2020年十大新興技術

如果測試冠狀病毒疫苗所需的數千名人類志願者中的一部分可以被數字複製品所取代——這是今年的十大新興技術之一——那麼COVID-19疫苗的開發速度可能會更快，從而拯救無數生命。很快，虛擬臨床試驗可能成為測試新疫苗和療法的現實。榜單上的其他技術可以透過電氣化航空旅行和使陽光直接為工業化學品的生產提供動力來減少溫室氣體排放。“空間”計算將以超越虛擬現實壯舉的方式整合數字世界和物理世界。利用量子過程的超靈敏感測器將為可穿戴腦部掃描器和能夠看到拐角處的車輛等應用奠定基礎。

這些及其他新興技術是由一個國際專家指導小組挑選出來的。該小組由《大眾科學》和世界經濟論壇召集，篩選了超過75項提名。為了獲得認可，這些技術必須具有透過超越已有的做事方式來促進社會和經濟進步的潛力。它們還需要是新穎的（即目前尚未廣泛使用），但有可能在未來三到五年內產生重大影響。指導小組（虛擬地）開會，削減候選名單，然後仔細評估領先者，然後做出最終決定。我們希望您能像我們一樣從接下來的報告中獲得啟發。

醫學：用於無痛注射和檢測的微針

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減少去醫療實驗室的次數使醫療保健更普及

作者：伊麗莎白·奧戴

幾乎看不見的針頭，或稱“微針”，有望迎來無痛注射和血液檢測的時代。無論是連線到注射器還是貼片上，微針都能透過避免與神經末梢接觸來防止疼痛。它們的長度通常為50到2,000微米（大約一張紙的厚度），寬度為1到100微米（大約人類頭髮的寬度），它們穿透皮膚的死亡表層，到達第二層——表皮——表皮由活細胞和被稱為組織間液的液體組成。但大多數微針不會到達或僅 barely 觸及下方的真皮層，真皮層中分佈著神經末梢，以及血管、淋巴管和結締組織。

許多微針注射器和貼片應用已經可用於疫苗接種，還有更多正在進行臨床試驗，用於治療糖尿病、癌症和神經性疼痛。由於這些裝置將藥物直接注入表皮或真皮，它們比熟悉的透皮貼片更有效地輸送藥物，後者依賴於藥物透過皮膚的擴散。今年，研究人員首次展示了一種治療牛皮癬、疣和某些型別癌症等皮膚疾病的新技術：將星形微針混合到治療霜或凝膠中。針頭對皮膚的暫時性輕柔穿孔增強了治療劑的滲透。

許多微針產品正朝著商業化方向發展，用於快速、無痛地抽取血液或組織間液，並用於診斷測試或健康監測。微針造成的小孔會在表皮或真皮中引起區域性壓力變化，迫使組織間液或血液進入收集裝置。如果將針頭與生物感測器耦合，這些裝置可以在幾分鐘內直接測量指示健康或疾病狀態的生物標誌物，例如葡萄糖、膽固醇、酒精、藥物副產品或免疫細胞。

一些產品將允許在家中進行抽血，然後郵寄到實驗室或現場分析。至少有一種產品已經通過了此類用途的監管障礙：美國和歐洲最近批准了來自第七感生物系統公司的TAP血液採集裝置，該裝置使非專業人士能夠自行採集少量血液樣本，無論是送往實驗室還是用於自我監測。在研究環境中，微針也被整合到無線通訊裝置中，以測量生物分子，使用測量結果來確定合適的藥物劑量，然後輸送該劑量——這種方法可能有助於實現個性化醫療的承諾。

微針裝置可以使檢測和治療能夠在服務欠缺的地區進行，因為它們不需要昂貴的裝置或大量的管理培訓。微米生物醫藥公司開發了一種易於使用的裝置：繃帶大小的貼片，任何人都可以使用。另一家名為Vaxxas的公司正在開發一種微針疫苗貼片，在動物和早期人體試驗中，該貼片僅使用通常劑量的一小部分就引發了增強的免疫反應。微針還可以降低傳播血源性病毒的風險，並減少傳統針頭處置產生的有害廢物。

