全球工程技術(shù)面臨的八大挑戰(zhàn)

英國(guó)工程和自然科學(xué)研究理事會(huì)（EPSRC）發(fā)布《未來(lái)的工程研究挑戰(zhàn)》報(bào)告。EPSRC通過(guò)研討會(huì)、圓桌會(huì)議和書(shū)面調(diào)查等一系列形式，確定了未來(lái)工程研究的高級(jí)優(yōu)先事項(xiàng)、交叉主題和技術(shù)挑戰(zhàn)。報(bào)告指出，未來(lái)10-15年內(nèi)工程師面臨的八項(xiàng)至關(guān)重要的技術(shù)挑戰(zhàn)，涉及太空、交通運(yùn)輸系統(tǒng)、材料、健康和福祉、機(jī)器人和人工智能、負(fù)責(zé)任的工程學(xué)、自然啟發(fā)工程學(xué)以及全球工程解決方案等領(lǐng)域，并提出了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

技術(shù)挑戰(zhàn)一：確保太空研究的可持續(xù)性，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)用于探索和維持太空和地球生活的技術(shù)

太空在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、改變社會(huì)和促進(jìn)人類進(jìn)步方面起著獨(dú)一無(wú)二的作用。從工程學(xué)角度來(lái)看，太空可以被視為一個(gè)極端的循環(huán)環(huán)境，它提供了利用有限資源設(shè)計(jì)可持續(xù)生活的機(jī)會(huì)，例如可持續(xù)的能源生產(chǎn)和材料及技術(shù)的回收利用。太空的極端條件也為解決多尺度問(wèn)題提供了一個(gè)獨(dú)特的試驗(yàn)平臺(tái)，從利用大數(shù)據(jù)指導(dǎo)制造工藝設(shè)計(jì)到滿足人類基本需求。

為了實(shí)現(xiàn)這一挑戰(zhàn)，工程學(xué)方面需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題包括：（1）如何獲取現(xiàn)有太空資源（在可能的情況下重復(fù)使用和回收）以供人類的太空生活?（2）如何利用太空極端條件為地球生活提供測(cè)試平臺(tái)？（3）如何利用太空滿足人類的基本需求（如食物），并提供制造特定物品的方法？

技術(shù)挑戰(zhàn)二：開(kāi)發(fā)可持續(xù)、綜合、公平的交通系統(tǒng)

未來(lái)需要確保交通運(yùn)輸系統(tǒng)滿足個(gè)人和社會(huì)的需求，并使其靈活適應(yīng)變化。在交通運(yùn)輸系統(tǒng)正在進(jìn)行的數(shù)字化革命中，工程學(xué)的作用至關(guān)重要，可以確保公平和易使用的交通系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)清潔能源和零排放技術(shù)，并鼓勵(lì)構(gòu)建基于城市、郊區(qū)、農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)的貨物、服務(wù)和人員的可持續(xù)、可負(fù)擔(dān)、多模式聯(lián)合運(yùn)輸系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)這一挑戰(zhàn)，工程學(xué)社區(qū)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題包括：（1）如何儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)換和分配真正可持續(xù)能源用于運(yùn)輸，并開(kāi)發(fā)推進(jìn)技術(shù)以有效利用這些能源？（2）如何發(fā)展交通基礎(chǔ)設(shè)施和交通系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通？（3）工程師如何為發(fā)展公平和易使用的交通系統(tǒng)做出貢獻(xiàn)？

技術(shù)挑戰(zhàn)三：加快環(huán)境可持續(xù)和對(duì)社會(huì)負(fù)責(zé)任的材料創(chuàng)造和利用

工程學(xué)利用材料創(chuàng)造了工程結(jié)構(gòu)、機(jī)器、技術(shù)，廣泛影響著人類日常生活。但材料資源有限，逐步淘汰化石材料迫在眉睫。工程學(xué)可以提供工具和方法，確保未來(lái)材料使用更具有可持續(xù)性。為了實(shí)現(xiàn)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，選擇材料時(shí)需要具備經(jīng)濟(jì)和倫理方面的社會(huì)意識(shí)，確保使用負(fù)面影響低的資源，從一開(kāi)始就嵌入產(chǎn)品生命周期終止（EOL）方法，同時(shí)支持可持續(xù)的替代方案。

