当前世界面临许多重大挑战：气候变化、能源枯竭、粮食生产、生命健康等。2021年世界经济论坛评选的“十大新兴技术”主要聚焦当前世界面临的主要问题，这十大技术有望深刻改变人类的未来。

科技改变未来

气候变化：新能源技术

减少碳排放

国际社会对全球气候变化的全面承诺将进一步促进新技术。作为温室效应的罪魁祸首，二氧化碳一直在各个国家和行业积极努力减少碳排放。美国、英国、欧盟等主要发达国家以及中国、印度等发展中大国向国际社会承诺，到2030年实现碳排放总量大幅减少。

为了实现这一承诺，当务之急是在全球范围内加快新能源产业的发展，这也将导致一系列多元化新能源技术的出现，以更快的速度加速孵化，提高落地效率。以下领域将获得显著关注和增长：氢能技术，包括氢燃料电池和“绿色”氢燃料，光伏、风能、水电、潮汐、核能等零排放技术将获得更多支持。

同时，农业和食品领域将进一步发展不可能汉堡和Beyond Meat等蛋白质替代品的市场供应。通过物联网连接的传感器数据将越来越多地支持土地、作物、肥料和灌溉用水的智能管理，这将有助于进一步减少碳排放。

农业：肥料自供给作物培育

升级作物

磷肥是世界粮食的主要肥料，其制备很大程度上依赖于含氮工业肥料的使用。根据联合国粮食及农业组织的数据，世界每年需要大约1.1亿吨氮来维持全球作物生产。氮肥通常是通过将空气中的氮转化为氨来生产的。含氨肥料维持着全球约50%的粮食产量，而制备含氨肥料的过程将消耗全球1%的主要能源需求，工业化排放的二氧化碳占全球碳排放的1%至2%。

为了减少这部分碳排放，研究人员正在获得通过自然方法制造氮肥的解决方案。例如，玉米、谷物和其他主要粮食作物依赖土壤中的无机氮。豆科植物的根与土壤细菌相互作用形成根瘤，大气中的氮通过细菌固定氮的能力转化为氨。这些自然固氮方法极大地启发了研究人员。

目前，发达国家政府和社会资本的投入为工程固氮领域的研发提供了强有力的支持。利用自然共生力量的作物可能很快成为未来更可持续的粮食生产的关键要素。

生物化学：呼吸检测诊断疾病

呼吸样本检测

这项新技术将促进用于疾病诊断的人体呼吸检测，这远比采血省时。利用新技术进行生物检测类似于警察检查酒驾时使用的酒精呼气分析仪，未来的疾病诊断也可以采用这种方式。

人的呼吸中有800多种化合物。最近的研究表明，人体呼吸中不同化合物的浓度与疾病之间有很强的相关性。例如，丙酮浓度升高是糖尿病的强信号，一氧化氮浓度升高可作为呼吸系统疾病的生物标志物。各种醛类指标的升高，说明肺癌的概率极高。

而且，呼气检测的方式会大大减少等待检测的时间。通常，呼吸检测传感器的数据由外部计算机分析生成检测报告只需要几分钟。

除了比抽血更快地产生结果之外，呼吸传感器还采用非侵入式检测方法。在医疗资源有限的国家，其易用性、便携性和成本效益将提供更好的医疗保障。呼吸测试也有助于减少病毒在社区的传播。

式类似于在进入超市或餐馆等公共空间之前对个人进行体温检查的方式。

2020 年3 月，以色列的科研人员已经完成了探索性临床应用，采用呼吸检测的方式检测新冠病毒（COVID）检测结果达到95% 准确度和100%灵敏度。目前该项技术正在进行广泛的临床试验，但距离全面普及尚需技术进一步成熟。

医药工程：按需药物制造

私人订制药品

如果您去药房时，药剂师不是通过预制药物的方式来填写您的处方，而是按照您的诊断情况 采用量身定制的方式配制最符合您体征的药物，这听起来是不是很神奇？

由于药品的特殊性，传统上药物生产都集中在具备资质的厂商，通过大批量生产的方式完成。药物的成分和剂量都是标准化的，不可能为个人定制成分和剂量不同的药物。然而微流体和按需药物制造的最新技术有望使这一想法成为现实。

按需药品制造，也称为连续流程药品制造，可以一次性完成药品生产。它的工作原理是将药品成分通过流体方式输入小型合成设备，由合成设备按照要求调配成分，可以实现为患者量身定制所需药品。

而这项技术更大的意义是，可以在偏远地区或野战医院进行部署，随时根据需求生产药品。这也意味着储存和运输药物所需的资源更少，而且剂量可以针对个别患者量身定制。

2016 年，美国麻省理工与国防高级研究计划局（DARPA），已经成功研发了一台冰箱大小的药品合成设备，并在24 小时内制备了1000剂常用药物：盐酸苯海拉明，用于缓解过敏症状；地西泮，用于治疗焦虑和肌肉痉挛；抗抑郁药盐酸氟西汀；局部麻醉剂盐酸利多卡因。

目前用于按需药物制造的便携式设备成本在数百万美元，阻碍了广泛推广。而且还需要新的质量保证和质量控制标准来规范配方的个性化和单人药品制备。但是，随着成本的下降和监管框架的完善，未来药物按需制造将会为药品行业带来颠覆性的变革。

信息传输：5G物联网发展

无线充电

如今构成物联网 (IoT) 无线设备已经成为网络世界的支柱。物联网无线设备被部署为家庭中的生活工具、生物医学的可穿戴设备以及危险和难以到达区域的传感器。随着物联网的发展，它将更广泛应用于农业节水灌溉和农药喷洒、智能电网、桥梁或混凝土基础设施缺陷监测、泥石流和地震等灾害的预警。

