不久前《科学美国人》以及世界经济论坛《2021年十大新兴技术》（2021年度的10大新兴技术）总结了2021的技术创新可以帮助解决世界上最紧迫的社会问题，如气候治理、能源短缺、维持粮食生产、改善全球健康等。这些问题往往是相互关联的，所以它们也需要一起解决。今年，新技术在这方面取得了显著成就。
1.脱碳技术的大规模应用
今年，应对气候变化的全面承诺催生了一系列新技术和方案，许多脱碳技术将在未来三到五年内大规模应用。目前，世界上只有不到2%的私家车和商用车实现了零排放，铁路和航运设计的低碳方案还没有得到大规模应用。美国约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。在这方面，除了广泛使用净零排放装置和系统外，还必须转向使用天然和新型建筑材料，如可再生木材和低碳水泥。为了实现各国和各行业制定的节能减排目标，我们需要大力发展光伏、风能、水电、潮汐能、核能等零排放技术，发展更多的碳捕获、再利用和储存技术。此外，人造肉等蛋白质替代品应占据更大的市场份额，以减少饲养牲畜产生的大量碳和甲烷。通过物联网连接的传感器数据将实现对土地和作物的更智能化管理，以及对肥料和水的科学使用，这将有助于进一步减少碳排放。
2.自肥作物
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。氮肥通常将空气中的氮转化为氨，这是一种高能生产过程，将造成全球1%-2%的二氧化碳排放。许多农民无力支付昂贵的工业肥料，导致产量急剧下降，增加了自然土地的压力。在这方面，研究人员从自然界制造氮肥的方式中找到了线索。豆科植物的根与土壤细菌相互作用。细菌在根上定居并形成共生关系，称为根瘤菌。植物提供糖来维持细菌。细菌具有固氮和将大气中的氮转化为氨的功能。科学家们正在模拟豆科植物和细菌之间的分子通讯，引导细菌在其他作物的根部定居，并训练土壤细菌，这些细菌自然会在谷物根部定居，但不能固氮以产生固氮酶。
3.使用呼吸传感器诊断疾病
人类呼气中含有800多种化合物。最近的研究结果表明，某些化合物的浓度与不同的疾病之间有很强的相关性。例如，呼吸中丙酮浓度的显著增加是糖尿病的强烈迹象。呼出的高浓度一氧化氮与炎症细胞有关；呼出的大量醛类与肺癌密切相关。呼吸传感器可以比血液采样更快地提供结果，还可以以非介入方式收集关键健康数据，从而简化医疗诊断。在医疗资源有限的低收入国家，这项技术的易用性、便携性和成本效益为医疗保健提供了新的机会。这些设备还可以帮助减缓病毒在社区中的传播，类似于个人进入公共室内空间前的温度检测。
4.快速实现按需配药
传统药物通过多个步骤大量生产，不同的部分分散在世界许多地方。支持这种大规模生产需要数百吨原材料，这很难确保统一的质量和可靠的供应，通常需要几个月才能完成药物生产并将其交付给药品制造商。相比之下，按需制药业可以同时生产所有药物。其工作原理是通过管道将原料输送至一系列小型反应罐。这种药可以根据需要在一个地方生产，也可以在偏远地区或野战医院生产。储存和运输药物所需的资源减少了，剂量可以根据不同的患者进行调整。2016年，麻省理工学院和国防高级研究计划局（DARPA）合作开发了一台冰箱大小的机器，用于生产四种常见药物：盐酸苯海拉明、地西泮、盐酸氟西汀和盐酸利多卡因。每种药物在24小时内生产1000剂。
5.来自无线信号的电能
据估计，到2025年，将有400亿台物联网设备上线。为这些设备提供方便的电源越来越成为一个巨大的挑战。正在研究的一种解决方案是利用无线网络路由器和接入点发送的无线信号供电。其原理是通过接收天线捕捉无线信号携带的能量，新兴的第五代移动通信技术（5g）将无线能量收集提升到一个新水平。在工作中，天线将能量传输到电子整流器，电子整流器使用半导体将其转换为直流电压，为设备充电或供电。整流天线后面有一个电源管理电路，功耗很小，同时起到放大电压的作用。现在，许多初创企业提供的无线充电产品都依赖于特殊的无线发射器。未来，此类设备可能能够接收无线网络和5g信号。
