世界經濟論壇：新出現的前10名2020年技術（26頁）.pdf

1、新出現的前10名 2020年技術 s p e c i a l r e p o r t n o v e m b e r 2 0 2 0 2020年十大新興技術2 插圖：Vanessa Branchi 內容 3導言 41微針用于無痛注射和測試 62太陽動力化學 83虛擬病人 104空間計算 125數字醫學 146電力航空公司 167低碳水泥 188量子傳感 209綠色氫 2210全基因組合成 24致謝 2020年世界經濟論壇。 版權所有。 本 出版物的任何部分不得以任何形式或通過 包括影印和錄音在內的任何手段，或通過 任何信息存儲和檢索系統復制或傳送。 oPtMmMoQoPsOqRoMnQrOrM

2、aQcM7NnPrRpNoOjMoPmNjMmOrNbRoPrNwMpOuNuOoNuM 2020年11月2020年十大新興技術 導言 專家們強調了取得的進展 改變工業、醫療和社會的潛力 該小組由科學美 洲組織和世界經濟 論壇召集，篩選了 超過75個提名。 如果檢測冠狀病毒疫苗所需的數千名人類志愿者中 的一些人可以被數字復制品所取代其中之一 年度十大新興技術-COVID-19疫苗可能已經開發得 更快，拯救了無數的生命。 不久，虛擬臨床試驗 可能成為測試新疫苗和療法的現實。 清單上的其 他技術可以通過使空中旅行通電和使陽光能夠直 接為工業化學品的生產提供動力來減少溫室氣體 的排放。 隨著“空間”

3、計算，數字和物理世界將 以超越虛擬現實壯舉的方式整合。 利用量子 過程的超靈敏傳感器將為之奠定基礎 例如可穿戴的大腦掃描儀和可以在角落看到的車 輛。 這些技術和其他新興技術已被一個國際專家指導 小組挑選出來。 該小組由科學美洲組織和世界經 濟論壇召集，篩選了超過75個提名。 要想獲得成 功，技術必須具有潛力 通過超過既定的做事方式來刺激社會和經濟的進 步。 它們還需要新穎（即目前尚未廣泛使用）， 但可能在今后三至五年內產生重大影響。 指導小 組開會（實際上）是為了減少候選人，然后在做出 最后決定之前仔細評估前跑者。 我們希望你能受 到以下報告的啟發。 2020年十大新興技術3 2020年十大新

4、興技術4 作者伊麗莎白奧日 藥物 無痛注射和試驗用 微針 前往醫療實驗室的次數減少，使 護理更加方便 1 2020年十大新興技術5 針頭對皮膚的臨 時溫和穿孔增強了 治療劑的通過。 幾乎看不見的針頭，或“微針”，即將迎來一個無 疼痛注射和血液檢測的時代。 無論是附在注射器 還是貼片上，微針通過避免與神經末梢接觸來預防 疼痛。 通常長度為50-2，000微米(大約一張紙的 深度 紙張)和1-100微米寬（大約人類頭發的寬度），它 們穿透皮膚的死頂層，進入第二層-表皮-由存活的 細胞和稱為間質液的液體組成。 但大多數人不接 觸，或者僅僅接觸到神經末梢所在的真皮底層，以 及血液、淋巴管和結締組織。

5、許多微針注射器和貼片應用已經可以用于注射疫 苗，更多的應用在臨床試驗中，用于治療糖尿病、 癌癥和神經病理性疼痛。 因為這些裝置將藥物直接插入表皮或真皮，所以它 們提供藥物的效率比熟悉的透皮貼片要高得多，而 透皮貼片依賴于通過皮膚的擴散。 今年，研究人 員推出了一種治療皮膚病的新技術，如銀屑病、疣 和某些類型的癌癥：將星形微針混合到治療乳膏或 凝膠中。 針頭對皮膚的臨時溫和穿孔增強了治療 劑的通過。 許多微針產品正在走向商業化，用于快速、無痛 地提取血液或間質液，并用于診斷測試或健康監 測。 針頭形成的小洞會引起表皮或真皮的局部壓 力變化，迫使間質液體或血液進入收集裝置。 如 果針頭與生物傳感器

6、耦合，這些設備可以在幾分 鐘內直接測量指示健康或疾病狀態的生物標記 物，如葡萄糖、膽固醇、酒精、藥物副產品或免 疫細胞。 有些產品將允許在家里完成抽簽，并郵寄到實驗 室或現場分析。 至少有一種產品已經為這種使 用掃清了監管障礙。 美國和歐洲最近批準了第 七感生物系統的TAP采血裝置，使外行人能夠采 集 一份自己的血樣，無論是送到實驗室還是自我監 測。 在研究環境中，微針還與無線通信設備集 成，以測量生物分子，使用測量來確定適當的藥物 劑量，然后交付 這一劑量-一種可以幫助實現個性化醫學的承諾的方 法。 微針設備可以使測試和治療能夠在服務不足的 地區進行，因為它們不需要昂貴的設備或大量 的培訓來

