2020全球十大新興技術

化學

太陽能化學

為滿足人類日常需要，許多化學品的制造消耗了大量礦物燃料，也增加了CO2的排放。一種新方法可利用陽光將廢棄的CO2轉化為人們所需的化學物質，從而在兩個方面減少碳排放：一是以CO2為生產原料，二是利用陽光而非化石燃料為生產化學品提供能源。

由于光催化技術的進展，這一過程變得越來越可行。近年來，研究人員開發出能打破CO2中碳氧雙鍵的光催化劑，從廢氣中生產有用的化合物和化學分子，作為合成藥物、洗滌劑、化肥和紡織品等各種產品的原料。

光催化劑通常需要高能紫外光來產生參與轉化CO2的電子，但紫外光不僅稀少，而且對健康有害，目前利用更豐富、更溫和的可見光的新型催化劑研究已取得進展。經過改造的催化劑只需要可見光就可以生產廣泛使用的化學物質，如甲醇、甲醛和甲酸，這些化學物質在粘合劑、泡沫、膠合板、櫥柜、地板材料和消毒劑的制造中都非常重要。

目前，太陽能化學研究主要在實驗室里進行，一些初創企業也在進行太陽能驅動化學反應、將CO2轉化為有用物質的研發。

這一技術有望在未來幾年里實現商業化，化學工業通過將廢棄的CO2轉化為有價值的產品，為實現負排放目標、向未來無廢物循環經濟邁出了重要一步。

能源

綠色氫氣

綠色氫氣作為一種零碳能源，是補充風能和太陽能的一種令人期待的新能源。氫燃燒時唯一的副產品就是水，是理想的零碳能源，然而傳統制氫工藝遠未能達到零碳的效果。傳統工藝產生的氫氣稱為灰色氫氣；生產過程中二氧化碳被捕獲并隔離，產生的氫氣被稱為藍色氫氣。

綠色氫完全不同。電解生產過程將水分解成氫氣和氧氣，沒有其他副產品，但電解需要大量電能，因此歷史上以此方式生產氫氣幾乎沒有意義。如今綠色氫氣重新引起人們興趣有兩個原因。首先，電網上有大量過剩的可再生電力，多余電力可用于水的電解，以氫的形式儲存電能，而不是將多余的電儲存在電池陣列中；其次，電解槽的效率也越來越高。

一些公司正在致力于開發成本與生產灰色氫或藍色氫一樣便宜的綠色氫電解槽，分析師預計，未來10年將達到這一目標。一些能源公司也開始將電解槽直接整合進可再生能源項目中。

在通常需要高能量密度燃料或高溫熱量的船運業和制造業，綠色氫氣更具潛力。能源轉型委員會表示，綠色氫氣是實現《巴黎協定》減排目標所必需的四項技術之一。

醫療

虛擬病人

計算機模擬的“虛擬病人”將使臨床試驗更快、更安全。例如，在新冠病毒疫苗試驗中用虛擬病人取代真人，可加快預防工具的開發，減緩大流行趨勢。在虛擬器官或虛擬人體系統上測試藥物和治療方法，可以更快速和廉價地對安全性和有效性進行首次評估，大大減少實驗所需的活體人體受試者數量。

虛擬器官的建模過程首先需要得到真實人體器官的非侵入性、高分辨率成像圖，當研究者從中獲得人體解剖學數據后，再將數據輸入復雜的數學模型中，就能完成對該人體器官功能的模擬。隨后在計算機上運行算法并生成外觀和行為都與真實器官相似的虛擬器官。

電子臨床試驗目前已在進行中。例如，美國食品藥品管理局（FDA）正在使用計算機模擬來代替人體試驗，對新的乳房造影系統進行評估，該機構還發布了包括虛擬病人在內的藥物和設備試驗設計指南

除了加速藥物開發和降低臨床試驗風險外，“虛擬病人”還可以代替診斷治療某些疾病的有風險的干預措施。例如，由FDA批準的基于云服務的心臟血流分析系統讓臨床醫生可根據患者心臟的CT圖像來識別冠心病，心臟血流分析系統利用這些圖像來構建流經冠狀血管血液的流體動力學模型，識別異常情況及其嚴重程度。如果沒有這項技術，醫生需要對病人進行有創血管造影來決定是否干預以及如何干預。

