21世纪十大发明(20世纪最伟大的十大发明)

目前世界面临着许多巨大的挑战:气候变化、能源枯竭、粮食生产、生命和健康等。2021年世界经济论坛评选出的“十大新兴技术”主要聚焦于当前全球面临的重大问题。这十大技术有望深刻改变人类的未来。

科技改变未来科技改变未来

气候变化：新能源技术

减少碳排放气候变化:新能源技术减少碳排放

国际社会应对全球气候变化的全面承诺将进一步推动新技术的发展。作为温室效应的罪魁祸首，各个国家和行业都在积极努力减少碳排放。美国、英国、欧盟等主要发达国家以及中国、印度等发展中大国向国际社会承诺，到2030年实现碳排放总量大幅减少。

为了实现承诺，全球加速发展新能源产业势在必行，这也将催生一系列多元化的新能源技术“出现”，并以更快的速度加速孵化，提高落地效率。以下领域将获得显著关注和增长:氢能技术，包括氢燃料电池和“绿色”氢燃料、光伏、风能、水电、潮汐、核能和其他零排放技术都将获得更多支持。

与此同时，蛋白质替代品的市场供应，如不可能的汉堡和超越肉类，将在农业和食品领域得到进一步发展。通过物联网连接的传感器数据将越来越多地支持土地、作物、肥料、灌溉水等的智能管理。，这将有助于进一步减少碳排放。

农业：肥料自供给作物培育

升级农作物升级作物

磷肥是世界粮食使用的主要肥料，磷肥的制备很大程度上依赖于含氮工业肥料的使用。根据联合国粮农组织的数据，全球每年需要约1.1亿吨氮来维持全球农作物产量。而氮肥通常是将空气体中的氮气转化为氨气来生产的。含氨肥料维持着全球约50%的粮食产量，而制备含氨肥料的过程将消耗全球主要能源需求的1%，工业化过程中排放的二氧化碳占全球碳排放量的1%至2%。

为了减少这部分碳排放，研究人员正在寻找通过自然方法制造氮肥的解决方案。例如，玉米、谷物和其他主要粮食作物依赖土壤中的无机氮。豆科植物的根与土壤细菌相互作用形成根瘤，通过细菌固氮的能力将大气中的氮转化为氨。这些天然固氮方法极大地鼓舞了研究人员。

目前，发达国家政府和社会资本的投入为工程固氮领域的研发提供了有力的支持。将来，利用自然共生力量的作物可能很快成为更可持续的粮食生产的关键要素。

生物化学：呼吸检测诊断疾病

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新技术将促进对人体呼气的检测，用于疾病诊断，这远比采血省时。使用新技术进行生物检测类似于警察检查酒驾时使用的酒精呼吸分析仪，这种方法也可以用于未来的疾病诊断。

人类呼吸中有800多种化合物。最近的研究表明，人类呼吸中不同化合物的浓度与疾病之间有很强的相关性。例如，丙酮浓度的升高是糖尿病的强烈标志，一氧化氮浓度的升高可以作为呼吸系统疾病的生物标志物；各项醛类指标的升高，说明肺癌的概率极高。

而且气息检测的等待时间会大大减少。通常情况下，呼吸检测传感器的数据只需要几分钟的时间，就可以通过外部计算机进行分析，生成测试报告。

除了发布结果比抽血更快之外，呼吸传感器还采用了非侵入式检测方法。在医疗资源有限的国家，其易用性、便携性和性价比将提供更好的医疗保障。呼吸也有助于减少病毒在社区中的传播，其方式类似于在进入超市或餐厅等公共空房间之前检查个人体温的方式。

2020年3月，以色列研究人员已完成探索性临床应用，通过呼吸试验检测新冠肺炎(COVID)，准确率95%，灵敏度100%。目前这项技术正在进行广泛的临床试验，但还需要进一步成熟才能全面普及。

医药工程：按需药物制造

私人订制药品私人医学

如果你去药店的时候，药剂师不是通过预先制造药品的方式来给你开处方，而是根据你的诊断，量身定做最符合你体征的药品，这听起来是不是很神奇？

由于药品的特殊性，传统上，药品生产都集中在有资质的厂家，通过批量生产来完成。药物的成分和剂量是标准化的，不可能为个体定制不同成分和剂量的药物。然而，微流体和按需药物制造的最新技术有望使这一想法成为现实。

按需药品制造，又称连续流程药品制造，可以一次性完成药品生产。它的工作原理是将药物成分通过流体输入一个小型的合成设备中，合成设备根据需要混合成分，从而为患者量身定制所需的药物。

这项技术更大的意义在于，可以部署在偏远地区或野战医院，随时根据需求生产药物。这也意味着储存和运输药物需要更少的资源，并且剂量可以根据个体患者量身定制。

2016年，美国麻省理工学院和国防高级研究计划局(DARPA)成功研制出冰箱大小的药物合成设备，并在24小时内制备了1000剂常用药物:盐酸苯海拉明，用于缓解过敏症状；安定，用于治疗焦虑和肌肉痉挛；抗抑郁药盐酸氟西汀；局部麻醉剂盐酸利多卡因。

目前，按需制毒的便携式设备成本高达数百万美元，阻碍了其广泛普及。此外，需要新的质量保证和质量控制标准来规范个性化配方和单人药物制备。然而，随着成本的降低和监管框架的完善，未来的按需药品制造将给医药行业带来颠覆性的变化。

信息传输：5G物联网发展

无线充电无线充电

如今，构成物联网(IoT)的无线设备已经成为网络世界的中坚力量。物联网无线设备被部署为家庭中的生活工具、生物医学可穿戴设备以及危险和难以到达区域的传感器。随着物联网的发展，它将更广泛地应用于农业节水灌溉和农药喷洒、智能电网、桥梁或混凝土基础设施的缺陷监测、泥石流和地震等灾害的预警。

