世界经济论坛发布《2019年十大新兴技术》报告

2019年9月10日 13:45
來源:创新研究

作者:巩玥,何枭等

2019年7月,世界经济论坛发布《2019年十大新兴技术》(Top 10 Emerging Technologies 2019)报告。该报告选出的这些新兴技术除了具有重大的社会效益与潜在的经济效益,还具有一定的颠覆性。这些技术将受到投资者和研究者的关注,并有望在未来五年内取得一定突破。本报告将对十大新兴技术进行简要分析。

一、生物降解塑料解决环境污染问题

根据世界经济论坛的数据,预计到2050年全球工业产生的塑料量将达到933吨,目前全球只有15%的塑料实现了回收利用,因此,可生物降解塑料成了全球关注的焦点材料。与石化标准塑料产品一样,可生物降解的塑料由聚合物组成,可以在其流体状态下模塑成不同的形式。目前生产生物降解塑料可用的原料主要由玉米、甘蔗或废油脂制成,但与标准塑料相比其机械强度和视觉特性较弱。

2019年,利用纤维素或木质素生产塑料的突破有望克服这些缺点。为了用这些物质制造塑料,制造商必须将它们分解成结构单元或单体。研究人员近期研究出了这两种物质的分解方法。木质素不溶于大多数溶剂,但研究人员已经证明某些较好的离子液体可以选择性地将其与木材和木本植物分开,利用某种酶可以将溶解的木质素分解。此外,在新型塑料被广泛应用之前,该技术必须克服成本高以及生产木质素的用地量和用水量的问题。

二、人与社交机器人合作

社交机器人具有更强的交互能力,更强的任务执行能力,预计未来几年社交机器人将变得更加复杂和普及。目前,与大多数机器人一样,社交机器人使用人工智能(AI)来决定如何对通过摄像机或其他传感器接收的信息采取行动。AI通过研究如何形成感知、构成社交和情感智能以及如何推断出他人的思想和感受等问题,从而获得解决方案。

人工智能的进步已经开辟了新的领域,将人类对心理学和神经科学的见解转化为使机器人识别声音、面部动作和情绪的算法;解读言语和手势;对复杂的口头或非口头暗示作出回应;眼神交流与对话,通过学习反馈、奖励和批评来满足人们的需求。同时,社交机器人逐渐能够扮演越来越多的角色,从儿童玩伴到老年人健康助手,从个人助理到社会服务者,这些机器人开始被用来向不同年龄段、不同社会群体提供所需类型的服务。

三、超透镜将实现微型光学设备的设计

传统的玻璃切割技术和玻璃弯曲技术在制作超薄镜片方面存在很大的局限性。2019年的新技术突破即发现了超透镜(Metalenses)。这种超透镜可以使显微镜、其他实验室工具以及消费产品更加微型化。超透镜由比微米薄的薄片组成,其上覆盖有一系列纳米尺度的物体。当入射光照射这些元件时,其许多特性将会发生变化。研究人员通过精确定位纳米级物体,以确保离开超透镜的光具有选定的特征。此外,超透镜轻薄的特性使其能够轻松堆叠而不会增加尺寸。目前,单个超透镜可以将所有白光波长聚焦到同一点,有效地解决了色差问题。同时,科学家还开发了能够校正其他像差的变形镜。目前,超透镜仍处于实验室研发阶段,由于研发成本过高,所以难以将纳米级元件精确地放置在厘米级的芯片上。尽管如此,在未来几年内,超透镜有望被用于更小、更易于制造的传感器和医疗诊断工具中。

四、靶向药物的无序蛋白质有望治愈癌症

固有无序蛋白(IDPs)是一类特殊的蛋白质,与具有固定结构的蛋白质不同,其结构松散,具有引发癌症、神经变性等疾病的风险,且难以治愈。2017年,法国和西班牙的研究人员将用于治疗神经疾病和焦虑的药物与蛋白进行靶向瞄准,取得了一些成果,推进了部分药物向临床的发展。

IDPS在细胞的无膜细胞器关键部分发挥重要作用,这些细胞器在特定的时间将重要的细胞分子(如蛋白质和RNA)结合在一起,同时保持其他分子分离。它们相互接近导致某些反应更容易发生,分离可防止各种反应。科学家设计了强大的新型分子操作工具——Corelets和CasDrop,使研究人员能够控制这些细胞器的形成。研究表明,IDPs可能有助于控制细胞器的聚合、运转和分解。

五、智能肥料将减轻环境污染问题

随着人口的增长,人们不得不不断地提高农作物产量。目前,传统的施肥方式有两种:①将氨、尿素或其他物质施入田地,它们与水反应产生营养氮。②将钾盐或其他矿物质的颗粒施入田地,它们与水反应产生磷。这些两种施肥方法植物能够吸收的营养相对较少,大部分氮以温室气体的形式进入大气层,磷最终流入附近水域,引发藻类或其他生物的过度生长。相比之下,控制肥料配方和释放速度可以确保作物吸收更多的营养物质,从而实现少施肥、高产量。缓释肥料通常由微小的胶囊组成,胶囊中含有氮、磷和其他营养物质。胶囊外壳降低了水进入胶囊与营养物接触的速率以及最终产物从胶囊中溢出的速率。较新的配方包括通过延迟原料向营养物质的转化从而减缓营养物质递送出。

