2021十大最新科技「2021年十大科技趋势」

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近日，《科学美国人》和世界经济论坛发布了《2021年十大新兴技术》（Top 10 Emerging Technologies of 2021），总结了2021年技术创新如何助力应对全球最紧迫的社会问题，如气候治理、能源紧缺、维持粮食生产、改善全球健康等。这些问题往往互相关联，因此也需要协同解决，今年新技术在这方面取得了骄人成绩。

1.脱碳技术的规模化应用

今年，应对气候变化的全面承诺催生了一系列新技术和新方案，许多脱碳技术在未来3至5年内将实现规模化应用。目前全球只有不到2%的私人和商业交通工具实现了零排放，铁路和海运设计出的低碳方案还没有大规模应用。美国约有13%的碳排放来自住宅和商业建筑中用于取暖和烹饪的燃料，对此，除了需要广泛使用净零排放的装置和系统，还要转向使用自然和新颖的建筑材料，如可再生木材和低碳水泥。要实现各国和各行业设定的节能减排目标，需要大力发展光伏、风能、水电、潮汐、核能和其他零排放技术，同时开发更多的碳捕获、再利用和封存技术。此外，人造肉等蛋白质替代品应占据更大市场份额，以减少饲养牲畜产生的大量碳和甲烷。通过物联网连接的传感器数据将更多地实现土地和作物的智能管理，以及化肥和水的科学使用，有助于进一步减少碳排放。

2.自我施肥的农作物

根据联合国粮食及农业组织的数据，每年需要大约1.1亿吨氮来维持全球作物生产。氮肥通常是将空气中的氮转化为氨，这是一个高能耗生产过程，将造成全球1%-2%的二氧化碳排放量。许多农民无力支付昂贵的工业化肥费用，导致产量大幅下降，增加了自然土地的压力。对此，研究人员从自然界自身制造氮肥的方法中寻找到了线索。豆科植物的根与土壤细菌相互作用，细菌在根上定植并形成共生关系，称为根瘤菌，植物提供糖来维持细菌，细菌有固定氮的功能，将大气中的氮转化为氨。科学家们正在模拟豆科植物和细菌之间的分子交流，引导细菌在其他作物根部进行定植，训练那些自然定植在谷物根部但不能固定氮的土壤细菌产生固氮酶。

3.用呼吸传感器诊断疾病

人类呼气中含有800多种化合物，最近的发现表明某些化合物浓度与不同疾病之间有很强的相关性。例如，呼吸中丙酮浓度的显著升高是糖尿病的强烈指征；呼出高浓度一氧化氮与炎症细胞相关；呼出大量的醛类与肺癌密切相关。呼吸传感器比抽血能更快地提供结果，还可以通过非介入的方式收集关键的健康数据，从而简化医疗诊断。在医疗资源有限的低收入国家，该技术的易用性、便携性和成本效益为医疗健康提供了新的机会。这些设备还可以帮助减缓病毒在社区的传播，类似于在个体进入公共室内空间之前进行温度检测。

4.快速实现按需制药

传统的药品是通过多步骤大批量生产的，不同的部分分散在世界许多地方，支撑这种大规模生产需要数百吨的原材料，难以确保质量划一和可靠供应，且通常需要几个月的时间才能完成药品生产并运送到药商。相比之下，按需制药可以一次性生产出所有的药品，工作原理是将原料通过管道输送到一系列的小反应箱中。这种能根据需要在单一地点生产的药品，也可以在偏远地区或野战医院生产。储存和运输药物所需的资源减少了，剂量也可以根据不同的患者量身定制。2016年，麻省理工学院与美国国防高级研究计划局（DARPA）就合作创造了一台冰箱大小的机器，制造出盐酸苯海拉明、安定、盐酸氟西汀和盐酸利多卡因四种常见药物，在24小时内每种药物制造出了1000剂。

5.来自无线信号的电能

据估计，到2025年将有400亿物联网设备上线，为这些设备提供便捷供电越来越成为巨大挑战。正在研究的一种解决方案是利用无线网络路由器和接入点发出的无线信号供电，原理是通过一架接收天线来捕获无线信号所携带的能量，而新兴的第五代移动通信技术（5G）将把无线而能源收集提升到一个新的水平。在工作中，天线将能量传送到电子整流器中，整流器使用半导体将其转化为直流电压，从而为设备充电或供电。整流天线后面有一个电源管理电路，电力消耗微不足道，同时起到放大电压的作用。现在，许多初创公司提供的无线充电产是依赖专用无线变送器，将来这类设备很可能能够接收无线网络和5G信号。

