建议收藏！2024年世界科技进展100项 | 智能、信息与通信；生态能源、交通与建设工程

2024年，全球科技创新持续提速，多个关键领域实现突破性进展，标志着新一轮科技革命和产业变革持续深化。本文梳理了全球范围内具有代表性的100项科技成果，涵盖“生命科学、生物学”、“深空、深海、深地”、“物质、材料与化学”、“智能、信息与通信”以及“生态能源、交通与建设工程”等五大领域，我们将分三篇推文介绍这些成果。它们体现了当前世界科技发展融合化、前沿化、加速化的趋势，正加快推动人类社会迈向更加智能、高效与可持续的未来。

四、智能、信息与通信

（一）芯片

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全球首款基于原语的类脑互补视觉芯片——“天眸芯”

中国科学家研发出全球首款“原语表示”类脑视觉芯片，模仿人眼处理机制，将视觉信息拆解为基本图形单元，并通过认知与运动双通路并行处理，实现每秒万帧的高速高动态视觉感知。该芯片动态范围达130dB，带宽消耗降低90%，可高效应对复杂环境下的视觉识别任务。其配套软硬件系统已在自动驾驶等场景中表现出色。该成果突破传统图像传感器的感知极限，为人工智能与类脑计算技术的发展提供新路径。该研究成果入选两院院士评选的“2024年中国十大科技进展新闻”、科技导报2024年中国重大科学、技术和工程进展。

世界首款基于原语的类脑互补视觉芯片。来源：清华大学类脑计算研究中心

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全球首个Pb级超大容量光盘存储器问世

中国科学家首次研制出Pb级超大容量光盘存储器，采用创新的三维超分辨存储结构与双光束调控染料写入技术，突破了光学衍射极限，单张光盘实现百层数据记录与高达8000张普通光盘的等效容量。该材料寿命超40年，具备长期稳定保存能力。这一成果显著提升了我国在信息存储领域的核心技术水平，未来可用于海量数据长期归档、图像安全存储和国家战略信息保存等关键场景。该研究成果入选两院院士评选的“2024年中国十大科技进展新闻”、科技导报2024年中国重大科学、技术和工程进展。

全球首个Pb级超大容量光盘存储器示意图。来源：上海光机所、上海理工大学

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谷歌Willow量子芯片实现“低于阈值”计算，跨越精度里程碑

美国谷歌公司开发的Willow量子芯片首次实现“低于阈值”量子计算精度，标志着实用量子计算向前迈出关键一步。该芯片包含105个物理量子比特，具备出色的纠错能力，能在数分钟内完成经典超级计算机需数千年才能完成的任务。这一突破验证了量子误差修正机制在中等规模系统中的可行性，为构建实用化量子计算平台奠定了基础，未来有望推动材料设计、密码破解与复杂模拟等前沿领域发展。该研究入选《物理世界》评选的2024年度物理学十大突破、两院院士评选的“2024年世界十大科技进展新闻”、科技日报社评选的“2024年国际十大科技新闻”。

谷歌新量子芯片。图片来源于谷歌

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可开源“片上脑”系统，实现类脑控制机器人交互

中国科学家构建了开源类脑交互系统“片上脑”，将三维培养的脑类器官与电极芯片耦合，实现类脑智能控制机器人完成避障、抓取等任务。系统具备神经信号输入、处理与反馈能力，是脑机接口从人脑实验走向体外独立交互的重要进展。研究还结合人工智能算法与物理刺激，验证了超声促进脑器官智能行为表达的机制。该系统有望用于自适应神经康复、混合智能芯片与生物智能研究平台的开发。该研究入选中央广播电视总台发布的 2024 年度国内十大科技新闻。

来源：新华网/研究团队提供

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“太极-Ⅱ”光芯片首次实现大规模光训练

中国研究人员研制出新一代光计算芯片“太极-Ⅱ”，首次实现无需反向传播的原位光训练机制。该芯片构建前向对称光神经网络，摆脱传统AI训练对GPU和建模一致性的依赖，极大提升了计算能效与扩展能力。在大模型训练、智能成像与光子系统等任务中表现出卓越性能。该成果标志着光计算迈入自主高效训练新时代，为构建新一代通用智能系统提供核心技术支撑。该研究入选人民日报2024年度“中国科学十大进展”、科技导报2024年中国重大科学、技术和工程进展。

