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　　一、人工智能和機器人(人工智能和機器人)

　　1.增強現實

　　增強現實(AR)是指在我們對現實世界的感知上疊加計算機生成的圖像(甚至聲音)。從技術角度來看，AR是一個巨大的挑戰，因為用戶可以用它從多個角度了解三維環境。實現AR的基礎是虛擬投影和現實世界的融合。AR的專業應用是交互手冊，為操作機器的人提供現場指導。最新的研究領域是人類醫學。醫生在手術過程中使用AR技術，會大大減少在手術室的時間。事實證明，AR可以通過向截肢者展示他們運動的虛擬實時模型，幫助他們改善康復計劃，使他們能夠自我糾正。

　　2.自動化室內農業。

　　在高放射性地區，人們總是擔心傳統種植的產品可能含有放射性墜塵；這可能會給缺水地區和沙漠地區的蔬菜種植帶來挑戰。所以室內工廠化養殖得到了普及。室內自動耕作在人工智能系統的指導下，機器可以執行傳統的農業任務，如育苗、補種和收獲，包括畜牧業。從長遠來看，農業可能會完全自動化，首先在缺乏人力資源和極端條件的地區，然后推廣到全球。這可能會對飲食文化、可持續性、社會結構和就業產生顛覆性的影響。

　　3.區塊鏈

　　區塊鏈是一種允許互不相識的人組織網絡以保存可信記錄的技術。區塊鏈也是比特幣等加密貨幣的核心技術。區塊鏈可能通過構建一個去中心化的網絡，為所有可能的交易提供一個中立、公平的結果。企業將區塊鏈技術視為提高自身業務可追溯性的機會。區塊鏈技術可以保存不可變的記錄，沒有任何麻煩和感染的風險，網絡上的任何人都可以隨時驗證這些記錄，可以用來增加工作的透明度。公共組織和企業相信區塊鏈是未來誠實管理的基礎。

　　4.聊天機器人

　　聊天機器人是一種計算機程序，可以通過書面文字或現場音頻與人實時交談。傳統上，聊天機器人遵循一套預定義的規則和腳本來查找特定的單詞，并為預定義的問題提供預定義的答案，這通常會導致用戶體驗不佳。較新的聊天機器人由人工智能技術提供動力，這使它們在用戶輸入方面更加靈活，并模糊了聊天機器人與Siri、Cortana或谷歌助手等虛擬助手之間的界限。

　　隨著聊天機器人在理解和回應用戶問題方面變得越來越好，它可能會進化并成為主流。未來的聊天機器人可能會帶來豐富的會話用戶界面，使用戶可以自然地與計算機、智能手機和機器人進行交互。

　　5.計算創造力。

　　計算機可以創造原創藝術、創意和解決方案，看起來就像出現在大型藝術博覽會上的作品。制作這些作品的半自主人工智能系統得到了設計師的支持，但新的途徑、新的解決方案和新的想法是利用高處理能力來確定的，沒有先入為主的限制。

　　人工智能將在未來發揮越來越重要的作用。除了完成機械任務，還能增強人類探索和解決問題的能力。下一個前沿是使用復雜的機器學習技術設計全新的策略，這些技術仍然在挑戰人類的想象力。

　　6.無人駕駛的

　　無人駕駛技術廣泛應用的主要障礙之一是傳感器的相對成本和復雜性，因此需要花費大量精力來尋找感知世界的新方法。從界面設計的角度來看，無人駕駛汽車出乎意料的復雜，創造完全自主的無人駕駛汽車的過程還在繼續。然而，盡管有大量的跨國資源致力于這項技術的開發，但其前景并不像許多人最初認為的那樣令人印象深刻。從長遠來看，無人駕駛成為常態的社會將發生范式轉變。擁有私家車可能對許多人不再有吸引力，交通工具將成為一種商品，無論是通過陸路、航空還是海路。很難想象一個行業不會受到無人駕駛汽車的影響，所以政府應該確保立法和技術的和諧發展。

　　7.外骨骼(外骨骼)

　　外骨骼是一種體外人工結構，旨在補償或增強自然的身體能力。它被放在人體上作為增強或恢復人體機械性能的放大器。外骨骼最成熟的應用是醫療領域，它將幫助患者從癱瘓、多發性硬化癥、腦癱和其他衰弱性疾病中康復。外骨骼可能會逐漸被老年人廣泛使用。新的工業設備可能更接近骨骼，從而提高人的意識和身體運動的整合。然而，在不久的將來，可能只會看到輔助/支持有限的輕型軍用外骨骼設備。

　　8.超光譜成像(超光譜成像)

　　高光譜成像在安全、國防、環境監測和農業方面有著廣泛的應用前景。傳統的數碼攝影只捕捉三種波長的光，從藍色到綠色，再到紅色。超光譜成像可以產生數百種波長的圖像。這些圖像可以用來確定在任何成像場景中發現的物質，有點像遠程光譜學。

　　高光譜成像可以提供比常規成像系統更詳細的數據，目前仍處于起步階段。高光譜機器視覺的應用存在一定的局限性，關鍵因素是傳輸速度，成本和信息處理方式也是高光譜成像應用的障礙，但將最新的高光譜成像引擎技術與機器學習算法相結合有望解決這些問題。

　　9.語音識別

　　第一個商業上成功的語音識別技術可以追溯到1990年，但是隨著計算能力和新算法的發展，語音識別取得了驚人的進步。研究人員做了一個低功耗的自動語音識別專用芯片，功耗效率是手機多功能芯片的100倍。新的語音處理器支持立體聲AEC(聲學回聲消除)和遠場線性麥克風陣列，專為支持語音的智能電視、條形揚聲器、機頂盒和數字媒體而設計。即使在復雜的聲學環境中，也可以從整個房間中準確捕捉命令，供基于云的語音識別系統處理。

　　語音識別和對話平臺有望成為十大戰略技術趨勢之一，語音搜索將占所有搜索的50%。從長遠來看，這種轉變使人們能夠與周圍的智能連接設備進行交互。隨著人工智能和自然語言處理技術變得越來越復雜，即使人們的語音命令沒有被清楚地表述，設備也將能夠理解用戶，然后預測他們的意圖。

　　10.群體智能

　　群體智能是指各種對象的集體行為，每個對象執行一些簡單的功能，并在此過程中與其他對象進行交互?；谶@一原則設計的信息系統通過自組織其所有元素以分散的方式管理該過程。群體智能系統的發展前景與無人駕駛汽車、分布式能源電網和搜救機器人的應用有關。

　　11.無人機(作戰無人機)

　　目前，無人機的研究主要集中在提高信息收集能力和使無人機更加精確。無人機必須自己導航，所以人們特別重視其感知能力。從導航到武器部署，所有無人機都通過根據傳感器數據建立內部地圖來進行操作，以允許其算法做出決定，并且在使用多波長激光從遠處分析物質的傳感器領域取得了廣泛的進展。這些傳感器是專門為無人機開發的，可以可靠地檢測爆炸物，并提供關鍵任務數據。DARPA開發的原型無人機系統使用完全自主的無人機，在飛行中可以過渡到中等高度的機翼飛行。該系統比傳統直升機具有更大范圍的監視和打擊能力。

　　無人機易于部署，已成為一種新型武器。假設一支完全不受人控制的自治軍隊作戰，向全世界發出了一個任何人都無法改變的加密命令。為了應對這種威脅，反無人機技術已經多樣化，如被稱為“猛禽”的戰斗機F-22和干擾技術，防御性無人機也可能出現，用于獵殺其他無人機。

　　12.人工智能(人工智能)

　　卷積神經網絡一直是深度學習的支柱。在計算機視覺方面，有一些設計創新(包括膠囊網絡和欺騙網絡)，帶來了新的前景和新的挑戰。未來幾十年，機器學習、計算機視覺、自然語言處理和機器人技術的進步和創新將重塑整個科學和經濟學領域。人工智能軟件和硬件基礎設施的未來發展可能會導致無監督學習和一些通用人工智能的初始形式。這就需要一個超級智能的系統，不僅在專業應用領域，而且在廣泛的領域和環境中，能夠自我進化，超越人類。

　　13.全息圖(全息圖)

　　全息圖是以激光為光源，全景相機將物體記錄在高分辨率全息膠片上，以干涉條紋的形式存在的畫面。全息圖是一種三維圖像，與傳統照片有很大不同。物理學家丹尼斯·加博爾于1948年發明了光學全息圖。從技術上講，全息圖是波場的三維記錄，全息圖像可以根據觀看者的相對位置實現三維感知和變化，仿佛所展示的物體是真實的。聲全息技術起源于20世紀60年代，是光學全息技術的產物，涉及到邊界處聲輻射引起的聲場的重建。

