廖婧延,林世爵

(1.南方医科大学科研院,广东 广州 510515;2.广东省科学技术情报研究所,广东 广州 510033)

基础研究是整个科学体系的源头,是所有技术问题的总机关。近年来,世界主要科技强国(地区)竞相制定科技发展战略规划,加紧前瞻性、战略性和基础性重大科研布局,全球科技竞争不断向基础研究前移。本文通过梳理世界主要科技强国及地区在科技创新领域的相关法案、战略和计划,着重分析它们在基础前沿交叉、信息科学、材料科学等基础研究领域上的研发布局,并从资助格局、资助机制、经费投入等方面总结他们的先进做法和经验,从而为广东科学制定基础研究相关规划、加强基础研究布局提供有益借鉴。

1.1 美国

作为世界头号科技强国,美国在国家科技创新层面和几乎所有重大领域都出台了法案、战略规划或行动计划,多维度、多领域持续强化基础研究,全面引领全球科技创新发展。2009年、2011年、2015年,美国三次发布《美国创新战略》,从加大基础研究投入、布局前沿技术、投资建设科技基础设施、培育优秀科学家和工程师等方面加强基础与应用基础研究,确保美国在所有基础前沿领域保持领先优势。自2017年特朗普政府执政开始,美国的科技政策出现了一些新转变——高度重视新兴技术,并将中国视为战略竞争对手。尽管特朗普、拜登两任总统在应对新冠肺炎疫情、气候变化等重大议题上存在分歧,但在加强新兴技术研究、促进未来产业发展以及与中国展开战略竞争等方面,两届政府均保持了高度的一致性和延续性。如:2021年6月,美国参议院表决通过《美国创新与竞争法案》,将包括《无尽前沿法案》①2020年5月,美国民主党领袖舒默(Chuck Schumer)、共和党参议员托德·杨(Todd Young)等人发起《无尽前沿法案》,提出改组国家科学基金委员会(NSF)、授权商务部3项新任务和增加针对中国的限制条款。《2021战略竞争法案》《应对中国挑战法案》等在内的若干“制华法案”统统收编,成为一揽子的“法案集合体”。该法案不仅进一步强化了《无尽前沿法案》提出的“在科技领域赢取与中国的竞争”的目标,而且从科技领域扩展到了产业、贸易和外交等方面,特别是针对基础研究的领域和研究方向等进行了相关布局。如,该法案计划授权1 100亿美元用于为期5年的基础研究和高级应用研究:1 000亿美元投资用于人工智能、半导体、量子计算、先进通信、生物技术等新兴领域的基础研究、应用研究和商业化项目;100亿美元用于成立10个区域技术创新中心和实施供应链危机应对计划等。

在基础与前沿交叉领域,美国近年来陆续出台了多项战略规划,并将保持基础前沿领域在全球的全面领先地位作为科技政策的长期目标。如在数学与计算科学方面,2019年11月,美国白宫科技政策办公室发布《国家战略性计算计划(更新版):引领未来计算》,提出进一步开拓数字和非数字计算的新领域,开发、扩展和推进计算基础架构和生态系统,以支撑美国计算的未来[1]。在基础物理方面,美国能源部和国家自然科学基金委员会联合发布的《发现的大厦——以全球为背景的美国粒子物理学战略计划》,提出了粒子物理学的五大前沿课题:希格斯工厂、中微子实验、暗物质探索、暗能量和宇宙暴涨、新粒子与新相互作用。在前沿交叉方面,美国加强了对数学生物学、高能物理前沿研究、超快科学等交叉前沿领域的战略规划和项目部署[2]。美国国家自然科学基金委员会与西蒙斯基金会合作建设4个数学生物学中心,将数学思想、方法和工具引入生物学研究,用于揭示生命规律[2];美国能源部自2018年到2021年共资助10个项目推动超快科学发展,重点研究催化行为、化学反应中电子的运动和交换、量子效应等。

