2020年全球十大新興技術(shù)

1、2020 年，科學(xué)美國(guó)人和世界經(jīng)濟(jì)論壇召集國(guó)際專家指導(dǎo)小組，在眾多新興技術(shù)中篩選出超過(guò) 75 項(xiàng)技術(shù)作為年度十大新興技術(shù)候選。指導(dǎo)小組對(duì)前幾名候選技術(shù)進(jìn)行仔細(xì)評(píng)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(huì)和經(jīng)濟(jì)進(jìn)步的潛力，還需要是目前尚未被廣泛使用、但在未來(lái)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(cè)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(huì)更快開發(fā)出 COVID-19 疫苗，拯救無(wú)數(shù)生命。一、用于無(wú)痛注射和測(cè)試的微針減少去化驗(yàn)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(lái)一個(gè)無(wú)痛注射和血液檢測(cè)的時(shí)代

2、。無(wú)論是連接在注射器還是貼片上，微針都可以通過(guò)避免與神經(jīng)末梢接觸來(lái)防止疼痛。一般來(lái)說(shuō)，它們的長(zhǎng)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(dá)第二層表皮層，但大多數(shù)沒(méi)有到達(dá)或幾乎沒(méi)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(guò)普遍的用途是在臨床試驗(yàn)中治療糖尿病、癌癥和神經(jīng)性疼痛。因?yàn)檫@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(guò)皮膚擴(kuò)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?jiǎng)┗蚰z中。針刺穿皮膚的同時(shí)，還可以增強(qiáng)治療劑的通過(guò)能力。許多微針產(chǎn)品正走向商業(yè)化，實(shí)現(xiàn)快速、無(wú)痛地抽取血液或 組織液，并用于診斷測(cè)試或健康監(jiān)測(cè)。針頭產(chǎn)生的微小孔會(huì)引起 表皮或真皮中的局部壓力變化，迫使組織液或血液進(jìn)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(cè) 量指示健康或疾病狀態(tài)的生物標(biāo)記，例如葡萄糖、膽固醇、酒精、藥物副產(chǎn)物或免疫細(xì)胞。有些產(chǎn)品可以在家里進(jìn)行取樣，然后當(dāng)場(chǎng)或郵寄到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。美國(guó)和歐洲最近批準(zhǔn)了 Seventh Sense Biosystems 公司的 TAP 采血裝置，無(wú)論是送往實(shí)驗(yàn)室還是用于自我監(jiān)測(cè)，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(wú)線通信設(shè)備集成來(lái)測(cè)量生物分子，并根據(jù)測(cè)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(shí)現(xiàn)個(gè)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(cè)試和治療，因?yàn)樗鼈儾恍枰嘿F的設(shè)備或大量的管理培訓(xùn)。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(dòng)物和早期的人體測(cè)試中，僅使用通常劑量的一小部分就能增強(qiáng)免疫反應(yīng)。微針還可以降低傳播血源性病毒的風(fēng)險(xiǎn)，并減少處理傳統(tǒng)針頭所產(chǎn)生的危險(xiǎn)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(guò)微針注射，也不是所有的生物標(biāo)記物都能通過(guò)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(wú)痛針仍有望擴(kuò)大藥物輸送和診斷范圍。當(dāng)設(shè)計(jì)出它們?cè)谄つw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(yáng)動(dòng)力化學(xué)可見光推動(dòng)二氧化碳轉(zhuǎn)化為普通材料的過(guò)程制造許多種化學(xué)品都要消耗化石燃料，從而助長(zhǎng)了采掘活動(dòng)和二氧化碳排放的增加，加快氣候變化。目前，有一種利用陽(yáng)光將廢二氧化碳轉(zhuǎn)化為所需化學(xué)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(yáng)光替代化石燃料作為生產(chǎn)所需的能源。由于太陽(yáng)光活化催化劑即光

