2021年度“中国高等学校十大科技进展”陆续公布（另附：2021年度中国科学十大进展）

2022-04-24 15:31:47 作者：科奖在线来源：科奖在线分享至：

教育部2021年度“中国高等学校十大科技进展”近日揭晓，多所高校公布入选名单：

1、哈尔滨工业大学：天问一号火星探测器形状记忆智能展开结构技术

冷劲松院士团队自主设计并研制的中国国旗锁紧展开结构，历经202天地火转移轨道飞行和93天环绕探测，飞行4.75亿公里后，于2021年5月15日在天问一号着陆器上成功完成了中国国旗可控动态展开，为中国探测器在火星上打上“中国标识”，使我国成为世界上首个将形状记忆聚合物复合材料智能结构应用于深空探测工程中的国家。

“着巡合影”图，红框处为形状记忆锁紧展开结构可控展开的国旗

中国国旗锁紧展开结构释放国旗展开，左图为锁紧状态，右图为展开状态

　　未来，形状记忆智能结构技术有望应用于空间站、探月工程、载人登月、深空探测等航天领域，在航空、机器人、智能制造、生物医疗及汽车等领域也具有广泛的应用前景。

2、中国地质大学（北京）：白垩纪松辽盆地国际大陆科学钻探

白垩纪（距今约1亿4500万年前至6600万年前）是地质历史中典型温室气候时期，研究白垩纪气候—环境变化的规律、机制及其对生物圈的影响，可为科学预测未来全球变化提供参照。在科技部、国际大陆科学钻探计划和中国地质调查局等部门的资助下，王成善院士领导的科研团队经过十余年的科学研究与技术攻关，成功完成“白垩纪松辽盆地国际大陆科学钻探”项目，在白垩纪陆地温室气候、环境演变等研究领域达到国际先进水平。

白垩纪松辽盆地国际大陆科学钻探获取了国际上最连续、最完整，总长度达8187米的白垩纪陆相地质记录，打破了国际大陆科学钻探四项工程纪录；建立了陆相白垩系高分辨率年代地层框架并成为陆相白垩系年代格架对比标准；揭示了白垩纪恐龙时代陆地气候演变规律，对认识地球温室气候历史和当前全球气候变化具有重要的科学价值。

从2006年至2021年，项目实现了“三井四孔、八千米取心、钻穿松辽盆地、获取连续陆相白垩系”的目标。成果在国内外产生重大影响，入选中国共产党历史展览馆、国家博物馆、伟大的变革—庆祝改革开放40周年大型展览；被国际大陆科学钻探计划誉为“灯塔”工程，并被Nature和Science杂志长篇幅报道。

王成善院士（中）在松科二井现场

3、福州大学：柔性高分辨X射线成像技术研究

医学影像设备元器件与光刻机、芯片等被列为“卡住中国脖子的35项技术”之一。其中，X射线成像设备在医学、安检、国防等领域均有广泛且重要的应用。柔性X射线成像设备具有质薄、柔软、可弯曲和易携带等优势，具有更多的应用场景和灵活性。然而，制造大面积、柔性的薄膜晶体管阵列、非晶硅光电转换层以及闪烁体层仍存在巨大的技术挑战，柔性X射线成像设备的开发还未取得突破。针对柔性X射线成像技术存在的关键科学技术难题，该研究开发了长寿命X射线发光的新型稀土纳米晶闪烁体，实现了超过30天的X射线光子记忆。该研究还发现了高能量X射线光子与氟原子晶格的光电效应现象，提出了Frenkel缺陷态发光的X射线能量转换机制，发明了X射线发光扩展成像（Xr-LEI）的新原理，成功地开发了柔性高分辨X射线成像新技术和新仪器。该研究是继福州大学杨黄浩团队在低剂量、高分辨X射线平板成像技术（Nature 2018, 561, 88）之后取得的又一项标志性成果（Nature 2021, 590, 410），成功地突破了传统X射线成像技术的固有限制，在国际上率先研发出柔性高分辨X射线成像技术，抢占柔性X射线成像产业的制高点，将有力地推进高端X射线影像装备的国产化。我国高端X射线影像设备及关键零部件依赖进口的局面有望改观。