為了實(shí)現(xiàn)這一挑戰(zhàn)，工程學(xué)社區(qū)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題包括：（1）如何實(shí)現(xiàn)從經(jīng)濟(jì)上可行過(guò)渡到負(fù)責(zé)任、可持續(xù)、可再生、可循環(huán)的材料和技術(shù)？（2）如何用負(fù)責(zé)任、可持續(xù)、可再生、可循環(huán)的材料取代石油化工和稀有/有毒/礦產(chǎn)材料？（3）如何打破材料設(shè)計(jì)和制造中的路徑依賴，以滿足未來(lái)市場(chǎng)對(duì)更可持續(xù)產(chǎn)品的需求？

技術(shù)挑戰(zhàn)四：通過(guò)發(fā)展可持續(xù)、包容和有復(fù)原力的醫(yī)療系統(tǒng)和技術(shù)，改善人類終身健康和福祉

工程學(xué)為確保人類健康和福祉做出了重要貢獻(xiàn)，為開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用、醫(yī)療技術(shù)和創(chuàng)新治療提供了科學(xué)橋梁。未來(lái)，工程學(xué)將在醫(yī)療保健領(lǐng)域發(fā)揮重要作用：通過(guò)先進(jìn)健康信息學(xué)、個(gè)性化醫(yī)療創(chuàng)新和系統(tǒng)工程原理等技術(shù)，促進(jìn)有效、公平的醫(yī)療保??；通過(guò)更準(zhǔn)確的檢測(cè)、診斷、治療和預(yù)判，提升個(gè)性化照護(hù)；通過(guò)更好的建模、智能數(shù)據(jù)管理技術(shù)和可持續(xù)工程解決方案，推進(jìn)更廣泛的醫(yī)療系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)這一挑戰(zhàn)，工程學(xué)社區(qū)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題包括:（1）如何提供一種包容性方法開(kāi)發(fā)貫穿一生的醫(yī)療保健解決方案？（2）如何重新設(shè)計(jì)復(fù)雜的醫(yī)療保健系統(tǒng)，以提高其復(fù)原力和可持續(xù)性？（3）如何開(kāi)發(fā)具有包容性的終身福祉的新解決方案？

技術(shù)挑戰(zhàn)五：協(xié)同設(shè)計(jì)機(jī)器人和人工智能并嵌入工程學(xué)中，同時(shí)確保合乎倫理的使用和透明公平的決策

機(jī)器人和人工智能是有望徹底改變?nèi)祟惿畹男屡d技術(shù)，有許多工程研究挑戰(zhàn)需要解決。機(jī)器人涉及多學(xué)科挑戰(zhàn)，亟需工程和集成的方法來(lái)開(kāi)發(fā)新的解決方案和系統(tǒng)。人工智能的挑戰(zhàn)是基于或嵌入物理理解，以支持決策，使其適應(yīng)機(jī)器人革命。有必要以合乎倫理和公平的方式將這些技術(shù)嵌入工程系統(tǒng)，使其有用、可獲取和可采用。因此，包容性工程在機(jī)器人和人工智能領(lǐng)域中非常重要。

為了實(shí)現(xiàn)這一挑戰(zhàn)，工程學(xué)社區(qū)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題包括：（1）如何認(rèn)證算法和系統(tǒng)使機(jī)器人和人工智能自主決策過(guò)程透明？（2）如何描述機(jī)器人和人工智能對(duì)人類決策和行為的影響，特別是在涉及到倫理和公平使用方面？（3）如何確保機(jī)器人和人工智能被用于解決與人類生活質(zhì)量相關(guān)的挑戰(zhàn)，如資源可持續(xù)性和復(fù)原力發(fā)展。

技術(shù)挑戰(zhàn)六：以人類行為和需求為指導(dǎo)，培養(yǎng)對(duì)社會(huì)和環(huán)境負(fù)責(zé)的工程學(xué)方法

