-1-2021年3月22日第10期总第483期2020年十大新兴技术【译者按】2020年11月，世界经济论坛发布《2020年十大新兴技术》报告。该报告是由世界经济论坛编制的年度报告，自2012年起开始发布。2020年的报告评选出了微针、太阳动力化学、虚拟患者等十项未来可能对工业、医疗和社会产生革命性影响的技术。受新冠肺炎疫情的影响，涉及医疗健康的技术备受重视，其他分别涉及低碳环保、电动发动机、空间计算、量子传感等领域。报告还对技术的进展和应用、主要研发公司和团队，以及发展阻碍和风险等内容进行了分析。赛迪研究院安全产业研究所对该报告进行了编译，期望对我国有关部门有所帮助。【关键词】新兴技术医疗低碳 -2-2020年，《科学美国人》和世界经济论坛召集国际专家指导小组，在众多新兴技术中筛选出超过75项技术作为年度十大新兴技术候选。指导小组对前几名候选技术进行仔细评估后做出最终决定和排名，所选出的十大技术不仅必须具备超越现有方式刺激社会和经济进步的潜力，还需要是目前尚未被广泛使用、但在未来三到五年内有可能产生重大影响的技术。如今年的十大新兴技术之一——虚拟患者，如果测试新冠病毒疫苗所需的数千名志愿者中的一部分可以被数字化模拟所取代，可能会更快开发出COVID-19疫苗，拯救无数生命。一、用于无痛注射和测试的微针——减少去化验室的次数，让人们获得更便捷的医疗服务。微针即将迎来一个无痛注射和血液检测的时代。无论是连接在注射器还是贴片上，微针都可以通过避免与神经末梢接触来防止疼痛。一般来说，它们的长度为50-2000微米（约为一张纸的厚度），宽度为1-100微米（约为人类头发的宽度），它们能穿透死皮表层到达第二层——表皮层，但大多数没有到达或几乎没有接触到神经末梢所在的下层真皮，以及血管、淋巴管和结缔组织。许多微针注射器和贴片应用已经可用于接种疫苗，不过普遍 -3-的用途是在临床试验中治疗糖尿病、癌症和神经性疼痛。因为这些装置将药物直接插入表皮或真皮，所以它们比熟悉的透皮贴剂通过皮肤扩散更能有效地递送药物。2020年，研究人员首次推出了一种治疗银屑病、疣和某些类型癌症等皮肤疾病的新技术：将星形微针混合到治疗霜剂或凝胶中。针刺穿皮肤的同时，还可以增强治疗剂的通过能力。许多微针产品正走向商业化，实现快速、无痛地抽取血液或组织液，并用于诊断测试或健康监测。针头产生的微小孔会引起表皮或真皮中的局部压力变化，迫使组织液或血液进入收集装置。如果将针头连接到生物传感器，则该装置可以在几分钟内直接测量指示健康或疾病状态的生物标记，例如葡萄糖、胆固醇、酒精、药物副产物或免疫细胞。有些产品可以在家里进行取样，然后当场或邮寄到实验室进行分析。美国和欧洲最近批准了SeventhSenseBiosystems公司的TAP采血装置，无论是送往实验室还是用于自我监测，非专业人士都可以自行采集少量血液样本，从而扫清了此类使用的监管障碍。在研究中，微针正在与无线通信设备集成来测量生物分子，并根据测量结果确定合适的药物剂量，然后输送该剂量——这种方法有助于实现个性化医疗。微针装置能够在医疗服务不足的地区提供测试和治疗，因为 -4-它们不需要昂贵的设备或大量的管理培训。MicronBiomedical公司开发出了一款易于使用的设备：任何人都可以使用的绷带大小的贴片。另一家公司Vaxxas正在开发一种微针疫苗贴片，在动物和早期的人体测试中，仅使用通常剂量的一小部分就能增强免疫反应。微针还可以降低传播血源性病毒的风险，并减少处理传统针头所产生的危险废物。然而微针并不是十全十美的，它不能满足大剂量使用的需要。不是所有的药物都能通过微针注射，也不是所有的生物标记物都能通过微针取样。想要了解患者的年龄和体重、注射部位和给药技术等因素是如何影响微针技术效果的，还需要更多的研究。尽管如此，这些无痛针仍有望扩大药物输送和诊断范围。当设计出它们在皮肤以外器官中使用的方法后，微针的新用途还将陆续出现。