編譯 高斯寒

去碳化的勃興

在首位科學家提出二氧化碳能在大氣中捕獲熱量的一百多年之后，以及“氣候變化”進入常用語之列的數(shù)十年之后，世界各國和產(chǎn)業(yè)界提出削減碳足跡的新承諾，制定出雄心勃勃的目標。在未來三至五年內(nèi)，會出現(xiàn)一批技術(shù)，展現(xiàn)出大規(guī)模運作的能力。

全球的私人和商業(yè)道路運輸車輛中，只有不到2%的車輛達到零排放。另一方面，軌道運輸和海上運輸都有低碳解決方案，但障礙不僅僅來自技術(shù)層面，還有政治上的障礙，因為改造項目需要巨大的資本投入。美國的碳排放中，估計有13%來自住宅和商業(yè)樓宇的取暖和烹飪所用的燃料。要降低這方面的碳排放，需要普及凈零排放的暖通空調(diào)和被動式太陽環(huán)境系統(tǒng)，并采用天然的建筑材料，譬如可再生的木材和低碳水泥。

利用充沛的可再生能源為主要的溫室氣體來源“去碳”，一個例子是“綠色”氫氣。用非碳基燃料生產(chǎn)的氫氣能成為無污染的燃料，并成為化工業(yè)無碳足跡的基本原料。在擴張光伏、風能、水電、潮汐能、核電和其他零排放能源技術(shù)的同時，還要克服儲能的障礙?？煽?、高效、經(jīng)濟上可負擔的工業(yè)規(guī)模儲能技術(shù)還在萌芽階段。為了減少現(xiàn)有化石燃料發(fā)電所產(chǎn)生的污染物，需要發(fā)展更多碳捕集、碳再利用和碳封存技術(shù)。

自行生成肥料的農(nóng)作物

全球人口不斷增長，要為他們提供足夠的食物，這極大地依賴于含氮化肥。根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織的數(shù)據(jù)，要維持全球農(nóng)作物產(chǎn)量，每年需要大約1.1億噸的氮。通常制造氮肥的方法是將空氣中的氮轉(zhuǎn)化為氨，氨是一種植物能夠利用的含氮化合物。這個轉(zhuǎn)化過程維持了大約50%的全球食物生產(chǎn)，但也是全球1%～2%的二氧化碳排放量的源頭。

為了發(fā)展出一套解決方案，科研人員從大自然制造氮肥的手段中獲得提示。豆科植物有著一個自行制造氮的聰明辦法。豆科植物的根與土壤中的細菌發(fā)生相互作用，促使細菌移生于根部，形成一種名叫根瘤的共生器官。在根瘤內(nèi)，植物提供糖分，供養(yǎng)細菌，并從細菌的固氮能力中獲益。所謂固氮，就是細菌將大氣中的氮轉(zhuǎn)化為氨。就這樣，豆科植物通過遠古演化出的與土壤細菌的共生關(guān)系得到氮，不必依賴于化肥。

科研人員已經(jīng)表明，根瘤（天然的化肥工廠）的形成涉及土壤細菌與豆科植物的根之間的分子通信。這一點已經(jīng)激發(fā)出一些激動人心的、用基因工程方法讓其他植物也獲得固氮能力的新手段。另一類研究中，科學家關(guān)注那些天然移生到谷類植物根上、但無法固氮的土壤細菌，用基因工程方法教會它們生成固氮酶。不久之后，這些能夠利用大自然共生作用的農(nóng)作物也許就會變成永續(xù)食物生產(chǎn)的一個關(guān)鍵要素。

以呼氣傳感器診斷疾病

當警察懷疑一名司機酒后駕駛，他們可以使用呼氣式酒精檢測儀。只要司機吹一口氣，儀器就能測量他的血液酒精濃度。那么，可不可以靠呼氣來診斷疾病呢？

答案是可以的。人的呼氣中包括800多種化合物。最近的研究表明，某些化合物的濃度和不同疾病狀態(tài)密切相關(guān)。譬如說，呼氣中丙酮濃度較高是糖尿病的有力指征；呼氣中的一氧化氮濃度較高與細胞發(fā)炎有關(guān)，從而能當作呼吸系統(tǒng)疾病的生物標志物；乙醛濃度較高與肺癌密切相關(guān)。