柔性高分辨X射线成像技术

课题组

4、河南大学：光诱导的信号调控大豆共生结瘤机制

共生固氮是自然界生物可用氮的最大天然来源，影响着农业和自然生态系统中的初级生产和碳汇，在绿色农业发展中占有重要地位。豆科植物进化出根瘤来容纳根瘤菌在其中进行共生固氮，这是一个高耗能的过程，光被认为是驱动自然生态系统中共生固氮的主要因素。但光合产物和光信号如何调控豆科植物根瘤固氮的机制，一直是豆科植物共生固氮领域的未解之谜。王学路教授研究团队发现光合产物和光信号在调控共生结瘤过程中的不同作用，揭示了CCaMK-STF-FT模块整合地上光信号和地下共生固氮信号，调控根瘤形成的机制。研究结果2021年10月1日以Article形式在《Science》正式发表，提出了植物地上-地下协同发育的新机制，为设计在弱光条件下也可以共生固氮的新型植物提供了关键技术手段，为优化农业中碳-氮平衡提供了新思路。

王学路教授团队长期从事植物遗传学、植物激素信号转导及其与逆境互作，调控植物生长发育的机制研究。在我校省部共建作物逆境适应与改良国家重点实验室组建了“生物固氮和豆科生物学”团队，以豆科作物为主要研究对象，研究菌植互作的遗传、发育、分子和进化机制，并开展豆科作物品种分子设计改良。近期，该团队在大豆共生固氮领域取得了一系列研究成果。2020年12月21日，在Molecular Plant上发表研究论文，揭示大豆GSK3蛋白激酶磷酸化共生关键转录因子NSP1，介导盐胁迫抑制豆科植物-根瘤菌共生的分子机制。该研究加深了我们对盐胁迫调控结瘤固氮的分子机制的了解，为改善大豆和其他豆类在环境胁迫条件下的共生固氮能力提供了可供改造和利用的目标基因。2021年1月15日，在Nature Plants上发表研究论文，揭示大豆与根瘤菌共进化过程中，根瘤菌由裂隙侵染向根毛侵染方式转化的遗传、分子和进化机制，这种侵染方式的转变对于增强大豆共生固氮能力和提高大豆产量起到了重要作用。该研究不仅揭示了在大豆与根瘤菌互作过程中宿主与寄主匹配性的遗传和分子机制，而且阐释了根瘤菌与大豆共进化过程中，根瘤菌由裂缝侵染演化成高效的根毛侵染过程的重大分子事件，也为大豆高效固氮的分子设计育种提供了重要理论依据和目标基因。2022年2月17日，在New Phytologist发表研究成果，揭示了根瘤菌侵染触发大豆共生根瘤细胞核内复制的机制。该研究不仅为深入研究根瘤菌和共生固氮领域的诸多问题提供了重要的启示，而且也为研究核内复制在植物发育过程中的作用提供了一个范式。

延伸阅读：

2021年度中国科学十大进展

2月28日，科技部高技术研究发展中心（基础研究管理中心）发布2021年度中国科学十大进展。火星探测任务天问一号探测器成功着陆火星、从二氧化碳到淀粉的人工合成等10项重大科学进展，从30项候选进展中脱颖而出。

根据得票高低，2021年度中国科学十大进展分别为：

火星探测任务天问一号探测器成功着陆火星

中国空间站天和核心舱成功发射，神舟十二号、十三号载人飞船成功发射并与天和核心舱成功完成对接

从二氧化碳到淀粉的人工合成

嫦娥五号月球样品揭示月球演化奥秘

揭示SARS-CoV-2逃逸抗病毒药物机制

FAST捕获世界最大快速射电暴样本

实现高性能纤维锂离子电池规模化制备

可编程二维62比特超导处理器“祖冲之号”的量子行走

自供电软机器人成功挑战马里亚纳海沟

揭示鸟类迁徙路线成因和长距离迁徙关键基因

1 火星探测任务天问一号探测器

成功着陆火星

2021年5月15日7时18分，天问一号探测器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区，我国首次火星探测任务着陆火星取得成功。任务采用了“气动减速-伞降减速-动力减速-着陆缓冲”四级串联减速技术路线，建立了设计迭代改进流程和多学科综合优化方法，提高了系统应对故障工况和进入条件极限拉偏下的安全着陆能力。

