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《2020年十大新兴技术》摘译

来源:赛迪智库、国际处  作者:  投稿时间:2021-04-20

2020年11月,世界经济论坛发布《2020年十大新兴技术》报告。在最新一期赛迪译丛中,赛迪研究院安全产业研究所对该报告进行了编译。

该报告是由世界经济论坛编制的年度报告,自2012年起开始发布。2020年的报告评选出了微针、太阳动力化学、虚拟患者等十项未来可能对工业、医疗和社会产生革命性影响的技术。受新冠肺炎疫情的影响,涉及医疗健康的技术备受重视,其他分别涉及低碳环保、电动发动机、空间计算、量子传感等领域。报告还对技术的进展和应用、主要研发公司和团队,以及发展阻碍和风险等内容进行了分析。

1、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止疼痛。一般来说,它们的长度为50-2000微米(约为一张纸的厚度),宽度为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通过皮肤扩散更能有效地递送药物。2020年,研究人员首次推出了一种治疗银屑病、疣和某些类型癌症等皮肤疾病的新技术:将星形微针混合到治疗霜剂或凝胶中。针刺穿皮肤的同时,还可以增强治疗剂的通过能力。

2、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

近年来,研究人员开发出了光催化剂,可以打破二氧化碳中碳和氧之间抗性双键。这是创建“太阳能”精炼厂的关键一步,该厂可从废气中生产有用的化合物,包括可作为合成药品、洗涤剂、化肥和纺织品等产品原料的“平台” 分子。

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碳转化的电子。然而,紫外线仅占阳光的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见光下工作。该需求可以通过精心设计现有催化剂(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。

3、虚拟患者——用模拟代替人类使临床试验更快更安全

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乳房X光系统。该机构还公布了包括虚拟患者在内的药物和设备试验设计指南。

除了加快结果的产生和降低临床试验的风险,计算机医学还可以用来代替某些疾病的诊断或危险干预措施。例如,FDA批准的一项基于云计算的HeartFlow Analysis服务,它使临床医生能够根据患者心脏的CT图像来识别冠状动脉疾病。HeartFlow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。

4、空间计算——超越虚拟现实和增强现实的下一件大事

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 “协调器”能够跟踪和控制对象的移动和交互。

不久之后,工业、 医疗保健、交通和家居等各行业的人机和机机交互将在空间计算的帮助下达到新的效率水平。包括微软和亚马逊在内的各大公司都在这项技术上投入了巨资。

5、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”。

许多检测辅助工具依赖于移动设备来记录用户的语音、位置、面部表情、运动、睡眠和短信活动等特征,然后应用人工智能来标记疾病发作或恶化的可能。例如,一些智能手表包含一个传感器,可以自动检测并提醒人们一种危险的心律——心颤。用于筛查呼吸障碍、抑郁症、帕金森症、阿尔茨海默症、自闭症和其他疾病的类似工具也在开发中。这些检测辅助或“数字化表型”辅助设备不会很快取代医生,但可以突出需要持续关注的问题。

检测辅助设备还有可摄入的、带有传感器的药丸形式,称为微生物电子器件。有些正在开发中,用于检测诸如癌症DNA、肠道微生物释放的气体、胃出血、体温和氧气水平等。传感器将数据传递给应用程序并进行记录。

6、电动航空——使航空旅行脱碳

2019年,航空旅行占全球碳排放的2.5%,到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,还可以降低高达90%的燃料成本、50%的维护成本和近70%的噪音。

7、低碳水泥——应对气候变化的建筑材料

位于新泽西州皮斯卡塔韦的初创公司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减少了30%。该配方比一般工艺使用的粘土更多,石灰石更少,热量更低。位于新斯科舍省达特茅斯的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,而不是将其作为副产品释放到大气中。

总部位于蒙特利尔的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品代替。而挪威主要的水泥生产商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,以吸收空气中的二氧化碳并改善混凝土的性能。

8、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。

9、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况发生变化:首先,在电网规模上可获得大量过剩的可再生电力,多余的电力可以用来驱动水的电解,以氢气的形式“储存”电力, 而不是储存在电池组中。其次,电解槽的效率变得越来越高。

10、全基因组合成——下一代的细胞工程

全基因组合成是合成生物学蓬勃发展领域的延伸。研究人员使用软件进行设计,生成并引入微生物的基因序列,从而重新编程微生物以完成接下来的工作,如制造新药。到目前为止,主要对基因组进行了轻度编辑。合成技术和软件的改进推动了打印更多的遗传材料和更广泛地改变基因组。

译自:Top 10 Emerging Technologies of 2020,November 2020 by World Economic Forum

以下是部分内容,完整版译丛,请点击 《2020年全球十大新兴技术》 查看

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