6、催化劑的進(jìn)步，該方法的可行性正進(jìn)一步增大。近年來(lái)，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(yáng)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(tái)”分子。光催化劑通常是半導(dǎo)體，需要高能紫外光來(lái)產(chǎn)生參與二氧化碳轉(zhuǎn)化的電子。然而，紫外線僅占陽(yáng)光的 5%，既稀少又有害。因此目前的主要目標(biāo)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(guò)精心設(shè)計(jì)現(xiàn)有催化劑（如二氧化鈦）的組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)來(lái)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(jìn)后的催化劑只需要可見光就可以生產(chǎn)被廣泛使用化學(xué)品，如甲醇、甲醛和甲酸。目前，太陽(yáng)動(dòng)力化學(xué)研究主要在學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，包括加州 理工學(xué)院與勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作的人工光合作用聯(lián)合 中心、荷蘭一個(gè)由大學(xué)、工業(yè)界和研究與技術(shù)組織合作的“日出 財(cái)團(tuán)”，以及位于德國(guó)米爾海姆的馬克斯-普朗克化學(xué)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(dòng)化學(xué)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(gè)電子對(duì)的共價(jià)鍵。將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用物質(zhì)的方法。如果電力來(lái)自化石燃料燃燒，那么使用電力為反應(yīng)提供動(dòng)力顯然不如使用陽(yáng)光環(huán)保，但依靠光 伏技術(shù)可以克服

8、這一缺點(diǎn)。未來(lái)幾年，在太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)下將二氧化碳轉(zhuǎn)化為化學(xué)品方面，許多公司將會(huì)取得進(jìn)展并進(jìn)行商業(yè)化開發(fā)。到那時(shí)，通過(guò)把二氧化碳廢物轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的產(chǎn)品，化學(xué)工業(yè)將成為真正無(wú)廢物循環(huán)經(jīng)濟(jì)的一部分，并助力負(fù)排放目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。三、虛擬患者用模擬代替人類使臨床試驗(yàn)更快更安全每天計(jì)算機(jī)都通過(guò)一些新的算法以前所未有的準(zhǔn)確度來(lái)診斷 疾病，這讓人們?cè)俅晤A(yù)測(cè)計(jì)算機(jī)將很快取代醫(yī)生。如果計(jì)算機(jī)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(yàn)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(yàn)成本，避免不良候選疫苗在活體志愿者身上進(jìn)行測(cè)試。

9、 這些都是“計(jì)算機(jī)醫(yī)學(xué)”，或在虛擬器官和身體系統(tǒng)上測(cè)試藥物 和治療方案，以預(yù)測(cè)一個(gè)真實(shí)的人將對(duì)治療作出何種反應(yīng)的好處。可預(yù)見的是，后期研究還需要真正的患者，但在計(jì)算機(jī)試驗(yàn)中進(jìn) 行安全性和有效性的首次評(píng)估仍是快速而廉價(jià)的，并會(huì)大大減少 試驗(yàn)所需的活體受試者數(shù)量。計(jì)算機(jī)模擬臨床試驗(yàn)已經(jīng)在一定程度上開展。美國(guó)食品和藥物管理局（FDA）正在使用計(jì)算機(jī)模擬代替人體試驗(yàn)來(lái)評(píng)估新的乳房 X 光系統(tǒng)。該機(jī)構(gòu)還公布了包括虛擬患者在內(nèi)的藥物和設(shè)備試驗(yàn)設(shè)計(jì)指南。除了加快結(jié)果的產(chǎn)生和降低臨床試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算機(jī)醫(yī)學(xué)還可以用來(lái)代替某些疾病的診斷或危險(xiǎn)干預(yù)措施。例如，F(xiàn)DA 批準(zhǔn)的一項(xiàng)基于云計(jì)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(lái)識(shí)別冠狀動(dòng)脈疾病。HeartFlow 系統(tǒng)通過(guò)這些圖像構(gòu)建血液流經(jīng)冠狀動(dòng)脈血管的流體動(dòng)態(tài)模型，從而識(shí)別異常情況及其嚴(yán)重程度。如果沒(méi)有這項(xiàng)技術(shù)，醫(yī)生需要進(jìn)行侵入性血管造影來(lái)決定是否以及如何進(jìn)行干預(yù)治療。對(duì)個(gè)體患者的數(shù)字化模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可以幫助實(shí)現(xiàn)針對(duì)大規(guī)模病癥的個(gè)性化治療，該方法已經(jīng)被用于糖尿病護(hù)理中。計(jì)算機(jī)醫(yī)學(xué)背后的理念并不新鮮。幾十年來(lái)，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(xué)的基石，例如用于設(shè)計(jì)電子電路、飛機(jī)和建筑物。但在醫(yī)學(xué)研究和治療中進(jìn)行廣泛操作仍然存在各種障礙。首先必須確認(rèn)這項(xiàng)技術(shù)的預(yù)測(cè)能力和可靠性，這需要在幾方面取

