面向未來的顛覆性技術創(chuàng)新（一）

編者按：

在研發(fā)和創(chuàng)新相關政策規(guī)劃時，及時了解掌握能夠對全球科技和經(jīng)濟發(fā)展具有重大影響的技術突破顯得尤為重要。歐盟委員會（EUROPEAN COMMISSION）發(fā)布《面向未來的100項重大創(chuàng)新突破》（100 Radical Innovation Breakthroughs for the future）報告，為所有關心科學、技術和創(chuàng)新決策的人們提供了戰(zhàn)略資源。該報告通過對最新科學技術文獻的大規(guī)模文本挖掘，結合專家的咨詢評論，篩選了100項可能對全球經(jīng)濟產(chǎn)生重大影響的顛覆性技術，為歐盟未來研究與創(chuàng)新政策的可能優(yōu)先事項提供參考。本文就其主要內(nèi)容進行摘編。

一、人工智能和機器人（Artificial Intelligence and Robots）

1. 增強現(xiàn)實（Augmented Reality）

增強現(xiàn)實（AR）指將計算機生成的圖像（甚至聲音）疊加在我們對現(xiàn)實世界的感知上。從技術角度來看，AR是一個巨大的挑戰(zhàn)，因為用戶可以利用它從多角度理解三維環(huán)境。實現(xiàn)AR的基礎是虛擬投影與現(xiàn)實世界的集成。AR的專業(yè)應用是交互式手冊，為操作機器的人提供現(xiàn)場指導。最新的研究領域是人類醫(yī)學。醫(yī)生們在手術過程中使用AR技術，將大大減少在手術室的時間。已有研究證明，AR可以幫助截肢患者，通過向患者展示自己運動的虛擬實時模型來改進康復方案，使他們能夠自我糾正。

2. 室內(nèi)自動耕作（Automated Indoor Farming）

在具有高放射性地區(qū)，人們總擔心傳統(tǒng)種植的產(chǎn)品可能含有放射性沉降物；在缺乏水資源和沙漠地區(qū)可能會給蔬菜種植帶來挑戰(zhàn)。因此，在室內(nèi)進行工廠化養(yǎng)殖得到推廣。室內(nèi)自動耕作在人工智能系統(tǒng)的指導下，機器可以執(zhí)行傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)任務，如育苗、再植和收獲，也包括畜牧業(yè)。從長遠來看，農(nóng)業(yè)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(qū)實現(xiàn)，然后推廣至全球。這可能對食品文化、可持續(xù)性、社會結構以及就業(yè)等領域產(chǎn)生顛覆性影響。

3. 區(qū)塊鏈（Blockchain）

區(qū)塊鏈是一種允許互不相識的人組織網(wǎng)絡來保存可信記錄的技術。區(qū)塊鏈也是比特幣等加密貨幣的核心技術。區(qū)塊鏈可能會通過建設去中心化網(wǎng)絡，為所有可能的交易提供一個中立和公平的結果。企業(yè)將區(qū)塊鏈技術視為提高自身業(yè)務可追溯性的機會。區(qū)塊鏈技術可以保存不可變記錄，沒有任何麻煩或感染的風險，網(wǎng)絡上的任何人都可以隨時對其進行驗證，可以用來增加工作的透明度。公共團體和企業(yè)認為區(qū)塊鏈是未來誠信經(jīng)營的基礎設施。

4. 聊天機器人（Chatbots）

聊天機器人是一種通過書面文字或現(xiàn)場音頻與人進行實時對話的計算機程序。傳統(tǒng)上，聊天機器人遵循一組預定義的規(guī)則和腳本，查找特定的單詞并為預定義的問題提供預定義的答案，這種模式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，使得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Google Assistant等虛擬助手之間的界限。

隨著聊天機器人在理解和響應用戶問題方面越來越好，它可能會不斷進化并成為主流。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、智能手機和機器人等進行交互。

5. 計算創(chuàng)造力（Computational Creativity）

計算機能夠創(chuàng)造出原創(chuàng)性的藝術、創(chuàng)意和解決方案，它們看起來像在大型藝術博覽會上出現(xiàn)的作品一樣。制作這些作品的半自主人工智能系統(tǒng)由設計師支持，但通過沒有先入為主的限制和使用較高的處理能力來確定新的途徑、新的解決方案和新的想法。

人工智能在未來將扮演越來越重要的角色，除了完成機械任務外，還可以增強人類的探索和解決問題的能力。下一個前沿領域是使用復雜的機器學習技術設計全新的策略，這些策略迄今仍在挑戰(zhàn)人類的想象力。

6. 無人駕駛（Driverless）

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，因此需要花費大量的精力來尋找感知世界的新方法。從界面設計的角度來看，無人駕駛車輛出人意料的復雜，創(chuàng)造完全自主無人駕駛汽車的進程仍在繼續(xù)。然而，盡管有大量的跨國資源致力于開發(fā)這項技術，但其前景并不像許多人最初認為的那樣可觀。從長遠來看，無人駕駛成為常態(tài)社會將發(fā)生范式轉變，擁有私家車可能不再對很多人有吸引力，無論是陸運、空運還是海運，運輸都將成為一種商品。很難想象某個行業(yè)不會受到無人駕駛汽車的影響，因此政府應該保障立法與技術的和諧發(fā)展。

7. 外骨骼（Exoskeleton）

外骨骼是一種體外的人造結構，為了補償或增強自然的身體能力而設計。它被放置在人的身體上，作為一個增強放大器，增強或恢復人的機械性能。外骨骼最成熟的應用是醫(yī)學領域，它們將幫助患者從癱瘓、多發(fā)性硬化癥、腦癱和其他使人衰弱的疾病中康復。外骨骼可能會逐漸被老年人廣泛使用。新的工業(yè)設備可能更接近骨骼，從而提升了人體意識和身體動作的整合度。但在不久的將來，可能只能看到提供有限援助/支持的輕型軍事外骨骼裝備。