二、太阳动力化学——可见光推动二氧化碳转化为普通材料的过程制造许多种化学品都要消耗化石燃料，从而助长了采掘活动和二氧化碳排放的增加，加快气候变化。目前，有一种利用阳光将废二氧化碳转化为所需化学品的新方法，有可能以两种方式减少排放——将不需要的气体作为原料、用阳光替代化石燃料作为 -5-生产所需的能源。由于太阳光活化催化剂即光催化剂的进步，该方法的可行性正进一步增大。近年来，研究人员开发出了光催化剂，可以打破二氧化碳中碳和氧之间抗性双键1。这是创建“太阳能”精炼厂的关键一步，该厂可从废气中生产有用的化合物，包括可作为合成药品、洗涤剂、化肥和纺织品等产品原料的“平台”分子。光催化剂通常是半导体，需要高能紫外光来产生参与二氧化碳转化的电子。然而，紫外线仅占阳光的5%，既稀少又有害。因此目前的主要目标是开发新催化剂，可以在更丰富和良性的可见光下工作。该需求可以通过精心设计现有催化剂（如二氧化钛）的组成、结构和形态来满足。尽管它仅响应紫外光就能有效地将二氧化碳转化为其他分子，但向其掺杂氮能够大大降低转化所需的能量。改进后的催化剂只需要可见光就可以生产被广泛使用化学品，如甲醇、甲醛和甲酸。目前，太阳动力化学研究主要在学术实验室进行，包括加州理工学院与劳伦斯伯克利国家实验室合作的人工光合作用联合中心、荷兰一个由大学、工业界和研究与技术组织合作的“日出财团”，以及位于德国米尔海姆的马克斯-普朗克化学能源转换研究所的异质反应系。一些初创企业正在研究用电力驱动化学反应，1抗性双键：这里指二氧化碳分子中碳氧原子间共有两个电子对的共价键。 -6-将二氧化碳转化为有用物质的方法。如果电力来自化石燃料燃烧，那么使用电力为反应提供动力显然不如使用阳光环保，但依靠光伏技术可以克服这一缺点。未来几年，在太阳能驱动下将二氧化碳转化为化学品方面，许多公司将会取得进展并进行商业化开发。到那时，通过把二氧化碳废物转化为有价值的产品，化学工业将成为真正无废物循环经济的一部分，并助力负排放目标的实现。三、虚拟患者——用模拟代替人类使临床试验更快更安全每天计算机都通过一些新的算法以前所未有的准确度来诊断疾病，这让人们再次预测计算机将很快取代医生。如果计算机也能代替患者呢？例如，如果虚拟人可以在新冠病毒疫苗试验的某些阶段取代真人，就可以加速预防工具的开发，减缓疫情大流行。同样，那些不具备潜在效能的疫苗也可以被及早发现，从而大幅削减试验成本，避免不良候选疫苗在活体志愿者身上进行测试。这些都是“计算机医学”，或在虚拟器官和身体系统上测试药物和治疗方案，以预测一个真实的人将对治疗作出何种反应的好处。可预见的是，后期研究还需要真正的患者，但在计算机试验中进行安全性和有效性的首次评估仍是快速而廉价的，并会大大减少试验所需的活体受试者数量。 -7-计算机模拟临床试验已经在一定程度上开展。美国食品和药物管理局（FDA）正在使用计算机模拟代替人体试验来评估新的乳房X光系统。该机构还公布了包括虚拟患者在内的药物和设备试验设计指南。除了加快结果的产生和降低临床试验的风险，计算机医学还可以用来代替某些疾病的诊断或危险干预措施。例如，FDA批准的一项基于云计算的HeartFlowAnalysis服务，它使临床医生能够根据患者心脏的CT图像来识别冠状动脉疾病。HeartFlow系统通过这些图像构建血液流经冠状动脉血管的流体动态模型，从而识别异常情况及其严重程度。如果没有这项技术，医生需要进行侵入性血管造影来决定是否以及如何进行干预治疗。对个体患者的数字化模型进行实验可以帮助实现针对大规模病症的个性化治疗，该方法已经被用于糖尿病护理中。计算机医学背后的理念并不新鲜。几十年来，创建并模拟物体在数百种操作条件下的性能一直是工程学的基石，例如用于设计电子电路、飞机和建筑物。但在医学研究和治疗中进行广泛操作仍然存在各种障碍。首先必须确认这项技术的预测能力和可靠性，这需要在几方面取得进展，包括：从一个不同性别、不同种族的庞大病人群中生成高质量的医学数据库；完善数学模型，以说明身体中众多相互作用的过程；进一步修改主要基于计算机语 -8-音和图像识别开发的人工智能方法，并扩展到可提供生物学见解的技术。