2020年全球十大新興技術(shù)

1、2020 年，科學美國人和世界經(jīng)濟論壇召集國際專家指導(dǎo)小組，在眾多新興技術(shù)中篩選出超過 75 項技術(shù)作為年度十大新興技術(shù)候選。指導(dǎo)小組對前幾名候選技術(shù)進行仔細評估后做出最終決定和排名，所選出的十大技術(shù)不僅必須具備超越現(xiàn)有方式刺激社會和經(jīng)濟進步的潛力，還需要是目前尚未被廣泛使用、但在未來三到五年內(nèi)有可能產(chǎn)生重大影響的技術(shù)。如今年的十大新興技術(shù)之一虛擬患者，如果測試新冠病毒疫苗所需的數(shù)千名志愿者中的一部分可以被數(shù)字化模擬所取代，可能會更快開發(fā)出 COVID-19 疫苗，拯救無數(shù)生命。一、用于無痛注射和測試的微針減少去化驗室的次數(shù)，讓人們獲得更便捷的醫(yī)療服務(wù)。微針即將迎來一個無痛注射和血液檢測的時代

2、。無論是連接在注射器還是貼片上，微針都可以通過避免與神經(jīng)末梢接觸來防止疼痛。一般來說，它們的長度為 50-2000 微米（約為一張紙的厚度），寬度為 1-100 微米（約為人類頭發(fā)的寬度），它們能穿透死皮表層到達第二層表皮層，但大多數(shù)沒有到達或幾乎沒有接觸到神經(jīng)末梢所在的下層真皮，以及血管、淋巴管和結(jié)締組織。許多微針注射器和貼片應(yīng)用已經(jīng)可用于接種疫苗，不過普遍的用途是在臨床試驗中治療糖尿病、癌癥和神經(jīng)性疼痛。因為這些裝置將藥物直接插入表皮或真皮，所以它們比熟悉的透皮貼劑通過皮膚擴散更能有效地遞送藥物。2020 年，研究人員首次推出了一種治療銀屑病、疣和某些類型癌癥等皮膚疾病的新技術(shù)：將星形微針

3、混合到治療霜劑或凝膠中。針刺穿皮膚的同時，還可以增強治療劑的通過能力。許多微針產(chǎn)品正走向商業(yè)化，實現(xiàn)快速、無痛地抽取血液或 組織液，并用于診斷測試或健康監(jiān)測。針頭產(chǎn)生的微小孔會引起 表皮或真皮中的局部壓力變化，迫使組織液或血液進入收集裝置。如果將針頭連接到生物傳感器，則該裝置可以在幾分鐘內(nèi)直接測 量指示健康或疾病狀態(tài)的生物標記，例如葡萄糖、膽固醇、酒精、藥物副產(chǎn)物或免疫細胞。有些產(chǎn)品可以在家里進行取樣，然后當場或郵寄到實驗室進行分析。美國和歐洲最近批準了 Seventh Sense Biosystems 公司的 TAP 采血裝置，無論是送往實驗室還是用于自我監(jiān)測，非專業(yè)人士都可以自行采集少量血

4、液樣本，從而掃清了此類使用的監(jiān)管障礙。在研究中，微針正在與無線通信設(shè)備集成來測量生物分子，并根據(jù)測量結(jié)果確定合適的藥物劑量，然后輸送該劑量這種方法有助于實現(xiàn)個性化醫(yī)療。微針裝置能夠在醫(yī)療服務(wù)不足的地區(qū)提供測試和治療，因為它們不需要昂貴的設(shè)備或大量的管理培訓。Micron Biomedical 公司開發(fā)出了一款易于使用的設(shè)備：任何人都可以使用的繃帶大小的貼片。另一家公司 Vaxxas 正在開發(fā)一種微針疫苗貼片，在動物和早期的人體測試中，僅使用通常劑量的一小部分就能增強免疫反應(yīng)。微針還可以降低傳播血源性病毒的風險，并減少處理傳統(tǒng)針頭所產(chǎn)生的危險廢物。然而微針并不是十全十美的，它不能滿足大劑量使用的