预计到2025年，全球将有400亿台物联网设备上线，为这些设备提供便捷的按需供电是一项新挑战。5G 无线信号比4G传输会发射更多的辐射能量，这就预示着许多低功耗无线设备将永远不需要插入的方式供电。

目前科研人员成功采集从Wi-Fi路由器以及微波射频设备的辐射能量为低功耗物联网设备供电，这项新兴技术将把辐射能量收集提升到一个新的水平，为物联网设备大量部署提供了能源解决方案。

生命科学：基因组编码技术

长生不老

未来生命科学将更加专注于增加“健康寿命”，而不仅仅是寿命。

据世界卫生组织的数据，2015 年至 2050 年间，全球 60 岁以上人口的比例将从 12% 增加到 22%。老年痴呆、癌症、糖尿病、动脉硬化等慢性疾病对老年人的健康和社会发展构成了巨大挑战，逆转衰老或寻找“青春之泉”一直是人类的愿望。

科研人员通过基因组编码技术，量化所有基因活性、细胞中蛋白质和代谢物的浓度，结合遗传学研究，已经越加清晰人类衰老的关键机制，科研人员已经发现人体的生物学年龄的标识符是人体疾病和死亡风险的关键预测指标。

最近科研人员通过对人体衰老机制的不断理解，积极推动了靶向治疗的发展。例如，最近的一项初步临床研究表明，服用包括人类生长激素在内的药物混合物一年，可使人体“生物钟”倒转1.5 年。科学家们还发现将年轻人类血液中的蛋白质注入老年小白鼠时，可以改善与年龄相关的大脑功能障碍。结果表明，通过科学的方式可以逆转人类与年龄相关的认知能力下降等疾病。

目前通过基因工程的方法来分析和设计，加之政府和医疗资本的大力推动下，全球已有100 多家公司研发的药物进入临床前阶段或早期临床试验阶段。这项新技术让人类越发的有希望对抗衰老，甚至挑战“生命的终极课题---死亡”。

化学：绿色氨制造

绿色氢气制造

工业规模合成氨可以说是 20 世纪最重要的发明之一。氨用于生产肥料，为全球 50% 的粮食生产提供燃料，使其成为全球粮食安全的关键。然而，氨合成是一种能源密集型化学过程，需要催化剂来用氢气固定氮。

氢气必须合成生产，目前使用化石燃料、天然气、煤或石油在高温下蒸馏以产生氢气。问题是，这个过程会产生大量的二氧化碳，占全球总排放量的 1% 到 2%。

使用可再生能源分解水产生的绿色氢气有望改变这种状况。除了消除制氢过程中的碳排放外，该方式还能制备更纯净氢气，且不含使用化石燃料时掺入的化学物质，例如含有硫和砷的化合物，这些化合物会“毒化”催化剂，从而降低反应效率。

更清洁的氢气也意味着可以开发出更优质的催化剂，而且不再需要忍受化石燃料中的有毒化学物质。目前，丹麦的公司已经宣布开发出用于绿色氨生产的新型催化剂。

目前绿色氢气制造的主要障碍是高成本。为了解决这个问题欧洲能源企业启动了科技创新研发，旨在2030年之前以每公斤1.5欧元的价格提供绿色氢气。

生物信息学：无线生物标记设备

生物标记检测

对慢性病的连续、无创监测，一直是医学界的期望。好消息是无线、便携式和可穿戴监测传感器将很快得到临床应用。监测器使用多种方法来检测汗液、眼泪、尿液或血液中的生物标志物，可穿戴监测传感器使用光或低功率电磁辐射（类似于手机或智能手表）监测慢性疾病。

例如，电子隐形眼镜可以通过眼泪，获取癌症生物标志物或血糖水平以进行糖尿病监测；具有射频识别技术的护齿器唾液传感器可以监测唾液生物标志物对口腔溃疡、呼吸系统炎症、HIV、肠道感染、癌症和COVID进行预警。

材料科学：3D 打印房屋

3D 打印机建造房屋

根据联合国的估计，使用 3D 打印机建造房屋可以帮助解决全球16亿人住房不足的挑战。

3D 打印房的概念并不新鲜，灵感来源于火星移民的项目，因为火星没有建造房屋所需的大 部分材料。将混凝土、沙子、塑料、粘合剂等混合物通过大型 3D 打印机打印，可以作为一种相对简单和低成本的建造方法，似乎非常适合缓解偏远贫困地区的住房问题。

航天工程：天基物联网

天基物联网

如今，至少有 100 亿个有源设备构成了物联网 (IoT)，预计未来 10 年这一数字将翻一番。 为了最大限度地发挥物联网在通信和自动化方面的优势，需要将设备分布在全球范围内，收集数据。数据在云数据中心被处理，使用人工智能来识别数据异常从而为人类提供预警。例如气候异常和自然灾害。但问题是：地面蜂窝网络覆盖的面积不到全球的一半，在连接方面留下了巨大的空隙。

天基物联网系统可以使用距离地球数百公里的低成本、低重量（不到 10 公斤）纳米卫星网络弥补这些空隙。1998年发射第一颗纳米卫星到今天，大约有 2000 颗纳米卫星用作轨道监视。SpaceX Starlink、OneWeb、Amazon 和 Telesat 等公司已将纳米卫星用于提供全球互联网覆盖。

太空物联网建设仍然面临着众多挑战。例如，纳米卫星的寿命相对较短，约为两年，必须得到昂贵的地面基础设施支持。为了应对轨道太空垃圾日益严重的问题，国际航天机构正在计划在卫星功能寿命结束时自动脱离轨道或使用其他航天器收集它们。