本文作者：

周濟(jì)院士，無(wú)機(jī)非金屬材料專家，主要從事信息功能陶瓷材料與元器件研究，中國(guó)工程院院士。

張聯(lián)盟院士，功能梯度復(fù)合材料專家，主要從事先進(jìn)復(fù)合材料研究，中國(guó)工程院院士。

編者按

超材料是由人工結(jié)構(gòu)構(gòu)成、具有自然材料所不具備的超常性質(zhì)的人工材料，有望獲得與自然物質(zhì)性質(zhì)迥異的“新物質(zhì)”，為諸多應(yīng)用領(lǐng)域提供了變革性技術(shù)支撐。目前，超材料的新原理、新功能實(shí)現(xiàn)處于爆發(fā)期，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈開(kāi)始萌生，而產(chǎn)業(yè)化、工程化進(jìn)入瓶頸期，超材料當(dāng)前所處的特殊階段恰是國(guó)家戰(zhàn)略介入的機(jī)遇期。

中國(guó)工程院周濟(jì)院士、張聯(lián)盟院士在中國(guó)工程院院刊《中國(guó)工程科學(xué)》2025年第2期發(fā)表《超材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展思考與建議》一文。文章總結(jié)了超材料的概念演進(jìn)過(guò)程，從國(guó)際、國(guó)內(nèi)兩方面概要梳理了超材料的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)，從產(chǎn)業(yè)化方向、產(chǎn)業(yè)鏈格局、產(chǎn)業(yè)發(fā)展策略三方面系統(tǒng)凝練了超材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展。進(jìn)一步辨識(shí)了超材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，突出體現(xiàn)在制備技術(shù)、測(cè)試與表征技術(shù)、工程化技術(shù)、產(chǎn)業(yè)鏈、研發(fā)人才等方面，從人工智能（AI）技術(shù)在超材料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用、超材料在AI技術(shù)演進(jìn)中的應(yīng)用兩方面展望了AI技術(shù)為超材料產(chǎn)業(yè)帶來(lái)的新發(fā)展機(jī)遇。為此建議，以重點(diǎn)應(yīng)用需求為牽引進(jìn)行重大項(xiàng)目布局，建設(shè)國(guó)家級(jí)超材料制備、大數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)平臺(tái)，組建國(guó)家級(jí)創(chuàng)新聯(lián)合體并促進(jìn)跨學(xué)科人才培養(yǎng)，在中長(zhǎng)期尺度上精準(zhǔn)推進(jìn)我國(guó)超材料產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

一、前言

超材料指由人工結(jié)構(gòu)構(gòu)成、具有超常性質(zhì)的人工材料。在研究超材料的過(guò)程中形成了全新的材料構(gòu)造方法，即設(shè)計(jì)人工功能單元，在不違背物理學(xué)基本規(guī)律的前提下，獲得與自然物質(zhì)性質(zhì)迥異的“新物質(zhì)”。諸多具有新奇特性的新型人工材料，為信息技術(shù)、能源技術(shù)、航空航天、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域提供了變革性技術(shù)支撐，得到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注，被視為21世紀(jì)前10年的重大突破之一。

超材料發(fā)展歷程接近30年，立足大量研究工作的積累，有關(guān)新原理、新功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)入爆發(fā)期。超材料的工程應(yīng)用開(kāi)始起步，面臨著較強(qiáng)勁的需求，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈也進(jìn)入萌生階段。與產(chǎn)業(yè)化、工程化對(duì)應(yīng)的超材料規(guī)?；苽鋭t進(jìn)入了瓶頸期?？梢哉J(rèn)為，超材料當(dāng)前所處的特殊階段恰是國(guó)家戰(zhàn)略介入的機(jī)遇期。

我國(guó)已是超材料研究大國(guó)，在研究隊(duì)伍規(guī)模、基礎(chǔ)研究成果產(chǎn)出方面均位于國(guó)際前列。在此背景下，把握超材料產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展機(jī)遇，發(fā)揮新型舉國(guó)體制的優(yōu)越性，將超材料研究?jī)?yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為未來(lái)的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)我國(guó)盡快成為超材料產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)，值得深入思考和前瞻探討。為此，本文基于超材料研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析，對(duì)超材料發(fā)展的宏觀性走勢(shì)提出一些預(yù)判，以為相關(guān)學(xué)術(shù)研究、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化實(shí)踐等提供基本參考。

二、超材料的概念演進(jìn)