5、需要。不是所有的藥物都能通過微針注射，也不是所有的生物標記物都能通過微針取樣。想要了解患者的年齡和體重、注射部位和給藥技術(shù)等因素是如何影響微針技術(shù)效果的，還需要更多的研究。盡管如此，這些無痛針仍有望擴大藥物輸送和診斷范圍。當設(shè)計出它們在皮膚以外器官中使用的方法后，微針的新用途還將陸續(xù)出現(xiàn)。二、太陽動力化學可見光推動二氧化碳轉(zhuǎn)化為普通材料的過程制造許多種化學品都要消耗化石燃料，從而助長了采掘活動和二氧化碳排放的增加，加快氣候變化。目前，有一種利用陽光將廢二氧化碳轉(zhuǎn)化為所需化學品的新方法，有可能以兩種方式減少排放將不需要的氣體作為原料、用陽光替代化石燃料作為生產(chǎn)所需的能源。由于太陽光活化催化劑即光

6、催化劑的進步，該方法的可行性正進一步增大。近年來，研究人員開發(fā)出了光催化劑，可以打破二氧化碳中碳和氧之間抗性雙鍵 HYPERLINK l _bookmark0 1。這是創(chuàng)建“太陽能”精煉廠的關(guān)鍵一步，該廠可從廢氣中生產(chǎn)有用的化合物，包括可作為合成藥品、洗滌劑、化肥和紡織品等產(chǎn)品原料的“平臺”分子。光催化劑通常是半導(dǎo)體，需要高能紫外光來產(chǎn)生參與二氧化碳轉(zhuǎn)化的電子。然而，紫外線僅占陽光的 5%，既稀少又有害。因此目前的主要目標是開發(fā)新催化劑，可以在更豐富和良性的可見光下工作。該需求可以通過精心設(shè)計現(xiàn)有催化劑（如二氧化鈦）的組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)來滿足。盡管它僅響應(yīng)紫外光就能有效地將二氧化碳轉(zhuǎn)化為其他分子

7、，但向其摻雜氮能夠大大降低轉(zhuǎn)化所需的能量。改進后的催化劑只需要可見光就可以生產(chǎn)被廣泛使用化學品，如甲醇、甲醛和甲酸。目前，太陽動力化學研究主要在學術(shù)實驗室進行，包括加州 理工學院與勞倫斯伯克利國家實驗室合作的人工光合作用聯(lián)合 中心、荷蘭一個由大學、工業(yè)界和研究與技術(shù)組織合作的“日出 財團”，以及位于德國米爾海姆的馬克斯-普朗克化學能源轉(zhuǎn)換研 究所的異質(zhì)反應(yīng)系。一些初創(chuàng)企業(yè)正在研究用電力驅(qū)動化學反應(yīng)，1 抗性雙鍵：這里指二氧化碳分子中碳氧原子間共有兩個電子對的共價鍵。將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用物質(zhì)的方法。如果電力來自化石燃料燃燒，那么使用電力為反應(yīng)提供動力顯然不如使用陽光環(huán)保，但依靠光 伏技術(shù)可以克服

8、這一缺點。未來幾年，在太陽能驅(qū)動下將二氧化碳轉(zhuǎn)化為化學品方面，許多公司將會取得進展并進行商業(yè)化開發(fā)。到那時，通過把二氧化碳廢物轉(zhuǎn)化為有價值的產(chǎn)品，化學工業(yè)將成為真正無廢物循環(huán)經(jīng)濟的一部分，并助力負排放目標的實現(xiàn)。三、虛擬患者用模擬代替人類使臨床試驗更快更安全每天計算機都通過一些新的算法以前所未有的準確度來診斷 疾病，這讓人們再次預(yù)測計算機將很快取代醫(yī)生。如果計算機也 能代替患者呢？例如，如果虛擬人可以在新冠病毒疫苗試驗的某 些階段取代真人，就可以加速預(yù)防工具的開發(fā)，減緩疫情大流行。同樣，那些不具備潛在效能的疫苗也可以被及早發(fā)現(xiàn)，從而大幅 削減試驗成本，避免不良候選疫苗在活體志愿者身上進行測試。