11、得進(jìn)展，包括：從一個(gè)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(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)；完善數(shù)學(xué)模型，以說(shuō)明身體中眾多相互作用的過(guò)程；進(jìn)一步修改主要基于計(jì)算機(jī)語(yǔ)音和圖像識(shí)別開發(fā)的人工智能方法，并擴(kuò)展到可提供生物學(xué)見解的技術(shù)?？茖W(xué)界和行業(yè)合作伙伴正在立項(xiàng)解決這些問(wèn)題，如達(dá)索系統(tǒng)公司的“活體心臟項(xiàng)目”（The Living Heart Project）、虛擬生理人類綜合生物醫(yī)學(xué)研究所（The Virtual Physiological Human Institute for Integrative Biomedical Research）和微軟的 Healthcare NExT 等。近年來(lái)，F(xiàn)DA 和歐洲監(jiān)管

12、機(jī)構(gòu)已經(jīng)批準(zhǔn)將一些計(jì)算機(jī)診斷用 于商業(yè)用途，但滿足監(jiān)管要求還需要大量的時(shí)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(duì)這一工具的需求仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。計(jì)算機(jī)醫(yī)學(xué)必須能夠?yàn)榛颊?、臨床醫(yī)生和醫(yī)療機(jī)構(gòu)提供具有成本 效益的價(jià)值，才可以加速其技術(shù)的應(yīng)用。四、空間計(jì)算超越虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的下一件大事參與實(shí)驗(yàn)者是一個(gè)需要使用輪椅的八十歲獨(dú)居老人瑪莎，她家中的所有物體對(duì)象都被數(shù)字化分類，所有傳感器和控制對(duì)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(duì)象地圖合并。當(dāng)瑪莎從臥室走向廚房，燈光會(huì)自動(dòng)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(guò)，輪椅就會(huì)放慢速度。當(dāng)她來(lái)到廚房時(shí)，為了方便她接近冰箱和爐子，

13、桌子會(huì)自動(dòng)移開；當(dāng)她準(zhǔn)備吃飯時(shí)，又可以移回來(lái)。如果她上床時(shí)摔倒，她的家具就會(huì)移動(dòng)來(lái)保護(hù)她，并向她的兒子和當(dāng)?shù)氐谋O(jiān)測(cè)站發(fā)出警報(bào)。物理和數(shù)字世界的融合正在進(jìn)行，其下一步是構(gòu)建場(chǎng)景的核心技術(shù)“空間計(jì)算”。它可以完成虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序的所有工作：將通過(guò)云連接的物體數(shù)字化、允許傳感器和電動(dòng)機(jī)相互反應(yīng)、以數(shù)字化方式表示現(xiàn)實(shí)世界。它將這些功能與高保真空間映射相結(jié)合，當(dāng)人在數(shù)字或物理世界中導(dǎo)航時(shí)，計(jì)算機(jī)作為 “協(xié)調(diào)器”能夠跟蹤和控制對(duì)象的移動(dòng)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(jī)和機(jī)機(jī)交互將在空間計(jì)算的幫助下達(dá)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(xiàng)技術(shù)上投入了巨資。

14、與虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)一樣，空間計(jì)算創(chuàng)建在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）中熟悉的“數(shù)字孿生”概念之上。在 CAD 中，工程師創(chuàng)建對(duì)象的數(shù)字表達(dá)。這對(duì)孿生可以用于 3D 打印物體，設(shè)計(jì)它的新版本，對(duì)其進(jìn)行虛擬訓(xùn)練，或者將它與其它數(shù)字對(duì)象連接以創(chuàng)建虛擬世界?？臻g計(jì)算通過(guò) GPS、激光雷達(dá)、視頻和其他地理定位技術(shù)來(lái)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(gè)可以觀察、量化和操控的數(shù)字化世界，同時(shí)操控現(xiàn)實(shí)世界。未來(lái)，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可能有這樣一個(gè)場(chǎng)景：醫(yī)護(hù)小組被派往一個(gè)城市公寓去救治一個(gè)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(shí)時(shí)更新的信息發(fā)送到技術(shù)人員的移動(dòng)設(shè)備和急診科，并確定到達(dá)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(dāng)救護(hù)車抵達(dá)時(shí)，大樓的入口門自動(dòng)打開，一部電梯已經(jīng)就位。當(dāng)醫(yī)護(hù)人員帶著擔(dān)架沖進(jìn)來(lái)時(shí)，物體自動(dòng)移開。當(dāng)系統(tǒng)引導(dǎo)他們通過(guò)最快路線到達(dá)急診室時(shí)，手術(shù)團(tuán)隊(duì)使用空間計(jì)算和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)繪制整個(gè)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(lái)優(yōu)化生產(chǎn)力，并且很可能會(huì)率先采用空間計(jì)算技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)可以為一臺(tái)設(shè)備或整個(gè)工廠增加位置跟蹤信息。戴上增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭盔或觀看投影的全息圖像，工人不僅可以看到維修說(shuō)明和機(jī)器部件的空間地圖，還可以被引

