2020年十大新兴技术

如果测试冠状病毒疫苗所需的数千名人类志愿者中的一部分可以被数字复制品所取代——这是今年的十大新兴技术之一——那么COVID-19疫苗的开发速度可能会更快，从而拯救无数生命。很快，虚拟临床试验可能成为测试新疫苗和疗法的现实。榜单上的其他技术可以通过电气化航空旅行和使阳光直接为工业化学品的生产提供动力来减少温室气体排放。“空间”计算将以超越虚拟现实壮举的方式整合数字世界和物理世界。利用量子过程的超灵敏传感器将为可穿戴脑部扫描仪和能够看到拐角处的车辆等应用奠定基础。

这些及其他新兴技术是由一个国际专家指导小组挑选出来的。该小组由《大众科学》和世界经济论坛召集，筛选了超过75项提名。为了获得认可，这些技术必须具有通过超越已有的做事方式来促进社会和经济进步的潜力。它们还需要是新颖的（即目前尚未广泛使用），但有可能在未来三到五年内产生重大影响。指导小组（虚拟地）开会，削减候选名单，然后仔细评估领先者，然后做出最终决定。我们希望您能像我们一样从接下来的报告中获得启发。

医学：用于无痛注射和检测的微针

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减少去医疗实验室的次数使医疗保健更普及

作者：伊丽莎白·奥戴

几乎看不见的针头，或称“微针”，有望迎来无痛注射和血液检测的时代。无论是连接到注射器还是贴片上，微针都能通过避免与神经末梢接触来防止疼痛。它们的长度通常为50到2,000微米（大约一张纸的厚度），宽度为1到100微米（大约人类头发的宽度），它们穿透皮肤的死亡表层，到达第二层——表皮——表皮由活细胞和被称为组织间液的液体组成。但大多数微针不会到达或仅 barely 触及下方的真皮层，真皮层中分布着神经末梢，以及血管、淋巴管和结缔组织。

许多微针注射器和贴片应用已经可用于疫苗接种，还有更多正在进行临床试验，用于治疗糖尿病、癌症和神经性疼痛。由于这些装置将药物直接注入表皮或真皮，它们比熟悉的透皮贴片更有效地输送药物，后者依赖于药物通过皮肤的扩散。今年，研究人员首次展示了一种治疗牛皮癣、疣和某些类型癌症等皮肤疾病的新技术：将星形微针混合到治疗霜或凝胶中。针头对皮肤的暂时性轻柔穿孔增强了治疗剂的渗透。

许多微针产品正朝着商业化方向发展，用于快速、无痛地抽取血液或组织间液，并用于诊断测试或健康监测。微针造成的小孔会在表皮或真皮中引起局部压力变化，迫使组织间液或血液进入收集装置。如果将针头与生物传感器耦合，这些装置可以在几分钟内直接测量指示健康或疾病状态的生物标志物，例如葡萄糖、胆固醇、酒精、药物副产品或免疫细胞。

一些产品将允许在家中进行抽血，然后邮寄到实验室或现场分析。至少有一种产品已经通过了此类用途的监管障碍：美国和欧洲最近批准了来自第七感生物系统公司的TAP血液采集装置，该装置使非专业人士能够自行采集少量血液样本，无论是送往实验室还是用于自我监测。在研究环境中，微针也被集成到无线通信设备中，以测量生物分子，使用测量结果来确定合适的药物剂量，然后输送该剂量——这种方法可能有助于实现个性化医疗的承诺。

微针设备可以使检测和治疗能够在服务欠缺的地区进行，因为它们不需要昂贵的设备或大量的管理培训。微米生物医药公司开发了一种易于使用的设备：绷带大小的贴片，任何人都可以使用。另一家名为Vaxxas的公司正在开发一种微针疫苗贴片，在动物和早期人体试验中，该贴片仅使用通常剂量的一小部分就引发了增强的免疫反应。微针还可以降低传播血源性病毒的风险，并减少传统针头处置产生的有害废物。