當某人朝取樣器吹氣時，他的呼氣進入傳感器。傳感器通常是基于金屬氧化物半導體的電阻變化來做檢測。幾分鐘內(nèi)，一臺外部計算機使用軟件分析生成這口氣中存在的化合物清單。呼氣傳感器除了能比抽血分析更快生成結(jié)果，還提供了一種收集關(guān)鍵健康數(shù)據(jù)的非侵入式方法，能在醫(yī)療資源有限的低收入國家發(fā)揮極大作用。

2020年3月，以色列理工學院的胡薩姆?哈伊克（Hossam Haick）與同事在中國武漢做了一項探查性臨床研究，從呼氣中檢測新冠病毒。他們的傳感器達到了引人注目的95%的準確度和100%的靈敏度。2021年，美國衛(wèi)生與公共服務部（HHS）提供3 800萬美元將NASA開發(fā)的“電子鼻”多目的化，用于檢測新冠病毒。

呼氣傳感器技術(shù)在大規(guī)模推廣之前還要克服幾個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。首先，某些疾病的檢測準確率必須得到改進，尤其是對于結(jié)核病和癌癥。其次，呼氣樣本中的各種不同化合物會混淆檢驗結(jié)果，產(chǎn)生假陽性。若要達到更高的準確率，分析傳感器數(shù)據(jù)的算法也需要改進。第三，需要投入更多資金在臨床試驗上，從而幫助驗證這項技術(shù)在大群體中的有效性。

藥物按需生產(chǎn)

你下一次走進本地藥房，藥劑師會不會不再在一排排預先生產(chǎn)的藥物中尋找你處方上的藥品，而是為你量身定做藥物，使得劑量和劑型都剛好合適？近期在微流控學和藥物按需生產(chǎn)領域出現(xiàn)的進展將把上述構(gòu)想變成現(xiàn)實。

傳統(tǒng)上，藥品都是以大批量多工序的方式生產(chǎn)的，再配送到全球眾多地點。數(shù)以百噸計算的原材料支撐了這樣的大規(guī)模生產(chǎn)，確保原料質(zhì)量和供應的穩(wěn)定是不小的挑戰(zhàn)。

相比之下，藥物按需生產(chǎn)（也被稱為連續(xù)流藥物生產(chǎn)）以一個工序制造藥物，通過導管將流動的成分注入一系列微型反應腔。按照需要在一個地點生產(chǎn)藥物，這意味著能夠在偏遠地點或野戰(zhàn)醫(yī)院合成藥物。這還意味著無需投入過多資源來儲存和運輸藥物，也可以針對單個患者量身定做藥劑。

2016年，麻省理工學院的科研人員與美國國防高級研究計劃局合作，首次演示了按需生產(chǎn)藥物的可行性。他們制造出一臺電冰箱大小的機器，利用連續(xù)流來生產(chǎn)四種常見藥物：抗過敏藥鹽酸苯海拉明，治療焦慮癥的地西泮，抗抑郁藥鹽酸氟西汀，局部麻醉劑鹽酸利多卡因。他們在24小時內(nèi)將這四種藥物每種都生產(chǎn)了一千劑。

如今，包括禮來、強生、諾華、輝瑞和福泰在內(nèi)的眾多制藥公司都在嘗試利用連續(xù)生產(chǎn)技術(shù)，至少是用于部分制藥工序中。

目前，一臺便攜式按需制藥機要花費數(shù)百萬美元，使得它難以進行大規(guī)模展示。若要管理好藥物配方的個性化和單人藥物批次，也需要有新的品質(zhì)保證和品質(zhì)控制措施。隨著成本下降，管理框架日趨完善，按需生產(chǎn)藥物可能會變革藥物生產(chǎn)的地點、時間和方式。

無線信號供能

組成物聯(lián)網(wǎng)的無線設備是比以往更加互聯(lián)互通的世界的重要支撐。其中有部署在千家萬戶的裝置，譬如生物醫(yī)學用途的可穿戴設備；也有部署在危險和難以到達的區(qū)域的傳感器。隨著物聯(lián)網(wǎng)的擴張，它使得使用較少水和農(nóng)藥的農(nóng)業(yè)操作、更高能效的智能網(wǎng)絡、監(jiān)控橋梁或混凝土基礎設施內(nèi)部缺陷的傳感器，泥石流和地震之類災難的早期預警傳感器成為可能。

