化學(xué)

太陽能化學(xué)

為滿足人類日常需要，許多化學(xué)品的制造消耗了大量礦物燃料，也增加了CO2的排放。一種新方法可利用陽光將廢棄的CO2轉(zhuǎn)化為人們所需的化學(xué)物質(zhì)，從而在兩個方面減少碳排放：一是以CO2為生產(chǎn)原料，二是利用陽光而非化石燃料為生產(chǎn)化學(xué)品提供能源。

由于光催化技術(shù)的進(jìn)展，這一過程變得越來越可行。近年來，研究人員開發(fā)出能打破CO2中碳氧雙鍵的光催化劑，從廢氣中生產(chǎn)有用的化合物和化學(xué)分子，作為合成藥物、洗滌劑、化肥和紡織品等各種產(chǎn)品的原料。

光催化劑通常需要高能紫外光來產(chǎn)生參與轉(zhuǎn)化CO2的電子，但紫外光不僅稀少，而且對健康有害，目前利用更豐富、更溫和的可見光的新型催化劑研究已取得進(jìn)展。經(jīng)過改造的催化劑只需要可見光就可以生產(chǎn)廣泛使用的化學(xué)物質(zhì)，如甲醇、甲醛和甲酸，這些化學(xué)物質(zhì)在粘合劑、泡沫、膠合板、櫥柜、地板材料和消毒劑的制造中都非常重要。

目前，太陽能化學(xué)研究主要在實驗室里進(jìn)行，一些初創(chuàng)企業(yè)也在進(jìn)行太陽能驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)、將CO2轉(zhuǎn)化為有用物質(zhì)的研發(fā)。

這一技術(shù)有望在未來幾年里實現(xiàn)商業(yè)化，化學(xué)工業(yè)通過將廢棄的CO2轉(zhuǎn)化為有價值的產(chǎn)品，為實現(xiàn)負(fù)排放目標(biāo)、向未來無廢物循環(huán)經(jīng)濟(jì)邁出了重要一步。

能源

綠色氫氣

綠色氫氣作為一種零碳能源，是補(bǔ)充風(fēng)能和太陽能的一種令人期待的新能源。氫燃燒時唯一的副產(chǎn)品就是水，是理想的零碳能源，然而傳統(tǒng)制氫工藝遠(yuǎn)未能達(dá)到零碳的效果。傳統(tǒng)工藝產(chǎn)生的氫氣稱為灰色氫氣；生產(chǎn)過程中二氧化碳被捕獲并隔離，產(chǎn)生的氫氣被稱為藍(lán)色氫氣。

綠色氫完全不同。電解生產(chǎn)過程將水分解成氫氣和氧氣，沒有其他副產(chǎn)品，但電解需要大量電能，因此歷史上以此方式生產(chǎn)氫氣幾乎沒有意義。如今綠色氫氣重新引起人們興趣有兩個原因。首先，電網(wǎng)上有大量過剩的可再生電力，多余電力可用于水的電解，以氫的形式儲存電能，而不是將多余的電儲存在電池陣列中；其次，電解槽的效率也越來越高。

一些公司正在致力于開發(fā)成本與生產(chǎn)灰色氫或藍(lán)色氫一樣便宜的綠色氫電解槽，分析師預(yù)計，未來10年將達(dá)到這一目標(biāo)。一些能源公司也開始將電解槽直接整合進(jìn)可再生能源項目中。

在通常需要高能量密度燃料或高溫?zé)崃康拇\業(yè)和制造業(yè)，綠色氫氣更具潛力。能源轉(zhuǎn)型委員會表示，綠色氫氣是實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》減排目標(biāo)所必需的四項技術(shù)之一。

醫(yī)療

虛擬病人

計算機(jī)模擬的“虛擬病人”將使臨床試驗更快、更安全。例如，在新冠病毒疫苗試驗中用虛擬病人取代真人，可加快預(yù)防工具的開發(fā)，減緩大流行趨勢。在虛擬器官或虛擬人體系統(tǒng)上測試藥物和治療方法，可以更快速和廉價地對安全性和有效性進(jìn)行首次評估，大大減少實驗所需的活體人體受試者數(shù)量。

虛擬器官的建模過程首先需要得到真實人體器官的非侵入性、高分辨率成像圖，當(dāng)研究者從中獲得人體解剖學(xué)數(shù)據(jù)后，再將數(shù)據(jù)輸入復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型中，就能完成對該人體器官功能的模擬。隨后在計算機(jī)上運行算法并生成外觀和行為都與真實器官相似的虛擬器官。