微小的針頭並不總是優勢；當需要大劑量時，它們將不足以應對。並非所有藥物都能透過微針，也並非所有生物標誌物都能透過微針取樣。還需要更多的研究來了解患者的年齡和體重、注射部位和給藥技術等因素如何影響微針技術的有效性。儘管如此，這些無痛的刺針有望顯著擴充套件藥物輸送和診斷的應用範圍，隨著研究人員設計出在皮膚以外的器官中使用它們的方法，新的用途將不斷湧現。

化學工程：太陽能化學

可見光可以驅動將二氧化碳轉化為常用材料的過程

作者：哈維爾·加西亞·馬丁內斯

許多對人類健康和舒適至關重要的化學品的製造消耗化石燃料，從而導致開採過程、二氧化碳排放和氣候變化。一種新方法利用陽光將廢棄的二氧化碳轉化為這些所需的化學品，有可能透過兩種方式減少排放：透過使用不需要的氣體作為原料，並使用陽光而非化石燃料作為生產所需的能源。

由於陽光啟用催化劑或光催化劑的進步，這個過程正變得越來越可行。近年來，研究人員開發出了光催化劑，可以打破二氧化碳中碳和氧之間抗性強的雙鍵。這是建立“太陽能”煉油廠的關鍵第一步，這些煉油廠可以從廢氣中生產有用的化合物——包括“平臺”分子，這些分子可以作為合成藥物、洗滌劑、肥料和紡織品等各種產品的原材料。

光催化劑通常是半導體，需要高能紫外光來產生二氧化碳轉化過程中涉及的電子。然而，紫外光既稀少（僅佔陽光的5%），又有害。因此，開發在更豐富和良性的可見光下工作的的新型催化劑已成為一個主要目標。透過對現有催化劑（如二氧化鈦）的組成、結構和形態進行精細工程設計，正在解決這一需求。雖然二氧化鈦僅在紫外光照射下才能有效地將二氧化碳轉化為其他分子，但用氮摻雜它可以大大降低所需的能量。經過改性的催化劑現在僅需可見光即可產生廣泛使用的化學品，如甲醇、甲醛和甲酸——它們在粘合劑、泡沫、膠合板、櫥櫃、地板和消毒劑的製造中具有重要的集體作用。

目前，太陽能化學研究主要發生在學術實驗室，包括加州理工學院與勞倫斯伯克利國家實驗室合作運營的聯合人工光合作用中心；由大學、工業界以及研究和技術組織組成的荷蘭合作專案Sunrise聯盟；以及德國米爾海姆馬克斯普朗克化學能源轉換研究所的異相反應部門。一些初創公司正在研究將二氧化碳轉化為有用物質的不同方法——即，應用電力來驅動化學反應。如果電力來自化石燃料燃燒，那麼使用電力為反應提供動力顯然不如使用陽光環保，但依賴光伏發電可以克服這一缺點。

在陽光碟機動的二氧化碳轉化為化學品方面的進展肯定會在未來幾年內透過初創公司或其他公司實現商業化並進一步發展。然後，化學工業——透過將今天的廢棄二氧化碳轉化為有價值的產品——將朝著成為真正的、無廢棄物的迴圈經濟的一部分邁進，並幫助實現產生負排放的目標。

醫療保健：虛擬病人

用模擬代替人類可以使臨床試驗更快更安全

作者：丹尼爾·E·赫爾塔多和索菲婭·M·維拉斯泰吉

似乎每天都有一些新的演算法使計算機能夠以前所未有的準確性診斷疾病，再次引發了計算機將很快取代醫生的預測。如果計算機也能取代病人呢？例如，如果虛擬人在冠狀病毒疫苗試驗的某些階段可以取代真人，那麼它可能會加速預防工具的開發並減緩疫情的蔓延。同樣，可能無效的潛在疫苗可以儘早被識別出來，從而大幅削減試驗成本，並避免在活體志願者身上測試不良的疫苗候選物。這些都是“計算機模擬醫學”的一些好處，或在虛擬器官或身體系統上測試藥物和療法，以預測真人將如何對療法做出反應。在可預見的未來，晚期研究仍需要真人病人，但計算機模擬試驗將有可能對安全性和有效性進行快速且廉價的初步評估，從而大大減少實驗所需的活體人類受試者的數量。