7、管理。 Micron Biomedical開發了一 種易于使用的設備： 一個繃帶大小的補丁，任何人都可以應用。 另一 家公司Vaxxas正在開發一種微針疫苗貼片，在動 物和早期人類測試中，僅用普通劑量的一小部分 就能產生增強的免疫反應。 微針還可以降低傳播血源性病毒的風險，減少常規 針頭處置的危險廢物。 微小的針頭并不總是一個優勢；當需要大劑量時， 它們是不夠的。 不是所有的藥物都能通過微針， 也不是所有的生物標記都能通過微針取樣。 需要 更多的研究來了解諸如病人的年齡和體重、注射部 位和遞送技術等因素如何影響基于微針的技術的有 效性。 盡管如此，這些無痛的刺刀預計將大大擴 大藥物的輸送和診斷

8、，隨著調查人員設計方法將它 們用于皮膚以外的器官，新的用途將出現。 微 針 通 常 寬 1-100 微 米 （大約是人類頭發的寬 度）。 2020年十大新興技術6 作者哈維爾加西亞馬丁內斯 化學工程 太陽動力化學 可見光可以驅動將二氧化碳轉 化為普通材料的過程 2 2020年十大新興技術7 一種新的方法利 用陽光將廢棄的二 氧化碳轉化為這些 需要的化學物質。 許多對人類健康和舒適重要的化學物質的制造 消耗了化石 燃料，從而促進采掘過程、二氧化碳排放和氣候變 化。 一種新的方法利用陽光將廢棄的二氧化碳轉 化為這些需要的化學物質，有可能以兩種方式減少 排放-通過使用不需要的氣體作為原料，而陽光，

9、而不是化石燃料，作為生產所需的能源。 由于陽光活化催化劑或光催化劑的進步，這一過程 變得越來越可行。 近年來，研究人員開發了打破 二氧化碳中碳和氧之間的抗雙鍵的光催化劑。 這 是創建“太陽能”煉油廠的關鍵第一步，該煉油廠 從廢氣中產生有用的化合物-包括可作為合成藥 物、洗滌劑、肥料和紡織品等各種產品的原材料的 “平臺”分子。 光催化劑通常是半導體，需要高能紫外光才能產 生 參與二氧化碳轉化的電子。 然而，紫外線既稀缺 （僅占陽光的5%），也有害。 因此，開發在更豐 富和更良性的可見光下工作的新催化劑一直是一個 主要目標。 這一需求正在通過對現有催化劑（如 二氧化鈦）的組成、結構和形貌進行仔細的

10、工程來 解決。 雖然它能有效地將二氧化碳轉化為其他分 子，但僅僅是在紫外光的作用下，將其與氮摻雜會 大大降低所需的能量。 的 改變的催化劑現在只需要可見光就能產生廣泛使 用的化學物質，如甲醇、甲醛和甲酸-在粘合 劑、泡沫、膠合板、櫥柜、地板和消毒劑的制造 中共同重要。 目前，太陽化學研究主要在學術實驗室進行， 包括在加州理工學院與勞倫斯合作經營的人工 光合作用聯合中心 伯克利國家實驗室；一個總部設在荷蘭的大學、工 業、研究和技術組織的合作稱為日出財團；以及德 國穆海姆的馬克斯普朗克化學能源轉換研究所的 多相反應部。 一些初創企業正在采取不同的方法 將二氧化碳轉化為有用的物質；即利用電來驅動化

11、學反應。 如果電力來自化石燃料的燃燒，使用電力 來驅動反應顯然不會像使用陽光那樣對環境友好， 但依靠光伏發電可以克服這一缺點。 在陽光驅動下將二氧化碳轉化為化學品方面取得的 進展肯定會在未來幾年被初創企業或其他公司商業 化和進一步發展。 然后，化學工業通過將今 天的二氧化碳轉化為有價值的產品將向成為真 正的、無廢物的循環經濟的一部分邁進一步，并幫 助實現產生負排放的目標。 創造能作為合成藥物、洗 滌劑、肥料和紡織品的原 料的分子。 2020年十大新興技術8 作者丹尼爾E赫塔多和索菲婭M。 Velastegui 保健 虛擬病人 用模擬代替人類可以使臨床試驗更快、 更安全 3 2020年十大新興技

12、術9 那些不太可能 奏效的潛在疫苗 本可以及早發 現，降低試驗成 本，避免在活的 志愿者身上測試 不良的疫苗候選 者。 每天，似乎有一些新的算法使計算機能夠以前所 未有的準確性診斷疾病，更新了計算機很快將取 代醫生的預測。 如果電腦也能取代病人呢？ 例 如，如果虛擬人類可以在冠狀病毒疫苗試驗的某 些階段取代真實的人，它就可以加快預防工具的 開發，減緩這一流行病。 類似地，那些不太可 能起作用的潛在疫苗本可以及早發現，降低試驗 成本，避免在活的志愿者身上測試劣質疫苗候選 者。 一些 在“硅醫學”的好處，或測試藥物和治療的虛擬器 官或身體系統，以預測一個真正的人將如何對治 療。 在可預見的未來，在