“超材料”最初由美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的學(xué)者提出，用于描述自然界中不存在、人工制得、具有三維和周期性結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。隨著相關(guān)研究的不斷推進(jìn)，超材料的概念不斷演進(jìn)，擁有了更加寬泛、指導(dǎo)意義更強(qiáng)的內(nèi)涵。① 第一次演進(jìn)起因于美國(guó)學(xué)者以實(shí)驗(yàn)方式驗(yàn)證了英國(guó)學(xué)者提出的基于人工諧振單元陣列的負(fù)折射現(xiàn)象。隨后，這類完全通過(guò)人工結(jié)構(gòu)單元實(shí)現(xiàn)、具有自然材料所不具備的超常電磁性質(zhì)的人工材料稱為超材料。② 第二次演進(jìn)起因于介質(zhì)基電磁超材料的出現(xiàn)。介質(zhì)超材料盡管具有超材料的性質(zhì)，但諧振性質(zhì)不僅取決于人工結(jié)構(gòu)，也與介質(zhì)材料自身的電磁參數(shù)（如介電常數(shù)、磁導(dǎo)率）相關(guān)。自此，超材料不再?gòu)?qiáng)調(diào)超常電磁性質(zhì)單純來(lái)源于人工結(jié)構(gòu)。③ 第三次演進(jìn)源于眾多的聲學(xué)、力學(xué)（機(jī)械）、熱學(xué)、量子超材料的出現(xiàn)。由此，超材料不再局限于電磁材料。④ 第四次演進(jìn)源于超材料與常規(guī)材料融合后，產(chǎn)生了一系列可提高常規(guī)材料性能、通過(guò)超材料原理實(shí)現(xiàn)的人工材料。隨后，超材料的范圍不再限定于擁有自然材料不具備性質(zhì)的材料。

當(dāng)前，超材料不僅涵蓋一大批由人工設(shè)計(jì)的性質(zhì)及功能機(jī)制、由人工結(jié)構(gòu)構(gòu)成的材料，而且隱含材料研發(fā)的新范式，適用于面向功能需求的材料逆向設(shè)計(jì)與人工構(gòu)筑。因此，超材料難以從組成、結(jié)構(gòu)、功能、應(yīng)用領(lǐng)域等方面歸類于任何材料子類，只能作為一類特殊的材料單獨(dú)進(jìn)行分類。這是制定超材料行業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的難點(diǎn)所在?；诜椒ㄕ撨M(jìn)行超材料定義，容易導(dǎo)致相關(guān)概念“泛化”，這種“泛化”對(duì)本學(xué)科發(fā)展是有利的，但直接加大了研究和制定產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的難度。例如，僅以超材料作為材料領(lǐng)域的一個(gè)方向進(jìn)行定向支持，通常很難精準(zhǔn)把握發(fā)展方向；只有通過(guò)重大應(yīng)用需求的牽引，才可能“以點(diǎn)帶面”地推動(dòng)超材料的發(fā)展。

三、超材料的研究進(jìn)展

（一）國(guó)際研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

超材料自概念提出后，一直是基礎(chǔ)研究的活躍前沿。應(yīng)用超材料思想發(fā)展了眾多顛覆經(jīng)驗(yàn)及常識(shí)的新型材料性質(zhì)，從早期的電磁波負(fù)折射、完美隱身、完美透鏡，到后來(lái)的類量子效應(yīng)、時(shí)變效應(yīng)、光電直接轉(zhuǎn)換、超常力學(xué)性質(zhì)等。

電磁（光學(xué)）超材料是超材料研究最為活躍的方向。電磁超材料發(fā)軔于微波段，當(dāng)前的研究熱點(diǎn)集中在可見(jiàn)光、太赫茲、紅外、極紫外等頻率范圍，包括動(dòng)態(tài)可調(diào)及可重構(gòu)超材料（如基于相變材料的輻射制冷、紅外微波太赫茲吸波、人工單元耦合的Fano諧振），量子超材料（如石墨烯拓?fù)涑瑢?dǎo)量子模擬、基于二維材料的光學(xué)調(diào)制、全光芯片計(jì)算、超材料模擬軸子暗物質(zhì)），片上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超材料（如電子學(xué)超材料、極紫外硅基直超表面、傾斜擾動(dòng)結(jié)構(gòu)的超表面），多維復(fù)用技術(shù)超透鏡（如多維光場(chǎng)多功能、局域共振微腔渦旋光、雙曲超材料合成復(fù)頻波、超表面偏振復(fù)用）。在開(kāi)放系統(tǒng)的量子實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，同步出現(xiàn)了非厄米超材料、時(shí)間晶體等前沿研究方向。在應(yīng)用基礎(chǔ)研究層面，正在拓展至深空／深海／深地探測(cè)、高定向電磁對(duì)抗、第六代移動(dòng)通信（6G）、綠色能源等國(guó)民經(jīng)濟(jì)與國(guó)防建設(shè)領(lǐng)域。

聲學(xué)超材料是在電磁超材料原理啟發(fā)下向超材料聲波調(diào)控功能的拓展，通過(guò)亞波長(zhǎng)尺度的結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)，突破自然材料的物理限制，實(shí)現(xiàn)負(fù)等效質(zhì)量密度、負(fù)模量等反常特性。近年來(lái)，聲學(xué)超材料在微尺度超聲控制、逆向設(shè)計(jì)方法、聲子物理模擬、聲波負(fù)折射與隱身等方向上取得引人注目的進(jìn)展，在高端和國(guó)防裝備領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