對於虛擬器官，建模首先要將從個體真實器官的無創高解析度成像中提取的解剖資料輸入到控制該器官功能的複雜數學模型中。在功能強大的計算機上執行的演算法求解由此產生的方程和未知數，生成一個看起來和行為都像真器官的虛擬器官。

計算機模擬臨床試驗已經在一定程度上進行中。例如，美國食品和藥物管理局正在使用計算機模擬代替人體試驗來評估新的乳房X線攝影系統。該機構還發布了關於設計包含虛擬病人的藥物和器械試驗的指南。

除了加速結果和減輕臨床試驗的風險外，計算機模擬醫學還可以用於代替診斷或計劃治療某些疾病所需的有風險的干預措施。例如，經FDA批准的基於雲的服務HeartFlow Analysis使臨床醫生能夠根據患者心臟的CT影像識別冠狀動脈疾病。HeartFlow系統使用這些影像構建透過冠狀血管的血液的流體動力學模型，從而識別異常情況及其嚴重程度。如果沒有這項技術，醫生將需要進行有創血管造影術來決定是否以及如何進行干預。在個體病人的數字模型上進行實驗也有助於個性化治療各種疾病，並且已經用於糖尿病護理。

計算機模擬醫學背後的理念並不新鮮。在數十年中，建立和模擬物體在數百種執行條件下的效能的能力一直是工程學的基石，例如用於設計電子電路、飛機和建築物。在醫學研究和治療中廣泛實施計算機模擬醫學仍然存在各種障礙。

首先，必須確認這項技術的預測能力和可靠性，這將需要幾項進步。這些進步包括從龐大的、種族多樣的病人資料庫中生成高質量的醫學資料庫，該資料庫既有女性也有男性；改進數學模型以解釋體內許多相互作用的過程；以及進一步修改主要為基於計算機的語音和影像識別而開發的人工智慧方法，這些方法需要擴充套件以提供生物學見解。科學界和行業合作伙伴正在透過諸如達索系統的Living Heart Project、虛擬生理人綜合生物醫學研究所和微軟的Healthcare NExT等倡議來解決這些問題。

近年來，FDA和歐洲監管機構已經批准了一些基於計算機的診斷的商業用途，但滿足監管要求需要相當多的時間和金錢。鑑於醫療保健生態系統的複雜性，創造對這些工具的需求具有挑戰性。計算機模擬醫學必須能夠為患者、臨床醫生和醫療保健組織提供具有成本效益的價值，以加速他們對這項技術的採用。

計算：空間計算

超越虛擬現實和增強現實的下一個重大技術

作者：科琳娜·E·拉森和傑弗裡·林

想象一下瑪莎，一位獨立生活並使用輪椅的八旬老人。她家中的所有物品都已進行數字化編目；所有感測器和控制物體的裝置都已啟用網際網路；她家的數字地圖已與物體地圖合併。當瑪莎從臥室移動到廚房時，燈光會開啟，環境溫度會進行調整。如果她的貓穿過她的路徑，輪椅會減速。當她到達廚房時，桌子會移動以改善她與冰箱和爐灶的接觸，然後在她準備吃飯時移回原位。稍後，如果她在上床睡覺時開始摔倒，她的傢俱會移動以保護她，並且會向她的兒子和當地監控站發出警報。

這個場景核心的“空間計算”是物理世界和數字世界持續融合的下一步。它完成了虛擬現實和增強現實應用程式所做的一切：數字化透過雲連線的物體；允許感測器和電機相互反應；並以數字方式表示真實世界。然後，它將這些功能與高保真空間對映相結合，使計算機“協調器”能夠跟蹤和控制物體在人在數字世界或物理世界中導航時的運動和互動。空間計算很快將把人機和機器對機器的互動提升到工業、醫療保健、交通運輸和家庭等許多生活領域的新效率水平。包括微軟和亞馬遜在內的主要公司都在這項技術上投入巨資。