图片来源：国家自然科学基金委员会网站

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自带“开关”的半导体石墨烯问世

科学家实现两项石墨烯突破。一是通过外延生长方式赋予石墨烯带隙，兼具导电性与热导性，使其具备用作晶体管材料的潜力。另一项技术则结合电子与质子通道，构建同时具备逻辑运算与数据存储功能的石墨烯器件，成功集成“计算+存储”于同一结构中。该类材料有望显著降低芯片功耗，提升算力效率，为新一代高性能集成电路和可重构器件提供新路径。该研究入选《物理世界》评选的2024年度物理学十大突破。

芯片上的表层石墨烯。图片来源：佐治亚理工学院

（二）人工智能

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Sora文本-视频模型，震撼全球创意领域

2024年，OpenAI推出Sora系统，可根据文本生成物理一致性极强、极具真实感的视频。该系统通过高效训练的多模态模型，具备模拟复杂现实场景的能力，被称为“数据驱动的物理引擎”。其发布引发影视、教育、广告等产业革新，同时也带来关于深度伪造、信息操控等伦理问题的讨论。Sora代表人工智能在内容生成领域的重要里程碑，正引导技术与监管协同发展的新阶段。该研究成果入选科技日报社评选的“2024年国际十大科技新闻”、中央广播电视总台发布的2024年度国际十大科技新闻。

由Sora生成的视频截图。图片来源：OpenAI

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世界最大神经形态计算机Hala Point研制成功，模拟人脑高效运行

美国科学家开发出迄今规模最大的神经形态计算系统Hala Point，包含1152颗类脑芯片，可模拟11.52亿个神经元并完成高频突触操作。该系统模拟人脑局部计算与并行联动机制，实现远超传统芯片的能效比。其在图神经网络、优化计算、智能控制等方面表现优越。Hala Point展示了类脑结构在低功耗AI系统中的核心价值，预示着智能计算正迈向仿生化、高效化的新阶段。该研究成果入选科技日报社评选的“2024年国际十大科技新闻”。

Hala Point神经形态计算机由英特尔的Loihi 2芯片提供动力。图片来源：英特尔公司

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AI预报进入新时代：GenCast 8分钟精准预测全球15天气象

美国研究团队发布AI天气模型GenCast，可在8分钟内完成全球15天高分辨率天气预测。该模型采用条件扩散结构，生成涵盖80余种变量的概率性气象图，对温度、风速、气压、热带气旋等要素预测精度超过主流数值模式，准确性指标达97%以上。GenCast代表天气预报从物理模拟向数据驱动智能演进的重要转型，未来将在灾害预警、能源调度、农业规划等领域发挥重要作用。该研究主要人员入选2024《自然》十大人物。

图片来源：Nature

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Q系列人形机器人亮相，具备多场景适应与类脑智能能力

中国科学家推出Q系列人形机器人，突破高爆发力一体化关节、类脑控制系统和机器人大模型关键技术。该系列支持模块化设计与柔顺控制，具备复杂地形适应、自主导航、动态平衡等多种能力。样机包括Q1仿生机器人和Q2多地形机器人，已在航天、制造等领域验证应用性能。该成果标志着中国在人形机器人核心部件和系统集成技术上迈出重要步伐，为智能装备产业注入新动能。该研究入选中央广播电视总台发布的 2024 年度国内十大科技新闻。

图为演示人员演示多机器人协作。来源：中国科学院自动化研究所

（三）信息与通信

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新一代气象超算系统建成，全面提升预报与智能应用能力

中国新一代气象超级计算系统正式投入运行，总算力达60PFlops，比前代提升超6倍。系统配备先进液冷散热、高速互联与海量存储能力，可大幅提升数值模式的分辨率与模拟效率。该平台将全面服务于中长期天气预报、极端事件监测和智能气象服务，显著增强我国在全球气象预测和应急响应中的算力保障与技术竞争力。该研究入选中央广播电视总台发布的 2024 年度国内十大科技新闻。