近年來，FDA和歐洲監管機構已批準了一些基于計算機診斷的商業用途，加速電子醫學技術的推廣和采用。

醫療

數字醫學

應用程序將代替醫生為我們診斷、治療疾病，這樣的軟件系統被稱為數字醫學。它既可以加強傳統醫療，又可以在醫療條件有限的情況下為患者提供支持，COVID-19危機加劇了這一需求。

許多醫療檢測輔助設備可通過移動設備來記錄用戶的聲音、位置、面部表情、運動和睡眠活動等，標記可能的病情或惡化。例如，一些智能手表的傳感器在出現危險的心房顫動時可自動檢測并發出警示；用于篩查呼吸障礙、抑郁癥、帕金森氏癥、阿爾茨海默氏癥、自閉癥和其他疾病的類似工具也在開發中；還有一些正在開發的微生物電子設備可對癌性DNA、腸道微生物排放的氣體、胃出血、氧氣水平等進行檢測。

一家兒童健康創業公司Luminopia設計了一款虛擬現實應用程序來代替眼罩進行弱視治療。未來，當智能手表檢測到佩戴者言語和社交模式變化后，將會為輕度抑郁癥患者尋求幫助，如求助聊天機器人進行認知行為治療咨詢。

COVID-19的暴發凸顯了數字醫學的重要性。各地醫院和政府機構提供的微軟醫療機器人服務可與咨詢者進行聊天溝通，再通過人工智能分析或通過遠程醫療會議由醫生做出評估。目前這些機器人已處理了超過2億個關于COVID癥狀和治療的咨詢。數字醫學大大減輕了醫療衛生系統的壓力，降低了大量患者聚集在急診室的感染危險。

數字醫療還可以通過早期診斷和預警來幫助人們糾正不健康的行為，幫助人們在疾病發生之前做出改變，節省醫療費用。此外，數字醫學程序生成的大數據集將有助于個性化患者護理，為研究人員提供新的思路，幫助人們建立更健康的生活習慣，更有效地預防疾病。

醫療

無痛注射的微型針頭

微型針頭，或稱“微針”，是一種肉眼幾乎看不見的針頭。微針的問世將迎來一個無痛注射和血液檢測的時代。微針長度為50～2 000微米（約一張紙的厚度），直徑為1～100微米（約人類頭發的直徑），通過避免直接接觸到真皮層的神經末梢來防止疼痛。

許多微針注射器和貼片已可用于接種疫苗，還有許多的微針用于治療糖尿病、癌癥和神經病理性疼痛的臨床試驗。2020年，研究人員首次推出了一種治療牛皮癬、疣等皮膚疾病和某些癌癥的星形微針新技術，通過針頭對皮膚的暫時輕微穿孔可更好促進治療藥劑的滲透。

許多微針產品正在朝著商業化方向發展，用于快速無痛抽取血液或間質液，以及用于診斷測試或健康監測。微型針頭與生物傳感器相連，可在幾分鐘內直接測出指示健康或代表疾病狀態的生物標記物，如葡萄糖、膽固醇、酒精、藥物副產品或免疫細胞。

美國和歐洲最近批準的一家生物系統公司的便攜式采血裝置，非專業人士可自行采集少量血液樣本送到實驗室或進行自我監測。微針還可與無線通信設備集成測量生物分子，確定和提供適當的藥物劑量，以幫助我們更好實現個性化醫療。

微針技術不需要昂貴設備或大量培訓，檢測和治療可在醫療服務不足的地區進行。微型針頭還可降低血液傳播病毒的風險，減少傳統針頭處理過程中產生的危險廢物。

但小針頭并不總是優勢，例如無法滿足大劑量需求，不是所有藥物都能通過微針注射，或所有的生物標記都能通過微針取樣。此外，還需要更多研究來確定患者年齡、體重、注射部位和輸送技術等因素對微針有效性的影響。但隨著研究人員設計出將其用于皮膚以外器官的方法，無痛微針技術的使用范圍將進一步擴大。