電子臨床試驗?zāi)壳耙言谶M(jìn)行中。例如，美國食品藥品管理局（FDA）正在使用計算機(jī)模擬來代替人體試驗，對新的乳房造影系統(tǒng)進(jìn)行評估，該機(jī)構(gòu)還發(fā)布了包括虛擬病人在內(nèi)的藥物和設(shè)備試驗設(shè)計指南

除了加速藥物開發(fā)和降低臨床試驗風(fēng)險外，“虛擬病人”還可以代替診斷治療某些疾病的有風(fēng)險的干預(yù)措施。例如，由FDA批準(zhǔn)的基于云服務(wù)的心臟血流分析系統(tǒng)讓臨床醫(yī)生可根據(jù)患者心臟的CT圖像來識別冠心病，心臟血流分析系統(tǒng)利用這些圖像來構(gòu)建流經(jīng)冠狀血管血液的流體動力學(xué)模型，識別異常情況及其嚴(yán)重程度。如果沒有這項技術(shù)，醫(yī)生需要對病人進(jìn)行有創(chuàng)血管造影來決定是否干預(yù)以及如何干預(yù)。

近年來，F(xiàn)DA和歐洲監(jiān)管機(jī)構(gòu)已批準(zhǔn)了一些基于計算機(jī)診斷的商業(yè)用途，加速電子醫(yī)學(xué)技術(shù)的推廣和采用。

醫(yī)療

數(shù)字醫(yī)學(xué)

應(yīng)用程序?qū)⒋驷t(yī)生為我們診斷、治療疾病，這樣的軟件系統(tǒng)被稱為數(shù)字醫(yī)學(xué)。它既可以加強(qiáng)傳統(tǒng)醫(yī)療，又可以在醫(yī)療條件有限的情況下為患者提供支持，COVID-19危機(jī)加劇了這一需求。

許多醫(yī)療檢測輔助設(shè)備可通過移動設(shè)備來記錄用戶的聲音、位置、面部表情、運動和睡眠活動等，標(biāo)記可能的病情或惡化。例如，一些智能手表的傳感器在出現(xiàn)危險的心房顫動時可自動檢測并發(fā)出警示；用于篩查呼吸障礙、抑郁癥、帕金森氏癥、阿爾茨海默氏癥、自閉癥和其他疾病的類似工具也在開發(fā)中；還有一些正在開發(fā)的微生物電子設(shè)備可對癌性DNA、腸道微生物排放的氣體、胃出血、氧氣水平等進(jìn)行檢測。

一家兒童健康創(chuàng)業(yè)公司Luminopia設(shè)計了一款虛擬現(xiàn)實應(yīng)用程序來代替眼罩進(jìn)行弱視治療。未來，當(dāng)智能手表檢測到佩戴者言語和社交模式變化后，將會為輕度抑郁癥患者尋求幫助，如求助聊天機(jī)器人進(jìn)行認(rèn)知行為治療咨詢。

COVID-19的暴發(fā)凸顯了數(shù)字醫(yī)學(xué)的重要性。各地醫(yī)院和政府機(jī)構(gòu)提供的微軟醫(yī)療機(jī)器人服務(wù)可與咨詢者進(jìn)行聊天溝通，再通過人工智能分析或通過遠(yuǎn)程醫(yī)療會議由醫(yī)生做出評估。目前這些機(jī)器人已處理了超過2億個關(guān)于COVID癥狀和治療的咨詢。數(shù)字醫(yī)學(xué)大大減輕了醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)的壓力，降低了大量患者聚集在急診室的感染危險。

數(shù)字醫(yī)療還可以通過早期診斷和預(yù)警來幫助人們糾正不健康的行為，幫助人們在疾病發(fā)生之前做出改變，節(jié)省醫(yī)療費用。此外，數(shù)字醫(yī)學(xué)程序生成的大數(shù)據(jù)集將有助于個性化患者護(hù)理，為研究人員提供新的思路，幫助人們建立更健康的生活習(xí)慣，更有效地預(yù)防疾病。

醫(yī)療

無痛注射的微型針頭

微型針頭，或稱“微針”，是一種肉眼幾乎看不見的針頭。微針的問世將迎來一個無痛注射和血液檢測的時代。微針長度為50～2 000微米（約一張紙的厚度），直徑為1～100微米（約人類頭發(fā)的直徑），通過避免直接接觸到真皮層的神經(jīng)末梢來防止疼痛。

