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21世纪十大发明，2021全球十大新兴技术

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世界经济论坛（WEF）于2021年11月发布《2021十大新兴技术》报告。2012年开始，WEF每年发布一份《十大新兴技术》 报告。 从2015年开始，WEF与《科学美国人》 杂志展开合作， 双方专家共同合作撰写报告。2021年的报告是该系列报告的第10份。该报告指出： 创新能够帮助攻克社会挑战， 尤其是气候变化问题。 1世纪十大发明，2021全球十大新兴技术"

去碳化的勃兴

在首位科学家提出二氧化碳能在大气中捕获热量的一百多年之后，以及“气候变化”进入常用语之列的数十年之后，世界各国和产业界提出削减碳足迹的新承诺，制定出雄心勃勃的目标。在未来三至五年内，会出现一批技术，展现出大规模运作的能力。

全球的私人和商业道路运输车辆中，只有不到2%的车辆达到零排放。另一方面，轨道运输和海上运输都有低碳解决方案，但障碍不仅仅来自技术层面，还有政治上的障碍，因为改造项目需要巨大的资本投入。美国的碳排放中，估计有13%来自住宅和商业楼宇的取暖和烹饪所用的燃料。要降低这方面的碳排放，需要普及净零排放的暖通空调和被动式太阳环境系统，并采用天然的建筑材料，譬如可再生的木材和低碳水泥。

利用充沛的可再生能源为主要的温室气体来源“去碳”，一个例子是“绿色”氢气。用非碳基燃料生产的氢气能成为无污染的燃料，并成为化工业无碳足迹的基本原料。在扩张光伏、风能、水电、潮汐能、核电和其他零排放能源技术的同时，还要克服储能的障碍。可靠、高效、经济上可负担的工业规模储能技术还在萌芽阶段。为了减少现有化石燃料发电所产生的污染物，需要发展更多碳捕集、碳再利用和碳封存技术。

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无线信号供能

组成物联网的无线设备是比以往更加互联互通的世界的重要支撑。其中有部署在千家万户的装置，譬如生物医学用途的可穿戴设备;也有部署在危险和难以到达的区域的传感器。随着物联网的扩张，它使得使用较少水和农药的农业操作、更高能效的智能网络、监控桥梁或混凝土基础设施内部缺陷的传感器，泥石流和地震之类灾难的早期预警传感器成为可能。

预计到2025年时全球会有4000亿台物联网设备上线，为这些设备按需提供便利的能量是个大挑战。一个早已出现的解决方案是利用Wi-Fi路由器和存取点发出的无线信号。5G技术会将无线能量撷取提升到新水平。在5G技术出现后，美国联邦通信委员会首次允许手机信号进入更高频(但依然对人类是安全的)的毫米波频谱。加上更高的信息率，5G无线信号能比4G信号传送更多的辐射能。

设备如何才能从无线信号取得能量?Wi-Fi和5G是以一定频率传播的电磁波，在宽频谱中介于调频无线电、微波和毫米波之间。过程的第一步是由接收天线捕获无线信号所携带的能量。天线将能量送入一个电子整流器回路，后者再用半导体来将能量转化为直流电压，进而能为设备充电或供能。这种天线和整流器(或称为变流器)的组合叫作整流天线。整流天线之后是电源管理电路，在放大电压的同时，电路本身也会消耗可以忽略不计的电量。

现在有许多初创企业提供依靠专用无线发射器的无线充电产品。然而，在将来，这样的设备将能够从Wi-Fi和5G信号撷取能量。正如手机让人们摆脱了固定电话，让通信能力面目一新，这项新生技术将为未来的人类提供自由。

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绿色制氨

哈伯-博施法可以说是20世纪最为重要、却有许多人从未听闻过的发明之一。它使得人类能够以工业规模合成氨气。氨被用来生产化肥，而全球50%的食物要依靠化肥，使得制氨对于全球食物安全而言至关重要。然而，氨气合成是个高耗能的化学过程，需要用催化剂让氮原子与氢原子结合。

与作为大气主要成分的氮气不一样，氢气必须要人工合成，目前主要是用化石燃料来生产。天然气、煤炭或石油暴露在高温水蒸气下，生成氢气。问题是，这个过程会生成大量二氧化碳，占全球二氧化碳总排放量的1%到2%。

利用可再生能源来裂解水，生成“绿色”氢气，有望改变这个局面。除了消灭制氢过程中的碳排放，这个方法制造的氢气更为纯净，没有化石燃料包含的化学物质，譬如含硫和含砷的化合物，也就不会再让催化剂“中毒”，避免反应效率下降。

更纯净的氢气也意味着可以研发更优质的催化剂，因为催化剂不再需要忍受那些来自化石燃料的有毒化学物质。事实上，丹麦托普索公司等早已宣布研发出源自完全可再生资源的新型催化剂，可用于绿色制氨工序。西班牙化肥集团与能源公司伊比德罗拉合作，大幅扩张绿色制氨的规划，从建设一家两千万瓦的先导工厂，改成建设一家八亿瓦的太阳能电解制氢工厂。

目前的最大阻碍是绿色“氢气”的高成本。30家欧洲能源公司已经发起“氢交易雄心”项目，目标是在2030年之前，以每公斤1.5欧元的价格供应“绿色”氢气。假如该项目获得成功，就可能释放出“绿色”氨的许多新应用，包括让氨重新分解为氢气，从而建立起绿色的氢-氨循环。

