2021十大前沿科技报告2021量子位智库出品QbitAI InsightsQbitAI Annual FrontierTechnology Report 量子位2021十大前沿科技报告前 言一个崭新的技术创新周期，所有人都正在经历和感知。这种技术创新，可以从宏观层面概括：人工智能、量子计算、区块链、生物计算、航空航天、新材料、新能源�这种技术创新，也可能从产业领域感知：汽车、制造、通信、金融、制药、电池�这种技术创新，还可能以国家计划、学术成果和企业战略体现。毫无疑问，种种现象放在一起，都在表明这是时代级的变革，也是我们每个人面临的机遇。从宏观规划、产学研转换、创业投资，再到个人日常生活，如果能更加准确、体系化地对前沿科技趋势有认知，无疑能够在时代级变革和机遇中，更好完成定位、抓住机遇、把握未来。正是出于这样的原因，也为了让新技术新变革引发更多人重视，从2021年开始，量子位智库决定启动年度技术趋势总结和展望计划。我们邀请了50家在前沿科技领域深耕的研究院、投资机构及各领域优秀创业公司，在综合了技术成熟度、潜在价值、关键瓶颈及产业接受程度等因素后，筛选了2020-2021年间最具有发展潜力的10项前沿科技。相信这10项前沿科技趋势，会是你把握时代技术变革、硬科技变革的最佳参考。在此感谢深度参与此份报告的科技产业伙伴，按照首字母排名，优秀初创公司将在正文呈现。在梳理总结了近年的核心科技发展后，我们愈加能够感受到，我们正在进入科技爆发的历史性时期。新兴前沿技术相互交叉融合，加速落地，我们可以期待不久的将来，我们的衣食住行、乃至于我们本身，都会发生巨大的变化。而这些，离不开相关的科研成果、科技企业的成功孵化成长、乃至于人才、资金等各类资源的合理分配。作为在早期就开始关注AI领域的专业科技媒体，量子位将继续发挥自身在学术、产业、投资、爱好者等领域间的连接作用，成为这次科技浪潮中的早期推动者与见证者，与各前沿领域等共同成长。作为量子位下属科技创新产业链接平台，量子位智库致力于提供前沿科技和技术创新领域产学研体系化研究。我们将通过媒体、社群和线下活动，帮助创新者更多展示成果，决策者更早掌握创新风向。期待与更多的科研人员、初创公司、学术爱好者等共同携手，融会贯通、共同见证科技创新浪潮。 量子位2021十大前沿科技报告目 录前 言Part 1 生命科学02 CRISPR助力基因编辑更加可控可靠04 计算生物学开启生命科学的数据驱动范式06 侵入式脑机接口落地瘫痪等高难医疗场景08 AI制药有望突破药物研发的创新瓶颈Part 2 AI革新12 大规模预训练模型预示通用智能15 新型AI芯片引领后摩尔时代Part 3 虚实相生20 AIGC领域出现综合性虚拟人23 XR打造第二世界催熟元宇宙Part 4 新型储能26 固态等新型电池提升储能上限Part 5 量子计算28 量子计算变革经典计算范式其他提名技术结语 Part 1 生命科学CRISPR助力基因编辑更加可控可靠计算生物学开启生命科学的数据驱动范式侵入式脑机接口落地瘫痪等高难医疗场景AI 制药有望突破药物研发的创新瓶颈量子位2021十大前沿科技报告从2020年开始，生命科学的研究方式发生了明显变革。随着基因测序等底层技术的进步，生物芯片等实验器具的发展，以及高通量操作、纳米操作等实验手段的成熟，研究员们得以更加精准高效地获得生物数据。生命科学逐步进入大数据时代，也让人工智能得以在这个领域更加充分地发挥其强大的计算、搜索和预测能力，推动学科进步。与此同时，CRISPR、脑机接口等多项生物技术开始在临床试验与商业应用中切实落地。在相关技术大面积推广后，我们对自身的认知1、控制2、治 疗3都将发生巨变。分析师认为，构建高通量的智能实验室，从而形成“AI预测完成干实验—高通量湿实验验证假设，并为AI模型补充数据—AI以更高精度预测”的干湿闭环，这种思路将成为生命科学领域未来的关键发展路径之一。