2020 年十大新兴技术

--PAGE1-2020年十大新兴技术一、用于无痛注射和测试的微针——减少去化验室的次数，让人们获得更便捷的医疗服务。微针即将迎来一个无痛注射和血液检测的时代。无论是连接在注射器还是贴片上，微针都可以通过避免与神经末梢接触来防50-2000微米（约为一张纸的厚度）1-100微米（约为人类头发的宽度），它们能穿透死皮表层到达第二层——表皮层，但大多数没有到达或几乎没有接触到神经末梢所在的下层真皮，以及血管、淋巴管和结缔组织。许多微针注射器和贴片应用已经可用于接种疫苗，不过普遍的用途是在临床试验中治疗糖尿病、癌症和神经性疼痛。因为这些装置将药物直接插入表皮或真皮，所以它们比熟悉的透皮贴剂2020许多微针产品正走向商业化，实现快速、无痛地抽取血液或组织液，并用于诊断测试或健康监测。针头产生的微小孔会引起表皮或真皮中的局部压力变化，迫使组织液或血液进入收集装置。如果将针头连接到生物传感器，则该装置可以在几分钟内直接测有些产品可以在家里进行取样，然后当场或邮寄到实验室进SeventhSenseBiosystems公司的微针装置能够在医疗服务不足的地区提供测试和治疗，因为MicronBiomedical公司开发出了一款易于使用的设备：任何人都可以使用的绷带大小二、太阳动力化学——可见光推动二氧化碳转化为普通材料的过程制造许多种化学品都要消耗化石燃料，从而助长了采掘活动和二氧化碳排放的增加，加快气候变化。目前，有一种利用阳光将废二氧化碳转化为所需化学品的新方法，有可能以两种方式减少排放——将不需要的气体作为原料、用阳光替代化石燃料作为生产所需的能源。由于太阳光活化催化剂即光催化剂的进步，该方法的可行性正进一步增大。近年来，研究人员开发出了光催化1光催化剂通常是半导体，需要高能紫外光来产生参与二氧化5%，既稀少又有害。因此目前的主要目标是开发新催化剂，可以在更丰富和良性的可（如二氧化钛）的组成、结构和形态来满足。尽管它仅响应紫外光就能有效地将二氧化碳转化为其他分子，但向其掺杂氮能够大大降低转化所需的能量。改进后的催化剂只需要可见光就可以生产被广泛使用化学品，如甲醇、甲醛和甲酸。目前，太阳动力化学研究主要在学术实验室进行，包括加州理工学院与劳伦斯伯克利国家实验室合作的人工光合作用联合中心、荷兰一个由大学、工业界和研究与技术组织合作的“日出-普朗克化学能源转换研究所的异质反应系。一些初创企业正在研究用电力驱动化学反应，1抗性双键：这里指二氧化碳分子中碳氧原子间共有两个电子对的共价键。将二氧化碳转化为有用物质的方法。如果电力来自化石燃料燃烧，那么使用电力为反应提供动力显然不如使用阳光环保，但依靠光伏技术可以克服这一缺点。未来几年，在太阳能驱动下将二氧化碳转化为化学品方面，许多公司将会取得进展并进行商业化开发。到那时，通过把二氧化碳废物转化为有价值的产品，化学工业将成为真正无废物循环经济的一部分，并助力负排放目标的实现。三、虚拟患者——用模拟代替人类使临床试验更快更安全每天计算机都通过一些新的算法以前所未有的准确度来诊断疾病，这让人们再次预测计算机将很快取代医生。如果计算机也能代替患者呢？例如，如果虚拟人可以在新冠病毒疫苗试验的某计算机模拟临床试验已经在一定程度上开展。美国食品和药物管理局（FDA）正在使用计算机模拟代替人体试验来评估新的X除了加快结果的产生和降低临床试验的风险，计算机医学还批准HeartFlowAnalysisCTHeartFlow系统通过这些图像构建血液流经冠状动脉血管的流体动态模型，从而识别异常情况及其严重程度。如果没有这项技术，医生需要进行侵入性血管造影来决定是否以及如何进行干预治疗。对个体患者的数字化模型进行实验可以帮助实现针对大规模病症的个性化治疗，该方法已经被用于糖尿病护理中。计算机医学背后的理念并不新鲜。几十年来，创建并模拟物体在数百种操作条件下的性能一直是工程学的基石，例如用于设计电子电路、飞机和建筑物。