世界经济论坛（WEF）于2021年11月启动《2021十大新兴技术》报告自2012年以来，世界经济论坛发布了年度报告《十大新兴技术》2015年的报告，世界经济论坛和《科学美国人》该杂志合作，双方专家共同撰写报告。2021份报告是本系列中的第十篇。报告指出，创新有助于应对社会挑战，尤其是气候变化。
脱碳热潮
在第一位科学家提出二氧化碳可以在大气中吸收热量的100多年后，在“气候变化”成为一个常见术语的几十年后，世界各国和行业提出了减少碳足迹的新承诺，并设定了雄心勃勃的目标。在未来三到五年内，将出现一系列技术，显示出大规模操作的能力。
世界上只有不到2%的私人和商业道路运输车辆抵达零排放。另一方面，轨道交通和海上运输都有低碳解决方案，但障碍不仅来自技术层面，还来自政治障碍，因为改造项目需要巨大的资金投入。据估计，美国13%的碳排放来自住宅和商业建筑中用于取暖和烹饪的燃料。为了减少这一地区的碳排放，有必要推广净尼古拉斯·零排放暖通空调以及被动式太阳能环境系统，并使用可再生木材和低碳水泥等天然建筑材料。
丰富的可再生能源的使用是主要原因温室气体来源“脱碳”，例如“绿色”氢。由非碳基燃料产生的氢气可以成为无污染燃料，并且是化工行业中无碳足迹的基本原材料。在扩大光伏、风能、水电、潮汐能、核能等能源技术的同时，我们还应该克服能源储存的障碍。可靠、高效且价格合理的工业规模储能技术仍处于起步阶段。为了减少现有化石燃料发电产生的污染物，需要开发更多的碳捕获、碳再利用和碳封存技术。
自己生产肥料的作物
世界上不断增长的人口严重依赖含氮肥料为他们提供足够的食物。根据联合国粮食及农业组织（foodandAgricultureOrganizationoftheUnitedNations）的数据，维持全球作物产量每年需要约1.1亿吨氮。通常制造的氮肥该方法是将空气中的氮转化为氨，一种可供植物使用的含氮化合物。这种转化过程维持了全球约50%的粮食产量，但也占全球粮食产量的1%~2%二氧化碳排放来源。
为了开发一种解决方案，研究人员从自然界制造氮肥的方法中获得了一些提示。豆科植物有一种聪明的方法来制造自己的氮。豆科植物的根与土壤中的细菌相互作用，促进细菌迁移到根中，形成一种叫做根瘤的共生器官。在根瘤中，植物提供糖，支持细菌，并受益于细菌的固氮能力。所谓固氮是指细菌将大气中的氮转化为氨。通过这种方式，豆科植物通过与古代土壤细菌的共生关系获得氮，而不依赖化肥。
研究人员已经表明，根瘤（天然肥料植物）的形成涉及土壤细菌和豆类植物根系之间的分子通讯。这激发了一些令人兴奋和有用的想法基因工程该方法为其他植物获得固氮能力提供了一条新途径。在另一种研究中，科学家们将重点放在自然迁移到谷类植物根部但不能固氮的土壤细菌上，并利用基因工程来教它们产生固氮酶。很快，这些能够利用自然共生关系的作物可能会成为可持续粮食生产的关键要素。
呼气传感器在疾病诊断中的应用
当警方怀疑司机酒后驾车时，他们可以使用呼气酒精检测仪。司机可以一口气测量血液酒精浓度。那么，我们可以通过呼气来诊断疾病吗？
答案是肯定的。人类呼吸中含有800多种化合物。最近的研究表明，某些化合物的浓度与不同的疾病状态密切相关。例如，呼吸中丙酮含量较高是糖尿病的有力指标。呼气中较高浓度的一氧化氮与细胞炎症有关，因此可作为呼吸系统疾病的指标生物标志物;乙醛它与肺癌的高浓度密切相关。
当有人向采样器吹气时，他的呼气进入传感器。传感器通常基于金属氧化物半导体的电阻变化。几分钟内，一台外部计算机使用软件分析生成呼吸中存在的化合物列表。除了比血液分析更快地产生结果外，呼吸传感器还提供了一种非侵入性的方法来收集关键健康数据，这在医疗资源有限的低收入国家可以发挥巨大作用。