9、 這些都是“計算機醫(yī)學”，或在虛擬器官和身體系統(tǒng)上測試藥物 和治療方案，以預(yù)測一個真實的人將對治療作出何種反應(yīng)的好處?？深A(yù)見的是，后期研究還需要真正的患者，但在計算機試驗中進 行安全性和有效性的首次評估仍是快速而廉價的，并會大大減少 試驗所需的活體受試者數(shù)量。計算機模擬臨床試驗已經(jīng)在一定程度上開展。美國食品和藥物管理局（FDA）正在使用計算機模擬代替人體試驗來評估新的乳房 X 光系統(tǒng)。該機構(gòu)還公布了包括虛擬患者在內(nèi)的藥物和設(shè)備試驗設(shè)計指南。除了加快結(jié)果的產(chǎn)生和降低臨床試驗的風險，計算機醫(yī)學還可以用來代替某些疾病的診斷或危險干預(yù)措施。例如，F(xiàn)DA 批準的一項基于云計算的HeartFlow Ana

10、lysis 服務(wù)，它使臨床醫(yī)生能夠根據(jù)患者心臟的CT 圖像來識別冠狀動脈疾病。HeartFlow 系統(tǒng)通過這些圖像構(gòu)建血液流經(jīng)冠狀動脈血管的流體動態(tài)模型，從而識別異常情況及其嚴重程度。如果沒有這項技術(shù)，醫(yī)生需要進行侵入性血管造影來決定是否以及如何進行干預(yù)治療。對個體患者的數(shù)字化模型進行實驗可以幫助實現(xiàn)針對大規(guī)模病癥的個性化治療，該方法已經(jīng)被用于糖尿病護理中。計算機醫(yī)學背后的理念并不新鮮。幾十年來，創(chuàng)建并模擬物體在數(shù)百種操作條件下的性能一直是工程學的基石，例如用于設(shè)計電子電路、飛機和建筑物。但在醫(yī)學研究和治療中進行廣泛操作仍然存在各種障礙。首先必須確認這項技術(shù)的預(yù)測能力和可靠性，這需要在幾方面取

11、得進展，包括：從一個不同性別、不同種族的龐大病人群中生成高質(zhì)量的醫(yī)學數(shù)據(jù)庫；完善數(shù)學模型，以說明身體中眾多相互作用的過程；進一步修改主要基于計算機語音和圖像識別開發(fā)的人工智能方法，并擴展到可提供生物學見解的技術(shù)?？茖W界和行業(yè)合作伙伴正在立項解決這些問題，如達索系統(tǒng)公司的“活體心臟項目”（The Living Heart Project）、虛擬生理人類綜合生物醫(yī)學研究所（The Virtual Physiological Human Institute for Integrative Biomedical Research）和微軟的 Healthcare NExT 等。近年來，F(xiàn)DA 和歐洲監(jiān)管

12、機構(gòu)已經(jīng)批準將一些計算機診斷用 于商業(yè)用途，但滿足監(jiān)管要求還需要大量的時間和資金。鑒于醫(yī) 療保健生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，增加對這一工具的需求仍是一項挑戰(zhàn)。計算機醫(yī)學必須能夠為患者、臨床醫(yī)生和醫(yī)療機構(gòu)提供具有成本 效益的價值，才可以加速其技術(shù)的應(yīng)用。四、空間計算超越虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實的下一件大事參與實驗者是一個需要使用輪椅的八十歲獨居老人瑪莎，她家中的所有物體對象都被數(shù)字化分類，所有傳感器和控制對象的設(shè)備都啟用了互聯(lián)網(wǎng)，并且她家的數(shù)字地圖已經(jīng)與物體對象地圖合并。當瑪莎從臥室走向廚房，燈光會自動打開，環(huán)境溫度也隨之調(diào)節(jié)。如果她的貓從她面前走過，輪椅就會放慢速度。當她來到廚房時，為了方便她接近冰箱和爐子，