1 相关技术涉及基因组解析、植入式传感器等2 相关技术涉及脑机接口、人体外骨骼等3 相关技术涉及定制化细胞疗法、微生物治疗、再生疗法、纳米医疗机器人、大/小分子制药等1 相关技术涉及基因组解析、植入式传感器等2 相关技术涉及脑机接口、人体外骨骼等3 相关技术涉及定制化细胞疗法、微生物治疗、再生疗法、纳米医疗机器人等01 量子位2021十大前沿科技报告02趋势1CRISPR助力基因编辑更加可控可靠通过在活体基因组中靶向地进行DNA插入、删除、修改或替换，基因编辑能够改变特定基因，进而影响疾病等性状的表达，承载着调控生命体的巨大想象空间。但此前，工具一直限制着基因编辑的效率及精准性。CRISPR-Cas9解决了这一问题。近年来，在对技术本身进行优化的同时，CRISPR-Cas9在临床上也有了一系列成效。基因治疗、合成生物等领域很可能因此迎来快速增长。与此同时，基于CRISPR体系，编辑效率、精度、靶向性等相关技术指标得到优化。1 SgRNA即引导RNA（guide RNA，也称gRNA），包含引导Cas9识别DNA序列的“cr RNA” 和与Cas配合的tracr RNA关键突破点CRISPR-Cas9成功在临床上应用CRISPR是细菌中的一种基因组，该基因组会“记忆”曾攻击过该细菌的病毒所对应的基因片段。在再次感染时，CRISPR RNA（即cr RNA）能够探测相同的基因片段，从而让配套的内切酶Cas9“瞄准”该特定病毒，并通过双链断裂完成定向切割。而CRISPR-Cas9就来源于CRISPR的这种生物特性。在使用CRISPR-Cas9时，科学家只需合成目标DNA对应的的sgRNA，即可人为指导DNA片段的精准切割。尽管更为有效和便捷，但CRISPR方法此前仍存在局限，例如：双链断裂脱靶风险较大、缺乏更为通用的递送系统、常用的病毒载体有致癌风险和排异反应等，在推出初期尚未临床应用。2020年以来，基因产业取得了较大发展：mRNA疫苗紧急批准上市、十余款基因疗法产品上市、科学界对基因编辑医疗应用形成共识......在这样的大背景下，新型基因编辑的应用价值开始凸显，多款基于CRISPR-Cas9的基因疗法进入了临床试验阶段，CRISPR的价值开始由实验室走向现实落地。CRISPR-Cas9的发现者之一，Jennifer Doudna曾表示，从发表首篇CRISPR论文到首个CRISPR药物临床试验数据的发表，中间花费了不到十年。CRISPR-Cas9创下了一项生物技术从基础科研到实际临床应用转化的最快速度。······2020年3月，Editas Medicine和制药公司艾尔建宣布其用于治疗某遗传性失明的在研药物AGN-151587完成了首例患者给药，该给药通过视网膜注射，直接将药物递送到感官细胞中，是CRISPR首次直接用于人体临床试验。2020年4月，四川大学华西医院卢铀教授团队在Nature Medicine 发表了利用CRISPR治疗晚期肺癌患者的研究成果。该试验证明使用CRISPR-Cas9编辑的T细胞在临床上治疗疾病是安全可行的。2021年6月，Intellia Therapeutics公司和Regeneron公司联合公布了全球首个人体体内基因编辑临床试验结果，该疗法NTLA-2001用于治疗遗传病ATTR。临床数据首次证明体内CRIPSR疗法能够有效抑制遗传病相关蛋白质表达。2021年10月，LogicBio Therapeutics公司公布了其在研体内编辑疗法LB-001治疗甲基丙二酸血症（MMA）儿童患者的1/2期临床试验的初步结果。从安全性和治疗效果来看，该实验结果目前高于社会期许水平，是首次显示在儿童体内成功基因编辑的临床试验结果。2021年10月，CRISPR Therapeutics公布了其CRISPR改造异体CAR-T疗法CTX110在治疗CD19阳性β细胞癌中的1期临床试验数据，该结果在患者缓解率、缓解持续时间、安全性等方面均较为理想。