8. 高光譜成像（Hyperspectral Imaging）

高光譜成像在安全、國防、環(huán)境監(jiān)測和農(nóng)業(yè)等領域有著廣泛的應用前景。傳統(tǒng)的數(shù)碼攝影只捕捉三種波長的光，從藍色到綠色再到紅色，高光譜成像可以在數(shù)百個波長上產(chǎn)生圖像。這些圖像可以用來確定在任何被成像的場景中發(fā)現(xiàn)的物質，有點像遠距離的光譜學。

高光譜成像能夠提供比常規(guī)成像系統(tǒng)更詳細的數(shù)據(jù)，目前仍處于起步階段。高光譜機器視覺應用存在一些限制，關鍵因素是傳輸速度，受高光譜數(shù)據(jù)固有的大數(shù)據(jù)量的限制，成本和信息處理方法也是高光譜成像的應用障礙，但是將最新的高光譜成像引擎技術和機器學習算法結合起來有望解決這些問題。

9. 語音識別（Speech Recognition）

第一個商業(yè)上成功的語音識別技術可以追溯到1990年，但隨著計算能力和新算法的發(fā)展語音識別取得了驚人的進步。研究人員制造了一種用于自動語音識別的低功耗專用芯片，其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，它專為支持語音的智能電視、條形音箱、機頂盒和數(shù)字媒體而設計。即使在復雜的聲學環(huán)境中，也可以從整個房間準確捕獲命令，以供基于云的語音識別系統(tǒng)進行處理。

語音識別和會話平臺有望成為十大戰(zhàn)略技術趨勢之一，語音搜索將占到所有搜索中的50％。從長遠看，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中沒有明確的說明，設備也將能夠理解用戶，然后預測其意圖。

10. 群體智能（Swarm Intelligence）

群體智能是指各種對象的集體行為，每個對象都執(zhí)行一些簡單的功能，并在這個過程中與其他對象進行交互?；谶@一原則設計的信息系統(tǒng)通過對其所有要素的自我組織操作，以分散的方式管理過程。群體智能類系統(tǒng)的發(fā)展前景與無人駕駛汽車、分布式能源電網(wǎng)、搜救機器人的應用有關。

11. 無人機（Warfare Drones）

目前無人機研究一直專注于提高信息收集能力，使無人機更加精確。無人機必須靠自己導航，因此人們特別關注它們的感知能力。從導航到武器部署，所有無人機都通過傳感器數(shù)據(jù)構建內(nèi)部地圖來運行，以允許其算法做出決策，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進展。這些傳感器專為無人機而開發(fā)，可以可靠地檢測爆炸物，提供關鍵任務數(shù)據(jù)。DARPA 開發(fā)的原型無人機系統(tǒng)使用完全自主的無人機，可以在飛行中過渡到中等高度的機翼飛行，該系統(tǒng)具有比傳統(tǒng)直升機更大航程的監(jiān)視和打擊能力。

無人機易于部署，已經(jīng)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(zhàn)，向全世界發(fā)出了沒有人能改變的加密命令，為了應對這種威脅，反無人機技術已經(jīng)多樣化，比如名為猛禽的戰(zhàn)斗機F-22和干擾技術，也可能會出現(xiàn)防御性無人機，這種無人機用來狩獵其他無人機。

12. 人工智能（Artificial Intelligence）

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡一直是深度學習的支柱，在計算機視覺中，出現(xiàn)了一些設計創(chuàng)新（包括膠囊網(wǎng)絡和欺騙網(wǎng)絡），帶來了新的前景和新的挑戰(zhàn)。未來幾十年中，機器學習、計算機視覺、自然語言處理和機器人技術方面的進步和創(chuàng)新將重塑整個科學和經(jīng)濟學領域。人工智能軟件和硬件基礎設施的未來發(fā)展可能會導致無監(jiān)督學習和一些初步形式的一般人工智能出現(xiàn)。這就需要超級智能系統(tǒng)，不僅在專業(yè)應用領域，而且在廣泛的領域和環(huán)境中能夠自我進化和超越人類。

13. 全息圖（Holograms）

全息圖是以激光為光源，用全景照相機將被攝體記錄在高分辨率的全息膠片上構成的圖，以干涉條紋形式存在。全息圖是一種三維圖像，它與傳統(tǒng)的照片有很大的區(qū)別。光學全息圖是物理學家丹尼斯?加博在1948年發(fā)明的。從技術上講，全息圖是波場的三維記錄，全息圖像可以根據(jù)觀看者的相對位置實現(xiàn)三維感知和變化，就好像所顯示的物體是真實存在的一樣。聲全息技術起源于20世紀60年代，是光學全息技術的產(chǎn)物，它涉及到重建由于邊界處的聲音輻射而產(chǎn)生的聲場。

最近的研究重點包括3D全息顯示器、聲學全息、可觸摸全息圖以及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產(chǎn)生的，以復雜的方式扭曲單一來源的聲波，將其轉化為聲音全息圖，這種技術既省時又便宜。最近的進展顯示，聲學全息圖可以顯著改善超聲成像和醫(yī)療選擇。未來的3D全息顯示器可以提高動態(tài)影像逼真度，觀眾無需戴任何3D眼鏡或VR式頭枕，通過將柔性超薄薄膜嵌入到整個設備表面，智能手機和日常設備將能夠彈出3D全息圖，屏幕尺寸無關緊要。此外，若可觸摸全息圖能真正發(fā)揮作用，我們將看到全息界面與設備進行交互的新方式，并在虛擬現(xiàn)實體驗中添加全新的維度。

