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　　世界经济论坛(WEF)于2021年11月发布了报告《2021十大新兴技术》。从2012年开始，WEF每年都会发布一份《十大新兴技术》的报告。自2015年以来，WEF与《科学美国人》杂志合作，双方专家合作撰写报告。《2021年报告》是该系列的第十份报告。报告指出，创新有助于克服社会挑战，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捕获大气中的热量的一百多年后，在“气候变化”成为一个常用短语的几十年后，世界各国和各行业都做出了减少碳足迹的新承诺，并制定了雄心勃勃的目标。未来三到五年，将出现一批技术，显示出规模化运营的能力。

　　世界上不到2%的私人和商业道路运输车辆实现零排放。另一方面，轨道交通和海运有低碳的解决方案，但障碍不仅来自技术层面，还来自政治层面，因为改造工程需要巨额资金投入。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。要减少这方面的碳排放，就要普及零排放的暖通空调和被动式太阳能环境系统，采用天然建筑材料，如可再生木材、低碳水泥等。

　　利用丰富的可再生能源对温室气体的主要来源进行“脱碳”，一个例子就是“绿色”氢气。非碳基燃料产生的氢气可以成为无污染燃料，成为无碳足迹的化工基础原料。在拓展光伏、风能、水电、潮汐能、核电等零排放能源技术的同时，还要克服储能的障碍。可靠、高效且价格合理的工业级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，有必要开发更多的碳捕获、碳再利用和碳封存技术。

　　自行产生肥料的作物

　　全球人口正在增长，它严重依赖氮肥为他们提供足够的食物。根据联合国粮农组织的数据，每年大约需要1 . 1亿吨氮来维持全球农作物产量。通常制造氮肥的方法是将空气中的氮转化为氨，氨是植物可以利用的含氮化合物。这一转化过程维持了全球约50%的粮食产量，但也是全球1% ~ 2%的二氧化碳排放源。

　　为了开发一套解决方案，研究人员从自然界制造氮肥的方法中获得了一些提示。豆类有一个聪明的方法来自己制造氮。豆科植物的根与土壤中的细菌相互作用，使细菌迁移到根部，形成一个叫做根瘤的共生器官。在根瘤中，植物提供糖分，支持细菌，并受益于细菌的固氮能力。所谓固氮，就是细菌将大气中的氮转化为氨。这样，豆科植物通过与远古时期进化出的土壤细菌的共生关系获得氮，而不依赖于化肥。

　　研究人员表明，根瘤(天然肥料植物)的形成涉及土壤细菌和豆科植物根部之间的分子通讯。这启发了一些令人兴奋的新方法，通过基因工程使其他植物获得固氮能力。在另一种研究中，科学家关注自然迁移到谷类植物根部但不能固氮的土壤细菌，通过基因工程教会它们产生固氮酶。很快，这些可以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因素。

　　通过呼吸传感器诊断疾病

　　当警察怀疑司机酒后驾车时，他们可以使用呼气酒精检测器。只要司机吸一口气，仪器就能测出他的血液酒精浓度。那么，我们可以通过呼气来诊断疾病吗？

　　答案是肯定的。人类呼吸中有800多种化合物。最近的研究表明，一些化合物的浓度与不同的疾病状态密切相关。例如，呼吸中高浓度的丙酮是糖尿病的有力指标；呼吸中高浓度的一氧化氮与细胞炎症有关，因此可以作为呼吸系统疾病的生物标志物。乙醛浓度较高与肺癌密切相关。

　　当有人向采样器吹气时，他的呼吸进入传感器。通常，传感器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了一份这种呼吸中的化合物清单。除了比血液分析更快地生成结果之外，呼吸传感器还提供了一种非侵入性的方法来收集关键的健康数据，这可以在医疗资源有限的低收入国家发挥巨大作用。

