開發方面，科學家設計出以鈣鈦礦太陽能電池驅動的光解水複合體系，可使光解水制氫的轉化效率提高兩倍；發現了一種由鉬硒化硫和多孔硒化鎳組成的新型複合催化劑，能使水制氫效率達實用水平；開發出成本相對低廉的電解水催化劑，同樣有助於高效制氫。

在核能領域，科學家在阿爾卡特C-Mod托卡馬克聚變反應堆實驗中創造世界新紀錄，等離子體壓強首次超過兩個大氣壓；在世界最強輻射源——「Z機」裝置內開啟了氘—氚受控核聚變實驗。

在其他新能源領域，科學家也取得了許多成果。他們開發出可把二氧化碳和水直接變成液態烴燃料的新型可再生燃料技術；開發出比自然光合作用效率高10倍的人工仿生葉技術，能利用二氧化碳產出生物乙醇；改進了通過分解水分子儲存太陽能的方法，使儲能效率達到30%。