14. 類人機器人（Humanoids）

類人機器人是一種在外形和特征設計上與人類相似的機器。由于類人機器人被期望盡可能地與人類相似，所以許多項目都專注于直接模仿。靈活性被視為一種特殊類型的運動問題，近年來取得了一些進展，使機器人的四肢接近人類。類人機器人在機器需要完成與人類相同的一般任務的情況下具有明顯的優(yōu)勢。DARPA組織了一場機器人大挑戰(zhàn)，以了解類人機器人在災難場景中的表現(xiàn)，測試包括開門、操作水龍頭，甚至接聽電話等。

類人機器人是一個長期方向與短期方向截然不同的研究領域。目前，類人動物的建造成本較高，而且部署繁瑣。但是，一旦類人機器人達到一定的性能水平，大眾接受度就會發(fā)生根本性的變化。一個廉價、可靠、安全、低功耗的類人機器人將會迅速成為標準的機器人平臺，成為從軍事到娛樂甚至家庭內(nèi)部的各種應用。

15. 神經(jīng)科學（Neuroscience）

神經(jīng)科學仍然局限于基礎研究，研究的最終目的是找出創(chuàng)造力和想象力是如何工作的。早期試圖找到一種來衡量、預測和系統(tǒng)地影響想象力的方法，想象力被視為創(chuàng)造性思維的基礎，是人類進步的核心。富有創(chuàng)造力的神經(jīng)科學將使人們不僅能夠進行感知，而且能夠預測并系統(tǒng)地影響想象力。

想象研究所（賓夕法尼亞大學積極心理學中心的非營利機構）的神經(jīng)科學家和心理學家通過量化一個人的想象力，提供了一種替代傳統(tǒng)的以智商為導向的標準化測試方法。更長遠的期望是，創(chuàng)造力的神經(jīng)科學將使我們不僅能夠測量，而且能夠預測和影響想象能力。

16. 精準農(nóng)業(yè)（Precision Farming）

精準農(nóng)業(yè)依靠GPS、衛(wèi)星圖像、控制系統(tǒng)、傳感器、機器人、變速技術、遠程信息技術、軟件等現(xiàn)有的最新信息和技術，在作物生長周期中（土壤整備、播種和收割）改善作物。在精準農(nóng)業(yè)中，通過傳感器和農(nóng)場管理軟件/硬件在現(xiàn)有網(wǎng)絡/互聯(lián)網(wǎng)基礎設施上檢測和遠程控制。例如，農(nóng)民現(xiàn)在可以使用一個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整合，成為即插即用系統(tǒng)，可以自動操控谷物手推車拖拉機，并在收獲季節(jié)為農(nóng)民提供幫助。該系統(tǒng)聯(lián)合收割機操作員在田間設置分段和卸載位置，調(diào)整速度，監(jiān)控位置，并命令谷物運輸車與聯(lián)合收割機的速度和方向精確同步。

未來的農(nóng)場可能不再需要人力種莊稼，自主機器人已經(jīng)被用來執(zhí)行播種、撫育農(nóng)作物和收割之類的任務。這些機器人不受人為錯誤的影響，能夠適應現(xiàn)場條件，從而最大限度地提高產(chǎn)量，大幅減少時間并提高效率。

17. 柔性機器人（Soft Robot）

柔性機器人是機器人的一個子領域，用模仿生物體的材料建造機器。柔性機器人在其他方面與生物相似，突出在運動和適應環(huán)境變化的物理結構的能力。機器人被稱為“柔性”，與那些剛性材料制造的機器人相比更突出它們的靈活性和適應性。已有研究小組開發(fā)出了一種柔軟的機器人，它的執(zhí)行器類似肌肉，由硅橡膠制成，由氣壓驅動?？茖W家們已開發(fā)出一種自動設計軟執(zhí)行器的方法，他們用硅橡膠材料來設計一個柔軟的機器人，在單一壓力源的驅動下，可以像食指一樣彎曲，像拇指一樣扭動。

長期來看，在醫(yī)療和個人機器人技術中，柔性機器人將實現(xiàn)與人類之間的安全且兼容的交互。在較小的規(guī)模上，微型柔性機器人有望在藥物輸送和手術等醫(yī)療應用中提供幫助。對于野外勘探和救災，柔性機器人可以在復雜地形中導航并穿透狹窄空間。柔性機器人將進一步幫助食品處理和農(nóng)業(yè)等領域實現(xiàn)高度自動化，降低成本。

18. 非接觸手勢識別（Touchless Gesture Recognition）

非接觸式手勢識別構成了一個自然用戶界面，極大地改變了人類與日常技術互動的方式。從手勢的識別和解析中可以收集到大量速度、動作、情緒反應方面的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可轉化為對使用者的精準理解。

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(tǒng)。聲納系統(tǒng)發(fā)出超聲波，這是一種無法聽到的信號，這些信號通過用戶的手、頭或身體反射，隨后被麥克風捕獲，并由時間-燈光算法編譯。最新的超聲波技術采用聲學微機電系統(tǒng)(MEMS)，例如現(xiàn)有智能手機中的麥克風和揚聲器，或包含壓電換能器的特殊用途超聲收發(fā)器。

非接觸式手勢識別構成了一個自然用戶界面(NUI)，改變了我們與日常技術的交互方式，它所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(fā)出命令，如電話、計算機、可穿戴設備、游戲和VR控制臺、娛樂系統(tǒng)、機器人和家用電器。非接觸界面也可以增強專業(yè)設備，如醫(yī)療或軍事設備。它還將徹底改變依賴深度消費者參與的領域，如媒體、通信、零售、娛樂。

19. 飛行汽車（Flying Car）

隨著汽車擁有量的增多，交通擁堵成為世界難題。因此，研發(fā)一輛小型、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、電力存儲、電機和人工智能的迅速發(fā)展使飛行車接近現(xiàn)實。因此，智慧城市正在準備部署個人自動駕駛交通工具，希望能解決交通問題。