　　 2020年3月，以色列理工学院的Hossam Haick和他的同事在中国武汉进行了一项探索性的临床研究，从呼吸中检测新冠肺炎。他们的传感器已经达到了95%的精确度和100%的灵敏度。2021年，美国卫生与人类服务部(HHS)提供了3800万美元用于多用途的“电子鼻”，由美国宇航局开发，用于检测新冠肺炎。

　　呼气传感器技术在大规模普及之前，必须克服几个关键挑战。首先，某些疾病的检测准确率必须提高，尤其是对于结核病和癌症。其次，呼吸样本中不同的化合物会混淆检测结果，产生假阳性。为了达到更高的精度，分析传感器数据的算法也需要改进。第三，需要投入更多的资金进行临床试验，以帮助在大群体中验证这项技术的有效性。

　　按需生产药品

　　下次你走进当地的药店，药剂师会不会不再在一排排的职前药中寻找你处方上的药，而是为你量身定做药物，使剂量和剂型恰到好处？微流体和按需生产药物领域的最新进展将把上述想法变成现实。

　　传统上，药物以多种工艺大量生产，然后分销到世界各地。几百吨的原料支撑如此大规模的生产，保证原料质量和供应的稳定性是不小的挑战。

　　相比之下，按需生产药物(也称为连续流动药物生产)在一个过程中制造药物，流动成分通过导管注入一系列微反应室。根据需要在一个地方生产药物，这意味着可以在偏远的地方或野战医院合成药物。这也意味着不需要投入太多的资源来储存和运输药物，药物可以根据个体患者量身定制。

　　 2016年，麻省理工学院的研究人员与DARPA合作，首次展示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，使用连续流生产四种常见药物：抗过敏药盐酸苯海拉明、治疗焦虑的地西泮、抗抑郁药盐酸氟西汀和局部麻醉剂盐酸利多卡因。他们在24小时内分别生产了1000剂这四种药物。

　　现在很多制药公司，包括礼来、强生、诺华、辉瑞、福泰，都在尝试利用连续生产技术，至少在一些制药过程中。

　　目前，一台便携式按需制药业机器的价格高达数百万美元，很难大规模展示。如果要管理药物配方和单个药物批次的个体化，还需要新的质量保证和质量控制措施。随着成本的降低和管理框架的完善，按需生产药品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撑。其中，有部署在千家万户的设备，如用于生物医学目的的可穿戴设备；还有传感器部署在危险和难以到达的区域。随着物联网的扩展，它使使用更少水和农药的农业作业、更高能效的智能网络、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。

　　预计到2025年，全球将有4000亿台物联网设备在线。按需为这些设备提供便利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技术将无线能量捕获提升到一个新的水平。5G技术出现后，美国联邦通信委员会首次允许手机信号进入更高频率的毫米波频谱(但对人类仍然安全)。再加上更高的信息速率，5G无线信号可以比4G信号传输更多的辐射能量。

　　设备如何从无线信号中获取能量？Wi-Fi和5G是以一定频率传播的电磁波，在很宽的频谱范围内介于调频广播、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。天线能量被发送到电子镇流器回路，后者使用半导体将能量转换为DC电压，然后可以为设备充电或供电。天线和整流器(或转换器)的组合称为整流器天线。整流天线之后是电源管理电路。放大电压时，电路本身消耗的功率可以忽略不计。

　　如今，许多初创公司都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。就像手机让人们摆脱固定电话，让他们的沟通技巧焕然一新一样，这项新技术将为未来的人类提供自由。

　　通过基因工程实现永生。

　　根据世界卫生组织的数据，2015年至2050年间，全球人口中60岁以上的人口比例将几乎翻倍，从12%上升到22%，这将给医疗体系和社会带来巨大挑战。它与慢性病有关，如痴呆症、癌症、二型糖尿病和动脉粥样硬化。自古以来，人类就渴望逆转衰老或找到“青春之泉”。了解衰老背后的分子机制可以帮助人们更长寿、更健康，这方面的科学研究才刚刚起步。