6.基因组学逆转老龄衰退

根据世界卫生组织的数据，在2015年至2050年期间，全球60岁以上人口的比例将几乎翻一番，从12%增至22%，对卫生和社会系统构成巨大挑战。老龄化还伴随着痴呆症、癌症、2型糖尿病和动脉粥样硬化等慢性疾病。了解衰老的分子机制可以帮助人类过上更长寿、更健康的生活，而这只是第一步。随着组学技术的出现、完善和量化，结合表观遗传学的见解，这些关键机制变得越来越清晰。表观遗传标记能准确预测老年人的疾病及随之而来的死亡风险。生物体内单个细胞基因信息测序的进展表明，随着年龄增长，突变的数量增加，人体对这种突变的修复可能会在DNA上留下与衰老相关的痕迹，这是另一种标记。最近不断增长的对衰老机制的理解使靶向治疗成为可能，而通过治疗有可能逆转与人类年龄相关的认知衰退。

7.用绿色氢生产绿色氨

合成氨用于生产化肥，为全球50%的粮食生产提供支撑，是全球粮食安全的关键。但氨合成是一种能源密集型的化学过程，需要催化剂将氮气与氢气固定。与空气主要成分的氮不同，氢必须是合成的，目前通过化石燃料生产的过程会产生大量的二氧化碳，占全球总排放量的1%至2%。利用可再生能源分解水而产生的绿色氢有望改变这一现状。除了在制氢过程中消除碳排放外，该工艺的最终结果明显更纯净，不含化石燃料中所含的硫和砷等化学物质，不会影响催化剂纯度，这种催化剂完全来自可再生资源，可以用于绿色氨生产。

8.便携设备实现医疗信息监测

监测糖尿病和癌症等慢性疾病需要经常进行血液检查，以识别和跟踪某些生物标记物。现在，超过100家公司正在开发无线、便携式和可穿戴式传感器，很快就能实现对这一重要信息的持续监测。监测仪使用多种方法来检测汗液、眼泪、尿液或血液中的生物标志物。有的利用光或低功率电磁辐射（手机和智能手表等），结合天线和电子设备来进行检测。还有的在皮肤上使用可穿戴的、柔韧的电子传感器。病人手指上的电压变化、嵌入衣服的可穿戴电子设备、纹身状电路提取微量汗液等均可以评估葡萄糖水平。电子透明隐形眼镜可以无线采集癌症生物标志物或血糖水平。唾液生物标志物可以表明生理和心理压力或疾病，如艾滋病毒、肠道感染、癌症和新冠。如果将唾液传感器集成到具有射频识别技术的口腔保护装置中，还可以监测口腔健康，检测龋齿或畸齿。

9.因地制宜实现房屋3D打印

3D打印房屋指将混凝土、沙子、塑料和粘合剂的混合物等材料运到建筑工地，通过一台大型3D打印机建造房屋。据联合国估计，用3D打印机建造房屋可能有助于解决全球16亿人住房不足的问题。作为一种相对简单和低成本的建造方法，它似乎非常适合缓解偏远贫困地区的住房困境。但由于缺乏运输材料的基础设施，很多地方无法使用该技术。最近，意大利Mario Cucinella建筑事务所设计了一个房屋原型，使用当地的粘土来打印房屋组件，极大地降低了建筑的复杂性、成本和能源消耗。他们将土壤与某种液体粘合剂等混合，然后由意大利3D打印公司一层一层地喷出住宅所需的复杂形状和表面，使用当地材料可以减少大约95%的运输原料。最后，达到使用寿命的结构还可以简单地分解为基材重复使用。

10.基于太空的物联网系统

物联网在通信和自动化方面有巨大优势，但需要在全球范围内广布设备才能将海量数据汇集到云数据中心，并使用人工智能模式识别异常情况，发现各种天气和自然灾害。现在，蜂窝网络覆盖面积不到全球一半，有巨大连接缺口。而通过使用低成本、低重量、低空轨道运行的纳米卫星网络，基于太空的物联网系统可以弥补这些空白。今天全球大约有2000颗立方体卫星可以做轨道监视器，很快地球上的小型电池供电的物联网设备就可以与这些轨道上的纳米卫星进行通信。（社会科学报社融媒体“思想工坊”出品 全文见社会科学报及官方网站）