由于目前大多數(shù)運輸方式都集中在短程和中程運輸，因此城市將成為飛行汽車類產(chǎn)品的主要目標。如果飛行汽車可以成功使用，那么它們將開始影響城市基礎設施的發(fā)展。長遠看，整個城市可能會基于飛行車普遍使用的場景進行規(guī)劃調(diào)整。

二、人機交互和仿生（Human - Machine Interaction & Biomimetics）

20. 神經(jīng)形態(tài)芯片（Neuromorphic Chip）

神經(jīng)形態(tài)技術將是高性能計算的下一個發(fā)展階段，它能夠大幅提升數(shù)據(jù)處理能力和機器學習能力。神經(jīng)形態(tài)芯片是將神經(jīng)網(wǎng)絡的工作原理蝕刻到硅中，其能效可達傳統(tǒng)中央處理器的數(shù)百倍。神經(jīng)形態(tài)芯片非常節(jié)能，適用于移動設備、車輛和工業(yè)設備。

2018年英特爾宣布了一種神經(jīng)形態(tài)芯片，應用該芯片的設備可以識別網(wǎng)絡攝像頭捕捉到的圖片中的物體，這為該領域整合了許多新特征，如層次連接、樹突狀隔間、突觸延遲，以及最重要的可編程突觸學習規(guī)則。

神經(jīng)形態(tài)芯片的發(fā)展可以促進人工智能系統(tǒng)的發(fā)展，這些系統(tǒng)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。通過合理的功耗控制，它們可以成為從玩具到仿人機器人等多樣化交互設備的關鍵組件。

21. 仿生學（醫(yī)學）（Bionics）

“仿生學”通常用于醫(yī)學領域，用來描述用機械代替或增強各種身體部位。人造、仿生器官和四肢不同于普通假肢，它們的設計盡可能接近被替換身體部分的原始功能。

目前該技術在外骨骼、上肢、內(nèi)部器官均有運用，主要設計用于幫助受傷患者。如仿生外骨骼可以增強人類的自然運動系統(tǒng)，讓使用者跑得更容易/更快。

未來仿生學的目標是“將有機體與機器融合”。這種方法將產(chǎn)生生物和機械部件融合為“機器人”的混合系統(tǒng)。仿生器官將增強生物功能，使人們更快地奔跑、看得更遠、聽力更好、壽命更長，甚至可以更好地思考。

22. 腦功能映射（Brain Functional Mapping）

大腦不僅擁有數(shù)量驚人的神經(jīng)元和連接，而且它是非同質的，估計有500個不同的部分，通過非常密集的網(wǎng)絡連接在一起。腦功能映射技術正在迅速發(fā)展，為治療神經(jīng)疾病、理解認知和在人工環(huán)境中復制認知奠定了基礎。

神經(jīng)元之間的通訊是基于神經(jīng)元間的電活動。目前為了更好地繪制這些通信路徑，科學家們正在開發(fā)可記錄的電極，可以在各種條件下記錄這種電活動，用計算機來解讀收集到的信息。

長遠看，深入了解大腦在生理和病理情況下的功能將為確定疾病原因、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仿真技術的發(fā)展。

23. 腦機接口（Brain Machine Interface）

腦機接口是大腦與外部設備之間的直接通信途徑，它既可以從大腦中收集信息，又可以將信息輸入大腦，使其能夠與環(huán)境互動。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遞到神經(jīng)系統(tǒng)。腦機接口領域的研究目標之一是通過人機共生來提高執(zhí)行復雜任務（例如駕駛戰(zhàn)斗機）的效率。腦信號刺激的研究進展可能會開啟腦與腦交流的新時代。中期來看，實現(xiàn)復雜思想的交換尚無可能，但腦與腦的交流可以使人們不斷地分享情感、情緒和思想狀態(tài)。

24. 情緒識別（Emotion Recognition）

情緒識別（Emotion Recognition）一直以來都是通過對人臉圖像（或視頻）應用先進的圖像處理算法來檢測情緒。情緒識別的主要方向仍然是“閱讀”面部表情。有研究人員開發(fā)出一種運用AI算法的芯片，能通過實時分析人臉圖像識別八種情緒。情感分析也是繼面部表情之后的一種新的技術突破，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(tài)度等。目前，智能手機可以告訴你你的感受，并提供相應的內(nèi)容、通信或應用程序建議。智能設備是我們當前的現(xiàn)實，但“共情設備”可能是未來。

情緒識別可以完全改變營銷人員設計廣告的方式，無需依靠個人的直覺或主觀想法，針對不同的目標群體對每個想法進行科學而嚴格的測試。情緒識別通過捕獲微表情并檢測出細微的情緒變化有益于執(zhí)法部門執(zhí)法。在醫(yī)療保健中，它可以用于幫助監(jiān)視和診斷情緒障礙疾病患者。

25. 智能紋身（Smart Tattoos）

智能紋身也被稱為紙皮膚、電子皮膚或電子紋身，它由可穿戴的表皮皮膚電極組成，能夠實時感知各種環(huán)境刺激（壓力、觸摸或接近)和生理數(shù)據(jù)(心率、呼吸、血液酒精和氧氣含量、肌肉活動、情緒）。它代表了一個一體化的感應平臺，將為無法獲得醫(yī)療服務地區(qū)的患者提供交互式遠程醫(yī)療和治療系統(tǒng)的支持。未來，柔性有機光學傳感器可以直接層壓在器官上，以監(jiān)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康復的患者改善肌肉控制或截肢者移動假肢。