預計到2025年時全球會有4 000億臺物聯(lián)網(wǎng)設備上線，為這些設備按需提供便利的能量是個大挑戰(zhàn)。一個早已出現(xiàn)的解決方案是利用Wi-Fi路由器和存取點發(fā)出的無線信號。5G技術(shù)會將無線能量擷取提升到新水平。在5G技術(shù)出現(xiàn)后，美國聯(lián)邦通信委員會首次允許手機信號進入更高頻（但依然對人類是安全的）的毫米波頻譜。加上更高的信息率，5G無線信號能比4G信號傳送更多的輻射能。

設備如何才能從無線信號取得能量？Wi-Fi和5G是以一定頻率傳播的電磁波，在寬頻譜中介于調(diào)頻無線電、微波和毫米波之間。過程的第一步是由接收天線捕獲無線信號所攜帶的能量。天線將能量送入一個電子整流器回路，后者再用半導體來將能量轉(zhuǎn)化為直流電壓，進而能為設備充電或供能。這種天線和整流器（或稱為變流器）的組合叫作整流天線。整流天線之后是電源管理電路，在放大電壓的同時，電路本身也會消耗可以忽略不計的電量。

現(xiàn)在有許多初創(chuàng)企業(yè)提供依靠專用無線發(fā)射器的無線充電產(chǎn)品。然而，在將來，這樣的設備將能夠從Wi-Fi和5G信號擷取能量。正如手機讓人們擺脫了固定電話，讓通信能力面目一新，這項新生技術(shù)將為未來的人類提供自由。

以基因工程實現(xiàn)老而不衰

根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，在2015年至2050年之間，60歲以上的老年人在全球人口中所占比例幾乎會翻番，從12%上升至22%，給醫(yī)療系統(tǒng)和社會帶來巨大挑戰(zhàn)。衰老與癡呆癥、癌癥、2型糖尿病、動脈粥樣硬化等慢性疾病有關(guān)。人類從古以來就渴望逆轉(zhuǎn)衰老，或是找到“青春之泉”。弄清衰老背后的分子機制，就能夠幫助人類活得更久也更健康，而這方面的科學探究才剛剛起步。

借助各種“組學”技術(shù)（譬如說，同時量化所有基因的活動，或者一個細胞內(nèi)所有蛋白質(zhì)和代謝物的濃度），結(jié)合表觀遺傳學獲得的新知，衰老背后的關(guān)鍵機制正變得越來越明晰。一個例子是用一組特定表觀遺傳標記（因為行為或環(huán)境而改變基因活動的修飾）或者代謝化合物來確定有機體的生物學年齡。

這類標記也是老年疾病和伴隨而來的死亡風險的有力預測因子?？茖W研究已經(jīng)證明，衰老時，變異的數(shù)量會增加；身體對這些變異的修復可能在DNA上留下與衰老相關(guān)的痕跡，這些痕跡是另一類標記。DNA損傷也與細胞老化或者干細胞耗盡有關(guān)。

在了解衰老機制之后，就能研發(fā)針對性的療法。近期的一項臨床研究表明，為期一年施予包括人類生長激素在內(nèi)的多種藥物，能夠讓“生物時鐘”往回撥1.5年。類似地，科研人員成功地在鼠模型中演示了基因療法（以3個與長壽相關(guān)的基因為目標）能改善或逆轉(zhuǎn)4種與衰老有關(guān)的常見病癥?？茖W家也已經(jīng)確定，將年幼小鼠血液中的蛋白質(zhì)輸給年邁小鼠后，能改善與衰老有關(guān)的腦機能障礙的標志物。這項研究結(jié)果暗示，該療法有可能逆轉(zhuǎn)人類身上與衰老相關(guān)的認知功能下降。

綠色制氨

哈伯-博施法可以說是20世紀最為重要、卻有許多人從未聽聞過的發(fā)明之一。它使得人類能夠以工業(yè)規(guī)模合成氨氣。氨被用來生產(chǎn)化肥，而全球50%的食物要依靠化肥，使得制氨對于全球食物安全而言至關(guān)重要。然而，氨氣合成是個高耗能的化學過程，需要用催化劑讓氮原子與氫原子結(jié)合。