許多微針注射器和貼片已可用于接種疫苗，還有許多的微針用于治療糖尿病、癌癥和神經(jīng)病理性疼痛的臨床試驗。2020年，研究人員首次推出了一種治療牛皮癬、疣等皮膚疾病和某些癌癥的星形微針新技術(shù)，通過針頭對皮膚的暫時輕微穿孔可更好促進(jìn)治療藥劑的滲透。

許多微針產(chǎn)品正在朝著商業(yè)化方向發(fā)展，用于快速無痛抽取血液或間質(zhì)液，以及用于診斷測試或健康監(jiān)測。微型針頭與生物傳感器相連，可在幾分鐘內(nèi)直接測出指示健康或代表疾病狀態(tài)的生物標(biāo)記物，如葡萄糖、膽固醇、酒精、藥物副產(chǎn)品或免疫細(xì)胞。

美國和歐洲最近批準(zhǔn)的一家生物系統(tǒng)公司的便攜式采血裝置，非專業(yè)人士可自行采集少量血液樣本送到實驗室或進(jìn)行自我監(jiān)測。微針還可與無線通信設(shè)備集成測量生物分子，確定和提供適當(dāng)?shù)乃幬飫┝?，以幫助我們更好實現(xiàn)個性化醫(yī)療。

微針技術(shù)不需要昂貴設(shè)備或大量培訓(xùn)，檢測和治療可在醫(yī)療服務(wù)不足的地區(qū)進(jìn)行。微型針頭還可降低血液傳播病毒的風(fēng)險，減少傳統(tǒng)針頭處理過程中產(chǎn)生的危險廢物。

但小針頭并不總是優(yōu)勢，例如無法滿足大劑量需求，不是所有藥物都能通過微針注射，或所有的生物標(biāo)記都能通過微針取樣。此外，還需要更多研究來確定患者年齡、體重、注射部位和輸送技術(shù)等因素對微針有效性的影響。但隨著研究人員設(shè)計出將其用于皮膚以外器官的方法，無痛微針技術(shù)的使用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。

計算機(jī)

空間計算

計算機(jī)領(lǐng)域內(nèi)的下一個巨大進(jìn)展是超越虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實的“空間計算”。想象一下，一位獨立生活并使用輪椅的八旬老人，家里的所有物體都被數(shù)字化編目，所有的傳感器和控制物體的設(shè)備都已聯(lián)網(wǎng)，家里所有物體都納入了數(shù)字地圖中。當(dāng)老人從臥室向廚房移動時，廚房的燈自動打開，環(huán)境溫度也會隨之調(diào)整；當(dāng)她進(jìn)入廚房時，桌子會移開，方便她走向冰箱和爐灶，在她準(zhǔn)備就餐時桌子會重新歸位；如果她不小心摔倒，周圍的家具會移開以防碰撞到她，系統(tǒng)還會通知她的家人并向當(dāng)?shù)乇O(jiān)測站發(fā)出警報。

以上場景的核心就是空間計算的理念，是物理世界和數(shù)字世界不斷融合的下一個重要里程碑?？臻g計算擁有虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實應(yīng)用的一切功能：數(shù)字化物體通過云計算連網(wǎng)；傳感器與移動的人體和物體互動；以數(shù)字方式代表真實世界的一切；最后通過計算機(jī)根據(jù)人在數(shù)字或物理世界的活動，實時跟蹤和控制對象的移動，實現(xiàn)互動?？臻g計算將使人機(jī)交互和機(jī)器-機(jī)器交互在許多行業(yè)（包括工業(yè)、醫(yī)療、交通運輸和家庭生活）中的應(yīng)用達(dá)到新的高度。微軟和亞馬遜等大公司都在這項技術(shù)上投入了大量資金。

空間計算在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也大有可為。未來，系統(tǒng)可將急診患者的醫(yī)療記錄和實時更新信息發(fā)送到技術(shù)人員的移動設(shè)備和急診科，當(dāng)系統(tǒng)引導(dǎo)急救人員和患者通過最快路徑到達(dá)急診室時，手術(shù)團(tuán)隊使用空間計算和增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)已布置好整個手術(shù)室，并規(guī)劃好了一條最佳手術(shù)路徑?？臻g計算可以把數(shù)字地圖和其他信息集成在一起，創(chuàng)建一個可觀察、可量化和可操縱的數(shù)字世界，當(dāng)然這樣的操作也能同時觸及現(xiàn)實世界。