16、導(dǎo)在機(jī)器中穿行，以盡可能高效地維修機(jī)器，從而縮短時(shí)間和成本。如果一個(gè)技術(shù)人員正在使用遠(yuǎn)程站點(diǎn)的虛擬現(xiàn)實(shí)指揮幾個(gè)機(jī)器人建造工廠，空間計(jì)算算法可以通過(guò)優(yōu)化機(jī)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(jì)算與標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)工程技術(shù)結(jié)合起來(lái)，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(lái)醫(yī)生的處方會(huì)不會(huì)是一個(gè)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(cè)或監(jiān)測(cè)精神和身體疾病，甚至可以直接實(shí)施治療。這種軟件被統(tǒng)稱為“數(shù)字醫(yī)療”，當(dāng)醫(yī)療保健機(jī)會(huì)有限時(shí)，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(cè)的支持，而 COV

17、ID-19 疫情的危機(jī)加劇了這一需求。許多檢測(cè)輔助工具依賴于移動(dòng)設(shè)備來(lái)記錄用戶的語(yǔ)音、位置、面部表情、運(yùn)動(dòng)、睡眠和短信活動(dòng)等特征，然后應(yīng)用人工智能來(lái)標(biāo)記疾病發(fā)作或惡化的可能。例如，一些智能手表包含一個(gè)傳感器，可以自動(dòng)檢測(cè)并提醒人們一種危險(xiǎn)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(cè)輔助或“數(shù)字化表型”輔助設(shè)備不會(huì)很快取代醫(yī)生，但可以突出需要持續(xù)關(guān)注的問(wèn)題。檢測(cè)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(cè)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(jìn)行記錄。治療類應(yīng)用程序同樣被設(shè)計(jì)用于各種疾病。第一個(gè)獲得 FDA批準(zhǔn)的數(shù)字治療處方是 Pear Therapeutics 公司針對(duì)藥物使用障礙的 reSET 技術(shù)。該技術(shù) 2018 年獲得批準(zhǔn)，可作為醫(yī)療專業(yè)人員護(hù)理的輔助手段，提供 24/7 認(rèn)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在 2020 年初，失眠治療應(yīng)用 Somryst 和首款針對(duì)注意力缺陷多動(dòng)障礙兒童的視頻游戲治療方法EndeavorRX 也獲得了FDA 的批準(zhǔn)。兒童健康初創(chuàng)公司 Luminopia 設(shè)計(jì)了一款治療弱視的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，這是一款替代眼罩產(chǎn)品。未來(lái)，當(dāng)智能手表能檢測(cè)到言語(yǔ)和社

19、交模式的變化后，大學(xué)生可能會(huì)收到智能手表的警報(bào)，提醒他們可能患有輕度抑郁癥，然后他們可以找機(jī)器人進(jìn)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(yàn)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(zhǔn)，有些可能還需要醫(yī)生的處方（2020 年 4 月，為了幫助應(yīng)對(duì) COVID-19 疫情，F(xiàn)DA 暫時(shí)將低風(fēng)險(xiǎn)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(cè)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(jī)構(gòu)都部署了微軟醫(yī)療機(jī)器人（Microsoft Healthcare Bot）

