■文/黃寧燕（中國科學技術(shù)信息研究所）

世界經(jīng)濟論壇自2011年首次發(fā)布《十大新興技術(shù)》報告以來，十多年來發(fā)現(xiàn)了許多起初鮮為人知但很快就對全球產(chǎn)生深遠影響的技術(shù)。例如，2016年報告中的基因疫苗后來成為大多數(shù)新冠疫苗的基礎技術(shù)；2018年報告中的基于人工智能的分子設計，迄今預測出2億種蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，首批由人工智能發(fā)現(xiàn)的藥物兩年后即進入臨床試驗。2023年6月26日，世界經(jīng)濟論壇發(fā)布《2023年十大新興技術(shù)》報告，十項新興技術(shù)根據(jù)多項標準評選獲得，匯集了20個國家90多名專家的觀點。專家認為，這些技術(shù)將對社會和經(jīng)濟帶來重大利益，具有顛覆性，對投資者和研究人員有吸引力，預計在五年內(nèi)將得到大規(guī)模應用。

一、柔性電池：為醫(yī)療保健和電子紡織品可穿戴技術(shù)提供動力

傳統(tǒng)的剛性電池可能很快就會過時，因為可彎曲、折疊和拉伸的輕質(zhì)材料制成的薄型柔性電池即將進入市場。目前已經(jīng)出現(xiàn)了幾種可用的柔性電池類型。這些可用的柔性電池普遍具有以下一些特征：一是可充電；二是包含基于導電聚合物集電器的鋰離子或鋅碳系統(tǒng)；三是需要增加添加劑以增強導電性或柔韌性；四是柔性電池的電極可以涂覆或印刷到柔性基板上，如石墨烯、碳纖維或布料等碳基材料。柔性電池已在越來越多的領域得到應用，如可穿戴醫(yī)療設備和生物醫(yī)學傳感器、柔性電子屏和智能手表。由柔性電池驅(qū)動的健康應用程序可以將數(shù)據(jù)無線傳輸給醫(yī)療保健提供商，以遠程監(jiān)測患者。柔性電池集成到夾克、襯衫或其他服裝織物中，可為新興的電子紡織品提供動力，實現(xiàn)內(nèi)置供暖系統(tǒng)和健康監(jiān)測等功能。

隨著市場對可穿戴設備和電子設備小型化和柔性化的持續(xù)增長需求，柔性電池市場將在未來幾年迅速擴張。預計2022—2027年全球柔性電池市場將增長2.4億美元，年復合增長率將達到22.79%。柔性電池技術(shù)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的革命性進步未來還會持續(xù)許多年，在這個領域尚存在很大的創(chuàng)新空間，其市場競爭將會很激烈。一些科技公司正在積極推動柔性電池技術(shù)商業(yè)化，如LG化學、三星SDI、蘋果公司、諾基亞、Front Edge Technology公司、意法半導體、Blue Spark Technologies公司和豐江電池新技術(shù)（Fullriver Battery New Technology）等。與所有電池一樣，柔性電池需要解決安全處置和循環(huán)回收利用問題。

二、生成式人工智能：拓展人類能力的界限

ChatGPT爆火引發(fā)了生成式人工智能狂潮。生成式人工智能功能強大，可以綜合從海量數(shù)據(jù)集中學到的知識，通過學習數(shù)據(jù)模式、使用受人腦啟發(fā)的復雜算法和學習方法來創(chuàng)建新的原創(chuàng)內(nèi)容。生成式人工智能將像互聯(lián)網(wǎng)一樣具有革命性，將在研究、教育等各行各業(yè)引發(fā)顛覆性變革。