交通運輸

電動航空

電動航空技術(shù)將為減排脫碳做出新的貢獻(xiàn)。2019年，航空旅行占全球碳排放量的2.5%，到2050年這一數(shù)字可能會增加兩倍。許多公司正在競相開發(fā)電動航空技術(shù)，利用電力推進(jìn)的飛機(jī)發(fā)動機(jī)不僅可以消除直接碳排放，還可將燃料成本降低90%、維護(hù)成本降低50%、噪音降低近70%。

開發(fā)電動飛行技術(shù)的公司包括空中客車公司、安派爾公司等，開發(fā)的電動飛機(jī)主要是用于私人、企業(yè)或通勤者的試飛飛機(jī)，目前正在尋求美國聯(lián)邦航空管理局的認(rèn)證。最大的支線航空公司之一的海角航空公司預(yù)計將成為電動飛機(jī)的首批客戶之一，公司計劃從Eviation購買Alice九號電動客機(jī)。海角航空首席執(zhí)行官丹·沃爾夫（Dan Wolf）表示，他不僅對環(huán)境效益感興趣，還對運營成本感興趣。一般來說，電動機(jī)的壽命比現(xiàn)在飛機(jī)上的碳?xì)浠衔锶剂习l(fā)動機(jī)要長，需要大修的時間是20 000小時，而不是目前的2 000小時。

不過，在可預(yù)見的未來，電動飛機(jī)的飛行距離仍將受到限制。今天最好的電池也比傳統(tǒng)燃料儲存的能量要少得多，因此一次飛行所需的電池比標(biāo)準(zhǔn)燃料重得多，占用的空間也更大。

電動航空面臨成本問題和監(jiān)管障礙，但投資者、企業(yè)和政府都對這項技術(shù)的進(jìn)步感到興奮，正在為其開發(fā)投入大量資金。2017年至2019年間，約2.5億美元流入了電動航空初創(chuàng)企業(yè)；目前，大約170個電動飛機(jī)項目正在進(jìn)行中?？罩锌蛙嚬颈硎?，到2030年，公司計劃可飛行的電動飛機(jī)客機(jī)將達(dá)100架。

合成生物學(xué)

全基因組合成

COVID-19大流行初期，中國科學(xué)家將病毒的基因序列上傳到基因數(shù)據(jù)庫，瑞士的一個研究小組根據(jù)這些數(shù)據(jù)合成了整個基因組并從中產(chǎn)生了病毒。將病毒基因組數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送到實驗室進(jìn)行研究，而不需要等待實際樣本，這是全基因合成技術(shù)推動醫(yī)學(xué)和其他領(lǐng)域研究的一個例子。

全基因組合成是合成生物學(xué)這一新興領(lǐng)域的又一次延伸。研究人員使用軟件來設(shè)計基因序列并將其導(dǎo)入微生物，通過對微生物的重新編程來實現(xiàn)某些特定功能，如讓細(xì)菌合成一種新藥。合成的病毒基因組可幫助研究人員深入了解相關(guān)病毒如何傳播和致病，其中一些被設(shè)計用于生產(chǎn)疫苗和免疫療法。

編寫包含數(shù)百萬核苷酸的基因組（如細(xì)菌和酵母的基因組）已經(jīng)變得越來越容易掌握。2019年，一個研究小組編寫的大腸桿菌基因組可使細(xì)菌服從科學(xué)家的命令。另一個研究小組編寫的啤酒酵母基因組的最初版本由將近1 100萬個密碼字母組成。如此規(guī)模的基因組設(shè)計和合成將使微生物不僅可以作為生產(chǎn)藥物的工廠，還可以是從二氧化碳等廢氣中持續(xù)生產(chǎn)化學(xué)品、燃料和新型建筑材料的工廠。

科學(xué)家希望能夠合成出更大的基因組，比如植物、動物和人類的基因組。如果有足夠資金，10億核苷酸規(guī)模的基因組合成可能在21世紀(jì)末成為現(xiàn)實。全基因組合成應(yīng)用廣泛，包括設(shè)計能抵抗病原體的植物，極其安全的人類細(xì)胞系（比如不受病毒感染、癌癥和輻射影響的細(xì)胞系）。合成人類自己基因組的能力將在未來使醫(yī)生能夠治愈許多遺傳疾病。