計算機

空間計算

計算機領域內的下一個巨大進展是超越虛擬現實和增強現實的“空間計算”。想象一下，一位獨立生活并使用輪椅的八旬老人，家里的所有物體都被數字化編目，所有的傳感器和控制物體的設備都已聯網，家里所有物體都納入了數字地圖中。當老人從臥室向廚房移動時，廚房的燈自動打開，環境溫度也會隨之調整；當她進入廚房時，桌子會移開，方便她走向冰箱和爐灶，在她準備就餐時桌子會重新歸位；如果她不小心摔倒，周圍的家具會移開以防碰撞到她，系統還會通知她的家人并向當地監測站發出警報。

以上場景的核心就是空間計算的理念，是物理世界和數字世界不斷融合的下一個重要里程碑。空間計算擁有虛擬現實和增強現實應用的一切功能：數字化物體通過云計算連網；傳感器與移動的人體和物體互動；以數字方式代表真實世界的一切；最后通過計算機根據人在數字或物理世界的活動，實時跟蹤和控制對象的移動，實現互動。空間計算將使人機交互和機器-機器交互在許多行業（包括工業、醫療、交通運輸和家庭生活）中的應用達到新的高度。微軟和亞馬遜等大公司都在這項技術上投入了大量資金。

空間計算在醫學領域也大有可為。未來，系統可將急診患者的醫療記錄和實時更新信息發送到技術人員的移動設備和急診科，當系統引導急救人員和患者通過最快路徑到達急診室時，手術團隊使用空間計算和增強現實技術已布置好整個手術室，并規劃好了一條最佳手術路徑。空間計算可以把數字地圖和其他信息集成在一起，創建一個可觀察、可量化和可操縱的數字世界，當然這樣的操作也能同時觸及現實世界。

交通運輸

電動航空

電動航空技術將為減排脫碳做出新的貢獻。2019年，航空旅行占全球碳排放量的2.5%，到2050年這一數字可能會增加兩倍。許多公司正在競相開發電動航空技術，利用電力推進的飛機發動機不僅可以消除直接碳排放，還可將燃料成本降低90%、維護成本降低50%、噪音降低近70%。

開發電動飛行技術的公司包括空中客車公司、安派爾公司等，開發的電動飛機主要是用于私人、企業或通勤者的試飛飛機，目前正在尋求美國聯邦航空管理局的認證。最大的支線航空公司之一的海角航空公司預計將成為電動飛機的首批客戶之一，公司計劃從Eviation購買Alice九號電動客機。海角航空首席執行官丹·沃爾夫（Dan Wolf）表示，他不僅對環境效益感興趣，還對運營成本感興趣。一般來說，電動機的壽命比現在飛機上的碳氫化合物燃料發動機要長，需要大修的時間是20 000小時，而不是目前的2 000小時。

不過，在可預見的未來，電動飛機的飛行距離仍將受到限制。今天最好的電池也比傳統燃料儲存的能量要少得多，因此一次飛行所需的電池比標準燃料重得多，占用的空間也更大。

電動航空面臨成本問題和監管障礙，但投資者、企業和政府都對這項技術的進步感到興奮，正在為其開發投入大量資金。2017年至2019年間，約2.5億美元流入了電動航空初創企業；目前，大約170個電動飛機項目正在進行中。空中客車公司表示，到2030年，公司計劃可飛行的電動飛機客機將達100架。

合成生物學

全基因組合成

COVID-19大流行初期，中國科學家將病毒的基因序列上傳到基因數據庫，瑞士的一個研究小組根據這些數據合成了整個基因組并從中產生了病毒。將病毒基因組數據遠程傳送到實驗室進行研究，而不需要等待實際樣本，這是全基因合成技術推動醫學和其他領域研究的一個例子。

全基因組合成是合成生物學這一新興領域的又一次延伸。研究人員使用軟件來設計基因序列并將其導入微生物，通過對微生物的重新編程來實現某些特定功能，如讓細菌合成一種新藥。合成的病毒基因組可幫助研究人員深入了解相關病毒如何傳播和致病，其中一些被設計用于生產疫苗和免疫療法。