在機(jī)械（力學(xué)）超材料方面，通過(guò)各種機(jī)械微結(jié)構(gòu)單元實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)材料難以具備的超常力學(xué)特性等研究較活躍，涉及負(fù)泊松比、負(fù)剛度、可調(diào)模量、輕質(zhì)高強(qiáng)的超材料，涵蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能預(yù)測(cè)、應(yīng)用拓展、智能化發(fā)展。機(jī)械（力學(xué)）超材料研究正在從單一的力學(xué)性能拓展至多物理場(chǎng)耦合與智能響應(yīng)，相關(guān)設(shè)計(jì)范式的革新（如深度學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)）、跨學(xué)科應(yīng)用的潛力（如航空航天、生物醫(yī)療）標(biāo)志著材料科學(xué)朝著功能化、智能化方向邁進(jìn)。

熱學(xué)超材料作為通過(guò)人工微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)熱流定向調(diào)控的新型功能材料，可突破傳統(tǒng)材料在熱傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射方面的物理限制，實(shí)現(xiàn)熱隱身、熱集中、熱整流等功能，成為超材料研究的另一重要方向。熱學(xué)超材料在電子元器件熱管理、輻射制冷、熱能利用、紅外隱身等方面表現(xiàn)出顛覆性應(yīng)用的潛力，受到更多的關(guān)注。

超材料成功解決了凝聚態(tài)物理研究中的一個(gè)重要難題（如何通過(guò)理論設(shè)計(jì)和模擬獲得期望的材料性能），已成為人工構(gòu)筑新物理機(jī)制及系統(tǒng)的重要依托。超材料在量子體系（如人工規(guī)范場(chǎng)、拓?fù)淞孔酉到y(tǒng)、量子 ? 經(jīng)典對(duì)應(yīng)）模擬，拓?fù)湮锢砼c拓?fù)湎嘧儯ㄈ缤負(fù)溥吔鐟B(tài)、非厄米拓?fù)洌┠M，引力與宇宙學(xué)（如類時(shí)空彎曲、膨脹宇宙模型）模擬，非平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)物理系統(tǒng)（如活性物質(zhì)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)極限突破）模擬等方面正在發(fā)揮積極作用，成為連接經(jīng)典與量子物理、低維與高維理論、平衡與非平衡態(tài)體系的獨(dú)特實(shí)驗(yàn)工具，具有的“人工物理實(shí)驗(yàn)室”屬性也將加速新物理理論的驗(yàn)證與技術(shù)創(chuàng)新。

近年來(lái)，受基礎(chǔ)研究積累和應(yīng)用需求的驅(qū)動(dòng)，超材料研究呈現(xiàn)新變化：從單純地探究“新物質(zhì)”或材料物理性質(zhì)的新奇性轉(zhuǎn)向由變革性技術(shù)牽引，從新原理探索、新性能演示逐步轉(zhuǎn)向新型器件構(gòu)筑，從單一性能的演示轉(zhuǎn)向綜合性能的優(yōu)化以及材料可用性的拓展，從構(gòu)成簡(jiǎn)單、物理圖像清晰的單元材料過(guò)渡到更具實(shí)用價(jià)值的多元材料體系，從“基元 ? 序構(gòu) ? 性能”的正向設(shè)計(jì)路徑、通過(guò)調(diào)整及優(yōu)化參數(shù)來(lái)探索新的性能與應(yīng)用，轉(zhuǎn)向基于人工智能（AI）技術(shù)從性能反推超材料基元及序構(gòu)、進(jìn)而一次性獲得超材料。相關(guān)超材料研究熱點(diǎn)的變化，體現(xiàn)出從基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題逐漸轉(zhuǎn)向技術(shù)與應(yīng)用問(wèn)題的研究趨勢(shì)。

（二）我國(guó)的研究情況

我國(guó)超材料研究居于國(guó)際第一梯隊(duì)，如全球超材料領(lǐng)域發(fā)表的論文有近30%來(lái)自中國(guó)，超材料領(lǐng)域的高影響論文逾半數(shù)來(lái)自中國(guó)。在超材料知識(shí)產(chǎn)權(quán)分布方面，我國(guó)占全球?qū)＠暾?qǐng)量的1/3。盡管我國(guó)學(xué)者已是國(guó)際超材料研究的主導(dǎo)力量之一，但超材料應(yīng)用研究方面的表現(xiàn)仍不夠突出。整體來(lái)看，我國(guó)超材料研究具有如下特征。

研究領(lǐng)域不斷拓展，研究水平穩(wěn)步提升。盡管在原始創(chuàng)新方面不占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但“后來(lái)居上”勢(shì)頭明顯，在超材料的多數(shù)方向上都有高水平的研究產(chǎn)出。其中，國(guó)內(nèi)學(xué)者在介質(zhì)超材料、信息超材料、聲學(xué)超材料等方面做出了具有國(guó)際影響的開(kāi)拓性工作。