13、后期研究中需要真正的 病人，但在硅質試驗中，將有可能對安全性和有效 性進行快速和廉價的第一次評估，從而大大減少實 驗所需的活體人體受試者的數量。 通過虛擬器官，模型開始于將從一個人的實際器官 的非侵入性、高分辨率成像中提取的解剖數據輸入 到控制該器官功能的機制的復雜數學模型中。 在強大的計算機上運行的算法解決了生成的方程 和未知數，生成了一個看起來和行為類似的虛擬 器官 是真的。 在一定程度上已經在進行硅質臨床試驗。 例如， 美國食品和藥物管理局(FDA)正在使用計算機模擬 來代替人類試驗來評估新的乳房X線攝影系統。 該機構還發布了設計包括虛擬病人在內的藥物和 設備試驗的指南。 除了快速的結果

14、和減輕臨床試驗的風險外，在硅 醫學中還可以用來代替所需的危險干預 診斷或計劃治療某些疾病。 例如，心臟流量分 析，一種由FDA批準的基于云的服務，使臨床醫生 能夠根據病人心臟的CT圖像來識別冠狀動脈疾病。 心流 系統利用這些圖像構建了血液流經冠狀動脈的 流體動力學模型，從而識別異常情況及其嚴重 程度。 如果沒有這項技術，醫生將需要進行侵 入性血管造影來決定是否和 如何干預。 對個別患者的數字模型進行實驗也可以 幫助個性化治療，以治療任何情況，并已用于糖尿 病護理。 硅醫學背后的哲學并不新鮮。 創建和模擬數 百個以下對象的性能的能力 操作條件幾十年來一直是工程的基石，例如設計電 子電路、飛機和建

15、筑物。 它在醫學研究和治療中的 廣泛實施仍然存在各種障礙。 首先，必須確認這項技術的預測能力和可靠性，這 將需要幾個進展。 其中包括一代人 高質量的醫療數據庫，從一個龐大的，種族多樣化 的病人基礎，有婦女和男子；完善數學模型，以解 釋許多相互作用的過程 在身體中；以及進一步修改人工智能方法，這些方 法主要用于基于計算機的語音和圖像識別，需要擴 展以提供生物學見解。 科學界和行業合作伙伴正 在通過Dassault Systemes的活體心臟項目、虛擬 生理人類綜合生物醫學研究所和微軟的醫療保健 Nex T來解決這些問題。 近年來，FDA和歐洲監管機構批準了計算機診斷的 一些商業用途，但滿足監管要

16、求需要大量的時間 和金錢。 鑒于醫療保健生態系統的復雜性，為這 些工具創造需求具有挑戰性。 在硅醫學中，必須 能夠為患者、臨床醫生和醫療保健組織提供成本 效益價值，以加速他們對該技術的采用。 2020年十大新興技術10 作者科林娜E萊森和杰弗里林 計算 空間計算 虛擬現實和增強現實之外的下一 件大事 4 2020年十大新興技術11 這個場景核心的 “空間計算”是下 一步 在物理和數字世界 的不斷融合中。 想象一下瑪莎，一個八十歲的獨立生活和使用輪 椅。 她家的所有對象都被數字編目，所有傳感器 和控制對象的設備都已啟用互聯網，她家的數字地 圖已與對象地圖合并。 當瑪莎從臥室搬到廚房 時，燈光打開

17、，環境溫度調節。 如果她的貓穿過 她的小徑，椅子就會變慢。 當她到達廚房時，桌 子移動以改善她對冰箱和爐子的訪問，然后在她準 備吃飯時移動回來。 后來，如果她上床睡覺時開 始跌倒，她的家具就會移位以保護她，并向她的兒 子和當地的監測站發出警報。 這個場景的核心是“空間計算”，這是物理世界 和數字世界不斷融合的下一步。 它做了虛擬現實 和增強現實應用所做的一切：將通過云連接的對 象數字化；允許傳感器和馬達相互反應；以及 數字代表現實世界。 然后，它將這些功能與高保 真空間映射相結合，使計算機“協調器”能夠跟蹤 并控制物體的運動和相互作用，就像一個人在數 字或物理世界中航行一樣。 空間計算將很快使

18、人 機交互在許多行業中達到新的效率水平，其中包 括工業、醫療、交通和家庭。 包括微軟和亞馬遜 在內的主要公司對這項技術進行了大量投資。 正如虛擬現實和增強現實一樣，空間計算建立在計 算機輔助設計(CAD)熟悉的“數字孿生”概念之 上)。 在CAD中，工程師創建對象的數字表示。 這 對雙胞胎可以用于不同的三維打印對象，設計新版 本的對象，提供虛擬培訓，或與其他數字對象一起 創建虛擬世界。 空間計算使數字雙胞胎不僅是物 體，也是人和地點-使用GPS、激光雷達（光探測和 測距）、視頻和其他地理定位技術來創建一個房 間、建筑物或一個的數字地圖 城市。 軟件算法將這個數字地圖與傳感器數據和 對象和人的數

