2020全球十大新兴技术

化学

太阳能化学

为满足人类日常需要，许多化学品的制造消耗了大量矿物燃料，也增加了CO2的排放。一种新方法可利用阳光将废弃的CO2转化为人们所需的化学物质，从而在两个方面减少碳排放：一是以CO2为生产原料，二是利用阳光而非化石燃料为生产化学品提供能源。

由于光催化技术的进展，这一过程变得越来越可行。近年来，研究人员开发出能打破CO2中碳氧双键的光催化剂，从废气中生产有用的化合物和化学分子，作为合成药物、洗涤剂、化肥和纺织品等各种产品的原料。

光催化剂通常需要高能紫外光来产生参与转化CO2的电子，但紫外光不仅稀少，而且对健康有害，目前利用更丰富、更温和的可见光的新型催化剂研究已取得进展。经过改造的催化剂只需要可见光就可以生产广泛使用的化学物质，如甲醇、甲醛和甲酸，这些化学物质在粘合剂、泡沫、胶合板、橱柜、地板材料和消毒剂的制造中都非常重要。

目前，太阳能化学研究主要在实验室里进行，一些初创企业也在进行太阳能驱动化学反应、将CO2转化为有用物质的研发。

这一技术有望在未来几年里实现商业化，化学工业通过将废弃的CO2转化为有价值的产品，为实现负排放目标、向未来无废物循环经济迈出了重要一步。

能源

绿色氢气

绿色氢气作为一种零碳能源，是补充风能和太阳能的一种令人期待的新能源。氢燃烧时唯一的副产品就是水，是理想的零碳能源，然而传统制氢工艺远未能达到零碳的效果。传统工艺产生的氢气称为灰色氢气；生产过程中二氧化碳被捕获并隔离，产生的氢气被称为蓝色氢气。

绿色氢完全不同。电解生产过程将水分解成氢气和氧气，没有其他副产品，但电解需要大量电能，因此历史上以此方式生产氢气几乎没有意义。如今绿色氢气重新引起人们兴趣有两个原因。首先，电网上有大量过剩的可再生电力，多余电力可用于水的电解，以氢的形式储存电能，而不是将多余的电储存在电池阵列中；其次，电解槽的效率也越来越高。

一些公司正在致力于开发成本与生产灰色氢或蓝色氢一样便宜的绿色氢电解槽，分析师预计，未来10年将达到这一目标。一些能源公司也开始将电解槽直接整合进可再生能源项目中。

在通常需要高能量密度燃料或高温热量的船运业和制造业，绿色氢气更具潜力。能源转型委员会表示，绿色氢气是实现《巴黎协定》减排目标所必需的四项技术之一。

医疗

虚拟病人

计算机模拟的“虚拟病人”将使临床试验更快、更安全。例如，在新冠病毒疫苗试验中用虚拟病人取代真人，可加快预防工具的开发，减缓大流行趋势。在虚拟器官或虚拟人体系统上测试药物和治疗方法，可以更快速和廉价地对安全性和有效性进行首次评估，大大减少实验所需的活体人体受试者数量。

虚拟器官的建模过程首先需要得到真实人体器官的非侵入性、高分辨率成像图，当研究者从中获得人体解剖学数据后，再将数据输入复杂的数学模型中，就能完成对该人体器官功能的模拟。随后在计算机上运行算法并生成外观和行为都与真实器官相似的虚拟器官。

电子临床试验目前已在进行中。例如，美国食品药品管理局（FDA）正在使用计算机模拟来代替人体试验，对新的乳房造影系统进行评估，该机构还发布了包括虚拟病人在内的药物和设备试验设计指南

除了加速药物开发和降低临床试验风险外，“虚拟病人”还可以代替诊断治疗某些疾病的有风险的干预措施。例如，由FDA批准的基于云服务的心脏血流分析系统让临床医生可根据患者心脏的CT图像来识别冠心病，心脏血流分析系统利用这些图像来构建流经冠状血管血液的流体动力学模型，识别异常情况及其严重程度。如果没有这项技术，医生需要对病人进行有创血管造影来决定是否干预以及如何干预。