雖然生成式人工智能目前仍專注于生成文本、計算機編程、圖像和聲音，但這項技術(shù)將廣泛應用于藥物設計、建筑和工程等領域。在科學研究中，生成模型通過改進實驗設計、識別數(shù)據(jù)元素之間關(guān)系和創(chuàng)建新理論促進突破。在工程領域，NASA工程師正在開發(fā)能夠構(gòu)建輕型航天儀器的人工智能系統(tǒng)，開發(fā)時間將縮短10倍，并且結(jié)構(gòu)性能大大提升。在教育領域，生成式人工智能可根據(jù)學生的技能和學習進度創(chuàng)建個性化課程，鼓勵批判性思維、激發(fā)創(chuàng)造力以及使學生從一些新奇的想法中獲得啟發(fā)。在辦公場所，使用基于人工智能大語言模型將重構(gòu)人類的工作任務，即人類將主要承擔產(chǎn)生想法、創(chuàng)意，以及校改工作，而不用再做打草稿這樣的粗活，這些工作可以由大語言模型替代，這不但將提高生產(chǎn)率，還將提升工作產(chǎn)出質(zhì)量。

目前生成式人工智能的最新前沿是能夠進行重要決策或采取重大行動的自主人工智能系統(tǒng)。例如，AutoGPT是一個使用GPT-4語言模型的自主人工智能應用程序，它通過將目標劃分為更小的任務并使用互聯(lián)網(wǎng)搜索或文本轉(zhuǎn)語音技術(shù)等工具來自動完成用戶確定的任務。

生成式人工智能系統(tǒng)反映了其接受訓練的數(shù)據(jù)狀況以及當時社會的一些慣例習俗。因此，需要注意從訓練數(shù)據(jù)時就防止人工智能形成一些偏見，避免其學習一些“異常”數(shù)據(jù)以及稀奇古怪的社會習俗。生成式人工智能應用程序需要符合專業(yè)和道德標準才能建立起基本的公眾信任。只有正確地監(jiān)管和治理，生成式人工智能才將能使人類有更多時間來發(fā)揮創(chuàng)造力，向人類演示當前知識可達的邊界，并給人類充當挑戰(zhàn)傳統(tǒng)思維的陪練伙伴。

三、可持續(xù)航空燃料：推動航空業(yè)邁向凈零排放

采用由生物性原料（如生物質(zhì)）和非生物性原料（如二氧化碳）生產(chǎn)的可持續(xù)航空燃料（SAF），既不需要對當前航空基礎設施和設備進行大規(guī)模改變，而且若同時結(jié)合全系統(tǒng)運營效率、新技術(shù)和碳抵消等其他脫碳戰(zhàn)略，就會推動航空業(yè)在未來幾十年內(nèi)實現(xiàn)凈零碳排放。

每年航空業(yè)產(chǎn)生的二氧化碳排放量達到全球二氧化碳排放量的2%～3%。而目前可持續(xù)航空燃料卻只占全球航空燃料市場的不到1%，遠不及已大規(guī)模使用的新能源汽車。航空業(yè)一直存在脫碳難題，其中一個原因是長途飛行必須要求高能量燃料，而目前電動或氫燃料飛機尚無法支撐長途飛行。另外一個原因是由于更換飛機將產(chǎn)生高昂的成本，因此現(xiàn)有機隊還要繼續(xù)服役數(shù)十年。然而，航空業(yè)如果保持現(xiàn)狀，2022—2050年間碳排放量預計將達到390億噸。

不過，目前占全球航空燃油需求的比例還不到1%，到2040年這一比例必須增加到13%～15%，才能使航空業(yè)在2050年前走上凈零排放的道路。而要達到該增長目標需要新建300～400個SAF工廠，這需要航空公司、制造商和燃料公司夜以繼日努力。目前已有越來越多的航空公司承諾使用SAF。2023年，英國的一個行動者聯(lián)盟準備推出首次僅使用SAF的凈零跨大西洋航班，展現(xiàn)了SAF技術(shù)快速發(fā)展的潛力。美國測試與材料協(xié)會已批準了9種SAF，其與傳統(tǒng)石油基噴氣燃料的混合比例最高達到50%。有一種SAF是通過一系列化學反應將合成氣（一氧化碳和氫氣的混合物）轉(zhuǎn)化為碳氫化合物而生產(chǎn)的，還有由植物油和動物脂肪生產(chǎn)的SAF。目前其他SAF方案也正在開發(fā)生產(chǎn)，如使用工程細菌來改善SAF的能量分布等。

