未來全球15大熱門研究方
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倫敦、紐約、新加坡、香港、巴黎、北京、東京、迪拜、上海、柏林、波士頓，這些國際性大都市在科技創(chuàng)新方面的表現(xiàn)如何？它們主要關注哪些研究方向？15大科技創(chuàng)新策源點，由哪些全球研究機構(gòu)引領？
《中國科學報》從5月6日舉行的“浦江創(chuàng)新論壇——2019科技創(chuàng)新智庫國際研討會”上獲悉，上海市科學學研究所、中科院上海生命科學研究院和上海科學技術情報研究所，通過分析上述11座全球城市2017—2021年度28925篇TOP1%高被引文獻，發(fā)布了《全球城市科技創(chuàng)新策源點觀察》報告。
研究顯示，全球所有高被引文獻中，有32.7%的文獻同上述11大城市相關。
其中，北京擁有2523篇高被引文獻，占全球8.72%，排名第一。排在前5位的還有：波士頓、倫敦、紐約和上海。
綜合判定的15個科技創(chuàng)新策源點分別為：納米發(fā)電機、非富勒烯聚合物太陽能電池、光催化材料的太陽能轉(zhuǎn)化應用、高負荷高能鋰硫電池、鈣鈦礦類材料的光電領域應用、CRISPR/Cas9基因組編輯、心血管疾病精準治療、腫瘤PD-1/PD-L1免疫療法、抑郁癥的生物標志物、路易體癡呆癥的鑒別診斷、三維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡、石墨烯的電化學傳感應用、憶阻器在人工神經(jīng)網(wǎng)絡中的應用、大氣甲烷濃度劇變、原始黑洞。
一、方法與數(shù)據(jù)
1. 全球城市考察
本研究選取倫敦、紐約、新加坡、香港、巴黎、北京、東京、迪拜、上海、柏林和波士頓作為考察對象。
其中：
倫敦、紐約為GaWC《2018 全球城市分級排名》中Alpah++級城市（共2個）；
新加坡、香港、巴黎、北京、東京、迪拜、上海為GaWC《2018 全球城市分級排名》中Alpah+級城市（共7個）；
柏林、波士頓為具有突出科研實力的國際型大都市代表。
2. 策源點分析
根據(jù)文獻的作者、機構(gòu)信息，對前述全球城市TOP 1%高被引文獻，按學科類別分類統(tǒng)計，并選擇高被引文獻集聚度最高的10個學科類別的關鍵詞進行統(tǒng)計分析。
對11個全球城市考察對象檢索結(jié)果去重，遴選出重點學科類別。
對各學科類下與全球城市考察對象相關的引用率最高的10篇論文文獻，逐一進行釋讀。
經(jīng)過專家討論，綜合凝練出一組具有表征意義的全球城市科技創(chuàng)新策源點。
這一組策源點，反映了全球城市中科技創(chuàng)新基礎前沿領域的研究熱點，更具集聚全球科學家和科研人員合作研究的可能，更有產(chǎn)生學術全球影響力和引領科研突破的前景。
數(shù) 據(jù) 來 源：Web of Science--Science Citation Index Expanded (SCI-EXPANDED) 文獻數(shù)據(jù)庫。
檢索數(shù)據(jù)：2017-2018 年的前述全球城市相關的 TOP 1% 高被引文獻。
二、全球城市科技創(chuàng)新策源點綜述
通過對11座全球城市2017-2021年度28925篇TOP 1% 高被引文獻分析，得到38個重點學科類別和380篇重點考察文獻，在專家的協(xié)助下，三方課題組逐一進行人工釋讀，綜合判定形成策源點共識。
研究分析表明：
全球城市是創(chuàng)新之源。全球所有高被引文獻中，有32.7%同11大代表性全球城市相關。
全球城市是合作之窗。11大代表性全球城市相關的高被引文獻中，有74.5%是跨國合作的成果。