工程師通常被認(rèn)為是設(shè)計(jì)、建造或維護(hù)引擎、機(jī)器或結(jié)構(gòu)的人，工程學(xué)也被視為解決當(dāng)今問(wèn)題的新型解決方案的實(shí)踐。工程師的未來(lái)角色需要變得更具包容性和社會(huì)責(zé)任感，專注于與社會(huì)和環(huán)境和諧相處的智能解決方案。工程學(xué)也需要轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎枚鄬W(xué)科、跨學(xué)科和跨領(lǐng)域方法的學(xué)科。

為了實(shí)現(xiàn)這一挑戰(zhàn)，工程學(xué)社區(qū)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題包括：（1）工程學(xué)如何考慮、整合并持續(xù)影響社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和政策因素，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)、有復(fù)原力和宜居自然系統(tǒng)？（2）如何對(duì)日益復(fù)雜和相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模、理解和集成，以輔助形成解決方案？（3）如何開(kāi)發(fā)新的工程科學(xué)方法，以在社會(huì)層面而非僅在技術(shù)層面持續(xù)形成考慮成本和效益的解決方案？

技術(shù)挑戰(zhàn)七：釋放自然啟發(fā)的工程學(xué)的全部潛力

大自然激發(fā)了工程解決方案并為其實(shí)施提供了工具。在未來(lái)的工程系統(tǒng)和技術(shù)的設(shè)計(jì)和實(shí)施中，工程師可以更多地利用自然過(guò)程。自然過(guò)程以及生物的復(fù)制和生長(zhǎng)能力，可以用來(lái)生產(chǎn)或改造材料。個(gè)體生物和/或生態(tài)系統(tǒng)被大自然設(shè)計(jì)成具有特定功能，并隨著生物的自然進(jìn)化繼續(xù)優(yōu)化其特定功能，這可以為工程設(shè)計(jì)提供參考。通過(guò)打破學(xué)科界限，工程師可以推進(jìn)以生物為基礎(chǔ)和受生物啟發(fā)的解決方案。

為了實(shí)現(xiàn)這一挑戰(zhàn)，工程學(xué)社區(qū)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題包括：（1）如何生成適用于一系列特定環(huán)境的數(shù)據(jù)，并在設(shè)計(jì)和應(yīng)用自然啟發(fā)或自然衍生技術(shù)的各個(gè)階段使用這些數(shù)據(jù)？（2）如何加速自然材料和系統(tǒng)的生命周期，以確定優(yōu)先考慮并加快開(kāi)發(fā)和采用？（3）如何利用生物學(xué)和自然界來(lái)超越當(dāng)前的材料范式，并將其應(yīng)用于工程學(xué)中？

技術(shù)挑戰(zhàn)八：提供適應(yīng)性強(qiáng)的全球工程解決方案，與地球生態(tài)系統(tǒng)相兼容

工程學(xué)塑造了人類星球，它的創(chuàng)新提高了地球居民的生活質(zhì)量、聯(lián)系和理解。然而，自工業(yè)革命以來(lái)，人類對(duì)工程學(xué)的使用對(duì)星球產(chǎn)生了負(fù)面影響，耗盡了資源，影響了氣候并降低了復(fù)原力。新研究應(yīng)該考慮工程解決方案在現(xiàn)在和未來(lái)對(duì)地球的影響。工程師和工程研究人員應(yīng)與其他專業(yè)人員、研究人員、專家和研究社區(qū)合作，建立消息靈通、多學(xué)科和可循環(huán)的方法，實(shí)現(xiàn)負(fù)責(zé)任和有復(fù)原力的解決方案。

為了實(shí)現(xiàn)這一挑戰(zhàn)，工程學(xué)社區(qū)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題包括：（1）如何開(kāi)發(fā)具有復(fù)原力的系統(tǒng)方法，確保資源（如食物、水和能源供應(yīng)）對(duì)所有人的可持續(xù)性和公平性？（2）如何實(shí)現(xiàn)資源和能源的循環(huán)生產(chǎn)、存儲(chǔ)和使用，確保端到端的可重復(fù)使用和回收？（3）工程學(xué)如何有助于減少和修復(fù)過(guò)去和未來(lái)的人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的影響？
編輯：黃飛

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