四、工程化噬菌體：增強人類、動物和植物的健康

微生物組學最近在工程噬菌體方面的進展將增強人類、動物和植物的健康，并能提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。

工程化噬菌體是一種可選擇性感染特定類型細菌的病毒。生物體所包含的微生物群落（細菌）稱為微生物組。微生物組在人類、動物和植物的健康中起著重要作用。細菌一旦被噬菌體感染，噬菌體就會將其遺傳信息注入細菌中，從而治愈生物體內(nèi)的疾病。通過使用合成生物學工具，噬菌體的遺傳信息被重新編程，這樣受感染細菌就會執(zhí)行一組被編程的生物遺傳指令。通過生物工程化噬菌體，科學家還能改變細菌的功能，如使其產(chǎn)生具有治療功能的分子，或?qū)δ撤N藥物變得敏感。由于噬菌體通常只感染一種類型的細菌，因此生物工程化噬菌體將可以實現(xiàn)超靶向治療，選擇性地針對復雜微生物組中的單個細菌種類。

工程化噬菌體療法正在顯示出治療人類、動植物微生物相關(guān)疾病的巨大潛力，有可能徹底改變微生物組工程學。工程化噬菌體療法早期獲得的一些極有希望的結(jié)果已經(jīng)吸引了大量風險投資，這些投資將有助于促進工程噬菌體的臨床試驗。設計噬菌體療法的未來應用將數(shù)不勝數(shù)并多種多樣，如利用工程噬菌體對付抗生素耐藥性細菌，減低細菌致病性等等。目前在44項具有治療目的的噬菌體臨床試驗中，有29項是自2020年初以來發(fā)布的。

五、改善心理健康的元宇宙：共享虛擬空間改善心理健康

元宇宙和多人視頻游戲可以幫助治療精神疾病，如抑郁和焦慮。虛擬共享空間是人們進行專業(yè)和社交互動的數(shù)字環(huán)境。這些虛擬空間的未來通常被稱為元宇宙。根據(jù)目的和沉浸程度不同，未來將可能會有不同的元宇宙。有些元宇宙中包括通過增強現(xiàn)實或虛擬現(xiàn)實（AR/VR）加強的虛擬共享空間。

在屏幕前待的時間過長以及過多使用社交媒體都會損害心理健康，但若虛擬空間能被負責任地使用卻也可以增進健康。元宇宙可用來為人們提供一個共享的虛擬空間來進行社交連接，或接受心理健康治療。以心理健康為中心的技術(shù)基礎設施將支持心理健康的各個方面：預防、診斷、治療、教育和研究。針對不斷加重的心理健康危機，產(chǎn)品開發(fā)者正在構(gòu)建共享虛擬空間來改善心理健康。后疫情時代需要它們來解決精神健康危機。利用元宇宙來進行持續(xù)的心理保健將是雙贏的。這樣不僅患者會受益，而且元宇宙發(fā)展就會建立在一種具有實用性的日常需要的應用中，將推動這種先進虛擬空間的興起。

一些游戲平臺已經(jīng)被用于心理健康治療。不僅可以提高患者的參與度，還可解決心理健康疾病的污名化問題。已有公司將心理健康意識融入大眾市場游戲中，并計劃擴展到治療領域。還有公司通過VR來引導正念和冥想，以增強人的幸福感受。日漸成熟的界面技術(shù)將進一步增強遠程參與者之間的社交和情感聯(lián)系。一些非侵入性神經(jīng)技術(shù)甚至可以根據(jù)用戶情緒狀態(tài)提供合適的反饋。例如，耳機通過電極測量出情緒并相應地調(diào)整音樂。未來非?？赡艿氖牵钪鎸⑴c一些治療性神經(jīng)技術(shù)（如治療頑固性抑郁癥的直接腦刺激）連接起來。