策源點分布五大領域。綜合判定的15個策源點分布于材料與化學、電子信息、能源與環(huán)境、生物醫(yī)藥、物理等領域。
各城市主要關注的研究方向
各代表性城市產(chǎn)出的高被引論文分布TOP 10的學科類別，共38個重點學科分類
代表性全球城市的近期研究熱點
各相關學科類別中引用率最高的10篇重點文獻經(jīng)人工解讀產(chǎn)生共849個主題詞表
全球城市科創(chuàng)策源點
基于詞頻和專家解讀，形成15大策源點
三、全球城市科技創(chuàng)新策源點分述
1. 納米發(fā)電機
Nanogenerator
納米發(fā)電機是一種將微小物理變化引起的機械能／熱能轉(zhuǎn)換成電能的裝置。
生活的環(huán)境中充滿了各種各樣的振動能、化學能、生物能、太陽能和熱能等。但是這些能量多數(shù)并未被利用起來，或者利用率較低。而基于納米技術的納米發(fā)電機可以利用環(huán)境中的機械能等能量，將其轉(zhuǎn)化為電能。
并且，相對于化學電池，納米發(fā)電機具有環(huán)保、可持續(xù)性供電等特點。因此，它是滿足目前對可持續(xù)性自供電電源需求的一個最優(yōu)解決方案。
納米發(fā)電機目前主要有３種類型：壓電式、摩擦電式、熱釋電式。
2006年，美國佐治亞理工學院王中林教授領導的研發(fā)團隊，在世界上首次研制成功納米發(fā)電機。自此開始有少量相關專利。
2012年起，納米發(fā)電機領域?qū)＠麛?shù)量呈現(xiàn)明顯的持續(xù)增長態(tài)勢，顯示出納米發(fā)電機技術正處于成長期。中國、韓國和美國是納米發(fā)電機專利數(shù)量排名前3的國家。
在可拉伸和可穿戴電子器件飛速發(fā)展的當今時代，研究柔性機械能收集器件具有十分重要的價值和意義。
近年以柔性材料代替聚合物商業(yè)薄膜和金屬片組裝柔性摩擦納米發(fā)電機的研究成為亮點。
近期柔性摩擦納米發(fā)電機研究成果不少，例如，普渡大學研發(fā)出基于殼聚糖的柔性可降解摩擦納米發(fā)電機，中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士研究團隊研究了基于仿生水母的摩擦納米發(fā)電機、用于自供電醫(yī)療產(chǎn)品的多級納米結(jié)構(gòu)纖維素纖維基摩擦納米發(fā)電機等。
在該研究方向，涉及的高被引論文成果來自佐治亞理工學院材料科學與工程學院和中國科學院北京納米能源與納米系統(tǒng)研究所；專利數(shù)量位于前列的研究單位除以上兩個科研機構(gòu)外，還有國家納米科學中心、納米新能源（唐山）有限責任公司、韓國高等科學技術學院和三星電子有限公司等。
2. 非富勒烯聚合物太陽能電池
Fullerene-free polymer solar cells
聚合物 / 富勒烯太陽能電池以其成本低廉、質(zhì)量輕、柔性和半透明等一系列特質(zhì)，在過去數(shù)年內(nèi)成為第三代太陽能電池中的研究熱點，但富勒烯及衍生物在可見光和近紅外區(qū)具有吸收弱、化學合成步驟繁瑣、電學性能和分子結(jié)構(gòu)固定等一系列缺點，導致聚合物/富勒烯太陽能電池效率進一步提高的前景不佳，而非富勒烯聚合物太陽能電池的受體材料是聚合物，在可見光區(qū)具有強而寬的吸收峰，在結(jié)構(gòu)和能級上具有很高的調(diào)控度，有望代替聚合物/富勒烯太陽能電池，然而到目前為止，非富勒烯聚合物太陽能電池的最高效率相比于聚合物/富勒烯太陽能電池仍然存在很大差距，如何提高非富勒烯聚合物太陽能電池的光電效率是當下的核心研究問題。