但在医学研究和治疗中进行广泛操作仍然存在各种障碍。首先必须确认这项技术的预测能力和可靠性，这需要在几方面取得进展，包括：从一个不同性别、不同种族的庞大病人群中生成高质量的医学数据库；完善数学模型，以说明身体中众多相互作用的过程；进一步修改主要基于计算机语音和图像识别开发的人工智能方法，并扩展到可提供生物学见解的技术。科学界和行业合作伙伴正在立项解决这些问题，如达索系统公司的“活体心脏项目”（TheLivingHeartProject）、虚拟生理人类综合生物医学研究所（TheVirtualPhysiologicalHumanInstituteforIntegrativeBiomedicalResearch）和微软的HealthcareNExT等。和欧洲监管机构已经批准将一些计算机诊断用于商业用途，但满足监管要求还需要大量的时间和资金。鉴于医疗保健生态系统的复杂性，增加对这一工具的需求仍是一项挑战。计算机医学必须能够为患者、临床医生和医疗机构提供具有成本效益的价值，才可以加速其技术的应用。四、空间计算——超越虚拟现实和增强现实的下一件大事参与实验者是一个需要使用轮椅的八十岁独居老人玛莎，她家中的所有物体对象都被数字化分类，所有传感器和控制对象的设备都启用了互联网，并且她家的数字地图已经与物体对象地图合并。当玛莎从卧室走向厨房，灯光会自动打开，环境温度也随准备吃饭时，又可以移回来。如果她上床时摔倒，她的家具就会移动来保护她，并向她的儿子和当地的监测站发出警报。物理和数字世界的融合正在进行，其下一步是构建场景的核心技术“空间计算”。它可以完成虚拟现实和增强现实应用程序的所有工作：将通过云连接的物体数字化、允许传感器和电动机相互反应、以数字化方式表示现实世界。它将这些功能与高保真空间映射相结合，当人在数字或物理世界中导航时，计算机作为与虚拟现实和增强现实一样，空间计算创建在计算机辅助设计（CAD）CAD中，工程3D打印物体，设计它的新版本，对其进行虚拟训练，或者将它与其它数字对象连接GPS--PAGE10-未来，医学领域可能有这样一个场景：医护小组被派往一个城市公寓去救治一个可能需要紧急手术的患者。系统可以将患者的病历和实时更新的信息发送到技术人员的移动设备和急诊科，并确定到达患者所在位置的最快驾驶路线。红灯控制路口的车辆让行，当救护车抵达时，大楼的入口门自动打开，一部电梯已经就位。当医护人员带着担架冲进来时，物体自动移开。当系统引导他们通过最快路线到达急诊室时，手术团队使用空间计算和增强现实技术来绘制整个手术室的编排或规划患者的手术方案。工业领域已经开始使用专用传感器、数字孪生和物联网的集成来优化生产力，并且很可能会率先采用空间计算技术。这项技术可以为一台设备或整个工厂增加位置跟踪信息。戴上增强现实头盔或观看投影的全息图像，工人不仅可以看到维修说明和机器部件的空间地图，还可以被引导在机器中穿行，以尽可能高效地维修机器，从而缩短时间和成本。如果一个技术人员正在使用远程站点的虚拟现实指挥几个机器人建造工厂，空间计算算法可以通过优化机器人协作和任务分配选择，帮助提高工作的安全、效率和质量。在通常情况下，快餐和零售公司可以将空间计算与标准的工业工程技术结合起来，以提高工作流程的效率。五、数字医疗——诊断甚至治疗疾病的应用程序未来医生的处方会不会是一个应用程序？现在，有一系列正在使用或开发中的应用程序可以自主检测或监测精神和身体疾病，甚至可以直接实施治疗。这种软件被统称为“数字医疗”，当医疗保健机会有限时，使用它既可以丰富传统医疗保健手段，又可以为患者提供健康监测的支持，而COVID-19疫情的危机加剧了这一需求。DNAFDAPearTherapeutics公司针对药物使用障碍reSET2018年获得批准，可作为医疗专业人员24/7并为临床医生提供关于患者需求和触发因素的实时数据。