六、可穿戴植物傳感器：徹底改變農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)收集

人類已不是可穿戴設備的唯一用戶，因為傳感器還可以用在植物身上?？纱┐髦参飩鞲衅饔型麖氐赘淖冏魑锏纳a(chǎn)和管理。

作物生長狀況傳統(tǒng)上是通過土壤測試和目視檢查來監(jiān)測的，后來人們使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)來監(jiān)測農(nóng)田狀況，以及通過配備傳感器的無人機和拖拉機獲得作物狀況信息。然而，這些技術(shù)的問題都是所呈現(xiàn)的分辨率太低。農(nóng)作物監(jiān)測需要獲得更高的分辨率，因此下一個前沿領域則是：通過可穿戴植物傳感器監(jiān)測單個植物。這些可穿戴植物傳感器實際上是一些附著在農(nóng)作物上的小型非侵入性設備，可以持續(xù)監(jiān)測溫度、濕度、水分和營養(yǎng)水平，從而控制水、肥和農(nóng)藥的使用，并及早發(fā)現(xiàn)疾病征兆。

聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織指出，到2050年，世界糧食產(chǎn)量需要增加70%才能養(yǎng)活世界人口。通過可穿戴植物傳感器將有效改善植物健康并提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量?？纱┐髦参飩鞲衅骺商峁┯嘘P(guān)植物健康和環(huán)境條件的實時數(shù)據(jù)，幫助農(nóng)民根據(jù)植物的具體需求進行精確的干預，例如根據(jù)水分水平或養(yǎng)分數(shù)據(jù)調(diào)整灌溉或施肥，減少浪費，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，并最大程度地降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的影響。

可穿戴植物傳感器發(fā)展仍存在一些挑戰(zhàn)：一是安裝和維護成本較高，二是傳感器數(shù)據(jù)解釋需要特有的專業(yè)知識。因此，需要改進數(shù)據(jù)分析工具以幫助農(nóng)民根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)做出作物管理決策。還需要研究可穿戴傳感器對植物生長和發(fā)育的長期影響。

七、空間組學：生物過程的分子級繪圖，以解開生命的奧秘

空間組學通過將先進的成像技術(shù)與DNA測序的特異性相結(jié)合，讓科學家可以在細胞內(nèi)的分子水平上“觀察”生物過程。自從2021年《自然方法》將空間組學評選為年度方法以來，空間組學已經(jīng)從一種小眾技術(shù)發(fā)展成為一種標準化并廣泛應用的技術(shù)，有望徹底改變對生命的理解。

空間組學使得以前無法觀察到的細胞結(jié)構(gòu)和生物事件能夠以前所未有的細節(jié)被觀察到。人體由大約37.2萬億個細胞組成，它們共同協(xié)作使我們保持活力和健康?？臻g組學這項新技術(shù)將幫助研究人員揭開更多生命之謎?？茖W家可將感興趣的器官（例如小鼠大腦）組織切成只有一個細胞厚的切片，然后使用空間組學創(chuàng)新技術(shù)可視化每個切片中特定生物分子的位置。該方法能夠在分子水平上繪制生物過程的內(nèi)容、地點和時間，幫助人類看到并理解更多發(fā)生在人類和其他物種身上的生物過程，從而治療和解除腫瘤等復雜疾病。

通過空間組學，人們正在開發(fā)新一代分子水平的“細胞圖譜”，詳細描述人類和其他物種中發(fā)生的無數(shù)生物過程?？茖W家已經(jīng)利用空間組學構(gòu)建了果蠅幼蟲的三維細胞圖譜，并解開了小鼠胚胎器官發(fā)育的黑匣子。利用空間組學，科學家們識別出脊髓中的一組似乎負責脊髓損傷恢復的神經(jīng)元，通過刺激癱瘓小鼠的這些神經(jīng)元可以加快它們恢復行走的速度。使用空間組學，還可表征腫瘤中的各種細胞類型以定制治療，或揭示阿爾茨海默病和類風濕關(guān)節(jié)炎等復雜疾病的機制，以及研究傳染病等?？臻g組學應用還將擴展到繪制其他生物分子（例如代謝物）和其他生物體（包括植物和無脊椎動物）。

