2022 全球前沿科技热点研究

Frontier Science and Technologies in Focus 2022

  国际大都市科技创新评价中心上海市前沿技术发展研究中心上海科学技术情报研究所科睿唯安

 2022 年 11 月

编委会成员

陈  超 杨荣斌 林  鹤 陈  晖 曹 磊

                                                                                                                  顾震宇 宁 笔 瞿丽曼 钟 婷                                   

II

第Ⅰ部分：前沿科技热点研究综述

上海图书馆（上海科学技术情报研究所）长期跟踪新兴前沿科技发展，本报告是此类项目的第五轮研究，旨在综合应用多种情报分析方法，系统、客观地揭示当前全球前沿科技发展的热点。

1. 研究的框架、方法与数据

基本框架

本项研究综合应用科技情报研究的方法和工具，从定性分析和定量分析的角度，相互印证，相互补充，考察国际前沿科技热点所在，并确保其客观性和时效性。

首先，分析世界主要国家或地区在科技研发战略或计划方面的权威文本。在当今世界科技研发领域是存在领头羊效应的，无论从科技研发的投入规模还是最终研发取得的成果来看，欧美日以及部分新兴经济体的科技发展战略都应该得到重点关注。

其次，分析主流咨询机构涉及前沿科技的相关报告。资本对于前沿技术研发是非常敏感的，很多有影响力的咨询机构长期关注新兴技术及其商业模式的创新，对于技术的产业化发展前景具有较好的洞察力。

三是利用专利分析工具对专利数据库进行分析，确定相关领域的前沿技术方向与热点。

四是利用科睿唯安（Clarivate Analytics）的 Essential Science Indicators（ESI）数据库进行学术论文的聚类分析，由此识别当今学术领域的前沿热点。

五是考虑到互联网科技媒体主要包括互联网上的权威科技期刊、综合性科技网站及其社交网络等媒体的新闻报道、评论和观点文章经过同行评审与解读，具有较高专业学术价值和新颖性，更能代表新兴技术和最新研究突破，可以运用大数据分析技术，聚焦互联网科技媒体，依托网络丰富的信息数据资源构建专题研究语料库，对前沿科技热点进行识别与跟踪。研究基本的框架如图Ⅰ-1 所示。

图Ⅰ-1 本项研究的基本框架

资料来源：上海科学技术情报研究所（ISTIS）编制方法及数据来源

本轮研究五方面所涉及的研究方法和数据来源均有所不相同，简述如下。

（1）对主要国家或地区科技发展战略的分析

这一部分主要采用文本分析，主要对重点国家和地区美国、欧盟、英国、德国、日本、韩国的科技战略预算文件或年度工作计划，针对其规划或资助的最新战略前沿技术进行梳理和总结。对这些战略或规划文献，其选择原则主要是：一是政府关于科技方面的权威战略文件或计划；二是年度连续出版报告，便于持续跟踪；三是资料可获得性强。本轮研究所涉报告 18 份。（2）主流咨询机构相关报告的分析

主要选择全球有影响力的 8 家主流咨询机构，这些咨询机构一般都按一定的时间周期发布同一主题的报告。8 家机构分别是：高德纳咨询公司（Gartner）、麻省理工学院（MIT）、世界经济论坛（World Economic Forum）、国际商业机器公司（IBM）、CB insight、阿里巴巴达摩院、德勤（Deloitte）和埃森哲（Accenture）。

本轮研究所涉报告 8 份。

（3）技术专利文献分析

采用 Dialog Innography 专利数据库，数据库选取主要基于以下两点考虑：一是利用该平台专利强度指标体系，筛选重要专利；二是利用该平台 PatentScape 专利分析功能，进行聚类分析及主题词词频统计。

在 Dialog Innography 专利数据库中，通过 IPC 分类号对 IPC 分类的 8 个部（A 部-G 部）进行检索，将检索结果根据 EPO 同族专利去重，并限制检索结果为 PCT 专利申请，限制专利公开日为 2021.01.01~2022.06.20，限制检索结果的专利强度在6-10（部分专利部，由于最终结果较少，对专利强度指标放宽至3-10），

得到最终的专利分析样本。以 IPC 分类的 A 部为例，检索式为(@meta IPC_A)

AND (@datepublished from 01/01/2021 to 06/20/2022)。

对检索所得专利样本进行 PatentScape 专利分析，对主题词进行词频排序，将高词频主题词进行人工分析解读，最终确定相关领域的前沿技术方向。

（4）  学术论文的聚类分析

科睿唯安公司基于所收录的全球 11000 多种学术期刊的 1000 多万条文献记录而建立了一个庞大的计量分析数据库，按照其划分的 22 个专业领域，按被引频次的高低确定出衡量研究绩效的阈值，给出居世界前 1%的研究论文排名—— ESI 高被引论文，是衡量高水平研究的重要数据来源。在实际操作过程中，利用科睿唯安 Essential Science Indicators（ESI）数据库中涉及自然科学的 19 个学科领域中 2020~2021 年发表的各研究方向的所有 ESI 高被引论文作为数据源，运用信息可视化软件 Cite Space 从这些论文的题目、文摘、关键词中提取相关名词短语，进行共词聚类分析，对得到的聚类核心文献进行手工梳理，由此得到各学科领域最新的热点研究领域。

（5）  基于互联网科技媒体语料库大数据分析根据业界领导力（要考察科技媒体本身的专业性和权威性。另外，参考美国知名的科技新闻和博客聚合网站 Techmeme 发布的科技媒体领导者榜单

Leader Boards）、内容原创性、网页结构可采集性、样本大小可处理性等原则，选择了 15 家提供英语文本的互联网科技媒体，利用网络爬虫软件对上述互联网科技媒体数据源进行语料采集。主要步骤为：制定抓取规则→设置待抓网址→ 调用规则采集待抓网址→保存抓取结果。经过对原始语料库经处理分析后，从多个角度展开解读，识别当今前沿科技热点。

2. 前沿科技热点研究结论概述

在前述研究结果的基础上进行归并，首先确定当前全球科技发展中较为集中的领域，即：信息技术，生命与健康，材料，能源，空间及交通运输，气候、生态与环境，以及先进制造及其他等 7 个行业。其次，筛选 5 个方面交叉较多的科技领域，再逐项筛选其中的具体技术或科学热点；最后，参考各领域的科技情报专家以及部分领域的研发人员的意见。本轮研究最终确定的“2022 全球前沿科技热点”，列表如下（表Ⅰ-1）。

表Ⅰ-1  2022 全球前沿科技热点

资料来源：上海科学技术情报研究所（ISTIS）编制

据上述前沿科技热点，并结合此前的研究，对当今全球科技研发与创新的一些新动向、新特点概述如下。

其一，基础科学理论研究为技术创新奠定更为坚实的基础。就量子互联网而言，要实现其完整的构建，依然面临着巨大的、多方面工程技术的挑战，但近年来相应的热点研究已经日渐夯实量子互联网的基础，我们迟早终会步入量子信息的超级高速公路。另外，尽管环状 RNA（circRNA）的发现已经过去很长时间，但是随着近期针对细胞器的一些更为深入的基础性研究，以及 RNA 在新药研发中的新突破，环状 RNA 重新进入研究者的视野，其特有的优点可以规避 mRNA 的不足，为新药研发带来新的想象空间。

其二，由于诸多产业数字化转型，信息技术与其他产业技术的融合呈现快速发展的态势。如，生物铸造厂（Biofoundry）是信息技术与生命科学的融合的典型例子，虚拟电厂是数字技术在能源领域的融合应用，数字技术对其他产业的渗透、与其他产业技术的融合，为各种新兴技术创新带来了更多的可能。

其三，智能化发展是科技创新的主场之一。作为集计算机科学、统计学、脑神经学、社会科学等学科之大成者的人工智能（AI），近年来在向多领域的应用拓展中不仅推动传统产业的智能化转型，也催生出很多新兴的产业领域，如随着各种机器学习算法的演进，生成式 AI 作为多领域数字化进程的底层技术，给无人驾驶汽车制造等行业带来更多创新的可能，“软件定义汽车的制造”也成就了众多“造车新势力”；创新药物研发方面，AI 分子发现与合成技术越来越成为一种更高效、更可靠的研发手段。其四，尽管近年来许多新技术概念大量涌现，但究其内涵却是其来有自，科技创新迭代主要建立在稳定的科技进步之上。如 Web3.0 是基于区块链技术实现去中心化的新型互联网；元宇宙（Metaverse）是虚拟现实/增强现实/混合现实

（VR/AR/XR）技术的递进与扩展 ^[1]。

其五，科技创新仍然以人类的需求为导向不断精进。能源、环境，以及粮食安全一直都是人类面临的重大问题，与其相应的技术创新一直处于较为活跃的状态。在能源领域，绿色低碳是创新的方向，近年来，绿色氢能、绿色制氨、高效钙钛矿太阳能电池、储能技术（包括与储能相关的材料技术）等都是研发创新的热点，取得了可直接感受到的进步。环境领域，空气与水土净化是一项持久战，与其相关的微塑料问题近年来得到各界的普遍关注，相应的处理技术成为研发创新的热点；另外，从源头着手，可降解塑料、闭环塑料等新型材料也是产学研界投资与研发的重点领域。

[1] 鉴于本项研究的惯例，我们每一轮对热点的选择有一定的数量限额，且为了给报告增加一定的新鲜感，对很多往年入列的、在现阶段乃至很长时间内依然是研究重点与热点的技术会做一些取舍，比如区块链（包括其在数字货币上的应用）、基因编辑、二维材料等，在后续的研究中根据其进展会重新加以介绍。

第Ⅱ部分：前沿科技热点解读

➢ 信息技术领域

1.  量子互联网（Quantum Internet）

21 世纪，量子技术仍被认为是最重要的技术创新之一。目前，全球正在加速推进研究开发各种量子技术，包括量子计算机和量子传感器。量子技术创新也被称为第二次量子革命，其设想了许多量子计算机相互连接并相互交换“量子数据”的未来世界。在那个世界，“量子互联网”将为传输量子数据奠定基础。量子互联网将是量子技术时代真正到来时的计算机网络基础。

量子互联网定义

目前，对于“量子互联网”尚没有统一定义。美国国防部认为，量子互联网是指采用固有量子技术的任何计算机系统或通信设备网络。量子互联网对于量子计算机之间的通信是必须，但它不一定是指独立于当前互联网的新互联网，可以是与现有互联网交织在一起的新兴基础设施，比如在现有互联网上添加量子组件；允许量子计算机将来集成到现有的互联网中等。日本产学官合作研究开发联盟量子互联网特别工作组认为，量子互联网是一种交换量子数据的技术，与现有的数字通信基础，如互联网，有着根本差异。一旦量子互联网建立并正确运行，就能实现信息的广域分布式处理，这是现在的互联网无法做到的。另有来自网络上的观点认为，量子互联网是一个网络，它让量子设备在利用量子力学定律的环境中交换一些信息。从理论上讲，这将为量子互联网提供前所未有的能力，而这些功能是当今的 Web 应用程序无法实现的。

这些定义的共同之处：① 量子互联网是利用量子力学定律，进行量子信息（量子 bit）交换的信息网络，与经典（现有的）互联网有着本质的不同。② 量子互联网不会取代经典互联网，而是对其的补充（图Ⅱ-01-01）。

图Ⅱ-01-01  量子互联网与现行经典互联网功能比较

资料来源：上海科学技术情报研究所（ISTIS）编制

量子互联网的组成与必要技术

量子互联网由三个基本的量子硬件要素组成。首先，需要一个支持量子比特传输的物理连接，即量子通道。例如标准电信光纤，因为它们目前用于传输经典光。其次，需要一种方式来扩展传输距离，这就是量子中继器。由于量子通道本质上是有损耗的，这种损耗对于应用有极大影响。为了到达更长的传输距离，必须在沿光纤连接以一定的间隔放置这种中继器。理论上，量子比特可以在在任意长距离上传输。未来，强大的中继器也可能兼作量子网络中的长距离路由器。第三个硬件要素是终端节点，即连接到量子互联网的量子处理器。这些量子处理器可以是极其简单的节点，如准备和测量单个量子比特节点，也可以是大型量子计算机。终端节点本身也可以充当量子中继器。由于量子互联网并不意味着取代经典通信，而是用量子通信来补充它，因此，所有节点假设都可以进行经典通信。例如，通过经典互联网，交换控制信息（图Ⅱ-01-02）。

根据《美国量子网络战略远景》报告，下面这些量子技术及物理设备是实现量子互联网的先决条件：① 量子探测器，超低损耗的光通道，空对地连接及经典的网络和网络安全协议。② 纠缠态和超纠缠态以及量子态的传输，控制和测量。③ 用于量子源和传统源的信号转换器。④ 更可靠的量子存储缓冲器和小型量子计算机。⑤ 使用量子中继器进行长距离纠缠分布（地面和空间），允许在小规模和大规模量子处理器之间使用基于纠缠的协议。

图Ⅱ-01-02  量子互联网的基本构成

资料来源：Stephanie Wehner, David Elkouss, and Ronald Hanson. 2018.

量子互联网发展方式、应用及现有成果

目前，量子互联网发展的实际方式是完全未知的，但德国学者最早总结了量子互联网发展模型，提供了每个阶段的明确定义，包括已知应用的基准与示例，并概述了实现这些阶段所需的技术进步（图Ⅱ-01-03）。在这个模型中，每个阶段的特点是以更大的技术难度为代价，达到增加功能的目的。

 图Ⅱ-01-03  量子互联网发展的各个阶段及已知应用示例

资料来源：Stephanie Wehner, David Elkouss, and Ronald Hanson. 2018.

美国能源部在 2020 年也提出了量子互联网的发展蓝图，根据五个关键里程碑，标记美国在在建设第一个全国性量子互联网的道路上取得的进展。由于美国是量子技术研发的最先进的国家，因此这些进展也可视为目前量子互联网研发所达到的水平。

➢  里程碑 1：光纤网络安全量子协议的验证

在准备和测量量子网络中，最终用户接收并测量量子态，但不一定涉及纠缠。在这种网络中要实现的应用包括不受信任的节点之间的交换，这些节点对时序波动、量子比特丢失和错误的容忍度（相对较）更高。

该类量子网络的一个例子已经在田纳西州 Chattanooga 地区，使用量子加密系统组合进行了演示。这项演示是由橡树岭和洛斯阿拉莫斯国家实验室领导的。

在这个演示中，这些系统通过可信节点相连接。该类网络一个令人感兴趣的应用是通过安全通信保护关键基础设施，例如电网。

➢  里程碑 2：校际和城际纠缠分布

在纠缠分布类型的量子网络中，任何两个最终用户都可以获得纠缠态，需要以确定性或预示的方式端到端创建量子纠缠，以及局部测量。这些网络通过支持实现与设备无关的协议（例如与设备无关的量子密钥分发和双方加密）来提供功能。对波动、损失、误差的容错低于前一类（里程碑 1）。存在经典网络和量子网络的初始集成。

该类网络的一个例子是美国伊利诺伊州快车量子网络（IEQNET）。这个网络由地理位置分散在芝加哥大都市区的多个站点组成，这些站点包括西北大学（NU）、StarLight（一个位于芝加哥北湖岸大道 750 号的西北通信交换点）、费米实验室（FNAL）、和 Argonne 国家实验室（ANL）。每个站点都有一个或多个量子节点（即 Q 节点），可以执行量子通信和测量。Q 节点通过光纤连接到支持 SDN 的光交换机。光开关进一步相互连接，形成网状全光网络。IEQNET 目前包含两个逻辑上独立的量子局域网（Q-LAN）：Q-LAN1 和 Q-LAN2，并计划将 ANL 站点发展为 Q-LAN3。Q-LAN 通过 ESnet（美国能源部建立的高速计算机网络） 中建立的专用信道，或通过费米实验室和 StarLight 之间的其他暗光纤连接。这种网络的直接应用领域将是小规模传感器网络。

➢  里程碑 3：使用纠缠交换的城际量子通信

在量子存储网络这类量子网络中，任何两个最终用户（节点）都可以获取和存储纠缠的量子比特，并将量子信息传送给彼此。终端节点可以对它们接收到的量子比特执行测量和操作。最低内存存储要求由往返经典通信的时间决定。这个量子网络阶段支持有限的云量子计算，因为它允许能够准备和测量单个量子比特的节点连接到远程量子计算服务器。为了保证全国性量子互联网建设的成功，量子存储网络第一代原型要确定领先策略和解决任何低效问题。为了能够对组件进行全面评估和初始阶段集成测试，需要一个或多个早期测试平台，形成 Q-LAN。

对 Brookhaven Lab（布鲁克海文实验室）–SBU（纽约州立大学石溪分校）

–ESnet 合作成果的扩展计划就是这类量子网络的实例。Brookhaven Lab–SBU

–ESnet 的合作在 2019 年 4 月实现了美国最长距离纠缠分布实验，覆盖了约

20km。其中的室温量子网络原型是测试平台的关键，由 SBU 的量子信息技术

（QIT）实验室开发，连接多个量子存储器和量子比特源。综合各项研究成果， Brookhaven Lab–SBU–ESnet团队设计和实施连接Brookhaven Lab和SBU多个地点的量子网络原型。而且通过使用量子存储器来增强飞行光子对偏振纠缠的交换，实现了长距离分配纠缠而没有有害损耗的量子传输。

目前该研究团队已经在纽约长岛，利用ESnet和Crown Castle光纤基础设施，建立了一个量子网络，其中包括连接 Brookhaven 实验室、SBU 和 SBU 校园内的“无线和信息技术卓越中心”，光纤长度约 120 km。下一步计划是将这个现有的量子网络与纽约市的“曼哈顿登陆”（MANLAN）连接起来，这是一个几个主要网络汇聚的高性能交换点。计划中长岛量子网络扩展到纽约市，将使用一系列量子中继器、三个纠缠源、六个量子存储器和两个纠缠交换站，预计这将成为世界上第一个此类量子中继器网络，同时也为全国范围的量子保护信息交换网络奠定基础。

 图Ⅱ-01-04  长岛量子网络扩展到纽约市计划的网络配置

资料来源：DOE USA. Quantum Internet Blueprint Workshop. 2020-07-23

➢  里程碑 4：使用量子中继器的州际量子纠缠分布

在这一阶段，经典和量子网络技术已经集成。量子中继器的成功串联和大陆尺度距离上的损耗和操作误差的量子纠错通信，将为覆盖更远距离的运营纠缠分配网络铺平道路，从而能够创建量子互联网。SBU 和 Brookhaven 实验室领导的一项位于纽约的多机构项目探索了如何设计和构建基础设施，以建立一个遍布全州的首个量子互联网原型。

