當前全球面臨的許多巨大挑戰：氣候變化、能源枯竭、糧食生產、生命健康等，世界經濟論壇評選的2021年“十大新興技術”中主要圍繞當前全球面臨的主要問題展開，這十項技術都有望深刻改變人類的未來。

科技改變未來

氣候變化：新能源技術

減少碳排放

國際社會為應對全球氣候變化作出的全面承諾將進一步催生新技術。二氧化碳作為溫室效應的罪魁禍首，各個國家和行業一直在為減少碳排放作出積極的努力。美國、英國、歐盟等主要發達國家以及中國、印度等發展中大國向國際社會作出承諾，實現到2030年碳排放總量大幅下降。

為了實現承諾，加速新能源產業的發展在全球範圍內勢在必行，這也將催生一系列多樣化的 新能源技術“出現”，並且以更快的速度加速孵化，提高落地效率。以下幾個領域將獲得重大關注和增長：氫能源技術，包括氫燃料電池和“綠色”氫燃料、光伏、風能、水電、潮汐、核能和其它零排放技術都將獲得更多支援。

同時，農業及食品領域還將進一步發展人造肉（Impossible Burger、Beyond Meat）等蛋白質替代品的市場供應。透過物聯網連線的感測器資料將越來越多地支援土地、作物、肥料、灌溉用水等智慧化管理，這些都將有助於進一步減少碳排放。

農業：肥料自供給作物培育

升級農作物

磷肥為世界糧食作為的主要肥料，磷肥的製備很大程度上依賴於含氮工業肥料的使用。據聯合國糧食及農業組織稱，全球每年需要約1.1億噸氮來維持全球作物生產。而氮肥通常是透過將空氣中的氮轉化為氨來生產的，含氨肥料維持了全球大約 50% 的糧食生產，而製備含氨肥料的過程將消耗世界主要能源需求的1%，工業化過程排放的二氧化碳佔全球碳排放量的 1% 到 2%。

為了降低這部分的碳排放量，研究人員正在透過自然方法中獲取製造氮肥的解決方案。例如，玉米、穀物等主要糧食作物依賴土壤中的無機氮，豆科植物的根與土壤細菌相互作用，形成根瘤，透過細菌固氮的能力將大氣中的氮轉化為氨，這些自然固氮方法給了研究人員很大的啟發。

目前，發達國家政府和社會資本的投入為工程固氮領域的研究和開發提供了強有力的支援， 未來利用自然共生力量的作物可能很快就會成為更可持續糧食生產的關鍵要素。

生物化學：呼吸檢測診斷疾病

呼吸生物樣本檢測

新技術將推動人體呼氣的檢測方式進行疾病診斷，這種取樣方式遠比抽血要節省時間。 採用新技術進行生物檢測類似於警察查酒駕的酒精呼吸分析儀，未來疾病診斷也可以採取這樣的方式。

人體的呼吸中含有 800 多種化合物，最近的研究表明人體撥出的氣體含有的不同化合物濃度與疾病之間存在很強的相關性。例如，丙酮濃度升高是糖尿病的強烈跡象，一氧化氮濃度升高 可以作為呼吸系統疾病的生物檢測標識；各種醛類指標升高說明患有肺癌的機率極大。

而且採用呼吸檢測的方式將會大幅減少檢測等待時間，通常僅需幾分鐘呼吸檢測感測器的資料透過外部計算機分析就可以生成檢測報告。

除了比抽血更快地出具結果之外，呼吸感測器採取的是非侵入的檢測方式，在醫療資源有限的國家，它的易用性、便攜性和成本效益將提供更好的醫療保障。呼吸檢測還有助於減輕社群的病毒傳播，其方式類似於在進入超市或餐館等公共空間之前對個人進行體溫檢查的方式。

2020 年3 月，以色列的科研人員已經完成了探索性臨床應用，採用呼吸檢測的方式檢測新冠病毒（COVID）檢測結果達到95% 準確度和100%靈敏度。目前該項技術正在進行廣泛的臨床試驗，但距離全面普及尚需技術進一步成熟。