19、字表示結合起來，創造一個可以觀 察、量化和操縱的數字世界，也可以操縱現實世 界。 在醫學領域，考慮這個未來主義的場景。 一個 護理小組被派往一個城市的公寓處理一個可能 需要緊急手術的病人。 作為系統 將病人的病歷和實時更新發送到技術人員的移動 設備和急診科，它還確定了到達病人的最快駕駛 路線。 紅燈擋著十字路口的交通和救護車 拉起，大樓的入口門打開，露出一部電梯已經就 位。 物體移動 當醫護人員拿著擔架趕進來時，讓開了。 當系統 通過最快的路線引導他們到ER時，外科團隊使用空 間計算和增強現實來繪制整個手術室的編排或規劃 通過這個病人身體的手術路徑。 工業已經接受了專用傳感器、數字雙胞胎和物聯

20、 網的集成，以優化生產力，并可能是空間計算的 早期采用者。 該技術可以添加基于位置的跟蹤 到一件設備或整個工廠。 通過戴上增強現實耳 機或觀看投影全息圖像，不僅顯示修復指令，而 且還顯示空間地圖 在機器部件中，可以引導工人通過和周圍的機器， 以盡可能有效地修復它，縮短時間及其成本。 或 者，如果一個技術人員正在使用一個真實遠程站點 的虛擬現實版本來指導幾個機器人建造工廠，空間 計算算法可以通過改進例如機器人的協調和選擇來 幫助優化工作的安全性、效率和質量 分配給他們的任務。 在更常見的情況下，快餐和零 售公司可以將空間計算與標準工業工程技術（如時 間運動分析）結合起來，以提高工作的效率。 20

21、20年十大新興技術12 作者p.Murali Doraiswamy 藥物 數字醫學 用來診斷甚至治療我們的疾 病 5 2020年十大新興技術13 你的醫生的下一個處方可能是一個應用程序 嗎？ 一系列正在使用或正在開發的應用程序現 在可以自動或直接地檢測或監測精神和身體疾 病。 統稱為 數字藥物，該軟件既可以加強傳統醫療保健，也可 以支持患者獲得醫療保健的機會有限-COVID-19危 機加劇了這一需要。 許多檢測輔助設備依靠移動設備來記錄用戶的聲 音、位置、面部表情、運動、睡眠和短信活動等 特征；然后它們應用人工智能 標記疾病的可能發作或惡化。 例如，一些智能手 表包含一個傳感器，自動檢測和提醒

22、人們心房顫 動，這是一種危險的心律。 類似的工具正在進行 篩選 用于呼吸障礙、抑郁、帕金森病、阿爾茨海默 病、自閉癥和其他疾病。 這些檢測，或“數字 表型”，將有助于 不能很快更換醫生，但可以是有幫助的合作伙 伴，以突出關注需要跟進。 檢測輔助設備也可以 采取可攝取的、帶有傳感器的藥丸的形式，稱為 微電子設備。 一些正在開發，以檢測諸如癌癥 DNA，腸道微生物排放的氣體，胃出血，體溫和氧 氣水平。 傳感器將數據中繼到應用程序進行記 錄。 治療應用程序同樣是為各種疾病設計的。 第一個 獲得FDA批準的處方數字療法是梨治療藥物使用障 礙的ReSET技術。 鑒于2018年被批準為來自衛生專 業人員的

23、輔助護理，ReSET提供24/7認知行為治療 (CBT)，并向臨床醫生提供關于患者渴望和觸發因 素的實時數據。 somryst，一個失眠治療應用，和 奮進RX，第一個治療交付作為 一款兒童注意力缺陷多動障礙的電子游戲， 今年早些時候獲得FDA的許可。 展望未來，兒童健康創業公司Odin設計了一個虛擬 現實應用程序來治療弱視（懶眼），這是一種替代 眼罩的方法。 有一天，大學生可能會收到智能手表的警報，提示 他們在手表檢測到言語和社交模式的變化后尋求輕 度抑郁的幫助；然后他們可能會求助于Woebot聊天 機器人進行CBT咨詢。 并非所有的健康應用程序都符合數字藥物的資格。 在大多數情況下，那些打算

24、診斷或治療疾病的人必 須在臨床試驗中被證明是安全和有效的，并獲得監 管部門的批準；有些人可能需要醫生的處方。 (2020年4月，為了幫助應對COVID-19大流行，FDA 對低風險心理健康設備做了臨時例外。 ) COVID-19強調了數字醫學的重要性。 隨著疫情的展 開，數十個檢測抑郁癥和提供咨詢的應用程序開始 出現。 此外，全球各地的醫院和政府機構都部署了 微軟的醫療機器人服務。 與其在呼叫中心等待，或 冒著去急診室的風險，那些關心咳嗽和發燒的人可 以與機器人聊天，機器人使用自然語言處理來詢問 癥狀，并根據人工智能分析，可以描述可能的原因 或開始遠程醫療會議，供醫生評估。 到4月底，機 器人