➢  里程碑 5：在实验室、学术界和工业界之间建立多机构生态系统，从示范基础设施过渡到运营基础设施

为了实施这种量子通信基础设施并将其实现为量子互联网的完整原型，联邦机构之间的协调与合作至关重要。具有大量量子网络组合的机构以及在该领域具有关键任务需求的机构（包括美国能源部，NSF，国家标准与技术研究所，国防部，国家安全局，美国国家航空航天局（NASA）和美国国立卫生研究院）之间的互补基础设施的交互和集成尤其重要。在寻求这些联盟的同时，应通过与量子通信初创公司和大型光通信公司的密切合作来鼓励新方向和衍生应用的关键机会。早期采用者可以提供有价值的设计指标。

主要国家大型量子互联网研发项目和优势比较

一直以来，量子互联网的研发是围绕单个要素技术进行的，但近年来，一些在量子领域深耕并取得重要成果的国家，正在启动以“构筑量子互联网的试验台”和“建立量子互联网的中继器”为目标的大型项目。

➢  欧盟

自欧盟量子旗舰（EU Quantum Flagship）启动以来，欧洲量子互联网联盟（QIA）一直支持其中的 25 个项目。QIA 是由 QuTech、ICFO、因斯布鲁克大学和巴黎量子计算中心于 2017 年成立，由 40 个学术机构、电信运营商、系统集成商和量子技术创业公司等合作伙伴组成。QIA 从 2018 年开始构建量子互联网的试验台，到 2021 年的三年期预算为 1000 万欧元。2022 年 10 月 14 日，欧洲量子互联网联盟（QIA）启动了为期七年的计划，将开发一个全栈式原型网络，

连接相距数百公里的两个都市地区的用户，以构建“欧洲制造”的量子互联网生态系统。该计划的第一阶段，从 2022 年 10 月起持续 3.5 年，预算为 2400 万欧元。第一个目标是建立两个城域网络，包含量子处理器和光子客户端，使用量子中继器的长距离光纤主干链路。这个网络将是完全可编程的，允许使用独立于平台的软件实现硬件支持的任何应用。第二个目标是为欧洲量子互联网创新创建一个量子技术转化为创新应用的平台，包括对企业家的支持、知识产权保护、培养不同领域人才、用例开发，以及将学术和工业界专家聚集一堂的技术论坛。

➢  德国

2019 年，德国成立了自己的量子互联网联盟 Quantum Link Extension。德国联邦教育研究部拨付的三年期预算为 1480 万欧元。

➢  美国

美国从 2020 年开始，积极推动国家规模的量子互联网研究开发，如 2020

年 9 月提交更新《国家量子倡议法》（National Quantum Initiative Act），加大支持量子互联网。为了配合这一更新，美国能源部（DOE）和美国国家科学基金会（NSF）分别于 2020 年 7 月和 8 月宣布了各自的项目。这两个项目均支持从基础研究到实地实验的研究开发。DOE 项目是以其下属的 Argonne 国家实验室

（ANL）和 Brookhaven 国家实验室为中心进行实施。代表性的项目是 Q-NEXT。该项目 2021 年预算要求 2500 万美元。NSF 是出资支持“量子网络中心”，这是以亚利桑那大学为中心的互联网联盟，旨在开发大都市尺度距离的纠错量子网络，为量子互联网奠定基础。该中心在亚利桑那州图森和波士顿的两个地点安装试验台。NSF 在 2020 年～2025 年的五年将出资 2600 万美元。

➢  中国

中国虽然没有以量子互联网为主题的大型项目，但正在对量子信息技术开展广泛的研究，潘建伟团队使用光子的量子计算证明量子超越性，又实施了使用卫星的量子纠缠分发实验和全光量子中继实验，展示了以量子互联网为目标的研究成果。

➢  日本

日本早在 2012 年就计划成立量子信息和通信研究促进会以及量子科学技术研究开发机构，未来 10 年内投资 400 亿日元，支持量子通信和量子信息领域的研发。日本 2020 年制定的量子技术创新战略将推动各项技术的开发。但将量子互联网测试用通信网视为 2029 年度以后的课题。但是日本业界对量子互联网研发投入仍在持续。2020 年初，日本东芝公司和日本东北大学的研究人员用量子保密通信技术在短时间内传输了多达数百 Gbit 的人类基因组测序数据，据称这是全球首次用量子保密通信技术如此短时传输大量数据。2021 年 2 月，由 Mercari 公司和东京大学等 14 家机构组成的“量子互联网特别工作组”在公开的白皮书中，公布了建立量子互联网测试环境的方针，计划从 2021 年度开始，5 年内 10～ 20km 的分支通信网。

表Ⅱ-01-01  主要国家量子互联网研发优势比较

资料来源：産官学連携研究開発コンソーシアム，量子インターネットタスクフォース.

2021.

【参考文献】

[1]  White House website. A strategic vision for americas quantum networks[R]. 2020.

[2]  Stephanie Wehner, David Elkouss, and Ronald Hanson. Quantum Internet: A Vision for the Road Ahead. Science 362, no. 6412 (2018)

[3]  産官学連携研究開発コンソーシアム，量子インターネットタスクフォース.“The” 量子インターネット：この宇宙の物理法則に許されるサイバー空間の極致 [R].

2021-02-10. (https://qitf.org/files/20210210_qitf_whitepaper.pdf)

2. 三维异质集成（3D Heterogeneous Integration，3DHI）

传统集成电路 CMOS 工艺按照“摩尔定律”经过数十年的发展，已经开始边际收益递减，表现为引入下一代技术后单个晶体管成本不降反升，性能提升、面积缩小、功耗降低（PPA）放缓。

通过三维异质集成等先进封装技术实现系统层面的小型化、多功能化，已成为集成电路技术创新的重要方向之一。2022 年美国国防高级研究计划局

（DARPA）启动下一代微电子制造（NGMM）项目，该项目将三维异质集成作为下一代微电子制造的关键技术，并提出建立美国三维异质集成微系统（3DHI）

研发制造中心，开发用于 3DHI 微系统的设计、封装、组装和测试关键工艺模块。

按照 DARPA 的定义，三维异质集成（3DHI）是指将在不同材料系统单独制造的组件堆叠在一个封装中，形成一个在功能和性能方面具有革命性改进的微系统。其三维异质集成定义包括两层含义：一是同质组件异构集成，即通过封装技术将多个采用不同工艺，具有不同功能，由不同厂商制造的同质芯片（一般是硅基芯片）集成到一个封装内部；二是异质组件集成，即将不同半导体材料的器件集成到一个封装内，如：硅基数字处理电路与 GaN 射频、功率器件集成等。

3DHI 技术具有以下优点：将芯片封装架构由平面拓展至 2.5D 或 3D，可实现更小更紧凑的芯片系统；可以融合不同的半导体材料、工艺、器件的优点，实现更复杂的功能和更优异的性能；将单芯片系统（SOC）分拆成若干小芯片，简化了芯片设计复杂度，单个小芯片功能可以单独优化，提高了芯片设计效率；此外，使用 3DHI 技术还可以避免芯片（Die）尺寸增大而带来良率的下降，各个 Die 可以使用不同的最佳工艺，实现制造成本的降低。

技术的发展现状及态势

根据 SEMI 异质集成技术路线图（HIR），当前，异质集成技术正沿着多种材料、工艺集成，3D 集成，以及提高封装功率/效率、互联密度、可扩展性等方向发展。其技术创新主要集中在以下几个方面：

➢  EDA（电子设计自动化） 工具

3DHI 需要考虑的物理参数更加复杂，对 EDA 工具提出新的要求，例如：IC/ 封装的协同优化，TSV 通孔、硅中介层等引入产生的新约束等，此外，不同芯片高密度互连，对于布局布线也需要开发新的工具以实现最优化。尽管目前已有多种可用于 3D IC 设计的 EDA 点工具，但全流程工具仍不完善，设计团队相当程度上仍需自行摸索设计方法、整合开发流程，积累经验数据，难以达到理

想的开发效率。包括 IMEC、Cadence 等企业均在积极构建 3DHI EDA 工具平台。

➢  小芯片（Chiplet）

Chiplet 将一个系统单芯片（SoC）设计拆分成许多不同功能区块的小芯片，再藉由先进封装整合在一起。可以提升芯片设计灵活性，也具有制程良率、低成本优势，并可以提升设计效率，加快产品上市时间。2022 年 3 月，Intel 联合台积电、三星、日月光、微软、高通等企业共同成立 Chiplet 产业联盟，共同推动小芯片间通用互连传输标准（Universal Chiplet Interconnect Express，UCIe），以打造开放式的全球 Chiplet 生态系统。UCIe 定义了芯片间 I/O 物理层、芯片间协议、软件堆栈等标准，可以实现小芯片即插即用（Plug and Play），大大提高设计的灵活性和通用性（图Ⅱ-02-01）。

图Ⅱ-02-01  Chiplet 产业联盟的成员构成及其贡献

资料来源：UCle·MIC，2022 年 10 月（转引自公众号“半导体行业观察”）

➢  集成工艺

要实现 3DHI，集成工艺方面仍需要突破几个关键技术，如：硅通孔（TSV）、晶圆/芯片键合技术、散热等。TSV 是通过在硅片上制作通孔，以实现垂直的电互连。TSV 技术可分为三种类型：先通孔技术，在 CMOS 工艺过程之前在硅片上完成通孔制作和导电材料填充；中通孔技术，在 CMOS 制程之后和后端制程（BEOL）之前制作通孔；后通孔技术，是在 CMOS 工艺完成后，减薄处理之前制作通孔。TSV 核心技术是深硅刻蚀（微孔的批量刻蚀）和 TSV 孔内导电材料的电镀沉积，关键是提高通孔的高纵横比、阶梯覆盖、外形控制、工艺灵活性和速度。

混合键合技术（Hybrid bonding），是通过热处理实现由介电材料（Dielectric

Material）间隔的高密度 Cu 衬垫的直接连接。具有超短互连间距，超高互连密度的优点。由于取消了凸点（no bump），硅片间几乎没有厚度，可以实现更薄封装。同时采用低电阻铜互联，可实现高速互连。

背面供电技术，将芯片的电源线与信号线分离，电源线由晶圆背面接入，可以降低后段制程布线拥挤问题，优化供电效能，改善散热等。IMEC、Intel 等均在开展相关技术研发。技术发展的竞争态势

21 世纪以来，美国国国防部高级研究局（DARPA）、比利时微电子研究中心（IMEC）等机构支持开展了大量 3DHI 的研究项目。DARPA 先后设立硅上化合物半导体材料（COSMOS）、多样化易用异构集成（DAHI）、通用异构集成及 IP 复用策略（CHIPS）、下一代微电子制造（NGMM）等项目，持续、系统地支持 3DHI 技术研发。

产业链各环节企业如日月光、台积电、英特尔、三星、美光、AMD 等均积极布局 3DHI 技术，随着先进封装工艺与前道制程结合更加紧密，台积电、英特尔和三星等上游芯片制造企业成为 3DHI 技术创新的最重要参与者。

英特尔尝试通过晶体管、封装和芯片设计协同优化继续摩尔定律演进。公司提供嵌入式多芯片互连桥接（EMIB）、Foveros 3D 封装等异质集成技术。EMIB 通过一个桥接硅片，将不同芯片组合在一起，可实现 50μm -40μm的凸点间距。

Foveros 是英特尔开发的晶圆级 3D 封装技术，可以实现在逻辑芯片堆叠，其凸点间距可达 50-36μm。此外，英特尔还在研发下一代 Foveros Omni 和 Foveros Direct 技术。前者支持分拆芯片（die disaggregation）设计，为芯片到芯片的互连和模块化设计提供更高的灵活性；后者实现了由传统凸点焊接到铜对铜直接键合（Hybird bonding）的转变，可以实现 10 微米以下的凸点间距，芯片互连密度提高一个数量级。两项技术计划在 2023 年实现量产。

台积电推出 3D Fabric 先进封装平台，提供扇入型晶圆级封装（Fan-in WLP）、整合扇出型封装（InFO），2.5D 片上晶圆基板（CoWoS）封装，以及 3D 集成片上系统（SoIC）等封装技术。台积电 CoWoS 在芯片与基板中间加入硅中介层，实现重新布线及高密度互联；SoIC 采用无凸点（no Bump）直接键合技术，实现 CoW（Chip on Wafer）、WoW（Wafer on Wafer）直接互连。2020 年，台积电投资 100 亿美元在中国台湾地区竹南科学园建设全球首座全自动化 3D Fabric 先进封装厂 AP6，预计 2022 年下半年开始生产。2021 年 2 月，台积电投资 186 亿日元，在日本茨城县设立半导体材料研发中心，与日本企业合作开展 3D IC 封装与散热相关材料研发。

三星的先进封装平台包括 I-Cube、X-Cube、R-Cube 和 H-Cube。I-Cube 是

采用硅中介层的 2.5D 封装方案，能够将一个或多个逻辑芯片（CPU、GPU 等）和多个高带宽内存（HBM）芯片水平集成在硅中介层上。R-Cube 则是三星的低成本 2.5D 封装方案。H-Cube 是三星电子在 2021 年 11 月新推出的 2.5D 封装解决方案，专用于需要高性能和大面积封装技术的高性能计算（HPC）、人工智能等领域。X-Cube 是三星的 3D IC 封装方案（表Ⅱ-02-01）。

表Ⅱ-02-01  主要芯片企业三维异质封装技术发展概况

资料来源：上海科学技术情报研究所（ISTIS）编制

在“863 计划”、“973 计划”等支持下，国内机构在 3DHI 方面也取得一系列成果。中国科学院物理研究所解决了硅上异质外延生长Ⅲ-Ⅴ族材料的难题；中科院上海微系统所研制了多种硅基异质材料集成衬底，如：绝缘体上碳化硅、绝缘体上铌酸锂、绝缘体上Ⅲ-Ⅴ族等。中芯国际、长电、通富微电、长江存储、华为海思等企业也在 3DHI 技术开发、应用方面取得长足进步。长江存储开发的

Xtacking 堆栈技术，将 CMOS 外围电路堆叠在 NAND 芯片下方，构建了高密度、高速存储结构。而在上游支撑设备及工具软件方面，也有一批企业实现技术突破。华海清科针对 3D IC 研制的 12 英寸晶圆减薄抛光一体机已进入生产验证；中微半导体的深硅刻蚀机已经应用在欧洲客户 MEMs 生产线；上海微电子装备成功研制出 2.5D3D 先进封装光刻机，具有高分辨率、高套刻精度和超大曝光视场等特点，可满足超大尺寸芯片异构集成的应用需求。芯和半导体是英特尔 UCIe 联盟中为数不多的 EDA 工具企业，公司与新思科技合作开发 3D IC 封装设计分析平台。

技术产业化的前景

目前，3DHI 主要还是应用于异构芯片集成领域，即硅基芯片的三维集成，如：存储芯片、CMOS 图像传感器、高性能计算芯片等，应用范围仍相对狭窄。而未来，3DHI 在异质芯片集成领域有更大的产业化空间，包括：将硅基数字芯片与化合物半导体射频（RF）芯片、互连光子芯片、宽带隙半导体功率芯片等的集成。此外，3DHI 还是存算一体等前沿技术创新的重要基础性技术，有望支撑存算一体架构创新，引领带动高性能计算的进一步发展。

3DHI 也有望带动集成电路产业模式重塑和价值链重构。借助于 3DHI 技术，可以实现以 chiplet 形态提供硬 IP 核产品。这一方面将有助于更多系统公司通过集成第三方 chiplet 涉足自主芯片开发领域；另一方面，部分芯片设计公司将向方案平台商方向发展，向客户提供经验证的 base die 以及其上丰富的自有或第三方功能 chiplet 组合，如 AMD 公司推出 Infinity Architecture 模块化架构，就在保留 CPU、GPU 核心的情况下，允许客户引入其自研或第三方功能模块，快速实现定制芯片开发，以更好满足下游用户的特殊业务需求。 

最后，3DHI 技术发展也将打破芯片制造和封测业务壁垒，前道与后道工艺走向融合，芯片产品设计开发更多表现为从产品定义、系统设计、前段工艺和封测等环节的系统创新，封测在全球集成电路创新链、价值链的重要度显著提升。

【参考文献】

[1]  SEMI. Heterogeneous Integration Roadmap [R]. 2021.

[2]  王若达. 先进封装推动半导体产业新发展[J].中国集成电路，2022，31（04）：26-29.

[3]  DARPA. Next Generation Microelectronics Manufacturing (NGMM) [R].2022.8.

