前 10 名新兴2021 年的技术I N S I G H T R E P O R TN O V E M B E R 2 0 2 1 十大新兴技术202123Vanessa Branchi 的插图内容介绍41脱碳上升62自我受精的作物83呼吸传感器诊断疾病104按需药品制造125来自无线信号的能量146设计更好的老化167绿氨178生物标志物设备无线化189用当地材料印刷的房屋2010空间连接地球22贡献者免责声明本文件由世界经济论坛发布，作为对项目、洞察领域或互动的贡献。此处表达的发现、解释和结论是世界经济论坛推动和认可的合作过程的结果，但其结果不一定代表世界经济论坛或其全体成员、合作伙伴或其他利益相关者的观点。© 2021 世界经济论坛。版权所有。不得以任何形式或任何方式（包括影印和录制）或任何信息存储和检索系统复制或传播本出版物的任何部分。 十大新兴技术20213介绍有助于应对社会挑战的创新——尤其是气候变化作者 Mariette DiChristina 和 Bernard S. Meyerson想想我们星球面临的巨大挑战：管理气候变化；减少能源使用；维持粮食生产；改善全球健康。其中许多工作涉及重叠的问题——以及相互关联的解决方案的潜力。难怪联合国将“伙伴关系”列为其第 17 个可持续发展目标。在由《科学美国人》和世界经济论坛创建的第 10 版十大新兴技术中，互连是前沿和中心。随着政府和行业对脱碳承诺的加速，将出现一系列新的方法低排放交通、住宅和商业基础设施以及工业流程。两种这样的技术——“绿色”氨的生产和自己制造肥料的工程作物——将提高农业的可持续性。在偏远地区，使用当地土壤进行 3D 打印可以用更少的能源建造更坚固的房屋。由于每个人都关心健康，因此今年的前 10 名向可以检测 COVID-19 和其他疾病的呼吸传感器以及使诊断和管理慢性疾病更容易的无线生物标志物监测仪的兴起表示敬意。基因组学领域的新成果可以允许设计更长的“健康跨度”，按需药物制造将产生量身定制的药物，同时有助于通过大规模生产解决当今的供应挑战。为了跟踪这一切，构成物联网的设备数量正在迅速增长。通过使用在轨纳米卫星，它们将变得更加全球化，并由从无线信号中收集的能量提供动力。未来从未如此相互关联。 十大新兴技术202141作者气候变化脱碳上升应对气候变化的全面承诺将催生新技术伯纳德·S·迈尔森在第一位科学家认为二氧化碳可以在大气中吸收热量一个多世纪之后，在“气候变化”进入白话文几十年后，国家和行业一直在做出新的承诺来减少碳足迹。 2021年，美国作为第二大国家碳排放源，承诺将其产量与2005年相比减半到 2030 年的水平。英国宣布了自己的雄心勃勃的目标，即到该日期与 1990 年的水平相比降低 68%。欧盟议会最近通过了一项法律，要求到 2030 年碳排放量比 1990 年的水平至少减少 55%。虽然工业石油和航空等企业更能抗拒变化，即公司加入基于科学的目标计划的速度，这有助于他们减少排放量以符合巴黎协定，自 2015 年以来增加了一倍。通用汽车、大众汽车和其他主要汽车制造商在过去一年中制定了雄心勃勃的脱碳目标。这种承诺的加速以及相关的挑战是脱碳在全球范围内兴起的一个明确指标。它将迫使多种技术“出现”——即展示在未来三到五年内大规模运营的能力。为了实现这一点，已经确定的解决方案必须以更快的速度成熟和扩展。现有的技术差距将需要持续创新。几个广泛的领域将得到显着的关注和增长。 十大新兴技术20215路透社/托比梅尔维尔如今，尽管特斯拉在激发消费者兴趣方面取得了非常明显的初步成功，但全球私人和商业道路运输车队中仍有 2% 或更少实现零排放。与此同时，铁路和海运的散货运输已经制定了低碳解决方案。然而，其中许多，例如由阿尔斯通制造的氢燃料电池驱动的客运列车 Coradia iLint，尚未大规模应用。考虑到此类转型计划需要大量资本投资，这些障碍不仅是技术上的，而且是政治上的。在美国，估计有 13% 的碳排放总量来自住宅和商业建筑中用于取暖和烹饪的燃料。