13、桌子會自動移開；當她準備吃飯時，又可以移回來。如果她上床時摔倒，她的家具就會移動來保護她，并向她的兒子和當?shù)氐谋O(jiān)測站發(fā)出警報。物理和數(shù)字世界的融合正在進行，其下一步是構(gòu)建場景的核心技術(shù)“空間計算”。它可以完成虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實應(yīng)用程序的所有工作：將通過云連接的物體數(shù)字化、允許傳感器和電動機相互反應(yīng)、以數(shù)字化方式表示現(xiàn)實世界。它將這些功能與高保真空間映射相結(jié)合，當人在數(shù)字或物理世界中導(dǎo)航時，計算機作為 “協(xié)調(diào)器”能夠跟蹤和控制對象的移動和交互。不久之后，工業(yè)、醫(yī)療保健、交通和家居等各行業(yè)的人機和機機交互將在空間計算的幫助下達到新的效率水平。包括微軟和亞馬遜在內(nèi)的各大公司都在這項技術(shù)上投入了巨資。

14、與虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實一樣，空間計算創(chuàng)建在計算機輔助設(shè)計（CAD）中熟悉的“數(shù)字孿生”概念之上。在 CAD 中，工程師創(chuàng)建對象的數(shù)字表達。這對孿生可以用于 3D 打印物體，設(shè)計它的新版本，對其進行虛擬訓練，或者將它與其它數(shù)字對象連接以創(chuàng)建虛擬世界?？臻g計算通過 GPS、激光雷達、視頻和其他地理定位技術(shù)來創(chuàng)建房間、建筑物或城市的數(shù)字地圖，從而使數(shù)字孿生不僅包含物體，還包含人員和位置。軟件算法將數(shù)字地圖、傳感器數(shù)據(jù)，以及物體和人的數(shù)字化表征集成在一起，以創(chuàng)建一個可以觀察、量化和操控的數(shù)字化世界，同時操控現(xiàn)實世界。未來，醫(yī)學領(lǐng)域可能有這樣一個場景：醫(yī)護小組被派往一個城市公寓去救治一個可能需要緊急手術(shù)的

15、患者。系統(tǒng)可以將患者的病歷和實時更新的信息發(fā)送到技術(shù)人員的移動設(shè)備和急診科，并確定到達患者所在位置的最快駕駛路線。紅燈控制路口的車輛讓行，當救護車抵達時，大樓的入口門自動打開，一部電梯已經(jīng)就位。當醫(yī)護人員帶著擔架沖進來時，物體自動移開。當系統(tǒng)引導(dǎo)他們通過最快路線到達急診室時，手術(shù)團隊使用空間計算和增強現(xiàn)實技術(shù)來繪制整個手術(shù)室的編排或規(guī)劃患者的手術(shù)方案。工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)開始使用專用傳感器、數(shù)字孿生和物聯(lián)網(wǎng)的集成來優(yōu)化生產(chǎn)力，并且很可能會率先采用空間計算技術(shù)。這項技術(shù)可以為一臺設(shè)備或整個工廠增加位置跟蹤信息。戴上增強現(xiàn)實頭盔或觀看投影的全息圖像，工人不僅可以看到維修說明和機器部件的空間地圖，還可以被引

