2021十大新兴技术

编译 高斯寒

去碳化的勃兴

在首位科学家提出二氧化碳能在大气中捕获热量的一百多年之后，以及“气候变化”进入常用语之列的数十年之后，世界各国和产业界提出削减碳足迹的新承诺，制定出雄心勃勃的目标。在未来三至五年内，会出现一批技术，展现出大规模运作的能力。

全球的私人和商业道路运输车辆中，只有不到2%的车辆达到零排放。另一方面，轨道运输和海上运输都有低碳解决方案，但障碍不仅仅来自技术层面，还有政治上的障碍，因为改造项目需要巨大的资本投入。美国的碳排放中，估计有13%来自住宅和商业楼宇的取暖和烹饪所用的燃料。要降低这方面的碳排放，需要普及净零排放的暖通空调和被动式太阳环境系统，并采用天然的建筑材料，譬如可再生的木材和低碳水泥。

利用充沛的可再生能源为主要的温室气体来源“去碳”，一个例子是“绿色”氢气。用非碳基燃料生产的氢气能成为无污染的燃料，并成为化工业无碳足迹的基本原料。在扩张光伏、风能、水电、潮汐能、核电和其他零排放能源技术的同时，还要克服储能的障碍。可靠、高效、经济上可负担的工业规模储能技术还在萌芽阶段。为了减少现有化石燃料发电所产生的污染物，需要发展更多碳捕集、碳再利用和碳封存技术。

自行生成肥料的农作物

全球人口不断增长，要为他们提供足够的食物，这极大地依赖于含氮化肥。根据联合国粮食及农业组织的数据，要维持全球农作物产量，每年需要大约1.1亿吨的氮。通常制造氮肥的方法是将空气中的氮转化为氨，氨是一种植物能够利用的含氮化合物。这个转化过程维持了大约50%的全球食物生产，但也是全球1%～2%的二氧化碳排放量的源头。

为了发展出一套解决方案，科研人员从大自然制造氮肥的手段中获得提示。豆科植物有着一个自行制造氮的聪明办法。豆科植物的根与土壤中的细菌发生相互作用，促使细菌移生于根部，形成一种名叫根瘤的共生器官。在根瘤内，植物提供糖分，供养细菌，并从细菌的固氮能力中获益。所谓固氮，就是细菌将大气中的氮转化为氨。就这样，豆科植物通过远古演化出的与土壤细菌的共生关系得到氮，不必依赖于化肥。

科研人员已经表明，根瘤（天然的化肥工厂）的形成涉及土壤细菌与豆科植物的根之间的分子通信。这一点已经激发出一些激动人心的、用基因工程方法让其他植物也获得固氮能力的新手段。另一类研究中，科学家关注那些天然移生到谷类植物根上、但无法固氮的土壤细菌，用基因工程方法教会它们生成固氮酶。不久之后，这些能够利用大自然共生作用的农作物也许就会变成永续食物生产的一个关键要素。

以呼气传感器诊断疾病

当警察怀疑一名司机酒后驾驶，他们可以使用呼气式酒精检测仪。只要司机吹一口气，仪器就能测量他的血液酒精浓度。那么，可不可以靠呼气来诊断疾病呢？

答案是可以的。人的呼气中包括800多种化合物。最近的研究表明，某些化合物的浓度和不同疾病状态密切相关。譬如说，呼气中丙酮浓度较高是糖尿病的有力指征；呼气中的一氧化氮浓度较高与细胞发炎有关，从而能当作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。

当某人朝取样器吹气时，他的呼气进入传感器。传感器通常是基于金属氧化物半导体的电阻变化来做检测。几分钟内，一台外部计算机使用软件分析生成这口气中存在的化合物清单。呼气传感器除了能比抽血分析更快生成结果，还提供了一种收集关键健康数据的非侵入式方法，能在医疗资源有限的低收入国家发挥极大作用。

2020年3月，以色列理工学院的胡萨姆•哈伊克（Hossam Haick）与同事在中国武汉做了一项探查性临床研究，从呼气中检测新冠病毒。他们的传感器达到了引人注目的95%的准确度和100%的灵敏度。2021年，美国卫生与公共服务部（HHS）提供3 800万美元将NASA开发的“电子鼻”多目的化，用于检测新冠病毒。