　　最近的研究重點包括3D全息顯示、聲學全息圖、可觸摸全息圖、全息顯微鏡和打印機。聲學全息圖是在3D打印的超材料矩陣的幫助下生成的，它以復雜的方式扭曲來自單一來源的聲波，并將其轉換為聲學全息圖。這項技術既省時又便宜。最近的進展表明，聲學全息圖可以大大改善超聲成像和醫療選擇。未來，3D全息顯示器可以提高動態圖像的保真度。觀眾不需要佩戴任何3D眼鏡或VR頭枕。通過在整個設備表面嵌入柔性和超薄薄膜，智能手機和日常設備將能夠彈出3D全息圖，屏幕大小無關緊要。此外，如果觸覺全息圖真的能夠發揮作用，我們將會看到全息界面和設備之間一種新的交互方式， 并且為虛擬現實體驗增加了新的維度。

　　14.人形機器人(人形機器人)

　　人形機器人是一種在外形和特征設計上與人類相似的機器。因為人形機器人被期望盡可能地與人類相似，所以許多項目側重于直接模仿。柔性被認為是一種特殊類型的運動問題，近年來取得了一些進展，使機器人的肢體接近人類。當機器需要完成與人類相同的一般任務時，仿人機器人具有明顯的優勢。DARPA組織了一次機器人挑戰賽，以了解人形機器人在災難場景中的表現，包括開門、操作水龍頭甚至接聽電話。

　　仿人機器人是一個長期方向和短期方向完全不同的研究領域。目前人形動物建造成本高，部署繁瑣。但是，一旦人形機器人達到一定的性能水平，大眾的接受程度就會發生根本的變化。一個廉價、可靠、安全、低功耗的人形機器人將很快成為標準的機器人平臺，成為從軍事到娛樂甚至家庭的各種應用。

　　15.神經系統科學

　　神經科學仍然局限于基礎研究，研究的最終目的是發現創造力和想象力是如何工作的。在早期，我試圖找到一種方法來測量、預測和系統地影響想象力，想象力被視為創造性思維的基礎和人類進步的核心。創造性神經科學將使人們不僅能夠感知，而且能夠預測和系統地影響他們的想象力。

　　想象力研究所(賓夕法尼亞大學積極心理學中心的非營利組織)的神經科學家和心理學家通過量化一個人的想象力，提供了一種標準化的測試方法，而不是傳統的以智商為導向的測試方法。更長期的期望是，創造力的神經科學將使我們不僅能夠測量，而且能夠預測和影響我們的想象力。

　　16.精準農業

　　精準農業依賴于最新的信息和技術，如GPS、衛星圖像、控制系統、傳感器、機器人、變速技術、遠程信息技術、軟件等。在作物生長周期(整地、播種和收獲)內改良作物。在精準農業中，通過傳感器和農場管理軟件/硬件，在現有的網絡/互聯網基礎設施上進行檢測和遠程控制。例如，農民現在可以使用基于云的無人駕駛拖拉機平臺，該平臺與拖拉機自動化套件集成，成為一個即插即用的系統，可以自動控制谷物車拖拉機，并在收獲季節幫助農民。在該系統中，聯合收割機操作人員在田間設定分段卸糧位置，調整速度，監控位置，并指令運糧車與聯合收割機準確同步速度和方向。

　　未來的農場可能不再需要人力來種植作物，自主機器人已經被用來執行播種、照料作物和收割等任務。這些機器人不受人為錯誤的影響，可以適應現場條件，從而最大限度地提高產量，大大減少時間，提高效率。

　　17.軟機器人

　　柔性機器人是機器人的一個子領域，它使用模仿生物體的材料來制造機器。柔性機器人在其他方面與生物相似，突出了移動和適應環境不斷變化的物理結構的能力。機器人被稱為“柔性”，其靈活性和適應性比剛性材料制造的機器人更加突出。一個研究小組開發了一種軟機器人，其執行器類似于肌肉，由硅橡膠制成，由氣壓驅動?？茖W家已經開發出一種自動設計軟致動器的方法。他們用硅橡膠設計了一個柔軟的機器人，在單一壓力源的驅動下，它可以像食指一樣彎曲，像拇指一樣扭曲。

　　從長遠來看，在醫療和個人機器人領域，柔性機器人將實現與人類安全、兼容的交互。在小范圍內，微型柔性機器人有望在藥物輸送和外科手術等醫療應用中提供幫助。對于野外勘探和災難救援，柔性機器人可以在復雜的地形中導航，并穿透狹窄的空間。柔性機器人將進一步幫助食品加工和農業實現高度自動化并降低成本。

　　18.無接觸手勢識別。

　　非接觸式手勢識別構成了自然的用戶界面，極大地改變了人類與日常技術的交互方式。手勢識別和分析可以收集到很多關于速度、動作、情緒反應的數據，這些數據可以轉化為對用戶的精準理解。

　　超聲波手勢感知的基本原理類似于蝙蝠和海豚使用的回聲定位系統。聲納系統發射超聲波，這是聽不見的信號。這些信號被用戶的手、頭或身體反射，然后被麥克風捕獲，并由時間照明算法編譯。最新的超聲波技術使用聲學微機電系統(MEMS)，如現有智能手機中的麥克風和揚聲器，或包含壓電換能器的專用超聲波收發器。

　　非接觸式手勢識別構成了一個自然的用戶界面(NUI)，它改變了我們與日常技術的交互方式。它需要的只是我們自然移動和懸停的手和手指向附近的設備發送命令，如電話、計算機、可穿戴設備、游戲和VR控制臺、娛樂系統、機器人和家用電器。非接觸式接口還可以增強專業設備，例如醫療或軍事設備。也將徹底改變媒體、傳播、零售、娛樂等依賴消費者深度參與的領域。

　　19.氣墊汽車

　　隨著汽車保有量的增加，交通擁堵已經成為一個世界性難題。因此，開發一種小型、安全、低沖擊的個人飛行汽車一直是人們的夢想。如今，傳感器、儲能、電機和人工智能的快速發展，讓飛行汽車接近現實。因此，智慧城市正準備部署個人自動駕駛車輛，希望解決交通問題。

　　目前大部分交通方式都集中在中短途運輸，因此城市將成為飛行汽車產品的主要目標。如果飛行汽車能夠成功使用，它們將開始影響城市基礎設施的發展。從長遠來看，整個城市可能會根據飛行汽車常用的場景進行規劃調整。

　　第二，人機交互&仿生學。

　　20.神經形態學芯片

　　神經形態學技術將是高性能計算的下一個發展階段，可以大大提高數據處理能力和機器學習能力。神經形態芯片將神經網絡的工作原理蝕刻到硅中，能效可以達到傳統中央處理器的數百倍。神經形態芯片非常節能，適用于移動設備、車輛和工業設備。

　　2018年，英特爾宣布了一款神經形態芯片，使用該芯片的設備可以識別網絡攝像頭拍攝的圖片中的物體，該芯片集成了該領域的許多新功能，例如分層連接、樹突隔間、突觸延遲，以及最重要的可編程突觸學習規則。

　　神經形態芯片的發展可以促進人工智能系統的發展，人工智能系統具有特定的用途，如物體識別、語音和手勢識別、情感分析、健康分析和機器人運動。通過合理的電源控制，它們可以成為各種交互設備的關鍵組件，從玩具到人形機器人。

　　21.仿生學(醫學)

　　“仿生學”通常用于醫學領域，描述使用機械來替代或增強各種身體部位。人造和仿生的器官和肢體不同于普通的假肢，它們的設計盡可能接近被替代的身體部分的原有功能。

　　目前這項技術應用于外骨骼、上肢和內臟，主要用于幫助受傷的病人。例如，仿生外骨骼可以增強人類的自然運動系統，使用戶跑得更容易/更快。

　　未來仿生學的目標是“將生物與機器融為一體”。這種方法將產生生物和機械部分結合成“機器人”混合系統。仿生器官將增強生物功能，使人跑得更快，看得更遠，聽得更好，活得更久，甚至思考得更好。

　　22.大腦功能圖。

　　大腦不僅有數量驚人的神經元和連接，而且是異構的，估計有500個不同的部分通過非常密集的網絡連接。腦功能圖譜技術發展迅速，為治療神經系統疾病、理解認知和在人工環境中復制認知奠定了基礎。

　　神經元之間的通信是基于神經元之間的電活動。目前，為了更好地繪制這些通信路徑，科學家們正在開發可記錄電極，可以記錄各種條件下的這種電活動，并使用計算機來解讀收集到的信息。

　　從長遠來看，深入了解大腦在生理和病理條件下的功能將為確定疾病的原因、治療干預和預防策略提供重要信息。此外，大腦解碼的進步有力地支持了腦機接口和大腦模擬技術的發展。

　　23.腦機接口。

　　腦機接口是大腦與外部設備之間的直接通信通道。它不僅可以收集大腦的信息，還可以將信息輸入大腦，從而與環境進行交互。增強和更復雜的是“雙向”腦機接口，它記錄大腦活動并將刺激傳輸到神經系統。腦機接口領域的研究目標之一是通過人機共生提高執行復雜任務(如駕駛戰斗機)的效率。腦信號刺激的研究進展可能開啟一個新的腦-腦通信時代。從中期來看，不可能交流復雜的思想，但腦對腦的交流可以使人們不斷分享感受、情緒和精神狀態。

