粒子物理学是研究微观物质基本组成及其相互作用的前沿基础学科。聚焦粒子物理领域的几大研究热点方向——暗物质物理、中微子及粒子天体物理、缪子反常磁矩、重味物理与强子物理、希格斯物理与电弱物理及其他超标准模型新物理现象寻找，回顾了2021年粒子物理领域所取得的重要进展，并对相关方向的未来研究前景及未来大科学工程计划作了初步的展望。

回顾了光学领域在2021年的重大进展，盘点了微纳光学、强激光与超快光学、超分辨与成像技术、量子计算与光通信、生物光子学、量子光学、光学探测与整形、涡旋光、孤子光学、人工智能、光学传感、太赫兹光学、光伏光电、照明显示和拓扑光子学等15个光学技术研究领域的重大进展，探讨了其在未来可能会对人类生存及生活方式产生的巨大影响。

回顾了2021年天文学领域取得的重大进展，盘点了一系列重大的成果和事件：在火星探测方面，多国探测器相继抵达火星并开展科学研究，“洞察号”首次揭秘火星内部构造；中国高海拔宇宙线观测站（LHAASO）观测到1.4 PeV能量的光子；“悟空号”取得氦核70 GeV至80 TeV能段的精确能谱；冰立方中微子天文台（IceCube）捕捉到与潮汐瓦解事件相关的中微子并探测到格拉肖共振事件的粒子簇射；科学家发现宇宙早期暗能量存在的迹象；发布“嫦娥五号”月球样本的最新研究成果；在青海冷湖地区发现世界级光学台址，改善了目前国际所有优良光学天文观测台都位于西半球的局面；首次探测到明确来自黑洞-中子星并合的引力波；发现部分快速射电暴可能起源于磁陀星的观测证据，500 m口径球面射电望远镜（FAST）对FRB 121102进行了深入研究；在黑洞研究方面，科学家为超大质量黑洞提供了一种新的质量测量手段，事件视界望远镜（EHT）发布了M87黑洞偏振图像；在空间天文学方面，韦布空间望远镜发射成功，中国首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和”飞向太阳等。

2021年全球空间科学探索与发现热点竞相涌现。聚焦非载人航天，按空间天文、日球层物理、行星科学、空间地球科学等学科领域，梳理了各国空间科学任务的年度重要代表性成果，并对多个空间天文、日球层和行星（含月球）深空探测任务的工程成就和科学回报进行了归纳，包括但不限于人类航天器首次进入太阳大气层、太空台风可能影响地球空间天气、20亿年前玄武岩样品完善月球演化历史、火星地震探测揭秘其内部结构、星际空间发现等离子体波发射、深空望远镜再绘银河系结构图等。面向未来，欧洲空间科学“远航2050”规划、美国科学院2020年代天文学10年调查等给出的战略研判令人关注。尤为重要的是中国空间科学持续走近世界舞台中央，“悟空”科学数据正式公开，“慧眼号”“嫦娥五号”等科学任务助力空间科学家再度产出一批世界级原创成果。

全球科学家在新冠病毒疫情的巨大挑战中从未停止生命科学研究的步伐，2021年生命科学及相关学科仍然取得了长足的进展。概述了2021年生命科学领域最具代表性的若干项前沿研究，对蛋白质结构预测、膜蛋白结构解析、转录起始复合物的解析、人工合成淀粉、新冠病毒中和抗体、基因编辑与疾病治疗、体外胚胎培养、迷幻药与精神疾病治疗、新型干涉单分子定位显微镜和第二代微型化双光子显微镜的研发等研究及技术领域的突破进行梳理和回顾。

人类微生物组（human microbiome）指生活在人体上的互生、共生和致病的所有微生物及其遗传物质的总和。近年来，人类微生物组研究加速推进，研究内容愈加广泛和深入，其科学意义愈加凸显，被视作“人体的另一个器官”。从人类微生物组的组成和分布特征、在全生命周期中的作用、与疾病发生发展的关系、对营养代谢和药物功能的影响、基于微生物组重构的疗法开发等方面回顾了2021年人类微生物组研究领域的热点进展。

2021年，临床心理学领域取得了一系列新成果，各国研究者普遍关注新冠疫情对心理健康的影响。同时，科技进步也推动着新的心理健康服务形式趋于成熟。从新冠疫情对心理健康的影响、肥胖与心理健康、青少年抑郁症、孤独症儿童的诊断与干预、焦虑障碍的心理治疗、虚拟现实技术在心理治疗中的应用等6个方面盘点了2021年度临床心理学的研究热点。

概括了新冠病毒主要变异毒株的分类、时空分布和流行动态，以及关键变异位点和其对病毒生物学特性的影响；阐述了2021年新冠病毒基因进化起源研究进展和新冠病毒在人和动物间跨种传播的风险；论述了2021年新冠疫苗和药物的研发和使用现状，以及不完全免疫保护形势下病毒可能的变异动向；提出了疫情防控、病毒流行监测和疫苗药物研发的相应建议。