新一代气象超算系统。图片来源：CCTV+/视觉中国

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等离子体调制器突破太空通信瓶颈，助力全球高速网络连接

研究人员利用等离子体调制器实现53公里自由空间链路下424 Gbit/s的数据传输，实验峰值可达1.4 Tbit/s，远超传统射频通信速率。该技术具备高带宽、低延迟、抗干扰等优点，特别适合空间站、卫星链路及偏远地区网络覆盖。未来有望成为紧急通信或太空互联网的关键支撑，推动全球高速连接向光通信体系升级。

图片来源：SciTechDaily.com

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新型防伪标签：用“胶水指纹”识别真伪

美国科学家开发出基于太赫兹波的微型防伪标签，识别背面胶水中金属微粒的随机分布图案，准确率超99%。该标签仅4平方毫米，无法复用或仿制，适用于医疗器械、电子产品等高价值物品。结合AI图像识别算法，可实现快速认证与批量检测。此项成果展现了太赫兹技术在身份识别与供应链防伪中的广阔应用前景。该研究入选2024年MIT最具影响力的十大研究。

图片来源：mit.edu

五、生态能源、交通与建设工程

（一）生态与能源

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全球首份土壤病毒图谱发布，揭示土壤病毒生态研究新前沿

国际团队发布全球首份土壤病毒图谱，整合近3000份样本，识别超过61万个新病毒基因组，揭示其在碳循环与微生物调控中的关键作用。95%以上的功能仍未知，表明土壤病毒群落远未被认知。该图谱为研究病毒与生态系统互动提供基础资源，将助力气候变化响应、土壤健康评估与病原传播控制等前沿研究。该研究入选中央广播电视总台发布的2024年度国际十大科技新闻。

来源：施普林格·自然研究社区

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RNA杀虫剂进入农田应用，开启精准农业新路径

2024年，美国批准首款RNA喷洒型杀虫剂Calantha正式应用于农田防控。这一RNA干扰制剂可精准靶向特定害虫基因表达，诱导其幼虫快速死亡，对非靶标生物友好且更环保。该药剂专为抗药性强的马铃薯叶甲设计，为农业病虫害防控提供新模式。未来，RNA杀虫剂有望拓展至其他害虫种群，但仍面临稳定性与抗性演化挑战，有待配套纳米载体与管理策略提升其持续效果。该研究成果入选2024 Science年度十大科学突破。

与目前的商业杀虫剂不同，基于RNA干扰的杀虫剂针对特定的害虫。来源：Edwin Remsberg/VWPics via AP Images

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锕系“核电池”将核废料变能源，能效提升8000倍

中国科学家开发出新型基于锕系核素的光伏微型核电池，能将高放射性废料转化为稳定电能。通过嵌入稀土发光聚合物并与钙钛矿光伏层结合，实现0.889%的整体能量转化效率，是当前同类设备的数倍。电池在连续运行中表现出优异稳定性，为可穿戴设备、航天探测和核废物资源化提供新方案，并拓展了微能量系统的新应用领域。该研究入选人民日报2024年度“中国科学十大进展”。

新型锕系微型核电池的结构设计理念示意图。来源：苏州大学新闻网

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利用氢等离子体从赤泥中提取高纯铁，推动绿色冶金

欧洲科学家开发出以氢等离子体还原赤泥中氧化铁的新方法，仅数分钟内即可生成纯度超95%的液态铁。该工艺几乎不含有害元素，适用于炼钢，同时消纳工业固废赤泥，有望解决年产1.8亿吨赤泥的环境难题。结合可再生能源和绿氢，该技术展现了钢铁冶炼向低碳转型的可行路径，对金属循环利用与绿色制造具有重要意义。

图片来源：Nature

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森林生物多样性对轻度砍伐也高度敏感

2024年，学者在《自然》发文表示即使是生物量减少低于30%的“轻度砍伐”森林，其物种结构和生态功能也会显著改变。当砍伐强度超过68%，关键物种几乎消失，生态网络迅速瓦解。该发现揭示热带森林对干扰的高度脆弱性，提示传统“有限砍伐”不足以维系生态平衡，需加强采伐管理与生态修复，以防止生态系统陷入不可逆退化。