與作為大氣主要成分的氮氣不一樣，氫氣必須要人工合成，目前主要是用化石燃料來生產(chǎn)。天然氣、煤炭或石油暴露在高溫水蒸氣下，生成氫氣。問題是，這個過程會生成大量二氧化碳，占全球二氧化碳總排放量的1%到2%。

利用可再生能源來裂解水，生成“綠色”氫氣，有望改變這個局面。除了消滅制氫過程中的碳排放，這個方法制造的氫氣更為純凈，沒有化石燃料包含的化學物質(zhì)，譬如含硫和含砷的化合物，也就不會再讓催化劑“中毒”，避免反應效率下降。

更純凈的氫氣也意味著可以研發(fā)更優(yōu)質(zhì)的催化劑，因為催化劑不再需要忍受那些來自化石燃料的有毒化學物質(zhì)。事實上，丹麥托普索公司等早已宣布研發(fā)出源自完全可再生資源的新型催化劑，可用于綠色制氨工序。西班牙化肥集團與能源公司伊比德羅拉合作，大幅擴張綠色制氨的規(guī)劃，從建設一家兩千萬瓦的先導工廠，改成建設一家八億瓦的太陽能電解制氫工廠。

目前的最大阻礙是綠色“氫氣”的高成本。30家歐洲能源公司已經(jīng)發(fā)起“氫交易雄心”項目，目標是在2030年之前，以每公斤1.5歐元的價格供應“綠色”氫氣。假如該項目獲得成功，就可能釋放出“綠色”氨的許多新應用，包括讓氨重新分解為氫氣，從而建立起綠色的氫-氨循環(huán)。

生物標志物設備的無線化

沒人喜歡針刺。但監(jiān)測糖尿病之類的慢性病需要頻繁抽血，識別和追蹤某些生物標志物。目前有一百多家公司在研發(fā)無線便攜的可穿戴傳感器，很快就將讓連續(xù)監(jiān)測健康信息成為可能。

監(jiān)測設備采用多種手段在汗水、淚水、尿液或血液中檢測生物標志物。有些采用光或低能量電磁輻射，再結(jié)合天線和電子設備。有些采用可穿戴的柔性電子傳感器，為了檢測到某種生物標志物，監(jiān)測設備要尋找電流、電壓或電化學濃度的變化。

這項技術(shù)的最主要適用對象是糖尿病，預計到2030年，全球?qū)?.78億人被診斷患有糖尿病，亟需一種便攜設備以非侵入的方式監(jiān)測血糖水平。一種方法是利用毫米波和近紅外感應的無線電磁場，患者手指的電壓變化可能與血糖水平相關(guān)。另一種方法是在衣物中置入可穿戴電子設備，用微波范圍的電磁波檢測血流中的葡萄糖水平。第三種方法是采用基于“文身”的電路，用電極來抽取少量組織間歇液（正常情況下會從毛細管中滲出），再評估這些“汗水”里的葡萄糖水平。相似地，類似文身的電路也能從汗水中分析乳酸鹽的變化，這項應用獲得了體育運動產(chǎn)業(yè)的投資。

無線傳送系統(tǒng)可與不同類型的傳感器配對。令人驚訝的是，淚水也能揭示許多健康信息。透明的電子隱形眼鏡能以無線方式拾取癌癥的生物標志物，或者檢測葡萄糖水平，用于糖尿病監(jiān)測。唾液中的生物標志物可能標示生理和心理壓力，或者艾滋病、腸道感染、癌癥和新冠肺炎等疾病。將唾液傳感器融合進一個擁有射頻識別技術(shù)的護齒器后，它也能監(jiān)測口腔衛(wèi)生，探測齲齒和異常牙齒。

以本地材料打印房屋

根據(jù)聯(lián)合國報告，全球有16億人口住房不足。用三維打印技術(shù)建造房屋能幫助克服這一挑戰(zhàn)。三維打印房屋的概念并不新穎。有多家企業(yè)已經(jīng)嘗試過，并取得喜人的結(jié)果。混凝土之類的材料、沙礫、塑料和黏結(jié)劑的混合物被運到施工現(xiàn)場，由一臺龐大的三維打印機擠出成型。三維打印房屋是一種相對簡單和低成本的建筑方法，適合用于偏遠貧困地區(qū)。然而，基礎設施的缺乏使得運送建筑材料成為難題。