在信息科学领域,美国凭借互联网先发优势,聚焦数据科学、量子科学和人工智能等战略新兴领域加强研发布局,进一步巩固了其全球“领头羊”地位。在数据科学方面,美国2016年5月发布了“联邦大数据研发战略计划”,提出了许多重点优先发展的技术,如大型系统结构配置、高性能计算、分布式系统、语义识别、数据可信性验证、数据驱动决策等,旨在通过构建数据驱动战略体系,维持美国在数据科学领域的竞争力。在量子科学方面,2018年12月,时任美国总统特朗普签署《国家量子计划法案》,启动为期10年投入12亿美元的“国家量子计划”,以确保美国在量子信息科学及技术应用领域的领先地位[3];2020年7月,美国能源部公布了一项致力于打造量子互联网的计划,目标是10年内建成与现有互联网并行的第二互联网——量子互联网[4]。在人工智能方面,2019年2月,特朗普正式启动“美国人工智能计划”,寻求通过打破人工智能创新面临的障碍,推动人工智能技术的突破;同年6月,美国白宫科技政策办公室人工智能特别委员会发布《2019年国家人工智能研发战略规划》,提出对人工智能前沿研究进行长期投资、开发有效的人机协作方法、通过标准和基准评估人工智能技术等8项战略目标。

在生命科学与人口健康领域,美国重点聚焦当前人类高度关切的重大疾病,在脑科学、精准医学、癌症诊疗等前沿方向布局了若干重大科技规划或计划,如:2013年启动的“脑科学计划”,旨在通过创新型技术的开发以及应用,更好地理解大脑的功能特征,帮助人类攻克阿尔兹海默综合症、帕金森综合症以及其他大脑顽疾[5];2015年启动的“精准医学计划”,旨在推动个体化基因组学研究,为多种疾病的个性化治疗提供有价值的信息依据;2016年启动的“国家微生物组计划”,旨在通过对不同生态系统的微生物组开展比较研究,推动微生物组研究成果在健康保健、食品生产及环境修复等领域的应用[1]。此外,美国还启动了“国家阿尔茨海默病计划”“癌症登月计划”等生命健康领域重大科研计划。

在低碳能源领域,美国前任总统特朗普在就任伊始即宣布退出《巴黎气候协定》,启动“美国优先能源计划”,重点发展石油、天然气、煤炭、核电等传统能源产业,并将能源作为重要的国家战略资源[6]。而现任总统拜登则在竞选时就主张美国计划在2050年实现碳中和,支持清洁能源研究开发和商业化,确保美国清洁能源技术全球领先[7]。在2021年4月公布的首个2022财年年度预算提案大纲中,拜登政府计划拨出140亿美元用于应对气候变化,尤其是加大对低碳新能源领域基础与应用基础研究的投资。

在材料科学领域,历届美国政府都将新材料发展置于国家战略高度,通过实施“国家制造业创新网络战略规划”“材料基因组计划”等,逐年加大投入力度,在纳米材料、超导材料和量子材料等战略性前沿材料领域取得了重要突破[8]。2019年2月,美国国家科学院、工程院和医学院发布第三次材料研究10年调查报告——《材料研究前沿:十年调查》,报告总结了过去10年美国材料研究领域的进展和成就,并针对金属、半导体、量子材料等九大材料领域提出了未来10年的发展机遇和研究方向[9]。

1.2 欧盟及其成员国

为加强欧盟各成员国间科技创新的统筹与协调,促进研发合作与共享,提高欧洲的创新能力和竞争力,实现欧洲经济社会全面发展,2014年1月,欧盟启动实施全新的研发框架计划——“地平线2020”[10]。“地平线2020”提出三大战略目标:打造卓越科学、成为全球工业领袖和成功应对社会挑战。其中,“打造卓越科学”主要聚焦基础科学研究,包括欧洲研究委员会(European Research Council,ERC)资助的前沿研究、未来新兴技术计划(Future and Emerging Technologies,FET)、玛丽•居里计划和基础研究设施建设4个计划,经费预算为 244.41亿欧元,占“地平线 2020”总经费(770.28亿欧元)的31.73%。2020年12月,在“地平线2020”实施期结束前夕,欧洲议会和欧盟理事会正式批准了“地平线欧洲”研发框架计划。作为“地平线2020”的继承与发展,“地平线欧洲”继续聚焦三大使命:基础研究、创新欧洲、应对全球挑战和提高欧洲工业全球竞争力。除欧盟研发框架计划外,德国、法国、瑞典等欧盟内多个成员国近几年也针对基础研究出台了国家层面的科技创新计划,为巩固和保持欧盟在基础前沿领域的领先地位提供了有力保障,如德国出台的高技术战略计划——“工业4.0”,法国提出的“未来工业”战略,以及瑞典发布的《瑞典创新战略》等。