3. 生成式 AI（Generetive AI）

生成式 AI 是无监督和半监督的机器学习算法，其从数据中自我学习，并生成全新的、完全原始的数据，以保持与初始数据的相似性，可输出新的内容（包括文本、图像、视频和音频等）、合成数据和物理对象模型等。生成式 AI 被认为是一种衍生的新生产动力，是多领域数字化进程的底层技术，支撑服务知识工作和创造性工作，如自动编程、内容开发、艺术创作、媒体社交、商务、工程设计、增强/虚拟现实、数字孪生等，能降低相关边际成本，产生巨大的生产和经济效益。随着数字经济与传统实体经济不断融合，传统生成手段已经无法满足数字内容需求，供给侧产能瓶颈凸显。生成式 AI 应用下的合成数据可以用来解决训练数据不足的问题，如合成数据可以用以开发自动驾驶汽车，使用所生成的虚拟世界的训练数据集实施行人监测等。

技术的发展现状及态势

生成式 AI 技术自 1950 年代萌芽，1990 年代至 2010 年代中期从实验性向实用性演进，并随着深度学习算法及图形处理等技术的不断突破取得了显著的进步，如 2007 年诞生了第一部完全由人工智能创作的小说 The Road，2012 年微软推出自动英译中同声传译系统。自 2010 年代中期起，生成式 AI 进入快速发展阶段，随着生成式对抗网络（GAN）等深度学习算法的提出与迭代，生成内容的效果越发逼真，如英伟达于 2018 年推出能自动生成高质量图片的 StyleGAN 模型，DeepMind 于 2019 年发布能生成连续视频的 DVD-GAN 模型，OpenAI 于

2021 年发布可实现文本图像交互生成的 DALL-E 模型等。

生生成式 AI 对与所输入数据的相关底层进行抽象化，从而便于模型生成新的内容。随着深度神经网络技术在大模型、多模态等方面的突破，推动生成式 AI 不断升级，满足生成内容多样性等需求。目前已有的广泛使用的生成式 AI 模型主要有生成对抗网络（GAN）、识别与提取器（Transformers）、变分自编码器（VAE）等，自回归模型（ARM）以及零/单/少样本学习等也正在推动生成式建模的优化，同时帮助减少对训练数据的需求，以及快速应用到不同场景与任务。

例如，无监督学习的生成对抗网络（GAN）通过使用生成器和鉴别器这两大神经网络之间的互相竞争，创建符合生成目标的内容。其中，生成器负责生成与源数据相似的人工数据，鉴别器则负责区分源数据和生成数据，以识别更近似源数据的数据。经多次交替循环训练后，生成器将通过调整参数以创建更近似的数据，直至鉴别器无法区分真假。又如，识别与提取器（Transformers）是强大的深度神经网络，用于理解文本、图像，是数据训练的关键，如深度学习语言模型 GPT-3、会话神经语言模型 LaMDA、预训练模型 Wu-Dao（悟道）等。Transformers 将一个序列转换为另一个序列，是一种半监督学习，其使用大型未标记数据集，以无监督的方式进行预训练，然后通过监督训练进行微调，以提高性能，从而模仿人类认知，对输入数据重要性进行测量，用以判断关键

信息。而变分自动编码器（VAE）则是无监督的深度生成模型，由编码器（encoder）和解码器（decoder）组成，编码器将输入数据进行编码，转为压缩代码，解码器则从该代码重构原始数据。

生成式 AI 应用建立在大型模型之上，如 GPT-3 或 Stable Diffusion 等，并主要以插件形式搭建于现有软件生态中。目前的生成式 AI 应用主要是一次性的，未来随着模型更加智能，模型或将支持迭代，允许进一步修改、调整和优化。

生成式 AI 的优势在于：① 生成的合成数据（Synthetic data）能大幅提高数据丰富度，增加稀缺数据，使用合成数据可以增加训练的数据量，以提升机器学习算法性能。合成数据是数据增强的低成本有效工具，也是一种隐私匿名化的方法。Gartner 预测，到 2024 年用于开发 AI 和分析项目 60%的数据将会是综合生成的。② 生成式 AI 支持提高人工智能交付的准确性和速度，能加快从内容生成到产品研发等创造性领域的创新周期，随着易用性的逐步提升，并结合自动化技术，生成式 AI 将推动数据分析、软件编程等产业革新。③ 围绕生成式 AI 的生态正在形成。生成式 AI 需要巨大的计算量，云服务、芯片制造等将从中受益。

生成式 AI 发展的障碍主要包括：① 安全问题和对生成式 AI 技术的负面使用，例如用于深度伪造、恶意软件、欺诈等，将会减慢其在部分行业的渗透速度，需要人工智能信任技术的发展予以弥补。② 围绕原创性和版权问题，生成式 AI 利用大量已有图像等内容数据进行学习，原始内容的创建者是否对生成内容拥有版权还存在争议。③ 在数据有限的情况下，生成式 AI 模型可能会产生不准确的内容，以及输出与性别、种族或文化等相关的歧视与偏见。④ 训练生成模型的高能耗、高成本，或将阻碍企业采用。⑤ 目前而言，生成式 AI 并非单一解决方案，是结合了多个碎片化、专业化技术及产品的工具组合，易用性还有待提升。⑥ 利用生成式 AI 生成的结果是否具有可重用性也面临挑战。 

技术发展的竞争态势

生成式 AI 目前是大型科技公司和初创公司趋之若鹜的领域，纷纷投入大量资金实施技术及业务开发。2021 年，美国初创公司 OpenAI 率先推出了首个图像生成器 DALL.E，2022 年 4 月又推出了 DALL-E2，借助自然语言描述创建逼真的艺术作品。2022年，Meta公司陆续推出了名为Make-A-Scene 、Make A Video 的 AI 生成程序，其中，Make-A-Scene 可实现文本到图像的生成，而 Make A Video 则进一步实现了文本到视频的生成，被认为是生成式 AI 技术的重大进步。

谷歌公司（Google）近期也密集发布了一系列生成式 AI 模型。2022 年上半年，谷歌推出了两种新的文本到图像模型——Imagen 和 Parti。Imagen 结合

了 Transformer 语言模型和扩散模型，具备优异的语言理解能力和逼真度，首先生成低分辨率图像，再逐级超采样，从而提高图像分辨率；Parti 则属于自回归模型，模型规模最高可扩展至 200 亿参数，随着参数的扩大，生成图像的细节越精细，错误也会随之降低。谷歌还发布了两款文本转视频工具——Imagen

Video 与 Phenaki，这两款工具各自在视频质量和视频长度上各有千秋。

英伟达（NVIDIA）近年聚焦元宇宙等数据生成应用场景，推出了图像生成器 GauGAN 、交互式 AI 化身生成平台 Omniverse Avatar、合成数据生成引擎

Omniverse Replicator，以及 DLSS 深度学习超级采样技术（Deep Learning Super Sampling）等。其中，DLSS 作为一种图像重建的神经图形技术，可以将较低分辨率的图像输入，转化输出为更高分辨率的全新图像，能为游戏渲染等提供支持。

微软亚洲研究院推出了多模态模型 NUWA ，根据文本、视觉或多模态输入生成图像或视频，支持多种艺术作品创建，如文本到图像或视频、图像补全、

视频预测等。2022 年，微软亚洲研究院又推出了无限视觉生成模型

NUWA-Infinity，可生成任意大小的高分辨率图像或长时间视频。

此外，许多初创公司也参与开发了一众流行的生成式 AI 模型，例如 Craiyon，

Midjourney，Stable Diffusion 等。

技术产业化的前景

生成式 AI 技术助推内容创新，预计将会在构建元宇宙中大展拳脚。生成式 AI 可用于文本生成、图片生成、音频生成、视频生成、软件代码生成等，目前已应用于艺术设计与创作、语音导航、有声阅读、新闻播报、游戏创建、影视及剧本创作、媒体广告、社交媒体与数字社区等融合听说读写等内容生成领域。

如生成逼真的图像，实现图像（或音乐等）类型和风格的转化，草图到真实图像的转化，文本到图像、文本到语音、2D 内容到 3D 的自动转化，增强图片或视频的分辨率，虚拟物理场景的生成，甚至劣迹演员的智能换脸，已故演员的声音重现，复原老电影或旧图像等。元宇宙中，多模态数字人、数字资产等数字内容也将依赖生成式人工智能。

生成式 AI 在科学发现和技术商业化应用方面迅速发展，如在生命科学、医疗保健、制造、材料科学、汽车、航空航天、国防和能源等行业具备巨大应用潜力和市场，主要参与营销、设计、建筑和内容等创造性工作。医疗领域，生成式 AI 可用于创建描述疾病发展趋势的医学图像，参与药物研发，识别早期潜在疾病以及时制定有效治疗方法，借助合成数据提高手术准确性，以及结合 3D

打印等技术绘制假肢、有机分子，将 MRI（磁共振成像）转化为 CT 等。如

DeepMind 公司的 AlphaFold 模型可以仅根据基因序列预测生成超过 100 万个物种的 2.14 亿个蛋白质 3D 结构；2021 年，国内的英矽智能科技公司（Insilico

Medicine）利用生成式 AI 全球率先生成和发现具有全新治疗靶点的分子；IBM 目前正在使用生成式 AI 研究抗菌肽（AMP）以找到新冠肺炎治疗药物。Gartner 预计到 2025 年超过 30%的新药和新材料将使用生成式 AI 发现。品牌营销领域，生成式 AI 可用于个性化营销和沉浸式体验，如虚拟试装、虚拟主播、虚拟货场等，借助音频、视频的生成推动开发商业广告及营销创意，以及通过学习现有数据来预测目标群体对广告和营销活动的反应，来辅助客户细分定位，以及强化追加销售和交叉销售战略。办公和商务领域，生成式 AI 可应用于如文案创作、提升视频会议效果、消除噪音、图像处理等。制造领域，生成式 AI 结合数字孪生等技术能推动产品研发，加速芯片设计和软件开发，设计和开发特定新材料，如优化催化剂、化学品、香料等，利用合成数据还可以进行质检等。物流和运输领域，如针对高度依赖定位的业务，生成式 AI 可用于准确将卫星图像转换为地图视图等。安保领域，生成式 AI 可应用于身份验证，如从不同角度拍摄照片并创建正面照片，为人脸识别和验证系统等安检服务提供帮助。此外，生成式 AI 还可以用于隐私保护，增强机器学习，以及理解虚拟和现实世界中的更多抽象概念等。

【参考文献】

[1]  AI Multiple. A Complete Guide to Generative AI in 2022 [EB/OL] https://research.aimultiple.com/generative-ai/  

[2]  Altexsoft. Generative AI Models Explained [EB/OL] https://www.altexsoft.com/blog/generative-ai/  

[3]  Analytics Insight. What is Generative AI, Its Impacts and Limitations? [EB/OL]

https://www.analyticsinsight.net/what-is-generative-ai-its-impacts-and-limitations/  

[4]  Gartner. 5 Impactful Technologies From the Gartner Emerging Technologies and Trends

Impact Radar for 2022[EB/OL] https://www.gartner.com/en/articles/5-impactful-technologies-from-the-gartner-emergin g-technologies-and-trends-impact-radar-for-2022  

[5]  Gartner. Hype Cycle for Artificial Intelligence 2022[R]. 2022.

[6]  中国信通院、京东探索研究院. 人工智能生成内容（AIGC）白皮书 [R].2022

[7]  中国信通院. 人工智能白皮书（2022 年）[R].2022

4.  元宇宙（Metaverse）

从词源的角度，元宇宙（Metaverse）由 Meta（超越）和 Universe（宇宙）两个词合成，意为超越现实的虚拟宇宙。这一概念最初源于 1992 年美国科幻作家 Neal Stephenson 的科幻小说《雪崩》，书中描述了一个平行于现实世界的网络世界 Metaverse，所有现实世界的人在其中都有一个化身，可以交往和生活。后期的科幻电影如《黑客帝国》（1999 年）、《头号玩家》（2018 年）将对于元宇宙的解读和想象搬到了大银幕上，让这概念进入大众视野。2020 年，新冠疫情加速了线上数字化活动的趋势。2021 年 3 月，沙盒游戏平台 Roblox 作为“元宇宙第一股”在其招股说明书中再次提出元宇宙概念，并列出了平台具有通向元宇宙的 8 个关键特征，即：身份、朋友、沉浸感、随地、多样性、低延迟、经济

和文明（图Ⅱ-04-01，表Ⅱ-04-01），就此引发资本及相关行业的热烈讨论及追捧。

2021 年 10 月，Facebook 更名为 Meta 进一步激发了市场对于元宇宙概念的热情，将科幻的元宇宙概念迅速拉进了现实生活。

 图Ⅱ-04-01  Roblox 定义的元宇宙

资料来源：Roblox

表Ⅱ-04-01  元宇宙八大关键特征

资料来源：Roblox

根据游戏开发商 Beamable 创始人 Jon Radoff 提出的元宇宙七层构成要素

（The Seven Layers of the Meteverse），元宇宙的产业链从底层基础设施向外延展直到用户体验层，可分为七个层次，即：① 基础设施层，包括网络设施、芯片、图形处理技术等；② 人机交互层，指硬件层，包括手机、智能眼镜等可穿戴设备；③ 去中心化层，包括边缘计算、区块链等帮助生态系统构建分布式架构；④ 空间计算层，包括 3D 引擎、VR/AR/XR 等技术；⑤ 创作者经济层，帮助创作者制作并将成果货币化，包括设计工具、货币化技术等；⑥ 发现层，作为了解体验层的途径，包括各种应用商店、平台等；⑦ 体验层，实际参与的社交、游戏、现场音乐等非物质化的体验（图Ⅱ-04-02）。

图Ⅱ-04-02  元宇宙七层构成要素

资料来源：Jon Radoff，Deloitte（德勤）.

元宇宙被预测为工业和互联网的下一次大变革方向，代表着第三次生产力革命，其变革会由无数技术及应用落地的节点构成。元宇宙的发展包括萌芽阶段、探索阶段、底层基础架构大发展阶段、内容消费与虚实互通成熟阶段、终极演进阶段（图Ⅱ-04-03）。

图Ⅱ-04-03  元宇宙发展阶段

资料来源：招银国际证券.

元宇宙成熟前，必定需要先经历内容雏形（游戏、社交先行），再倒逼基建大发展，最后进入内容消费大爆发。当前处于探索阶段早期，3-5 年后随着子行业单点突破、内容发展、技术成熟及整合，有望进入底层基础架构大发展阶段（5-10 年），后续将迎来内容消费全面爆发乃至虚实互通生态。在互联网流量及时长见顶后，元宇宙或将承接移动互联网，突破两者容量上限，尝试构建数字经济下的新型社会形态。围绕元宇宙的三大核心技术（AI、交互性沉浸技术、区块链）已在点状发展进程中，但尚未成线。随着算力提升，5G、云计算、区块链、VR/AR、数字孪生等技术创新的聚合，元宇宙作为一个系统性工程，将通过全场景覆盖及产业链协同，从而实现继 iPhone 后的第二个整合创新。元宇宙的终极理想形态，将是向无限接近真实世界的经济系统和文明演变，生态开放、去中心化、经济自洽、虚实互通。一方面，元宇宙通过极致交互体验成为未来人类生活方式的延展，同时，与高端制造业相结合，将再次推动工业化和城市化进程。未来应用场景层面，将围绕消费元宇宙（To C）和产业互联网（To

B）两条路径向现实及虚拟世界相互交融。

技术的发展现状及态势

人工智能（AI）、交互技术（AR/VR/MR）、区块链、网络及运算技术、物联网（IoT）、游戏是构成元宇宙的六大核心技术。AI 为元宇宙提供基础设施建设、数据分析与学习、海量内容生产；交互技术提供沉浸式体验与虚拟世界镜像，帮助实现虚实互通、感知交流；区块链为用户提供底层数据的追溯性和保密性，支撑经济体系的构建和完善；网络及运算技术提供算力及流畅、低延迟的网络环境；物联网为万物链接、虚实共生提供技术支持；游戏为元宇宙提供创作、社交、内容等应用场景，包括引擎、3D 建模、渲染等技术。

➢   人工智能（AI）：为元宇宙应用场景提供技术支撑

计算机视觉、自然语言处理、智能语音、机器学习等人工智能技术为元宇宙应用场景提供技术支撑。人工智能建模技术的进步有望提升 PGC（专业生产内容）、UGC（用户生产内容）的生产效率，同时降低内容创作门槛，提升游戏的可延展性。

➢   交互技术 (VR/AR/MR): 元宇宙人机交互桥梁

交互技术（AR/VR/MR）是用户进入元宇宙场景的关键工具，是连接数字世界和现实的桥梁。AR 和 MR 将数字信息叠加在现实世界中，而 VR 则利用虚拟仿真给用户带来沉浸式体验。在元宇宙和社会数字化的背景下，虚拟与现实交互并存，VR/AR 将有望承接智能手机成为人机交互的主要平台，并成为元宇宙的重要接入口之一。目前，VR/AR 主要应用场景是游戏、培训、设计和社交（聊天和会议），游戏和社交将短期快速推动 VR/AR 用户触达，长期增长驱动力将来自内容生态的丰满。VR、AR、MR、全息影像、脑机交互、传感等交互技术持续迭代，不断深化感知交互，为元宇宙用户提供沉浸式虚拟现实体验。未来，基于 VR、AR 等人机交互技术将更加拟真，承载高频人机交互，沉浸感也有望大幅提升，不断缩小与元宇宙成熟形态之间的差距。

➢   区块链：元宇宙经济系统核心

NFT（非同质化代币）、DeFi（去中心化金融）、公链速率、智能合约、DAO （去中心化的自治组织）社交体系、去中心化交易所、分布式存储等区块链技术是支撑元宇宙经济体系最重要的技术之一，其保障元宇宙用户的虚拟资产、虚拟身份安全，保障价值交换及交易的合法性、可监管及公平透明，为数据传输、追溯、验证、保密等提供支撑。区块链技术使得虚拟资产不受中心化机构限制，能在多个平台间自由流动，保证元宇宙经济系统得以维系。区块链作为元宇宙经济体系的核心，承载虚拟货币和数字资产的存储和流通。在经历去中心化账本、去中心化计算平台、DeFi 后，区块链应用目前已进入到 NFT 阶段。 NFT 是元宇宙里数字版权、物权的合约，通过将资产/物品加密化，保证其独一无二、不可分割、不可复制、追溯性，是价值系统的基础。区别于加密货币， NFT 通常与货币互通，但类似商品属性不可直接互换，其价格取决于市场供需关系、价值共识和流动性。

➢   网络及运算技术：元宇宙运行底层基础元宇宙需要具备实时、低延迟、高承载等特性，而这些特性需要 5G 网络、云计算和边缘计算等网络及运算技术来解决。5G/6G 等网络通信技术扎实元宇宙的网络基础，提供低延时和流畅的体验；云计算、边缘计算等运算技术则支持功能强大和轻量化的终端，提高显示效果，增强渲染，提高渗透率和降低时延。元宇宙支持大规模参与，交互用户或将达到亿级，5G/6G 和云计算等底层技术将支撑大规模用户同时在线。

➢   物联网技术：元宇宙连接核心工具

元宇宙强调实时互动、信息互联互通，主要靠物联网提供技术支持。考虑到元宇宙本身作为一个数字平行世界，通过庞大用户进行参与、制作、分享以及实时交互等完成日常运行，因而需要保持各种物理实体的连接和感知，以及数据信息的传递，而这部分功能的实现需要依靠物联网技术。

➢   游戏：元宇宙的雏形

游戏是元宇宙的一种呈现方式，是元宇宙的雏形，游戏引擎、3D 建模、实时渲染等电子游戏技术为元宇宙数字内容场景、高质量素材搭建等提供支撑，并提供创作平台、交互内容和社交场景，以及聚合流量。

技术发展的竞争态势

元宇宙代表着下一代互联网机遇。在此背景下，世界上诸多国家如美国、韩国、日本、中国、新加坡等都依托自身禀赋和技术优势进行布局以期强化各自的竞争优势。

美国是元宇宙开拓者和领导者：技术上，集中于基础设施与功能性平台，技术实力全球领先；应用上，To C 社交与娱乐先行，To B 赋能工业生产；政策上，政府支持 AR、VR 等虚拟技术研发。

韩国以官民合作构建元宇宙生态：政府牵头成立“元宇宙联盟”，首尔或将成为首个元宇宙城市；技术上，虚拟数字人领域独树一帜；应用上，借助成熟偶像工业，拓展商业化应用场景。

日本专注虚拟空间服务，发挥游戏动漫优势：硬件与平台方面，主要围绕 VR 硬件设备及游戏展开；应用方面，充分发挥动漫优势，应用场景由娱乐向会议演出方向延伸；政策方面，政府为日本在全球虚拟空间行业中占据主导地位出谋划策；企业方面，多家公司发布类元宇宙虚拟空间平台。

新加坡积极打造元宇宙NFT资产交易亚洲中心。中国则强调沉浸式应用，坐拥最大的潜在市场：技术上，占据 5G 优势，在底层技术上奋力追赶；应用上，参照移动互联网发展历程，未来在内容、协同方有望弯道超车；政策上，多地政府密集出台政策支持元宇宙发展，目前广东、上海、无锡、合肥、山东等地方政府均已经出台了关于发展地方工业元宇宙的政策，其中上海市政府于 2022 年 7 月 8 日发布了《上海市培育“元宇宙”新赛道行动方案（2022～2025 年）》，提出到 2025 年元宇宙相关产业规模达到 3500 亿元。