根據(jù)高被引文獻分析，非富勒烯類受體的研究一直是該領域的研究焦點，例如以繞丹寧和噻唑烷-2, 4-二酮為端基的不對稱結(jié)構(gòu)有機受體分子、含萘并二噻吩小分子受體材料、基于苝二酰亞胺結(jié)構(gòu)的小分子受體、萘酰亞胺 - 卟啉星型電子受體分子等；此外，在非富勒烯聚合物太陽能電池研究中，由于聚合物太陽能電池的光活性層通常采用溶液旋涂的方式進行加工，溶劑的選擇對其形貌以及電池的能量轉(zhuǎn)化效率至關重要，同時考慮到環(huán)境因素，如何取代其中的含鹵試劑，通過選擇試劑或改良加工工藝來優(yōu)化活性層的形貌是最近的研究熱點之一。
從各年度國際專利申請和公開的數(shù)量來看，非富勒烯聚合物太陽能電池從2013年才逐漸發(fā)展起來，目前正處于技術萌芽期。
從公開專利的區(qū)域分布看，中國和美國是非富勒烯聚合物太陽能電池技術的研究成效和潛力最被看好的地區(qū)。日本是非富勒烯聚合物太陽能電池技術的發(fā)展熱點地區(qū)。
在非富勒烯聚合物太陽能電池研究方向，高被引論文成果大都由我國科學家主持，相關機構(gòu)包括北京大學、中科院化學所、福建師范大學、國家納米科學技術中心、西安交通大學等，國際上的領先研究機構(gòu)包括北卡羅來納大學教堂山分校、瑞典林雪平大學（Link?ping University）等。
3. 光催化材料的太陽能轉(zhuǎn)化應用
Application of photo-catalysts in the solar conversion application
光催化材料能夠利用水分解將太陽能轉(zhuǎn)化為氫能，得到氫氣和氧氣，氫氣具有高熱值和無污染的特點，可以用作多種化學工業(yè)的原料，因而該方法在解決能源問題方面有著重要的應用前景，然而相比于極大的研究投入，當前真正的光催化產(chǎn)品卻寥寥無幾，目前光催化領域多數(shù)的科研產(chǎn)出仍舊停留在論文這單一層面，載流子復合率過高是阻礙光催化效率進一步提升的最大問題，也是目前研究的最大熱點。
根據(jù)高被引文獻分析，在與太陽能轉(zhuǎn)化領域中的光催化材料相關的研究方向中，近期受到關注度較高的包括：
傳統(tǒng)光催化劑的改進與新型光催化劑的研發(fā)、光催化機理研究、新的光催化反應以及光催化反應器等，通過調(diào)整催化劑組成和表面改性等措施，雙光子系統(tǒng)（Z-Scheme）和異質(zhì)結(jié)兩種催化劑體系都展現(xiàn)出了可喜的研究前景，如何替代現(xiàn)有催化劑體系中的貴金屬也是研究的熱點。
從各年度國際專利申請和公開的數(shù)量來看，光催化材料在太陽能轉(zhuǎn)化領域中的應用從本世紀初才逐漸發(fā)展起來，2006年后才逐漸成為熱點，進入快速上升期，目前正處于技術成長期。
從公開專利的區(qū)域分布看，中國和日本是光催化材料在太陽能轉(zhuǎn)化領域中的應用研究成效和潛力最被看好的地區(qū)。
美國、韓國、印度、澳大利亞、加拿大等是光催化材料在太陽能轉(zhuǎn)化領域中的應用的發(fā)展熱點地區(qū)。
在該研究方向，近年來較為突出的高被引論文成果由國內(nèi)外科學家共同參與，相關機構(gòu)包括日本東京大學、日本人工光合作用化學過程技術研究協(xié)會（ARPChem）、上海第二工業(yè)大學、山東科技大學、美國田納西大學、廈門大學、新加坡材料工程研究所、武漢大學、中科院物理所、北京科技大學、美國加州理工學院、日本國立材料研究所、美國勞倫斯伯克利國家實驗室、日本東京工業(yè)大學、東華大學等。
4. 高負荷高能鋰硫電池
High-loading and high-energy lithium-sulfur batteries