　　24.情感識別

　　情感識別一直是通過將先進的圖像處理算法應用于人臉圖像(或視頻)來檢測情感。情感識別的主要方向還是“讀”面部表情。一些研究人員開發了一種使用AI算法的芯片，可以通過實時分析人臉圖像來識別八種情緒。情感分析也是繼面部表情之后新的技術突破。將機器人學習算法應用于書面文本，可以檢測我們表達的積極或消極態度。目前，智能手機可以告訴你你的感受，并提供相應的內容、交流或應用建議。智能設備是我們當前的現實，但“移情設備”可能是未來。

　　情感識別可以徹底改變營銷人員設計廣告的方式，不依賴個人直覺或主觀想法，針對不同的目標群體，科學嚴謹地測試每一個想法。情緒識別通過捕捉微表情，檢測細微的情緒變化，有利于執法。在醫療護理中，它可以用來幫助監測和診斷情緒障礙患者。

　　25.智能紋身

　　智能紋身又稱紙皮膚、電子皮膚或電子紋身，由可穿戴的表皮皮膚電極組成，可以實時感知各種環境刺激(壓力、觸摸或接近)和生理數據(心率、呼吸、血液酒精和氧含量、肌肉活動和情緒)。它是一個綜合傳感平臺，將為無法獲得醫療服務的地區的病人提供交互式遠程醫療和治療系統支持。未來，柔性有機光學傳感器可以直接層壓在器官上，以監測手術期間和手術后的血氧水平。智能紋身還將幫助中風或腦損傷患者恢復，以改善肌肉控制或截肢者移動假肢。

　　26.人造突觸/大腦

　　法國國家科學研究中心的研究人員設計了一種所謂的“記憶電阻器”，這是一種直接在計算機芯片上實現的人工突觸。這種突觸可以自我學習，為設備建模，這對開發更復雜的電路非常重要。在未來，這些技術將成為設計計算機機器的重要組成部分。在模擬生物神經網絡的情況下更是如此，需要進一步的探索和研究來利用大腦的力量或者模仿大腦的結構。模擬生物神經網絡可以提高效率，對于擁有大量連接的超級計算機，它將獲得更強大的計算能力。

　　3.電子與計算

　　27.柔性電子設備。

　　柔性電子是一種可彎曲或可伸縮的電子電路，晶體管、顯示器、電池、傳感器等元件都具有這些特性。靈活性不僅可以實現更復雜的設計，還可以實現新的應用，如可穿戴設備、電子紋身或基于電子電路的直接3D打印的潛在低成本解決方案。核心技術是薄膜電子，柔性電子器件應用于顯示器制造、傳感器、能量存儲/轉換、醫療、環境監測、人機交互等領域。

　　研究人員開發了一種柔性壓力傳感器，即使在雙彎曲的情況下也能保持精度。醫療和生物工程應用將受益于真正靈活/可擴展的傳感器，這將徹底改變大腦植入物?？梢宰屛覀兊拇竽X和電腦進行無縫交流。

　　柔性電子是動態的，有許多應用場景。研究人員認為，這項技術將為人們帶來智能面料、可拉伸屏幕、柔性智能手機、可以拉伸到更大尺寸的超薄平板電腦、可以戴在手腕上的健康傳感器，或者將壁紙墻變成巨大的屏幕。

　　28.納米發光二極管

　　發光二極管(LED)是一種雙引線半導體光源器件，具有將電轉化為光的能力。與傳統的鎢絲燈泡相比，LED燈的主要特點是不發熱。此外，LED只需要普通燈泡所需能量的一小部分，不含有毒金屬(如熒光燈泡中使用的汞)。

　　LED顯示器通過液晶顯示器將圖像顯示為像素?；诩{米棒的多功能LED可以發光和探測光，刷新率比標準LED快3倍?；诩{米棒的發光二極管可以響應激光筆。

　　納米半導體用于生物學、計算機、醫學和照明。Nano-LED可以使用少量的能量產生更寬的光波長范圍，為顯示器提供更溫暖、更明亮的顏色。從長遠來看，這種可以發光和檢測光線的新型LED陣列可以幫助用戶通過非接觸式手勢控制智能設備，并用環境光為其充電。

　　29.碳納米管(碳納米管)

　　碳納米管是直徑為納米的碳基管狀材料。這些管狀碳分子的特殊性使它們在納米技術、電子、光學和其他材料科學中具有價值。

　　硅一直是這些領域的首選材料，但其主導地位可能會在未來受到新化合物的挑戰，許多研究人員將這一希望寄托在碳納米管上。除了用于筆記本電腦和智能手機的更快、更高效的芯片，纖薄但功能強大的處理器還可以支持新技術，如柔性計算機和可注射微芯片，或者可以針對人類癌癥的納米機器。

　　30.計算內存

　　“內存計算”或“計算內存”是一個新概念，它利用存儲設備的物理特性來存儲和處理信息。這與馮諾依曼系統和設備的現狀不同，如標準的臺式電腦、筆記本電腦甚至手機，它們在內存和計算單元之間來回穿梭數據，因此速度更慢，能效更低。

　　目前，IBM的科學家已經演示了“一種無監督的機器學習算法，它運行在一百萬臺PCM設備上，并成功地在未知數據流中找到時間相關性。與最先進的經典計算機相比，這項技術有望將速度和能效提高200倍。

　　內存驅動計算是一種無限靈活和可擴展的架構，可以比傳統系統消耗更少的能量更快地完成計算任務。隨著數據量的快速增長，其重要性與日俱增，這將為大規?？山M合基礎設施的數據處理提供解決方案。

　　31.石墨烯晶體管

　　石墨烯被稱為新型納米材料，具有良好的導電性和穩定的化學性質，是世界上最強的材料。它由碳原子組成，這些碳原子以二維六邊形模式密集排列?；谑┚w管的電路可以解決硅晶體管的處理速度限制。他們將微處理器的時鐘速度提高了數千倍，同時需要硅基計算機1%的功率。

　　石墨烯晶體管和芯片使計算機變得更小更快。這些多功能材料為超薄附件和智能生物醫學傳感器帶來了廣闊的前景。

　　32.高精度時鐘

　　在很多應用場景下，時間要求精度很高。例如，4D成像需要高精度的時鐘來提供亞原子區域的結構圖像。期望光學時鐘或原子鐘在時間測量和標準化方面提供更高的精度。這使得它適用于多種應用場景，并且可以節省大量能量。量子邏輯鐘前景廣闊，新型原子鐘將需要突破更多的基礎研究。

　　33.納米線

　　納米線的尺寸以納米為單位。它們也可以被描述為寬度為幾十納米或更小且長度不受限制的納米結構。納米線的可重復性、可調節性和表面特性為納米醫學提供了新的方法。由于用于制造納米線的材料種類繁多且具有迷人的特性，納米線最近已成為納米電子學、光電子學和分子級化學和生物傳感的重要基石。納米線可以與微通道集成，提供從宏觀到納米的路徑，使研究人員能夠檢測和分析目標分子，如DNA、RNA和蛋白質。納米線的直徑非常小，可以用作探針尖端。此外，可以基于納米線制造柔性納米電子支架， 這有望創造出能夠檢測化學和電學變化的傳感皮膚。納米線也可能對建筑和汽車工業產生重大影響。

　　34.光電子學

　　光電子學是光子學的一個分支，致力于將電子和光結合起來傳輸數據。對光電子學的進一步研究將為開發許多不同的光電子器件開辟道路。5D光學數據的存儲過程包括改變熔融應時的光學特性，利用超快(飛秒)激光寫入技術創建3D納米尺度的信息記錄。這些記錄(“納米光柵”)由三層納米點組成，每層存儲一位信息。存儲支架是一種改進的玻璃板，對氣候條件更耐用，化學穩定性更好。額外的容量允許存儲高達360TB的數據，約為50Gb藍光光盤容量的7000倍。熱穩定性高達1000 ℃, 并且在室溫下的使用壽命幾乎是無限的。5D數據存儲將很快成為擁有大量歷史檔案的組織的寶貴資產，預計在未來五年內將由行業合作伙伴實現商業化。預計幾年后，目前主要用于高端軍事裝備的光量子芯片將用于數據中心。集成光量子研究的進展將徹底改變光量子技術，同時保持與現有半導體芯片技術的兼容性。

　　35.量子計算機

　　量子計算機(QC)基于量子比特(稱為量子比特)工作，量子比特可以表示為0、1或者量子力學規定的這兩種狀態的任意量子疊加。雖然很多公司聲稱生產量子計算機和量子編譯器，但目前的技術并沒有為量子計算機的制造提供成熟的解決方案，第一個原型只能操作特定的問題。

　　目前，研究工作致力于創造量子硬件來解決具體問題。然而，要實現一臺可以運行所有現有代碼的通用量子計算機，還需要更多的研究。為了使量子計算機更加有效、穩定和廉價，必須做大量的研究工作，必須解決與量子相干性和低溫操作有關的問題。