25、已經對COVID癥狀和治療進行了2億多次調查。 這種干預措施大大減少了對衛生系統的壓力。 顯然，社會必須謹慎地進入數字醫學的未來-確保 這些工具經過嚴格的測試，保護隱私，并順利地 融入醫生的工作流程。 有了這樣的保護，數字表 型 治療可以通過抑制不健康的行為和幫助人們在疾病 開始前做出改變來節省醫療費用。 此外，將人工智 能應用于將由數字表型和治療應用程序生成的大數 據集應有助于個性化病人護理。 出現的模式也將為 研究人員提供關于如何最好地建立更健康的習慣和 預防疾病的新想法。 200米 關于COVID癥狀和 治療的詢問 給人工智能機 器人 2020年十大新興技術14 作者凱瑟琳漢和塔米馬 運

26、輸工具 電力航空 使航空旅行脫碳 6 2020年十大新興技術15 電動螺旋槳在起 飛時增加升力，允 許更小的機翼和整 體更高的效率。 在2019年，航空旅行占全球碳排放量的2.5%，到 2050年這一數字可能會增加兩倍。 雖然一些航空 公司已經開始抵消其對大氣碳的貢獻，但仍然需要 大幅削減。 電動飛機可以提供所需的改造規模， 許多公司正在競相開發它們。 電力推進電機不僅 可以消除直接碳排放，還可以將燃料成本降低 90%，維護成本降低50%，噪音降低近70%。 在從事電動飛行的公司中，有空客、Ampaire、 MagniX和Eviation。 所有這些都是用于私人、公 司或通勤旅行的飛行測試飛機

27、，并正在尋求美國聯 邦航空管理局的認證。 凱普航空公司，最大的區 域航空公司之一，預計 成為首批客戶之一，計劃從Eviation購買Alice九 座客機。 Cape Air的首席執行官丹沃爾夫(Dan Wolf)表示，他不僅對環境效益感興趣，而且對運 營成本的潛在節約感興趣。 電動機的壽命一般比他目前飛機上的碳氫化合物燃 料發動機長；它們需要在2萬小時內進行大修，而不 是2000小時。 前進推進引擎不是唯一電動的。 美國宇航局的X-57 麥克斯韋電動飛機正在開發中，取代了傳統的機翼 具有較短的，具有一組分布式電動螺旋槳的。 在常 規噴氣式飛機上，機翼必須足夠大，以便在飛行器 低速飛行時提供升力

28、，但較大的表面積增加了較高 速度的阻力。 電動螺旋槳在起飛時增加升力，允許 更小的機翼和整體更高的效率。 在可預見的未來，電動飛機將被限制在他們能走多 遠。 今天最好的電池重量比傳統燃料少得多：每 公斤能量密度為250瓦時，而噴氣燃料的能量密度 為每公斤12,000瓦時。 因此，特定飛行所需的電 池比標準燃料重得多，占用了更多的空間。 全球 所有航班中大約有一半不到800公里， 預計到2025年將在電池供電電動飛機的范圍內。 電子航空面臨著成本和監管障礙，但投資者、 孵化器、企業和政府對這一技術的進步感到興 奮，正在對其發展進行大量投資-大約有2.5億$ 流入 2017年至2019年期間的電動

29、航空初創公司。 目前， 大約170個電動飛機項目正在進行中。 大多數電動 飛機都是專為私人、公司和通勤旅行而設計的，但 空客表示，它計劃在2030年前有100個乘客版本可以 飛行。 電力推進馬達不僅可以消 除直接碳排放，還可以通 過提高燃料成本 達 到 90% ， 維 修 高 達 50%，噪音近70%。 2020年十大新興技術16 作者瑪麗雅特迪克里斯蒂娜 基礎設施 低碳水泥 抵御氣候變化的建筑材料 7 2020年十大新興技術17 混凝土，最廣泛使用的人造材料，塑造了我們建造 的世界的大部分。 總部位于倫敦的智庫查塔姆研 究所(Chatham House)稱，其關鍵部件之一水泥的 制造產生了大

30、量但未得到充分重視的二氧化碳：高 達全球總量的8。 有人說，如果水泥生產是一個國 家，它將是僅次于中國和美國的第三大排放國。 Chatham House報告說，目前每年生產40億噸水 泥，但由于城市化程度的提高，預計這一數字在未 來30年將增至50億噸。 水泥生產的排放是由 用于為水泥形成產生熱量的化石燃料，以及窯中將 石灰石轉化為熟料的化學過程，然后將其研磨并與 其他材料結合制成水泥。 盡管建筑行業通常出于各種原因（其中包括安全 和可靠性）抵制變革，但降低其對氣候變化的貢 獻的壓力很可能會加速破壞。 在2018年，全球水 泥和混凝土協會，占全球產量的30%，宣布了該行 業的第一個可持續性指南