在2020年初，失Somryst和首款针对注意力缺陷多动障碍儿童的视频游戏治疗方法EndeavorRX也获得了FDA的批准。Luminopia设计了一款治疗弱视的虚拟现实应用，这是一款替代眼罩产品。未来，当智能手表能检测到言语和社交模式的变化后，大学生可能会收到智能手表的警报，提醒他们可能患有轻度抑郁症，然后他们可以找机器人进行CBT咨询。并非所有的健康应用都符合成为数字医疗的条件。在大多数情况下，必须在临床试验中证明诊断或治疗疾病的药物是安全和有效的，并获得监管部门的批准，有些可能还需要医生的处方（2020年4月，为了帮助应对COVID-19疫情，FDA暂时将低风险的心理健康设备作为例外）。COVID-19Bot）远程医疗会话，由医生进行评估。到20204月下旬，机器人2COVID症状和治疗的咨询。这些干预措施大大减轻了卫生系统的压力。显然，未来社会必将谨慎地向数字医疗过渡，确保这些工具经过严格的测试、保护隐私，并能顺利融入医生的工作流程。有了这些保护措施，数字化表型分析和治疗方法可以通过标记不健康的行为帮助人们在疾病发生之前做出改变，从而节省医疗成本。此外，将人工智能应用在数字化表型和治疗应用程序生成的大数据集中，有助于实现个性化的患者护理，出现的新模式也将为研究人员提供养成健康习惯和预防疾病的新思路。六、电动航空——使航空旅行脱碳20192.5%2050年这一数字可能增加两倍。尽管一些航空公司已经开始减少他们的大气碳排放，但还需继续削减。电动飞机可以提供改变所需的规模，许多公司正在竞相开发。电力推进发动机不仅可以消除直接碳排放，90%的燃料成本、50%70%的噪音。从事电动飞行的公司包括空客、安飞（Ampaire）、MagniX和Eviation，且他们开发的都是用于私人、公司或通勤旅程的测试飞机，并正在寻求美国联邦航空管理局的认证。最大支线航空Eviation公Alice九座电动飞机。开普航空的首席执行官丹·表示，他感兴趣的不仅是环境效益，还有能够节省的运营成本。与目前飞机上的碳氢燃料发动机相比，通常情况下，电动发动机20000小时，而不是2000小时。前驱发动机并不是唯一的电动发动机。美国宇航局正在研制X-57Maxwell在可预见的未来，电动飞机的飞行距离仍然有限。当今最好25012000瓦时的传统喷气燃料少得多。因此，给定距离飞行所需的电池远比标准燃料800公里，预计到2025年，电动飞机将能达到此飞行范围。电动航空面临着成本和监管障碍，但投资者、孵化器、企业2017至20192.5170个电动飞机项目正在进行。大多数电动飞机是为私人、公司和通勤旅行而设计的，但空客表示，计划到2030100架客机。七、低碳水泥——应对气候变化的建筑材料混凝土，这种使用最广泛的人工材料，塑造了我们建造的世（Chatham造混凝土主要原材料之一的水泥产生的二氧化碳高达全球总排8%。有人说，如果把水泥生产算作一个国家，它将是仅次于中国和美国的第三大排放国。查塔姆之家的报告称：目前，水40亿吨，由于城市化进程加快，这一数字预计将3050亿吨。生产水泥所产生的排放来自于水泥形成所需热量的矿物燃料，以及窑中将石灰石转化为熟料的化学过程，然后将熟料研磨并与其他材料混合以制造水泥。尽管建筑业出于安全性和可靠性等各种原因通常会抵制变革，但来自于减排的压力很可能促使其加速改变。2018年，代表全球产量约30%的全球水泥和混凝土协会宣布了行业首个可持续性指南，包含一套排放和用水量等关键衡量标准，旨在跟踪产品性能改进情况并使其公开透明。与此同时，各种低碳方法正在被推行，其中一些已经在实践Solidia采用了罗格斯大学授权的化学工艺，使在制造水泥时释放的二氧化碳比通常情况30%。该配方比一般工艺使用的粘土更多，石灰石更少，CarbonCure将其他工业过程中捕获的二氧化碳通过矿化作用储存在混凝土中，而不是将其CarbiCrete公司完全放弃了在混凝土中使用水泥，而用一种名为钢渣的炼钢副产Norcem公司计划将其一个工厂变成世界上首个零排放的水泥制造厂。