　　36.量子密碼術

　　無論個人通信、電子商務還是網上銀行交易，通過互聯網交換的機密信息都必須得到保護，以防止黑客通過加密使用被稱為密鑰的數字密碼。量子密鑰分發位于量子密碼學的核心，它利用量子粒子(電子和光子)在兩方之間安全地建立共享密鑰。量子密鑰分發系統利用了量子力學中的一個基本原理:觀察量子粒子會自動改變其特性。所以總是可以檢測到量子粒子是否被觀測到，說明安全漏洞。如果發生這種情況，密鑰將被丟棄，另一個密鑰將被發送，直到雙方確定沒有其他人觀察到該密鑰。

　　2017年9月，科學家通過在北京和維也納之間演示世界上首個使用量子加密的洲際視頻會議，實現了一個技術里程碑。由于技術原因，之前量子通信僅限于幾百公里，但2016年發射的中國衛星墨子號打破了這一限制。上海與距其2000公里的地區之間裝有光纖通信設備，與地面500公里以上的軌道進行通信。這個基礎設施是世界上第一個天地之間的量子網絡。中國是量子技術的全球領導者，目標是在2030年建立全球量子網絡。雖然未來量子技術的應用仍然有限，但量子密鑰很可能被用于保護極其敏感和關鍵的數據。

　　37.自旋電子學

　　自旋電子學是一個新的研究領域，它研究電子自旋對電導率的影響。傳統的電子設備是基于在電路中分流電子。自旋電流是電流的自旋電子學等價物。與電流不同，自旋可以在靜止的電子之間轉移，它們可以在沒有實際移動電子的情況下流動。自旋電子學包括“研究電子(更一般地說，原子核)自旋在固態物理學中的作用”。

　　電子自旋可以用來轉換電能、光能、聲能、振動能和熱能。這種在不同能量形式之間切換的能力可以應用于各種設備。自旋電子學的一個潛在應用是允許聲音向一個方向而不是另一個方向流動的音頻設備。

　　四、生物跨學科(Biohybrids)

　　38.生物可降解傳感器。

　　可生物降解電子器件是一類壽命有限的電子元器件，可以通過水解或生化反應。該裝置可用作醫用植入物，用于臨時體內傳感、藥物輸送、組織工程、微流體等。通過生物或化學過程自然降解的材料通常用于食品和藥品包裝?？山到獾碾娮赢a品可以使設備更加智能，例如溫度或化學監測。

　　目前，電子產品的壽命可能只有幾個月，廢棄電子產品的生態影響令人擔憂。使用可生物降解或有機電子材料可以解決這個問題。這種材料為完全可生物降解、生物相容和可生物降解的電子產品開辟了道路。這些設備可能在其生命周期結束時溶解，這一方面將抑制電子廢物的產生，另一方面使醫療植入物的發展成為可能。

　　39.芯片實驗室

　　芯片實驗室將化學分析等實驗室功能集成到一個微小的設備中。膿毒癥的快速檢測是目前芯片實驗室中一個非常重要的應用。因為診斷不及時，病人會得敗血癥，每一分鐘對于抗生素治療都非常重要。目前，正在開發一種芯片實驗室系統，用于分析患者的血液樣本，以檢測可能導致敗血癥的微生物，減少抗生素的不當使用。芯片實驗室技術有望通過更好更快的診斷提高醫療水平，尤其是在醫療基礎設施落后的地區。同時，這項技術可以讓患者在監測自身健康方面發揮更積極的作用。

　　40.分子識別

　　分子識別可以看作是對分子間相互作用的研究。從醫學的角度來說，分子識別決定了一個化合物是否具有臨床性質。用于基于分子識別的生物傳感應用的納米材料對于臨床條件尤其重要，其中識別成分可以是酶、DNA、RNA、催化抗體、適體和標記的生物分子。

　　目前，分子識別技術已不同程度地應用于便攜式設備診斷、電反應診斷和藥物篩選。從長遠來看，分子識別是構建生命過程的基石之一。作為一個發展中的領域，它將徹底改變醫學。

　　41.生物電子學。

　　生物電子學是利用生物材料或生物建筑來設計和制造信息處理機器及相關設備的技術。該領域將生物燃料電池、仿生學和生物材料用于信息處理、信息存儲、電子元件和致動器。該研究領域的重要方向是生物材料與小型電子器件的互補和相互作用。

　　研究人員為新的傳感器、致動器和信息處理系統開發受生物啟發的材料和硬件架構。該領域的其他用途還包括原子級別的分子制造以及生物器官和電子設備之間更好的連接，這些都可能推動人類在假肢、人機一體化和仿生學等領域的進步。它還將為健康建模、監測和細胞發育研究開辟新的前景。

　　作為一種存儲介質，合成DNA比大多數當代尖端替代品重要數百萬倍。另一方面，活體存儲系統不僅可以用來存儲數據，還可以用來記錄人體細胞、組織或工程器官中的事件和過程。

　　42.生物信息學

　　生物信息學是一個新的研究領域，它融合了生物學、數學和計算機科學的方法、技術和數據。它的目標是開發新的工具來提取和分析生物有機體的數據。生物信息學的使用包括識別候選基因和核苷酸，目的是更好地了解遺傳基礎、獨特的適應性、理想特征或疾病群體之間的差異。

　　目前生物信息學的主要進展在生物雜交領域，生物雜交通常是指人工成分與至少一種生物成分的結合。這種技術可以應用到很多領域，從健康到納米技術、機器人甚至消費品(比如生鮮農產品)。生物雜交技術也將應用于未來的機器人，這將使機器人的移動更加精確，這將使機器人得到廣泛應用。同時，通過將該技術與生物學相結合，可以復制組織或器官，從而幫助人們更好地了解人體生理學或設計新的藥物和給藥方式。

　　43.工廠通信

　　植物交流是指植物與其他生物之間的交流，無論是相同或不同類型的植物、土壤和昆蟲，還是更復雜的生物。目前，一些研究團隊正在探索利用植物作為傳感器的方法。深入研究植物通訊可能具有潛在的應用前景。

　　五、生物醫學(生物醫學)

　　44.基因編輯

　　基因編輯又稱“基因組工程”，是將DNA插入、刪除、修改或替換到生物體基因組中的工具。通常的編輯方法是通過工程核酸酶(分子剪刀)在基因組的靶點產生雙鏈斷裂。這些斷裂的雙鏈通過非同源末端界面或同源重組進行修復，結果就是定向突變。

　　目前，基因編輯已經在基因工程領域產生了一場革命。雖然它是基于細菌，但它適用于幾乎所有的活細胞和有機體。為艾滋病、癌癥、遺傳性疾病的防治提供了新的可能，也為動植物育種提供了新的可能。

　　基因編輯將進入許多不同的應用領域，其中大部分仍然無法預測。構思新用途需要很大的創造力，還需要考慮很多倫理和監管問題。

　　45.基因治療

　　基因治療重在基因突變，使其產生異常蛋白。除了突變，基因治療的基本原理是缺陷基因被治療性基因(也叫功能基因)替代或失活，治療性基因通過病毒或“裸DNA”進入人體。

　　使基因治療可行的技術能力正在擴大，但大規模采用基因治療的成熟度和復雜性仍有待觀察。此外，解決各種倫理困境也很重要。

　　46.抗生素敏感性測試。

　　抗生素耐藥性是世界上對人類健康最嚴重的風險之一，這意味著面臨許多挑戰，包括:感染預防、開發新的抗生素和替代方法來對抗感染、限制過度使用和確保有效治療。未來，一旦確定了感染原因，醫生將能夠當場決定是否使用合適的抗生素以及哪些抗生素最有效。

　　47.生物打印(生物打印)

　　生物打印是3D打印的一種特殊應用，利用聚合物或基因工程生物材料制造組織和器官，其中一些可以植入人體。生物打印的優勢在于材料具有更好的個體適應性和更少的副作用，包括植入排斥。

　　目前已經提出了3D打印系統，可以將活細胞打印成人類尺度的骨骼、肌肉、耳朵組織。由于以這種方式印刷的物品使用聚己內酯的生物相容性合成聚合物，它們的結構是穩定的。

　　未來，第一批3D打印的人體器官將進行無排斥移植，這不僅滿足了等待器官的患者的巨大需求，也滿足了希望替換自己有缺陷器官的患者的巨大需求。從長遠來看，“人體芯片”模型可能會生成各種類型的組織進行植入，從而利用患者自身體內的細胞來修復受損的器官。

　　48.基因表達的控制(基因表達的控制)