呼气传感器技术在大规模推广之前还要克服几个关键挑战。首先，某些疾病的检测准确率必须得到改进，尤其是对于结核病和癌症。其次，呼气样本中的各种不同化合物会混淆检验结果，产生假阳性。若要达到更高的准确率，分析传感器数据的算法也需要改进。第三，需要投入更多资金在临床试验上，从而帮助验证这项技术在大群体中的有效性。

药物按需生产

你下一次走进本地药房，药剂师会不会不再在一排排预先生产的药物中寻找你处方上的药品，而是为你量身定做药物，使得剂量和剂型都刚好合适？近期在微流控学和药物按需生产领域出现的进展将把上述构想变成现实。

传统上，药品都是以大批量多工序的方式生产的，再配送到全球众多地点。数以百吨计算的原材料支撑了这样的大规模生产，确保原料质量和供应的稳定是不小的挑战。

相比之下，药物按需生产（也被称为连续流药物生产）以一个工序制造药物，通过导管将流动的成分注入一系列微型反应腔。按照需要在一个地点生产药物，这意味着能够在偏远地点或野战医院合成药物。这还意味着无需投入过多资源来储存和运输药物，也可以针对单个患者量身定做药剂。

2016年，麻省理工学院的科研人员与美国国防高级研究计划局合作，首次演示了按需生产药物的可行性。他们制造出一台电冰箱大小的机器，利用连续流来生产四种常见药物：抗过敏药盐酸苯海拉明，治疗焦虑症的地西泮，抗抑郁药盐酸氟西汀，局部麻醉剂盐酸利多卡因。他们在24小时内将这四种药物每种都生产了一千剂。

如今，包括礼来、强生、诺华、辉瑞和福泰在内的众多制药公司都在尝试利用连续生产技术，至少是用于部分制药工序中。

目前，一台便携式按需制药机要花费数百万美元，使得它难以进行大规模展示。若要管理好药物配方的个性化和单人药物批次，也需要有新的品质保证和品质控制措施。随着成本下降，管理框架日趋完善，按需生产药物可能会变革药物生产的地点、时间和方式。

无线信号供能

组成物联网的无线设备是比以往更加互联互通的世界的重要支撑。其中有部署在千家万户的装置，譬如生物医学用途的可穿戴设备；也有部署在危险和难以到达的区域的传感器。随着物联网的扩张，它使得使用较少水和农药的农业操作、更高能效的智能网络、监控桥梁或混凝土基础设施内部缺陷的传感器，泥石流和地震之类灾难的早期预警传感器成为可能。

预计到2025年时全球会有4 000亿台物联网设备上线，为这些设备按需提供便利的能量是个大挑战。一个早已出现的解决方案是利用Wi-Fi路由器和存取点发出的无线信号。5G技术会将无线能量撷取提升到新水平。在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（但依然对人类是安全的）的毫米波频谱。加上更高的信息率，5G无线信号能比4G信号传送更多的辐射能。

设备如何才能从无线信号取得能量？Wi-Fi和5G是以一定频率传播的电磁波，在宽频谱中介于调频无线电、微波和毫米波之间。过程的第一步是由接收天线捕获无线信号所携带的能量。天线将能量送入一个电子整流器回路，后者再用半导体来将能量转化为直流电压，进而能为设备充电或供能。这种天线和整流器（或称为变流器）的组合叫作整流天线。整流天线之后是电源管理电路，在放大电压的同时，电路本身也会消耗可以忽略不计的电量。

现在有许多初创企业提供依靠专用无线发射器的无线充电产品。然而，在将来，这样的设备将能够从Wi-Fi和5G信号撷取能量。正如手机让人们摆脱了固定电话，让通信能力面目一新，这项新生技术将为未来的人类提供自由。

以基因工程实现老而不衰

根据世界卫生组织的数据，在2015年至2050年之间，60岁以上的老年人在全球人口中所占比例几乎会翻番，从12%上升至22%，给医疗系统和社会带来巨大挑战。衰老与痴呆症、癌症、2型糖尿病、动脉粥样硬化等慢性疾病有关。人类从古以来就渴望逆转衰老，或是找到“青春之泉”。弄清衰老背后的分子机制，就能够帮助人类活得更久也更健康，而这方面的科学探究才刚刚起步。