6.基因组学逆转衰老衰退
根据世界卫生组织（worldNicholasTseorganization）的数据，2015年至2050年间，全球60岁以上人口的比例将从12%增加到22%，几乎翻了一番，这对卫生和社会体系构成了巨大挑战。衰老伴随着痴呆、癌症、2型糖尿病和动脉粥样硬化等慢性疾病。了解衰老的分子机制可以帮助人类活得更长更健康，这只是第一步。随着组学技术的出现、改进和量化，结合表观遗传学的见解，这些关键机制变得越来越清楚。表观遗传学标记可以准确预测老年人患病和随后死亡的风险。生物体内单细胞基因信息测序的进展表明，突变的数量随着年龄的增长而增加。这种突变的修复可能会在DNA上留下与衰老有关的痕迹，这是另一个标记。近年来，人们对衰老机制的日益了解使靶向治疗成为可能，通过治疗，有可能逆转与人类年龄相关的认知衰退。
7.利用绿色氢气生产绿色氨
合成氨被用于生产化肥，化肥支撑着世界50%的粮食生产。这是全球粮食安全的关键。然而，氨合成是一个能源密集型的化学过程，需要催化剂来固定氮和氢。与空气的主要成分氮不同，氢必须合成。目前，化石燃料的生产过程将产生大量二氧化碳，占全球总排放量的1%至2%。利用可再生能源分解水产生的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，制氢过程的最终结果明显更纯净。它不含硫、砷和化石燃料中的其他化学物质，也不会影响催化剂的纯度。该催化剂完全来自可再生资源，可用于绿色氨生产。
8.使用便携式设备进行医疗信息监测
监测糖尿病和癌症等慢性疾病需要频繁的血液检测来识别和跟踪某些生物标志物。现在，100多家公司正在开发无线、便携式和可穿戴传感器，这些传感器将很快实现对这一重要信息的连续监控。监护仪使用多种方法检测汗液、眼泪、尿液或血液中的生物标记物。一些使用光或低功率电磁辐射（手机和智能手表等），结合天线和电子设备进行检测。其他人则在皮肤上使用可穿戴、灵活的电子传感器。血糖水平可以通过患者手指上的电压变化、嵌入衣服中的可穿戴电子设备以及纹身样电路提取的汗液来评估。电子透明隐形眼镜可以无线收集癌症生物标志物或血糖水平。唾液生物标记物可以指示生理和心理压力或疾病，如艾滋病毒、肠道感染、癌症和新冠。如果唾液传感器集成到带有RFID技术的口腔保护装置中，它还可以监测口腔健康，检测龋齿或畸形。
9.因地制宜实现房屋3D打印
3D打印房屋是指将混凝土、沙子、塑料和粘合剂混合物等材料运输至施工现场，并通过大型3D打印机建造房屋。联合国估计，用3D打印机建造房屋可能有助于解决全世界16亿人的住房短缺问题。作为一种相对简单且成本较低的施工方法，它似乎非常适合缓解偏远贫困地区的住房困境。然而，由于缺乏运输材料的基础设施，该技术无法在许多地方使用。最近，意大利马里奥·库奇内拉建筑事务所设计了一个房屋原型，该原型使用当地粘土打印房屋组件，大大降低了建筑的复杂性、成本和能耗。他们将土壤与某种液体粘合剂混合，然后意大利3D打印公司一层一层地喷洒房屋所需的复杂形状和表面。使用当地材料可将运输原材料减少约95%。最后，达到使用寿命的结构也可以简单地分解为基质以供重用。
10.天基物联网系统
物联网在通信和自动化方面具有巨大优势，但它需要全球范围内广泛分布的设备将海量数据收集到云数据中心，并使用人工智能模式识别异常，发现各种天气和自然灾害。目前，蜂窝网络覆盖全球不到一半，连接缺口巨大。天基物联网系统可以通过使用低成本、低重量和低空轨道的纳米卫星网络来填补这些空白。今天，全世界大约有2000颗立方体卫星可以用作轨道监测器。很快，地球上的小型电池供电物联网设备就可以与这些在轨的纳米卫星进行通信。（社会科学报纸和媒体制作的“思想研讨会”全文见《社会科学日报》及其官方网站）
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