元宇宙概念掀起了全球资本的浪潮，国内外科技巨头纷纷布局元宇宙，侧重各有不同。如，游戏公司 Robolox 概念先行，通过互动系统构建虚拟社区，不断强化云基础设施；Facebook 改头换面，以 VR 为先，重资投入硬件研发， AR、VR、MR 协同打通元宇宙生态；微软启动企业元宇宙战略，赋能产业；英伟达开发 Omniverse 平台加速构筑元宇宙软件生态基石；Unity 通用性广泛适配，赋能元宇宙开发者；腾讯从消费互联网到产业互联网，元宇宙布局已深入各个层面；字节跳动积极布局硬件、内容及底层技术；百度决胜 AI 时代，积极布局元宇宙方向；华为重点聚焦元宇宙底层技术；网易的 RPG（角色扮演游戏）和虚拟人技术尤为突出等（表Ⅱ-04-02）。

表Ⅱ-04-02  国内（上海）在元宇宙六大技术领域布局的代表企业

资料来源：上海科学技术情报研究所（ISTIS）编制注：表格中粗体字部分为总部位于上海的企业

技术产业化的前景

迄今，元宇宙尚处产业发展早期阶段，Gartner 2022 版新兴技术成熟度曲线显示，元宇宙产业距离技术成熟预计至少还需十年的探索，长期发展风险和机遇并存。每一项技术的迭代和革新，都将意味着新契机与新挑战，同时也是一

个新的开始。今后元宇宙的发展将有效衔接互联网，推动产业和经济的变革。

➢  撬动信息技术产业新一轮发展

继互联网、大数据、人工智能之后，元宇宙将有望成为信息技术产业发展新的引擎，以元宇宙新消费概念为抓手，通过整合和提升现有软硬件产品和技术，推动综合集成和融合应用，面向新场景应用打造新的产品供给和服务体验，

撬动信息技术产业新一轮发展，全面激发软硬件服务厂商的技术产品创新积极性和活力。

➢  升级提档现有产业业态

从“互联网+”、“大数据+”、“人工智能+”发展到“元宇宙+”，元宇宙技术发展和应用，必将带来信息技术和经济社会融合模式革命。元宇宙与现实世界的融合，将赋能各大行业，激发传统行业发展新动能，将会率先对社交娱乐、文化旅游、教育医疗、商贸服务等领域服务模式带来新的改变，给予在线服务逼真体验，让在线服务具有更加身临其境的沉浸体验感，同时技术应用也会催生出新的商业模式，促进产业生态繁荣。

➢  为技术创新和科学研究提供重要平台支撑

元宇宙的发展为各领域技术攻关、科学研究、前瞻探索提供了新的仿真试验平台。推动科技研究仿真模拟实验从软件仿真向人机高度融合、环境更为逼真的虚拟空间仿真转变，将对装备制造、航空航天、生物医学、新材料、新能源等领域技术攻关，以及生命、物质、地球、海洋、宇宙等领域深度探索研究产生深远影响。

➢  元宇宙发展空间可期

元宇宙作为虚拟世界与真实世界交互融合的全新形态，蕴含着办公、社交、工业等场景变革的巨大机遇，具有颠覆现有数字产业的可能。据普华永道分析，预计到 2030 年全球元宇宙市场规模将达到 1.5 万亿美元。麦肯锡更乐观，表示到 2030 年全球元宇宙市场规模将达到 5 万亿美元。

【参考文献】

[1]  Gartner. Hype Cycle for Emerging Tech, 2022 [R]. 2022-08.

[2]  德勤. 元宇宙系列白皮书—未来已来：全球XR 产业洞察 [R]. 2021-12.

[3]  平安证券. 探索元宇宙，政策布局与巨头引领 [R]. 2022-09-26.

[4]  招银国际证券. 元宇宙：数字经济下一站 [R]. 2021-12-31.

5.  Web3.0（Web3.0）

Web3.0 是基于区块链技术实现去中心化的新型互联网，其支持新的商业和社交等模式。Web3.0 由用户和创作者主导的开放协作、隐私保护、共创共建共享的新型生态，推动发展去中心化数字经济。Web3.0 目前已经进入了发展高峰期，是区块链行业风险投资（VC）最感兴趣的领域。

Web3.0 是未来互联网生态愿景，其最早由以太坊联合创始人 Gavin Wood 于 2014 年提出，并于 2021 年起受到加密货币、大型科技公司等的广泛关注。

Web3.0 代表了互联网的一个新时代，尽管目前并未完全实现，但与 Web3.0 相关的功能已经存在，如加密货币、NFT（非同质化代币）、Defi（去中心化金融）等。Web3.0 目前还是一个动态发展的概念，在新兴技术和应用发展推动下，将有望叠加新的价值和可能性。

技术的发展现状及态势

从互联网发展的历史看，Web1.0（1989—2014）（只读网络）是初代互联网，其基于开放协议的底层逻辑搭建，支持单向传递信息，如早期雅虎、新浪等门户网站为用户带来快捷信息读取体验，但仅支持浏览静态网页。Web2.0（2002 —2019）（读写交互网络）以 UGC（用户生成内容）为核心，社交媒体、平台经济模式盛行，支持双向传输，微信、抖音等社交应用实现了交互式的体验，但仍以平台的集中式服务为主。Web3.0（2019—现在）（智能读写网络）结合了基于区块链的去中心化机制和代币经济、创作者经济等概念，重塑了后端生产关系，数据及身份自主权由平台转向用户，用户参与共创共治。在语义网、机器学习、增强现实等新兴技术加持下，Web3.0 将扩展新的功能，实现个性化交互与协作，网络具备更强的适应性、开放性、普惠性与安全性。

Web3.0 具备几大突出的特性，包括：去中心化、开放性、高隐私性、共建性和用户拥有数据所有权等。在 Web3.0 的演变中，围绕去中心化有几个关键点：一是区块链等技术的参与。区块链是 Web3.0 最突出的关键技术，助力安全、透明和防篡改的交易。Web3.0 同时也包含其他机制促进和推动去中心化，如云计算、AR Cloud 和其他网络空间关键技术等；二是权利的下放。Web3.0 推动身份和个人数据管理从集中化向去中心化所有权和管理转变，用户被赋予了创作者、参与者、享有者、治理者等多重身份，并对隐私和数字身份具备自主权和控制权，同时对自己的数据和内容负有责任。用户可以通过拥有治理代币（Token）来参与治理所使用的区块链协议，通过基于协议的代币或加密货币以“股东” 身份参与其中。三是业务流程的改变，并由平台经济向代币经济转换。Web3.0 推动分布式经济模型的实现，如 NFT、Defi、加密货币和去中心化自治组织

（DAO）。Web3.0 共建共享的特性，与 Web2.0 中用户仅作为使用者不同，使

Web3.0 中用户能主动参与共建与共治，以 DAO 的组织形式，利用区块链技术和智能合约进行规则制定与执行，共担共享平台或协议的价值。DAO 是 Web3.0 的重要治理机制，其在区块链上运营，是一种自动化和去中心化的治理形式。

DAO 依靠软件共识机制和智能合约进行治理，建立了新的民主化管理结构，推动 Web3.0 及其在加密货币和去中心化金融（DeFi）中快速应用发展。四是 Web3.0 是用于开发去中心化应用程序的新技术堆栈。这些技术主要包括：如作为信任验证机制的区块链、隐私保护和互操作协议、去中心化基础设施和应用平台、

去中心化身份以及去中心化金融等，以共同实现去中心化的共荣生态网络愿景。

Web2.0 和 Web3.0 的主要区别参见表Ⅱ-05-01。

表Ⅱ-05-01  Web2.0 和 Web3.0 的几大关键区别

资料来源：Gartner 

Web 3.0 作为新技术堆栈，主要分为四层：协议层、基础设施层、应用层以及接入层。① 协议层是作为底层架构的区块链；② 基础设施层由可互操作的模块构成，如智能合约审计软件、数据存储、数据分析工具、DAO 工具、身份解决方案等；③ 应用层搭建在协议层和基础设施层之上，包括了 Defi（去中心化金融）、NFT（非同质化代币）、dApp（去中心化应用程序）、DAO（去中心化自治组织）、元宇宙等前端应用；④ 接入层是如钱包、界面等用户进入 Web3.0

的门户。各网络代际的 IT 基础架构和及其关键使能技术比较参见表Ⅱ-05-02。

表Ⅱ-05-02  各网络时代的 IT 基础架构和及其关键使能技术

资料来源：Deloitte（德勤）

Web3.0 将构建新的创新生态，其重要性在于：一是 Web3.0 支持新的商业和社交模式。Web3.0 为新型应用程序提供建构模块，支持新商业模式，如 NFT 货币化；基于智能合约运行的应用程序消除了中心化的中介与管理成本；代币或加密货币则为 Web3.0 的新商业模式和经济系统提供动力，其内置于区块链协议中。二是 Web3.0 提供了新功能来管理内容创建者的数字资产和所有权。其有利于去信任交易验证、智能合约自动化、数字或实体资产代币化、自我主权身

份等。目前的 Web3.0 的应用程序，如 DeFi、NFT 和 DAO 等，为用户、投资者、艺术家、内容创作者、社区等带来了新收益。三是 Web3.0 改变了网络体验。

Web3.0 通过将信息交互从屏幕转移到物理空间，改变了终端用户体验，因而也有称 Web3.0 为“空间网络（Spatial Web）”。该“空间网络”包括空间交互层（利用智能眼镜或语音等实现实时信息交互）、数字信息层（借助传感和数字映射为每一个对象创建数字孪生）和物理层（通过感观了解和体验的世界）。VR/AR 是空间网络的主要网关，AI/ML 促进与机器或设备的交互，5G/6G 等新一代网络通信技术和边缘计算是优化交互体验的使能技术，区块链促进实现真正开放民主的生态系统。

Web3.0 能带来更大程度的所有权与控制权的去中心化，但去中心化被认为是一个双刃剑。Web3.0 的潜在风险主要包括：缺乏用户保护，如代币机制可能造成的波动；货币政策紧缩等带来的市场风险；技术或机制漏洞等造成的新的安全威胁及洗钱、偷漏税风险等，将仍需要加强治理和风险管理。有意见认为，在主流应用方面，完全去中心化并不可行。分散式应用程序的集中式服务则结合了双方的优势，更可能成为主流应用。目前而言，或许可以在去中心化和集中化之间，寻找适当的平衡，在多数情况下更趋向于混合，如专注于数据和应用程序的去中心化，通过集中式服务，为分散式应用增加服务价值。Gartner 预

计，至 2024 年 25%的企业将使用基于去中心化 Web3.0 应用程序的集中式服务。

技术发展的竞争态势

在海外，各大互联网企业对 Web3.0 发展应对都十分积极。包括 Meta、谷歌、亚马逊、eBay、Paypal、Mastercard 等互联网企业均布局了虚拟货币及 Web3.0，探索核心业务与 Web3.0 的结合，尝试云+Web3.0、社交+Web3.0、支付+Web3.0 等“X+Web3.0”新模式。老牌互联网企业，主要基于各自的既有云服务而获得天然优势，如谷歌将 Web3.0 置于企业战略重点，在谷歌云旗下组建了 Web3.0 团队，着手开发区块链应用程序，研究加密货币支付业务等，重点在后端基础设施服务布局；亚马逊推出基于 AWS 的 Web3.0 解决方案服务；微软布局元宇宙，除了基于 Azure 的 Web3.0 后端服务，还投资了区块链，积极扩大游戏业务等；Meta 则从社交突破，构建与 Web3.0 的强关联，聚焦元宇宙的开发，扩大对区块链、DAO 等的投资，将社交系统与区块链、加密货币等 Web3.0 内容深度结合，并已启动测试 NFT 业务。电商领域，eBay 在 NFT 领域发力，收购 NFT 艺术市场 KnownOrigin，与 NFT 平台 OneOf 合作，发行了 NFT 系列藏品等； Shopify 在平台中增加加密货币支付功能，并启动 NFT 合作项目，为品牌提供

NFT 铸造、支付、Web3.0 钱包接入等功能。支付领域，Mastercard 与 Immutable

X、Sandbox 等多家 NFT 市场和 Web3.0 基础设施服务商合作，将支付引入

Web3.0，支持用户使用银行卡购买 NFT；Paypal 积极扩大海外加密支付市场，并正在构建集合支付与加密业务的超级金融应用系统，以及积极研发稳定币

Paypal Coin 等。

在国内，鉴于对于加密货币等应用相对谨慎的监管态度，国内互联网企业一方面在海外市场积极试水，另一方面在国内围绕区块链、NFT 数字藏品、创作者经济等加紧探索与突破，为 Web3.0 本土化的发展可能性奠定了基础。海外市场方面，腾讯、字节跳动等国内互联网大厂目前均成立了 Web3.0 团队并启动布局，主要从区块链、NFT 等赛道入局。如字节跳动旗下 TicTok 率先推出 NFT 系列，腾讯投资澳大利亚 NFT 创业公司 Immutable。国内市场方面，首先，一众具备自主技术的区块链、虚拟现实、云、人工智能等 Web3.0 核心技术企业正

在不断加快与自身优势结合下的业务升级。例如，据悉京东正以智臻链开展

Web3.0+电商方向的尝试，而阿里则将通过 Web3.0+阿里云尝试优化电商服务能力。其次，包括老牌互联网大厂，以及电商、社交等平台都打造了国产化 NFT 产品，如京东、阿里、百度推出了灵犀、鲸探、希壤等数字藏品平台，阿里收购了香港的南华早报并启动 NFT 项目“Artifact Labs”，以及发布了阿里云 NFT 解决方案等。与此同时，国内一系列元宇宙游戏、虚拟社交等新兴应用产品也已经起步，均在积极探索可持续商业路径。

技术产业化的前景

Web3.0 目前初见的概念应用基本覆盖了 Web2.0 的所有领域。随着加密应用的持续发展和对 Web3.0 的不断探索，新应用将快速涌现，尽管在应用需求解决方案效率等方面目前还没有明显超越 Web2.0，但已日渐成型，并与 Web2.0 在多领域出现混合，部分应用程序与 Web2.0 系统并行或被集成到 Web2.0 平台中。

Web3.0 的细分赛道目前主要有基础设施、公链、Defi（去中心化金融）、

GameFi（链游）、SocialFi（社交金融）、创作者经济（Creat to earn）、DAO、隐私、NFT 和元宇宙等板块。

Web3.0 基础设施主要包括节点基础设施、存储、预言机、安全审计、数据分析平台、钱包、开发工具等。如钱包服务用户链上资产的存储，是 Web3.0 的

重要入口，如 Metamask（加密货币钱包）、 WalletConnect（钱包通用协议）等。

公链是 Web3.0 的核心载体，支持互操作、赋权赋能和信用机制，以及各类应用，Web3.0 公链赛道主要包括 Layer1、Layer2、Layer0。目前，国内 NFT 数字藏品等的 Web3.0 概念应用主要采用联盟链，如长安链、至信联、趣链等，联盟链与公链相比，通过有限节点数而实现高效交易，并执行共识投票机制，但不具备完全去中心化的特性。与此同时，国内也正在加紧公链研发，如上海支

持下的树图链，在安全性、兼容性和适用性等方面实现突破，有望为数据权益、元宇宙等 Web3.0 应用部署提供更好的支撑。

DeFi 是指金融领域的去中心化应用，利用公链上运行的智能合约技术实现包括如借贷、理财、资产管理、保险和外汇兑换等金融功能。Defi 是 Web3.0 的重要基础应用，为 Web3.0 的价值和资产流通提供支持。目前主流的 Defi 项目主要运行在以太坊和币安智能链等生态之上。Defi 自身布满了赛道，包括去中心化交易所（DEX）、稳定币、借贷、衍生品等。其中，去中心化交易所（DEX）用于点对点加密货币交易，是 Web3.0 应用生态的重要流量入口，截止 2022 年 4 月已经有超过 230 个去中心化交易所（DEX）。

GameFi 是游戏与金融的组合，是基于 Play to Earn（玩赚）的逻辑构建的游戏经济生态。GameFi 基于区块链技术，玩家通过参与游戏任务获得经济奖励，如加密代币、虚拟土地、化身、武器或其他 NFT 等。与传统游戏不同，GameFi 实现了游戏资产化，玩家可以在游戏市场上交易其游戏内的虚拟资产，玩家成

为了游戏资产所有者。如 Axie Infinity 是目前最著名的基于区块链的赚钱游戏之一，它开创了双代币模式，强化了游戏去中心化的属性。平台还发行了 AXS 治理代币，可参与游戏外的经济循环，如参与治理、奖励等功能，GameFi 治理代币正是 Web3.0 的一大重要标志。此外，目前 Web3.0 的 X to Earn 玩赚项目已扩展并覆盖了 Contribute to Earn、Learn to Earn、Write to Earn、Move to Earn 等。

SocialFi 即社交化金融，是继 Defi、Gamefi 后 Web3.0 应用发展的重要方向。 SocialFi 结合了去中心化社交与金融需求，通过社交影响力的金融化、通证化获得收益，打破平台垄断，构建了一个全新的去中心化、自主自由、开放透明的社交金融业务及模式。SocialFi 当下还处于早期发展阶段，目前主流的 SocialFi

概念项目有 Rally、Friends with Beneefits、Whale、Chilliz、Fyooz、Zora 等。例如，Rally 是目前知名的个人代币发行平台，创作者可以自行生成并发行个人代币 Creator Coin，或铸造 NFT 进行交易，个人代币可作为一种资格凭证使用。

NFT 即非同质化代币，其区别于比特币等同质化加密货币，具备不可分割、不可替代、独一无二等特点，作为一种安全可溯源的资产确权方式，可以公开证明数字艺术、音乐等数字资产或代币化的物理资产（如房屋、汽车等）的所有权，是 Web3.0 的重要赛道。目前海外大多数 NFT 建立于以太坊等公链上，国内 NFT 藏品则大部分建立于联盟链之上。根据 Gartner 技术成熟曲线图，NFT 已经进入发展高峰期，预计在 5 年内将会成为主流。

【参考文献】

[1]  Congressional Research Service. Web3: A Proposed Blockchain-Based, Decentralized Web[R].2022

[2]  Gartner. Hype Cycle for blockchain and web3[R],2022

[3]  Gartner. Web3 and the Metaverse:Incomplete but Complementary Visions of the Future Internet[R].2022

[4]  Gartner. What Is Web3?[EB/OL]https://www.gartner.com/en/articles/what-is-web3  

[5]  Deloitte.The Spatial Web and Web 3.0 [EB/OL] https://www2.deloitte.com/us/en/insights/topics/digital-transformation/web-3-0-technol ogies-in-business.html 