研究隊(duì)伍規(guī)模壯大，學(xué)科交叉趨于鮮明。我國(guó)超材料研究隊(duì)伍規(guī)模較大，分布在材料科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)工程、機(jī)械工程、生物工程、航空航天等學(xué)科方向；隊(duì)伍年輕化特征顯著，未來(lái)發(fā)展?jié)摿α己谩?/p>

產(chǎn)業(yè)需求提升較快，社會(huì)期望同步提高。超材料具有超越常規(guī)材料的性質(zhì)，可能衍生顛覆性技術(shù)，社會(huì)上對(duì)超材料的了解更為深入。以航空航天、高端裝備為代表的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)對(duì)超材料的應(yīng)用需求進(jìn)一步明晰，而基礎(chǔ)研究獲得的成果在短期內(nèi)尚難以滿足工程應(yīng)用亟需。

“真問(wèn)題”研究導(dǎo)向有待加強(qiáng)。超材料是人工設(shè)計(jì)的材料，相關(guān)研究的目的本應(yīng)是探索新原理、構(gòu)筑新功能、發(fā)展新應(yīng)用。然而，當(dāng)前的一些研究是在已提出原理及功能基礎(chǔ)上的淺層次重復(fù)，既缺失新原理與新功能，也未能顯現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用潛力。

技術(shù)發(fā)展瓶頸開(kāi)始顯現(xiàn)。有別于常規(guī)材料，超材料易設(shè)計(jì)而難實(shí)現(xiàn)，制備一直是相關(guān)研究的技術(shù)瓶頸環(huán)節(jié)。超材料制備需要采用精準(zhǔn)的加工工藝，如光學(xué)超材料制備離不開(kāi)極限微納加工手段，而國(guó)內(nèi)的制備加工條件與國(guó)際先進(jìn)水平尚有距離，成為超材料發(fā)展的主要制約因素。

研究戰(zhàn)略導(dǎo)向缺失。國(guó)內(nèi)的超材料研究仍以自由探索為主，研究方向布局全面但重點(diǎn)不夠突出，對(duì)涉及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題重視不夠，缺乏引導(dǎo)性的國(guó)家戰(zhàn)略舉措（如重大研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家級(jí)研究平臺(tái)等）。及時(shí)介入更具產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向性的國(guó)家戰(zhàn)略需求極為迫切。

四、超材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

（一）超材料的產(chǎn)業(yè)化方向

盡管超材料在出現(xiàn)之初即呈現(xiàn)良好的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景，但在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展明顯滯后于社會(huì)預(yù)期，一直沒(méi)有形成規(guī)模較大的產(chǎn)業(yè)和量大面廣的實(shí)際應(yīng)用。近年來(lái)，全球范圍內(nèi)為數(shù)眾多的超材料初創(chuàng)企業(yè)悄然出現(xiàn)，標(biāo)志著超材料產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了快速發(fā)展勢(shì)頭。市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)對(duì)超材料產(chǎn)業(yè)的預(yù)測(cè)趨于樂(lè)觀，如2024—2029年全球超材料市場(chǎng)將從2.2億美元增長(zhǎng)到13.8億美元。就當(dāng)前的超材料產(chǎn)業(yè)看，體量最大的應(yīng)用積聚在國(guó)防軍工領(lǐng)域，增長(zhǎng)最快的應(yīng)用是（無(wú)線）通信領(lǐng)域，最具吸引力的應(yīng)用位于光學(xué)領(lǐng)域。此外，生物醫(yī)學(xué)、高端制備、能源工程等領(lǐng)域中的新材料產(chǎn)業(yè)化初見(jiàn)端倪。

1. 無(wú)線通信

超材料可用于制作各種高性能天線，獲得更強(qiáng)的功能、更小的尺寸、更寬的設(shè)計(jì)自由度、更好的可重構(gòu)性。例如，基于超材料的小型化雷達(dá)在自動(dòng)駕駛、智能交通等方面應(yīng)用前景廣闊；智能超表面是可以實(shí)時(shí)調(diào)整無(wú)源反射元件的吸收、反射、折射、相位，進(jìn)而將入射電磁信號(hào)引導(dǎo)到所需方向的新型超材料器件，在6G應(yīng)用上被寄予厚望；基于超材料的無(wú)源感知系統(tǒng)有望在物聯(lián)網(wǎng)中得到較多應(yīng)用。

2. 國(guó)防軍工

國(guó)防軍工是當(dāng)前超材料的最大應(yīng)用市場(chǎng)，超材料可在飛行器電磁隱身、雷達(dá)散射截面控制等方面發(fā)揮特殊的作用，在聲隱身、激光武器防護(hù)、裝備能量吸收等方向也有良好的應(yīng)用潛力。新一代飛機(jī)等裝備對(duì)輕量化、隱身化、環(huán)境適應(yīng)性提出了極高要求，將提高超材料在相關(guān)結(jié)構(gòu)部件、功能組件中的應(yīng)用占比。