與虛擬現實和增強現實一樣，空間計算建立在計算機輔助設計（CAD）中熟悉的“數字孿生”概念之上。在CAD中，工程師建立物體的數字表示。這個孿生體可以用於多種用途：3D列印物體、設計物體的新版本、提供關於物體的虛擬培訓或將其與其他數字物體連線以建立虛擬世界。空間計算不僅建立物體的數字孿生體，還建立人和地點的數字孿生體——使用GPS、雷射雷達（光探測和測距）、影片和其他地理定位技術來建立房間、建築物或城市的數字地圖。軟體演算法將此數字地圖與感測器資料以及物體和人的數字表示相結合，以建立可以觀察、量化和操縱的數字世界，並且該數字世界也可以操縱真實世界。

在醫療領域，考慮以下未來場景：一個急救人員團隊被派往城市中的一套公寓，處理可能需要急診手術的病人。當系統將病人的醫療記錄和即時更新發送到技術人員的移動裝置和急診室時，它還會確定到達病人所在地的最快駕駛路線。紅燈阻止交叉交通，當救護車停下來時，建築物入口門開啟，露出已經就位的電梯。當醫護人員帶著擔架匆匆進入時，物體會移開。當系統引導他們透過最快的路線到達急診室時，外科手術團隊使用空間計算和增強現實來規劃整個手術室的編排或規劃透過該病人身體的手術路徑。

工業界已經接受了專用感測器、數字孿生體和物聯網的整合，以最佳化生產力，並且很可能成為空間計算的早期採用者。這項技術可以將基於位置的跟蹤新增到一件裝置或整個工廠。透過佩戴增強現實頭戴式裝置或檢視投影的全息影像，該影像不僅顯示維修說明，還顯示機器元件的空間地圖，工人可以被引導透過機器並圍繞機器進行維修，從而儘可能高效地維修機器——縮短停機時間和成本。或者，如果技術人員正在與真實遠端站點的虛擬現實版本互動，以指導多臺機器人在建造工廠，空間計算演算法可以透過例如改進機器人的協調和分配給機器人的任務的選擇來幫助最佳化工作的安全性、效率和質量。在更常見的場景中，快餐和零售公司可以將空間計算與標準工業工程技術（例如時間-動作分析）相結合，以提高工作流程的效率。

醫學：數字藥物

診斷甚至治療我們疾病的應用程式

作者：P·穆拉利·多萊斯瓦米

您醫生開的下一個處方會是應用程式嗎？正在使用或正在開發中的大量應用程式現在可以自主檢測或監測精神和身體疾病，或直接管理療法。這些軟體統稱為數字藥物，既可以增強傳統醫療保健，又可以在醫療保健服務受限時為患者提供支援——COVID-19危機加劇了這種需求。

許多檢測輔助工具依賴於移動裝置來記錄使用者的聲音、位置、面部表情、運動、睡眠和簡訊活動等特徵；然後，它們應用人工智慧來標記可能發生的疾病發作或加重。例如，一些智慧手錶包含一個感測器，可以自動檢測並提醒人們注意房顫，這是一種危險的心律失常。類似的工具正在開發中，用於篩查呼吸系統疾病、抑鬱症、帕金森病、阿爾茨海默病、自閉症和其他疾病。這些檢測或“數字表型”輔助工具不會在短期內取代醫生，但可以成為突出需要跟進的擔憂的有用合作伙伴。檢測輔助工具也可以採用可攝取的、帶有感測器的藥丸的形式，稱為微型生物電子裝置。一些正在開發中，用於檢測諸如癌性DNA、腸道微生物釋放的氣體、胃出血、體溫和血氧水平等物質。感測器將資料中繼到應用程式以進行記錄。