31、，這是一套關鍵的衡量 標準 由于排放和用水的目的是跟蹤性能的改善， 并使其透明。 與此同時，正在采取各種低碳辦法，其中一些已經 在實踐中。 位于新澤西州皮斯卡塔韋的初創企業 Solidia正在使用一種從羅格斯大學獲得許可的化 學工藝，該工藝已經削減了30%的碳 二氧化碳通常在制造水泥時釋放出來。 該配方 比典型工藝使用更多的粘土，更少的石灰石和更 少的熱量。 新斯科舍省達特茅斯的碳固化劑通 過礦化將從其他工業過程中捕獲的二氧化碳儲存 在混凝土中，而不是作為副產品釋放到大氣中。 蒙特利爾的Carbi Crete將水泥完全倒入混凝土 中，取而代之的是煉鋼的副產品鋼渣。 而且 挪威水泥的主要生產商諾

32、西姆(Norcem)正打算將其 一家工廠變成世界上第一家零排放的水泥生產廠。 該設施已經使用來自廢物的替代燃料，并打算增加 碳捕獲和儲存技術，以便到2030年完全消除排放。 此外，研究人員一直在將細菌納入混凝土配方 中，以吸收空氣中的二氧化碳并改善其性能。 追求“活”建筑材料的初創企業包括北卡羅來納 州羅利的Bio Mason，該公司使用細菌和稱為骨 料的顆?！胺N植”水泥樣磚。 研究人員于今年2 月在物質雜志上發表了一項由國防高級研究 計劃局資助的創新 科羅拉多大學利用光合微生物藍藻來建造低碳混 凝土。 他們給沙水凝膠支架接種了細菌，以制 造出具有自愈能力的磚塊。 在今天的所有應用中，這些磚不

33、能取代水泥和混凝 土。 然而，它們總有一天會取代輕型承重材料， 如用于攤鋪機、立面和臨時結構的材料。 水泥的制造創造了高達 8%的人類生產的二氧化 碳。 40億 40億噸 水泥每年都生 產，但由于城市 化的不斷增加， 預計在未來30年 內將增加到50億 噸 2020年十大新興技術18 作者卡洛拉蒂 計算 量子傳感 基于亞原子領域特性的高精度計量學 8 2020年十大新興技術19 量子傳感器利 用物質的量子特 性達到了極高的 精度。 量子計算機得到了所有的炒作，但量子傳感器也同 樣具有變革性，使自動駕駛汽車能夠在角落里“看 到”，水下導航系統，火山活動和地震的預警系 統，以及在日常生活中監測一個

34、人大腦活動的便攜 式掃描儀。 量子傳感器通過利用物質的量子性質達到極端的精 度水平-例如，使用不同能量狀態下的電子作為基 元之間的差異。 原子鐘說明了這一原理。 世界時 間標準是基于這樣一個事實，即銫133原子中的電 子每秒完成特定的躍遷9，192，631，770次；這是 其他時鐘調諧的振蕩。 其他量子傳感器使用原子 躍遷來檢測運動的微小變化和引力、電場和磁場的 微小差異。 然而，還有其他方法來構建量子傳感器。 例如， 英國伯明翰大學的研究人員正在開發自由落體的過 冷原子，以檢測局部重力的微小變化。 這種量子 重力儀將能夠探測埋在地下的管道、電纜和其他物 體，而這些物體今天只能通過挖掘才能可靠

35、地找 到。 海船可以使用類似的技術來探測水下物體。 大多數量子傳感系統仍然昂貴，超大和復雜，但新 一代 更小、更負擔得起的傳感器應該開辟新的應用。 麻省理工學院的研究人員在2019年使用傳統的制 造方法來放置a 基于金剛石的量子傳感器在硅片上，將多個傳統上 笨重的部件壓縮到十分之一毫米寬的正方形上。 該原型是朝著低成本、大規模生產的量子傳感器邁 出的一步，該傳感器在室溫下工作，可用于任何涉 及對弱磁場進行精細測量的應用。 量子系統仍然非常容易受到干擾，這可能限制了它 們在受控環境中的應用。 但政府和私人投資者正 在為這一挑戰和其他挑戰投入資金，包括成本、規 模和復雜性的挑戰。 例如，英國已經提

36、出 3.15億美元進入其國家量子計算方案第二階段 （2019-2024年）。 行業分析師預計，量子傳感器將在未來三到 五年內進入市場 多年來，最初強調醫療和國防應用。 行業分析師預計量子傳 感器 在接下來的三到五年內到 達市場 多年來，最初強調醫療和 國防應用。 2020年十大新興技術20 作者杰夫卡貝克 能源 綠色氫 零碳能源補充風能和太陽能 9 2020年十大新興技術21 傳統的氫生產 工藝，化石燃料 暴露在蒸汽中， 甚至不是零碳。 當氫燃燒時，唯一的副產品是水-這就是為什么氫 幾十年來一直是一個誘人的零碳能源。 然而，傳 統的氫生產工藝，化石燃料暴露在蒸汽中，甚至不 是零碳。 以這種方式