马来西亚沙巴的伐木活动。图片来源：Zoe G.Davies

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二氧化碳主导了地球近5亿年的气候变迁，新研究揭示深层时间气候演化图谱

美国科学家重建了过去4.85亿年地球平均气温变化曲线，整合15万个古气候记录与模型模拟，发现地球极端变暖事件均与CO₂浓度上升高度相关。研究表明，当前人为排放引发的升温速度超过多数地质时期的剧变，对生物多样性与海平面稳定构成严重威胁。该成果为理解未来气候演化趋势提供重要参照，强调减排CO₂的紧迫性。

过去4.85亿年间的全球平均地表温度变化。图片来源：Science

（二）交通与建设工程

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中国首艘大洋钻探船“梦想”号正式入列

2024年，中国首艘自主设计建造的大洋钻探船“梦想”号正式列装。该船最大钻深可达11000米，具备全球领先的钻探深度、智能化水平与综合实验能力。其可承担深海科学钻探、油气资源勘探、天然气水合物试采等任务，为中国探索地球深部资源、建设海洋强国提供关键支撑，标志我国在深海科考装备领域实现重大突破。该研究成果入选两院院士评选的“2024年中国十大科技进展新闻”、中央广播电视总台发布的 2024 年度国内十大科技新闻、科技导报2024年中国重大科学、技术和工程进展。

我国首艘大洋钻探船“梦想”号。来源：广州海洋地质调查局

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超级工程深中通道正式通车，打造粤港澳大湾区“半小时交通圈”

历时七年建设的深中通道于2024年6月正式通车，全长24公里，集桥、岛、隧、水下互通于一体，是全球首个此类跨海集群工程。该项目使深圳至中山通行时间缩短至30分钟，自主创新技术成果超200项。深中通道打通粤港澳城市群交通主动脉，展示了中国在超大型基础设施建设中的领先技术实力和工程管理能力。该研究入选中央广播电视总台发布的 2024 年度国内十大科技新闻、科技导报2024年中国重大科学、技术和工程进展。

来源：新华网

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中国南极“秦岭站”正式启用，填补太平洋扇区考察空白

2024年，中国第五个南极考察站“秦岭站”在罗斯海地区建成启用，具备常年越冬能力。该站填补了在南极太平洋扇区的长期考察空白，具备开展极地生态、海洋观测和冰架研究等多项任务能力。“秦岭站”将显著提升中国极地科研与国际合作水平，助力全球气候变化与极地环境系统性研究。该研究入选科技导报2024年中国重大科学、技术和工程进展。

2月7日的中国南极秦岭站。图片来源：新华社

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全球最大吨位海上浮式生产储油船在江苏启东交付，刷新多项纪录

2024年，全球最大吨位海上浮式生产储油船（FPSO）在江苏启东交付，长335米，储油能力达140万桶，日处理18万桶原油和1200万立方米天然气。该船将用于巴西深水油田开发，是“海上移动炼油厂”的典型代表，标志中国在超大型海洋工程装备领域已跻身世界前列，并具备服务全球能源市场的能力。该研究入选科技导报2024年中国重大科学、技术和工程进展。

图片来源：cctv.com

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世界最长高速公路隧道穿越天山

2024年12月，天山胜利隧道全线贯通，全长22.13公里，是世界最长的高速公路隧道。隧道位于新疆乌尉高速公路关键段，贯穿高寒、高埋深地质带。建成后，穿越天山仅需20分钟，显著缩短南北疆通行时间，提高区域交通效率。该工程体现了我国在复杂地质条件下隧道施工与绿色建造方面的重大能力提升。该研究入选科技导报2024年中国重大科学、技术和工程进展。

图片来源：cctv.com

本文图片全部来源于网络。李万，上海科学院研究员。钟恒、邹芸，上海科学院副研究员。文章观点不代表主办机构立场。

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