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    2020全球十大新興技術(shù)

    2021-01-23 07:26:40
    世界科學(xué) 2021年1期
    關(guān)鍵詞:微針基因組

    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(gè)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(duì)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(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行,一些初創(chuàng)企業(yè)也在進(jìn)行太陽能驅(qū)動(dòng)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(shí)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(jià)值的產(chǎn)品,為實(shí)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(shí)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(gè)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(chǔ)存電能,而不是將多余的電儲(chǔ)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(jì),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(xiàng)目中。

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

    醫(yī)療

    虛擬病人

    計(jì)算機(jī)模擬的“虛擬病人”將使臨床試驗(yàn)更快、更安全。例如,在新冠病毒疫苗試驗(yàn)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(shì)。在虛擬器官或虛擬人體系統(tǒng)上測(cè)試藥物和治療方法,可以更快速和廉價(jià)地對(duì)安全性和有效性進(jìn)行首次評(píng)估,大大減少實(shí)驗(yàn)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(shí)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(duì)該人體器官功能的模擬。隨后在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行算法并生成外觀和行為都與真實(shí)器官相似的虛擬器官。

    電子臨床試驗(yàn)?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(jì)算機(jī)模擬來代替人體試驗(yàn),對(duì)新的乳房造影系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)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(yàn)設(shè)計(jì)指南

    除了加速藥物開發(fā)和降低臨床試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)外,“虛擬病人”還可以代替診斷治療某些疾病的有風(fēng)險(xiǎn)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(shí)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(dòng)力學(xué)模型,識(shí)別異常情況及其嚴(yán)重程度。如果沒有這項(xiàng)技術(shù),醫(yī)生需要對(duì)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(jì)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?cè)\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(cè)輔助設(shè)備可通過移動(dòng)設(shè)備來記錄用戶的聲音、位置、面部表情、運(yùn)動(dòng)和睡眠活動(dòng)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(xiǎn)的心房顫動(dòng)時(shí)可自動(dòng)檢測(cè)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(duì)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(cè)。

    一家兒童健康創(chuàng)業(yè)公司Luminopia設(shè)計(jì)了一款虛擬現(xiàn)實(shí)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(cè)到佩戴者言語和社交模式變化后,將會(huì)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(huì)議由醫(yī)生做出評(píng)估。目前這些機(jī)器人已處理了超過2億個(gè)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(xiǎn)。

    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?cè)诩膊“l(fā)生之前做出改變,節(jié)省醫(yī)療費(fèi)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(gè)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(gè)無痛注射和血液檢測(cè)的時(shí)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(yàn)。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(duì)皮膚的暫時(shí)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(cè)試或健康監(jiān)測(cè)。微型針頭與生物傳感器相連,可在幾分鐘內(nèi)直接測(cè)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(shí)驗(yàn)室或進(jìn)行自我監(jiān)測(cè)。微針還可與無線通信設(shè)備集成測(cè)量生物分子,確定和提供適當(dāng)?shù)乃幬飫┝?,以幫助我們更好?shí)現(xiàn)個(gè)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(cè)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(xiǎn),減少傳統(tǒng)針頭處理過程中產(chǎn)生的危險(xiǎn)廢物。

    但小針頭并不總是優(yōu)勢(shì),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(duì)微針有效性的影響。但隨著研究人員設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)

    空間計(jì)算

    計(jì)算機(jī)領(lǐng)域內(nèi)的下一個(gè)巨大進(jìn)展是超越虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的“空間計(jì)算”。想象一下,一位獨(dú)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(dòng)時(shí),廚房的燈自動(dòng)打開,環(huán)境溫度也會(huì)隨之調(diào)整;當(dāng)她進(jìn)入廚房時(shí),桌子會(huì)移開,方便她走向冰箱和爐灶,在她準(zhǔn)備就餐時(shí)桌子會(huì)重新歸位;如果她不小心摔倒,周圍的家具會(huì)移開以防碰撞到她,系統(tǒng)還會(huì)通知她的家人并向當(dāng)?shù)乇O(jiān)測(cè)站發(fā)出警報(bào)。