2020年3月，以色列理工学院2019冠状病毒疾病的胡萨姆Haek（HOSAMHAKICE）和他的同事在中国武汉进行了一项探索性临床研究，以从呼吸中检测COVID-19。他们的传感器达到了95%的准确度和100%的灵敏度。2021，美国卫生和人类服务部（HHS）提供了3800万美元。国家航空和航天局“开发”电子鼻”多用途，用于2019冠状病毒疾病的检测。
在呼气传感器技术大规模推广之前，需要克服几个关键挑战。首先，必须提高某些疾病的检测准确率，尤其是对肺结核还有癌症。其次，呼吸样本中的各种化合物会混淆测试结果并产生假阳性。为了获得更高的精度，分析传感器数据的算法也需要改进。第三，需要在临床试验上投入更多资金，以帮助在大群体中验证这项技术的有效性。
按需生产毒品
下次你走进当地药房时，药剂师会不会不再在一排预先生产的药物中寻找你处方上的药物，而是为你量身定制药物，使其剂量和剂型恰到好处？微流体和按需药物生产的最新进展将把这些想法变成现实。
传统上，药物是在多个过程中大量生产的，然后分发到世界各地的许多地方。数百吨的原材料支撑着如此大规模的生产。确保原材料质量和供应的稳定性不是一个小挑战。
相比之下，按需药物生产（也称为连续流动药物生产）在一个过程中生产药物，流动成分通过导管注入一系列微反应室。药物根据需要在一个地点生产，这意味着药物可以在偏远地区或野战医院合成。这也意味着无需投入太多资源来储存和运输药物，药物也可以针对个别患者进行定制。
2016年，麻省理工学院在与美国国防高级研究计划局的合作下，研究人员首次证明了按需生产药物的可行性。他们制造了一台冰箱大小的机器，利用连续流动生产四种常见药物：抗过敏药盐酸苯海拉明治疗焦虑症安定，抗抑郁药、盐酸氟西汀、局部麻醉药盐酸利多卡因。他们在24小时内生产了1000剂这四种药物。
今天，包括莉莉约翰逊、包括诺华、辉瑞和富泰在内的许多制药公司都在尝试使用连续生产技术，至少在某些制药过程中是这样。
目前，便携式按需制药机的成本高达数百万美元，难以大规模展示。还需要新的质量保证和质量控制措施来管理药物配方和单一药物批次的个性化。随着成本的降低和监管框架的改善，按需药品生产可能会改变药品生产的地点、时间和方式。
无线信号电源
构成物联网的无线设备是一个比以往任何时候都更加互联的世界的重要支持。其中包括部署在数千户家庭中的设备，例如生物医学科学用于各种用途的可穿戴设备；还有一些传感器部署在危险和难以接近的区域。随着物联网的扩展，农业运营中使用更少的水和杀虫剂、更节能的智能网络、监测桥梁或混凝土基础设施内部缺陷的传感器以及泥石流和地震等灾害的预警传感器成为可能。
据估计，到2025年，将有4000亿台物联网设备上线。按需为这些设备提供方便的能源是一个巨大的挑战。一个长期存在的解决方案是使用来自Wi-Fi路由器和接入点的无线信号。5G这项技术将把无线能量捕获提升到一个新的水平。5g技术出现后，联邦通信委员会移动电话信号首次被允许进入更高频率的毫米波频谱（但对人类仍然安全）。加上更高的信息传输速率，5g无线信号可以传输比4G信号更多的辐射能。
设备如何从无线信号中获取能量？Wi-Fi和5g以特定频率传输电磁波，在宽频谱中，它介于调频收音机、微波和毫米波之间。该过程的第一步是通过接收天线捕获无线信号携带的能量。天线将能量发送到电子整流器电路，该电路使用半导体将能量转换为电能直流电压，因此，设备可以充电或通电。这个天线和整流器组合天线（或转换器）称为整流天线。整流后的天线是电源管理电路。在放大电压的同时，电路本身消耗的功率可以忽略不计。
许多初创企业现在提供依赖专用无线发射器的无线充电产品。然而，在未来，这种设备将能够从Wi-Fi和5g信号中提取能量。正如移动电话让人们摆脱了固定电话，更新了他们的通讯能力，这项新技术将在未来为人类提供自由。
基因工程实现不衰老的衰老