天问一号探测器着陆火星，是我国首次实现地外行星着陆，迈出了我国星际探测征程的重要一步，实现了从地月系到行星际的跨越，在火星上首次留下中国人的印迹，使我国成为第二个成功着陆火星的国家，是我国航天事业发展的又一具有里程碑意义的进展。

天问一号探测器

2 中国空间站天和核心舱成功发射

神舟十二号、十三号载人飞船成功发射

并与天和核心舱成功完成对接

2021年4月29日，中国空间站天和核心舱在海南文昌航天发射场发射升空，准确进入预定轨道，任务取得成功。天和核心舱发射成功，标志着我国空间站建造进入全面实施阶段，为后续任务展开奠定了坚实基础。

6月17日，神舟十二号载人飞船发射成功，并与天和核心舱成功完成对接，顺利将聂海胜、刘伯明、汤洪波3位航天员送入太空，这是天和核心舱发射入轨后，首次与载人飞船进行的交会对接。我国的载人航天飞船脱离试验阶段，开始实现太空往返常态化，我国正式进入太空站时代。

10月16日，神州十三号载人飞船发射成功，并采用自主快速交会对接模式成功对接于天和核心舱径向端口，顺利将翟志刚、王亚平、叶光富3位航天员送入太空，实现了我国载人飞船在太空的首次径向交会对接。

中国空间站模拟图

3 从二氧化碳到淀粉的人工合成

淀粉是粮食最主要的组分，也是重要的工业原料。中国科学院天津工业生物技术研究所马延和等报道了由11步核心反应组成的人工淀粉合成途径（ASAP），该途径偶联化学催化与生物催化反应，在实验室实现了从二氧化碳和氢气到淀粉分子的人工全合成。

通过从头设计二氧化碳到淀粉合成的非自然途径，采用模块化反应适配与蛋白质工程手段，解决了计算机途径热力学匹配、代谢流平衡以及副产物抑制等问题，克服了人工途径组装与级联反应进化等难题。在氢气驱动下ASAP将二氧化碳转化为淀粉分子的速度为每分钟每毫克催化剂22nmol碳单元，比玉米淀粉合成速度高8.5倍；ASAP淀粉合成的理论能量转化效率为7%，是玉米等农作物的3.5倍，并可实现直链和支链淀粉的可控合成。该成果不依赖植物光合作用，实现了二氧化碳到淀粉的人工全合成。

人工淀粉合成途径

4 嫦娥五号月球样品揭示月球演化奥秘

中国科学院地质与地球物理研究所李献华、杨蔚、胡森、林杨挺和中国科学院国家天文台李春来等利用过去十多年来建立的超高空间分辨率的定年和同位素分析技术，对嫦娥五号月球样品玄武岩进行了精确的年代学、岩石地球化学及岩浆水含量的研究。结果显示，嫦娥五号玄武岩形成于20.30±0.04亿年，确证月球的火山活动可以持续到20亿年前，比以往月球样品限定的火山活动延长了约 8亿年。

这一结果为撞击坑定年提供了关键锚点，将大幅提高内太阳系星体表面撞击坑定年的精度。研究还揭示嫦娥五号玄武岩的月幔源区并不富含放射性生热元素和水，排除了放射性元素提供热源，或富含水降低熔点两种月幔熔融机制，对未来的月球探测和研究提出了新的方向。

嫦娥五号月壤样品（玄武岩岩屑）的显微图像

5 揭示SARS-CoV-2逃逸抗病毒药物机制

不断出现的新冠病毒突变株对当前已有的疫苗、中和抗体等抗病毒手段提出严峻挑战，亟需发展能有效应对各型突变株的广谱药物。在生命周期中，病毒的一系列转录复制酶组装成“转录复制复合体”超分子机器，负责病毒转录复制的全过程，且在各型突变株中高度保守，是开发广谱抗病毒药物的核心靶点。

清华大学娄智勇、饶子和与上海科技大学高岩等发现并重构了病毒“加帽中间态复合体”“mRNA加帽复合体”和“错配校正复合体”，并阐明其工作机制。揭示了新冠病毒转录复制机器的完整组成形式；发现病毒聚合酶的核苷转移酶结构域是催化mRNA“加帽”成熟的关键酶，明确了帽结构的合成过程，为发展新型、安全的广谱抗病毒药物提供了全新靶点；发现病毒以“反式回溯”的方式对错配碱基和抗病毒药物进行“剔除”，阐明了瑞德西韦等药物效果不良的分子机制，为优化针对聚合酶的抗病毒药物提供了关键科学依据。