3. 光學(xué)與光電子工程

光學(xué)器件一直是最具市場(chǎng)前景的超材料研究方向。基于超材料的高分辨光學(xué)成像、超薄透鏡等為高端光學(xué)儀器提供了變革性技術(shù)路徑，也為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)／虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)提供了新手段?；诔牧系膩啿ㄩL(zhǎng)光子學(xué)為克服光信息技術(shù)面臨的光學(xué)器件尺寸偏大、集成困難等問(wèn)題提供了解決方案。此外，超材料在特種激光光源、全息光學(xué)、光信息存儲(chǔ)等方面也有一定的應(yīng)用前景。

4. AI算力

當(dāng)前，AI應(yīng)用迅速崛起，算力成為制約AI發(fā)展的主要因素之一。以光子代替電子實(shí)現(xiàn)更高速度、更大容量、更低能耗的信息處理概念雖早已提出，但光子元件受制于光波長(zhǎng)尺度而無(wú)法像電子元器件一樣進(jìn)行大規(guī)模集成，因而一直未能獲得實(shí)際應(yīng)用?；诔牧系墓庥?jì)算技術(shù)進(jìn)展較快，有望打破這一發(fā)展僵局，實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)光學(xué)器件的集成，使光子學(xué)芯片的大規(guī)模集成成為可能，為AI算力的躍升開(kāi)辟新技術(shù)途徑。

5. 能源工程

基于超材料的輻射制冷技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，有望形成一定規(guī)模的應(yīng)用市場(chǎng)。超材料的高效光（電磁波）捕獲能力為太陽(yáng)能電池發(fā)展注入了新的活力，也為無(wú)源能量收集提供了新方案。超材料有望應(yīng)用于無(wú)線能量傳輸，在發(fā)射器、接收器之間產(chǎn)生電磁場(chǎng)以傳輸電力，在遠(yuǎn)距離無(wú)線充電器、生物醫(yī)學(xué)植入物、電動(dòng)汽車等設(shè)備上有著良好的應(yīng)用前景。

6. 生物醫(yī)學(xué)工程

電磁超材料在磁共振影像增強(qiáng)，高選擇性、高靈敏度生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)方向的應(yīng)用初見(jiàn)成效。超材料生物傳感器可有效提高光學(xué)生物傳感器的靈敏度和品質(zhì)因數(shù)，實(shí)現(xiàn)更低的濃度檢測(cè)極限。此外，機(jī)械（力學(xué)）超材料在組織工程、人造骨骼等方面也有良好的應(yīng)用潛力。

7. 高端裝備

聲學(xué)超材料契合高速鐵路車輛等裝備的減振降噪需求，機(jī)械（力學(xué)）超材料在機(jī)器人、低空飛行器等裝備上有望獲得規(guī)?；瘧?yīng)用。加載超材料的射電天文望遠(yuǎn)鏡可大幅提高觀測(cè)的靈敏度和分辨率。此外，超材料也開(kāi)始探索應(yīng)用于暗物質(zhì)探測(cè)等科研裝備。

8. 超構(gòu)工程

基于超材料的工程設(shè)計(jì)理念有望在一些大型工程上獲得應(yīng)用，如大型建筑物的抗震結(jié)構(gòu)、海浪防護(hù)結(jié)構(gòu)、橋梁骨架結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)能電池板的折紙超材料結(jié)構(gòu)等。盡管這些大尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超出了“材料”范疇，但技術(shù)革新價(jià)值明確、潛在應(yīng)用規(guī)模較大。

（二）超材料的產(chǎn)業(yè)鏈格局

相較常規(guī)材料，超材料的產(chǎn)業(yè)鏈相對(duì)簡(jiǎn)單：上游環(huán)節(jié)包含超材料基體的原材料（如金屬靶材、陶瓷介質(zhì)、單晶基片、半導(dǎo)體、增材制造漿料、二維材料、特種高分子材料），加工制備裝備（如微納加工、增材制造、精密數(shù)字制造等方面的裝備），設(shè)計(jì)裝備及軟件（如服務(wù)器、超算平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)、工業(yè)設(shè)計(jì)軟件）；中游環(huán)節(jié)主要是各類超材料與相關(guān)器件的設(shè)計(jì)與制造；下游環(huán)節(jié)為各類應(yīng)用領(lǐng)域。就國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀而言，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)峭〞车?，但上游環(huán)節(jié)的加工制備裝備、設(shè)計(jì)軟件仍存在短板。