污水流行病学是调查人群消费化学物质/感染病原体和健康状况的一种有力和具有成本效益的工具，当前肆虐全球的新冠疫情推动了污水流行病学的迅速发展。从污水样品的采集、前处理及分析，物质的稳定性，校正因子的计算与不确定性分析，实施案例等方面盘点了2021年污水流行病学的重要研究及应用。

近年来，受益于3D打印先进制造技术和机器学习设计方法的快速发展，机械超材料的研究取得了卓越的成果，实现了一系列自然界罕见甚至不存在的反常规、反直觉的力学性能。与自然材料不同，机械超材料的性质主要来源于人工结构而非材料本身化学组分，故而具有巨大的设计空间。2021年，机械超材料领域涌现出了一批非常优秀的工作。从机械超材料的特异力学性能、智能化设计方法和基于增材制造的加工工艺3个方面回顾了2021年度的相关研究热点，重点关注了机械超材料与机器学习、模块化设计和3D打印制造工艺的融合。

结构色是一种环保且稳定的呈色方式，在新型显示、信息加密、色度传感、防伪标签等领域具有广泛的应用前景。打印技术是实现结构色快速图案化、发挥结构色功能的重要途径。2021年，结构色打印在原理突破、技术发展及功能拓展等方面均取得了重要进展。回顾了2021年结构色打印领域的研究热点和代表性成果，包括透明墨水的全彩结构色打印、胶体光子晶体的高性能结构色打印、介质材料的高分辨结构色打印和响应性材料的动态结构色打印等。

2021年是可重构智能超表面技术井喷的一年。作为未来无线网络研究中可能出现的新兴范式，可重构智能超表面有望通过软件编程的方式实现对电磁波的灵活操控，从而构建智能无线环境。盘点了2021年可重构智能超表面技术研究的关键热点，围绕其与通信前沿技术的融合，简述了其多输入多输出技术、非正交多址技术、移动边缘计算技术和无人机技术的融合方面的进展。

2021年，元宇宙概念引爆扩展现实（XR）产业新一轮的快速发展，XR产业在硬件侧、软件侧、内容及应用侧均取得了重大突破。XR作为元宇宙的重要入口，面临新的机遇和新的挑战。通过分析中国扩展现实产业发展过程中面临的主要问题，提出了加大底层核心零部件降本量产的创新研发支持、打破系统软件和开发工具的技术成果转化壁垒、夯实网络新基建、增强内容生产能力等建议。

近年来，智慧城市建设逐渐从信息化项目驱动向人本主义导向的融合发展模式转变，2021年智慧城市研究更加深入，智慧城市的规划建设更加高效协同，数字化场景与城市物理空间融合发展的态势日益明显。从智慧城市建设助力“双碳”目标实现、数字治理助推空间治理现代化、数字经济激发高质量发展新动能、智慧社区建设赋能品质宜居生活、智能技术应用推动新型基础设施发展、智能技术创新城市应用场景等6个方面，盘点了智慧城市建设与研究的进展。

城市更新、韧性城市建设和水生态系统保护与修复是2021年中国生态文明建设的重要议题，滨水空间作为城乡“三生”协同发展的重要空间要素，对城乡建设的品质、环境、生态价值发挥着不可替代的作用，同时滨水空间的城市空间、景观建设、水生态修复与“双碳”目标紧密相关互相促进。回顾了2021年滨水空间生态修复研究、规划建设、运营管理、新技术运用和技术规范指南建设等方面的研究和实践成果，在此基础上提出在未来的城市规划建设研究中应进一步加强滨水空间价值提升与生态修复技术和规划建设方法论的研究，加强跨学科的融合和新技术的运用，重视国际先进理念的引进和实践。

随着人工智能技术的发展以及机载任务平台性能的提升，2021年无人机技术与应用呈现新的发展态势。从无人机政策法规、自主控制、反无人机、应用领域等多方面回眸了2021年无人机的技术研究热点，分析了无人机技术领域未来的发展动向。人工智能、视觉导航等技术使无人机综合能力更加强大，也使其应用领域向更宽、更深、更综合方向拓展，尤其是人与机器人的共融联系随着人机交互技术的提升也更为紧密。综合而言，无人机向微型化、集群化、智能化、跨域化发展是必然趋势，无人机与人工智能的深度融合与跨平台实际应用仍然是当今和未来的研究热点。

面向知识网络时代的创新设计呈现绿色低碳、网络智能、开放融合、共创分享的新特征。2021年，创新设计研究在理论方法、技术手段及应用拓展等方面取得了重要进展。从生物启发创新设计、数据驱动创新设计、可持续创新设计、基于人工智能的创新设计以及面向疫情的创新设计等视角回顾了创新设计年度研究热点和代表性成果，并展望了创新设计未来的研究热点。