　　在各种“组学”技术(例如，同时量化所有基因的活性，或者一个细胞中所有蛋白质和代谢物的浓度)的帮助下，结合从表观遗传学中获得的新知识，衰老背后的关键机制越来越清晰。一个例子是通过使用一组特定的表观遗传标记(由于行为或环境而改变基因活性的修饰)或代谢化合物来确定生物体的生物学年龄。

　　这些标记也是老年性疾病和相关死亡风险的强有力的预测指标。科学研究证明，当衰老时，变异的数量会增加；身体中这些变异的修复可能会在DNA上留下与衰老有关的痕迹，这是另一种标记。DNA损伤也与细胞老化或干细胞耗竭有关。

　　了解了衰老的机制后，我们就可以开发靶向治疗。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，可以将“生物钟”推迟1.5年。同样，研究人员在小鼠模型中成功证明了基因治疗(针对三个与长寿相关的基因)可以改善或逆转四种与衰老相关的常见疾病。科学家们还确定，幼鼠血液中的蛋白质在给老鼠服用后，可以改善与衰老有关的大脑功能障碍的标志。这项研究的结果表明，这种疗法可能逆转人类与衰老相关的认知功能下降。

　　绿色氨生产

　　哈伯-博施法可以说是20世纪最重要的发明之一，但很多人从未听说过。它使人类能够在工业规模上合成氨气。氨被用于生产化肥，世界上50%的粮食依赖于化肥，这使得氨的生产对全球粮食安全至关重要。但氨合成是一个高能耗的化学过程，需要催化剂将氮原子和氢原子结合。

　　与作为大气主要成分的氮气不同，氢气必须人工合成。目前主要由化石燃料生产。天然气、煤或石油暴露在高温水蒸气中产生氢气。问题是这个过程会产生大量的二氧化碳，占全球碳排放总量的1%到2%

　　利用可再生能源裂解水，产生“绿色”氢气，有望改变这一现状。除了消除了制氢过程中的碳排放，这种方法产生的氢气更纯净，而且没有化石燃料中所含的化学物质，如含硫、含砷化合物等，使催化剂不会再次“中毒”，避免了反应效率下降。

　　纯化氢气也意味着可以开发更好的催化剂，因为催化剂不再需要忍受来自化石燃料的有毒化学物质。事实上，丹麦的Topso公司已经宣布从完全可再生的资源中开发一种新的催化剂，该催化剂可用于绿色氨生产过程。西班牙化肥集团与能源公司Ibedrola合作，大幅扩大绿色氨生产的规划，从建设2000万瓦的试验工厂，发展到建设8亿瓦的太阳能电解制氢工厂。

　　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“氢贸易雄心”项目，目标是在2030年前以每公斤1.50欧元的价格供应“绿色”氢。如果该项目成功，可能会释放许多“绿色”氨的新应用，包括将氨重新分解为氢气，从而建立绿色的氢-氨循环。

　　无线生物标记设备

　　没人喜欢针灸。然而，监测糖尿病等慢性疾病需要频繁的血液取样，识别和跟踪某些生物标志物。目前，超过一百家公司正在开发无线便携式可穿戴传感器，这将很快使连续监测健康信息成为可能。

　　监测设备使用各种手段来检测汗液、眼泪、尿液或血液中的生物标记。有些使用光或低能量电磁辐射，结合天线和电子设备。使用一些可佩戴的柔性电子传感器。为了检测某种生物标记，监测设备需要寻找电流、电压或电化学浓度的变化。

　　这项技术的主要应用对象是糖尿病。据估计，到2030年，全球将有5.78亿人被诊断患有糖尿病。迫切需要一种便携式设备来以非侵入方式监测血糖水平。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在衣服里，用微波范围内的电磁波检测血液中的葡萄糖水平。第三种方法是使用基于“纹身”的电路，使用电极提取少量组织间歇性液体(通常从毛细血管中渗出)，然后评估这些“汗液”中的葡萄糖水平。同样，类似纹身的电路也可以分析汗液中乳酸的变化，这一应用获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，眼泪还能透露很多健康信息。透明的电子隐形眼镜可以无线接收癌症生物标志物或检测糖尿病监测的葡萄糖水平。唾液中的生物标志物可以指示生理和心理压力，或疾病，如艾滋病、肠道感染、癌症和新冠肺炎。将唾液传感器集成到具有射频识别技术的护齿器中后，它还可以监控口腔卫生，检测龋齿和异常牙齿。