在基础前沿交叉科技领域,除了依托欧洲研究理事会部署前沿交叉研究项目外,欧盟还有多个科学组织发布了战略规划或技术路线,对基础前沿交叉领域的发展进行了顶层设计和研发布局。如在基础物理方面,2017年11月,欧洲天体粒子物理联盟发布了《欧洲天体粒子物理战略2017-2026》,提出了未来10年在高能伽马射线、高能中微子、高能字宙射线、引力波、暗物质、天体粒子理论等13个方面要实现的科学目标[1];同年11月,欧洲核物理合作委员会发布了《2017欧洲核物理长期计划》,确定了欧洲要重点研究的核物理分支领城,包括强子物理学、强相互作用物质相、核结构与动力学、核天体物理学等。在化学及其交叉领域方面,2016年7月,欧洲催化研究集群发布了《欧洲催化科学与技术路线图》,揭示了催化发展面临的三大挑战,并提出未来10～20年优先研究的领域和目标;2018年5月,欧盟宣布启动“电池战略行动计划”,并设立一个大型的电池研发长期计划;2020年年初,欧盟“电池2030+”计划工作组发布电池研发路线图第二版,提出未来10年欧盟将重点围绕材料开发、电池界面/相间研究、先进传感器、自修复功能4个主要研究领域,以及制造和回收利用两个交叉研究领域开展新概念技术研发活动[11]。

在信息科学领域,“地平线2020”中的未来新兴技术计划主要通过设立开放项目、先导项目和旗舰项目,资助信息与通信领域的基础性、长期性、高风险和跨学科基础研究[12]。在新一代信息技术方面,2016年4月,欧盟推出“欧洲云计划”,计划在未来5年重点打造欧洲“开放科学云”和欧洲数据基础设施,稳固欧洲在数据驱动型经济中的领先地位;2017年3月,法国、德国、意大利、卢森堡、荷兰、葡萄牙和西班牙7个欧盟成员国正式签署启动“世界级高性能计算(European High Performance Computing,EuroHPC)”项目,旨在开发和部署欧盟自己的百亿亿次(即浮点计算速度为每秒100亿亿次)计算机。在量子科学方面,欧盟于2016年3月发布《量子宣言(草案)》,并于2018年10月公布了为期10年、总投资10亿欧元的“量子技术旗舰计划”,涵盖量子网络、量子计算机、原子钟和安全通信等领域[2];德国政府于2019年5月宣布将拨款6.5亿欧元开展大型量子通信研究项目,以强化德国在量子通信技术领域的自主性[4]。在人工智能方面,2018年4月,欧盟发布《欧盟人工智能》报告,提出制定实施欧盟“人工智能行动计划”,并指出欧盟需要增加人工智能领域投入,以加强基础研究、升级科研设施、实现科学突破和促进落地应用;同年11月,德国政府启动实施“人工智能国家战略”,计划到2025年总投入30亿欧元[1],打造人工智能德国制造品牌,推动德国人工智能研发和应用达到全球领先水平。

在生命科学与人口健康领域,作为“地平线2020”未来新兴技术计划旗舰项目之一的“人脑计划”,吸引了来自欧盟及全球各地的130家脑神经科学、生命科学、临床医学、计算科学和机器人技术等领域的科研机构,共同围绕人脑诊断和治疗、人脑接口和人脑控制机器人、类脑高效节能超级计算机等开展研究攻关[12],项目总经费10亿欧元,计划在10年内取得世界领先的科技成就。