➢ 生命与健康领域

6.  AI 分子发现与合成（Synthesis of Molecules Aided by AI）

近日，美国华盛顿研究团队在学术期刊 Cell（《细胞》）发文表示利用人工智能（Artificial Intelligence, AI）技术平台精准从头设计能够穿过细胞膜的大环多肽分子，该研究开辟了设计全新口服药物的新途径。近年，新冠疫情的反复也为 AI 辅助药物研发提供便利的研发环境，多款药物诞生的背后都有 AI 技术的加持，可见，AI 辅助药物研发已经进入稳定发展阶段。

AI 辅助分子发现与合成技术发展

AI 分子发现与合成技术具有非常广阔的发展空间。从药物本身，制造一款能够上市的药物需要长周期、大投入以及高的试错率；从资本看，将单一药物推向市场的成本大约在 2～30 亿美元不等。有研究者声称候选分子通过临床试验的高损耗率（损耗率超过 85%）以及药物发现阶段的复杂性是消耗成本的两个环节，也是影响安全上市的两个环节。抛开临床，单就药物发现，AI 正在逐步渗透且大有可为。

➢  开创性制药系统——Chemputer

2018 年 11 月，英国格拉斯研究团队在 AI 辅助药物发现与合成方面做出开创性成果，研究发表在国际著名期刊 Science（《科学》）上。文章标题为“Organic synthesis in a modular robotic system driven by a chemical programming language”。该项研究首次提出“Chemputer”系统，系统由不同模块构成，包括反应模块、内部过滤模块、自动化液-液分离模块以及溶剂蒸发模块。Chemputer 系统有别于其他自动化系统，是基于一种新型通用标准来开发和共享化合物配方，配方可在一个被称为“Chempil”的计算机程序里运行，程序通过机器学习指令学习完毕后，可以指导系统合成所需分子。Chemputer 最大的创新性在于它能实现化学数字化，系统可以有效实现新分子的开发与制备，以此替代复杂分子制备

的工艺流程。研究同时论证了 Chemputer 系统的潜能，即利用相同的机器系统，通过改变软件参数和反应物，可以生产三种不同的药物分子，产量方面与传统人工控制系统的产量相当。这三种药物分别是盐酸苯海拉明，鲁非酰胺和西地那非。有关科研人员表示，Chemputer 系统是一种全新的开发合成药物分子的方法，该系统为推动医药行业发展起到不可忽略的作用。

➢  AI 合成路线设计及流动化学机器人平台

2019    年 8 月，美国麻省理工学院研究人员在 Science（《科学》）上发表题为

“A robotic platform for flow synthesis of organic compounds informed by AI

planning”的文章。文章描述了一种结合 AI 设计合成路线和机器人执行的自动化合成平台。平台基于美国专利和 Reaxys 数据库数据，通过反应对 AI 算法进行训练，实现为给定分子提出合成路线，并根据步骤及预测产量对最优合成路线进行评估。同时，平台配备一个灵活的机器人手臂，能够执行所有合成操作流程，从真正意义上实现自动化合成。研究表明平台已经成功对 15 种化学小分子药物进行合成路线设计和自动化合成。该项研究也表明，平台目前还存在过程精准化欠缺（如减少反应时间、减少固体形成等）、预测以非柱层析方法为代表的纯化方法困难及复杂合成难以实现等问题。

➢  英矽智能的 GENTRL 仅用 21 天发现疾病有效靶点

2019    年 9 月，英矽智能（Insilico Medicine）在 Nature Biotechnology 发表题为“Deep learning enables rapid identification of potent DDR1 kinase inhibitors”的文章，文章主要开发了一个深度生成模型——生成张量强化学习（GENTRL）， GENTRL 可以优化药物合成的可行性、新颖性及生物活性，主要用于小分子的

从头设计。研究使用 GENTRL，在 21 天内发现了盘状蛋白结构域受体 1（DDR1）的有效抑制剂，该抑制剂是一种与纤维化和其他疾病有关的激酶靶点。通过靶点筛选出四种化合物，其中两种在细胞分析中证实有效。同时，研究还对一种主要候选药物进行测试，并证明其在小鼠体内的良好药代动力学。该研究的最大贡献是，相较传统意义 10～20 年开发新药的周期，极大提升了药物筛选与研发的速度。

基于上述 AI 辅助药物分子发现与合成的突破性进展研究，表明该领域未来可期。

AI 分子发现与合成的全球竞争态势

AI 辅助药物分子发现与合成作为医疗键康领域的核心环节，近来更是国际大型制药企业竞争的热点领域。

➢   国际 AI 分子发现与合成的竞争态势

国际大型制药公司起初因技术瓶颈开始主动进行技术转型，积极寻求与 AI 科技公司的合作。当前国际制药巨头与 AI 创业公司已呈现稳定的合作姿态，且药物研发重点多聚焦神经性、癌症、心血管及胃肠道疾病的药物研发上（表Ⅱ

-06-01）。

表Ⅱ-06-01  国际 AI 分子发现与合成的代表性研发管线及平台/技术

资料来源：上海科学技术情报研究所（ISTIS）编制

➢   国内 AI 分子发现与合成的竞争态势

较之于国际，国内更多倾向 AI 企业积极主动开拓生物医药场景，搭建 AI 药物研发平台，为药物研发机构提供药物研发服务（表Ⅱ-06-02）。

表Ⅱ-06-02  国内 AI 分子发现与合成的主要研究管线及平台/技术

信息来源：上海科学技术情报研究（ISTIS）编制

➢   上海 AI 分子发现与合成企业上海方面，涉及 AI 分子发现与合成的企业相对成立较早，并主要致力于小

分子药物、抗体药物及癌症靶点的研究（表Ⅱ-06-03）。

表Ⅱ-06-03  上海 AI 分子发现与合成的主要企业

资料来源：上海科学技术情报研究所（ISTIS）编制

AI 分子发现与合成的产业化前景

AI 分子发现与合成的产业化发展前景明朗。辉瑞新冠肺炎口服药 Paxlovid 作为美国最先获准使用的药物，背后是晶泰科技 AI 算法的保架护航，仅用 6 周就完成了数月的研发任务，保证治疗效果的同时加速了上市速度，被世界卫生组织评价为“目前为止治疗高危患者的最好选择”。

药物新靶点发现上，一个新靶点的发现能够催生一批创新药研发项目进入研发管线，但是靶点发现极其不易。希格生科通过建立独有的疾病模型，在全球范围内首次发现弥漫性胃癌强有力的靶标，并与 AI 制药公司晶泰科技合作开发创新靶向药，短短半年内将具有自主知识产权的靶向药推进到临床前候选化合物阶段。

【参考文献】

[1]  “Chemputer”: 当计算机程序可以控制药物合成 [EB/OL].（2018-12-12）.

[2022-10-12]. DeepTech 公众号.

[2]  A robotic platform for flow synthesis of organic compounds informed by AI planning [EB/OL].（2019-08-09）. [2022-10-12]. https://www.science.org/DOI:

10.1126/science.aax1566.

[3]  Deep learning enables rapid identification of potent DDR1 kinase inhibitors [EB/OL]

（2019-09-02）. [2022-10-13]. https://www.nature.com/articles/s41587-019-0224-x.

[4]  Organic synthesis in a modular robotic system driven by a chemical programming

language [EB/OL].（2018-11-29）. [2022-10-12]. https://www.science.org/DOI:

10.1126/science.aav221.

[5]  深度学习快速识别有效的 DDR1 激酶抑制剂[EB/OL].（2022-05-25）. [2022-10-13].

https://www.tencent.com/developer/article/1893580. 

7. 生物铸造厂（Biofoundry）

“生物铸造厂”（Biofoundry），又被译为“生物代工厂”、“生物加工平台” 或“合成生物设施”等，指利用合成生物学技术，以自然界已有的自然物质或合成物质为基础，构建基于生物体的新型制造平台，它将生物设计、研发、制造过程转变成工程设计问题，通过对自然生物的操纵来获取原创性新材料、新器件、新系统和新平台，实现高价值材料和设备的“按需设计与生产”。其最终目标是压缩生物设计、制造和测试的周期和成本，实现生物元器件和生物制造平台的模块化标准化设计。

“生物铸造厂”是一种配备完全自动化设备、相关软件、标准化工作流程和专门技术人员的核心设施，旨在通过专业的编程手段和标准化实验室操作生产基因重组生物。“生物铸造厂”拥有精确的基因设计软件、自动化液体处理和菌落（或菌斑）挑选机器人等尖端技术，可以提高合成生物技术的产出效率。此外，“生物铸造厂”实现了自动化的高通量实验室方法，提高了运行效率和可重复性，研究人员可以专注于实验设计和数据分析等任务。

经合组织（OECD）《2021 年科学、技术与创新展望》报告中指出，从“生物铸造厂”开始，工程生物学的实践方法有望为制造开辟新机遇，应用涵盖了广泛的行业和产品，包括新材料，更环保的化学品，以及当前最炙手可热的诊断试剂和疫苗。

生物铸造厂发展现状及态势

近年来，工程生物学领域发展迅速，已经出现了“设计（Design）—构建（Built）

—测试（Test）—学习（Learn）”循环，即 DBTL 循环（图Ⅱ-07-01）。机器人技术和机器学习使这成为可能，它们可以整合和增强人类干预。这个循环被封装在“生物铸造厂”中，其中许多候选分子可以通过 DBTL 循环迭代运行，以快速获得优化的候选分子。“生物铸造厂”工作原理核心是高度自动化的 DBTL 循环。DBTL 循环的关键是其迭代过程，通过结合专业设备，可实现对每个循环过程进行全自动化改进。生物设计工具和“生物铸造厂”的结合正在形成数字生物学，它可以彻底改变许多理想的生物基产品的制造。“生物铸造厂”的一大特点是设计场所（生物铸造）可以与制造场所（通常是生物精炼厂）完全分开。

图Ⅱ-07-01 生物铸造厂的 DBTL 循环

资料来源：OECD Science Technology and Innovation Outlook 2021

生物铸造厂发展的竞争态势

为了推动技术的传播，许多“生物铸造厂”已经在公众资金的支持下建立起来。政府通过确保长期和稳定的资金来建立和支持竞争前的基础设施和协作平台，例如“生物铸造厂”网络和研究联盟，这样的研究和转化基础设施可以降低私人投资的风险并加速商业化，同时围绕“生物铸造厂”和其他新兴技术构建的协作平台可以帮助提高社会对新兴技术的参与度。

早在 2012 年，美军就提出了生命铸造厂（Living Foundries）计划，主要承担机构有美国斯坦福大学、哈佛大学、麻省理工学院、加州理工学院、文特尔研究所以及 Amyris 公司等，项目主管单位为美国国防高级研究计划局（DARPA）生物技术办公室（BTO）。2014 年 10 月，美国国防高级研究计划局又启动了“生命铸造厂——千分子”（Living Foundries: 1000 Molecules）计划，该计划是利用生物技术工具和工艺开展规模化精细试验，通过跨学科合作打造革命性的生物工程平台，提供新的材料、功能结构以及制造模式，作为验证，研究计划最终预期产生 1000 个自然界不存在的、独特的分子及化学结构模块。

此外，由美国能源部（DOE）能源效率办公室和可再生能源生物能源技术办公室资助，敏捷生物铸造厂（Agile BioFoundry，简称 ABF）联盟计划旨在通过联合和扩大国家实验室的能力来推进生物制造，开发一个强大、灵活的生物制造平台，供私营和公共部门的研究人员使用。该计划每年投入为 2000 万美元，申请人需要通过能源部的审查和批准，并符合“合作研究与开发协议”（CRADA）和“战略合作伙伴计划”（SPP）的相关条款规定。

2020 年 2 月，美国卫生与公众服务部（HHS）为美国生物技术公司创建了首家铸造厂“美国生物技术铸造厂”（Foundry for American Biotechnology），以生产增强医疗保健和应对健康安全威胁的技术解决方案。该铸造厂位于新罕布什尔州的曼彻斯特，由国防部先进再生制造研究所（ARMI）和当地的机器人创新企业 DEKA 研发公司管理，这是与 HHS 防备和响应助理部长办公室（ASPR）开展的公私合作的一部分。

2019 年 5 月，全球生物铸造厂联盟（Global Biofoundry Alliance，简称“GBA”）在日本神户正式成立。该国际行业联盟由美国劳伦斯伯克利国家实验室、英国帝国理工学院、中科院深圳先进院等来自全球 8 个国家的 16 所顶尖合成生物设施机构联合发起成立的。其中，来自英国和美国的分别有 5 家和 4 家成员单位，澳大利亚和中国的各两家，丹麦、新加坡和韩国的各 1 家。来自中国的两家成员单位是中国科学院深圳先进技术研究院和天津大学合成生物学前沿科学中

心。该联盟致力于促进全球合成生物学产业发展，加速合成生物学和生物制造工艺工程的商业化（图Ⅱ-07-02）。

 图Ⅱ-07-02 全球主要的公立生物铸造厂

资料来源：OECD Science Technology and Innovation Outlook 2021

美国公司 Amyris、Ginkgo Bioworks 和 Zymergen，都通过建立“生物铸造厂”将特意设计的基因线路自动化装载到活细胞中，并辅以高通量测试，利用机器学习技术运行 DBTL 周期循环，来实现工程化的海量试错以加速设计周期。

Ginkgo Bioworks 定位于平台，更专注于合成生物学价值链的设计环节，其通过建立规模庞大的宏基因组数据库，绘制基因、蛋白质和代谢途径，并借助生物铸造厂和机器学习来不断地运行 DBTL 周期，以设计适合生产目标产物的微生物，为下游合作伙伴提供模块化的解决方案。美国公司 Inscripta 基于 CRISPR 基因编辑原理开发出一类 CRISPR 酶家族 MADzymes，并借此建立全球首个数字化基因组工程台式平台 Onyx。

生物铸造厂发展前景

生命科学与信息科学融合产生的未来场景，可被看作生物信息的未来，其中“生物铸造厂”是合成生物学和人工智能融合的代表。通过合成生物学和人

工智能的框架整合，“生物铸造厂”将应对来自五大方面的挑战：健康人群

（Healthy People）、繁荣经济（Prosperous Economies）、弹性社会（Resilient

Societies）、安全星球（a SecurePlanet）和创新技术（Innovative Technologies）。

生物铸造厂的建设成本高、持续运营费用高、准入费高，这些也是许多国家在拥有生物铸造厂时面临的挑战。此外，疫情中供应链中断也会给研究和设施运营造成影响。生物铸造厂的公开访问和/或全球生物铸造厂网络的建立或将在一定程度上解决这一问题。除开发诊断/疗法外，还可根据需要及时进行本地测试。允许生物铸造厂修改现有技术，进而满足当地需求或以较低成本使用的许可协议将有助于加快应对技术的发展。展望未来，生物铸造厂技术的普及性，特别是让发展中国家能够获得这项技术及其产品，将是实现全球疫情应对的重要组成部分。各国需共同努力，并与其他关键全球组织（如世界卫生组织、流行病预防创新联盟、经合组织、世界银行、慈善基金会、国际生物铸造厂联盟等）合作，继续开发和改进生物铸造厂技术。

【参考文献】

[1]  OECD. Science Technology and Innovation Outlook 2021[R].2021

[2]  合成生物学信息参考 2022 年 5 月：生物铸造厂应对疾病大流行.[EB/OL]. 

[2022-05-19] https://mp.weixin.qq.com/

[3]  16 家机构发起成立国际合成生物设施联盟[EB/OL].  [2021-05-19]

http://shareapp.cyol.com/cmsfile/News/201905/09/toutiao217086.html?group_id=6688

959794767725067&app=

8.  光免疫疗法（Photoimmunotherapy）

癌症一直是健康的头号杀手，长期以来，人们持续致力各种癌症疗法的发现与研究。伴随科技的突飞猛进，光免疫疗法（Photoimmunotherapy）被认为是继手术、放疗、化疗、靶向免疫药物之后的新型癌症疗法，值得关注。

光免疫疗法的发展

光免疫疗法是将肿瘤的光动力技术与免疫技术相结合，通常指近红外线免疫疗法。光免疫疗法过程中最重要的物质是光敏剂。在与癌细胞表面特异蛋白结合的抗体加入光敏剂后，静脉注射到体内。在抗体和体内癌细胞结合后照射近红外线，将光束送达病变部位。光敏剂被近红外线照射后发生化学反应，破坏癌细胞。

与肿瘤传统治疗方式相比，光免疫疗法的优势在于选择性破坏肿瘤细胞、破损后癌细胞碎片可作为免疫细胞的抗原，可以增强免疫细胞对残留癌细胞攻击的能力，提高治疗效果；与放疗、化疗等副作用很大的治疗手段相比，光免疫疗法可以反复照射，不会破坏人体正常细胞。

➢  日本启动首个癌症光免疫疗法临床实验

日本国立癌症研究中心东医院启动的“近红外线”光线治疗癌症的“癌症光免疫疗法”是国内首个临床试验。具体疗法由美国国立卫生研究院主任研究员小林久隆等研发，由美国生物风险企业实施。临床试验以数例患有头部或颈部癌症的患者为对象进行安全性测试。

治疗方法是：把与癌细胞表面较多的蛋白质黏连的抗体及对近红外线起反应的物质连接起来，作为药剂使用。向患者注射药剂后用光线照射癌症部位，与癌细胞相连的药剂发生化学反应，促使癌细胞破裂。同时，人体免疫系统会对破裂的癌细胞成分做出反应，对转移到远离照射部位处的癌细胞也有效。对于距离体表较远的深层癌症，可以从注射针头里穿过直径 1～2mm 的光纤进行照射。临床试验对象为头部或颈部癌症复发、通过标准治疗也未见效的患者。此前在美国实施的临床试验报告中称，15 例接受治疗的患者中，14 例癌症患处变小，其中 1 例癌症消失，且有些患者的治疗效果长期持续。

➢  英国癌症研究院通过光激活疗法检测并治疗胶质母细胞瘤

胶质母细胞瘤是一种常见最具侵袭性的脑癌类型之一，脑瘤复发性极高。来自英国癌症研究院等机构的科学家研究开发了一种创新性的光激活疗法，能够实现对胶质母细胞瘤的检测与治疗。

研究人员利用光免疫疗法技术，将称之为“亲合体”（即在实验室中设计的小型蛋白质）的合成性分子以较高分辨率结合在特定的靶点，随后将人工创造的“亲合体”与在手术中使用的 IR700 荧光分子结合，从而识别出 EGFR 蛋白质，EGFR 蛋白质的重要特性是在很多胶质母细胞瘤病例中都会发生突变。对这些化合物进行光照就会使得荧光染料发光，从而凸显大脑中残留肿瘤的微观区域，当将光源切换到近红外光时则会诱发杀灭肿瘤细胞的抗肿瘤活性。

光免疫疗法的全球竞争态势

作为抗癌赛道上的新疗法，全球于近年利用光免疫疗法原理进行了相关管线/产品的研究与开发（表Ⅱ-08-01）。

表Ⅱ-08-01  光免疫疗法的全球研究管线/产品

资料来源：上海科学技术情报研究（ISTIS）编制

除全球研发管线/产品外，我国也如火如荼地开展着相关研究。以 Trop2 抗体耦联药物获批来看，国内在该药物研发方面竞争激烈，上海的君实生物与复旦张江表现抢眼。首先，君实生物研发的 JS108 为注射用的重组人源化抗 Trop2 单抗-Tub196 偶联剂，可被用于治疗三阴乳腺癌、肺癌和胰腺癌。2019 年 12 月，君实生物通过独占许可授权方式从多禧生物获得 JS108 的许可使用权。2020 年 7 月 21 日，JS108 获国家药品监督管理局核准签发的《药物临床试验批准通知书》，用于晚期实体恶性肿瘤的临床试验。

其次，复旦张江研发注射用的 FDA018 抗体偶联剂也是一款 Trop-2 抗体耦联药物，临床拟开发适应症为实体瘤。2021 年 11 月，公司发布公告披露 FDA018 抗体偶联剂正在开展 I 期临床研究，已成功完成首例受试者入组。

光免疫疗法的产业化前景

光免疫疗法，尤其是近红外光免疫疗法是近年来继传统癌症疗法后快速兴起的新兴方法。因其采用抗体靶向原理，通过激活红外光照射患病局部，完全不同于传统疗法给人体带来较大副作用，因此很有发展空间。

作为新兴的研究方向，美国、日本及我国均在这一赛道表现出极大的研究热情，特别是日本，频繁有相关产品获批上市，表现出良好的发展潜力，具备一定产业化发展前景。但该疗法是否能够长期稳定地与传统癌症疗法比肩，还需通过对相关产品进行长时间多方检验后才能定论。

【参考文献】

[1]  BMC Med：光激活的光免疫疗法或能增强大脑癌症疗法的治疗效力[EB/OL].