越來越多的公共機構(gòu)和私營公司加入空間組學解決方案研究。市場正在急劇擴大，許多制藥和生物技術(shù)企業(yè)快速進入。2021年，空間組學技術(shù)總市值為2.326億美元，預計2030年將達到5.872億美元?？臻g組學未來發(fā)展面臨數(shù)據(jù)采集、處理、存儲和標準化報告等技術(shù)挑戰(zhàn)。

八、柔性神經(jīng)電子技術(shù)：更好地設計電路與神經(jīng)系統(tǒng)接口

柔性電子技術(shù)的突破可能為神經(jīng)治療鋪平道路。柔性神經(jīng)電子學使人們能夠跳過鍵盤、鼠標、觸摸屏和語音來控制電子產(chǎn)品，即直接用大腦控制設備。有了這項技術(shù)，人機接口將變得更自然。

近年來，腦機接口（BMI）技術(shù)正在醫(yī)學和神經(jīng)科學領域改變?nèi)祟惤】?。BMI使傳感器硬件捕獲到大腦產(chǎn)生的電信號，然后通過算法將信號解碼為計算機可以理解和執(zhí)行的指令。一些具有BMI特征的系統(tǒng)已經(jīng)在應用于治療癲癇患者和神經(jīng)假肢領域（假肢使用電極與神經(jīng)系統(tǒng)連接）。不過，BMI技術(shù)面臨很多挑戰(zhàn)。例如，目前使用的植入物由硬質(zhì)材料（如芯片）制成，有可能給人造成長期創(chuàng)傷，或引發(fā)嚴重不適。此外，由于硬質(zhì)材料無法彎曲，也無法適應大腦的運動要求，因此隨著時間的推移，它們可能會發(fā)生位置“漂移”，從而降低捕獲信號的準確性。而非侵入性方法（如放置在頭骨外側(cè)的電極）雖然不需要手術(shù)植入，但卻只能提供低沉且難以解碼的信號，就像帶著厚厚的面罩聽人說話。

2023年，BMI技術(shù)出現(xiàn)了新的突破進展——研究人員在柔軟且具有韌性的生物相容性材料上開發(fā)出大腦接口電路。這些柔性電路能貼合大腦，減少創(chuàng)傷，并防止傳感器漂移?；颊呱眢w會遭受更少的侵入，感覺也會更舒適。柔性電路還能夠容納足夠多的傳感器，從而可同時刺激數(shù)百萬個腦細胞，性能遠遠超過硬材料傳感器可達到的規(guī)模和時間范圍。

柔性BMI用于神經(jīng)科學研究，可以深化對癡呆癥和孤獨癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的認知。在臨床上，使用柔性BMI將會更好地控制神經(jīng)假體，而無需頻繁校準。目前，柔性BMI應用已經(jīng)在接受美國食品和藥物管理局（FDA）批準的臨床試驗，以迅速使這項技術(shù)獲得現(xiàn)實應用。未來，其他植入式設備，例如心臟起搏器，也可以采用類似的柔性材料。同時，材料制造和軟電路印刷技術(shù)的進步可能會進一步改進柔性BMI，從而最終實現(xiàn)真正的人機接口。不過，在廣泛實施這些接口之前還需廣泛考慮道德問題。健康提升與公眾的接受度和信任度應相平衡。此外，還要考慮到腦源數(shù)據(jù)的敏感性，建立隱私和道德使用指南，確定如何在短期、中期和長期使用這些數(shù)據(jù)。