    以上場(chǎng)景的核心就是空間計(jì)算的理念,是物理世界和數(shù)字世界不斷融合的下一個(gè)重要里程碑??臻g計(jì)算擁有虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的一切功能:數(shù)字化物體通過云計(jì)算連網(wǎng);傳感器與移動(dòng)的人體和物體互動(dòng);以數(shù)字方式代表真實(shí)世界的一切;最后通過計(jì)算機(jī)根據(jù)人在數(shù)字或物理世界的活動(dòng),實(shí)時(shí)跟蹤和控制對(duì)象的移動(dòng),實(shí)現(xiàn)互動(dòng)??臻g計(jì)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(yùn)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(xiàng)技術(shù)上投入了大量資金。

    空間計(jì)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(shí)時(shí)更新信息發(fā)送到技術(shù)人員的移動(dòng)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(shí),手術(shù)團(tuán)隊(duì)使用空間計(jì)算和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)已布置好整個(gè)手術(shù)室,并規(guī)劃好了一條最佳手術(shù)路徑??臻g計(jì)算可以把數(shù)字地圖和其他信息集成在一起,創(chuàng)建一個(gè)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(shí)觸及現(xiàn)實(shí)世界。

    交通運(yùn)輸

    電動(dòng)航空

    電動(dòng)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(huì)增加兩倍。許多公司正在競(jìng)相開發(fā)電動(dòng)航空技術(shù),利用電力推進(jìn)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jì)將成為電動(dòng)飛機(jī)的首批客戶之一,公司計(jì)劃從Eviation購買Alice九號(hào)電動(dòng)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(duì)環(huán)境效益感興趣,還對(duì)運(yùn)營成本感興趣。一般來說,電動(dòng)機(jī)的壽命比現(xiàn)在飛機(jī)上的碳?xì)浠衔锶剂习l(fā)動(dòng)機(jī)要長,需要大修的時(shí)間是20 000小時(shí),而不是目前的2 000小時(shí)。

    不過,在可預(yù)見的未來,電動(dòng)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(chǔ)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(dòng)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(duì)這項(xiàng)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(dòng)航空初創(chuàng)企業(yè);目前,大約170個(gè)電動(dòng)飛機(jī)項(xiàng)目正在進(jìn)行中。空中客車公司表示,到2030年,公司計(jì)劃可飛行的電動(dòng)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(gè)研究小組根據(jù)這些數(shù)據(jù)合成了整個(gè)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究,而不需要等待實(shí)際樣本,這是全基因合成技術(shù)推動(dòng)醫(yī)學(xué)和其他領(lǐng)域研究的一個(gè)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(jì)基因序列并將其導(dǎo)入微生物,通過對(duì)微生物的重新編程來實(shí)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(jì)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(gè)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(gè)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(gè)密碼字母組成。如此規(guī)模的基因組設(shè)計(jì)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(dòng)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(shí)。全基因組合成應(yīng)用廣泛,包括設(shè)計(jì)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(jì)劃”(The Genome Project-Write)聚集了來自十幾個(gè)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(huì)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(duì)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(huì)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(gè)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(jì)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(shí)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(chǔ)存在混凝土中,而不是作為副產(chǎn)品釋放到大氣中。總部位于蒙特利爾的CarbiCrete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(gè)零排放的水泥生產(chǎn)廠,使用來自廢物的替代燃料,并計(jì)劃通過碳捕獲和儲(chǔ)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(shí)結(jié)構(gòu)等的材料。

    計(jì)算機(jī)

    量子傳感

    量子計(jì)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(dòng)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(dòng)和地震預(yù)警系統(tǒng),以及監(jiān)測(cè)人類大腦活動(dòng)的便攜式掃描儀等。

    基于亞原子領(lǐng)域特性的高精度計(jì)量,量子傳感器可達(dá)到極高精度。成為世界時(shí)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(cè)運(yùn)動(dòng)中的微小變化以及引力、電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(cè)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(cè)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(cè)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(jì),量子傳感器將在未來三到五年內(nèi)投放市場(chǎng),初步重點(diǎn)在醫(yī)療和國防領(lǐng)域。

    資料來源 WEF

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