（2022-06-24）. [2022-10-18]. https://news.bioon.com/article/cec2e3037295.html.

[2]  Justyna Mączyńska, Florian Raes, Chiara Da Pieve, et al. Triggering anti-GBM immune response with EGFR-mediated photoimmunotherapy[J]. BMC Medicine, 20(1):16.

[3]  Trop-2 ADC 亚洲上市，国内竞争格局如何？[EB/OL].（2022-02-15）. [2022-10-18]. 新浪医药公众号.

[4]  全球 ADC 药物概览：光免疫疗法能否突出重围 [EB/OL].（2021-04-19）. [2022-10-18]. https://www.sohu.com/a/461663931_121039797.

[5]  日本启动癌症光免疫疗法临床试验[J]. 中国肿瘤临床与康复，2019，26（4）: 467. 

9. 环状 RNA（circRNA）

RNA 疗法在创新药研发领域是备受瞩目的方向之一，尤其近两年，由于 mRNA 新冠疫苗的成功开发更是让 RNA 疗法跃居药物研发前沿。当前，业界都在探索各种不同 RNA 药物的潜力，而环状 RNA（circRNA）逐渐步入大众视野，并且被业界称为 mRNA2.0 版技术。

环状 RNA 的基本范畴

环状 RNA（circular RNA，circRNA）是一种具有广泛分布和多种细胞功能的内源性非编码 RNA。环状 RNA 可分为 ecircRNA、ciRNA、ElciRNA 等亚型结构，其中 ecircRNA 是全部由外显子组成，ciRNA 是仅由内含子组成，

ElciRNA 是由外显子与内含子同时组成。环状 RNA 可调节基因表达、调控 RNA 结合蛋白等多种生物学功能，在肿瘤临床治疗、介导抗癌耐药研究中具有重要价值。

目前，随着 mRNA 新冠疫苗的成功研制和使用，RNA 技术在疫苗制备和药物研发领域的优势凸显。但 mRNA 技术也有自身的基本局限性，如，mRNA 在生物系统中极易被核酸外切酶降解，半衰期短；免疫原性引起严重副作用；翻译蛋白效率较低等。

环状 RNA 技术的出现完美避开 mRNA 技术上的缺陷，相当于 mRNA 技术 2.0 版，在生产、递送和治疗方面更具优势。主要表现在：首先，环状 RNA 是一种单链 RNA，具有连续结构，缺乏核酸外切酶识别所需的末端基序，不易降解，稳定性高；其次，环状 RNA 通过合理设计通用辅助序列，可在体外有效环化长达 5kb 的 RNA；而优化的环状 RNA 具备超强翻译能力，在某些细胞环境中，环状RNA蛋白的表达稳定性远远超过了未修饰的和核苷修饰的线性mRNA；此外，环状 RNA 不需要核苷酸修饰来避免先天性免疫应答。

环状 RNA 发展现状及态势

环状 RNA 发现至今已过去了 40 多年，1976 年德国科学家 Heinzl Sanger 等人在《美国科学院院刊》（PANS）发表文章，证实了类病毒（Viroids）是一种单链共价闭合环状 RNA 分子，这是人类首次发现环状 RNA 分子的存在；1979 年，

Hsu 及同事利用电子显微镜首次观测到真核细胞的细胞质中存在环状 RNA 分子，紧接着，Arnberg 等在酵母的线粒体中又发现了环状 RNA；1993 年，在小鼠中发现其 Sry 基因存在环状转录；2012 年，借助于高通量测序技术，环状 RNA 被大量发现；2013 年，《自然》（Nature）同一期刊登两篇环状 RNA 研究文章，自此这个领域的相关研究快速增长。经过 30 多年的沉寂后，环状 RNA 逐渐成为非编码 RNA 领域新的明星分子；2020 年，有研究应用计算生物学预测环状

RNA 与疾病的相关性（图Ⅱ-09-01）。

图Ⅱ-09-01 环状 RNA 研究中的里程碑发现

资料来源：创药网

截止目前，环状 RNA 的发现已有 40 余年。2021 年以来，全球环状 RNA 研究热情再上新高度，已获近 6 亿美元融资，成为 RNA 领域新的吸金点，标志着环状 RNA 疗法已从幕后真正走向了前台（表Ⅱ-09-01）。

表Ⅱ-09-01  2021 年环状 RNA 领域部分融资事件

信息来源：PharmaInvest 数据库环状 RNA 发展的竞争态势

基于环状 RNA 具有稳定性高、疾病特异性表达的特点，使其在疾病标志物，治疗靶点以及作为治疗工具方面拥有巨大的转化潜力，吸引了一批国内外企业

布局该领域。其中，国外主要有 Orna Therapeutics、Chimerna Therapeutics、Laronde 等，国内包括科锐迈德、环码生物、圆因生物等初创企业。

Orna Therapeutics 公司成立于 2019 年，其在 2021 年 2 月完成 8000 万美元的 A 轮融资，该公司在 2022 年 8 月获得由默沙东（MSD）等参与的 2.21 亿美元 B 轮融资。Orna 的主攻方向是利用环形 RNA 的稳定性，通过在 T 细胞中引入表达 CAR 的环形 RNA，在人体内直接生成 CAR-T 细胞疗法，从而避免从患者体内分离细胞、在体外进行工程化改造的繁琐过程。该公司在 2022 年首次公布了这一疗法在动物模型中的概念验证数据。此外，Orna 公司还首次使用非病毒递送方式，将编码全长抗肌萎缩蛋白的环形 RNA 递送到了人类细胞内部，并且表达抗肌萎缩蛋白。

Chimerna 公司则从另一个角度利用环状 RNA 的稳定性。该公司开发的创新疗法是一类基于环状 RNA 与蛋白质结合的适配体（apatmer）。环形 RNA 的稳定性让 RNA 适配体有望在细胞中达到产生治疗效果的浓度。Chimerna 的策略是通过在细胞中导入表达 RNA 适体的转基因，让细胞成为生产 RNA 适配体疗法的“工厂”。目前，该公司已开发了针对阿尔茨海默病、帕金森病和常染色体显性多囊肾病的多条研发管线。

Laronde 公司由著名风投机构 Flagship Pioneering 于 2021 年 5 月推出，并获得 5000 万美元投资。在成立 3 个月后，Laronde 公司又获得了 4.4 亿美元的 B 轮融资。该公司旨在利用其技术平台开发一种称为 Endless RNA（eRNA）的新型环状 RNA。这是将 RNA 病毒中与核糖体结合的 IRES 序列整合到环状 RNA 的结构中而生成。eRNA 具有模块化的设计，只要替换编码蛋白的序列，它可以指挥细胞生成任何类型的蛋白，因此能够表达多种不同的潜在疗法。

科锐迈德于 2021 年 8 月成立，其专注于新一代环状 mRNA 核酸药物研发，公司拥有其自主研发的新型成环框架 Clean-PIE 系统，其无需引入外源序列，精准高效成环，具有更低的免疫原性，以及更高的表达效率和表达时长。此外，公司还开发了自主知识产权 LNP 核酸递送系统。目前，该公司正在积极布局感染性疾病、肿瘤免疫、蛋白替代、基因治疗、细胞疗法等产品管线。2022 年 7 月，科锐迈德提交了其首个环状 mRNA 肿瘤项目（cmRNA1210）。

环码生物成立于 2021 年，是一家专注于环形 RNA 核酸药物开发的创新型生物科技公司，也是国内首家环状 RNA 的融资企业。该公司于 2021 年 6 月完成了由杏泽资本与凯泰资本共同领投的千万美金级别天使轮融资，并在同年 12 月，又完成超 2000 万美元 Pre-A 轮融资。环码生物目前拥有两个技术平台：一个是核酸技术平台，该专利技术基于 II 型内含子自剪接核酶的活性可在体外环化任意 RNA；另一个是序列设计技术平台，可利用特定的翻译起始元件通过帽非依赖性的方式启动翻译。环码生物目前已迁至上海浦东新区外高桥。圆因生物创立于 2021 年 4 月，并在 11 月完成了超亿元 Pre-A 轮融资。2022 年 6 月，该公司再次完成超过 2.8 亿元人民币 A 轮融资。圆因生物专注于利用环状 RNA 技术开发新型疫苗及创新疗法，已经建立了丰富的预防性及治疗性新药产品管线，致力于解决临床上未被满足的疾病需求。

吉赛生物成立于 2010 年 6 月，是一家环状 RNA 创新疗法 CRO 服务商，也是国内最早布局该领域的公司。该公司在环状 RNA 产业化开发方向主要布局两个方向：一是基于自主研发的环状 RNA 精准制备技术，以及完备的环状 RNA 研究技术体系，提供环状 RNA 基因治疗的 CRO 服务；二是基于前期发现的具有重大功能的环状 RNA 翻译产物，开发重大疾病治疗靶点。

环状 RNA 发展前景

新冠疫情给 mRNA 的发展助推了一把，并延伸到其他 RNA 领域，给行业带来了新风口。环状 RNA 自发现以来已有 40 余年，该领域也受到了默沙东等制药巨头的看好，这意味着下一代 RNA 相关疗法的曙光已现。

到目前为止，环状 RNA 已被报道与人类多种疾病相关，包括糖尿病、神经系统疾病、心血管疾病等。整体而言，业界对环状 RNA 技术的应用前景愈发看好，企业目前正逐步利用环状 RNA 技术来开发新疗法，这也意味着环状 RNA 经过基础研究开始向临床转化是一个必然趋势。而从全球视角看，目前国内外在此领域都还尚处于早期阶段，在同一起跑线上。对于国内企业而言，此时正是建立技术专利布局的时机，加上近年来相关利好政策，为环状 RNA 技术提供了良好的研发环境。

【参考文献】

[1]  【深度】环状 RNA 研究热情较高 未来市场发展前景广阔.[EB/OL].  [2022-04-08] https://mp.ofweek.com/medical/a256714699217

[2]  mRNA 2.0：环状 RNA 技术前景可期（上篇）.[EB/OL].  [2022-01-20] https://mp.weixin.qq.com/

[3]  风头正劲！环状 RNA 成为新风口，各方抢滩布局！[EB/OL].  [2022-09-21] https://zhuanlan.zhihu.com/p/566686858

➢ 材料领域

10. 石墨炔（Graphdiyne or Graph-n-yne）

以石墨烯为代表的“二维材料”表现出多种优异的物理化学性质，在电子、光电子、信息、能源、生物医学、航空航天等领域具有广阔的应用前景。近年来，一系列新型二维材料如石墨炔（Graphdiyne）相继被制备出来，而且尚有大量的二维材料亟待挖掘和开发，为新的原创性突破提供了机遇。

石墨炔是一种二维（2D）碳的同素异形体材料，由 sp 和 sp²两种杂化态的碳原子共同构成，是由 1，3-二炔键将苯环共轭连接形成的具有二维平面网络结构的全碳材料，被誉为是最稳定的一种人工合成的二炔碳的同素异形体。根据苯环之间炔键的个数，石墨炔英文命名略有不同。石墨炔的通式可用 graph-n-yne （n=1，2，3…，其中 n 是炔链的数量）表示。石墨炔还包括α、β、γ、δ、菱形、6，6，12 型等多种同素异形体。其中γ-GDY 和γ-GY 是研究最多的石墨炔结构，因为它们是最先合成的，制备技术也比较成熟。

石墨炔具有丰富的碳化学键、大共轭体系、较多的活性位点、优良的化学稳定性、可控的杂原子掺杂。理想的石墨炔具有完美的单晶结构，由 sp 和 sp² 杂化碳组成，厚度仅为一个原子。石墨炔层与层之间通过范德华力和π-π相互作用堆积，形成了具有 18 个碳原子三维孔道结构，因此，石墨炔同时具有二维平面材料和三维多孔材料的特征，并且可以通过合成不同单体利用自下而上法调控孔径大小、杂原子含量及精确位置。

自 2010 年首次实验性合成石墨炔以来，具有不同形态的石墨炔材料（如薄膜、粉末和纳米墙）已通过各种合成方法（干法和湿法）被制备出来，并应用于电子信息、能源转化和储存、催化、环境与检测、生物医药等领域。石墨炔从发现到应用的发展历程如表Ⅱ-10-01 所示。

表Ⅱ-10-01 石墨炔从发现到应用的发展历程

资料来源：上海科学技术情报研究所（ISTIS）编制

技术的发展现状及态势

石墨炔独特的结构和合成方法，使其可以通过反应条件优化、杂原子掺杂等手段获得不同形貌的石墨炔基纳米材料，如，通过反应条件的优化，制备石墨炔纳米墙和石墨炔纳米片；通过杂原子掺杂，获得异原子掺杂石墨炔纳米颗粒和柔性石墨炔纳米薄膜；通过复合杂化结构的构筑，获得石墨炔复合纳米线、纳米花和纳米立方体材料等。虽然目前已经成功创造出这种材料，但这仅仅是第一步，需要做的工作还有很多，尤其是在石墨炔的单层及多层可控制备、结构表征、性能调控等方面仍然需要进一步探索和完善。

技术发展的竞争态势

“全碳化”的竞争已经拉开帷幕。目前全球都在参与碳材料和碳器件的开发竞争。如今，世界上已经有 60 多个国家和地区的 500 多个研究团队对石墨炔开展研究。

在石墨炔制备及应用的演进过程中，中国占据了重要的地位。截止到 2022 年 9 月 28 日，中国的专利申请数量最多，为 444 个，主要的申请人为国内创新主体，占比 79.57%（图Ⅱ-10-01）。其中，李玉良研究团队所在的中科院化学所属于绝对的领跑者，其专利申请数量最多，达到了 31 件（图Ⅱ-10-02），这也与其拥有超强的石墨炔研发能力相契合。中国在石墨炔领域的雄厚实力，离不开中科院、大学以及企业在内的多类别的创新主体的大量合作（图Ⅱ-10-03）。图 Ⅱ-10-03 中，中科院化学所的专利具有比较明显的优势，引用关系较为复杂。

图Ⅱ-10-01  全球各区域石墨炔专利申请人国别分布

资料来源：上海科学技术情报研究所（ISTIS）应用 Incopat 专利系统编制

国外科学家也发现了石墨炔很多优异的性质和应用，同时也发展了石墨炔的制备方法。美国、韩国、英国、德国和荷兰等国家都有相关的专利布局（图

Ⅱ-10-01）。其中，美国的英特尔公司、个人 ABHISHEK SHARMA、个人 JACK T KAVALIEROS、美光科技公司、纽约市立大学；韩国的建国大学、个人 LEE YOUN TEK；英国的 APPLIED GRAPHENE MATERIALS LIMITED 公司等都是重要的专利申请人（图Ⅱ-10-02）。图Ⅱ-10-03 显示美光科技公司、纽约市立大学均有自己的核心技术，专利互引关系亦较为复杂。

 图Ⅱ-10-02  全球专利申请重要申请人分布

说明：专利族数量单位：个资料来源：上海科学技术情报研究所（ISTIS）应用 Incopat 专利系统编制

 图Ⅱ-10-03  专利权人间的引证关系

资料来源：上海科学技术情报研究所（ISTIS）应用 Orbit 专利系统编制

在石墨炔的研究方面，上海的科研院校取得了较为可观的成果，重要的申请人有东华大学、复旦大学、上海应用技术大学、同济大学、上海大学等（图 Ⅱ-10-04）。从图Ⅱ-10-04 可以看出，随着石墨炔相关技术的研究发展，相关企业也逐渐加入研究队伍中，这对于上海石墨炔行业的良性发展具有重要意义。

图Ⅱ-10-04  石墨炔领域上海的主要申请人

资料来源：上海科学技术情报研究所（ISTIS）应用 Incopat 专利系统编制

技术产业化的前景

虽然石墨炔的研究还处于初级阶段，但随着制备工艺的不断提高，其研究领域的拓展和产业链的初步形成将指日可待。石墨炔在具有能带带隙的同时，还保留着远高于硅材料的载流子迁移率，在光电器件领域具有得天独厚的优势； γ-石墨炔外部的自旋轨道耦合占主导地位，通过施加电场可以闭合其带隙，因此石墨炔材料在自旋电子学领域具有诱人的应用前景；石墨炔在层间和面内都有对锂离子特定的吸附位点，有望用于锂离子电池领域；石墨炔具有本征均匀的大孔结构，可以用于气体过滤和分离等。此外，多种成键方式使得石墨炔具有特殊的热学性质，有望用作热传导调制器等。

总之，石墨炔和基于石墨炔的材料作为有前途的材料出现在许多领域，但仍有许多挑战需要克服。由于其独特的性能和特点，我们认为所有的挑战和限制都将被克服。石墨炔必将在未来的应用中具有巨大的潜力。

【参考文献】

[1]  中国科学院. 中国学科发展战略.纳米碳材料[M]. 2021.

[2]  李玉良, 李勇军. 石墨炔：从发现到应用.[M]. 2018.

[3]  Baughman, R. H.; Eckhardt, H.; Kertesz, M. Structure‐property predictions for new planar forms of carbon: Layered phases containing sp2 and sp atoms. Journal of

Chemical Physics., 1987,87: 6687-6699.

[4]  Haley M M, Brand S C and Pak J J. Carbon networks based on dehydrobenzoannulenes: synthesis of graphdiyne substructures angew. Chem. Int. Ed. 1997, 36, 835-838.