26. 人工突觸/大腦（Artificial Synapse/Brain）

法國國家科學研究中心研究人員設計了一種所謂的“記憶電阻器”，一種直接在計算機芯片上實現(xiàn)的人工突觸（Artificial Synapse）。這種突觸能夠自主學習，還能夠對該器件進行建模，這對于開發(fā)更復雜的電路至關重要。未來，這些技術將成為設計計算機機器的一個重要組成部分。在模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡的情況下尤其如此，要利用大腦的力量或模仿大腦的結構還需要進一步探索研究。模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡可以提升效率，對于具有大量連接的超級計算機而言，將會獲得更強大的計算能力。

三、電子與計算機（Electronics & Computing）

27. 柔性電子（Flexible Electronics）

柔性電子是可彎曲或可伸縮的電子電路，晶體管、顯示器、電池、傳感器等組件具有這些特性。靈活性不僅可以實現(xiàn)更復雜的設計，而且還可以實現(xiàn)新的應用，如可穿戴設備、電子紋身或基于電子電路直接3D打印的潛在低成本解決方案。核心技術是薄膜電子學，柔性電子器件被應用于顯示器制造、傳感器、能量儲能/轉換、醫(yī)療保健、環(huán)境監(jiān)測、人機交互等領域。

研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種靈活的壓力傳感器，即使雙彎也能保持精確。醫(yī)療和生物工程應用將受益于真正靈活/可伸展的傳感器，這將徹底改變大腦植入物。能讓我們的大腦和電腦之間實現(xiàn)無縫的交流。

柔性電子是動態(tài)的，有多種應用場景。研究人員認為該技術將帶給人們智能織物、可拉伸的屏幕、可彎曲的智能手機、可以拉伸到更大尺寸的超薄平板電腦、可佩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(fā)光二極管（Nano - LEDs）

發(fā)光二極管(LED)是一種雙引線半導體光源器件，具有將電轉換為光的能力，與傳統(tǒng)的鎢絲燈泡相比，LED燈的主要特點是不產(chǎn)生熱量。此外，LED只需要普通燈泡點亮所需能量的一小部分，而不含有毒金屬(例如汞，用于熒光燈燈泡)。

LED顯示器通過液晶顯示器作為像素來顯示圖像?；诩{米棒的多功能LED既能發(fā)光又能探測光，且比標準LED的刷新速度快三倍。以納米棒為基礎的發(fā)光二極管可以對激光筆做出反應。

納米半導體在生物學、計算機、醫(yī)學以及照明等領域應用。納米LED使用少量的能量可以產(chǎn)生更寬的光波長范圍，為顯示器提供更溫暖、更鮮艷的色彩。從長遠來看，既能發(fā)光又能檢測光的新型LED陣列可以幫助用戶通過非接觸式手勢控制智能設備，并使用環(huán)境光為這些設備充電。

29. 碳納米管（Carbon Nanotubes）

碳納米管是一種直徑為納米級的碳基管狀材料。這些管狀碳分子的特殊性使其在納米技術、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，但它的主導地位在未來可能會受到新化合物的挑戰(zhàn)，許多研究人員已經(jīng)將這種希望寄托在碳納米管上。除了用于筆記本電腦和智能手機更快、更高效的芯片外，纖巧但功能強大的處理器還可以支持新型技術，比如可彎曲的電腦和可注射的微芯片，或者可以針對人體癌癥的納米機器等。

30. 計算內(nèi)存（Computing Memory）

“內(nèi)存計算（Memory Computing）”或“計算內(nèi)存（Computing Memory）”是一個新的概念，它利用存儲設備的物理特性來存儲和處理信息。這與當前馮諾依曼系統(tǒng)和設備中發(fā)生的情況不同，例如標準的臺式計算機、筆記本電腦甚至手機，它們在內(nèi)存和計算單元之間來回穿梭數(shù)據(jù)，從而使它們變得更慢，能效更低。

目前IBM的科學家演示了“一種無監(jiān)督的機器學習算法，它運行在一百萬個相變存儲器(PCM)設備上，成功地在未知數(shù)據(jù)流中發(fā)現(xiàn)了時間相關性。與最先進的經(jīng)典計算機相比，這種技術有望在速度和能源效率方面提高200倍。

內(nèi)存驅動計算是無限靈活且可擴展的架構，可以比傳統(tǒng)系統(tǒng)消耗更少的能量來更快地完成計算任務。隨著數(shù)據(jù)量的飛速增長，其重要性不斷提高，將為大型可組合基礎架構的數(shù)據(jù)處理提供解決方案。

31. 石墨烯晶體管（Graphene Transistors）

石墨烯被稱為新的納米材料，導電性能好、化學性能穩(wěn)定，是世界上最堅固的材料。它由碳原子組成，這些碳原子被密集地堆積在二維六邊形的圖案中?；谑┚w管的電路可以解決硅晶體管的處理速度限制。它們將使用微處理器的時鐘速度提高了數(shù)千倍，同時需要的功率是硅基計算機的百分之一。

石墨烯晶體管和芯片使計算機變得更小、更快。這些多用途的材料為超薄配件和智能生物醫(yī)學傳感器等技術帶來了廣闊前景。

32. 高精度時鐘（High - precision Clock）

在許多應用場景中，時間的要求精度較高，如4D-成像需要高精度的時鐘，以提供亞原子區(qū)域的結構圖像。光學時鐘或原子鐘有望在時間測量和標準化方面提供更高的精度。這使其適用于多種應用場景，并且可節(jié)省大量能源。量子邏輯時鐘具有廣闊的前景，而新的原子鐘將需要突破更多的基礎研究。