編寫包含數百萬核苷酸的基因組（如細菌和酵母的基因組）已經變得越來越容易掌握。2019年，一個研究小組編寫的大腸桿菌基因組可使細菌服從科學家的命令。另一個研究小組編寫的啤酒酵母基因組的最初版本由將近1 100萬個密碼字母組成。如此規模的基因組設計和合成將使微生物不僅可以作為生產藥物的工廠，還可以是從二氧化碳等廢氣中持續生產化學品、燃料和新型建筑材料的工廠。

科學家希望能夠合成出更大的基因組，比如植物、動物和人類的基因組。如果有足夠資金，10億核苷酸規模的基因組合成可能在21世紀末成為現實。全基因組合成應用廣泛，包括設計能抵抗病原體的植物，極其安全的人類細胞系（比如不受病毒感染、癌癥和輻射影響的細胞系）。合成人類自己基因組的能力將在未來使醫生能夠治愈許多遺傳疾病。

2016年建立的“基因組編寫計劃”（The Genome Project-Write）聚集了來自十幾個國家的數百名科學家、工程師和倫理學家，旨在開發和共享基因組合成技術，并探索其倫理、法律和社會影響。

基礎設施建設

低碳水泥

低碳水泥是一種可以應對氣候變化的新型建筑材料。水泥是一種被廣泛使用的人造材料，但水泥生產會導致產生大量二氧化碳，排放量占全球排放總量的8%。有人說，如果將水泥生產比做一個國家，它將是僅次于中國和美國的第三大排放國。目前世界上每年生產水泥達40億噸，由于城市化進程的加快，這一數字預計將在未來30年增至50億噸。

人們正在尋求生產水泥的各種低碳方法，其中一些已在實踐中。美國新澤西州一家新創公司采用由羅格斯大學授權的化學工藝，可減少30%的二氧化碳釋放量，與典型工藝相比，該配方使用更多的粘土、更少的石灰石和更少熱量。加拿大新斯科舍省達特茅斯市的CarbonCure公司通過礦化作用將生產過程中捕獲的二氧化碳儲存在混凝土中，而不是作為副產品釋放到大氣中。總部位于蒙特利爾的CarbiCrete公司徹底拋棄了在混凝土使用水泥的做法，而以煉鋼的副產品鋼渣代之。挪威主要的水泥生產商Norcem正致力于創建世界上第一個零排放的水泥生產廠，使用來自廢物的替代燃料，并計劃通過碳捕獲和儲存技術，在2030年前完全消除排放。

另外，一些研究人員將細菌納入混凝土配方中，以吸收空氣中的二氧化碳并改善其性能。科羅拉多大學博爾德分校的研究人員利用一種名為藍藻的光合微生物開發一種低碳混凝土，并利用細菌制造出具有自我修復裂縫能力的磚塊。這些創新構想還不能代替如今所有應用中的水泥和混凝土，然而總有一天，它們可取代用于道路、外墻或臨時結構等的材料。

計算機

量子傳感

量子計算機的未來為人們所期待，量子傳感器帶來的變革不容忽視，它能讓自動駕駛的車輛360度無死角地“看到”周圍，應用范圍包括水下導航系統、火山活動和地震預警系統，以及監測人類大腦活動的便攜式掃描儀等。

基于亞原子領域特性的高精度計量，量子傳感器可達到極高精度。成為世界時間標準的原子鐘就是基于這一原理：銫133原子中的電子每秒可完成9 192 631 770次特定的躍遷。量子傳感器利用原子躍遷可探測運動中的微小變化以及引力、電場和磁場的微小差異。

量子傳感器還有其他用途，例如，英國伯明翰大學的研究人員正致力于開發自由下落的過冷原子，以檢測局部重力的微小變化，根據這一原理制造的量子重力儀可探測埋設地下的管道、電纜和其他如今只能通過挖掘才能找到的物體。航海船也可以使用類似技術探測水下物體。

大多數量子傳感系統仍然昂貴、龐大而復雜，但新一代更小、更便宜的傳感器將開辟新的應用領域。麻省理工學院的研究人員在2019年將傳統的基于十分之幾毫米的金剛石壓縮技術應用到傳統硅芯片上，將十分之幾毫米的量子元件壓在傳統的硅芯片上，朝著低成本、大規模生產量子傳感器邁出了重要一步。據業內分析人士預計，量子傳感器將在未來三到五年內投放市場，初步重點在醫療和國防領域。

資料來源 WEF