從國(guó)外情況看，從事超材料研發(fā)和生產(chǎn)的企業(yè)主要分為兩類。① 綜合性企業(yè)，重在將超材料用于整機(jī)產(chǎn)品，包括大型軍工和裝備制造企業(yè)（如美國(guó)的洛克希德·馬丁空間系統(tǒng)公司、英國(guó)的羅爾斯·羅伊斯公司，日本的豐田汽車公司），大型高科技企業(yè)（如美國(guó)的蘋果公司、三星電子有限公司）；② 初創(chuàng)型企業(yè)，技術(shù)多源于大學(xué)的科研成果，產(chǎn)品類型較為單一，較為知名的有美國(guó)的Kymeta集團(tuán)（主營(yíng)超材料平板天線）、MetaShield有限公司（主營(yíng)光學(xué)超材料產(chǎn)品）、Applied Metamaterials公司（主營(yíng)超材料噪聲控制）、Evolv Technology公司（主營(yíng)超材料毫米波成像系統(tǒng)）、Echodyne公司（主營(yíng)小型超材料雷達(dá)）、Metawave公司（主營(yíng)超材料智能雷達(dá)），加拿大的Metamaterial Technologies公司（主營(yíng)光學(xué)超材料），英國(guó)的Metasonics公司（主營(yíng)聲學(xué)超材料）、TeraView公司（主營(yíng)太赫茲超材料成像產(chǎn)品）。

我國(guó)的超材料產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程與國(guó)際同步，涉足超材料產(chǎn)業(yè)的大型企業(yè)主要有航空、航天、電子、船舶、通信等領(lǐng)域的國(guó)有企業(yè)，包括華為、中興、聯(lián)想、京東方等品牌在內(nèi)的高科技企業(yè)。此外，深圳光啟高等理工研究院具有先發(fā)優(yōu)勢(shì)，一些具有技術(shù)特色的超材料專業(yè)企業(yè)相繼成立，如深圳邁塔蘭斯科技有限公司（主營(yíng)超材料透鏡）、南京光聲超構(gòu)材料研究院有限公司（主營(yíng)聲學(xué)超材料產(chǎn)品）、南京南智先進(jìn)光電集成技術(shù)研究院有限公司（主營(yíng)光學(xué)超材料產(chǎn)品與服務(wù)平臺(tái)）、江蘇賽博空間科學(xué)技術(shù)有限公司（主營(yíng)通信超材料產(chǎn)品）、清超卓影（北京）醫(yī)療科技有限公司（主營(yíng)醫(yī)用超材料）等。

（三）超材料的產(chǎn)業(yè)發(fā)展策略

發(fā)達(dá)國(guó)家在超材料研究及產(chǎn)業(yè)化方面采取了不同的發(fā)展策略。美國(guó)的主要研究支持來(lái)自國(guó)防部門，具有軍工需求牽引基礎(chǔ)研究的發(fā)展特點(diǎn)，較多采用大學(xué)成果產(chǎn)業(yè)化擴(kuò)散的發(fā)展機(jī)制。英國(guó)的主要研究支持來(lái)自國(guó)家科研與創(chuàng)新署等公立機(jī)構(gòu)，具有國(guó)家重點(diǎn)支持前沿基礎(chǔ)研究的發(fā)展特點(diǎn)，較多采用基礎(chǔ)研究成果產(chǎn)業(yè)化擴(kuò)散的發(fā)展機(jī)制。歐盟的主要研究支持來(lái)自“歐盟框架計(jì)劃”、歐洲理事會(huì)，具有民品應(yīng)用牽引基礎(chǔ)研究的發(fā)展特點(diǎn)，確?；A(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)化的密切銜接。日本的主要研究支持來(lái)自大型企業(yè)，具有基礎(chǔ)研究應(yīng)用背景明確的發(fā)展特點(diǎn)，相關(guān)成果主要應(yīng)用到整機(jī)。

相比發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)在超材料領(lǐng)域的發(fā)展部署更為全面。迄今為止，國(guó)家自然科學(xué)基金支持的超材料研究論文產(chǎn)出占全球相關(guān)論文的23.7%?！肚把夭牧袭a(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)發(fā)展指導(dǎo)目錄（第一批）》（2023年）、《新材料中試平臺(tái)建設(shè)指南（2024—2027年）》均納入超材料，國(guó)家“十三五”規(guī)劃綱要將超材料列為待發(fā)展的高端材料類型，“變革性技術(shù)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題”重點(diǎn)專項(xiàng)、“智能傳感器”“高端功能與智能材料”等國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目均支持超材料研究。此外，一些地方性的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃明確支持超材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展。也要注意到，超材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展部署仍存在一些不足：政策覆蓋范圍廣，超材料概念泛化，強(qiáng)調(diào)“面面俱到”而重點(diǎn)不夠突出，發(fā)展目標(biāo)不夠聚焦；指標(biāo)導(dǎo)向較強(qiáng)，而戰(zhàn)略導(dǎo)向不足；對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)、技術(shù)瓶頸問(wèn)題的把握不夠精準(zhǔn)，產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)乱宋吹玫綉?yīng)有關(guān)注。

五、超材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和新機(jī)遇

（一）超材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

1. 制備技術(shù)

制備技術(shù)仍是各國(guó)發(fā)展超材料的主要瓶頸環(huán)節(jié)。以受到較多關(guān)注的光學(xué)超材料為例，盡管應(yīng)用前景清晰、需求明確，但眾多的研究工作仍位于原理層次，主要原因是高精度的制備加工手段缺乏；實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維光學(xué)超材料技術(shù)難度極大，導(dǎo)致很多工作聚集在制備難度較低、與半導(dǎo)體工藝兼容度高的超表面方向，但理想的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果依然稀缺。超材料的進(jìn)一步發(fā)展及其工程應(yīng)用，強(qiáng)烈依賴各種尺度的高精密材料加工制備技術(shù)。