在低碳能源领域,欧盟制定了综合性能源科技发展战略《欧洲战略能源技术规划》(SET-Plan),成立了由250多家公共科研机构和高校组成的欧洲最大的低碳能源研究非营利性国际协会——欧洲能源研究联盟,从科学技术层面推动欧盟能源与气候目标的实现。截至2021年年底,欧洲能源研究联盟共开展了包括《生物能源战略研究与创新议程》《能源数字化战略研究与创新议程》《氢能与燃料电池联合研究计划实施规划》等在内的17个低碳能源领域的联合研究计划,为欧盟保持在低碳能源领域的领先地位提供了有力支撑。此外,2019年2月,欧盟委员会还设立了创新基金,计划在2020-2030年间投入超100亿欧元,支持能源、建筑、运输、工业和农业等部门的低碳清洁技术研发创新[1]。

在材料科学领域,“地平线2020”未来新兴技术计划旗舰项目“石墨烯”吸引了超过100个研究团队(包括4个诺贝尔获得者团队)共同参加,提出了化学传感器/生物传感器与生物界面、面向复合材料和能源应用的功能材料、石墨烯及其相关材料等13个重点研究方向。2018年,欧盟委员会为其第九框架计划确定新的六大关键使能技术,其中先进材料和纳米技术位列其中。2019年8月,“地平线2020”计划资助建立纳米光子学、先进材料和新型晶体生长技术3个材料领域的卓越中心,总预算达15亿欧元[2]。

1.3 日本

日本在20世纪80年代就确立了科技立国战略,并将其视为立国之本。为贯彻落实这一基本国策,日本内阁截至2021年年底制定实施了6个为期5年的《科学技术基本计划》,其中在第2个基本计划(2001～2005年)中提出要在50年内获得30个诺贝尔奖的大胆构想,即著名的“诺贝尔奖计划”。作为国际重大科学奖项,诺贝尔奖是一个国家基础研究水平的集中体现。截至2019年年底,已有26名日本人获得了诺贝尔奖(包括2名美籍日裔诺贝尔奖获得者),日本成为了除欧美诸国外获奖人数最多的国家。近年来,为了进一步巩固科技创新基础,日本政府聚焦世界科技前沿与热点方向积极部署战略规划,努力推动开展独创性、多样性、颠覆性的基础前沿研究。

在基础前沿交叉科技领域,为加强战略性基础研究,日本科学技术振兴机构(Japan Science&Technology Corportion,JST)成立了战略性基础研究部,并在战略性创造研究推进事业中专门设立了“创造新技术萌芽”资助计划,有计划地推进基础研究和尖端研究开发。2016年1月,日本发布《第五期科学技术基本计划(2016-2020)》,提出进一步强化战略性基础研究,加强跨学科和跨领域的研究。同年4月,日本内阁府与JST联合提出包含高分子材料、集成电路、量子网络等16个前沿领域的综合性科技创新计划——“日本颠覆性技术创新计划(ImPACT)”[13]。2019年3月,日本正式确立“登月型研究开发计划”,旨在推动更为大胆的挑战性研发,促进产出更多颠覆性创新成果[11]。

在信息科学领城,日本抢抓信息科技发展机遇,在新一代信息技术、人工智能、量子科学等领域出台了一系列战略规划,明确了未来的研究方向。在新一代信息技术方面,2021年3月,日本内阁会议审议通过的第6期科技基本计划——《科学技术创新基本计划(2021-2025年)》,提出要通过网络空间与物理空间的融合,营造任何人都能进行跨领域数据合作的环境,具体措施包括政府数字化、设立数字厅、制定数据战略、研发超算/半导体/超越5G等下一代信息技术等。在人工智能方面,2019年6月,日本政府出台《人工智能战略2019》,重点关注人工智能基础与应用基础研究项目、产业技术研究项目以及利用多元化创意开发新技术和开拓新领域的创新型研究项目,以引领人工智能技术研发和产业发展[14]。在量子科学方面,2019年,日本政府发布《量子技术创新战略中期报告》,提出量子计算机与量子模拟、量子传感与计量、量子通信与密码、量子材料等4个领域的基础科学问题[11,13];同年12月,美国和日本签署了《东京量子合作声明》,提出将在量子计算、量子网络和量子探测等方面持续合作,共同促进研究方法、基础设施和数据的共享。