治療性應用程式同樣是為各種疾病設計的。第一個獲得FDA批准的處方數字療法是梨子治療公司的reSET技術，用於物質使用障礙。reSET於2018年獲得批准，作為醫療專業人員護理的輔助手段，提供24/7認知行為療法（CBT），併為臨床醫生提供關於患者渴望和誘因的即時資料。Somryst，一種失眠治療應用程式，和EndeavorRX，第一個以影片遊戲形式提供的治療兒童注意力缺陷多動障礙的療法，今年早些時候獲得了FDA的許可。

展望未來，兒童健康初創公司Luminopia設計了一款虛擬現實應用程式來治療弱視（懶惰眼）——這是眼罩的替代品。有一天，大學生可能會收到來自智慧手錶的警報，建議他們在手錶檢測到言語和社交模式的變化後尋求輕度抑鬱症的幫助；然後他們可能會求助於Woebot聊天機器人進行CBT諮詢。

並非所有健康應用程式都有資格作為數字藥物。在大多數情況下，旨在診斷或治療疾病的應用程式必須在臨床試驗中證明是安全有效的，並獲得監管部門的批准；有些可能需要醫生的處方。（4月份，為了幫助應對COVID-19疫情，FDA對低風險精神健康裝置做出了臨時例外規定。）

COVID-19突出了數字藥物的重要性。隨著疫情的蔓延，數十個用於檢測抑鬱症和提供諮詢的應用程式變得可用。此外，全球的醫院和政府機構部署了微軟Healthcare Bot服務的各種變體。對於擔心出現咳嗽和發燒等症狀的人們，他們可以與機器人聊天，而不是等待呼叫中心的電話或冒著去急診室的風險，機器人使用自然語言處理來詢問症狀，並根據AI分析，可以描述可能的原因或開始遠端醫療會話以供醫生評估。到4月下旬，機器人已經處理了超過2億次關於COVID症狀和治療的諮詢。這些干預措施大大減輕了醫療系統的壓力。

顯然，社會必須謹慎地邁向數字藥物的未來——確保這些工具經過嚴格的測試，保護隱私，並順利融入醫生的工作流程。有了這些保護措施，數字表型和療法可以透過標記不健康的行為並幫助人們在疾病發生之前做出改變來節省醫療保健成本。此外，將人工智慧應用於數字表型和治療性應用程式將生成的大資料集，應該有助於個性化病人護理。出現的模式還將為研究人員提供關於如何最好地建立更健康習慣和預防疾病的新想法。

交通運輸：電動航空

使航空旅行能夠脫碳

作者：凱瑟琳·漢密爾頓和塔米·馬

2019年，航空旅行佔全球碳排放量的2.5%，到2050年，這個數字可能會增加兩倍。雖然一些航空公司已經開始抵消其對大氣碳的貢獻，但仍需要大幅削減。電動飛機可以提供所需的轉型規模，許多公司正在競相開發它們。電動推進電機不僅可以消除直接碳排放，還可以將燃料成本降低高達90%，維護成本降低高達50%，噪音降低近70%。

從事電動飛行工作的公司包括空中客車、Ampaire、MagniX和Eviation。所有公司都在進行旨在用於私人、公司或通勤旅行的飛機的飛行測試，並正在尋求美國聯邦航空管理局的認證。最大的區域航空公司之一Cape Air預計將成為首批客戶之一，計劃從Eviation購買Alice九座電動飛機。Cape Air的執行長丹·沃爾夫表示，他不僅對環境效益感興趣，而且對運營成本的潛在節省也感興趣。電動馬達的壽命通常比他目前飛機中的碳氫燃料發動機更長；它們需要在20,000小時進行大修，而後者為2,000小時。

前向推進發動機不是唯一電動化的發動機。美國宇航局正在開發的X-57 Maxwell電動飛機用較短的機翼取代了傳統機翼，這些機翼具有一組分散式電動螺旋槳。在傳統噴氣式飛機上，機翼必須足夠大，以便在飛機低速行駛時提供升力，但較大的表面積會在較高速度下增加阻力。電動螺旋槳增加了起飛時的升力，從而允許使用更小的機翼和更高的整體效率。