　　使用当地材料的印刷厂

　　根据联合国的报告，世界上有16亿人住房不足。用3D打印技术建造房屋可以帮助克服这一挑战。3D打印房屋的概念并不新鲜。很多企业都进行了尝试，取得了可喜的成绩。混凝土、砾石、塑料和粘合剂等材料的混合物被运送到施工现场，由巨大的3D打印机挤压成型。3D打印屋是一种相对简单、低成本的建造方式，适用于偏远贫困地区。然而，基础设施的缺乏使得建筑材料的运输很困难。

　　最近，一些公司受到了火星计划的启发，使用当地材料来3D打印房屋。在意大利拉文纳的小镇Masalunbada，Mario Cucinella建筑师利用当地的粘土打印房屋组件，大大降低了建筑的复杂程度、成本和能耗。粘土与大麻纤维和一种液体粘合剂混合，然后通过意大利三维打印公司WASP的机器层层挤压，形成房屋所需的复杂形状和表面。

　　另一种建筑方法是WASP公司与设计公司Rice House合作演示的，灵感来自于几百年来在干旱地区制作泥砖的经验。该建筑将传统的泥浆混合物与粘合纤维混合，粘合纤维可以是天然纤维。然后，不再用手将基材挤压到模具中，而是通过WASP提供的三维打印机将材料泵出。最后，房子的建造时间比传统方法所需的时间要短得多。墙壁的印刷刚性几何形状也提供了额外的强度保证。

　　当这些建筑结构达到其使用寿命的终点时，它们可以简单地压碎成基础材料并重新使用。这种零浪费模式(或者说回收模式)可以追溯到几千年前。在西西里岛的埃里切山上，仍然有用10世纪房屋的剩余材料建造的房屋。

　　太空连接地球。

　　现在至少有100亿个活跃设备构成了物联网，预计这一数字在未来10年将会翻倍。要扩大物联网对通信和自动化的好处，就需要在全球范围内扩展设备，收集万亿字节量级的数据。这些数据被吸收到云数据中心，人工智能用于识别模式和异常情况，如天气模式和自然灾害。但是，有一个很大的问题：蜂窝网络覆盖不到地球的一半，连接性存在巨大的差距。

　　天基物联网系统可以填补这些空白。该系统使用低成本、低重量(不到10kg)的纳米卫星，这些卫星在地球上空数百公里的轨道上运行，形成一个网络。第一颗纳米卫星于1998年发射；今天，大约有2000颗纳米卫星作为轨道监测卫星。SpaceX、Star Chain、OneWeb、亚马逊和Telecom Satellite等公司已经使用纳米卫星提供全球互联网覆盖。

　　很快就有可能用地球上由微型电池供电的物联网设备来联系那些轨道纳米卫星。来自设备的数据(例如从跟踪传感器获得的定位读数)将被上传到卫星。使用的低能量低成本的通信协议类似于远距离通信和Sigfox通信网络，即使微弱的信号也能解码。然后，卫星将数据传输到地面站，在那里对数据进行分析。

　　使用这种技术后，各种数据驱动的应用即使在以前无法到达或难以连接的地方也能显示出巨大的威力。然而，这个空间物联网仍然面临着许多挑战。比如纳米卫星的使用寿命比较短，只有两年左右，而且必须有昂贵的地面站基础设施支撑。为了应对地球轨道上日益严重的太空垃圾问题，美国宇航局和其他方面正在实施计划，要么让卫星在运行期结束时自动脱离轨道，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，并在不同的天气条件和地区保持网络连接。

　　 -本文摘自《智库观察》专栏，2022年第1期，《世界科学》杂志-

　　来源：

　　 2021年十大新兴技术

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