33. 納米線（Nanowires）

納米線的尺寸以納米為單位。它們也可以被描述為寬度在幾十納米或更小、長度沒有限制的納米結構。納米線的可重復性和可調(diào)節(jié)性以及表面特性為納米醫(yī)學提供了一種新穎的方法。由于制造它們的材料種類繁多以及它們所顯示的迷人特性，納米線最近成為納米電子學、光電子學以及分子尺度的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，可用于探針尖端。此外，基于納米線可以制造出一種柔性納米電子支架，該支架有望創(chuàng)造出可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行業(yè)產(chǎn)生重大影響。

34. 光電子學（Optoelectronics）

光電子學是光子學的一個分支，致力于把電子學和光結合起來傳輸數(shù)據(jù)。光電子學的進一步研究將為開發(fā)許多不同的光電子器件開辟道路。5D光數(shù)據(jù)存儲過程包括改變?nèi)廴谑⒌墓鈱W特性，使用超快（飛秒）激光寫入技術創(chuàng)建3D納米級信息記錄。這些記錄（“納米光柵”）由三層納米點組成，每個點存儲一位信息。存儲支架是一個經(jīng)過改進的玻璃盤，對氣候條件更持久，化學穩(wěn)定性更好。額外的容量允許存儲多達360TB的數(shù)據(jù)，大約是50Gb藍光光盤容量的7000倍，熱穩(wěn)定性高達1000°C，并且在室溫下的壽命幾乎是無限的。5D數(shù)據(jù)存儲將很快成為擁有大量歷史檔案的機構的寶貴資產(chǎn)，并有望在未來五年內(nèi)被行業(yè)合作伙伴商業(yè)化。預計目前主要用于高端軍事裝備的光量子芯片將在幾年內(nèi)應用于數(shù)據(jù)中心。集成光量子研究的進展會革新光量子技術，同時保持與現(xiàn)有半導體芯片技術的兼容性。

35. 量子計算機（Quantum Computers）

量子計算機(QC)基于量子位元（稱為量子位元）工作，量子位元可以表示為0、1或由量子力學調(diào)節(jié)的這兩個態(tài)的任何量子疊加態(tài)。盡管有多家公司聲稱生產(chǎn)量子計算機和量子編譯器，但目前的技術沒有為量子計算機的制造提供成熟的解決方案，而第一個原型機只能在特定問題上操作。

目前，研究工作致力于解決特定問題的量子硬件的創(chuàng)建。盡管如此，要實現(xiàn)能夠運行所有現(xiàn)有代碼的通用量子計算機，仍需要進行更多的研究。為了使量子計算機更加有效、穩(wěn)定和便宜，必須進行大量的研究工作，并解決與量子相干和低溫工作有關的問題。

36. 量子密碼學（Quantum Cryptography）

無論服務于個人通信、電子商務或網(wǎng)上銀行交易，通過互聯(lián)網(wǎng)交換的機密信息都必須受到保護，防止通過加密、使用稱為密鑰的數(shù)字密碼進行黑客攻擊。量子密鑰分配位于量子密碼學的核心，它使用量子粒子（電子、光子）安全地建立雙方之間的共享密鑰。量子密鑰分配系統(tǒng)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。因此，總是有可能檢測量子粒子是否已經(jīng)被觀察到，表明安全漏洞。如果發(fā)生這種情況，密鑰將被丟棄，另一個密鑰將被發(fā)送，直到雙方確定沒有其他人觀察到密鑰為止。

2017年9月，科學家們實現(xiàn)了一個技術里程碑，他們演示了在北京和維也納之間舉行的世界上第一次使用量子加密的洲際視頻會議。由于技術原因，此前量子通信僅限于幾百公里，但2016年發(fā)射的中國衛(wèi)星“墨子”號打破了這個限制。上海和與其相距2000公里以外的區(qū)域之間都配備了光纖通信設備，與地面500公里以上的軌道進行通信，這項基礎設施是世界上第一個天地量子網(wǎng)絡。中國量子技術處于全球領先，目標在2030年建立全球量子網(wǎng)絡。未來盡管對量子技術的應用仍然受到限制，但量子密鑰很可能會用于保護極其敏感和關鍵的數(shù)據(jù)。

37. 自旋電子學（Spintronics）

自旋電子學是一個新的研究領域，研究電子自旋對導電的影響。傳統(tǒng)的電子設備基于在電路周圍分流電子，自旋電流是電流的自旋電子學等效物，與電流不同的是，自旋可以在靜止電子之間轉移，它們可以在沒有實際移動的電子的情況下流動，自旋電子學包括“研究電子（更一般地說是核）自旋在固態(tài)物理中所起的作用”。

電子自旋可用于電、光、聲音、震動和熱的能量之間的轉換。這種在不同能量形式之間切換的能力可以適用于各種各樣的設備，自旋電子學的一個潛在應用是允許聲音向一個方向流動而不是相反方向流動的音頻設備。

四、生物交叉學科（Biohybrids）

38. 生物降解的傳感器（Biodegradable Sensors）

生物降解電子器件是一種壽命有限的電子元件，可通過水解或生化發(fā)生反應。這種裝置可作為醫(yī)療植入物，用于臨時體內(nèi)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?a target="_blank">電子產(chǎn)品可以使設備更智能，例如溫度或化學監(jiān)測。

目前，電子產(chǎn)品的預期壽命可能只有幾個月，廢棄電子產(chǎn)品對生態(tài)產(chǎn)生的影響令人擔憂，使用生物降解或有機電子材料可以解決該問題。這種材料為可完全生物降解、生物相容性/生物可代謝性的電子產(chǎn)品開辟道路，這些設備可能會在其生命周期結束時溶解，一方面這將抑制電子垃圾的產(chǎn)生，另一方面使醫(yī)療植入物的開發(fā)成為可能。