在可預見的未來，電動飛機的航程將受到限制。當今最好的電池的單位重量功率遠低於傳統燃料：能量密度為每公斤250瓦時，而噴氣燃料為每公斤12,000瓦時。因此，給定飛行所需的電池比標準燃料重得多，並且佔用更多空間。全球大約一半的航班少於800公里，預計到2025年，這將是電池供電電動飛機的航程範圍。

電動航空面臨成本和監管障礙，但對這項技術的進步感到興奮的投資者、孵化器、公司和政府正在對其開發進行大量投資：2017年至2019年間，約有2.5億美元流入電動航空初創公司。目前，大約有170個電動飛機專案正在進行中。大多數電動飛機都是為私人、公司和通勤旅行而設計的，但空中客車公司表示，它計劃在2030年之前準備好100座的版本投入飛行。

基礎設施：低碳水泥

應對氣候變化的建築材料

作者：瑪麗埃特·迪克里斯蒂娜

混凝土是使用最廣泛的人造材料，塑造了我們建造的世界的大部分。其關鍵組成部分之一水泥的製造產生了大量但被低估的人為二氧化碳：根據倫敦智庫查塔姆研究所的資料，高達全球總量的8%。有人說，如果水泥生產是一個國家，它將是僅次於中國和美國的第三大排放國。目前每年生產40億噸水泥，但由於城市化程序加快，查塔姆研究所報告稱，預計未來30年這一數字將上升至50億噸。水泥生產產生的排放來自用於產生水泥形成熱量的化石燃料，以及窯爐中將石灰石轉化為熟料的化學過程，熟料然後被研磨並與其他材料結合製成水泥。

儘管出於安全性和可靠性等多種原因，建築行業通常抵制變革，但減少其對氣候變化貢獻的壓力很可能會加速顛覆。2018年，代表全球約30%產量的全球水泥和混凝土協會宣佈了該行業的首個可持續發展指南，這是一套關鍵指標，例如排放和用水量，旨在跟蹤績效改進並使其透明化。

與此同時，正在追求各種低碳方法，其中一些已經付諸實踐。新澤西州皮斯卡塔韋的初創公司Solidia正在採用羅格斯大學授權的化學工藝，該工藝已將通常在水泥製造過程中釋放的二氧化碳減少了30%。該配方比傳統工藝使用更多的粘土，更少的石灰石和更少的熱量。新斯科舍省達特茅斯的CarbonCure透過礦化作用將從其他工業過程中捕獲的二氧化碳儲存在混凝土中，而不是將其作為副產品釋放到大氣中。總部位於蒙特利爾的CarbiCrete完全放棄了混凝土中的水泥，用鍊鋼的副產品鋼渣取而代之。挪威的主要水泥生產商Norcem的目標是將其中一家工廠轉變為世界首家零排放水泥製造廠。該工廠已經使用來自廢棄物的替代燃料，並計劃增加碳捕獲和儲存技術，以在2030年之前完全消除排放。

此外，研究人員已將細菌摻入混凝土配方中，以吸收空氣中的二氧化碳並改善其效能。追求“活體”建築材料的初創公司包括北卡羅來納州羅利市的BioMason，該公司使用細菌和稱為骨料的顆粒“生長”類似水泥的磚塊。在DARPA資助並在2月份發表在《Matter》雜誌上的一項創新中，科羅拉多大學博爾德分校的研究人員使用稱為藍藻的光合微生物來建造低碳混凝土。他們用細菌接種沙水凝膠支架，以製造具有自我修復裂縫能力的磚塊。

這些磚塊無法在當今的所有應用中取代水泥和混凝土。然而，它們將來可能取代輕型承重材料，例如用於鋪路磚、外牆和臨時結構的材料。

計算：量子感測

基於亞原子領域特性的高精度計量學

作者：卡洛·拉蒂

量子計算機獲得了所有炒作，但量子感測器可能具有同等的變革性，使自動駕駛汽車能夠“看到”拐角處，水下導航系統，火山活動和地震的早期預警系統，以及在日常生活中監測人腦活動的行動式掃描器。