我国的相关进展主要在重度地中海贫血治疗领域。博雅辑因针对输血依赖型β地中海贫血的CRISPR疗法研究产品ET-01已经成为国内首个获国家药监局批准开展临床试验的基因编辑疗法产品，正在开展多中心I期注册性临床试验；邦耀生物与中南大学湘雅医院于2020年7月首次通过CRISPR治愈β0/β0型重度地贫。自2020年始，CRISPR-Cas9 开始在实验室和临床应用中有良好表现CRISPR-Cas9 量子位2021十大前沿科技报告03基因编辑工具后续的技术优化Prime Editing ：在2020年的改进版本中，Prime Editing 能够对所有12种单碱基进行自由转换，或对多碱基进行精准插入和删除，编辑的灵活性和精度进一步提升。由于结合了Cas9与pegRNA，并 采 用DNA错配修复机制，Prime Editing无需双链断裂或设计供体DNA模板。相对于CRISPR“删去整个段落”的大规模操作，Prime Editing可以看作是更细致的“搜索与替换”。据主创团队表示，该技术“原则上可以修复75000种已知致病性人类遗传变异的89%”。目前，该技术被Nature评价为“超精确的新型基因编辑工具”，被Science评价为“超越CRISPR”的重大突破。CHyMErA：2020年3月，Nature Biotechnology发表了基因编辑方法CHyMErA，该方法通过结合Cas9 和用于在同一细胞中生成多个gRNA 的Cas12a，能够同时修改多个DNA片段。单碱基编辑工具：除去CRISPR技术本身外，还出现了能够“微调”基因的单碱基编辑工具，如胞嘧啶碱基编辑器CBEs和腺嘌呤碱基编辑器 ABE。2020年2月，David R. Liu在Nature Biotechnology 发表论文，提出了保真度更高的碱基编辑酶YE1，显著降低了单碱基编辑器的脱靶率。···在寻找到合适的基因递送载体、进一步深化基因组学研究，并解决长期稳定性等问题后，基因编辑将为疾病治疗和物种改造开创新蓝海。理论上，基因疗法能够彻底治愈所有先天性基因缺陷引起的遗传病和基因突变引起的癌症，而合成生物学将进入调控精度更高、可用思路更多的阶段。通过基因编辑，我们得以深入挖掘各类性状与基因间的关系，进而有目的地改造生物体。从基因调控的角度来讲，生命科学研究将有望实现“精准规划+精细改造” 。基因疗法会将目的基因，也即特定DNA片段导入活细胞，通过调控基因来控制蛋白质生成。由于直接靶向致病基因，相对于蛋白质工程等“暂时性”疗法，在适用条件下5，基因疗法有望一次性彻底治愈癌症和遗传性疾病患者。同时，基因疗法对血液瘤、罕见遗传病等基因相关疾病意义重大，有望为许多疾病填补疗法空白。目前，以输血依赖型β地中海贫血病为例，多种遗传病的基因疗法已进入临床阶段。除去基于病毒等载体的在体治疗，基因编辑还可与细胞治疗结合，完成CAR-T细胞疗法等体外基因治疗。在业界看来，由于可以基于病患情况快速且针对性地制备患者所需的细胞（特别是同种异体细胞），这种方式有望在未来推进重大疾病的个性化治疗，并改变过往药物标准化生产及分发的医疗流程。据博雅辑因介绍，长远来看，基因编辑技术将会从治疗单基因疾病向治疗复杂疾病，甚至是预防疾病方向发展。针对一些疾病的高风险人群，可以通过基因编辑技术带进有益的基因突变，从而降低患病风险，实现对疾病的预防。合成生物学的本质是利用已有生物的多样性，针对特定需求，自下而上地设计性能可预测、可控制的生物元件、基因线路、代谢工程等，可看作是“生物层面的新生产方式”，广泛适用于食品生产、材料生产、医疗保健、能源生产等。分子育种是基因编辑应用于合成生物学的代表领域之一。相较于传统的利用表型与自然选择的筛选方式，分子育种可以有目的性地改变物种的应激耐受性、组成、产量、繁殖等性状，缩短物种驯化周期，创造性状更加优良的物种。基因编辑可以使研究人员在多个物种中进行基因的敲除、插入、激活或抑制。泓迅科技提出，基因编辑作为新的分子育种