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生物标志物设备的无线化

没人喜欢针刺。但监测糖尿病之类的慢性病需要频繁抽血，识别和追踪某些生物标志物。目前有一百多家公司在研发无线便携的可穿戴传感器，很快就将让连续监测健康信息成为可能。

监测设备采用多种手段在汗水、泪水、尿液或血液中检测生物标志物。有些采用光或低能量电磁辐射，再结合天线和电子设备。有些采用可穿戴的柔性电子传感器，为了检测到某种生物标志物，监测设备要寻找电流、电压或电化学浓度的变化。

这项技术的最主要适用对象是糖尿病，预计到2030年，全球将会有5.78亿人被诊断患有糖尿病，亟需一种便携设备以非侵入的方式监测血糖水平。一种方法是利用毫米波和近红外感应的无线电磁场，患者手指的电压变化可能与血糖水平相关。另一种方法是在衣物中置入可穿戴电子设备，用微波范围的电磁波检测血流中的葡萄糖水平。第三种方法是采用基于“文身”的电路，用电极来抽取少量组织间歇液(正常情况下会从毛细管中渗出)，再评估这些“汗水”里的葡萄糖水平。相似地，类似文身的电路也能从汗水中分析乳酸盐的变化，这项应用获得了体育运动产业的投资。

无线传送系统可与不同类型的传感器配对。令人惊讶的是，泪水也能揭示许多健康信息。透明的电子隐形眼镜能以无线方式拾取癌症的生物标志物，或者检测葡萄糖水平，用于糖尿病监测。唾液中的生物标志物可能标示生理和心理压力，或者艾滋病、肠道感染、癌症和新冠肺炎等疾病。将唾液传感器融合进一个拥有射频识别技术的护齿器后，它也能监测口腔卫生，探测龋齿和异常牙齿。

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以本地材料打印房屋

根据联合国报告，全球有16亿人口住房不足。用三维打印技术建造房屋能帮助克服这一挑战。三维打印房屋的概念并不新颖。有多家企业已经尝试过，并取得喜人的结果。混凝土之类的材料、沙砾、塑料和黏结剂的混合物被运到施工现场，由一台庞大的三维打印机挤出成型。三维打印房屋是一种相对简单和低成本的建筑方法，适合用于偏远贫困地区。然而，基础设施的缺乏使得运送建筑材料成为难题。

近期，若干公司从计划用于火星的构想中获得灵感，采用本地材料来三维打印房屋。在意大利拉韦纳省的小镇马萨伦巴达，马里奥·库奇内拉建筑事务所利用当地的黏土打印房屋组件，大幅降低建筑复杂性、成本和能耗。黏土和大麻纤维、一种液体黏结剂混合，再由意大利三维打印公司WASP的机器挤出一层又一层，构成房屋需要的复杂外形和表面。

另一种建筑方法由WASP公司与设计公司米屋(Rice House)合作演示，从干旱地区数百年来制造泥砖的经验中获得灵感。建筑方将传统的泥浆混合物和黏结纤维混合，后者可以是天然纤维。之后不是用手将基材挤入模具，而是用WASP公司提供的一台三维打印机将材料泵出来，最终一座房屋的建筑时间比传统方法所需时间短得多。打印出的墙壁的刚性几何形状还提供了额外强度保证。

当这些建筑结构达到可用年限的尽头时，可以简单地粉碎成基材，再重新利用。这种零废弃物模式(或称为循环模式)能追溯到数千年前。在西西里岛的埃里切山上，依然存在用来自10世纪房屋的残留材料建造的屋舍。

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太空连接地球

如今至少100亿台活跃设备构成物联网，这个数字预期会在今后10年内翻倍。要扩大物联网对于通讯和自动化的好处，需要将设备扩张至全球，收集泽字节量级的数据。这些数据被吸收进云数据中心，利用人工智能识别出模式和异常情形，譬如天气模式和自然灾害。然而存在一个大问题：蜂窝网络覆盖了地球不到一半的面积，连通性上存在巨大的缺口。

基于太空的物联网系统能够给这些缺口打上补丁。该系统利用低成本、低重量(不到10公斤)、在地球上空几百公里处作轨道运行的纳卫星组成网络。第一台纳卫星在1998年发射升空;如今大约有2000台纳卫星充当轨道监控卫星。SpaceX、星链、独网(OneWeb)、亚马逊和电信卫星等公司已经利用纳卫星提供全球互联网覆盖。

很快就可以在地球上用微型电池供能的物联网设备联络上那些作轨道运行的纳卫星。来自设备的数据(譬如从追踪传感器获得的定位读数)会被上传给卫星，所使用的低能耗、低成本通信协议类似于长途通信和Sigfox公司的通信网络，就连弱信号都能解码。接着，卫星将数据传送给地面站，数据会在那儿接受分析。

运用这项技术后，各种在数据驱动下的应用就算在此前不可及或难以连接的地点也能大显神威。但是，这套太空物联网依然面临多个挑战。譬如说，纳卫星的使用寿命相对较短，只有大约两年，必须由昂贵的地面站基础设施来支持。为了应对日益加剧的地球轨道太空垃圾问题，NASA和其他方面正在推行计划，要么是让卫星在运转期到尽头时自动脱离轨道，要么用其他航天器收集退役卫星。

同样重要的是，要从卫星提供安全、可靠的高带宽通信连接，在不同的天气条件和地带都能维持网络连通。

 

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