鋰硫電池是化學儲能電池的一種，一般以單質(zhì)硫作為電池正極，金屬鋰片作為負極，此類電池成本低，對環(huán)境友好，能量密度是其它類型鋰離子電池的數(shù)倍，在電動汽車、無人機、軍用便攜式電源、儲能系統(tǒng)等領域有著廣闊的應用前景，但是目前其應用還存在循環(huán)壽命短、硫負載量低等瓶頸。
根據(jù)高被引文獻分析，近期受到關注度最高的是在多尺度層次設計原則基礎上獲得高硫負載量、高能量密度鋰硫電池，主要包括正極的基礎電化學反應，硫寄主/多硫化物/Li2S界面宿主工程，顆粒設計和電極結(jié)構(gòu)，負極的金屬鋰和非金屬負極，界面隔膜的修飾以及這些影響因素的綜合配置。
整體來看，發(fā)展鋰硫電池，尤其是高負載量的鋰硫電池，關鍵在于對其內(nèi)部基本原理的理解。
從各年度國際專利申請和公開的數(shù)量來看，鋰硫電池從本世紀初才逐漸發(fā)展起來，2004年后才逐漸成為熱點，進入快速上升期，自2016年專利增長速度放緩，逐漸進入技術成熟期。
中國和美國是鋰硫電池技術研究成效和潛力最被看好的地區(qū)。韓國和日本是鋰硫電池技術發(fā)展的熱點地區(qū)。
在該研究方向，國內(nèi)外多個高校、研究院所、電池類實驗室/公司等都在開展鋰硫電池的研發(fā)，國外以英國Oxis 和美國 Sion Power（已被 BASF公司收購）兩家公司最為著名，高被引論文成果由國內(nèi)外科學家共同參與，相關機構(gòu)包括中國科學院、廈門大學、清華大學、加拿大滑鐵盧大學、美國勞倫斯伯克利國家實驗室、美國德克薩斯州立大學等。
5. 鈣鈦礦類材料的光電領域應用
Application of perovskite materials in optoelectronics
人們最早發(fā)現(xiàn)的鈣鈦礦類化合物是存在于鈣鈦礦礦石中的鈦酸鈣化合物，隨著研究不斷深入，科學家發(fā)現(xiàn)可以通過以其他元素替代此類材料中的鈣、鈦、氧來改善這種材料的物理化學性質(zhì)，從而獲得一系列具有鈣鈦礦晶型的有機金屬鹵化物吸光材料。
近年來，鈣鈦礦類材料由于具有一系列優(yōu)異的光電性質(zhì)，引起了廣泛關注，具體應用包括太陽能電池、發(fā)光二極管、激光器、光電探測器、燃料電池、存儲器等。
根據(jù)高被引文獻分析，在鈣鈦礦類材料相關的諸多研究方向中，近期受到關注度最高的是其在各種光電應用中的進展：在鈣鈦礦太陽能電池領域，研究重點集中在材料體系、器件結(jié)構(gòu)、薄膜制備方法以及光電機理等方面 , 其中徹底弄清鈣鈦礦型太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換機理對于指導下一步的研發(fā)至關重要，近年來的進展包括通過采用SnO2作為電子傳輸材料獲得具有高結(jié)晶質(zhì)量的電子傳輸層，以及通過采用新型梯度異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)來提高鈣鈦礦電池的光伏性能；在鈣鈦礦激光發(fā)射應用領域中，包括組成和結(jié)構(gòu)對鈣鈦礦光電性能的影響（例如3D、低維多層、不同相態(tài)、納米結(jié)構(gòu)和化學組成等）、器件構(gòu)建、材料和器件在運行過程中的穩(wěn)定性、無鉛材料的開發(fā)在內(nèi)的一系列問題受到關注。
從各年度國際專利申請和公開的數(shù)量來看，鈣鈦礦光電技術從上世紀末才逐漸發(fā)展起來，2010年后才逐漸成為熱點，進入快速上升期，目前正處于技術成長期。
從公開專利的區(qū)域分布看，中國和美國是鈣鈦礦光電技術研究成效和潛力最被看好的地區(qū)。日本、韓國、澳大利亞、加拿大等是鈣鈦礦光電技術發(fā)展熱點地區(qū)。