39. 芯片實驗室（Lab-On-A-Chip）

芯片實驗室將化學分析等實驗室功能集成在一個微小尺寸的設備中?？焖倌摱景Y檢測目前是芯片實驗室一個非常重要的應用。由于診斷不及時會導致患者得膿毒癥，每一分鐘對抗生素治療都很重要。目前正在開發(fā)芯片實驗室系統(tǒng)分析患者血液樣本，以檢測可能導致膿毒癥的微生物，并減少抗生素的不當使用。芯片實驗室技術有望通過更好、更快速的診斷改善醫(yī)療水平，特別是在醫(yī)療基礎設施落后的地區(qū)。同時，該技術可以使患者在監(jiān)測自身健康方面發(fā)揮更積極的作用。

40. 分子識別（Molecular Recognition）

分子識別可以看作是對分子間相互作用的研究。從醫(yī)學角度來看，分子識別決定了一個化合物是否具有臨床性質。基于分子識別的生物傳感應用的納米材料對臨床條件特別重要，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。

目前分子識別技術在便攜式設備診斷、電反應診斷、藥物篩查方面都有不同程度的運用。從長期看，分子識別是構建生命過程的基石之一。作為一個發(fā)展中的領域，它將革新醫(yī)學。

41. 生物電子學（Bioelectronics）

生物電子學是利用生物材料或生物體系結構來設計和制造信息處理機械和相關設備的技術。這一領域利用生物燃料電池、仿生學和用于信息處理、信息存儲、電子元件和執(zhí)行器的生物材料。該研究領域的重要方向是生物材料和小型電子設備之間的互補性和相互作用。

研究人員開發(fā)受生物啟發(fā)的材料和硬件架構，以用于新型傳感器、執(zhí)行器和信息處理系統(tǒng)。該領域的其他用途包括原子尺度的分子制造、生物器官與電子設備之間更好的連接，這可能推動人類在假肢、人機集成、仿生學等領域的進展。也將為健康建模、監(jiān)測和細胞發(fā)育研究開辟新的前景。

合成DNA作為一種存儲介質，比大多數(shù)當代尖端替代品要緊湊數(shù)百萬倍。另一方面，活體存儲系統(tǒng)不僅可以用來存儲數(shù)據(jù)，還可以用來記錄人類細胞、組織或工程器官中的事件和過程。

42. 生物信息學（Bioinformatics）

生物信息學是一個新的研究領域，它結合了生物學、數(shù)學和計算機科學等多個學科的方法、技術和數(shù)據(jù)。它的目標是開發(fā)新的工具來繪制和分析生物有機體的數(shù)據(jù)。生物信息學的用途包括識別候選基因和核苷酸，目的是更好地了解疾病的遺傳基礎、獨特的適應性、理想的特性，或種群之間的差異。

目前生物信息學的主要進展在生物雜交領域，生物雜交通常指人工成分和至少一個生物成分的組合。這類技術可以應用于從健康到納米技術、機器人甚至消費品（如新鮮農(nóng)產(chǎn)品）等大量領域。生物雜交技術也將在未來的機器人中得到應用，它使得機器人動作更加精確，這將使機器人能夠得到廣泛的應用。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類生理學或設計新藥物及藥物遞送方法。

43. 植物通訊（Plant Communication）

植物通訊是指植物和其他生物之間的交流，不管是同一種還是不同類型的植物、土壤和昆蟲，還是更復雜的生物。目前有研究團隊正在探索將植物作為傳感器的方法。對植物通訊的深入研究可能會有潛在的應用前景。

五、生物醫(yī)學（Biomedicine）

44. 基因編輯（Gene editing）

基因編輯也被稱為“基因組工程”，它是DNA被插入、刪除、修改或替換到生物體的基因組中的工具。通常的編輯方法是通過工程核酸酶（分子剪刀）在基因組中的靶點產(chǎn)生斷裂雙鏈。這些斷裂雙鏈通過非同源端接口或同源重組進行修復，結果是靶向突變。

目前基因編輯在基因工程領域產(chǎn)生了一場革命，雖然以細菌為基礎，但它幾乎適用于所有活細胞和生物體，它為防治艾滋病、癌癥和遺傳性疾病提供了新的可能性，也為育種植物和動物提供了新的可能性。

基因編輯將進入許多不同的應用領域，其中大多數(shù)前景仍然無法預想。在構想新用途時需要很多創(chuàng)造力，并且需要考慮很多道德和法規(guī)問題。

45. 基因治療（Gene Therapy）

基因治療的重點是基因突變，基因突變使其產(chǎn)生異常蛋白質。除了變異，基因治療的基本原理是，缺陷基因被治療基因（也稱為功能基因）取代或滅活，這種基因通過病毒或“裸DNA”進入人體。

基因治療成為可行的技術能力正在擴大，但基因治療的成熟度和大規(guī)模采用的復雜性仍待觀察，此外政策和各種倫理困境的解決也很重要。

46. 抗生素藥敏試驗（Antibiotic Susceptibility Testing）

抗生素耐藥性是全球人類健康面臨的最嚴重的風險之一，這就意味著要面對多方面挑戰(zhàn)，包括：感染預防、新抗生素的開發(fā)以及對抗感染的替代方法、限制過度使用和確保有效性治療。在未來，一旦確定了感染的原因，醫(yī)生將可以在現(xiàn)場決定是否采用適當?shù)目股刂委?，以及哪種抗生素最有效。

47. 生物打?。˙ioprinting）

生物打印是3D打印的一種特殊應用，它使用聚合物或基因工程的生物材料生產(chǎn)組織和器官，其中一些組織和器官可植入人體。生物打印的優(yōu)點是材料的個體適應性較好并且具有較少的副作用，包括植入物排斥反應。

目前一種3D打印系統(tǒng)已經(jīng)被提出，它可以將活細胞打印成人體尺度的骨骼、肌肉和耳朵組織。由于這樣打印出來的物品使用了聚己內(nèi)酯的生物相容性合成聚合物，所以其結構穩(wěn)定。