根据世界卫生组织从2015年到2050年，60岁以上人口占全球人口的比例将几乎翻一番，从12%增加到22%，给医疗体系和社会带来巨大挑战。衰老、痴呆、癌症2型糖尿病、动脉粥样硬化和其他慢性疾病。自古以来，人类就渴望逆转衰老或寻找“青春之泉”。了解衰老背后的分子机制可以帮助人类活得更长更健康，这一领域的科学研究才刚刚开始。
在各种各样的帮助下”经济学”技术（例如，同时量化所有基因的活性，或细胞中所有蛋白质和代谢物的浓度），结合表观遗传学随着新知识的出现，衰老背后的关键机制变得越来越清晰。一个例子是使用一组特定的表观遗传学标记物（因行为或环境而改变基因活性的修饰）或代谢化合物，以确定生物体的生物年龄。
这些标记物也是老年疾病和相关死亡风险的有力预测因子。科学研究证明，随着年龄的增长，变异的数量会增加；人体对这些变体的修复可能会受到影响脱氧核糖核酸身体上有与衰老有关的迹象，这是另一种标记。DNA损伤也与细胞衰老或衰老有关干细胞与消耗有关。
在了解衰老的机制后，我们可以开发针对性的疗法。最近的一项临床研究表明，一年服用多种药物，包括人类生长激素，可能会使“生物钟”倒退1.5年。研究人员已经成功证明，四种与衰老相关的基因疗法可以在小鼠身上成功逆转。科学家还确定，将年轻小鼠血液中的蛋白质输注到老年小鼠体内，可以改善与衰老相关的脑功能障碍标志物。研究结果表明，该疗法可能逆转与人类衰老相关的认知功能下降。
绿色氨生产
哈伯-博世方法是20世纪最重要的发明之一，但许多人从未听说过。它使人类能够在工业规模上进行合成氨。氨被用于生产化肥，世界上50%的粮食依赖化肥，这使得氨的生产对全球粮食安全至关重要。然而，氨合成是一个高能耗的化学过程，需要催化剂将氮原子与氢原子分离氢原子结合体
作为大气的主要成分氮不同的是，氢必须人工合成。目前，它主要由化石燃料生产。天然气、煤炭或石油暴露于高温水蒸气中以产生氢气。问题是，这一过程产生了大量二氧化碳，占全球二氧化碳总排放量的1%至2%。
利用可再生能源分解水来生产“绿色”氢气有望改变这种状况。除了消除制氢过程中的碳排放外，这种方法生产的氢气更纯净，化石燃料中不含任何化学物质，如含硫化合物和含砷化合物催化剂“中毒”避免反应效率下降。
更纯净的氢还意味着可以开发出更好的催化剂，因为催化剂不再需要耐受来自化石燃料的有毒化学物质。事实上，丹麦的topso和其他公司已经宣布，他们已经从完全可再生的资源中开发了一种新型催化剂，可用于绿色氨生产过程。西班牙化肥集团和能源公司伊比德罗拉酒店合作，大力拓展绿色氨生产规划，从建设2000万千瓦的中试厂到建设八亿瓦的太阳能电解制氢厂。
目前，最大的障碍是绿色“氢”的高成本。30家欧洲能源公司启动了“氢交易雄心”项目，目标是到2030年以每公斤1.5欧元的价格供应“绿色”氢。如果项目成功，可能会释放出许多“绿色”氨的新应用，包括将氨重新分解成氢气，从而建立绿色氢氨循环。
无线生物标志设备
没有人喜欢针灸。然而，监测糖尿病等慢性疾病需要频繁的血液采样来识别和跟踪某些生物标志物。目前，100多家公司正在开发无线便携式可穿戴传感器，这将很快使持续监测健康信息成为可能。
监测设备使用多种手段检测汗水、眼泪、尿液或血液中的生物标记物。有些使用光或低能量电磁辐射，与天线和电子设备相结合。有些使用可穿戴的柔性电子传感器。为了检测生物标志物，监测设备需要寻找电流、电压或电压电化学浓度的变化。
这项技术最适合的目标是糖尿病。据估计，到2030年，全世界将有5.78亿人被诊断为糖尿病。迫切需要一种便携式设备以无创方式监测血糖水平。一种方法是使用毫米波和近红外感应无线电磁场。患者手指的电压变化可能与血糖水平有关。另一种方法是将可穿戴电子设备放入衣服中，并在微波范围内使用电磁波来检测血液流动中的葡萄糖水平。第三种方法是从正常电路中提取少量纹身液毛细管然后评估这些“汗液”中的葡萄糖水平。类似地，纹身样回路也可以分析汗液中乳酸的变化。该应用程序赢得了体育产业的投资。