在鈣鈦礦太陽能電池研究方向，高被引論文成果大部分由我國科學家主持，相關機構(gòu)包括中科院半導體所、上海交通大學等，國際上的領先研究機構(gòu)包括日本國立材料研究所、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院、英國牛津大學、韓國成均館大學、韓國蔚山國家科學技術大學等；在鈣鈦礦光電應用研究領域中，國際上主要研究機構(gòu)是韓國浦項工科大學、新加坡南洋理工大學、美國佛羅里達州州立大學，國內(nèi)的南京工業(yè)大學表現(xiàn)較為突出。
6. CRISPR/Cas9 基因組編輯
CRISPR/Cas9 Genome Editing
基因組編輯是指在基因組水平上對目的基因序列甚至是單個核苷酸進行替換、切除，增加或插入外源DNA序列的基因工程技術。
CRISPR/Cas9 基因組編輯技術具有廉價、便捷、通用性強的特點，成為繼鋅指核酸酶（zinc-finger nucleases, ZFN）和轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應因子核酸酶（transcription activator like effector nucleases, TALEN）后的第三代基因組編輯技術，并引發(fā)了持續(xù)至今的研究熱潮，在藥物研發(fā)、疾病治療、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等產(chǎn)業(yè)化領域均展現(xiàn)出巨大的應用潛力，分別于2013年和2015年兩次入選美國《科學》評選的十大科學突破。
根據(jù)高被引論文分析，受到關注度最高的是基因組編輯技術用于哺乳動物DNA甲基化方面的進展，其中CRISPR/Cas9 基因組編輯技術的應用主要體現(xiàn)在通過優(yōu)化基因組編輯工具建立特定的小鼠DNA甲基化模型。
CRISPR/Cas9 基因組編輯技術的出現(xiàn)為哺乳動物模型構(gòu)建提供了簡便、快速的途徑，也為基因疾病的治療提供新思路和新方法。
在該研究方向，本報告涉及的高被引論文成果由國內(nèi)外科學家共同撰寫，相關機構(gòu)包括麻省理工學院、加州理工大學、中國科學院、北京大學、清華大學等。
7. 心血管疾病精準治療
Precision Medicine of Cardiovascular Disease
心血管疾病的精準治療通過定位明確的患者亞組，確定與疾病基礎相關的分子靶標，使制藥公司與醫(yī)療機構(gòu)更有針對性地開發(fā)心血管藥物與疾病治療方法，因此成為心血管疾病診療領域的研究熱點。
目前，全球已在心血管疾病精準醫(yī)療領域進行多方合作。
2023年美國心臟協(xié)會開放了其精準醫(yī)療平臺，讓來自世界各地的研究人員和醫(yī)生們分析了來自雪松—西奈心臟研究所、杜克臨床研究所和斯坦福大學等眾多機構(gòu)的心血管數(shù)據(jù)，推動了心血管疾病精準醫(yī)療的快速發(fā)展。
根據(jù)高被引論文分析，在心血管疾病相關的諸多研究方向中，近期受到關注度最高的是美國心臟病學會（American College of Cardiology，ACC）、 美 國 心 臟 協(xié) 會（American Heart Association，AHA）等機構(gòu)發(fā)布的心血管疾病管理的指南，該指南對血漿利鈉肽等心血管疾病生物標志物、射血分數(shù)降低性心衰的新型藥物治療、射血分數(shù)保留性心衰治療、重要合并癥處理等進行了更新，為心血管疾病的精準治療提供了重要的參考。
在該研究方向，本報告涉及的高被引論文幾乎都來自美國心臟病學院、美國心臟學會等機構(gòu)發(fā)布的心血管疾病領域的管理指南與人群研究成果，相關機構(gòu)包括哈佛大學、愛荷華大學、西北大學、約翰霍普金斯大學、賓夕法尼亞州立大學等。