在那里和其他地方减少这一数字将需要净零排放 HVAC（供暖、通风和空调）和被动式太阳能环境系统变得司空见惯。改用天然和新型建筑材料也很重要，例如可再生木材和低碳水泥。随着可再生能源变得丰富，有必要利用它们来使普遍存在的温室气体来源脱碳。一个例子是“绿色”氢。在不使用碳基燃料的情况下生产时，氢可以成为一种无污染的燃料，同时还可以作为无碳足迹的基本成分为化学工业服务。同样，如果通常需要数兆瓦电力的数据中心与相同的可再生能源位于同一地点，则它们的碳足迹会显着减少。实现国家和行业设定的发电目标需要从根本上扩展光伏、风能、水电、潮汐、核能和其他零排放技术。一些关键障碍仍然存在。工业规模的可靠、高效和负担得起的能源存储刚刚起步。既安全又负担得起的无碳、基于裂变的核能（包括处置其废物产品）也仍然令人向往。为了减轻现有化石燃料发电造成的污染将需要采用更多的技术来捕获、再利用和固存碳。在农业领域，Impossible Burger 和 Beyond Meat 等蛋白质替代品将需要占据更大的市场份额，以减少饲养牲畜时产生的大量碳和甲烷。来自通过物联网连接的传感器的数据将越来越多地实现智能土地和作物管理，以及肥料和水的使用，有助于进一步减少碳排放。除了快速脱碳面临的无数技术挑战之外，各国还必须制定全球治理方法以确保能源平等。新兴经济体不能面临会扼杀发展的相同碳减排目标。各国还需要精心分配土地，以扩大可再生能源的基础设施。为了确保遵守全球协议，政府将需要全球环境监测基础设施，类似于国际原子能机构的协议。 十大新兴技术20216农业2自我受精的作物根植而不是播种作者威尔弗里德·韦伯和卡洛·拉蒂为世界不断增长的人口提供食物在很大程度上依赖于含氮工业肥料的使用。大约需要 1.1 亿吨氮据联合国粮食及农业组织称，为了维持全球每年的作物产量。氮肥通常是通过将空气中的氮转化为氨来生产的，氨是植物可以使用的一种氮。这种转换维持了全球约 50% 的粮食生产，估计占世界主要能源需求的 1%。但它也是一个能源密集型过程：它占全球二氧化碳排放量的 1% 到 2%。此外，工业化肥对许多国家的小农来说过于昂贵，导致产量大幅下降并增加对自然土地的压力。为了开发解决方案，研究人员正在从大自然自己的方法中获取线索来制造氮肥。玉米和其他谷物等主要粮食作物依赖土壤中的无机氮，而大豆和豆类等豆科植物则保持着一种巧妙的方式来生产自己的作物。豆科植物的根与土壤细菌，导致细菌在根部定植并形成称为根瘤的共生器官。在这些结构中，植物提供糖来维持细菌并从细菌固氮能力中获益——也就是说，将大气中的氮转化为氨。因此，通过与土壤细菌在进化上古老的共生关系，豆类独立于现代氮肥。 十大新兴技术20217盖蒂图片社 / Fotokostic研究人员已经表明，天然肥料工厂的根瘤的形成涉及土壤细菌和豆科植物根部之间的密切分子交流。这些知识激发了将固氮工程化到非豆科植物中的令人兴奋的新方法。例如，科学家们正在诱使谷物的根部与固氮细菌进行共生互动。研究人员模拟豆类和细菌之间的分子通讯，并引导细菌在植物根部定殖的过程。在另一种选择在这种方法中，自然定植于谷物根部但不能固氮的土壤细菌被教导产生固氮酶，这是将空气中的氮转化为与植物相容的氨的关键酶。随着政府和私人基金会最近为工程固氮领域的研究和开发提供了强有力的支持，利用自然共生力量的作物可能很快就会成为更可持续的粮食生产的关键要素。 十大新兴技术20218生物化学呼吸传感器诊断疾病抽气远比抽血快作者 Rona Chandrawati 和 Daniel E. Hurtado当警察怀疑驾车者醉酒时，他们可以使用呼吸分析仪：一种测量血液中酒精含量的手持设备。疾病诊断也可以这样做吗？简短的回答是肯定的。人的呼吸中含有 800 多种化合物。最近的发现表明某些浓度的化合物与不同的疾病状态之间存在很强的相关性。例如，丙酮浓度显着升高的呼吸是糖尿病的强烈迹象；呼出的一氧化氮浓度较高是相关的具有炎症细胞，因此可用作呼吸系统疾病的生物标志物；更多的醛类与肺癌密切相关。