量子感測器透過利用物質的量子性質達到極高的精度——例如，使用不同能態的電子之間的差異作為基本單位。原子鐘說明了這一原理。世界時間標準是基於銫133原子中的電子在一秒鐘內完成特定躍遷9,192,631,770次這一事實；這是其他時鐘調整的目標振盪。其他量子感測器使用原子躍遷來檢測運動的微小變化以及重力場、電場和磁場的微小差異。

當然，構建量子感測器還有其他方法。例如，英國伯明翰大學的研究人員正在努力開發自由落體的超冷原子，以探測區域性重力的微小變化。這種量子重力儀能夠探測到埋藏的管道、電纜和其他物體，而如今，只有透過挖掘才能可靠地找到這些物體。遠洋輪船可以使用類似的技術來探測水下物體。

大多數量子感測系統仍然昂貴、體積過大且複雜，但新一代更小、更經濟實惠的感測器應該會開啟新的應用。去年，麻省理工學院的研究人員使用傳統的製造方法將一個基於金剛石的量子感測器放置在矽晶片上，將多個傳統上體積龐大的元件壓縮到一個僅有零點幾毫米寬的方形區域上。這款原型機是朝著低成本、可量產、在室溫下工作的量子感測器邁出的一步，它可以用於任何需要對微弱磁場進行精細測量的應用。

量子系統仍然極易受到干擾，這可能會限制它們在受控環境中的應用。但政府和私人投資者正在投入資金來應對這一挑戰以及其他成本、規模和複雜性方面的挑戰；例如，英國已向其國家量子計算計劃（2019-2024 年）的第二階段投入了 3.15 億英鎊。行業分析師預計，量子感測器將在未來三到五年內進入市場，最初的重點是醫療和國防應用。

能源：綠色氫能

零碳能源，補充風能和太陽能

作者：傑夫·卡貝克

當氫氣燃燒時，唯一的副產品是水——這就是為什麼幾十年來氫氣一直是一種誘人的零碳能源。然而，傳統的制氫工藝，即將化石燃料暴露於蒸汽中，甚至與零碳都相去甚遠。以這種方式生產的氫氣被稱為灰氫；如果捕獲並封存二氧化碳 (CO₂)，則稱為藍氫。

綠色氫能則有所不同。它透過電解產生，即機器將水分解為氫氣和氧氣，沒有其他副產品。從歷史上看，電解需要大量的電力，因此以這種方式生產氫氣沒有什麼意義。情況正在發生變化，原因有二。首先，電網規模上已經可以獲得大量的過剩可再生電力；與其將多餘的電力儲存在電池陣列中，不如將多餘的電力用於驅動水電解，以氫氣的形式“儲存”電力。其次，電解槽正變得越來越高效。

各公司正在努力開發能夠以與灰氫或藍氫一樣廉價的方式生產綠色氫能的電解槽，分析師預計它們將在未來十年內實現這一目標。與此同時，能源公司開始將電解槽直接整合到可再生能源專案中。例如，Gigastack 專案背後的一個企業聯合體計劃為 Ørsted 的 Hornsea Two 海上風電場配備 100 兆瓦的電解槽，以工業規模生產綠色氫能。

目前的太陽能和風能等可再生技術可以透過用清潔電力取代天然氣和煤炭，將能源部門脫碳高達 85%。經濟的其他部門，如航運和製造業，更難電氣化，因為它們通常需要能量密度高的燃料或高溫下的熱量。綠色氫能在這些領域具有潛力。行業組織能源轉型委員會表示，綠色氫能是實現《巴黎協定》目標所必需的四項技術之一，該目標旨在從最具挑戰性的工業部門（包括採礦、建築和化工）每年減少超過 100 億噸的二氧化碳排放。