8. 腫瘤 PD-1/PD-L1 免疫療法
Tumor Immunotherapy by PD-1/PD-L1
程 序 性 細 胞 死 亡 蛋 白 -1（programmed death-1，PD-1）是免疫細胞T細胞表面的一種受體蛋白，它可與腫瘤細胞表面表達的配體蛋白 PD-L1（programmed cell deathligand 1，PD-L1）結(jié)合，誘導腫瘤細胞的免疫逃逸。
PD-1 與 PD-L1 的抑制劑均可激活人體的免疫功能，從而實現(xiàn)抗腫瘤的目的，因此作為腫瘤免疫治療的重要靶點，已有相關藥物進入上市或臨床階段。
根據(jù)高被引論文分析，在PD-1/PD-L1免疫療法相關的諸多研究方向中，近期受到關注度最高的是已上市 PD-1/PD-L1 藥物在腫瘤治療中的進展。
該類研究分析了已上市或處于臨床階段的PD-1/PD-L1藥物，如Nivolumab，對于特定類型腫瘤的治療效果，包括藥物的組合治療方法與患者的生存率，對于 PD-1/PD-L1 靶點藥物的使用具有重要的參考意義。
在該研究方向，本報告涉及的高被引論文成果主要由美國、法國、英國、德國等國家的研究機構(gòu)撰寫，相關機構(gòu)包括哈佛大學、達納-法伯癌癥研究所、約翰霍普金斯大學和加州大學等。
9. 抑郁癥的生物標志物
Biomarkers for Depression
抑郁癥作為情感性障礙一種臨床類型，是以顯著而持久的情緒低落為主要特征的精神障礙。其主要表現(xiàn)是以情感低落、思維遲緩和精神運動性抑制三大癥狀為基本特征。
抑郁癥的生物標志物研究對于抑郁癥的診斷、分期和新藥物或新療法在目標人群中的安全性及有效性判定具有重要的意義。
目前，公認的抑郁癥生物標志物主要為單胺類神經(jīng)遞質(zhì)、下丘腦-垂體-腎上腺軸因素（HPA軸）、細胞因子、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（BDNF）等，隨著科學的發(fā)展，基因組學、蛋白質(zhì)組學、代謝組學等新技術也逐漸應用于抑郁癥生物標志物的篩選。
根據(jù)高被引論文分析，在抑郁癥的診斷標志物相關的諸多研究方向中，近期受到關注度最高的是靜息態(tài)連接性生物標志物在抑郁癥診斷中的進展。
該方法應用功能性磁共振成像（fMRI）將抑郁癥患者細分為不同的神經(jīng)生理亞型，超越了現(xiàn)有的抑郁癥分型方法，推動了抑郁癥個體化治療的發(fā)展。
在該研究方向，本報告涉及的高被引論文成果主要來自美國的科學家，相關機構(gòu)包括威爾康奈爾醫(yī)學中心、哥倫比亞大學、賓夕法尼亞大學、斯坦福大學、耶魯大學等。
10. 路易體癡呆癥的鑒別診斷
Identification and Diagnosis of Dementia with Lewy Body
路 易 體 癡 呆 癥（dementia with Lewy body，DLB）是最常見的神經(jīng)變性病之一，其主要的臨床特點為波動性認知功能障礙、視幻覺和類似帕金森病（Parkinson's Disease）的運動癥狀，主要病理特征為路易氏體廣泛分布于大腦皮層及腦干。
DLB占老年期癡呆的15%~20%，僅次于阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease，AD），占第2位。
路易體癡呆癥的鑒別與診斷對于疾病分型與精準醫(yī)療，提升路易體癡呆癥的治療水平意義重大。
根據(jù)高被引論文分析，在路易體癡呆癥相關的諸多研究方向中，近期受到關注度最高的是針對路易體癡呆癥診斷和管理的第四次路易體癡呆癥聯(lián)盟（Dementia with Lewy Bodies Consortium）共識報告。