近年来，FDA和欧洲监管机构已批准了一些基于计算机诊断的商业用途，加速电子医学技术的推广和采用。

医疗

数字医学

应用程序将代替医生为我们诊断、治疗疾病，这样的软件系统被称为数字医学。它既可以加强传统医疗，又可以在医疗条件有限的情况下为患者提供支持，COVID-19危机加剧了这一需求。

许多医疗检测辅助设备可通过移动设备来记录用户的声音、位置、面部表情、运动和睡眠活动等，标记可能的病情或恶化。例如，一些智能手表的传感器在出现危险的心房颤动时可自动检测并发出警示；用于筛查呼吸障碍、抑郁症、帕金森氏症、阿尔茨海默氏症、自闭症和其他疾病的类似工具也在开发中；还有一些正在开发的微生物电子设备可对癌性DNA、肠道微生物排放的气体、胃出血、氧气水平等进行检测。

一家儿童健康创业公司Luminopia设计了一款虚拟现实应用程序来代替眼罩进行弱视治疗。未来，当智能手表检测到佩戴者言语和社交模式变化后，将会为轻度抑郁症患者寻求帮助，如求助聊天机器人进行认知行为治疗咨询。

COVID-19的暴发凸显了数字医学的重要性。各地医院和政府机构提供的微软医疗机器人服务可与咨询者进行聊天沟通，再通过人工智能分析或通过远程医疗会议由医生做出评估。目前这些机器人已处理了超过2亿个关于COVID症状和治疗的咨询。数字医学大大减轻了医疗卫生系统的压力，降低了大量患者聚集在急诊室的感染危险。

数字医疗还可以通过早期诊断和预警来帮助人们纠正不健康的行为，帮助人们在疾病发生之前做出改变，节省医疗费用。此外，数字医学程序生成的大数据集将有助于个性化患者护理，为研究人员提供新的思路，帮助人们建立更健康的生活习惯，更有效地预防疾病。

医疗

无痛注射的微型针头

微型针头，或称“微针”，是一种肉眼几乎看不见的针头。微针的问世将迎来一个无痛注射和血液检测的时代。微针长度为50～2 000微米（约一张纸的厚度），直径为1～100微米（约人类头发的直径），通过避免直接接触到真皮层的神经末梢来防止疼痛。

许多微针注射器和贴片已可用于接种疫苗，还有许多的微针用于治疗糖尿病、癌症和神经病理性疼痛的临床试验。2020年，研究人员首次推出了一种治疗牛皮癣、疣等皮肤疾病和某些癌症的星形微针新技术，通过针头对皮肤的暂时轻微穿孔可更好促进治疗药剂的渗透。

许多微针产品正在朝着商业化方向发展，用于快速无痛抽取血液或间质液，以及用于诊断测试或健康监测。微型针头与生物传感器相连，可在几分钟内直接测出指示健康或代表疾病状态的生物标记物，如葡萄糖、胆固醇、酒精、药物副产品或免疫细胞。

美国和欧洲最近批准的一家生物系统公司的便携式采血装置，非专业人士可自行采集少量血液样本送到实验室或进行自我监测。微针还可与无线通信设备集成测量生物分子，确定和提供适当的药物剂量，以帮助我们更好实现个性化医疗。

微针技术不需要昂贵设备或大量培训，检测和治疗可在医疗服务不足的地区进行。微型针头还可降低血液传播病毒的风险，减少传统针头处理过程中产生的危险废物。

但小针头并不总是优势，例如无法满足大剂量需求，不是所有药物都能通过微针注射，或所有的生物标记都能通过微针取样。此外，还需要更多研究来确定患者年龄、体重、注射部位和输送技术等因素对微针有效性的影响。但随着研究人员设计出将其用于皮肤以外器官的方法，无痛微针技术的使用范围将进一步扩大。