16、導(dǎo)在機器中穿行，以盡可能高效地維修機器，從而縮短時間和成本。如果一個技術(shù)人員正在使用遠程站點的虛擬現(xiàn)實指揮幾個機器人建造工廠，空間計算算法可以通過優(yōu)化機器人協(xié)作和任務(wù)分配選擇，幫助提高工作的安全、效率和質(zhì)量。在通常情況下，快餐和零售公司可以將空間計算與標準的工業(yè)工程技術(shù)結(jié)合起來，以提高工作流程的效率。五、數(shù)字醫(yī)療診斷甚至治療疾病的應(yīng)用程序未來醫(yī)生的處方會不會是一個應(yīng)用程序？現(xiàn)在，有一系列正在使用或開發(fā)中的應(yīng)用程序可以自主檢測或監(jiān)測精神和身體疾病，甚至可以直接實施治療。這種軟件被統(tǒng)稱為“數(shù)字醫(yī)療”，當醫(yī)療保健機會有限時，使用它既可以豐富傳統(tǒng)醫(yī)療保健手段，又可以為患者提供健康監(jiān)測的支持，而 COV

17、ID-19 疫情的危機加劇了這一需求。許多檢測輔助工具依賴于移動設(shè)備來記錄用戶的語音、位置、面部表情、運動、睡眠和短信活動等特征，然后應(yīng)用人工智能來標記疾病發(fā)作或惡化的可能。例如，一些智能手表包含一個傳感器，可以自動檢測并提醒人們一種危險的心律心顫。用于篩查呼吸障礙、抑郁癥、帕金森癥、阿爾茨海默癥、自閉癥和其他疾病的類似工具也在開發(fā)中。這些檢測輔助或“數(shù)字化表型”輔助設(shè)備不會很快取代醫(yī)生，但可以突出需要持續(xù)關(guān)注的問題。檢測輔助設(shè)備還有可攝入的、帶有傳感器的藥丸形式，稱為微生物電子器件。有些正在開發(fā)中，用于檢測諸如癌癥 DNA、腸道微生物釋放的氣體、胃出血、體溫和氧氣水平等。傳感器將數(shù)據(jù)傳遞給應(yīng)

18、用程序并進行記錄。治療類應(yīng)用程序同樣被設(shè)計用于各種疾病。第一個獲得 FDA批準的數(shù)字治療處方是 Pear Therapeutics 公司針對藥物使用障礙的 reSET 技術(shù)。該技術(shù) 2018 年獲得批準，可作為醫(yī)療專業(yè)人員護理的輔助手段，提供 24/7 認知行為療法（CBT），并為臨床醫(yī)生提供關(guān)于患者需求和觸發(fā)因素的實時數(shù)據(jù)。在 2020 年初，失眠治療應(yīng)用 Somryst 和首款針對注意力缺陷多動障礙兒童的視頻游戲治療方法EndeavorRX 也獲得了FDA 的批準。兒童健康初創(chuàng)公司 Luminopia 設(shè)計了一款治療弱視的虛擬現(xiàn)實應(yīng)用，這是一款替代眼罩產(chǎn)品。未來，當智能手表能檢測到言語和社

19、交模式的變化后，大學生可能會收到智能手表的警報，提醒他們可能患有輕度抑郁癥，然后他們可以找機器人進行 CBT咨詢。并非所有的健康應(yīng)用都符合成為數(shù)字醫(yī)療的條件。在大多數(shù)情況下，必須在臨床試驗中證明診斷或治療疾病的藥物是安全和有效的，并獲得監(jiān)管部門的批準，有些可能還需要醫(yī)生的處方（2020 年 4 月，為了幫助應(yīng)對 COVID-19 疫情，F(xiàn)DA 暫時將低風險的心理健康設(shè)備作為例外）。COVID-19 病毒凸顯了數(shù)字醫(yī)療的重要性。隨著疫情的爆發(fā)，數(shù)十款用于檢測抑郁癥和提供咨詢的應(yīng)用程序可被下載。此外，全球各地的醫(yī)院和政府機構(gòu)都部署了微軟醫(yī)療機器人（Microsoft Healthcare Bot）