新冠病毒“反式回溯”的复制矫正机制

6 FAST捕获世界最大快速射电暴样本

快速射电暴（FRB）是无线电波段宇宙最明亮的爆发现象。FRB 121102是人类所知的第一个重复快速射电暴，中国科学院国家天文台李菂等使用“中国天眼”FAST成功捕捉到FRB 121102的极端活动期，最剧烈时段达到每小时122次爆发，累计获取了1652个高信噪比的爆发信号，构成目前最大的FRB爆发事件集合。

研究发现FRB爆发率存在特征能量E0=4.8x1037 erg；探测到其能谱的双峰结构，即低能端接近正则对数，展现快速射电暴重复过程的随机性；高能端接近洛伦兹函数，展现强辐射存在可能的相关过程。FAST样本排除了FRB 121102爆发在一毫秒至一小时之间的周期性或准周期性，严格限制了重复快速射电暴由单一致密天体起源的可能性。该研究首次展现了FRB的完整能谱，深入揭示了FRB的基础物理机制。

FAST捕获快速射电暴样品示意图

7 实现高性能纤维锂离子电池规模化制备

如何通过设计新结构（如创建纤维锂离子电池）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。

复旦大学彭慧胜、陈培宁等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。在此理论指导下构建的纤维锂离子电池具有优异且稳定的电化学性能，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%；建立的世界上首条纤维锂离子电池生产线，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。

纤维聚合物锂离子电池的集成组装示意图

8 可编程二维62比特超导处理器

“祖冲之号”的量子行走

量子行走是经典随机行走的量子力学模拟，是实现量子模拟、量子搜索算法乃至通用量子计算的工具。

中国科学技术大学朱晓波、潘建伟等通过研发兼容平面工艺的三维引线技术，实现了量子比特结构从一维向二维的拓展，设计并制作了一个由62个比特组成的8×8的二维结构超导量子比特阵列，构建了“祖冲之号”量子计算原型机，并通过该装置演示高保真的单粒子和双粒子连续时间量子行走。利用量子处理器的高可编程性，实现了量子比特激发粒子行走路径的精确调控，在固态量子芯片实现了马赫-曾德尔干涉仪。

该工作是世界范围内公开发表的首个比特数超过60的超导量子计算领域的成果，验证了对含噪声中等规模量子比特系统的高精度量子调控能力，为研制祖冲之二号、实现“量子计算优越性”奠定了基础。

祖冲之号

9 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”这一生理特性提取仿生灵感，揭示了深海极端压力条件下软机器人功能器件破坏及驱动失效的内在机制；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；建立了万米深海软机器人的系统构造方法和驱动理论。

所研制的自供电软机器人成功挑战马里亚纳海沟，实现了10900米海底深潜和驱动，在南海海平面以下3224米实现深海航行。该研究大幅降低了深海机器人的重量及经济成本，推动了软体机器人在深海工程领域的应用。

软机器人在马里亚纳海沟万米深海驱动实验

10 揭示鸟类迁徙路线成因

和长距离迁徙关键基因

“迁徙生物如何发现其迁徙路线？”一直是社会和学术界广泛关注的议题，也是《Science》杂志125个最具挑战性科学问题之一。

中国科学院动物所詹祥江等历时12年，利用卫星追踪数据和基因组信息，建立了一套北极游隼迁徙研究系统，发现游隼主要使用5条路线穿越亚欧大陆，西部游隼表现为短距离迁徙，东部为长距离迁徙。在末次冰盛期到全新世的转换过程中，冰川消退所导致的繁殖和越冬地变迁，可能是迁徙路线形成的主要历史原因。研究还发现迁徙距离更长的游隼携带ADCY8优势等位基因，该基因与长时记忆形成有关，表明长时记忆可能是鸟类长距离迁徙的重要基础。该研究结合遥感卫星追踪、基因组学、神经生物学等研究手段，通过多学科整合分析方法阐明了鸟类迁徙路线变迁成因和遗传基础。