在該報告中，路易體癡呆癥聯(lián)盟對路易體癡呆癥的臨床診斷與病理診斷進行了改進，明確了臨床表現(xiàn)和診斷標志物，為該疾病的診斷、治療以及預后提供了重要的參考。
在該研究方向，本報告涉及的高被引論文成果由英國、美國、澳大利亞、意大利、西班牙、日本等國家的機構(gòu)與企業(yè)共同撰寫，相關機構(gòu)與企業(yè)包括紐卡斯爾大學、美國梅奧診所、密西根大 學、悉尼大學、GE醫(yī)療、名古屋大學等。
11. 三維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡
3D Convolutional Neural Networks
卷積神經(jīng)網(wǎng)絡由一個或多個卷積層和頂端的全連通層組成，同時也包括關聯(lián)權(quán)重和池化層。
相比較其他深度、前饋神經(jīng)網(wǎng)絡，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡需要估計的參數(shù)更少，在圖像和語音識別方面能夠給出更優(yōu)的結(jié)果，使之成為一種頗具吸引力的深度學習結(jié)構(gòu)。
根據(jù)高被引文獻分析，在三維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡相關的諸多研究方向中，近期受到關注度最高的是三維卷積和三維池化操作，可以有效地表征時間維度上的信息，提高了處理問題的效率和準確率。
此類研究中，三維卷積就是在空間進行卷積操作的同時，在時間維度上也進行卷積操作。
同三維卷積類似，池化層也需要擴展到三維。三維池化不僅可以保持二維池化的空間平移不變性，在時間維度上也具有一定的不變性。
經(jīng)過三維池化處理后，網(wǎng)絡在時間維度上的變化更加魯棒。
在該研究方向，本報告涉及的高被引論文成果多數(shù)由我國科學家主持或參與，相關機構(gòu)包括中國科技大學、清華大學、上海交大、北京交通大學等。在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的其他研究方向上，還有電子科技大學、西安理工大學等機構(gòu)的相關成果進入高被引論文之列。
12. 石墨烯的電化學傳感應用
The Application of Graphene in Electrochemical Sensors
石墨烯是由碳原子構(gòu)成的二維材料，在力學、熱學、光學、電學、生物學等方面均顯示出多種特異的性能，在能量儲存、防腐涂料、電子信息、新型顯示、生物醫(yī)藥等方面均有重大的應用潛力，因此近年來受到了科研和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關注。
在石墨烯相關的諸多研究方向中，近期受到關注度最高的是其在電化學傳感方面的進展。
此類研究主要是利用了二維結(jié)構(gòu)比表面積大的特性，以石墨烯（或還原氧化石墨烯等衍生材料）為基質(zhì)，同納米化的各種金屬、化合物、生物酶等敏感物質(zhì)復合，形成具有特定微觀結(jié)構(gòu)的新型材料，具有比傳統(tǒng)材料更加優(yōu)異的靈敏度和響應 / 恢復特性。
同時石墨烯的優(yōu)秀機械性能也使得一些產(chǎn)品的柔性化成為可能。
在該研究方向，一些突出高被引論文成果幾乎都由我國科學家主持或參與，相關機構(gòu)包括中科院長春應化所、中國石油大學、清華大學、上海交大等。在石墨烯的其他研究方向上，還有東華大學、復旦大學等上海機構(gòu)的相關成果進入高被引論文文之列。
13. 憶阻器在人工神經(jīng)網(wǎng)絡中的應用