当一个人吸入采样器时，呼吸会被送入传感器，该传感器通常根据金属氧化物半导体的电阻变化进行检测。在几分钟之内，外部计算机使用软件分析来生成存在的化合物的概况。除了比抽血更快地提供结果之外，呼吸传感器还可以通过提供一种非侵入性的方式来简化医疗诊断3 十大新兴技术20219收集关键的健康数据。在医疗资源有限的低收入国家，它们的易用性、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轻病毒的社区传播，其方式类似于在进入超市或餐馆等共享室内空间之前对个人进行体温检查的方式。2020 年 3 月，以色列理工学院的 Hossam Haick 及其同事在中国武汉完成了一项探索性临床研究，用于呼出气中的 COVID-19 检测。传感器在区分疾病阳性或阴性人群方面达到了惊人的 95% 准确度和 100% 灵敏度。 2021 年美国卫生与公众服务部提供 380 万美元用于重新利用 NASA 的 E-Nose（一种使用纳米传感器阵列技术自动扫描国际空间站空气中是否存在潜在危险化学品的监视器）来检测 COVID-19。需要先解决关键挑战呼吸传感器技术变得普遍。首先，必须提高对某些疾病的检测准确度，尤其是结核病和癌症。其次，呼吸样本中的各种化合物会混淆测试结果，造成假阳性。分析传感器数据的算法也需要改进以达到更高的准确性。最后，需要对临床试验进行更大的投资，以帮助在大量人群中验证这项技术。路透社/陈琳 十大新兴技术202110工程4按需药品制造在需要的时间和地点制造药物作者 Elizabeth O'Day 和 Mine Orlu如果下次您去当地的药房时，药剂师不是通过预制药物的过道来填写您的处方，而是按照为您量身定制的确切剂量和配方来配药，该怎么办？微流体和按需药物制造的最新进展有望使这一想法成为现实。传统上，药品是通过多步骤过程大批量生产的，不同的部分分散在世界各地的许多地方。数百吨的材料支撑着这样的质量生产，在确保质量和可靠供应所需的一致性方面带来了挑战。完成药物并将其运送到商店可能需要几个月的时间。相比之下，按需药物制造，也称为连续流动制药制造，一口气制造药物。它的工作原理是将成分通过管子流入一系列小型反应室。在单一地点按需生产药品意味着可以在偏远地区或野战医院生产药品。 十大新兴技术202111盖蒂图片社/法赫罗尼这也意味着储存和运输药物所需的资源更少，而且剂量可以针对个别患者量身定制。2016 年，麻省理工学院 (MIT) 的研究人员与 DARPA（美国国防高级研究计划）合作Agency) 首次证明了按需生产药物是可能的。他们创造了一台冰箱大小的机器，使用连续流动来制造四种常见药物：盐酸苯海拉明，用于缓解过敏症状；地西泮，用于治疗焦虑和肌肉痉挛；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 小时内制作了 1,000 剂每种药物。On Demand Pharmaceuticals 现在正在将 MIT 的原始工作商业化，有几个平台可用或正在开发中，包括美国按需制造的前体（AMPoD），它可以实现完整的药品制造——从前体到最终配方； Bio-Mod，使生物制剂的制造成为可能；和 IV Medicines on Demand，生产无菌注射剂。包括礼来 (Eli Lilly)、强生 (Johnson & Johnson)、诺华 (Novartis)、辉瑞 (Pfizer) 和 Vertex Pharmaceuticals 在内的许多制药商也在至少在其部分制造过程中使用连续制造技术。用于按需药品制造的便携式机器目前耗资数百万美元，无法广泛推广。还需要新的质量保证和质量控制方法来规范配方的个性化和单人药品批次。随着成本的下降和监管框架的发展，按需制造可能会彻底改变药物的制造地点、时间和方式。 十大新兴技术202112计算来自无线信号的能量5G将助力物联网作者约瑟夫·科斯坦丁构成物联网 (IoT) 的无线设备