37、產生的氫稱為灰氫；如果捕 獲和螯合CO2，則稱為藍氫。 綠色氫是不同的。 它是通過電解生產的，機器將 水分解成氫和氧，沒有其他副產品。 從歷史上 看，電解需要如此多的電力，因此以這種方式產生 氫是毫無意義的。 情況正在改變有兩個原因。 首先，大量過剩的可再生電力已在電網規模上可 用；多余的電力不能儲存在電池陣列中，而是可以 用來驅動水的電解，以氫的形式“儲存”電力。 第二，電解槽的效率越來越高。 公司正在努力開發電解槽，可以生產綠色氫和便 宜 灰色或藍色氫，分析師預計他們將在未來十年達 到這一目標。 與此同時，能源公司開始將電解槽 直接納入可再生能源項目。 例如，一個名為 Gigastack的

38、項目背后的公司財團計劃為rsted的 HornseaTo海上風電場配備100兆瓦的電解槽，以 在工業規模上產生綠色氫。 目前的可再生技術，如太陽能和風能，通過用清 潔電力取代天然氣和煤炭，可以使能源部門脫碳 高達85。 經濟的其他部分，如航運和制造業， 更難通電，因為它們通常需要燃料 在高溫下能量密度高或熱量高。 綠色氫在這些部 門具有潛力。 工業集團能源轉換委員會(Energy Transition Commission)表示，綠色氫是實現巴 黎協定(Paris Agreement)目標所必需的四項技 術之一，即每年從最具挑戰性的工業部門（其中包 括采礦、建筑和化學品）減少10億噸二氧化碳。

39、 公司正在努力開發電解 槽，可以生產綠色氫和 灰 色 或 藍 色 氫 一 樣 便 宜。 2020年十大新興技術22 作者安德魯赫塞爾和桑尤普李 合成生物學 全基因組合成 下一級細胞工程 10 2020年十大新興技術23 寫自己基因 組的能力將不 可避免 出現，使醫生能 夠治愈許多，如 果不是全部，遺 傳病。 從我們的檔案里 十大新興技術 2019年。 世界經 濟論壇和科學美 國人；2019年12 月。 在COVID-19大流行的早期，中國科學家將病毒的遺 傳序列（其生產藍圖）上傳到遺傳數據庫。 然 后，瑞士的一個小組合成了整個基因組，并從中產 生了病毒-基本上是將病毒傳送到他們的實驗室進 行研

40、究，而不必等待物理樣本。 如此之快 是一個例子，整個基因組印刷是如何推進醫學 和其他努力。 全基因組合成是合成生物學蓬勃發展領域的延伸。 研究人員使用軟件來設計他們產生并引入微生物的 遺傳序列，從而重新編程微生物以完成所需的工 作-例如制造一種新的藥物。 到目前為止，基因組 主要得到光編輯。 但是合成技術和軟件的改進使 得印刷更大數量的遺傳物質和更廣泛地改變基因組 成為可能。 病毒基因組是最小的，從2002年開始，首先產生 的是脊髓灰質炎病毒大約7500個核苷酸，或編碼 字母。 與冠狀病毒一樣，這些合成的病毒基因組 幫助研究人員深入了解 相關病毒是如何傳播和引起疾病的。 一些疫苗和 免疫療法的

41、設計是為了生產。 編寫含有數百萬個核苷酸的基因組，如細菌和酵 母，也變得易于處理。 在2019年，一個團隊打印 了一個大腸桿菌基因組的版本，為可能迫使該細 菌執行科學家投標的代碼留出了空間。 另一個團 隊已經制作了 啤酒酵母基因組的初始版本，由近1100萬個代碼字 母組成。 這種規模的基因組設計和合成將使微生 物不僅可以作為生產藥物的工廠，而且可以作為生 產任何數量物質的工廠。 它們可以被設計成可持續的生產 來自非食品生物質甚至二氧化碳等廢氣的化學品、 燃料和新型建筑材料。 許多科學家希望能夠寫出更大的基因組，比如來自 植物、動物和人類的基因組。 要想實現這一目 標，就需要在設計軟件（很可能包

42、括人工智能）和 更快、更便宜的方法上進行更多的投資，以合成和 組裝至少數百萬個核苷酸。 有了足夠的資金，在10億核苷酸量表上書寫基因組 可能會在本世紀末之前成為現實。 研究人員考慮到 了許多應用，包括設計抗病原體的植物和一種超級 人類 細胞系-不受病毒感染、癌癥和輻射的影響-這可 能是基于細胞的治療或生物制造的基礎。 寫我們自己基因組的能力將不可避免地出現，使 醫生能夠治愈許多（如果不是全部）遺傳病。 當然，整個基因組工程可能會被濫用，主要的擔心 是被武器化的病原體或其產生毒素的成分。 科學 家和工程師將需要設計一個全面的生物安全過濾 器，一套現有的和新的技術，能夠實時檢測和監測 新威脅的擴散