The Application of Memristors in Artificial Neural Network
目前流行的以深度學習為核心的人工智能主要是在數(shù)學算法模型的層面上模擬了生物神經(jīng)網(wǎng)絡的特點，從而成功實現(xiàn)了許多成功的應用。
但目前許多專家認為，這一層面的粗淺模仿存在難以突破的瓶頸，未來人工智能的發(fā)展需要進一步借鑒生物神經(jīng)網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)和機理，才能實現(xiàn)真正意義上的智能。
憶阻器， 全稱記憶電阻器（Memristor）。其電阻值會受流經(jīng)它的電荷數(shù)量決定。這一特性使其能夠從物理結(jié)構(gòu)和功能上模擬生物神經(jīng)細胞學習強化的能力。
憶阻器在2008年由惠普公司發(fā)明。隨著近年來人工智能的飛速發(fā)展，盡管同實際的應用尚有距離，但憶阻器的研究熱度也迅速升溫，并被寄予了下一代人工智能發(fā)展的極大希望。
馬薩諸塞州大學阿默斯特分校、拉夫堡大學、惠普公司、鎂光科技公司等機構(gòu)和企業(yè)參與了部分突出成果的研究。
14. 大氣甲烷濃度劇變
Dramatic Changes of Atmospheric Methane
同樣氧化碳相比，甲烷的溫室氣體身份并未得到廣泛的認識。
但據(jù)政府間氣候變化專門委員會（IPCC）研究，在100年尺度上，同樣質(zhì)量的甲烷累計所造成的溫室效應影響（全球變暖潛能值，GWP）是二氧化碳的 25倍；而在20年的尺度上，甲烷的 GWP 甚至可達二氧化碳的72倍。
在世界各國的共同努力下，目前全球二氧化碳的排放量正趨于穩(wěn)定。然而大氣中甲烷濃度加速上升的趨勢令人吃驚。
在21世紀初，甲烷濃度每年大約上升 0.5ppb；到了2014年和2015年，這一數(shù)字則達到了10ppb。十多年的時間里甲烷濃度增長的速度加快了約二十倍。
同時由于缺乏監(jiān)控，對于甲烷的來源難以做到像二氧化碳一樣的準確定位。專家推測農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)、化石能源開采、北極凍土消融等都可能是主要來源。
目前，“全球碳計劃”組織開始每兩年公布一次“全球甲烷預算”，并成為了相關研究的重要依據(jù)。
法國凡爾賽大學、法國氣候科學與環(huán)境實驗室、意大利國立地球物理與火山學研究所、荷蘭烏得勒支大學、瑞典林雪平大學等機構(gòu)都參與了報告的編制。
15. 原始黑洞
Primordial black holes
原始黑洞是一類理論中存在的誕生于宇宙初期的黑洞，同大恒星坍縮形成的黑洞相比具有更加悠久的壽命和不同的形成機理。
原始黑洞的存在始終未被證實，其形態(tài)、機理和影響始終是相關領域?qū)＜矣懻摰臒狳c話題。
近年來，隨著希格斯玻色子和引力波的相繼發(fā)現(xiàn)，原始黑洞研究獲得了更加有力的理論和觀測工具。
2015年底以來美國的激光干涉引力波觀測臺（LIGO）檢測到了多次雙黑洞合并事件的引力波信號。
基于這些新的數(shù)據(jù)，一些研究者認為原始黑洞的存在已經(jīng)能夠證實，并且在很大程度上同暗物質(zhì)存在關聯(lián)。同時也有各種不同意見展開了熱烈討論。
在該研究方向，本報告涉及的高被引論文成果幾乎都是由致力于引力波的國際物理研究組織 LIGO 科學聯(lián)盟成員機構(gòu)發(fā)表，國內(nèi)的清華大學、中科大研究團隊也長期致力于該領域的研究。
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