该厂已经使用废物替代燃料，并打算增加碳捕获和储存技术，以在2030年前完全消除排放。此外，研究人员还将细菌掺入混凝土配方，以吸收空气中的料的初创企业包括北卡罗来纳州罗利市的Bioason细菌和被称为骨料的颗粒“生长”出水泥砖块。在一项由国防高级（DefenseAdvancedResearchProjects资助并发表在《物质》杂志上的创新中，科罗拉多大学博尔德分校的研究人员利用名为蓝藻的光合微生物来建造一种低碳混凝土。他们在沙水凝胶支架上接种细菌，制造出具有自愈裂缝能力的砖块。虽然这些砖不能取代目前水泥和混凝土的所有用途，但有一天它们将可以取代那些用于铺路、外墙和临时结构的轻型承重材料。八、量子传感——基于亚原子领域特性的高精度计量虽然所有人都在炒作量子计算机，但量子传感器可能同样具有变革性，如在拐角处能够“透视”的自动驾驶汽车、水下导航系统、火山活动和地震的预警系统，以及监测一个人在日常生活中大脑活动的便携式扫描仪。量子传感器利用物质的量子性质，如利用不同能量状态的电子之间的差异作为基本单位，达到极高的精度。原子钟证明了这一原理。世界时间标准是基于铯-133原子中的电子每秒完成9,192,631,770次的特定跃迁，这是其他时钟所要调整的振动。其他量子传感器利用原子跃迁来检测运动的微小变化以及引力、电场和磁场的微小差异。还可以通过其他方法构建量子传感器。例如，英国伯明翰大学的研究人员正在努力开发自由下落的过冷原子，以检测局部重力的微小变化。这种量子重力仪将能够探测到目前只能通过挖掘才能找到的地下管道、电缆和其他物体。航海船只可以使用类似的技术来探测水下物体。大多数量子传感系统仍然复杂昂贵，且体积过大，但新一代的传感器更小、更便宜，并且会开发出新的应用场景。麻省理工学院的研究人员在2019年使用传统的制造方法，将一种基于金刚石的量子传感器放在硅芯片上，将多个传统笨重的元件挤压到一个十分之几毫米宽的正方形上。该原型朝着低成本、大规模生产的量子传感器迈出了一步，这种传感器在室温下工作，并可用于所有涉及对弱磁场进行精细测量的应用。但量子系统仍然极易受到干扰，这可能会将其限制在受控环境中应用。但政府和私人投资者正在应对这些挑战，包括成本、3.15亿英镑投入其国家量子计算（2019－2024年感器将在未来三到五年内进入市场，初期重点是医疗和国防应用。九、绿氢——补充风能和太阳能的零碳能源氢气燃烧唯一的副产品是水，这就是为什么几十年来氢气一直是一种诱人的零碳能源。然而在传统的氢气生产过程中，化石燃料暴露在蒸汽中，根本谈不上零碳，这样产生的氢气被称为灰氢；如果二氧化碳被捕获并封存，则称为蓝氢。但是绿氢不同于此，它是通过电解产生的，机器将水分解成氢气和氧气，没有其他副产品。历史上电解需要大量的电能，因此用这种方式生产氢气意义不大。而有两个因素正在促使这种情各家公司正在努力开发像生产灰氢或蓝氢一样廉价生产绿氢的电解槽，分析师预计他们将在未来十年内实现这一目标。与此同时，能源公司正开始将电解装置直接集成到可再生能源项目中。Gigastack的项目，为Hornsea100兆瓦的电解装置，以工业规模生产绿色氢气。目前，使用太阳能和风能等可再生技术取代天然气和煤炭产85%源转型委员会（TheEnergyTransitionsCommission）表示：绿色氢气是实现《巴黎协定》每年从最具挑战性的工业部门包括采矿、建筑和化学品）100亿吨二氧化碳目标所必需的四项技术之一。十、全基因组合成——下一代的细胞工程在COVID-19疫情初期，中国的科学家将病毒的基因序列上传到基因数据库。随后，一个瑞士的研究小组合成了整个基因组并从中形成病毒模型，这基本上是将病毒传送到他们的实验室进行研究，而无需等待物理样本。这样的速度是全基因组打印推动医学和其他事业发展的一个例子。全基因组合成是合成生物学蓬勃发展领域的延伸。研究人员使用