九、可持續(xù)計算：設計和實施凈零能耗數(shù)據(jù)中心

可持續(xù)計算（Sustainable computing）技術(shù)將使凈零能源數(shù)據(jù)中心成為可以實現(xiàn)的現(xiàn)實。今天，隨著各種新興技術(shù)以創(chuàng)新的方式組合和集成，預計數(shù)據(jù)中心在未來十年將取得重大進展——即實現(xiàn)凈零能耗數(shù)據(jù)中心。

可持續(xù)計算是指使用計算機系統(tǒng)來幫助解決可持續(xù)發(fā)展問題。數(shù)據(jù)中心是網(wǎng)絡基礎設施，就像工廠對于工業(yè)一樣重要。在未來，沒有數(shù)據(jù)中心幾乎是不可能生活的。目前數(shù)據(jù)中心不但消耗了全球1%的電力，同時還產(chǎn)生了大量熱量。由于數(shù)據(jù)服務需求將不斷增長，這些消耗只會增加。

可持續(xù)計算技術(shù)應用于數(shù)據(jù)中心，包括液體冷卻系統(tǒng)、人工智能分析以及模塊化數(shù)據(jù)中心。通過開發(fā)液體冷卻系統(tǒng)解決熱管理，使用水或介電冷卻劑來散熱，多余的熱量被重新用于空間供暖、水加熱和工業(yè)過程等應用。使用人工智能實時分析和優(yōu)化能源使用，在不影響性能的情況下最大限度地提高效率。DeepMind通過人工智能能源管理已成功使谷歌數(shù)據(jù)中心的能源消耗降低了40%。由于技術(shù)進步，技術(shù)基礎設施已經(jīng)變得越來越模塊化和基于需求。例如，數(shù)據(jù)云和前沿計算技術(shù)使數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲可以在多個設備、多個系統(tǒng)甚至多個位置上進行。數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)凈零能耗，還需要將上述方法與新的發(fā)電、存儲和管理技術(shù)相結(jié)合。目前數(shù)據(jù)中心領域的創(chuàng)新和投資十分高漲，前景樂觀。

十、人工智能輔助醫(yī)療技術(shù)：提升醫(yī)療保健系統(tǒng)效率

人工智能輔助醫(yī)療將在未來幾年對醫(yī)療行業(yè)產(chǎn)生深遠影響但不會取代醫(yī)生，而是提供建議來提高醫(yī)生的工作效率。比如，人工智能可以在CT圖像上發(fā)現(xiàn)醫(yī)生碰巧忽略的關(guān)鍵細節(jié)。

在新冠大流行初期，許多醫(yī)院因為工作量激增而出現(xiàn)崩潰，醫(yī)療保健系統(tǒng)的缺陷令人震驚。為此，政府和學術(shù)機構(gòu)已經(jīng)組建團隊，將人工智能和機器學習整合到醫(yī)療保健中，以預測即將發(fā)生的流行病，以及幫助有效應對。雖然目前這些行動尚處于初始階段，但隨著將質(zhì)量數(shù)據(jù)集成到人工智能和機器學習模型中，其成效將愈發(fā)顯著。

醫(yī)療系統(tǒng)經(jīng)常會出現(xiàn)患者治療延誤情形，而延誤卻往往不是因為能力缺乏造成，而是由于現(xiàn)有設施使用不均衡導致。人工智能、機器學習和數(shù)據(jù)分析技術(shù)應用到現(xiàn)有一些醫(yī)療設施，極大地提升了患者獲得治療的機會。人工智能還會解決病人長時間排隊等候問題，支撐監(jiān)測疫情、輔助決策，提升個性化治療和提高效率等醫(yī)療系統(tǒng)服務。預計在未來三到五年內(nèi)，基于人工智能的醫(yī)療保健將會越來越普遍。

人工智能輔助醫(yī)療面臨一些挑戰(zhàn)，如數(shù)據(jù)隱私保護和收集、公眾接受度、患者合規(guī)性以及國家安全等問題。此外，管理大量人口健康的個人數(shù)據(jù)系統(tǒng)存在管理監(jiān)管問題，必須在精心制定的法律和道德框架內(nèi)運作。