借助各种“组学”技术（譬如说，同时量化所有基因的活动，或者一个细胞内所有蛋白质和代谢物的浓度），结合表观遗传学获得的新知，衰老背后的关键机制正变得越来越明晰。一个例子是用一组特定表观遗传标记（因为行为或环境而改变基因活动的修饰）或者代谢化合物来确定有机体的生物学年龄。

这类标记也是老年疾病和伴随而来的死亡风险的有力预测因子。科学研究已经证明，衰老时，变异的数量会增加；身体对这些变异的修复可能在DNA上留下与衰老相关的痕迹，这些痕迹是另一类标记。DNA损伤也与细胞老化或者干细胞耗尽有关。

在了解衰老机制之后，就能研发针对性的疗法。近期的一项临床研究表明，为期一年施予包括人类生长激素在内的多种药物，能够让“生物时钟”往回拨1.5年。类似地，科研人员成功地在鼠模型中演示了基因疗法（以3个与长寿相关的基因为目标）能改善或逆转4种与衰老有关的常见病症。科学家也已经确定，将年幼小鼠血液中的蛋白质输给年迈小鼠后，能改善与衰老有关的脑机能障碍的标志物。这项研究结果暗示，该疗法有可能逆转人类身上与衰老相关的认知功能下降。

绿色制氨

哈伯-博施法可以说是20世纪最为重要、却有许多人从未听闻过的发明之一。它使得人类能够以工业规模合成氨气。氨被用来生产化肥，而全球50%的食物要依靠化肥，使得制氨对于全球食物安全而言至关重要。然而，氨气合成是个高耗能的化学过程，需要用催化剂让氮原子与氢原子结合。

与作为大气主要成分的氮气不一样，氢气必须要人工合成，目前主要是用化石燃料来生产。天然气、煤炭或石油暴露在高温水蒸气下，生成氢气。问题是，这个过程会生成大量二氧化碳，占全球二氧化碳总排放量的1%到2%。

利用可再生能源来裂解水，生成“绿色”氢气，有望改变这个局面。除了消灭制氢过程中的碳排放，这个方法制造的氢气更为纯净，没有化石燃料包含的化学物质，譬如含硫和含砷的化合物，也就不会再让催化剂“中毒”，避免反应效率下降。

更纯净的氢气也意味着可以研发更优质的催化剂，因为催化剂不再需要忍受那些来自化石燃料的有毒化学物质。事实上，丹麦托普索公司等早已宣布研发出源自完全可再生资源的新型催化剂，可用于绿色制氨工序。西班牙化肥集团与能源公司伊比德罗拉合作，大幅扩张绿色制氨的规划，从建设一家两千万瓦的先导工厂，改成建设一家八亿瓦的太阳能电解制氢工厂。

目前的最大阻碍是绿色“氢气”的高成本。30家欧洲能源公司已经发起“氢交易雄心”项目，目标是在2030年之前，以每公斤1.5欧元的价格供应“绿色”氢气。假如该项目获得成功，就可能释放出“绿色”氨的许多新应用，包括让氨重新分解为氢气，从而建立起绿色的氢-氨循环。

生物标志物设备的无线化

没人喜欢针刺。但监测糖尿病之类的慢性病需要频繁抽血，识别和追踪某些生物标志物。目前有一百多家公司在研发无线便携的可穿戴传感器，很快就将让连续监测健康信息成为可能。

监测设备采用多种手段在汗水、泪水、尿液或血液中检测生物标志物。有些采用光或低能量电磁辐射，再结合天线和电子设备。有些采用可穿戴的柔性电子传感器，为了检测到某种生物标志物，监测设备要寻找电流、电压或电化学浓度的变化。

这项技术的最主要适用对象是糖尿病，预计到2030年，全球将会有5.78亿人被诊断患有糖尿病，亟需一种便携设备以非侵入的方式监测血糖水平。一种方法是利用毫米波和近红外感应的无线电磁场，患者手指的电压变化可能与血糖水平相关。另一种方法是在衣物中置入可穿戴电子设备，用微波范围的电磁波检测血流中的葡萄糖水平。第三种方法是采用基于“文身”的电路，用电极来抽取少量组织间歇液（正常情况下会从毛细管中渗出），再评估这些“汗水”里的葡萄糖水平。相似地，类似文身的电路也能从汗水中分析乳酸盐的变化，这项应用获得了体育运动产业的投资。