　　基因表達是利用基因的核苷酸序列指導蛋白質合成和產生各種細胞結構的過程。通過了解如何控制基因表達，科學家們希望了解每個基因在人類和動物發育中的作用。

　　早期研究通過發現胎兒對疾病的易感性，以某種方式操縱細胞，使未來的機體健康，從而推動輔助生殖和再生醫學領域的進步。

　　基因組的不穩定性和基因的改變促進了疾病的發展，加速了年齡相關的病理，促進了組織退化和器官衰竭。通過研究人體內基因表達的控制，可以預測人類衰老的程度和速度。在胚胎發育和多能干細胞生物學階段控制基因表達，可能會徹底改變輔助生殖和再生醫學。

　　49.藥物輸送

　　藥物遞送是指將治療劑或藥物化合物給予人或動物以達到治療效果的治療方法。給藥技術的進步通常是為了提高藥物的療效和吸收，減少其副作用。納米材料和新材料正在徹底改變這個領域。

　　提高藥物輸送能力會使藥物更快達到目標，副作用越來越少，必要時會停用或重新激活。通過將藥物嵌入正確類型的設備，它們還將為患者和治療師提供信息。這樣的治療方案通過減少患者住院時間，大大降低了治療成本。

　　50.表觀遺傳變化技術。

　　表觀遺傳技術是指基因功能的可遺傳變化，這些變化不需要改變DNA序列。雖然實驗表明，一些表觀遺傳變化是可逆的，但術語“表觀遺傳”包括在不改變DNA序列的情況下改變基因活性的過程，這導致了可以傳遞給子細胞的修飾。

　　目前，有一些證據表明，許多疾病和各種健康指標都與表觀遺傳機制有關，包括各種癌癥、認知功能障礙、呼吸系統、心血管、生殖、自身免疫和神經行為疾病。

　　對表觀遺傳機制的充分理解將有助于開發新的診斷方法、生物標志物和治療方法。從長遠來看，表觀遺傳技術的應用可能對人類產生不可改變的、持久的影響。它將影響人們的生活方式和其他領域，如食品和農業，尤其是健康。

　　51.基因疫苗(基因組疫苗)

　　基因疫苗是由DNA或RNA合成的非蛋白疫苗，能促進人體免疫力，防止傳染病的傳播。它是在基因治療技術的基礎上發展起來的。

　　DNA疫苗的前景非常穩定，便于大規模生產和運輸。當基因組疫苗成為常態時，它需要的免疫次數更少，因為它持續時間長，覆蓋的病原體范圍廣，并且容易適應后者的新突變形式。

　　52.微生物組

　　微生物無處不在，它們形成的微生物群對人體健康既有好處也有壞處。受早期接觸微生物和飲食等因素的影響，人與人之間的微生物組成存在很大差異。另外，人體的不同部位有不同的微生物群。雖然已知腸道細菌的組成會影響一些基因的活性，但這種情況是如何發生的仍有待證實。一項新的研究揭示了一種潛在的方式，即“好”腸道細菌可以控制人類基因活動，并可能有助于預防結直腸癌。

　　微生物學已成為醫學研究者的主要興趣。了解微生物組的多樣性，發現新的模式，可以更好地理解疾病的原因，以及為什么在某些情況下治療效果比其他情況下更好。大數據和新的計算工具將使微生物群體的宏基因組分析成為可能。

　　53.再生醫學

　　再生醫學是一個新的醫學領域，致力于尋找修復或替代因疾病、先天性問題或創傷而受損的細胞、組織甚至整個器官的方法。通過組織工程、干細胞的細胞療法以及人工培養的組織或器官。

　　再生醫學將致力于開發更可靠、更廉價的細胞分化、細胞培養和組織工程方法。未來，人類將在沒有外部支持基質的情況下制造組織和器官。

　　54.重新編程的人類細胞。

　　重編程人體細胞通常指由免疫系統基因重編程的白細胞或誘導多能干細胞，其外觀與胚胎干細胞相似。最近的研究證明，生物可降解納米粒子可以通過免疫細胞的遺傳編程，識別、消除或減緩小鼠模型中白血病的進展，并將免疫細胞保留在體內。誘導多能干細胞是可以從成體細胞直接產生的多能干細胞。就像胚胎中自然產生的干細胞一樣，它們可以成為任何其他類型的細胞，并發育成皮膚、神經、肌肉或幾乎任何其他類型的細胞。

　　55.靶向細胞死亡途徑。

　　癌癥是全世界人類死亡的主要原因之一。2012年，新增癌癥病例1400萬例，癌癥相關死亡820萬例。預計這些數字將在未來20年內翻一番。與目前的治療方法相比，針對引發不同類型細胞死亡的關鍵調控分子可能是一種更有效、毒性更小且不易產生耐藥性的方法。

　　識別新的細胞死亡機制，并試圖協同激活和控制多種細胞死亡途徑，是對抗癌癥的新方法，標志著癌癥治療有效性的巨大飛躍。同時有望緩解或解決困擾該領域的一些毒性和耐藥性問題。

　　六、印刷與材料(Printing & Materials)

　　56.2D材料(2D材料)

　　2D材料由原子薄層材料組成。目前，研究主要集中在由不同2D材料層組成的異質結的特性及其在光伏、半導體、集光器件和后硅電子領域的應用。通過了解2D材料的異質結構，充分發揮半導體結構的能力，為納米電路和可穿戴設備的發展鋪平道路。2D磁鐵可以解決最不可思議的科學問題，開啟超薄電腦時代。此外，2D材料在傳感和數據存儲方面也有潛在的應用前景。

　　57.食物的3D打印。

　　3D打印食品的商業化已經成為主流。目前來看，它真正的潛力可能在于食品領域。專業人士可以通過3D打印發明新的食物，并進行實驗。在醫療環境下，幫助進食有困難的人。

　　未來食品3D打印和原料可以按時生產，直接使用。幾乎所有的菜都可以“打印”出來，而不是煮熟。缺失的成分可以在需要的位置和時間以基礎粉的形式打印出來，品質和口感每次都保持不變，沒有偏差。食物的3D打印大大簡化了制作食物的過程，也幫助人們制作出更有營養、健康、有趣的食物。

　　58.玻璃的3D打印。

　　玻璃的獨特性質通過快速原型制造玻璃物體的前景一直吸引著人們的目光。玻璃3D打印的最新發展為玻璃零件的快速生產提供了解決方案。這種技術使用的是熔融玻璃，一旦打印完成，幾乎不需要后期處理。

　　玻璃是不可或缺的高性能材料，其獨特的功能使其應用于生物技術、光學、光子學和數據傳輸等領域。玻璃3D打印的進步為實驗室級別設備的制造鋪平了道路，也為內部生產帶來了便利，使技術人員能夠獲得更接近成品的結果。藝術表現也可以通過復雜幾何結構的實驗達到新的境界。

　　59.大型物體的3D打印。

　　無論產品設計的大小如何，3D打印技術的一個最大優勢是，制造商可以控制物體物理形態的每一個方面——物體的形狀可以通過專門的軟件進行優化。在不久的將來，不僅是小型設備，大型物體或超大型物體的主要部分都將能夠進行3D打印。大型物體可以通過特殊的設計軟件進行優化，使材料和功能適應環境要求。

　　60.4D印刷(4D印刷)

　　4D打印技術是指通過3D技術打印出的結構在外界刺激下可以改變其形狀或結構，將材料和結構的變形設計直接內置到材料中，簡化了從設計概念到實物的創造過程，使物體能夠自動組裝其構型，實現了產品設計、制造和裝配的一體化。如果4D印刷品受到刺激(熱、光、水、磁場)，它會隨著時間改變其形狀或性能。

　　4D打印的形狀記憶聚合物將極大地影響健康產業。4D打印還可以用于組織工程、生物材料的自組裝、用于化療的納米粒子和納米機器人的設計。在能源行業，形狀記憶材料未來將被用于太陽能電池板上，以制造檢測陽光并相應自動旋轉的傳感器。

　　61.水凝膠。

　　水凝膠是具有高吸收性(包含90%以上的水)的天然或合成聚合物。由于其高含水量，水凝膠“像天然組織一樣柔韌”。水凝膠通常用作分子和細胞物種的載體，可以總結細胞/組織發育過程中的動態信號。由于其仿生學，水凝膠是生物醫學應用的主要材料，如藥物輸送和干細胞治療。一般來說，水凝膠的制造需要前體材料之間的一系列化學反應和相互作用。

　　水凝膠在醫學領域有著廣闊的前景。在不久的將來，水凝膠將為急救工作提供基本支持，并使患者實現自我修復。隨著技術的進一步發展，愈合軟機器人將能夠接觸生物體的細胞，并在顯微和亞顯微水平上進行手術。

　　62.超穎物質

　　超材料是由幾個單獨的納米元素組成的人造部件。澳大利亞研究人員發現了納米材料的新特性，為制造熱光伏電池開辟了新的前景，這種電池可以在黑暗中收集熱量，并將其轉化為電能。該團隊使用金納米結構和氟化鎂創建了一種超材料，可以在精確的方向輻射熱量，并在特定的光譜范圍內發射輻射。在不久的將來，超材料將被用于制造超輕衛星天線、傳感器和光伏電池。在控制成本的情況下，超輕天線可以連接到衛星上，使其繞過有線的本地互聯網基礎設施。熱光伏電池可以在沒有陽光直射的情況下從紅外輻射中獲得能量， 它可以補充甚至取代太陽能電池，成為重要的可再生能源。超材料的高度可配置性將被用于制造抗損傷材料。例如，超材料制成的衣服會感知可能的損傷，并調整織物表面以保護穿著者。