[5]  Guoxing Li , Yuliang Li , Huibiao Liu, et al. Architecture of graphdiyne nanoscale films.

Chemical Communications, 2010, 46: 3256-3258.

[6]  Daniel Malko, Christian Neiss, Francesc Viñes, and Andreas Görling. Competition for graphene: graphynes with direction-dependent dirac cones. Phys. Rev. Lett. 2012, 108, 086804.

[7]  Kuang C Y, Tang G, Jiu T G, et al. Highly efficient electron transport obtained by doping PCBM with graphdiyne in planar-heterojunction perovskite solar cells. Nano Lett. 2015, 15(4): 2756–2762.

11. 闭环塑料（Closed-loop Plastic）

塑料凭借其质地轻、强度高、耐腐蚀以及绝缘性好等优势成为了人类社会

生产生活中不可缺少的重要材料。根据 2021 年 10 月 21 日联合国环境规划署（UNEP）发布的报告显示，全球每年的塑料产量从 1950 年的 200 万吨飙升至现在的 4 亿吨左右，其中仅有 21%的生产塑料得到了恰当处理（其中 12%被焚烧，9%被回收），其余则被随意丢弃（一般是填埋）。无论是焚烧还是填埋，都会导致地下水污染、温室气体排放增加，不利于环境保护。为了应对塑料垃圾问题，在近三十年来，人们研究了多种可降解塑料，但是其在近年来因为成本、实用性等问题而受到质疑，多研究指出：现有的可降解标准和认证无法反映现实中降解的真实情况，2021 年 7 月欧盟颁布的《欧盟一次性塑料禁塑新规》中明确禁止使用有氧降解塑料生产一次性塑料制品，强调要发展塑料回收再生利用，美国费城以及法国的禁塑令也禁止了特定种类的可降解塑料，并强调塑料的循环使用。在目前看来，“理想”塑料除了性能优异，还要能够完全可回收再利用，原料要来自可再生资源，并兼容现有的大规模制造和加工技术，符合以

上要求的塑料才能被称为闭环塑料（Closed-loop Plastic）。按照循环经济标准，物理和化学回收再生利用方法是塑料闭环的必需组成部分。

技术的发展现状及态势作为塑料废弃物回收再生的两条主要路径，物理回收和化学回收各有优势，

物理回收指的是：在不明显改变材料化学结构（研磨、洗涤、分离、熔化、复合和造粒）的情况下，将废旧塑料制品加工成二次原料，其适用于聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚乙烯、对苯二甲酸酯（PET）等，是一种成熟的塑料材料回收技术，适合处理高价值、品类单一、较为干净的废塑料。而化学回收可以处理低价值、混合的、受污染的废塑料。

物理回收产品较难达到食品和医药等高价值应用领域要求，化学回收在废塑料分子层面进行拆分和重组，产物与石油基塑料质量相同，可应用于食品和医药等高价值领域。物理回收和化学回收二者呈现互补关系。鉴于物理回收技术发展较为成熟，类型相对单一，进一步升级空间小，这里聚焦化学回收进行讨论：

➢  裂解工艺

裂解法是指将加聚类塑料分解成小分子化合物或单体的化学回收方法，其中的气化裂解法是在热裂解基础上增加氧化介质（空气、氧气或水蒸气），将废塑料分解，以获得合成气（CO、H₂、CH₄ 等），产品可导入石油化工、煤化工产业等，用来制化学品，重新进入聚合物供应链，创造循环经济，也可以不回收，直接用于能源或转化为燃料。由于较为彻底裂解需要高温条件，能耗高，同时产品价值较低，该工艺的整体经济效益都处于中低区间。

➢  解聚工艺

解聚法是指缩聚类塑料在酸、碱、水、醇、催化剂等条件下，由高分子缩聚物降解成低聚物和/或单体的化学回收方法，其需要相对均质的原料，并通过热、化学或生物过程将材料分解为其组成单体。并非所有聚合物都很适合这种工艺，其中聚对苯二甲酸乙二酯（PET）和聚苯乙烯（PS）的应用最为突出，聚氨酯（PU）、聚碳酸酸（PC）、聚乳酸（PLA）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚酰胺（PA）等也已有工业应用。

技术发展的竞争态势

➢  热裂解

英国的 Plastic Energy 公司是塑料化学回收领域的领导者，拥有成熟的、可扩展的专利技术以及成功和持续加工塑料的能力。其开发了一种“热解”工艺以进行塑料回收，拥有世界上第一家获得 ISCC PLUS 认证的废塑料转化设施。其在西班牙拥有两个示范工厂，年产能均为 5000 吨。工厂的产品包括 80-85% 的 TACoil（其是一种液体原材料，可以用来制造全新的食品级塑料，已通过

REACH 化学品认证，符合欧盟食品接触材料法规。目前的实际应用包括联合利华的 Magnum 和 Knorr）、15%的合成气和少量的炭。Plastic Energy 已与多家（石油）化工公司合作，建立合资企业或作为签约用户，包括沙特基础工业、埃克森和道达尔。在法国、西班牙、荷兰和美国（德克萨斯州），Plastic Energy 有六家工厂正在处于建设或规划阶段，每年的塑料废弃物处理量预计可达 15000～ 33000 吨，计划投产时间为 2022～2024 年。

美国的 Brightmark 公司采用塑料—燃料工艺生产燃料和蜡，公司在美国印第安纳州的一座年产能 10 万吨的热解工厂即将完工（投资 2.6 亿美元，处理量在全球同类装置中排行第一），目前计划在美国佐治亚州再新建一家工厂（投资

5-10 亿美元）。该公司的下游客户为英国石油和 SK Global Chemical。

荷兰 BlueAlp 公司的技术可以将混合塑料废物转化为热解油，然后将其作为原料添加到蒸汽裂解装置中进行进一步精炼，其与壳牌合建的两家荷兰工厂计划在 2023 年投产，年产能为 30000 吨。

➢  水基热裂解

除了热解之外，水基热裂解回收技术也在不断发展。水基热裂解技术的原理是：在较低温度中，不使用溶剂来完成回收，以降低生态足迹。

总部位于英国的 Mura 公司与陶氏化学于 2022 年达成合作协议，将在美国和欧洲兴建多个世界规模的、12 万吨级的 HydroPRS™（水热塑料回收解决方案）

先进回收加工设施，预计累计新增年产能将达到 60 万吨，全世界第一家使用

Mura 公司 HydroPRS™工艺的工厂位于英国提赛德（Teesside），预计将于 2023 年投入运营，该工厂年产能 2 万吨的生产线将为陶氏公司提供 100%的循环原材料。Mura 公司还将与三菱合作，预计在 2023 年建成另一家规模类似的工厂。

HydroPRS™工艺利用超临界水、热量和压力，将废塑料转化为有价值的化学原料和基础油，通过分解长链碳氢化合物提供氢气，来生产短链、稳定的碳氢化合物产品，用于化工行业。

Aduro Clean Technologies 是一家拥有水基技术专利的加拿大公司，其以化学方式利用废旧塑料，将其转化为更高价值的燃料和其他回收化学品。Aduro 将与

Brightlands 合作，在荷兰建成一座示范工厂，采用 Aduro Hydrochemolytic™技术（HTC），以每天一吨的规模，将聚乙烯（PE）废弃物转化为化学原料。与更传统的精炼技术（如热解和气化）相比，该技术的优势在于其具有较低的操作温度（240-390°C）、不依赖氢气。

➢ 催化热裂解

美国 Anellotech 公司的 Plas-TCat 技术使用一步反应的热催化工艺，将各种塑料废弃物直接转化为基本化学品，包括苯、甲苯、二甲苯（BTX）、乙烯和丙烯，产品可以生产塑料。位于日本的合资企业 R Plus Japan Ltd.和美国 Anellotech 公司合作，预计在 2027 年实现 Plas-TCat 技术的商业化（总部位于东京的 R Plus Japan 于 2020 年 6 月由日本塑料供应链内的 12 个跨行业合作伙伴成立，其中包括三得利制物专家公司（Monozukuri Expert Ltd.），Rengo Co.Ltd.，Toyo Seikan

Group Holdings Ltd.，J&T Recycling Corp.和 Asahi Group Holdings Ltd.等）。

技术产业化的前景

作为塑料废弃物回收再生的两条主要路径，物理回收和化学回收各有优势，物理回收适合处理高价值、品类单一、较为干净的废塑料；化学回收可以处理低价值、混合和受污染的废塑料。但是目前废塑料的回收利用以物理回收利用为主，化学回收占比不足 1%。现有的废塑料回收利用技术均不能独立实现废塑料处理资源化、减量化和无害化的目的。

➢  物理回收再生技术存在的问题

物理回收包括直接再生和改性再生。直接再生利用技术在国内外应用广泛，其制品已被应用于工农业、建筑业、渔业和日用品等多个领域。其中建筑填料、垃圾袋等再生塑料的使用比例高达 80%或以上。这种方式的优点是成本低廉、工艺简单；缺点是再生料制品的力学性能大幅下降，不宜制作高档次制品。改性再生技术通过添加辅料提高再生塑料的综合性能，对原料纯度要求较高，无法很好地处理不同类别混合或受污染的生活塑料垃圾。

塑料物理循环的关键一步就是成规模地将用后的塑料收集起来进行分拣，然后按不同类别再生。最大的瓶颈是收集分拣，当前大规模的基础设施建设、回收渠道、大型分拣设施还不够完善。再生加工利用环节机械化和自动化程度也较低。

➢  化学回收再生技术存在的问题

化学回收处理的往往都是低价值、混合和受污染的废塑料，掺杂或附着有机质、塑料改性剂、油墨、化学纤维等杂质，因而工艺流程非常复杂，技术难度高、能耗高、成本高，也无有针对性的扶持政策和专属量产品标准，从经济性角度难以推广应用。此外，化学回收技术也需要依托较高的垃圾和塑料分离分选水平和预处理工艺，否则难以进行规模化生产。目前市场上化学回收技术的应用还处于起步阶段。此外，仍有大量研发和处于早期阶段的化学回收技术开始产生商业影响。这包括用于解聚的微波和酶促工艺、水热方法、新聚合物的开发等等。

【参考文献】

[1]  Richard Collins. Chemical Recycling and Dissolution of Plastics 2023-2033 [R].

IDTechEx, 2022.10.

[2]  VTT Technical Research Centre of Finland. Recycling food packaging: Discussion

paper [R]. 2022.03.

[3]  科茂化学回收研究院. 废塑料化学回收产业发展报告一：技术篇 [R]. 2021.09.

[4]  梁晓霏.“净零”排放趋势下塑料循环经济前景分析.石油化工技术与经济，2022，

38(2):1-8

12. 储能纤维（Energy-storage Fibers）

随身穿戴已成为电子产品发展的重要趋势，以智能手环、智能手表为代表的可穿戴终端受到市场的广泛追捧。但受限于体积，可穿戴终端电池的功率和续航表现限制了其进一步向复杂化、无感化方向进化。是否能够研发出可以稳定地提供足够电能的微型、柔性储能器件，将成为影响整个可穿戴终端产业未来发展的关键因素。

近年来，这一问题吸引了学术界的关注，各种形式的柔性储能器件逐渐成为研究热点。目前，主流技术路线有两条，一是将锂离子电池、锂硫电池等现有的储能器件柔性化、微型化并镶嵌在织物中的传统路线；二是使用涂覆、纺丝等方法使新型纤维状聚合物材料具有特殊的电性能，并将其编织成自带储能功能的织物，也就是本文所述的储能纤维。

相较于传统路线，储能纤维的优势在于透气性好、拉伸性以及无感的使用体验，但劣势在于成本高、需要改造现有纺织行业的生产线和生产流程且长期稳定性差。针对储能纤维的特性，学术界正积极研发新的材料和生产技术以推动其商业化。

技术的发展现状及态势

目前，储能纤维的制备主要涉及三个步骤：

➢ 纤维电极制备

对于纤维型器件，其电极制备方法对器件的储能性能和稳定性至关重要。目前，制备方法主要分为三大类：涂覆法、电沉积法、纺丝法。

涂覆法，即以纤维或纱线作为基底，通过在其表面进行涂层处理以负载目标活性材料的方法。其优点在于适于大规模量产，但缺点是影响织物的透气性，而且不持久，难以循环使用。

电沉积法，即在外加电源下，通过电解池阳极上的氧化反应或阴极上的还原反应在纤维及纱线表面形成活性材料沉积层的方法。与涂覆法和纺丝法相比，电沉积法制备的活性材料负载量一般较低，但优点在于环保、低成本、活性材料种类及载量可调。

纺丝法，主要基于溶液在基底上的喷射、沉积和干燥技术，这一方法可以解决电极材料和织物支撑基底之间界面黏合性较差的问题，同时还能大幅提高活性物质的负载量。复旦大学彭慧胜团队在《自然-纳米技术》上发布的储能纤维研究成果就采用了湿法纺丝法。

➢ 器件结构设计

由于纤维型储能器件通常会面临弯曲、折叠、扭曲、伸缩等形变，纤维电极的结构设计成为研究及应用的关键。目前，对于单根纤维器件的结构设计，主要包括平行型、缠绕型、包芯型和连串型。

平行型，即在平面基底上平行放置两根及以上的电极材料，电极之间为电解质，其结构类似于传统三明治结构的电极/电解质/电极的组成顺序。这一类似并联结构的组装类型能增加集成器件的总能量和电压，但刚性较强，不易弯折。

缠绕型，即将两根及以上的纤维电极进行扭曲缠绕在一起。该结构无需平面基底承载，能轻易地应用编织技术在日常服饰中作为能量储存单元。然而，也存在缠绕的纤维电极接触面积较小的缺点，反应活性位点较少。

包芯型，即由内外电极组成的类似于核壳结构的器件结构。该类型结构同样无需平面基底的承载，两电极之间具有较大的接触面积，在弯曲状态下能保持器件结构的完整性。但该结构存在组装难度大、难以保证内外电极紧密包覆等问题。

连串型，即两个纤维状的电极以串联式放置，并通过电解质相连。该结构的储能装置通过电极串联可倍增其存储容量，但存在无法与活性材料充分接触的问题。为解决此问题，彭慧胜团队基于电鳗放电机理，通过将 1000 个纤维电极集成在一个 12m 长的纤维基超级电容器中，实现了 1000V 的输出电压。

➢ 电解质选择

电解质是影响电化学储能装置储能性能的一个重要因素，合理选择电解质能有效地提高其能量密度和功率密度。常用的电解质一般分为水系电解质、离子/有机液体电解质和凝胶/固态液体电解质。

水系电解质具有较高的离子电导率，但由于水分解电位的限制，水系电解质的电压窗口较窄，一定程度上限制了其储能性能。

离子液体电解质和有机液体电解质虽然能有效增加电压窗口的范围，但其离子电导率较低，且液体电解质因具有一定毒性，在使用过程中容易泄漏。凝胶/固态电解质主要指质子传导凝胶聚合物电解质（H2SO4-PVA、磷酸聚乙烯醇等），具有较好的机械性能、封装简单、不易泄漏，且大部分凝胶/固态电解质不易燃，低毒或无毒，可在较大温度范围内应用。

技术发展的竞争态势

目前，储能纤维还处于研发初期，各种实现技术大相径庭且处于实验室阶段，故技术发展的竞争态势将结合具有代表性的研发团队进行介绍。

复旦大学：2021 年 9 月，彭慧胜团队在期刊《自然》发表题为“高性能纤维锂电池的规模化构建”的成果，被审稿人评价为“储能和可穿戴技术领域的里程碑”。该研究厘清了纤维锂离子电池内阻和长度之间的独特关系，以此为基础实现纤维锂离子电池的连续化构建，让其能像毛线一样，能够编织成服装。

2022 年 1 月，彭慧胜团队成功将纤维聚合物储能电池的制备和经典湿法纺丝方法进行融合，提出纤维电池的规模化生产新路线，实现了一系列千米级纤维电池的快速连续构建，且制备的纤维电池更细、更柔，也更加接近日常用于纺织的高分子化学纤维，相关研究成果在线发表在《自然-纳米技术》上（图Ⅱ

-12-01）。

图Ⅱ-12-01  复旦大学彭慧胜团队研发的大面积储能织物

资料来源： Meng Liao, Chuang Wang, Huisheng Peng, et al. 2022-01-21.

目前，彭慧胜团队研发的高性能纤维锂离子电池能量密度超过 85Wh/kg，长度为 1m 的电池可以为手表、手环等可穿戴终端长时间连续有效供电；纤维锂离子电池还具有良好的循环稳定性，循环 500 圈后，电池容量保持率仍达到

90.5%；在曲率半径为 1 厘米的情况下，将纤维锂离子电池弯折 10 万次后，其容量保持率仍大于 80%。

麻省理工学院：2021 年 12 月，麻省理工的 Jung Tae Lee、Tural Khudiyev 等人在《今日材料》杂志上发布了最新研究成果“Thermally drawn rechargeable battery fiber enables pervasive power”。如图Ⅱ-12-02 所示，这些像棉线一样缠绕在外部的物体是一种超长纤维形式的可充电锂离子电池。这种纤维不仅防水，而且极具可塑性，可以编织成织物。MIT 研发团队生产了 140m 长的柔性纤维电池（可以为智能手表独立充电），以证明该材料可以制造成任意长度。该团队已经申请了专利（US11355774B2），作者之一的 Khudiyev 表示，这种纤维电池可以在几年内完成商用转化。

图Ⅱ-12-02 麻省理工学院 Khudiyev 团队研发的超长柔性纤维电池资料来源：Tural Khudiyev, et al. (2022) 技术产业化的前景

可穿戴设备的兴起推动了对微型、轻便和柔性的电源解决方案的需求，而储能纤维有望取代目前扁平、刚性和笨重的电池，进一步提升可穿戴设备的复杂化、无感化程度，具有广阔的商业前景。

但目前储能纤维技术仍处于实验室阶段，结合香港城市大学支春义教授和复旦大学彭慧胜教授的观点，本文认为储能纤维要真正实现商业化量产，需要解决的问题主要集中在三个方面：一是安全问题。充放电是化学反应，而纤维状电池与人体的直接接触是不可避免的，其内部包含腐蚀性或易燃的电解质、重金属等有害物质，因此，确保这些电池绝对安全是至关重要的。二是生产问题。纤维制备工艺与现有的电子技术不相容，服装生产设备和流程需要重新设计，才能满足将储能纤维编织为织物以及加工成服装的特殊需求。三是缺乏评估机械性能的测试标准。目前，从电池测试的标准来看，实验室试制的产品在电性能发面已经达到了“可用”的水平。但是由于储能纤维与传统纤维的巨大区别，对其“柔韧性”、“耐磨性”、“可水洗性”等机械性能的评估缺乏标准，可能会限制行业整体的发展。

【参考文献】

[1]  Meng Liao, Chuang Wang, Huisheng Peng, et al. Industrial scale production of fibre batteries by a solution-extrusion method[J]. Nature Nanotechnology, 2022, 17:372-377.