无线传送系统可与不同类型的传感器配对。令人惊讶的是，泪水也能揭示许多健康信息。透明的电子隐形眼镜能以无线方式拾取癌症的生物标志物，或者检测葡萄糖水平，用于糖尿病监测。唾液中的生物标志物可能标示生理和心理压力，或者艾滋病、肠道感染、癌症和新冠肺炎等疾病。将唾液传感器融合进一个拥有射频识别技术的护齿器后，它也能监测口腔卫生，探测龋齿和异常牙齿。

以本地材料打印房屋

根据联合国报告，全球有16亿人口住房不足。用三维打印技术建造房屋能帮助克服这一挑战。三维打印房屋的概念并不新颖。有多家企业已经尝试过，并取得喜人的结果。混凝土之类的材料、沙砾、塑料和黏结剂的混合物被运到施工现场，由一台庞大的三维打印机挤出成型。三维打印房屋是一种相对简单和低成本的建筑方法，适合用于偏远贫困地区。然而，基础设施的缺乏使得运送建筑材料成为难题。

近期，若干公司从计划用于火星的构想中获得灵感，采用本地材料来三维打印房屋。在意大利拉韦纳省的小镇马萨伦巴达，马里奥•库奇内拉建筑事务所利用当地的黏土打印房屋组件，大幅降低建筑复杂性、成本和能耗。黏土和大麻纤维、一种液体黏结剂混合，再由意大利三维打印公司WASP的机器挤出一层又一层，构成房屋需要的复杂外形和表面。

另一种建筑方法由WASP公司与设计公司米屋（RiceHouse）合作演示，从干旱地区数百年来制造泥砖的经验中获得灵感。建筑方将传统的泥浆混合物和黏结纤维混合，后者可以是天然纤维。之后不是用手将基材挤入模具，而是用WASP公司提供的一台三维打印机将材料泵出来，最终一座房屋的建筑时间比传统方法所需时间短得多。打印出的墙壁的刚性几何形状还提供了额外强度保证。

当这些建筑结构达到可用年限的尽头时，可以简单地粉碎成基材，再重新利用。这种零废弃物模式（或称为循环模式）能追溯到数千年前。在西西里岛的埃里切山上，依然存在用来自10世纪房屋的残留材料建造的屋舍。

太空连接地球

如今至少100亿台活跃设备构成物联网，这个数字预期会在今后10年内翻倍。要扩大物联网对于通讯和自动化的好处，需要将设备扩张至全球，收集泽字节量级的数据。这些数据被吸收进云数据中心，利用人工智能识别出模式和异常情形，譬如天气模式和自然灾害。然而存在一个大问题：蜂窝网络覆盖了地球不到一半的面积，连通性上存在巨大的缺口。

基于太空的物联网系统能够给这些缺口打上补丁。该系统利用低成本、低重量（不到10公斤）、在地球上空几百公里处作轨道运行的纳卫星组成网络。第一台纳卫星在1998年发射升空；如今大约有2 000台纳卫星充当轨道监控卫星。SpaceX、星链、独网（OneWeb）、亚马逊和电信卫星等公司已经利用纳卫星提供全球互联网覆盖。

很快就可以在地球上用微型电池供能的物联网设备联络上那些作轨道运行的纳卫星。来自设备的数据（譬如从追踪传感器获得的定位读数）会被上传给卫星，所使用的低能耗、低成本通信协议类似于长途通信和Sigfox公司的通信网络，就连弱信号都能解码。接着，卫星将数据传送给地面站，数据会在那儿接受分析。

运用这项技术后，各种在数据驱动下的应用就算在此前不可及或难以连接的地点也能大显神威。但是，这套太空物联网依然面临多个挑战。譬如说，纳卫星的使用寿命相对较短，只有大约两年，必须由昂贵的地面站基础设施来支持。为了应对日益加剧的地球轨道太空垃圾问题，NASA和其他方面正在推行计划，要么是让卫星在运转期到尽头时自动脱离轨道，要么用其他航天器收集退役卫星。

同样重要的是，要从卫星提供安全、可靠的高带宽通信连接，在不同的天气条件和地带都能维持网络连通。

资料来源 WEF