20、服務(wù)的變體。擔心遇到咳嗽和發(fā)燒的人可以和機器人聊天，而不必在呼叫中心等待或冒著風險去急診室，機器人能夠詢問癥狀，并根據(jù)人工智能分析，描述有可能的病因或開啟遠程醫(yī)療會話，由醫(yī)生進行評估。到 2020 年 4 月下旬，機器人已經(jīng)收到了超過 2 億次關(guān)于 COVID 癥狀和治療的咨詢。這些干預(yù)措施大大減輕了衛(wèi)生系統(tǒng)的壓力。顯然，未來社會必將謹慎地向數(shù)字醫(yī)療過渡，確保這些工具 經(jīng)過嚴格的測試、保護隱私，并能順利融入醫(yī)生的工作流程。有 了這些保護措施，數(shù)字化表型分析和治療方法可以通過標記不健 康的行為幫助人們在疾病發(fā)生之前做出改變，從而節(jié)省醫(yī)療成本。此外，將人工智能應(yīng)用在數(shù)字化表型和治療應(yīng)用程序生成的大

21、數(shù) 據(jù)集中，有助于實現(xiàn)個性化的患者護理，出現(xiàn)的新模式也將為研 究人員提供養(yǎng)成健康習慣和預(yù)防疾病的新思路。六、電動航空使航空旅行脫碳2019 年，航空旅行占全球碳排放的 2.5%，到 2050 年這一數(shù) 字可能增加兩倍。盡管一些航空公司已經(jīng)開始減少他們的大氣碳 排放，但還需繼續(xù)削減。電動飛機可以提供改變所需的規(guī)模，許 多公司正在競相開發(fā)。電力推進發(fā)動機不僅可以消除直接碳排放，還可以降低高達 90%的燃料成本、50%的維護成本和近 70%的噪 音。從事電動飛行的公司包括空客、安飛（Ampaire）、MagniX和 Eviation，且他們開發(fā)的都是用于私人、公司或通勤旅程的測試飛機，并正在尋求美國

22、聯(lián)邦航空管理局的認證。最大支線航空公司之一的開普航空預(yù)計將成為首批客戶，它計劃從 Eviation 公司購買 Alice 九座電動飛機。開普航空的首席執(zhí)行官丹沃爾夫表示，他感興趣的不僅是環(huán)境效益，還有能夠節(jié)省的運營成本。與目前飛機上的碳氫燃料發(fā)動機相比，通常情況下，電動發(fā)動機的壽命更長，它們需要進行大修的使用時間是 20000 小時，而不是 2000 小時。前驅(qū)發(fā)動機并不是唯一的電動發(fā)動機。美國宇航局正在研制 X-57 Maxwell 電動飛機，用配備一組分布式電動螺旋槳的較短機翼取代傳統(tǒng)機翼。在傳統(tǒng)的噴氣式飛機上，機翼必須足夠大，以在飛機低速飛行時提供升力，但大的表面積在高速飛行時會增加阻力

23、。而電動螺旋槳可以在起飛時增加升力，從而實現(xiàn)更小的機翼和整體更高的效率。在可預(yù)見的未來，電動飛機的飛行距離仍然有限。當今最好的電池能量密度為每公斤 250 瓦時，比每公斤 12000 瓦時的傳統(tǒng)噴氣燃料少得多。因此，給定距離飛行所需的電池遠比標準燃料重，占用的空間也更大。全球約有一半的航班飛行距離小于 800公里，預(yù)計到 2025 年，電動飛機將能達到此飛行范圍。電動航空面臨著成本和監(jiān)管障礙，但投資者、孵化器、企業(yè)和政府都對這項技術(shù)的進步感興趣，并進行了大量投資。2017 至2019 年，約有 2.5 億美元流向電動航空初創(chuàng)企業(yè)。目前，約有 170個電動飛機項目正在進行。大多數(shù)電動飛機是為私人