2016年建立的“基因組編寫計劃”（The Genome Project-Write）聚集了來自十幾個國家的數(shù)百名科學(xué)家、工程師和倫理學(xué)家，旨在開發(fā)和共享基因組合成技術(shù)，并探索其倫理、法律和社會影響。

基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

低碳水泥

低碳水泥是一種可以應(yīng)對氣候變化的新型建筑材料。水泥是一種被廣泛使用的人造材料，但水泥生產(chǎn)會導(dǎo)致產(chǎn)生大量二氧化碳，排放量占全球排放總量的8%。有人說，如果將水泥生產(chǎn)比做一個國家，它將是僅次于中國和美國的第三大排放國。目前世界上每年生產(chǎn)水泥達(dá)40億噸，由于城市化進(jìn)程的加快，這一數(shù)字預(yù)計將在未來30年增至50億噸。

人們正在尋求生產(chǎn)水泥的各種低碳方法，其中一些已在實踐中。美國新澤西州一家新創(chuàng)公司采用由羅格斯大學(xué)授權(quán)的化學(xué)工藝，可減少30%的二氧化碳釋放量，與典型工藝相比，該配方使用更多的粘土、更少的石灰石和更少熱量。加拿大新斯科舍省達(dá)特茅斯市的CarbonCure公司通過礦化作用將生產(chǎn)過程中捕獲的二氧化碳儲存在混凝土中，而不是作為副產(chǎn)品釋放到大氣中?？偛课挥诿商乩麪柕腃arbiCrete公司徹底拋棄了在混凝土使用水泥的做法，而以煉鋼的副產(chǎn)品鋼渣代之。挪威主要的水泥生產(chǎn)商N(yùn)orcem正致力于創(chuàng)建世界上第一個零排放的水泥生產(chǎn)廠，使用來自廢物的替代燃料，并計劃通過碳捕獲和儲存技術(shù)，在2030年前完全消除排放。

另外，一些研究人員將細(xì)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?？屏_拉多大學(xué)博爾德分校的研究人員利用一種名為藍(lán)藻的光合微生物開發(fā)一種低碳混凝土，并利用細(xì)菌制造出具有自我修復(fù)裂縫能力的磚塊。這些創(chuàng)新構(gòu)想還不能代替如今所有應(yīng)用中的水泥和混凝土，然而總有一天，它們可取代用于道路、外墻或臨時結(jié)構(gòu)等的材料。

計算機(jī)

量子傳感

量子計算機(jī)的未來為人們所期待，量子傳感器帶來的變革不容忽視，它能讓自動駕駛的車輛360度無死角地“看到”周圍，應(yīng)用范圍包括水下導(dǎo)航系統(tǒng)、火山活動和地震預(yù)警系統(tǒng)，以及監(jiān)測人類大腦活動的便攜式掃描儀等。

基于亞原子領(lǐng)域特性的高精度計量，量子傳感器可達(dá)到極高精度。成為世界時間標(biāo)準(zhǔn)的原子鐘就是基于這一原理：銫133原子中的電子每秒可完成9 192 631 770次特定的躍遷。量子傳感器利用原子躍遷可探測運動中的微小變化以及引力、電場和磁場的微小差異。

量子傳感器還有其他用途，例如，英國伯明翰大學(xué)的研究人員正致力于開發(fā)自由下落的過冷原子，以檢測局部重力的微小變化，根據(jù)這一原理制造的量子重力儀可探測埋設(shè)地下的管道、電纜和其他如今只能通過挖掘才能找到的物體。航海船也可以使用類似技術(shù)探測水下物體。

大多數(shù)量子傳感系統(tǒng)仍然昂貴、龐大而復(fù)雜，但新一代更小、更便宜的傳感器將開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。麻省理工學(xué)院的研究人員在2019年將傳統(tǒng)的基于十分之幾毫米的金剛石壓縮技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)硅芯片上，將十分之幾毫米的量子元件壓在傳統(tǒng)的硅芯片上，朝著低成本、大規(guī)模生產(chǎn)量子傳感器邁出了重要一步。據(jù)業(yè)內(nèi)分析人士預(yù)計，量子傳感器將在未來三到五年內(nèi)投放市場，初步重點在醫(yī)療和國防領(lǐng)域。

資料來源 WEF