儘管綠色氫能仍處於起步階段，但各國——尤其是那些擁有廉價可再生能源的國家——正在投資這項技術。澳大利亞希望出口利用其豐富的太陽能和風能生產的氫氣。智利計劃在該國乾旱的北部地區發展氫能，那裡太陽能電力充足。中國計劃到 2030 年在道路上投放 100 萬輛氫燃料電池汽車。

韓國、馬來西亞、挪威和美國也在開展類似的專案，美國的加利福尼亞州正在努力到 2040 年逐步淘汰化石燃料公交車。歐盟委員會最近釋出的 2030 年氫能戰略呼籲將氫能產能從今天的 0.1 吉瓦提高到 2050 年的 500 吉瓦。所有這些都是高盛今年早些時候預測綠色氫能到 2050 年將成為一個 12 萬億美元市場的原因。

合成生物學：全基因組合成

下一代細胞工程

作者：安德魯·海塞爾和李相燁

在 COVID-19 大流行的早期，中國的科學家將該病毒的基因序列（其生產藍圖）上傳到基因資料庫。然後，一個瑞士研究小組合成了整個基因組，並從中生產出病毒——實際上是將病毒“瞬間移動”到他們的實驗室進行研究，而無需等待物理樣本。這種速度是全基因組列印如何推進醫學和其他事業的一個例子。

全基因組合成是蓬勃發展的合成生物學領域的延伸。研究人員使用軟體設計基因序列，然後生產這些序列並將其引入微生物，從而對微生物進行重新程式設計，使其執行所需的工作——例如製造一種新藥。到目前為止，基因組主要進行輕微編輯。但合成技術和軟體的進步使得列印更大範圍的遺傳物質和更廣泛地改變基因組成為可能。

病毒基因組很小，是首先被生產出來的，最早是在 2002 年，當時生產出了脊髓灰質炎病毒的大約 7,500 個核苷酸或程式碼字母。與冠狀病毒一樣，這些合成的病毒基因組已幫助研究人員深入瞭解相關病毒如何傳播和致病。一些病毒基因組正在被設計用於疫苗和免疫療法的生產。

編寫包含數百萬個核苷酸的基因組（如細菌和酵母中的基因組）也已變得可行。2019 年，一個團隊列印了大腸桿菌基因組的一個版本，該版本為可以迫使細菌執行科學家指令的程式碼留出了空間。另一個團隊已經生產出了釀酒酵母基因組的初始版本，該基因組由近 1100 萬個程式碼字母組成。這種規模的基因組設計和合成將使微生物能夠作為工廠，不僅生產藥物，還生產任何數量的物質。可以對它們進行工程改造，以可持續地利用非食用生物質甚至廢氣（如二氧化碳）生產化學品、燃料和新型建築材料。

許多科學家希望能夠編寫更大的基因組，例如來自植物、動物和人類的基因組。要實現這一目標，需要在設計軟體（最有可能結合人工智慧）以及更快、更便宜的合成和組裝至少數百萬個核苷酸長的 DNA 序列的方法上進行更多投資。如果資金充足，在本十年結束之前，十億核苷酸規模的基因組編寫可能會成為現實。研究人員心中有很多應用，包括設計抗病原體的植物和超安全的類人細胞系——例如，對病毒感染、癌症和輻射免疫——這可能成為基於細胞的療法或生物製造的基礎。編寫我們自己的基因組的能力將不可避免地出現，使醫生能夠治癒許多甚至所有遺傳疾病。

當然，全基因組工程可能會被濫用，主要擔心的是武器化的病原體或其產生毒素的成分。科學家和工程師將需要設計一個全面的生物安全過濾器：一套能夠即時檢測和監測新威脅傳播的現有和新型技術。研究人員將需要發明能夠快速擴充套件的測試策略。至關重要的是，世界各國政府必須比現在更加合作。

基因組編寫計劃 (Genome Project-write) 是一個成立於 2016 年的聯盟，它定位於促進這張安全網的形成。該專案包括來自十幾個國家的數百名科學家、工程師和倫理學家，他們開發技術、分享最佳實踐、開展試點專案，並探索倫理、法律和社會影響。

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