[2]  Tural Khudiyev, Benjamin Grena, Jung TaeLee, et al. Thermally drawn rechargeable battery fiber enables pervasive power[J]. Materialstoday, 2022, 52: 80-89.

[3]  Abdulwaliy Oyekunle. MIT Ups Energy Storage With “World’s Longest” Flexible Fiber Li-ion Battery[EB/OL]. [2021-12-28] (2022-10-20). www.allaboutcircuits.com/news/MIT-ups-energy-storage-with-worlds-longest-flexible-f iber-lithium-ion-battery/.

[4]  Yong Zhang, Huimin Wang, Haojie Lu, Shuo Li, Yingying Zhang. Electronic fibers and textiles: Recent progress and perspective[J]. iScience, 2021, 24.

[5]  Huisheng Peng. Fiber Electronics: An Emerging Field[J]. Batteries & Supercaps, 2019, 2(12).

[6]  万骏, 肖志恒, 姜会钰. 基于二维材料的纤维型储能织物的研究进展[J]. 纺织导报，2021，（6）：86-88.

➢ 能源领域

13. 高效钙钛矿太阳能电池（Highly Efficient Perovskite Solar-cell）

太阳能电池发展大致分为三个阶段，第一代是硅系太阳能电池，第二代是薄膜太阳能电池，目前尚处在研发阶段的第三代新型太阳能电池包括染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、量子点太阳能电池、钙钛矿太阳能电池等，其中的钙钛矿太阳能电池是第三代太阳能电池中最热门的研究方向，其具有更清洁、效率高、制造成本低、工艺简单等一系列优点。从 2009 年问世以来，钙钛矿太阳能电池的光电效率已经从一开始的 3.8%提升至单结钙钛矿电池的 25.7% （理论极限转化效率为 33%）、全钙钛矿叠层电池的 28.0%（理论极限转化效率为 45%）、钙钛矿/晶硅叠层电池的 31.3%（理论极限转化效率为 45%）、三结钙钛矿叠层电池的 35.9%（理论极限转化效率为 50%），成为了最有希望进入光伏市场的第三代光伏技术，存在颠覆光伏市场乃至规模替代火力发电的可能性。

技术的发展现状及态势

在钙钛矿电池的整个生产流程中，镀膜、刻蚀、封装等环节尤为关键。

镀膜：钙钛矿电池作为新型太阳能薄膜电池，其制备工艺与其他薄膜电池类似，需要通过溶液涂布法、溶液喷涂法、气相沉积法等方式，制备高纯度、缺陷少、高覆盖率、致密的钙钛矿层薄膜与传输薄膜，以改善不同层结构之间的电学接触，减少传输过程中的损耗，实现高电池转换效率。

刻蚀：钙钛矿太阳能电池的介孔结构为 FTO 导电玻璃、TiO₂ 致密层、TiO₂ 介孔层、钙钛矿层、HTM 层、金属电极。通过多道激光刻蚀，可以构建钙钛矿电池中的电路结构，把多个钙钛矿电池串联成组件。

封装：钙钛矿太阳能电池中的各功能层材料对空气中的水蒸汽、氧气，紫外光，压力等比较敏感，遇水、氧气、或者受到紫外线直接照射会发生材料改性分解、功能丧失的情况。封装技术能够有效地将工作元件与外界环境隔离，防止各种杂质的污染和腐蚀，是一种提高精密电子元器件使用寿命的方法。

上述工艺涉及原材料、设备、技术等产业链。其中钙钛矿原料资源丰富，制作工艺相对简单，且用料不多，壁垒不大。但钙钛矿电池设备技术壁垒极高，是电池生产的主要约束。

技术发展的国际竞争态势

由于钙钛矿型太阳能电池起源自染料敏化太阳能电池，因此该领域的很多领军人物都来自染料敏化太阳能电池，如著名钙钛矿型太阳能电池科学家、瑞

士洛桑联邦理工学院（EPFL）的 Michael Grätzel 有“染料敏化太阳能电池之父” 之称，这也决定了这些领军人物所在的研究小组普遍在太阳能电池领域有很深的积累；在该研究领域保持领先地位的国家包括：瑞士、英国、韩国、日本、中国等。整体来看，近年来钙钛矿太阳能电池竞争异常激烈，最高效率不断刷新，研究机构与企业联手，推动技术创新以及商业化。

韩国：韩国成均馆大学和韩国蔚山国家科学技术大学的 Nam-Gyu Park 与

Sang Il Seok 都是该领域的顶级研究人员，所在的研究小组多次刷新钙钛矿型太阳能电池光电效率的世界纪录。韩国最大的太阳能制造商韩华 Q-Cells 在 2021 年宣布，其将在未来五年投入 1.5 万亿韩元（约合人民币 82.58 亿元）用于提高产能及研发活动，以此提高其在光伏行业的竞争力，包括在韩国扩大 3.1GW 的产能、及一直被业内关注的 TOPCon 和钙钛矿电池技术，韩华 Q-Cells 正式进军光伏市场源自 2012 年韩华对德国太阳能企业 Q.CELLS 的成功收购，其和德国柏林亥姆霍兹中心一直保持良好的合作关系，在 2022 年 3 月以 28.7%刷新了钙钛矿硅底串联电池效率的世界纪录。

日本：日本桐荫横滨大学是首个真正意义上的钙钛矿太阳能电池的诞生地，日本政府目前的重点在于通过发展钙钛矿太阳能电池为碳中和目标助力，相对而言，日本在钙钛矿太阳能电池的研究依靠传统企业，目前的主力是松下和东芝两家企业。

英国：英国牛津大学与日本桐荫横滨大学合作在 2012 年制备出全球首个“介孔超结构”钙钛矿太阳能电池，研究人员 Henry J. Snaith 随后创立了牛津光伏公司，该工厂拥有世界上第一条 Oxford PV 创新钙钛矿串联太阳能电池的批量生产线，年目标制造能力为 100MW，预计于 2023 年投产。

技术产业化的前景

钙钛矿电池由于原材料储量丰富，且前驱液的配制不涉及任何复杂工艺，成本相对低廉。根据纤纳光电、协鑫纳米、牛津光伏等三家公司公布的数据，其钙钛矿电池的生产成本在 0.4 美元/W 以下，扩大至 GW 级产线后，成本可降至 0.1 美元/W 或更低。对比已经商业化的单晶硅组件来看，垂直一体化厂商的单晶硅组件最优内部生产成本目前约为 0.21～0.22 美元/W，按较低生产成本数据来比较，钙钛矿电池比单晶硅电池拥有成本优势。而且钙钛矿电池的所有工艺流程都可以在一个工厂完成，从原料到组件只需 45min。但在其全面实现商业化之前，还存在以下几个问题亟待克服：

➢   大尺寸制备工艺不成熟

钙钛矿电池的大面积制备工艺还有待优化，大尺寸组件的转化效率仍较低。

转换效率较高的钙钛矿电池其尺寸均为实验室级别，仅有 0.01 平方厘米或 1 平方厘米，未达到商业化尺寸。目前较难生产薄且均匀的大面积钙钛矿层，一旦电池尺寸增大，光电转换效率随之下降，因此在大面积制备技术方面还有待完善，目前溶液旋涂法是实验室制备钙钛矿太阳电池的常用方法，虽然操作简单､成膜速度快､重复性好，但无法满足钙钛矿太阳电池大规模工业化生产所需的大面积､低成本等制造要求｡目前工业上制备钙钛矿的生产工艺虽然多样，包括刮涂法、狭缝涂布法、喷涂印刷、气相辅助沉积等，但均存在一定的问题。

➢   材料稳定性差材料稳定性差会导致电池寿命较短，钙钛矿电池对潮湿环境敏感，材料暴露在潮湿空气中会很快分解，昼夜温差造成的水蒸气也将对其造成破坏，因此对防水封装的要求十分严苛。此外，氧气氧化、光辐照、紫外线等都会对材料的稳定性产生显著影响。根据测算，在钙钛矿电池单 W 售价 1.5 元的条件下（比晶硅低 0.4 元），尺寸为 1.245*0.635、功率达 130W 的标准化组件工作时间需要至少在 35000 个小时以上，才能够达到晶硅电池的标准，而目前，钙钛矿电池持续光照实验最长只能达到 10000h，存在较大差距。

➢   叠层电池的生产工艺有待突破

钙钛矿/晶硅叠层电池理论上的叠层效率高达 45%，但是，在制绒硅片上如何获得均匀的钙钛矿薄膜仍是目前亟待解决的问题。因为晶硅电池片需制绒来加强吸收光线的能力从而提高效率，其绒面呈倒金字塔状，粗糙程度达到数个甚至十几微米，但钙钛矿薄膜在叠层中只需要 300-400 纳米厚，在绒面连绵起伏的锯齿“山谷”里实现均匀沉积钙钛矿薄膜仍是目前亟待解决的问题，制备上的困难也会给异质结-钙钛矿电池的转换效率与成本带来压力，目前，异质结钙钛矿叠层电池产业化仍然处于起步阶段。

【参考文献】

[1]  Mark Jaffe. These cells could be the key to efficient, cheap solar energy. But they have

to make it in the “torture chamber” first [N]. The Colorado Sun. 2022.01.03 

[2]  Schmidt-Mende, Lukas, et al. Roadmap on organic–inorganic hybrid perovskite semiconductors and devices [J]. APL Materials 9.10 (2021): 109202.

[3]  天风证券. 钙钛矿电池，转换效率或为天花板，迈向商业化前夜[R]. 2022.09.

14. 虚拟电厂（Virtual Power Plant，VPP）

在碳中和、碳达峰的目标驱动下，全球能源绿色转型进度加速。然而，新能源发电总体上具有随机性、间歇性和波动性的特点，且随着新能源装机比例及用户侧间歇性负荷的进一步增长，对电力系统灵活调节能力提出了越来越高的要求。发展虚拟电厂对于促进电网供需平衡、实现分布式能源低成本并网、清洁能源充分消纳、保障电力系统安全运行等具有重要意义。

技术的基本态势

虚拟电厂（Virtual Power Plant，VPP）是以电网云为基础，利用现代通信技术将多个独立实体（发电厂、可中断负荷、储能系统等）整合、抽象为一个相互配合的整体，共同参与到电网运行中的技术（图Ⅱ-14-01）。该技术并不改变这些实体与电网的硬连接，而是通过网络利用软件对这些实体进行整合、协调、优化，最终实现发、用电资源的合理、优化、高效利用；这些实体不受电

网运行调度中心的直接调度，而是通过虚拟电厂的控制中心参与到电网的运行和调度中。

图Ⅱ-14-01 虚拟电厂运作模式

资料来源：安信证券

技术的发展现状及态势

从技术端来看，计量技术、通信技术、智能调度决策技术以及信息安全防护技术基本构成了虚拟电厂的关键技术（表Ⅱ-14-01）。精准的计量是虚拟电厂建立的基础，可靠的通信是虚拟电厂可靠生产的条件，智能调度决策技术是虚拟电厂发挥作用的重要保证，而信息防护技术是保证虚拟电厂稳定运行的底线思维。

表Ⅱ-14-01 虚拟电厂核心技术

资料来源：杨晓巳等《虚拟电厂技术现状及展望》，德邦研究所技术发展的竞争态势

虚拟电厂在欧美等发达国家发展较为成熟。欧美自 21 世纪初就开始了虚拟电厂的相关研究，目的是为了整合逐渐增多的分布式发电，减小其对整个电网

的冲击和影响，主要参与国包括美国、德国、英国、丹麦等发达国家（表Ⅱ-14-02）。其中，以德国为代表的欧洲国家以聚合分布式电源为主；美国以可控负荷为主；日本以聚合用户侧储能和分布式电源为主，计划到 2030 年部署超过 2500 万 kW；

澳大利亚以聚合用户侧储能为主，Tesla 在南澳建成了号称全球最大的电池 VPP。

表Ⅱ-14-02 部分海外虚拟电厂示范项目

资料来源：国际能源网，新时代证券研究所

我国虚拟电厂尚处于邀约型向市场化过渡的阶段。我国虚拟电厂还处于发展初期，主要由政策引导来参与市场。目前江苏、浙江、上海、冀北等地区已开展虚拟电厂实践（表Ⅱ-14-03），主要响应资源包括储能设施、充电桩、居民、楼宇等。如，2021 年投运的上海黄浦商业建筑虚拟电厂，融入“智慧减碳”的概念，通过实时监控、自动执行指令、自动优化升级策略，提升楼宇响应的智慧程度，减少能耗损失。该虚拟电厂总体架构上采用物联网通信、互联网聚合、人工智能调度以及智慧楼宇控制等技术，精准有效管理每栋建筑的每小时能源消费。黄浦区内大型商业建筑超过 200 栋，每栋建筑均具备约 200kW 的柔性负荷调节能力，即虚拟发电能力。截至 2021 年 11 月，该虚拟电厂累计调度超 1700 幢次/27.8 万 kW，单次最大削减负荷 50.5MW，柔性负荷调度能力超过 10%。

表Ⅱ-14-03 中国部分虚拟电厂示范项目

资料来源：上海科学技术情报研究所（ISTIS）编制技术产业化的前景

在“双碳”目标的确定性远景之下，虚拟电厂具有多样性、协同性、灵活性等技术特点，满足未来新型电力系统在“绿色、灵活、多元互动、高度市场化”方面的运行需求，产业化发展前景可期。同时，数字化、智能化、云共享、

人工智能、大数据、物联网等前沿信息技术的应用，将进一步助推虚拟电厂的高景气度发展。《财富商业洞察》（Fortune Business Insights）2021 年 12 月发布的市场调研报告显示，2020 年全球虚拟电厂市场规模为 7.1 亿美元，预计将从 2021 年的 8.8 亿美元增长到 2028 年的 64.7 亿美元，年均复合增率为 32.89%。尽管中国虚拟电厂仍处于发展初期，但市场潜力巨大。华泰证券 2022 年 10 月预测，2025 年中国虚拟电厂合计市场规模有望突破 1183 亿元，其中，需求侧响应运营市场规模将达到 1149 亿元，电力交易市场规模将达到 33 亿元；2030 年虚拟电厂合计市场规模有望突破 2267 亿元，其中，需求侧响应运营市场规模将达到 1990 亿元，电力交易市场规模将达到 276 亿元。

【参考文献】

[1]  Fortune Business Insights. The global virtual power plant market is projected to grow from $0.88 billion in 2021 to $6.47 billion in 2028 at a CAGR of 32.89% in forecast period, 2021-2028 [R]. https://www.fortunebusinessinsights.com/industry-reports/ virtual-power-plant-market-101669

[2]  Virtual power plant [OL]. https://en.wikipedia.org/wiki/Virtual_power_plant

[3]  华西证券. 需求爆发+政策助力，虚拟电厂未来已来 [R]. 2022.

[4]  杨晓巳等. 虚拟电厂技术现状及展望[J]. 华电技术，2020，42（05）：73-78.

15. 绿色制氨（Green Ammonia Production）

氨的制备工艺包括灰氨、蓝氨、绿氨三种工艺。灰氨主要由天然气蒸汽重

整氢气及空气分离的氮气再通过传统哈伯法（Haber-Bosch）进行合成，传统的 Haber-Bosch 合成 NH₃ 工艺包括使用蒸汽甲烷重整（SMR）生产 H₂，其占全球年能耗的 1-2%，导致每年约 2.35 亿吨 CO₂ 排放，这些 CO₂ 排放中约 80%源自 H₂ 的生产（通过能源密集型 SMR 工艺与空气中的 N₂ 反应生成形成 NH₃）。由于作为 SMR 直接排放 CO₂，因此该工艺难以脱碳。传统的 Haber-Bosch 工艺已经沿用上百年，对环境造成了较大的影响；蓝氨工艺与灰氨基本相似，但会对工艺流程进行碳捕集与封存（CCS）。

绿色制氨（可再生氨）工艺主要指全程以可再生能源为动力开展的电解水

制氢及空气分离制氮再通过 Haber-Bosch 法制氨的过程，即通过绿氢制备绿氨。使用水电解制备 H₂ 为通过低碳电源进行水的电解，制备后仅产生 H₂ 和 O₂（即 H₂O→H₂+O₂），因此，用可再生能源驱动的水电解代替 SMR 工艺以获得用于 Haber-Bosch 工艺的绿色 H₂ 可以实现 NH₃ 合成的大量脱碳。此外，绿色 H₂ 的使用可以促进小规模、模块化的 NH₃ 合成，这也将更有利于可再生能源进行能源的整合并提高肥料的获取和分配平衡。

技术的发展现状及态势目前的绿色制氨工艺通过使用可再生能源发电来进行 Haber-Bosch 工艺改

进，其中主要使用几种不同类型的水电解器进行绿色氢气的合成。通过水电解产生绿色 H₂ 生产绿色 NH₃ 的流程如图Ⅱ-15-01 所示。

图Ⅱ-15-01 Haber-Bosch 改进工艺（水电解产生绿色 H₂生产绿色 NH₃）资料来源：Boreum Lee, et al. 2022.

图Ⅱ-15-01 中，（A）为不同水电解槽生产绿色 H₂：碱性水电解（AWE）、聚合物电解质膜水电解（PEM WE）和固体氧化物水电解（SOE），（B）为 N2 由空气分离装置生产，（C）为通过改进的 Haber-Bosch 工艺合成绿色 NH₃。其中绿色 NH₃ 生产能力通常为 10000 吨/日，太阳能光伏发电产生的可再生电力为绿色 NH₃ 合成工艺提供能源（即用于绿色 H2 生产的水电解槽、用于 N₂ 分离的空分装置和用于绿色 NH₃ 生产的 Haber-Bosch 工艺）如绿色虚线所示。

碱性水电解（AWE）、聚合物电解质膜水电解（PEM WE）和固体氧化物水电解（SOE）三种技术可根据电解槽中所使用的电解液进行区分，从技术成熟度情况来看，AWE 技术最为成熟，已经实现商业化，是目前用于绿色 H₂ 生产的最常用技术，主要源于其具有高技术准备水平（TRL）以及使用较便宜的催化剂降低了成本支出（CAPEX）；PEM WE 是商业规模上第二成熟的电解技术，其主要优点是使用固体聚合物电解质、高度致密、可利用间歇可再生电力进行灵活操作和高压操作；SOE 在高温下良好的热力学和动力学，因此具有较高的系统效率，因此有望实现大规模绿色 H₂ 生产。因此，以上三种类型的电解槽都可以用于绿色 NH₃ 生产，并且在未来可能具有经济和环境可持续发展的潜力。三种工艺的技术对比如表Ⅱ-15-01 所示。

表Ⅱ-15-01  碱性水电解（AWE）、聚合物电解质膜水电解（PEM WE）和固体氧化物电解水（SOE）生产绿色 H₂的技术指标对比