近期，若干公司從計劃用于火星的構(gòu)想中獲得靈感，采用本地材料來三維打印房屋。在意大利拉韋納省的小鎮(zhèn)馬薩倫巴達，馬里奧?庫奇內(nèi)拉建筑事務所利用當?shù)氐酿ね链蛴》课萁M件，大幅降低建筑復雜性、成本和能耗。黏土和大麻纖維、一種液體黏結(jié)劑混合，再由意大利三維打印公司W(wǎng)ASP的機器擠出一層又一層，構(gòu)成房屋需要的復雜外形和表面。

另一種建筑方法由WASP公司與設計公司米屋（RiceHouse）合作演示，從干旱地區(qū)數(shù)百年來制造泥磚的經(jīng)驗中獲得靈感。建筑方將傳統(tǒng)的泥漿混合物和黏結(jié)纖維混合，后者可以是天然纖維。之后不是用手將基材擠入模具，而是用WASP公司提供的一臺三維打印機將材料泵出來，最終一座房屋的建筑時間比傳統(tǒng)方法所需時間短得多。打印出的墻壁的剛性幾何形狀還提供了額外強度保證。

當這些建筑結(jié)構(gòu)達到可用年限的盡頭時，可以簡單地粉碎成基材，再重新利用。這種零廢棄物模式（或稱為循環(huán)模式）能追溯到數(shù)千年前。在西西里島的埃里切山上，依然存在用來自10世紀房屋的殘留材料建造的屋舍。

太空連接地球

如今至少100億臺活躍設備構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)，這個數(shù)字預期會在今后10年內(nèi)翻倍。要擴大物聯(lián)網(wǎng)對于通訊和自動化的好處，需要將設備擴張至全球，收集澤字節(jié)量級的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)被吸收進云數(shù)據(jù)中心，利用人工智能識別出模式和異常情形，譬如天氣模式和自然災害。然而存在一個大問題：蜂窩網(wǎng)絡覆蓋了地球不到一半的面積，連通性上存在巨大的缺口。

基于太空的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠給這些缺口打上補丁。該系統(tǒng)利用低成本、低重量（不到10公斤）、在地球上空幾百公里處作軌道運行的納衛(wèi)星組成網(wǎng)絡。第一臺納衛(wèi)星在1998年發(fā)射升空；如今大約有2 000臺納衛(wèi)星充當軌道監(jiān)控衛(wèi)星。SpaceX、星鏈、獨網(wǎng)（OneWeb）、亞馬遜和電信衛(wèi)星等公司已經(jīng)利用納衛(wèi)星提供全球互聯(lián)網(wǎng)覆蓋。

很快就可以在地球上用微型電池供能的物聯(lián)網(wǎng)設備聯(lián)絡上那些作軌道運行的納衛(wèi)星。來自設備的數(shù)據(jù)（譬如從追蹤傳感器獲得的定位讀數(shù)）會被上傳給衛(wèi)星，所使用的低能耗、低成本通信協(xié)議類似于長途通信和Sigfox公司的通信網(wǎng)絡，就連弱信號都能解碼。接著，衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳送給地面站，數(shù)據(jù)會在那兒接受分析。

運用這項技術(shù)后，各種在數(shù)據(jù)驅(qū)動下的應用就算在此前不可及或難以連接的地點也能大顯神威。但是，這套太空物聯(lián)網(wǎng)依然面臨多個挑戰(zhàn)。譬如說，納衛(wèi)星的使用壽命相對較短，只有大約兩年，必須由昂貴的地面站基礎設施來支持。為了應對日益加劇的地球軌道太空垃圾問題，NASA和其他方面正在推行計劃，要么是讓衛(wèi)星在運轉(zhuǎn)期到盡頭時自動脫離軌道，要么用其他航天器收集退役衛(wèi)星。

同樣重要的是，要從衛(wèi)星提供安全、可靠的高帶寬通信連接，在不同的天氣條件和地帶都能維持網(wǎng)絡連通。

資料來源 WEF