　　63.自愈材料。

　　自愈合材料通過微損傷反應的修復/愈合機制來檢測降解。一般來說，這些材料是人工制造的，可以認為是“智能結構”。它們根據自己的綜合“感知”能力來適應各種環境。這項技術可以應用于任何領域，比如海上風力渦輪機，或者飛行中的飛機和衛星。

　　隨著技術的不斷發展，自愈合材料可以通過加水來修復破損的牛仔褲。當智能手表、筆記本電腦、手機被人為破壞時，它會自動修復顯示屏的裂縫。由于其自我修復特性，這些設備的電池也將具有更長的使用壽命。

　　七、打破資源邊界(Breaking Resource Boundaries)

　　64.生物塑料

　　生物塑料是指基于淀粉等天然物質的微生物生產的塑料。它是可再生的，所以非常環保。這些包括玉米、大米、土豆、棕櫚纖維、木薯、小麥纖維、木質纖維素和甘蔗渣。根據化學成分和生物基成分的百分比，生物塑料可能是可生物降解的。生物塑料用于不同的行業，如食品和飲料包裝、醫療保健、紡織、農業、汽車或電子。生物塑料的主要優勢是它們留下的能源足跡更小，產生的污染更少。歐盟自助項目正在研究一種可生物降解的尿布、一種可生物降解的生物活性美容面膜和一種納米結構的生物相容性無紡布。塞維利亞大學和韋爾瓦大學的研究人員用大豆蛋白開發了一種生物塑料， 其可生物降解且對環境友好，并且可以吸收其自身重量40倍的水。研究小組修改了大豆的分子結構，改變了其吸收特性，使其保留的水分比平時多3倍。通過將蛋白質的固體濃縮物注入模具，他們創造了試管并將其應用于園藝。由王新龍領導的一組研究人員開發了由可生物降解塑料制成的電子元件。開發的電子產品由一種來自玉米淀粉的生物塑料制成，稱為聚乳酸(PLA)。通過將金屬有機骨架納米顆粒與這種生物塑料混合，他們成功開發出具有機械、電氣和阻燃性能的材料，可用于電子產品。

　　塑料行業致力于開發新的方法，利用自然界中的天然原料生產生物塑料。生物塑料在許多不同領域有很高的需求，這種材料將有許多新的應用前景。

　　65.碳捕獲和封存(碳捕獲和封存)

　　碳是地球上生命的重要元素。人類活動產生的二氧化碳是導致氣候變化的主要溫室氣體之一。管理二氧化碳是我們這個時代最大的社會、經濟和政治挑戰之一。為了避免碳損失到大氣中，碳被收集和儲存，并在高二氧化碳排放源，如各種工業的煙囪和碳基發電廠進行處理?？諝獠都夹g可以去除環境中任何地方空氣中的碳，二氧化碳可以通過吸收和膜氣體分離技術從空氣或煙氣中分離出來。捕獲的二氧化碳或提取的碳可以以礦物形式儲存，因為它與金屬氧化物發生放熱反應。在其他情況下，可以通過管道輸送到其他地方使用，比如注入老油田開采石油。

　　空氣捕獲和碳存儲的結合可以實現雙重功能。碳捕獲和利用減少了由碳儲存引起的一些問題和成本。一旦減緩氣候變化的成本增加，碳捕獲技術可能會吸引汽車和飛機等分散碳源的注意。但是這些技術也非常昂貴，有一定的風險，實際效果還不清楚。

　　66.海水淡化

　　海水淡化是去除水中各種鹽分的過程。傳統上是通過蒸餾、電解、過濾來實現的。由于技術成本高、能耗大，目前他們只能將水分解，或使其達到沸點或冷凝，通過化學過濾清洗被污染的膜，實現海水淡化。新的實驗表明，海水淡化可以通過使用各種形式的石墨烯(一種原子厚度的等間距碳原子層)來實現。氧化石墨烯薄膜的孔徑大小可以精確控制，普通的鹽可以從水中篩選出來，可以放心飲用。

　　精密過濾技術的發展對全球經濟和生態系統影響巨大，對發達國家和新興市場的社會水平影響巨大。精密過濾技術將通過提高廢水工業過濾的能效來降低成本，使工業參與者更愿意降低其企業的生態影響。

　　67.地球工程和氣候工程。

　　地球工程關注的是整個景觀的變化，比如中國的人工湖和三峽大壩工程。其他典型的例子有改變河床，建造有山的人工島和日本的關西機場。氣候工程主要包括兩種，消除溫室氣體和管理太陽輻射。最近，減少溫室氣體排放和社會承受氣候變化能力的問題備受關注。未來，地球工程和氣候工程需要在全球范圍內進行治理和監督。

　　68.超回路

　　超級高鐵是目前正在發展的一種交通系統。它是一種以“真空鋼管運輸”為理論核心的運輸工具。具有超高速、高安全性、低能耗、低噪音、少污染的特點。它將使用加壓吊艙運載乘客，也可以用真空鋼管運載貨物。吊艙由直線電機通過隧道或管道(低壓環境)逐漸加速。吊艙通過磁懸浮快速上升到軌道上方，由于空氣阻力小，實現了超高速滑行。

　　超級高鐵可以幫助緩解交通壓力，不受交通事故和天氣因素的影響，帶來穩定可靠的通勤體驗。

　　69.吃塑料的蟲子

　　聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)是世界上最常見的制成品之一，也是不可生物降解的。隨著這些塑料垃圾在我們周圍的堆積，已經造成了嚴重的環境問題。由于將PET轉化為油是一個復雜的過程，科學家們開始尋找代謝或消化這些物質的方法，并將它們轉化為可生物降解的產品。日本研究人員通過分析從土壤和廢水中收集的以寵物塑料碎片為食的細菌，發現了這一物種，并將其命名為Ideonella sakaiensis。好像這種細菌只吃寵物，只用兩種酶就能分解。

　　最近的研究發現，塑料食蟲動物可以快速降解塑料垃圾，甚至成為天然肥料來滋養土壤，大大減少城市污染。

　　70.二氧化碳的分解(分解二氧化碳)

　　二氧化碳是一種廢氣，一種積聚在大氣中的溫室氣體，直接導致全球氣候變化。目前，不同的碳捕獲和儲存方法正被用來減少大氣中二氧化碳的含量，從而減少其影響?，F在需要做的不是儲存，而是通過分離和從儲存場所分離二氧化碳，直接利用二氧化碳。

　　科學家們正在尋找將二氧化碳分解并轉化為燃料的方法。具體來說，他們正在開發新的廉價催化劑材料。同時，將這種技術與可再生能源裝置相結合，可以降低大氣中的二氧化碳含量，直接將太陽能儲存為液體燃料。

　　71.備災技術。

　　隨著自然災害的日益增多，許多沿海城市的洪水風險也明顯增加，因此自然災害引發的環境危機值得關注，災害預測技術也是研究方向。預防地震、海嘯、火山爆發和泥石流等自然災害非常重要。此外，應急系統、救援機器人、救援系統和公民信息系統也需要不斷完善。一方面是情境預防，另一方面是技術突破。

　　備災的關鍵方面是社會復原力，即一個面臨危險的社會及時有效地抵御、吸收、適應和恢復的能力。需要在不斷變化的環境中采用不同的方法，而不是修復系統以前的狀態。技術本身對社會韌性的貢獻微乎其微，這主要取決于社會結構的能力。應對復雜性和不確定性的能力成為新的挑戰，這意味著要為未來的任何意外情況做好準備。

　　72.水下生活

　　人類在水下生活的想法被認為是人類未來潛在的重要部分，它是對地球表面因人口過?；驗碾y而不適于居住這一事實的替代。自20世紀60年代初以來，各國就開始設計和建造水下棲息地。由法國海洋建筑師Jacques Rougerie設計的水上勘探平臺“Seaorbiter”正在逐步成型，這是世界上第一艘垂直遠洋船。英國設計師菲爾·波利(Phil Pauley)發布了一項海底設施的設計計劃，該設施被稱為“亞生物圈2號”。這個海底設施有八個棲息地。朱爾斯海底旅館(Jules undersea lodge)海底旅館位于美國佛羅里達州基拉戈島。它建于1986年，是美國最早的水下酒店。

　　由于陸地上住房空間的稀缺，越來越多的沿海土地被開發用于居住。預計第一批海底棲息地將位于海岸附近，為越來越多的人提供生活條件，并在氣候變化導致海平面上升時使用。

　　73.廢水養分回收。

　　廢水營養物回收是從廢水流中回收氮、磷等營養物，轉化為環境友好型肥料，用于生態和農業用途。營養物回收是廢水處理領域的一個突出發展方向。生物技術、再利用和再循環技術帶來了各種經濟、環境和社會效益，有助于降低成本、節約能源、保護環境和改善客戶服務。人們正試圖開發更多的技術來從廢水中回收不同的資源。資源越稀缺，恢復投資就越大。廢水作為資源的大規模利用將是一個真正的突破。