预计到2025年，全球将有400亿台物联网设备在线。为这些设备提供方便的按需供电是一个新的挑战。5G无线信号会比4G传输发出更多的辐射能量，这预示着很多低功率的无线设备将永远不需要插电供电。

目前，研究人员已经成功从Wi-Fi路由器和微波射频设备中收集辐射能量，为低功耗物联网设备供电。这项新兴技术将辐射能量收集提升到一个新的水平，并为物联网设备的大规模部署提供能源解决方案。

生命科学：基因组编码技术

长生不老不朽

未来，生命科学将更加注重增加“健康寿命”，而不仅仅是寿命。

据世界卫生组织预测，在2015年至2050年间，60岁以上的人口比例将从12%增加到22%。老年痴呆症、癌症、糖尿病和动脉硬化等慢性病对老年人的健康和社会发展构成了巨大挑战。逆转衰老或寻找“青春之泉”一直是人类的愿望。

通过基因组编码技术，研究人员量化了所有基因的活性、细胞内蛋白质和代谢物的浓度，并结合基因研究，人类衰老的关键机制已经越来越清晰。研究人员发现，人体的生物年龄标识符是人类疾病和死亡风险的关键预测指标。

最近，研究人员通过不断了解人类衰老的机制，积极推动靶向治疗的发展。例如，最近的一项初步临床研究表明，服用含有人体生长激素的药物混合物一年，可以逆转人体的“生物钟”1.5年。科学家还发现，将年轻人类血液中的蛋白质注入老年小鼠体内，可以改善与年龄相关的大脑功能障碍。结果表明，与年龄相关的认知能力下降和其他疾病可以通过科学方法逆转。

目前，通过基因工程方法的分析和设计，加上政府和医疗资本的大力推动，全球已有100多家公司进入临床前阶段或早期临床试验阶段。这项新技术让人类对抗衰老，甚至挑战“生死终极课题”的希望越来越大。

化学：绿色氨制造

绿色氢气制造绿色氢制造

工业合成氨是20世纪最重要的发明之一。氨用于生产肥料，为全球50%的粮食生产提供燃料，是全球粮食安全的关键。然而，氨合成是一个能量密集型的化学过程，它需要一种催化剂来用氢固定氮。

氢气必须人工合成。目前，化石燃料、天然气、煤或石油被用于高温蒸馏以产生氢气。问题是这个过程会产生大量的二氧化碳，占全球总排放量的1%到2%。

利用可再生能源分解水生产绿色氢气有望改变这一现状。除了消除制氢过程中的碳排放，这种方法还可以制备更纯的氢气，并且不含使用化石燃料时添加的化学物质，如含硫和砷的化合物，这些化合物会“毒害”催化剂，从而降低反应效率。

更清洁的氢气也意味着可以开发更好的催化剂，不再需要忍受化石燃料中的有毒化学物质。目前，丹麦公司已经宣布开发绿色氨生产的新型催化剂。

目前，绿色制氢的主要障碍是成本高。为了解决这一问题，欧洲能源公司开始了科技创新和研究，旨在到2030年以每公斤1.5欧元的价格提供绿色氢气。

生物信息学：无线生物标记设备

生物标记检测生物标记检测

慢性病的连续无创监测一直是医学界的期望。好消息是，无线、便携和可穿戴的监测传感器将很快应用于临床。监测器使用各种方法来检测汗水、眼泪、尿液或血液中的生物标志物，可穿戴监测传感器使用光或低功率电磁辐射(类似于手机或智能手表)来监测慢性病。

例如，电子隐形眼镜可以通过泪液获得癌症生物标志物或血糖水平，用于糖尿病监测；采用射频识别技术的牙齿卫士唾液传感器可以监测唾液生物标志物，用于口腔溃疡、呼吸道炎症、艾滋病毒、肠道感染、癌症和COVID的早期预警。

材料科学：3D 打印房屋

3D 打印机建造房屋3D打印机建造房屋

据联合国估计，用3D打印机建造房屋可以帮助解决全球16亿人住房短缺的挑战。

3D打印房的概念并不新鲜，灵感来源于火星移民的项目，因为火星并没有建造房屋所需的大部分材料。印刷混凝土、沙子、塑料、粘合剂等的混合物。通过大型3D打印机可以作为一种相对简单且低成本的施工方式，这似乎非常适合缓解偏远贫困地区的住房问题。

航天工程：天基物联网

天基物联网天基物联网

今天，至少有100亿个活跃设备构成了物联网(IoT)，预计未来10年这一数字将翻倍。为了最大限度地发挥物联网在通信和自动化方面的优势，需要在世界各地分布设备并收集数据。在云数据中心处理数据，利用人工智能识别数据异常，从而为人类提供预警。例如气候异常和自然灾害。但问题是:地面蜂窝网络覆盖全球不到一半，连接上留下了巨大的空缺口。

天基物联网系统可以利用距离地球数百公里的低成本、低重量(小于10kg)的纳卫星网络来弥补这些空缺口。自1998年发射第一颗纳米卫星以来，大约有2，000颗纳米卫星用于轨道监测。SpaceX Link、OneWeb、亚马逊和Telesat等公司已经使用纳米卫星提供全球互联网覆盖。

Tai 空物联网建设仍面临诸多挑战。例如，纳米卫星的寿命相对较短，大约为两年，必须有昂贵的地面基础设施支持。为了处理日益严重的轨道碎片问题，国际空间机构正在计划自动使卫星脱离轨道或使用其他航天器在卫星功能寿命结束时收集这些碎片。