无线传输系统可以与不同类型的传感器配对。令人惊讶的是，眼泪也能揭示很多健康信息。透明电子隐形眼镜可以通过无线方式检测癌症的生物标志物，或者检测血糖水平以监测糖尿病。唾液中的生物标记物可能指示生理和心理压力，或艾滋病、肠道感染，2019冠状病毒疾病和新冠肺炎。当唾液传感器集成到带有RFID技术的牙齿保护器中时，它还可以监测口腔卫生和检测牙齿龋齿还有畸形的牙齿。
用当地材料印刷房屋
根据联合国根据这份报告，全世界有16亿人缺乏住房。使用3D打印技术建造房屋有助于克服这一挑战。3D打印住房的概念并不新奇。许多企业进行了尝试，取得了可喜的成果。混凝土等材料沙砾、塑料和粘合剂的混合物被一台巨大的机器运到了施工现场3D打印机挤压成型。3D打印房是一种相对简单、成本较低的施工方法，适用于偏远贫困地区。然而，基础设施的缺乏使得运输建筑材料变得困难。
在不久的将来，几家公司计划使用火星灵感来源于使用当地材料打印三维房屋的想法。在意大利拉文纳伦巴达小镇马萨，马里奥·库奇内拉建筑事务所使用当地的粘土印刷房屋构件，大大降低了建筑的复杂性、成本和能耗。粘土与大麻纤维和液体粘合剂混合，然后通过意大利三维打印公司wasp的机器一层一层地挤压，形成房屋所需的复杂形状和表面。
wasp与ricehouse（一家设计公司）合作展示了另一种施工方法，其灵感来源于数百年来在干旱地区制作泥砖的经验。建筑商将传统泥浆混合物与粘结纤维混合，粘结纤维可以是天然纤维。之后，不用手动将基板挤压到模具中，而是通过wasp公司提供的三维打印机将材料泵出。最后，房屋的建造时间比传统方法所需的时间要短得多。印刷墙的刚性几何学还提供了额外的强度保证。
当这些建筑结构达到使用寿命时，可以简单地将其压碎成基质并重新使用。这种零废物模式（或回收模式）可以追溯到数千年前。停留西西里岛在埃里克山上，仍有一些房屋是用10世纪房屋的残余材料建造的。
太空与地球相连
如今，至少有100亿个有源设备构成了物联网，预计在未来10年将翻一番。为了扩大物联网在通信和自动化方面的好处，我们需要将设备扩展到世界各地，并收集字节级的数据。这些数据被吸收到云数据中心，利用率人工智能例如，识别自然灾害和模式。然而，有一个大问题：蜂窝网络覆盖的面积不到地球的一半，连通性存在巨大差距。
天基物联网系统可以填补这些空白。该系统使用了一个低成本、低重量（小于10公斤）的纳米卫星网络，这些卫星在离地球数百公里的轨道上运行。第一颗纳米卫星于1998年发射；今天，大约有2000颗纳米卫星用作轨道监测卫星。SpaceX、星链、Oneweb亚马逊电信卫星等公司已经使用纳米卫星提供全球互联网覆盖。
由地球上的微型电池供电的物联网设备将很快能够与轨道上的纳米卫星联系。来自设备的数据（例如从跟踪传感器获得的定位读数）将上传到卫星。所使用的低能耗和低成本通信协议类似于远程通信和sigfox的通信网络，甚至微弱信号也可以解码。然后，卫星将数据传输到地面站，在那里对数据进行分析。
使用这项技术后，各种数据驱动的应用程序甚至可以在无法访问或难以连接的地方显示出强大的功能。然而，这套空间物联网仍然面临多重挑战。例如，纳米卫星的使用寿命相对较短，只有两年左右，必须由昂贵的卫星取代地面站需要支持的基础设施。为了应对地球轨道上日益严重的空间垃圾问题，NASA和其他机构正在实施计划，要么让卫星在运行期结束时自动离开轨道，要么使用其他航天器收集退役卫星。
同样重要的是，从卫星提供安全可靠的高带宽通信连接，以在不同天气条件和地区保持网络连接。
-本文摘自《世界科学》2022年第一期杂志的“智库观察”专栏
资料来源：
2021大10大新兴技术
END
最新评论