24、、公司和通勤旅行而設(shè)計的，但空客表示，計劃到 2030 年前提供 100 架客機。七、低碳水泥應(yīng)對氣候變化的建筑材料混凝土，這種使用最廣泛的人工材料，塑造了我們建造的世界?？偛课挥趥惗氐闹菐觳樗分遥–hatham House）表示，制造混凝土主要原材料之一的水泥產(chǎn)生的二氧化碳高達全球總排放量 8%。有人說，如果把水泥生產(chǎn)算作一個國家，它將是僅次于中國和美國的第三大排放國。查塔姆之家的報告稱：目前，水泥每年產(chǎn)量達 40 億噸，由于城市化進程加快，這一數(shù)字預(yù)計將在未來 30 年上升到 50 億噸。生產(chǎn)水泥所產(chǎn)生的排放來自于水泥形成所需熱量的礦物燃料，以及窯中將石灰石轉(zhuǎn)化為熟料的化學過程，然后將

25、熟料研磨并與其他材料混合以制造水泥。盡管建筑業(yè)出于安全性和可靠性等各種原因通常會抵制變革，但來自于減排的壓力很可能促使其加速改變。2018 年，代表全球 產(chǎn)量約30%的全球水泥和混凝土協(xié)會宣布了行業(yè)首個可持續(xù)性指 南，包含一套排放和用水量等關(guān)鍵衡量標準，旨在跟蹤產(chǎn)品性能 改進情況并使其公開透明。與此同時，各種低碳方法正在被推行，其中一些已經(jīng)在實踐中。位于新澤西州皮斯卡塔韋的初創(chuàng)公司 Solidia 采用了羅格斯大學授權(quán)的化學工藝，使在制造水泥時釋放的二氧化碳比通常情況減少了 30%。該配方比一般工藝使用的粘土更多，石灰石更少，熱量更低。位于新斯科舍省達特茅斯的 CarbonCure 將其他工業(yè)

26、過程中捕獲的二氧化碳通過礦化作用儲存在混凝土中，而不是將其作為副產(chǎn)品釋放到大氣中?？偛课挥诿商乩麪柕?CarbiCrete 公司完全放棄了在混凝土中使用水泥，而用一種名為鋼渣的煉鋼副產(chǎn)品代替。而挪威主要的水泥生產(chǎn)商 Norcem 公司計劃將其一個工廠變成世界上首個零排放的水泥制造廠。該廠已經(jīng)使用廢物替代燃料，并打算增加碳捕獲和儲存技術(shù)，以在 2030 年前完全消除排放。此外，研究人員還將細菌摻入混凝土配方，以吸收空氣中的 二氧化碳并改善混凝土的性能。追求這種具有“生命力”建筑材 料的初創(chuàng)企業(yè)包括北卡羅來納州羅利市的BioMason，該公司利用 細菌和被稱為骨料的顆?！吧L”出水泥磚塊。在一項由

27、國防高 級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency）資助 并發(fā)表在物質(zhì)雜志上的創(chuàng)新中，科羅拉多大學博爾德分校的 研究人員利用名為藍藻的光合微生物來建造一種低碳混凝土。他 們在沙水凝膠支架上接種細菌，制造出具有自愈裂縫能力的磚塊。雖然這些磚不能取代目前水泥和混凝土的所有用途，但有一天它們將可以取代那些用于鋪路、外墻和臨時結(jié)構(gòu)的輕型承重材料。八、量子傳感基于亞原子領(lǐng)域特性的高精度計量雖然所有人都在炒作量子計算機，但量子傳感器可能同樣具有變革性，如在拐角處能夠“透視”的自動駕駛汽車、水下導(dǎo)航系統(tǒng)、火山活動和地震的預(yù)警系統(tǒng)，以及監(jiān)測一個人在日常生活

28、中大腦活動的便攜式掃描儀。量子傳感器利用物質(zhì)的量子性質(zhì)，如利用不同能量狀態(tài)的電子之間的差異作為基本單位，達到極高的精度。原子鐘證明了這一原理。世界時間標準是基于銫-133 原子中的電子每秒完成 9,192,631,770 次的特定躍遷，這是其他時鐘所要調(diào)整的振動。其他量子傳感器利用原子躍遷來檢測運動的微小變化以及引力、電場和磁場的微小差異。還可以通過其他方法構(gòu)建量子傳感器。例如，英國伯明翰大學的研究人員正在努力開發(fā)自由下落的過冷原子，以檢測局部重力的微小變化。這種量子重力儀將能夠探測到目前只能通過挖掘才能找到的地下管道、電纜和其他物體。航海船只可以使用類似的技術(shù)來探測水下物體。大多數(shù)量子傳感系