2. 測(cè)試與表征技術(shù)

超材料的種類和性能參數(shù)多樣，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試表征技術(shù)難度較大。特別是結(jié)構(gòu)單元屬于微觀尺度的超材料（如光學(xué)超材料）、工作尺度位于超大尺度的超材料（如通信和隱身用超材料）、特殊服役環(huán)境下的超材料（如減震機(jī)械超材料），在工作環(huán)境條件下的服役性能監(jiān)測(cè)依然缺乏有效手段。

3. 工程化技術(shù)

超材料較常規(guī)材料具有更高的設(shè)計(jì)自由度和性能空間，但與常規(guī)材料源于自然、易于獲得的特點(diǎn)不同，制造超材料人工結(jié)構(gòu)通常需要更復(fù)雜的技術(shù)、更高的成本，成為制約超材料產(chǎn)業(yè)化、超材料量大面廣應(yīng)用的重要因素。此外，器件化工程中超材料與其他材料的兼容性、超材料器件與其他器件的集成等問(wèn)題，也是制約超材料產(chǎn)業(yè)化發(fā)展、規(guī)?；瘧?yīng)用的因素。

4. 產(chǎn)業(yè)鏈

除了少數(shù)具有明確需求的應(yīng)用（如軍用隱身、超材料共型天線）涉及的超材料，多數(shù)超材料的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展驅(qū)動(dòng)力都源于新型功能器件。超材料的研發(fā)力量以小型初創(chuàng)企業(yè)為主，無(wú)論是上游的原材料、制備、測(cè)試裝備，還是下游的應(yīng)用場(chǎng)景，均未充分發(fā)育，也都不夠完善，制約了超材料產(chǎn)業(yè)成型和壯大的速度。

5. 研發(fā)人才

超材料研發(fā)需要跨學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)、較強(qiáng)的理論基礎(chǔ)、良好的綜合交叉能力，而全球范圍均存在超材料高水平研發(fā)人員匱乏的情況。國(guó)內(nèi)交叉學(xué)科領(lǐng)域的人才培養(yǎng)質(zhì)量不能滿足批量培育高水平超材料研發(fā)人員的要求，而高校、科研院所在超材料基礎(chǔ)科研的旺盛需求，與超材料企業(yè)構(gòu)成了直接的人才競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

（二）AI技術(shù)為超材料產(chǎn)業(yè)帶來(lái)新發(fā)展機(jī)遇

AI技術(shù)發(fā)展迅速，成為超材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展最主要的機(jī)遇條件。AI技術(shù)為超材料設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的工具，超材料為解決作為AI技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)的算力問(wèn)題提供了新途徑，因而超材料與AI技術(shù)具有良好的互促發(fā)展前景。

1. AI技術(shù)在超材料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

超材料原理清晰，是具有可逆向設(shè)計(jì)特性的材料類型。傳統(tǒng)的超材料設(shè)計(jì)方法依賴物理模型、試錯(cuò)法、基于經(jīng)驗(yàn)的參數(shù)優(yōu)化，但設(shè)計(jì)需求的多樣化、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化致使傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的局限性逐漸顯現(xiàn)。例如，超材料設(shè)計(jì)的計(jì)算資源需求高，導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò)程效率低下；超材料的發(fā)現(xiàn)依賴設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)，需要設(shè)計(jì)者具有寬廣的專業(yè)知識(shí)；超材料的設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程復(fù)雜且不易收斂，試錯(cuò)法的局限性突出表現(xiàn)在僅能進(jìn)行設(shè)計(jì)空間內(nèi)的有限探索。機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等AI技術(shù)，為超材料設(shè)計(jì)提供了理想的能力支持，可有效克服傳統(tǒng)超材料設(shè)計(jì)方法的缺陷、大幅提高超材料設(shè)計(jì)效率，有望促成快速高效、智能化的超材料研發(fā)范式。