醫藥工程：按需藥物製造

私人訂製藥品

如果您去藥房時，藥劑師不是透過預製藥物的方式來填寫您的處方，而是按照您的診斷情況 採用量身定製的方式配製最符合您體徵的藥物，這聽起來是不是很神奇？

由於藥品的特殊性，傳統上藥物生產都集中在具備資質的廠商，透過大批次生產的方式完成。藥物的成分和劑量都是標準化的，不可能為個人定製成分和劑量不同的藥物。然而微流體和按需藥物製造的最新技術有望使這一想法成為現實。

按需藥品製造，也稱為連續流程藥品製造，可以一次性完成藥品生產。它的工作原理是將藥品成分透過流體方式輸入小型合成裝置，由合成裝置按照要求調配成分，可以實現為患者量身定製所需藥品。

而這項技術更大的意義是，可以在偏遠地區或野戰醫院進行部署，隨時根據需求生產藥品。這也意味著儲存和運輸藥物所需的資源更少，而且劑量可以針對個別患者量身定製。

2016 年，美國麻省理工與國防高階研究計劃局（DARPA），已經成功研發了一臺冰箱大小的藥品合成裝置，並在24 小時內製備了1000劑常用藥物：鹽酸苯海拉明，用於緩解過敏症狀；地西泮，用於治療焦慮和肌肉痙攣；抗抑鬱藥鹽酸氟西汀；區域性麻醉劑鹽酸利多卡因。

目前用於按需藥物製造的行動式裝置成本在數百萬美元，阻礙了廣泛推廣。而且還需要新的質量保證和質量控制標準來規範配方的個性化和單人藥品製備。但是，隨著成本的下降和監管框架的完善，未來藥物按需製造將會為藥品行業帶來顛覆性的變革。

資訊傳輸：5G物聯網發展

無線充電

如今構成物聯網 (IoT) 無線裝置已經成為網路世界的支柱。物聯網無線裝置被部署為家庭中的生活工具、生物醫學的可穿戴裝置以及危險和難以到達區域的感測器。隨著物聯網的發展，它將更廣泛應用於農業節水灌溉和農藥噴灑、智慧電網、橋樑或混凝土基礎設施缺陷監測、泥石流和地震等災害的預警。

預計到2025年，全球將有400億臺物聯網裝置上線，為這些裝置提供便捷的按需供電是一項新挑戰。5G 無線訊號比4G傳輸會發射更多的輻射能量，這就預示著許多低功耗無線裝置將永遠不需要插入的方式供電。

目前科研人員成功採集從Wi-Fi路由器以及微波射頻裝置的輻射能量為低功耗物聯網裝置供電，這項新興技術將把輻射能量收集提升到一個新的水平，為物聯網裝置大量部署提供了能源解決方案。

生命科學：基因組編碼技術

長生不老

未來生命科學將更加專注於增加“健康壽命”，而不僅僅是壽命。

據世界衛生組織的資料，2015 年至 2050 年間，全球 60 歲以上人口的比例將從 12% 增加到 22%。老年痴呆、癌症、糖尿病、動脈硬化等慢性疾病對老年人的健康和社會發展構成了巨大挑戰，逆轉衰老或尋找“青春之泉”一直是人類的願望。

科研人員透過基因組編碼技術，量化所有基因活性、細胞中蛋白質和代謝物的濃度，結合遺傳學研究，已經越加清晰人類衰老的關鍵機制，科研人員已經發現人體的生物學年齡的識別符號是人體疾病和死亡風險的關鍵預測指標。

最近科研人員透過對人體衰老機制的不斷理解，積極推動了靶向治療的發展。例如，最近的一項初步臨床研究表明，服用包括人類生長激素在內的藥物混合物一年，可使人體“生物鐘”倒轉1.5 年。科學家們還發現將年輕人類血液中的蛋白質注入老年小白鼠時，可以改善與年齡相關的大腦功能障礙。結果表明，透過科學的方式可以逆轉人類與年齡相關的認知能力下降等疾病。