29、統(tǒng)仍然復(fù)雜昂貴，且體積過大，但新一代的傳感器更小、更便宜，并且會開發(fā)出新的應(yīng)用場景。麻省理工學院的研究人員在 2019 年使用傳統(tǒng)的制造方法，將一種基于金剛石的量子傳感器放在硅芯片上，將多個傳統(tǒng)笨重的元件擠壓到一個十分之幾毫米寬的正方形上。該原型朝著低成本、大規(guī)模生產(chǎn)的量子傳感器邁出了一步，這種傳感器在室溫下工作，并可用于所有涉及對弱磁場進行精細測量的應(yīng)用。但量子系統(tǒng)仍然極易受到干擾，這可能會將其限制在受控環(huán) 境中應(yīng)用。但政府和私人投資者正在應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，包括成本、 規(guī)模和復(fù)雜性。例如，英國已將 3.15 億英鎊投入其國家量子計算 計劃（20192024 年）的第二階段。業(yè)內(nèi)分析人士預(yù)測，量子

30、傳 感器將在未來三到五年內(nèi)進入市場，初期重點是醫(yī)療和國防應(yīng)用。九、綠氫補充風能和太陽能的零碳能源氫氣燃燒唯一的副產(chǎn)品是水，這就是為什么幾十年來氫氣一直是一種誘人的零碳能源。然而在傳統(tǒng)的氫氣生產(chǎn)過程中，化石燃料暴露在蒸汽中，根本談不上零碳，這樣產(chǎn)生的氫氣被稱為灰氫；如果二氧化碳被捕獲并封存，則稱為藍氫。但是綠氫不同于此，它是通過電解產(chǎn)生的，機器將水分解成氫氣和氧氣，沒有其他副產(chǎn)品。歷史上電解需要大量的電能，因此用這種方式生產(chǎn)氫氣意義不大。而有兩個因素正在促使這種情況發(fā)生變化：首先，在電網(wǎng)規(guī)模上可獲得大量過剩的可再生電力，多余的電力可以用來驅(qū)動水的電解，以氫氣的形式“儲存”電力，而不是儲存在電池組

31、中。其次，電解槽的效率變得越來越高。各家公司正在努力開發(fā)像生產(chǎn)灰氫或藍氫一樣廉價生產(chǎn)綠氫 的電解槽，分析師預(yù)計他們將在未來十年內(nèi)實現(xiàn)這一目標。與此 同時，能源公司正開始將電解裝置直接集成到可再生能源項目中。例如，一個公司財團計劃通過名為 Gigastack 的項目，為rsteds Hornsea Two 海上風電場配備 100 兆瓦的電解裝置，以工業(yè)規(guī)模 生產(chǎn)綠色氫氣。目前，使用太陽能和風能等可再生技術(shù)取代天然氣和煤炭產(chǎn)生清潔電力，可以使能源部門的碳排放減少高達 85%。其他經(jīng)濟部門，如航運和制造業(yè)，更難實現(xiàn)電氣化，因為它們通常需要高能量密度的燃料或高溫下的熱量。綠氫在這些領(lǐng)域具有潛力。能源轉(zhuǎn)型委員會（The Energy Transitions Commission）表示：綠色氫氣是實現(xiàn)巴黎協(xié)定每年從最具挑戰(zhàn)性的工業(yè)部門（包括采礦、建筑和化學品）中減少超過 100 億噸二氧化碳目標所必需的四項技術(shù)之一。十、全基因組合成下一代的細胞工程在 COVID-19 疫情初期，中國的科學家將病毒的基