2. 超材料在AI技術(shù)演進(jìn)中的應(yīng)用

按照目前的AI技術(shù)發(fā)展速度，算力需求每年將增長(zhǎng)10倍，而實(shí)際上全球算力的年均增長(zhǎng)速度不足50%，因而算力成為制約AI技術(shù)演進(jìn)的瓶頸環(huán)節(jié)。另外，立足當(dāng)前以微電子學(xué)為基礎(chǔ)的計(jì)算技術(shù)，訓(xùn)練新一代生成型AI系統(tǒng)產(chǎn)生的電力消耗將遠(yuǎn)超預(yù)期，導(dǎo)致常規(guī)能源系統(tǒng)難以承擔(dān)。為此，使用光子而非電子進(jìn)行計(jì)算的光計(jì)算技術(shù)，具有高速度、大容量、低能耗、易于并行的特點(diǎn)，有望克服電子計(jì)算的性能瓶頸、大幅提升計(jì)算速度，成為支撐未來(lái)AI技術(shù)演進(jìn)的理想計(jì)算技術(shù)形式。然而，受制于光學(xué)器件衍射極限，單一光學(xué)（光子）器件尺寸較大，難以像電子器件一樣實(shí)現(xiàn)單一器件的納米尺度構(gòu)建與大規(guī)模集成，導(dǎo)致大算力光信息處理系統(tǒng)建設(shè)面臨重大挑戰(zhàn)。針對(duì)這一問(wèn)題，超材料可提供出路：超材料可在亞波長(zhǎng)尺度上對(duì)電磁波進(jìn)行高自由度的調(diào)制，能夠與現(xiàn)有的芯片技術(shù)進(jìn)行兼容和集成，有望為大規(guī)模集成的光計(jì)算系統(tǒng)提供符合預(yù)期的材料能力。國(guó)際上的一些前沿研究成果證明了將超材料用于光計(jì)算的可行性及先進(jìn)性[30]。光計(jì)算技術(shù)發(fā)展需求也為超材料規(guī)?；瘧?yīng)用提供了難得的機(jī)遇。

六、超材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議

（一）以重點(diǎn)應(yīng)用需求為牽引進(jìn)行重大項(xiàng)目布局

瞄準(zhǔn)若干重大需求，布局超材料重點(diǎn)項(xiàng)目，進(jìn)而“以點(diǎn)帶面”，全面提升超材料研究水平，穩(wěn)健推動(dòng)超材料產(chǎn)業(yè)化。鑒于算力的迫切需求和重要價(jià)值，建議以科技專項(xiàng)的形式推動(dòng)光計(jì)算超材料研究，由相關(guān)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室牽頭，組織優(yōu)勢(shì)力量集中開(kāi)展攻關(guān)，全面提升超材料研究能力與應(yīng)用水平。此外，針對(duì)應(yīng)用需求強(qiáng)烈、技術(shù)路線明確的超材料提供重點(diǎn)支持，加快提高超材料輻射制冷、基于超材料的亞波長(zhǎng)顯微、面向6G的智能超表面、超材料賦能生物醫(yī)學(xué)、軍用隱身與透波、超材料賦能高端裝備等方面的技術(shù)成熟度。

（二）建設(shè)國(guó)家級(jí)超材料制備、大數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)平臺(tái)

制備工藝是各國(guó)超材料發(fā)展面臨的主要瓶頸，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)制備是超材料走向應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。建議在現(xiàn)有國(guó)家級(jí)超材料制備平臺(tái)的基礎(chǔ)上，面向超材料工程化技術(shù)發(fā)展需求，合理加大專用裝備研發(fā)投入，持續(xù)提高并完善各類超材料的制備工藝水平，為國(guó)內(nèi)超材料的研究和產(chǎn)業(yè)化提供堅(jiān)實(shí)支撐。發(fā)揮新型舉國(guó)體制的優(yōu)越性，建設(shè)國(guó)家新材料大數(shù)據(jù)中心，全面收集、挖掘、完善各類超材料的設(shè)計(jì)仿真數(shù)據(jù)以及產(chǎn)業(yè)鏈上的數(shù)據(jù)要素；形成服務(wù)全國(guó)超材料研究的平臺(tái)能力，加快推動(dòng)AI技術(shù)在超材料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

（三）組建國(guó)家級(jí)創(chuàng)新聯(lián)合體并促進(jìn)跨學(xué)科人才培養(yǎng)

推動(dòng)企業(yè)主導(dǎo)的超材料“產(chǎn)學(xué)研”深度融合，面向市場(chǎng)需求開(kāi)展超材料的全方位研發(fā)，驅(qū)動(dòng)工程技術(shù)開(kāi)發(fā)與原理科學(xué)研究相結(jié)合，加快構(gòu)建超材料創(chuàng)新體系；同步開(kāi)展超材料設(shè)計(jì)、制程、驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)。加強(qiáng)超材料研發(fā)與電子學(xué)、光學(xué)工程、機(jī)械等領(lǐng)域知識(shí)的結(jié)合，批量培養(yǎng)高水平的跨學(xué)科人才，保障超材料產(chǎn)業(yè)化發(fā)展質(zhì)量。建議將超材料列為交叉學(xué)科或者材料科學(xué)與工程的二級(jí)學(xué)科，在具備條件的高校和科研院所中，以交叉學(xué)科或者自設(shè)二級(jí)學(xué)科的方式多層次培養(yǎng)超材料人才。

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作者簡(jiǎn)介

周濟(jì)：無(wú)機(jī)非金屬材料專家，中國(guó)工程院院士。主要從事信息功能陶瓷材料與元器件研究。

張聯(lián)盟：功能梯度復(fù)合材料專家，中國(guó)工程院院士。主要從事先進(jìn)復(fù)合材料研究。