计算机

空间计算

计算机领域内的下一个巨大进展是超越虚拟现实和增强现实的“空间计算”。想象一下，一位独立生活并使用轮椅的八旬老人，家里的所有物体都被数字化编目，所有的传感器和控制物体的设备都已联网，家里所有物体都纳入了数字地图中。当老人从卧室向厨房移动时，厨房的灯自动打开，环境温度也会随之调整；当她进入厨房时，桌子会移开，方便她走向冰箱和炉灶，在她准备就餐时桌子会重新归位；如果她不小心摔倒，周围的家具会移开以防碰撞到她，系统还会通知她的家人并向当地监测站发出警报。

以上场景的核心就是空间计算的理念，是物理世界和数字世界不断融合的下一个重要里程碑。空间计算拥有虚拟现实和增强现实应用的一切功能：数字化物体通过云计算连网；传感器与移动的人体和物体互动；以数字方式代表真实世界的一切；最后通过计算机根据人在数字或物理世界的活动，实时跟踪和控制对象的移动，实现互动。空间计算将使人机交互和机器-机器交互在许多行业（包括工业、医疗、交通运输和家庭生活）中的应用达到新的高度。微软和亚马逊等大公司都在这项技术上投入了大量资金。

空间计算在医学领域也大有可为。未来，系统可将急诊患者的医疗记录和实时更新信息发送到技术人员的移动设备和急诊科，当系统引导急救人员和患者通过最快路径到达急诊室时，手术团队使用空间计算和增强现实技术已布置好整个手术室，并规划好了一条最佳手术路径。空间计算可以把数字地图和其他信息集成在一起，创建一个可观察、可量化和可操纵的数字世界，当然这样的操作也能同时触及现实世界。

交通运输

电动航空

电动航空技术将为减排脱碳做出新的贡献。2019年，航空旅行占全球碳排放量的2.5%，到2050年这一数字可能会增加两倍。许多公司正在竞相开发电动航空技术，利用电力推进的飞机发动机不仅可以消除直接碳排放，还可将燃料成本降低90%、维护成本降低50%、噪音降低近70%。

开发电动飞行技术的公司包括空中客车公司、安派尔公司等，开发的电动飞机主要是用于私人、企业或通勤者的试飞飞机，目前正在寻求美国联邦航空管理局的认证。最大的支线航空公司之一的海角航空公司预计将成为电动飞机的首批客户之一，公司计划从Eviation购买Alice九号电动客机。海角航空首席执行官丹·沃尔夫（Dan Wolf）表示，他不仅对环境效益感兴趣，还对运营成本感兴趣。一般来说，电动机的寿命比现在飞机上的碳氢化合物燃料发动机要长，需要大修的时间是20 000小时，而不是目前的2 000小时。

不过，在可预见的未来，电动飞机的飞行距离仍将受到限制。今天最好的电池也比传统燃料储存的能量要少得多，因此一次飞行所需的电池比标准燃料重得多，占用的空间也更大。

电动航空面临成本问题和监管障碍，但投资者、企业和政府都对这项技术的进步感到兴奋，正在为其开发投入大量资金。2017年至2019年间，约2.5亿美元流入了电动航空初创企业；目前，大约170个电动飞机项目正在进行中。空中客车公司表示，到2030年，公司计划可飞行的电动飞机客机将达100架。

合成生物学

全基因组合成

COVID-19大流行初期，中国科学家将病毒的基因序列上传到基因数据库，瑞士的一个研究小组根据这些数据合成了整个基因组并从中产生了病毒。将病毒基因组数据远程传送到实验室进行研究，而不需要等待实际样本，这是全基因合成技术推动医学和其他领域研究的一个例子。

全基因组合成是合成生物学这一新兴领域的又一次延伸。研究人员使用软件来设计基因序列并将其导入微生物，通过对微生物的重新编程来实现某些特定功能，如让细菌合成一种新药。合成的病毒基因组可帮助研究人员深入了解相关病毒如何传播和致病，其中一些被设计用于生产疫苗和免疫疗法。

编写包含数百万核苷酸的基因组（如细菌和酵母的基因组）已经变得越来越容易掌握。2019年，一个研究小组编写的大肠杆菌基因组可使细菌服从科学家的命令。另一个研究小组编写的啤酒酵母基因组的最初版本由将近1 100万个密码字母组成。如此规模的基因组设计和合成将使微生物不仅可以作为生产药物的工厂，还可以是从二氧化碳等废气中持续生产化学品、燃料和新型建筑材料的工厂。