近期开发的“控制释放”肥料可以通过复杂的材料和制造技术来调节外壳,从而随着土壤的温度、酸度或湿度变化以所需的方式改变养分释放速率。通过组合不同类型的调节胶囊,生产适合特定作物或生长条件需求的肥料。目前该技术尚有一定的缺陷,并未消除传统肥料的共性问题。如产品仍包括氨、尿素和钾碱,这就意味着它们的生产会加速温室气体的产生和气候变化。目前,研究人员致力通过利用环保的氮源并掺入提高植物吸收氮和磷效率的微生物,从而减轻上述影响。

六、协作远程呈现使物理位置变得无关紧要

“协作远程呈现”改变传统的工作和娱乐方式,使物理位置变得无关紧要。目前,增强现实(AR)和虚拟现实(VR)技术对体感的交互性能提升,5G网络对无延迟数据处理的辅助,以及其他领域的长足进步使协作远程呈现成为未来工作和生活方式的可能,全球的研发人员正致力完善技术。目前,所有技术都已就位,3~5年内有望实现颠覆性创新。

七、先进的食品追踪与包装技术将挽救生命、减少浪费

据世界卫生组织统计,每年约有6亿人遭遇食物中毒,42万人因食物中毒死亡。当疫情爆发时,寻找污染源需要耗费大量时间,期间会导致更多人患病,大量未受污染的食物被当作污染食品丢弃。

区块链技术的创新应用正在解决可追溯性问题。该技术追踪受污染商品源的时间从以前的数天缩短到几秒钟——零售商和餐馆几乎可以立即将受污染的产品从流通中移除,并且只销毁来自同一来源的库存。与此同时,先进的食品包装技术可以确定食品是否在适当的温度下存放以及它们是否已经开始变质。为了在生产过程中防止食物中毒,研究实验室和公司正在开发小型传感器,可以监控托盘、包装盒或单独包装的产品的质量和安全。同时,科学家还在研发一种识别变质过程中产生的气体的传感器,除了可以预防疾病,还能通过显示食品是否可以安全食用来减少浪费。

八、加快建设更安全的核反应堆

传统的商业反应堆以锆作为燃料,锆通过粒子裂变产生的中子浸没在反应堆堆芯内水中的,进而发生自我维持的、产生热量的核反应。但其风险是,如果过热,锆会与水反应产生氢引发爆炸。西屋电气公司和法马通公司等制造商正在加速开发新型燃料,升级传统燃料棒的设计,增加其安全性能。这些知名制造商正在开发“第四代”模型,即利用液态钠或熔盐代替水转移裂变产生的热量,以消除产生危险氢气的可能性。与此同时,一些西方国家开发了小型模块化反应堆,改进的燃料和小型反应堆的增长可能是核能再生的重要组成。

九、DNA存储开启数据存储的未来

在信息产业高速发展的时代,数据储存是全球面临的重要问题。目前,存储0和1容量的磁性或光学数据存储系统无法持续超过100年,同时,这些运行数据中心也消耗着大量的能量。基于DNA的数据存储成为一种新的信息技术形式,通过常规排序(读取)、合成(写入),准确地复制信息。DNA结构稳定,储存耗能少且存储容量惊人。据统计,目前一年的存储需求通过边长约1米的DNA立方体就可以很好的满足。测序技术的最新进展使得数十亿个DNA序列可以容易地被同时读取。研究人员可以将DNA序列作为分子识别“标签”(DNA条形码)以跟踪实验结果。该技术大大加快了化学工程、材料科学和纳米技术等领域的研究步伐。

DNA数据存储面临的挑战之一是读取和编写DNA的成本与速度。即使DNA不能成为无处不在的存储材料,也会被用于以全新的规模生成信息并长期保存各种类型的数据。

十、公用事业规模的能源储存将实现可再生电网

由于能源系统脱碳的日益紧迫以及风能和太阳能技术的成本急剧下降,世界电力供应方式正在快速转变。据美国能源情报署(EIA)称,在过去十年中,美国可再生能源发电量增加了一倍,其主要来自风能和太阳能装置。2019年1月,EIA预测风能、太阳能和其他非水电可再生能源将成为未来两年电力组合中增长最快的部分。但这些能源的间歇性供应意味着电力公用事业需要在太阳没有照射或风平静时将能量储存起来,这种需求使人们对储能技术尤其是锂离子电池的研发日渐增长。

目前,美国几个州的公用事业公司正在增加能够持续2~4小时的锂离子电池,锂离子电池可能成为未来5~10年的主导技术,并有望能够存储4~8小时的能量。要达到可再生能源和能源储存满足发电基线负荷的水平,需要更长时间的储能,意味着锂离子电池可能不再适用。目前,科研人员考虑通过潜在方法如液体电解质的流电池、氢燃料电池、抽水蓄能水电以及重力储存等来解决这一现实问题。