在低碳能源领域,作为资源、能源相对匮乏的国家,日本从1992年起陆续制定颁布了一系列节能减排政策法规和科技规划,特别是在经历福岛核事故之后,日本大幅调整了能源科技发展重点。2016年日本相继公布两份能源相关的战略规划,其中,面向2030年产业变革的《能源革新战略》,提出将资助28万亿日元用于节能、可再生能源的科学技术研究,以改革日本能源生产和消费结构;面向2050年技术前沿的《能源环境技术创新战略》,旨在通过技术创新保证颠覆性能源技术广泛普及,实现到2050年温室气体排放减半和构建新型能源系统的目标。2021年2月,日本经济产业省发布《绿色增长战略》,提出到2050年实现碳中和目标,构建“零碳社会”,并针对海上风电、氨燃料、氢能等14个领域制定了绿色增长实施计划和路线图。

在材料科学领域,日本在第4期《科学技术基本计划》(2011-2015年)中就已经确立了材料科学在国家发展战略中的重要地位,先后启动了“元素战略研究基地(2012年)”“信息统合型物质材料开发(2015年)”等计划。2018年6月,日本文部科学省发布《纳米技术和材料科学技术研发战略》,提出战略性和可持续发展的研究领域包括:有助于元素和物质的循环以及新性能开发的下一代元素、生物材料、能源转换/存储/高效利用的创新材料、结构材料以及可用于革新机器人的材料等[2]。

美国、欧盟、日本等世界主要科技强国(地区)对基础研究的资助格局和机制体现了他们对当代基础研究特点、规律和趋势的新认识,其有关理念和实践经验对处于“两个前沿”的广东把握世界科技前沿态势,加强基础研究领域布局,推动基础研究高质量发展具有重要借鉴意义。

2.1 平衡把握基础研究与应用研究的关系

随着科技的发展,科学与技术之间的界限日益模糊,科学、技术、工程、经济、社会加速渗透融合,基础研究的发展已不只由好奇心驱动,应用需求的牵引也十分重要且越来越明显。社会需求与基础研究的密切互动已成为国际科学界的共识。如欧盟FET计划既资助自由探索研究,也资助战略导向型研究,ERC更开创性地资助“概念验证项目”[12,15],正是基础研究与应用研究非线性互动的体现。当前广东科技产业面临的“卡脖子”问题,往往是来自技术瓶颈背后核心科学问题的制约,因此,广东在制订基础研究发展规划时应注意平衡基础研究与应用研究的非线性互动关系,科学设置基础与应用基础研究的专项布局。

2.2 把握趋势强化前沿交叉研究

进入新世纪以来,不同学科领域间的交叉、渗透、融合的趋势日益增强,量子科学、人工智能、纳米科技、类脑研究、合成生物等一批前沿交叉学科正在迅猛发展,并不断催化新的学科分支,带来新的前沿突破,基础研究已呈现新的发展态势,科研范式发生深刻变革,只有有组织地开展前沿交叉研究,才能够在科技革命中赢得先机。美国近年发布的《联邦政府研发预算优先领域备忘录》提出支持大胆的思路和潜在的变革性研究,欧盟FET计划重点支持交叉学科研究,日本“登月型研究开发计划”旨在推动更为大胆的挑战型研发,都是打破学科壁垒、推动学科交叉、开拓科学前沿的有益探索。