　　74.小行星采礦

　　小行星采礦是從圍繞太陽運行的相對較小且密度較大的天體(小行星)中提取有價值物質的過程。隨著地球礦產資源的枯竭，一些重要的物質在地球上會越來越難開采，小行星會提供重要物質的儲備。其中有些值得運回地球，如金、銥、銀、鋨、鈀、鉑、錸、銠、釕或鎢。其他材料可用于太空建筑，如鐵、鈷、錳、鉬、鎳、鋁或鈦。一家加州公司展示了一種用于小行星探索的小型低成本航天器。該計劃是為航天器配備儀器，以收集小行星構成和“挖掘能力”的數據。印度正計劃開始在月球的南邊探索核材料。

　　八、能源(Energy)

　　75.生物體之發光

　　生物發光是指在實驗室中，生物體發光或生物體的提取物發光的現象。生物發光需要稱為熒光素和氧氣的分子，它們相互反應時會產生光。生物發光存在于一些昆蟲、真菌、細菌和海洋動物中。研究人員目前正在嘗試將生物發光技術應用于生物學、醫學和光生產。他們試圖將生物發光轉移到不同的生物體，如細菌，植物或哺乳動物，以更好地了解不同的生理過程，并開發新的成像和研究技術。與此同時，研究人員正在開發新的光源，以減少目前全球的能源消耗。

　　76.能量采集

　　能量收集是一種使用能量收集器從周圍環境獲取能量的技術。雖然收集的能量并不大，但由于這種小型能源產生的功率遠小于大型設備，如應用于大熱源熱電裝置的太陽能電池板，因此收集的能量足以滿足無線、遙感、人體植入、射頻識別和可穿戴設備的大部分應用。捕獲環境能量的技術包括:設計從振動和變形中提取能量的機械裝置；用于從溫度變化中提取能量的熱力裝置；從光、無線電波和其他形式的輻射中獲取能量的輻射能裝置；和使用生化反應的電化學裝置。

　　一些研究人員已經證明了從活體動物心臟獲取生物力學能量并將其用于無線電數據傳輸的可行性。美國陸軍研究實驗室的科學家開發了一種納米電鍍鋁基粉末，它與水結合產生化學反應產生氫氣，可用于為燃料電池提供動力。這種合成材料會自發地將水分解成氫氣。在測試過程中，他們還觀察到，當尿液作為水源時，化學反應的發生速度是水的兩倍。

　　高效的能量收集技術可以確保各種系統的最低維護，并為周圍環境中可用的物質提供動力。

　　77.收集甲烷水合物。

　　甲烷水合物是水分子和甲烷在低溫高壓下形成的冰狀物質，只天然存在于地下沉積物中。對于依賴進口天然氣、煤炭和石油來滿足其大部分能源需求的國家來說，甲烷水合物沉積物是未來一種有前途的能源。

　　大多數天然氣水合物礦床位于海面以下，只有鉆井平臺和深海鉆井船才能到達。由于甲烷不穩定且易燃，甲烷泄漏到空氣中會造成更多的溫室效應，這是風險技術之一。目前，還沒有可用的技術來大規模收集這種能量。

　　78.氫燃料

　　氫氣的重力能量密度約為化石燃料的三倍，非常適合內燃機使用。氫氣在大氣中放熱燃燒，釋放出水、過氧化氫和少量氮氧化物。氫作為燃料在氫燃料電池(電化學電池)中，氫與氧反應產生電子流，電子流可以作為電流收集在外部電路中。因此，氫燃料電池是碳基燃料的替代能源，對環境沒有影響。

　　目前，國際上有一個研究小組利用光敏蛋白摻雜二氧化鈦光催化劑從水中制氫。當光觸媒溶于水，在陽光下與鉑混合，就會釋放出氫氣。研究小組還觀察到白光下有非常高的產氫量，發現當大量碳氫化合物被微波爐激活時，會迅速釋放出大量氫氣。

　　伯克利實驗室的研究人員使用石墨烯片來嵌入鎂納米晶體。鎂納米晶體不受氧氣、濕氣和污染物的影響，同時允許氫分子通過。這些涂有石墨烯的鎂晶體充當氫氣的“海綿”，提供了一種安全的吸收和儲存氫氣的方法。

　　79.海洋和潮汐發電技術。

　　海洋為人類提供了大量的可再生能源。最先進的潮流和海洋面臨著相當大的障礙。在不同的前瞻性調查中，海洋能源可以大規模收集能量，值得我們關注。

　　歐盟采取了一系列政策措施，以確保海洋能源技術在短期內具有成本競爭力。為了收集大量的能量，開發波浪能似乎是最有效的方法。從長遠來看，新發電機技術收集的能量也會增加。

　　80.微生物燃料電池

　　微生物燃料電池是通過微生物將有機物中的化學能直接轉化為電能的裝置。像任何標準燃料電池一樣，微生物燃料電池由被質子交換膜隔開的陽極室和陰極室組成。細菌生長繁殖形成致密的細胞聚集體(生物膜)，附著在微生物燃料電池的陽極上。作為一種活性生物催化劑，細菌取代了昂貴的過渡金屬催化劑，并通過氧化有機底物產生二氧化碳、質子和電子。質子通過微生物燃料電池傳導到陰極室，電子通過外電路從陽極流向陰極，從而產生電能。

　　細菌普遍存在于空氣、土壤、植物、藻類、動物和灰塵中，也存在于城市、制造業和農業廢物中。廢物可以通過微生物燃料電池轉化為清潔能源。由于微生物燃料電池的低效率和高成本，微生物燃料電池技術仍處于發展階段。

　　微生物燃料電池最大的優點是通過處理廢物和清潔能源來減少環境污染。該技術仍面臨障礙，大規模的研究工作不可避免。

　　81.熔鹽反應堆

　　熔鹽反應堆是利用溶解有易裂變物質并處于熔融狀態的熔鹽作為核燃料的反應堆。它是熔融鹽的混合物，以非常熱的氯化物或氟化物的形式存在。液態熔鹽既可以用作產生熱量的燃料，也可以用作將熱量傳遞給發電機的冷卻劑。理論上，這使得汽水分離再熱器的設計比使用固體燃料和水冷卻劑的常規核反應堆更簡單、更安全。

　　美國橡樹嶺國家實驗室在20世紀50年代和60年代開發了熔鹽反應堆，但在70年代由于一些非技術原因而暫停。隨著材料和備件技術的發展，液體氟化釷反應堆的研發有所恢復，包括法國、美國、印度和中國在內的世界各國都在開展液體氟化釷反應堆的研究和設計，特別是日本核電事故后，各方關注度有所提高。

　　熔鹽反應堆的支持者聲稱它們本質上是安全的、可持續的和高效的。與傳統反應堆不同的是，固體燃料棒的熔化會導致不受控制的裂變，產生災難性的影響。熔鹽反應堆按照設計熔化。此外，研究表明，釷基熔鹽反應堆技術可以熱燃燒放射性廢物，從而緩解核儲存問題。

　　中國投資220億元在甘肅武威建設兩座熔鹽核反應堆原型。這些反應堆被設計為熔鹽反應堆技術的試驗臺，目前正在接受測試。以釷為主要燃料具有重要的經濟意義，中國擁有世界上最大的釷儲量。

　　在尋求清潔高效能源的過程中，熔鹽堆面臨著可再生能源和聚變堆等新興技術的競爭。

　　82.智能窗口(智能窗口)

　　智能窗可以將太陽能轉化為電能，在玻璃板之間調節進入室內的能量，使室內溫度保持在合適的范圍內，既提高了生活質量，又降低了能耗。智能窗是由玻璃或其他透明材料和調光材料組成的調光智能裝置。在一定的物理條件下(如光照、電場、溫度)，這種裝置會發生顯色或褪色反應，改變其顏色狀態，從而選擇性地吸收或反射外界熱輻射，阻止內部熱擴散，從而調節光強和室內溫度，達到節能的目的。

　　目前，一些大型辦公樓和其他玻璃外墻的大型建筑可以利用陽光獲取能源，這將降低建筑的能源成本和企業的碳足跡。智能窗一旦開始量產，對于“智能家居”的設計就非常重要。

　　83.熱電涂料

　　熱電將溫差轉化為電壓，反之亦然。但是熱電材料必須作為熱源應用到物體上才能達到發電的效果。熱點涂層通常用于平面物體，傳統的熱電設計在這些情況下效率低下。目前，柔性熱電材料已經在可穿戴設備和其他產品上顯示出良好的效果，并且也產生了額外的設計/效率限制，而液體或粘膠材料對于所有類型的物體表面都是理想的。

　　熱電涂層可以利用任何熱源發電，也可以保護內部空間免受外部熱輻射，從而減少額外的冷卻要求。未來可以在建筑物或車輛表面使用熱電涂層，從而節省大量能源。

　　84.水分解

　　水分解是將水的化學成分分解成氫和氧的組成元素的過程。這個轉化過程對清潔能源意義重大。水分解可以為氫氣的廣泛使用鋪平道路，氫氣不僅是零排放燃料，而且可以大規模有效儲存。水分解技術將改善可再生能源的獲取。目前實現水分解的方法很多，但技術復雜，效率不高，實施成本非常昂貴。

　　水分解技術可能會改變人們看待能源生產和消費的方式。利用太陽能電池板或風力渦輪機的動力可以很容易地生產氫氣，這將大大減少人類活動的碳足跡。此外，氫氣可以大量儲存，這可以顯著提高現有技術的效率..