目前透過基因工程的方法來分析和設計，加之政府和醫療資本的大力推動下，全球已有100 多家公司研發的藥物進入臨床前階段或早期臨床試驗階段。這項新技術讓人類越發的有希望對抗衰老，甚至挑戰“生命的終極課題---死亡”。

化學：綠色氨製造

綠色氫氣製造

工業規模合成氨可以說是 20 世紀最重要的發明之一。氨用於生產肥料，為全球 50% 的糧食生產提供燃料，使其成為全球糧食安全的關鍵。然而，氨合成是一種能源密集型化學過程，需要催化劑來用氫氣固定氮。

氫氣必須合成生產，目前使用化石燃料、天然氣、煤或石油在高溫下蒸餾以產生氫氣。問題是，這個過程會產生大量的二氧化碳，佔全球總排放量的 1% 到 2%。

使用可再生能源分解水產生的綠色氫氣有望改變這種狀況。除了消除制氫過程中的碳排放外，該方式還能製備更純淨氫氣，且不含使用化石燃料時摻入的化學物質，例如含有硫和砷的化合物，這些化合物會“毒化”催化劑，從而降低反應效率。

更清潔的氫氣也意味著可以開發出更優質的催化劑，而且不再需要忍受化石燃料中的有毒化學物質。目前，丹麥的公司已經宣佈開發出用於綠色氨生產的新型催化劑。

目前綠色氫氣製造的主要障礙是高成本。為了解決這個問題歐洲能源企業啟動了科技創新研發，旨在2030年之前以每公斤1.5歐元的價格提供綠色氫氣。

生物資訊學：無線生物標記裝置

生物標記檢測

對慢性病的連續、無創監測，一直是醫學界的期望。好訊息是無線、行動式和可穿戴監測感測器將很快得到臨床應用。監測器使用多種方法來檢測汗液、眼淚、尿液或血液中的生物標誌物，可穿戴監測感測器使用光或低功率電磁輻射（類似於手機或智慧手錶）監測慢性疾病。

例如，電子隱形眼鏡可以透過眼淚，獲取癌症生物標誌物或血糖水平以進行糖尿病監測；具有射頻識別技術的護齒器唾液感測器可以監測唾液生物標誌物對口腔潰瘍、呼吸系統炎症、HIV、腸道感染、癌症和COVID進行預警。

材料科學：3D 列印房屋

3D 印表機建造房屋

根據聯合國的估計，使用 3D 印表機建造房屋可以幫助解決全球16億人住房不足的挑戰。

3D 列印房的概念並不新鮮，靈感來源於火星移民的專案，因為火星沒有建造房屋所需的大 部分材料。將混凝土、沙子、塑膠、粘合劑等混合物透過大型 3D 印表機列印，可以作為一種相對簡單和低成本的建造方法，似乎非常適合緩解偏遠貧困地區的住房問題。

航天工程：天基物聯網

天基物聯網

如今，至少有 100 億個有源裝置構成了物聯網 (IoT)，預計未來 10 年這一數字將翻一番。 為了最大限度地發揮物聯網在通訊和自動化方面的優勢，需要將裝置分佈在全球範圍內，收集資料。資料在雲資料中心被處理，使用人工智慧來識別資料異常從而為人類提供預警。例如氣候異常和自然災害。但問題是：地面蜂窩網路覆蓋的面積不到全球的一半，在連線方面留下了巨大的空隙。

天基物聯網系統可以使用距離地球數百公里的低成本、低重量（不到 10 公斤）奈米衛星網路彌補這些空隙。1998年發射第一顆奈米衛星到今天，大約有 2000 顆奈米衛星用作軌道監視。SpaceX Starlink、OneWeb、Amazon 和 Telesat 等公司已將奈米衛星用於提供全球網際網路覆蓋。

太空物聯網建設仍然面臨著眾多挑戰。例如，奈米衛星的壽命相對較短，約為兩年，必須得到昂貴的地面基礎設施支援。為了應對軌道太空垃圾日益嚴重的問題，國際航天機構正在計劃在衛星功能壽命結束時自動脫離軌道或使用其他航天器收集它們。