20、服務(wù)的變體。擔(dān)心遇到咳嗽和發(fā)燒的人可以和機(jī)器人聊天，而不必在呼叫中心等待或冒著風(fēng)險(xiǎn)去急診室，機(jī)器人能夠詢問(wèn)癥狀，并根據(jù)人工智能分析，描述有可能的病因或開啟遠(yuǎn)程醫(yī)療會(huì)話，由醫(yī)生進(jìn)行評(píng)估。到 2020 年 4 月下旬，機(jī)器人已經(jīng)收到了超過(guò) 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(lái)社會(huì)必將謹(jǐn)慎地向數(shù)字醫(yī)療過(guò)渡，確保這些工具 經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試、保護(hù)隱私，并能順利融入醫(yī)生的工作流程。有 了這些保護(hù)措施，數(shù)字化表型分析和治療方法可以通過(guò)標(biāo)記不健 康的行為幫助人們?cè)诩膊“l(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(shí)現(xiàn)個(gè)性化的患者護(hù)理，出現(xiàn)的新模式也將為研 究人員提供養(yǎng)成健康習(xí)慣和預(yù)防疾病的新思路。六、電動(dòng)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(dòng)飛機(jī)可以提供改變所需的規(guī)模，許 多公司正在競(jìng)相開發(fā)。電力推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)不僅可以消除直接碳排放，還可以降低高達(dá) 90%的燃料成本、50%的維護(hù)成本和近 70%的噪 音。從事電動(dòng)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(cè)試飛機(jī)，并正在尋求美國(guó)

22、聯(lián)邦航空管理局的認(rèn)證。最大支線航空公司之一的開普航空預(yù)計(jì)將成為首批客戶，它計(jì)劃從 Eviation 公司購(gòu)買 Alice 九座電動(dòng)飛機(jī)。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(yùn)營(yíng)成本。與目前飛機(jī)上的碳?xì)淙剂习l(fā)動(dòng)機(jī)相比，通常情況下，電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命更長(zhǎng)，它們需要進(jìn)行大修的使用時(shí)間是 20000 小時(shí)，而不是 2000 小時(shí)。前驅(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)并不是唯一的電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。美國(guó)宇航局正在研制 X-57 Maxwell 電動(dòng)飛機(jī)，用配備一組分布式電動(dòng)螺旋槳的較短機(jī)翼取代傳統(tǒng)機(jī)翼。在傳統(tǒng)的噴氣式飛機(jī)上，機(jī)翼必須足夠大，以在飛機(jī)低速飛行時(shí)提供升力，但大的表面積在高速飛行時(shí)會(huì)增加阻力

23、。而電動(dòng)螺旋槳可以在起飛時(shí)增加升力，從而實(shí)現(xiàn)更小的機(jī)翼和整體更高的效率。在可預(yù)見的未來(lái)，電動(dòng)飛機(jī)的飛行距離仍然有限。當(dāng)今最好的電池能量密度為每公斤 250 瓦時(shí)，比每公斤 12000 瓦時(shí)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(yuǎn)比標(biāo)準(zhǔn)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(jì)到 2025 年，電動(dòng)飛機(jī)將能達(dá)到此飛行范圍。電動(dòng)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(duì)這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步感興趣，并進(jìn)行了大量投資。2017 至2019 年，約有 2.5 億美元流向電動(dòng)航空初創(chuàng)企業(yè)。目前，約有 170個(gè)電動(dòng)飛機(jī)項(xiàng)目正在進(jìn)行。大多數(shù)電動(dòng)飛機(jī)是為私人

24、、公司和通勤旅行而設(shè)計(jì)的，但空客表示，計(jì)劃到 2030 年前提供 100 架客機(jī)。七、低碳水泥應(yīng)對(duì)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?kù)查塔姆之家（Chatham 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(dá)全球總排放量 8%。有人說(shuō)，如果把水泥生產(chǎn)算作一個(gè)國(guó)家，它將是僅次于中國(guó)和美國(guó)的第三大排放國(guó)。查塔姆之家的報(bào)告稱：目前，水泥每年產(chǎn)量達(dá) 40 億噸，由于城市化進(jìn)程加快，這一數(shù)字預(yù)計(jì)將在未來(lái) 30 年上升到 50 億噸。生產(chǎn)水泥所產(chǎn)生的排放來(lái)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(xué)過(guò)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(huì)抵制變革，但來(lái)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(huì)宣布了行業(yè)首個(gè)可持續(xù)性指 南，包含一套排放和用水量等關(guān)鍵衡量標(biāo)準(zhǔn)，旨在跟蹤產(chǎn)品性能 改進(jìn)情況并使其公開透明。與此同時(shí)，各種低碳方法正在被推行，其中一些已經(jīng)在實(shí)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(xué)授權(quán)的化學(xué)工藝，使在制造水泥時(shí)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(dá)特茅斯的 CarbonCure 將其他工業(yè)