未來，首批3D打印的人體器官將無排斥地移植，既滿足了等待器官患者的巨大需求，也滿足了那些想替換其有故障器官患者的巨大需求。從長遠來看，“人體芯片”模型可能會生成用于植入的各種類型組織，以利用患者自身體內(nèi)的細胞修復受損的器官。

48. 基因表達的控制（Control of Gene Expression）

基因表達是一個基因的核苷酸序列被用來指導蛋白質合成和產(chǎn)生各種細胞結構的過程。通過了解如何控制基因表達，科學家們希望破解每個基因在人類和動物發(fā)育中的作用。

早期研究通過發(fā)現(xiàn)胎兒對疾病的易感性，并以某種方式操縱細胞，使未來的有機體組織健康，以推動輔助生殖和再生醫(yī)學領域進步。

基因組的不穩(wěn)定性和基因改變對疾病的發(fā)展有推動作用，加速與年齡有關的病理，并促進組織變性和器官衰竭。通過研究人體對基因表達的控制，可以預見人的衰老程度和速度。在胚胎發(fā)育和多功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(yī)學。

49. 藥物輸送（Drug Delivery）

藥物輸送是指給人或動物施用治療劑或藥物復合物，以達到治療效果的一種治療方法。藥物傳遞技術的進步通常是為了提高藥物的功效和吸收程度，同時減少其副作用。納米材料和新材料正在徹底改變這個領域。

提升藥物輸送能力將導致藥物更快達到其目標，副作用會越來越少，并在必要時停用或重新激活。通過把藥物嵌入正確類型的設備中，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在醫(yī)院花費的時間，從而大大降低了治療成本。

50. 表觀遺傳技術（Epigenetic Change Technologies）

表觀遺傳技術指的是基因功能的可遺傳變化，而這些改變并不需要DNA序列的改變。盡管實驗表明一些表觀遺傳變化是可逆的，但“表觀遺傳”一詞已經(jīng)包括在不改變DNA序列的情況下改變基因活性的過程，并導致可傳遞給子細胞的修飾。

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

充分了解表觀遺傳機制將有助于開發(fā)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會對人類產(chǎn)生不可改變的、持久的影響。它會影響人類的生活方式和食品、農(nóng)業(yè)等其他領域，特別是對健康的影響最大。

51. 基因疫苗（Genomic Vaccines）

基因疫苗是由DNA或RNA合成的非蛋白疫苗，可促進人體免疫力提升，預防傳染性疾病擴散。它是在基因治療(genetic therapy)技術的基礎上發(fā)展而來的。

DNA疫苗的前景非常穩(wěn)定，便于大量生產(chǎn)且易于運輸。當基因組疫苗成為常態(tài)時，由于持續(xù)時間長，涵蓋了廣泛的病原體，并且很容易適應后者的突變新形式，因此需要的免疫次數(shù)更少。

52. 微生物組（Microbiome）

微生物無處不在，它們形成的微生物群對人類健康既有好處也有壞處。受早年接觸微生物和飲食等因素的影響，人與人之間的微生物組構成有很大的差異。此外人體的不同部位有不同的微生物群。雖然已經(jīng)知道腸道細菌的組成對某些基因的活性有影響，但這究竟是如何發(fā)生的仍有待證實。一項新的研究揭示了一種潛在的方法，即“好的”腸道細菌可以控制人類的基因活性，并可能有助于預防結直腸癌。

微生物組已成為醫(yī)學研究人員的主要興趣。了解微生物組的多樣性并發(fā)現(xiàn)新的模式可以更好地了解疾病的發(fā)生原因，以及為什么在某些情況下治療效果要好于其他情況。大數(shù)據(jù)和新的計算工具將使微生物組的宏基因組分析成為可能。

53. 再生醫(yī)學（Regenerative Medicine）

再生醫(yī)學是一個新興的醫(yī)學領域，它致力于找到修復或替換因疾病、先天性問題或創(chuàng)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(yǎng)的組織或器官來實現(xiàn)。

再生醫(yī)學將專注于為細胞分化、細胞培養(yǎng)和組織工程開發(fā)更可靠、更便宜的方法。在未來，人類將在無需外部支持基質的情況下產(chǎn)生組織和器官。

54. 重編程的人類細胞（Reprogrammed Human Cells）

重編程的人類細胞通常指免疫系統(tǒng)的基因重新編程的白細胞或誘導型多能干細胞，其外觀類似于胚胎干細胞。最近有研究證明，可生物降解的納米顆?？赏ㄟ^對免疫細胞進行遺傳編程，在小鼠模型中識別、清除或減緩白血病的進展，并使得免疫細胞仍在體內(nèi)。誘導多能干細胞是一種可以直接從成體細胞中產(chǎn)生的多能干細胞。就像胚胎中自然產(chǎn)生的干細胞一樣，它們可以成為任何其他類型的細胞，可以發(fā)育為皮膚、神經(jīng)、肌肉或幾乎任何其他細胞類型。

55. 靶向細胞死亡途徑（Targeting Cell Death Pathways）

癌癥是全世界人類死亡的主要原因之一。2012年，新發(fā)癌癥病例1400萬例，癌癥相關死亡820萬例，預計在未來20年內(nèi)，這些數(shù)字將翻一番。與目前的治療方法相比，靶向觸發(fā)不同類型細胞死亡的關鍵調(diào)控分子可能是一種更有效、毒性更小、更不容易產(chǎn)生耐藥性的癌癥治療方法。

識別新的細胞死亡機制并嘗試協(xié)同激活和控制多種細胞死亡途徑是一種新興對抗癌癥的方法，預示著癌癥治療有效性的重大飛躍。同時它有望減輕或解決困擾該領域的某些毒性和耐藥性問題。

審核編輯 ：李倩