　　85.機載風力渦輪機

　　在當今社會為了跟上消耗速度而對更清潔、更廉價的能源的競爭中，利用風能等取之不盡的資源似乎是一個新的方向。與傳統的地面渦輪機相比，空中風能系統通常要小得多，使用的材料也少，而且更容易移動和部署到孤立的定居點或遭受自然災害的偏遠地區。與傳統風力發電相比，產生空中風能的成本要高得多。即使相關測試成功，第一個功能系統的商業化也可能需要5年甚至更長時間。

　　86.鋁基能源。

　　作為現有技術的補充和可能的替代，目前大部分研究使用鋁來發電和儲能。鋁是地殼中含量最豐富的金屬。鋁材質輕且堅韌，能源行業將從鋰材料轉向鋁，鋁在生產充電電池等存儲系統方面優勢明顯。除了在建造輕質結構中的重要作用，鋁還可以用于開發新的更高效的光伏電池或熱系統。

　　鋁電池是鋰離子電池替代競爭的有力候選者，在了解鋁與各種化合物相互作用的電化學性質方面將不斷取得科學進展。

　　87.人工光合作用。

　　人工光合作用是模擬光合作用的自然過程，將陽光、水和二氧化碳轉化為碳水化合物和氧氣的化學過程。在燃料消耗和二氧化碳含量的背景下，既能降低二氧化碳含量又能發電的人工光合作用是該領域的研究重點。人工光合作用成本低，大大減少了化石燃料的使用和需求。

　　九、社會領域的重大創新突破(激進的社會創新突破)

　　88.合作創新空間。

　　轉移知識和創新的新形式正在出現。通常是一群技術嫻熟的技術人員聚集在一起，稱為“創客空間”、“黑客空間”或者“創新實驗室”，大家可以在這里交流分享。協同創新空間可以出現在任何地方，包括學校、圖書館和社區中心。不同的地方提供不同的資源，從3D打印機到合成生物學。十年來，創客空間風靡全球，用戶舉報活躍空間近1400個，是2006年的14倍。在東京，創客文化與該市3D打印和數字制造服務的興起交織在一起。在美國，尤其是圖書館，通過將它們轉變為創客空間，強化了它們作為社區中心的作用。

　　89.游戲化(游戲化)

　　游戲化是在非游戲背景下，應用游戲設計元素和游戲原理，提高用戶參與、組織、學習、眾包、招募和評價。越來越多的年輕人玩虛擬游戲并習慣了這種訓練，越來越多的公司開始了游戲化項目。學習游戲已經在企業中得到應用，企業對學習游戲的投入越來越大。在線學習也部分采用基于游戲的學習形式。汗學院是一個教育非營利組織，由孟加拉裔美國人薩爾曼·汗創立。其主要目的是利用網絡電影進行免費授課。目前已有數學、歷史、金融、物理、化學、生物、天文等學科的教學片2000多部。它的使命是加快所有年齡段學生的學習速度。目前， 在美國已經有一個特定的聯盟用游戲來促進健康。成年人和兒童的體育活動率急劇下降，游戲公司支持全國性的體育教育活動。這波浪潮始于WII Fit游戲，它通過使用智能手表、手環或手機來監測健康數據。

　　90.基于訪問/共享的經濟。

　　互聯網的興起從根本上降低了合作的成本。在線社交網絡的使用極大地促進了分享信息和數字產品的意愿，音樂和書籍等越來越多商品的數字化擴大了分享的可能性。

　　分享是一種互利的社會行為，有助于擴大享受共享資源利益的圈子?；ヂ摼W使得分享新的實踐成為可能。大多數人認為這種協調各種動機的價值創造形式特別適合解決復雜的社會問題。

　　91.讀寫文化:多元化的信息守門人。

　　通過社交媒體，人們不僅可以分享，還可以操縱、轉換和生成視頻博客和在線直播等數字內容。哲學家勞倫斯·萊辛稱之為“讀/寫文化”而非“只讀文化”，即信息或產品由“專業”來源提供給被動的消費者。

　　公共話語具有越來越矛盾的信息特征，“真理”越來越有爭議，對信息的信任正在被侵蝕。在互聯網上，故事以創新的方式被無休止地復制、改變、混合、回收和重組。由于知識產權之爭，音樂行業受損嚴重，傳媒、娛樂、教育等其他行業正在發生快速變化。

　　92.重塑教育。

　　獲取新知識的結構在制度層面發生了變化。提供培訓和學習新平臺和方法的參與者數量呈指數級增長，而且不再局限于正規教育機構。參與教育活動的參與者越來越多樣化，這為人們在人生的不同時期提供了許多新的培訓和再培訓機會。越來越多的技術和軟件公司正在創建實踐培訓平臺。

　　93.自我量化(身體2.0和量化的自我)

　　自我量化是通過收集日常生活各方面的數據，鼓勵用戶更好地了解自己。早期的概念是人本計算，可以追溯到20世紀70年代。當時已經有了通過可穿戴傳感器對人體行為和生理信息的研究。量化自我意味著通過可穿戴設備、智能手機應用程序或獨立傳感器對人體進行永久監測，以及對個人身體功能的幾乎醫療監測。

　　94.無車城市

　　目前，至少有七個汽車依存度較高的大城市開始實施無車日，越來越多的城市開始在一些街區淘汰汽車，如成都、哥本哈根、漢堡、赫爾辛基、馬德里、米蘭和巴黎。無車城市主要依靠公共交通，步行或騎自行車在市區內運輸。無車城市大大減少了對石油、空氣污染、溫室氣體排放、車禍、噪音污染和交通擁堵的依賴。國內外越來越多的城市開始淘汰汽車。許多國家和城市甚至頒布了新的法律來加速這一趨勢。

　　95.新的記者網絡。

　　記者為了特定的目標一起工作，揭示新聞的真相，為各種全球事件尋找證據。他們在全球范圍內與報社記者或自由職業者合作。新記者網節約資源，采用新的方式傳播消息，尋找證據。

　　96.當地美食圈。

　　食品圈的工作重點是促進安全和本地種植的食品消費，這將鼓勵可持續農業，幫助農民和發展農村地區。這意味著我們必須徹底改變我們參與種植和消費食物的方式。

　　全球工業化的食品體系引起了人們對食品安全、健康以及社會和生態可持續性的關注。在美國和歐洲，地區支持的農業項目正在蓬勃發展，食品消費者可以直接與農民建立聯系，并在農貿市場購買產品。

　　97.擁有和共享健康數據。

　　大型數據庫由不同的機構、公司和組織托管，其數據具有不同的聚合規模。在瑞士，新的數據所有權模式是以合作的形式組織的。個人健康數據變得越來越有價值。在保證數據安全的前提下，可以用于研究，個人可以通過提供數據直接受益。

　　98.替代貨幣。

　　替代貨幣可以是數字(通常稱為加密貨幣)或非數字貨幣。隨著信用卡和加密貨幣的使用越來越多，全球越來越多的無現金交易被用于支付任何類型的服務或產品。金融交易是通過雙方之間的信息傳遞(通常是貨幣的電子表示)進行的，而不需要實物紙幣或硬幣形式的貨幣。交易的計算可以用加密貨幣進行。歐洲和其他一些國家正在討論是否放棄現金交易。

　　99.基本收入

　　保證最低收入或“基本收入”是一種社會福利制度，旨在確保公民或家庭能夠有足夠的生活收入?；臼杖胧侵刚疄樗泄裉峁┫嗤氖杖?，以滿足人們的基本生活條件。有了基本收入，人們可以投資科學、醫療、教育等領域。在芬蘭，公民無論就業與否，都能獲得基本收入。這項為期兩年的計劃將為2000名年齡在25歲至58歲之間的失業公民提供每月560歐元(581.48美元)的基本收入。

　　100.生命緩存

　　生活緩存是指收集、存儲和展示一個人生活的全部細節，供私人使用或供朋友、家人甚至全世界閱讀。數百萬人正在數字化索引他們的思想、情感、圖片和視頻剪輯；他們大多以新的方式上網，并在日常生活中公開虛擬緩存。生活緩存的主要目的是保存記憶。