科学家希望能够合成出更大的基因组，比如植物、动物和人类的基因组。如果有足够资金，10亿核苷酸规模的基因组合成可能在21世纪末成为现实。全基因组合成应用广泛，包括设计能抵抗病原体的植物，极其安全的人类细胞系（比如不受病毒感染、癌症和辐射影响的细胞系）。合成人类自己基因组的能力将在未来使医生能够治愈许多遗传疾病。

2016年建立的“基因组编写计划”（The Genome Project-Write）聚集了来自十几个国家的数百名科学家、工程师和伦理学家，旨在开发和共享基因组合成技术，并探索其伦理、法律和社会影响。

基础设施建设

低碳水泥

低碳水泥是一种可以应对气候变化的新型建筑材料。水泥是一种被广泛使用的人造材料，但水泥生产会导致产生大量二氧化碳，排放量占全球排放总量的8%。有人说，如果将水泥生产比做一个国家，它将是仅次于中国和美国的第三大排放国。目前世界上每年生产水泥达40亿吨，由于城市化进程的加快，这一数字预计将在未来30年增至50亿吨。

人们正在寻求生产水泥的各种低碳方法，其中一些已在实践中。美国新泽西州一家新创公司采用由罗格斯大学授权的化学工艺，可减少30%的二氧化碳释放量，与典型工艺相比，该配方使用更多的粘土、更少的石灰石和更少热量。加拿大新斯科舍省达特茅斯市的CarbonCure公司通过矿化作用将生产过程中捕获的二氧化碳储存在混凝土中，而不是作为副产品释放到大气中。总部位于蒙特利尔的CarbiCrete公司彻底抛弃了在混凝土使用水泥的做法，而以炼钢的副产品钢渣代之。挪威主要的水泥生产商Norcem正致力于创建世界上第一个零排放的水泥生产厂，使用来自废物的替代燃料，并计划通过碳捕获和储存技术，在2030年前完全消除排放。

另外，一些研究人员将细菌纳入混凝土配方中，以吸收空气中的二氧化碳并改善其性能。科罗拉多大学博尔德分校的研究人员利用一种名为蓝藻的光合微生物开发一种低碳混凝土，并利用细菌制造出具有自我修复裂缝能力的砖块。这些创新构想还不能代替如今所有应用中的水泥和混凝土，然而总有一天，它们可取代用于道路、外墙或临时结构等的材料。

计算机

量子传感

量子计算机的未来为人们所期待，量子传感器带来的变革不容忽视，它能让自动驾驶的车辆360度无死角地“看到”周围，应用范围包括水下导航系统、火山活动和地震预警系统，以及监测人类大脑活动的便携式扫描仪等。

基于亚原子领域特性的高精度计量，量子传感器可达到极高精度。成为世界时间标准的原子钟就是基于这一原理：铯133原子中的电子每秒可完成9 192 631 770次特定的跃迁。量子传感器利用原子跃迁可探测运动中的微小变化以及引力、电场和磁场的微小差异。

量子传感器还有其他用途，例如，英国伯明翰大学的研究人员正致力于开发自由下落的过冷原子，以检测局部重力的微小变化，根据这一原理制造的量子重力仪可探测埋设地下的管道、电缆和其他如今只能通过挖掘才能找到的物体。航海船也可以使用类似技术探测水下物体。

大多数量子传感系统仍然昂贵、庞大而复杂，但新一代更小、更便宜的传感器将开辟新的应用领域。麻省理工学院的研究人员在2019年将传统的基于十分之几毫米的金刚石压缩技术应用到传统硅芯片上，将十分之几毫米的量子元件压在传统的硅芯片上，朝着低成本、大规模生产量子传感器迈出了重要一步。据业内分析人士预计，量子传感器将在未来三到五年内投放市场，初步重点在医疗和国防领域。

资料来源 WEF