26、過(guò)程中捕獲的二氧化碳通過(guò)礦化作用儲(chǔ)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(jì)劃將其一個(gè)工廠變成世界上首個(gè)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(chǔ)存技術(shù)，以在 2030 年前完全消除排放。此外，研究人員還將細(xì)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(lái)納州羅利市的BioMason，該公司利用 細(xì)菌和被稱為骨料的顆?！吧L(zhǎng)”出水泥磚塊。在一項(xiàng)由

27、國(guó)防高 級(jí)研究計(jì)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(xué)博爾德分校的 研究人員利用名為藍(lán)藻的光合微生物來(lái)建造一種低碳混凝土。他 們?cè)谏乘z支架上接種細(xì)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(shí)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(jì)量雖然所有人都在炒作量子計(jì)算機(jī)，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(dòng)駕駛汽車、水下導(dǎo)航系統(tǒng)、火山活動(dòng)和地震的預(yù)警系統(tǒng)，以及監(jiān)測(cè)一個(gè)人在日常生活

28、中大腦活動(dòng)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(dá)到極高的精度。原子鐘證明了這一原理。世界時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)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(shí)鐘所要調(diào)整的振動(dòng)。其他量子傳感器利用原子躍遷來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的微小變化以及引力、電場(chǎng)和磁場(chǎng)的微小差異。還可以通過(guò)其他方法構(gòu)建量子傳感器。例如，英國(guó)伯明翰大學(xué)的研究人員正在努力開發(fā)自由下落的過(guò)冷原子，以檢測(cè)局部重力的微小變化。這種量子重力儀將能夠探測(cè)到目前只能通過(guò)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(lái)探測(cè)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(guò)大，但新一代的傳感器更小、更便宜，并且會(huì)開發(fā)出新的應(yīng)用場(chǎng)景。麻省理工學(xué)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(gè)傳統(tǒng)笨重的元件擠壓到一個(gè)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(duì)弱磁場(chǎng)進(jìn)行精細(xì)測(cè)量的應(yīng)用。但量子系統(tǒng)仍然極易受到干擾，這可能會(huì)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(duì)這些挑戰(zhàn)，包括成本、 規(guī)模和復(fù)雜性。例如，英國(guó)已將 3.15 億英鎊投入其國(guó)家量子計(jì)算 計(jì)劃（20192024 年）的第二階段。業(yè)內(nèi)分析人士預(yù)測(cè)，量子

30、傳 感器將在未來(lái)三到五年內(nèi)進(jìn)入市場(chǎng)，初期重點(diǎn)是醫(yī)療和國(guó)防應(yīng)用。九、綠氫補(bǔ)充風(fēng)能和太陽(yáng)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(lái)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(guò)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(lán)氫。但是綠氫不同于此，它是通過(guò)電解產(chǎn)生的，機(jī)器將水分解成氫氣和氧氣，沒(méi)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(gè)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(guò)剩的可再生電力，多余的電力可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)水的電解，以氫氣的形式“儲(chǔ)存”電力，而不是儲(chǔ)存在電池組

31、中。其次，電解槽的效率變得越來(lái)越高。各家公司正在努力開發(fā)像生產(chǎn)灰氫或藍(lán)氫一樣廉價(jià)生產(chǎn)綠氫 的電解槽，分析師預(yù)計(jì)他們將在未來(lái)十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。與此 同時(shí)，能源公司正開始將電解裝置直接集成到可再生能源項(xiàng)目中。例如，一個(gè)公司財(cái)團(tuán)計(jì)劃通過(guò)名為 Gigastack 的項(xiàng)目，為rsteds Hornsea Two 海上風(fēng)電場(chǎng)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(yáng)能和風(fēng)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(dá) 85%。其他經(jīng)濟(jì)部門，如航運(yùn)和制造業(yè)，更難實(shí)現(xiàn)電氣化，因?yàn)樗鼈兺ǔＰ枰吣芰棵芏鹊娜剂匣蚋邷叵碌臒崃?。綠氫在這些領(lǐng)域具有潛力。能源轉(zhuǎn)型委員會(huì)（The Energy Transitions Commission）表示：綠色氫氣是實(shí)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(xué)品）中減少超過(guò) 100 億噸二氧化碳目標(biāo)所必需的四項(xiàng)技術(shù)之一。十、全基因組合成下一代的細(xì)胞工程在 COVID-19 疫情初期，中國(guó)的科學(xué)家將病毒的基