2.3 注重发挥战略科技力量的引领作用

在美国,能源部下属的阿贡国家实验室、橡树岭国家实验室、SLAC国家加速器实验室(Stanford Linear Accelerator Center,SLAC)等17家国家实验室都是材料、能源领域基础科学研究的主力军,为美国独步能源科技领域立下了汗马功劳。国家实验室、省实验室、大科学装置、高水平创新研究院等战略科技力量作为广东孕育突破性、颠覆性创新成果的重要载体,应发挥引领作用,以解决重大科学问题为导向,聚焦国家发展战略以及广东产业和前沿科技发展需求,牵头组织全国优势科技力量开展长周期、跨学科、大协同基础与应用基础研究,突破制约产业和前沿技术发展的重大科学问题。

2.4 保持与经济规模相适的基础研究投入力度

目前,世界上主要科技强国的基础研究经费占研发经费的比例普遍维持在15%～20%之间,如美国的研发投入中,基础研究投入约占17%,日本的这一比例约为13.7%,欧盟“2020地平线”计划中明确以支持基础研究为使命的2个资助计划,即ERC资助的前沿研究和FET计划经费占总经费的15.2%[16]。而我国基础研究经费占全社会研发经费比例,近10年基本上维持在5%左右,2020年达到6%,虽然已取得明显进步,但与主要科技强国(地区)相比,仍存在着巨大差距。2019年,广东基础研究投入为141.86亿元,占R&D比重为4.58%,远低于北京、上海等城市,这与广东作为中国第一经济强省的地位严重不符[17]。广东应根据地区经济发展总体形势,逐步加大对基础研究的投入力度,形成与自身经济规模相适的、稳步提升的投入机制。

2.5 注重兼顾竞争资助与稳定支持

当前各国资助基础研究普遍通过同行评议的方式择优遴选项目,然而过度竞争容易导致急功近利、学风浮躁等负面结果,不利于科研人员集中精力开展长周期、高风险的变革性基础研究。主要科技强国(地区)在确保科学家之间公平竞争的同时,积极探索长期稳定支持的机制,如欧盟研究理事会的资助项目一般周期为5年,具有商业化潜力的项目还可获得ERC概念验证基金的延续资助;FET计划更是以10亿欧元的高强度进行10年的长周期稳定支持[12]。广东在资助强度与资助方式上可借鉴科技强国(地区)有关资助方式,可有针对性地加强资助强度,对考核情况良好的项目实行滚动资助或延续资助,通过稳定支持模式,进一步推动重要战略领域的变革性研究。

2.6 注重加强对人的支持

无论哪个具体学科的前沿基础研究,都是对未知领域的探索,整个科研活动存在非常强的不确定性,因此需要建立“支持人而非项目”的基础研究资助理念和机制,以长期而稳定的支持来激励和培育科学家超越功利考虑,资助科学家自主选择研究方向,“十年磨一剑”。当前,在世界科学界卓有声望的美国霍华德·休斯医学院、德国洪堡基金会均以“支持人而非项目”的资助理念而闻名,霍华德·休斯医学院已成为世界性推进基础生物医学研究和科学教育的重镇,洪堡基金会则除了取得卓越的科研成果之外,还构建了来自全球自然科学、生命科学、工程科学等领域青年科学家组成的顶尖科研人才网络。此外,日本学术振兴会“特别研究员计划”对杰出青年科研人员的支持力度以及科研网络的打造,也是值得我们学习借鉴的经验。

基础研究是建设科技强国的基石,世界主要科技强国(地区)高度重视基础研究战略部署,为加强超前部署和集中优势力量推进基础研究和重大原创性成果突破,出台了一系列重大发展战略、科技计划。当前,广东省科技创新正处于从跟跑为主转向跟跑、并跑和领跑并存的新阶段,必须瞄准世界科技革命和产业变革的发展趋势以及支撑国家建设世界科技强国的战略需求,聚焦解决广东产业技术源头供给问题,加强基础研究顶层设计和前瞻布局,加快编制实施基础与应用基础研究10年行动计划,以“十年磨一剑”的决心和韧劲推动在重大科学问题和前沿科技领域实现重大突破,增强源头创新供给能力,为广东建设科技创新强省和推动粤港澳大湾区国际科技创新中心建设提供基础支撑。

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