43、。 調查人員需要發明能夠迅速擴大規模的測試策略。 至關重要的是，世界各國政府必須比現在合作得更 多。 基因組計劃(Genome Project-write)是一個在2016 年成立的財團，它的定位是為了促進這個安全網。 該項目包括來自十幾個國家的數百名科學家、工程 師和倫理學家，他們開發技術，分享最佳做法，開 展試點項目，并探討道德、法律和社會影響。 2020年十大新興技術24 致謝 指導小組 指導小組主席Mariette Di Christina是波士頓大學傳播學院新聞實踐的院 長和教授。 她是科學美國人的主編和斯普林格自然雜志的執行副 總裁。 Bernard S。 指導小組副主席梅耶森是I

44、BM首席創新官。 他為物理學、工 程學和商業領域的工作頒發獎項。 Anas Faris Al-Faris是沙特阿拉伯利雅得阿卜杜拉齊茲國王科技城的主 席。 杰夫卡貝克，他創建了幾家公司，是10EQS的首席執行官。 Rona Chandrawati是新南威爾士大學食品和醫學納米技術實驗室高級講師和 負責人。 p.Murali Doraiswamy是杜克大學醫學院的醫生、發明家和教授，是未來技 術和精密醫學的主要研究員，也是世界經濟論壇全球未來理事會的成員。 塞斯弗萊徹是科學美國人的主編。 Javier Garcia Martinez，無機化學教授，阿利坎特大學分子納米技術實 驗室主任。 凱瑟琳漢

45、是清潔能源和創新項目的主任，38個北方解決方案的主席。 她 領導了幾個論壇理事會。 Rigas Hadzilacos是論壇準備未來工作倡議的項目負責人。 Daniel E.Hurtado是智利天主教教皇大學的副教授。 論壇將他命名為 未來十大最有影響力的科學家之一。 Wendy Ju是康奈爾大學Jacobs Technion-Cornell研究所的助理教授。 朱是 論壇全球自治和城市流動委員會的成員。 Corinna E.Lathan是Anthro Tronix的聯合創始人兼首席執行官，也是PTC董事 會成員。 Lathan是論壇全球人類發展未來理事會創始共同主席。 論壇全球生物技術未來理事會

46、共同主席Sang Yup Lee是韓國高級科學和技 術研究所化學和生物分子工程杰出教授。 他擁有700多項專利。 杰弗里林，一位退休的美國陸軍上校，是技術開發和商業轉型的專家。 他是 約翰霍普金斯大學和衛生科學統一服務大學的神經學教授，也是Ling和 Associates的合伙人。 馬泰米是勞倫斯利弗莫爾國家實驗室高強度激光科學項目負責人。 2020年十大新興技術25 安德魯梅納德是亞利桑那州立大學風險創新實驗室主任。 他的工作 重點是負責任地開發和使用新興技術。 Ruth Morgan是倫敦大學學院犯罪和法醫學教授，也是UCL法醫學中心主 任。 她是論壇虛擬和增強現實全球未來理事會的成員。

47、伊麗莎白奧日是奧拉里斯的首席執行官和創始人，也是論壇全球生物技術 未來理事會的共同主席。 卡洛拉蒂是麻省理工學院可感知城市實驗室的主任，也是卡洛拉蒂協會的 創始合伙人。 Barry Shoop是庫珀聯盟Albert Nerken工程學院的院長。 Maria-Elena Torres-Padilla是慕尼黑赫爾姆霍茲中心表觀遺傳學和干細胞研 究所所長，慕尼黑路德維希馬西米蘭大學干細胞生物學教授。 Sophia M.Velastegui是微軟Dynamics365操作應用程序的人工智能CTO。 她 是該論壇全球先進制造和生產未來理事會的人工智能專家。 吳安琪是香港科技大學的助理教授，也是一家基于C

48、RISPR的治療公司 Agenovir公司的共同創始人。 徐迅是全球基因組學組織BGI集團的首席執行官。 他是論壇全球生物技術未來 理事會的成員。 客座作家 安德魯赫塞爾是人類基因組學的主席。 生產小組 Alistair Millen，Designer，Studio Miko 安布雷迪，世界經濟論壇編輯 Ricki Rusting貢獻編輯，科學美國人 世界經濟論壇，致力于改進 世界狀況，是國際公私合作 組織。 論壇讓最重要的政治、商 業和社會其他領導人參與 制定全球、區域和工業議 程。 世界經濟論壇91-93路線 的Capite CH-1223科洛尼 /日內瓦瑞士 電話。 ：+41（0）228691212 傳真：+41（0）227862744 contactweforum.org www.weforum.org