科学界和行业合作伙伴正在立项解决这些问题，如达索系统公司的“活体心脏项目”（TheLivingHeartProject）、虚拟生理人类综合生物医学研究所（TheVirtualPhysiologicalHumanInstituteforIntegrativeBiomedicalResearch）和微软的HealthcareNExT等。近年来，FDA和欧洲监管机构已经批准将一些计算机诊断用于商业用途，但满足监管要求还需要大量的时间和资金。鉴于医疗保健生态系统的复杂性，增加对这一工具的需求仍是一项挑战。计算机医学必须能够为患者、临床医生和医疗机构提供具有成本效益的价值，才可以加速其技术的应用。四、空间计算——超越虚拟现实和增强现实的下一件大事参与实验者是一个需要使用轮椅的八十岁独居老人玛莎，她家中的所有物体对象都被数字化分类，所有传感器和控制对象的设备都启用了互联网，并且她家的数字地图已经与物体对象地图合并。当玛莎从卧室走向厨房，灯光会自动打开，环境温度也随之调节。如果她的猫从她面前走过，轮椅就会放慢速度。当她来到厨房时，为了方便她接近冰箱和炉子，桌子会自动移开；当她 -9-准备吃饭时，又可以移回来。如果她上床时摔倒，她的家具就会移动来保护她，并向她的儿子和当地的监测站发出警报。物理和数字世界的融合正在进行，其下一步是构建场景的核心技术“空间计算”。它可以完成虚拟现实和增强现实应用程序的所有工作：将通过云连接的物体数字化、允许传感器和电动机相互反应、以数字化方式表示现实世界。它将这些功能与高保真空间映射相结合，当人在数字或物理世界中导航时，计算机作为“协调器”能够跟踪和控制对象的移动和交互。不久之后，工业、医疗保健、交通和家居等各行业的人机和机机交互将在空间计算的帮助下达到新的效率水平。包括微软和亚马逊在内的各大公司都在这项技术上投入了巨资。与虚拟现实和增强现实一样，空间计算创建在计算机辅助设计（CAD）中熟悉的“数字孪生”概念之上。在CAD中，工程师创建对象的数字表达。这对孪生可以用于3D打印物体，设计它的新版本，对其进行虚拟训练，或者将它与其它数字对象连接以创建虚拟世界。空间计算通过GPS、激光雷达、视频和其他地理定位技术来创建房间、建筑物或城市的数字地图，从而使数字孪生不仅包含物体，还包含人员和位置。软件算法将数字地图、传感器数据，以及物体和人的数字化表征集成在一起，以创建一个可以观察、量化和操控的数字化世界，同时操控现实世界。 -10-未来，医学领域可能有这样一个场景：医护小组被派往一个城市公寓去救治一个可能需要紧急手术的患者。系统可以将患者的病历和实时更新的信息发送到技术人员的移动设备和急诊科，并确定到达患者所在位置的最快驾驶路线。红灯控制路口的车辆让行，当救护车抵达时，大楼的入口门自动打开，一部电梯已经就位。当医护人员带着担架冲进来时，物体自动移开。当系统引导他们通过最快路线到达急诊室时，手术团队使用空间计算和增强现实技术来绘制整个手术室的编排或规划患者的手术方案。工业领域已经开始使用专用传感器、数字孪生和物联网的集成来优化生产力，并且很可能会率先采用空间计算技术。这项技术可以为一台设备或整个工厂增加位置跟踪信息。戴上增强现实头盔或观看投影的全息图像，工人不仅可以看到维修说明和机器部件的空间地图，还可以被引导在机器中穿行，以尽可能高效地维修机器，从而缩短时间和成本。如果一个技术人员正在使用远程站点的虚拟现实指挥几个机器人建造工厂，空间计算算法可以通过优化机器人协作和任务分配选择，帮助提高工作的安全、效率和质量。在通常情况下，快餐和零售公司可以将空间计算与标准的工业工程技术结合起来，以提高工作流程的效率。五、数字医疗——诊断甚至治疗疾病的应用程序 -11-未来医生的处方会不会是一个应用程序？现在，有一系列正在使用或开发中的应用程序可以自主检测或监测精神和身体疾病，甚至可以直