微小的针头并不总是优势；当需要大剂量时，它们将不足以应对。并非所有药物都能通过微针，也并非所有生物标志物都能通过微针采样。还需要更多的研究来了解患者的年龄和体重、注射部位和给药技术等因素如何影响微针技术的有效性。尽管如此，这些无痛的刺针有望显著扩展药物输送和诊断的应用范围，随着研究人员设计出在皮肤以外的器官中使用它们的方法，新的用途将不断涌现。

化学工程：太阳能化学

可见光可以驱动将二氧化碳转化为常用材料的过程

作者：哈维尔·加西亚·马丁内斯

许多对人类健康和舒适至关重要的化学品的制造消耗化石燃料，从而导致开采过程、二氧化碳排放和气候变化。一种新方法利用阳光将废弃的二氧化碳转化为这些所需的化学品，有可能通过两种方式减少排放：通过使用不需要的气体作为原料，并使用阳光而非化石燃料作为生产所需的能源。

由于阳光激活催化剂或光催化剂的进步，这个过程正变得越来越可行。近年来，研究人员开发出了光催化剂，可以打破二氧化碳中碳和氧之间抗性强的双键。这是创建“太阳能”炼油厂的关键第一步，这些炼油厂可以从废气中生产有用的化合物——包括“平台”分子，这些分子可以作为合成药物、洗涤剂、肥料和纺织品等各种产品的原材料。

光催化剂通常是半导体，需要高能紫外光来产生二氧化碳转化过程中涉及的电子。然而，紫外光既稀少（仅占阳光的5%），又有害。因此，开发在更丰富和良性的可见光下工作的的新型催化剂已成为一个主要目标。通过对现有催化剂（如二氧化钛）的组成、结构和形态进行精细工程设计，正在解决这一需求。虽然二氧化钛仅在紫外光照射下才能有效地将二氧化碳转化为其他分子，但用氮掺杂它可以大大降低所需的能量。经过改性的催化剂现在仅需可见光即可产生广泛使用的化学品，如甲醇、甲醛和甲酸——它们在粘合剂、泡沫、胶合板、橱柜、地板和消毒剂的制造中具有重要的集体作用。

目前，太阳能化学研究主要发生在学术实验室，包括加州理工学院与劳伦斯伯克利国家实验室合作运营的联合人工光合作用中心；由大学、工业界以及研究和技术组织组成的荷兰合作项目Sunrise联盟；以及德国米尔海姆马克斯普朗克化学能源转换研究所的异相反应部门。一些初创公司正在研究将二氧化碳转化为有用物质的不同方法——即，应用电力来驱动化学反应。如果电力来自化石燃料燃烧，那么使用电力为反应提供动力显然不如使用阳光环保，但依赖光伏发电可以克服这一缺点。

在阳光驱动的二氧化碳转化为化学品方面的进展肯定会在未来几年内通过初创公司或其他公司实现商业化并进一步发展。然后，化学工业——通过将今天的废弃二氧化碳转化为有价值的产品——将朝着成为真正的、无废弃物的循环经济的一部分迈进，并帮助实现产生负排放的目标。

医疗保健：虚拟病人

用模拟代替人类可以使临床试验更快更安全

作者：丹尼尔·E·赫尔塔多和索菲娅·M·维拉斯泰吉

似乎每天都有一些新的算法使计算机能够以前所未有的准确性诊断疾病，再次引发了计算机将很快取代医生的预测。如果计算机也能取代病人呢？例如，如果虚拟人在冠状病毒疫苗试验的某些阶段可以取代真人，那么它可能会加速预防工具的开发并减缓疫情的蔓延。同样，可能无效的潜在疫苗可以尽早被识别出来，从而大幅削减试验成本，并避免在活体志愿者身上测试不良的疫苗候选物。这些都是“计算机模拟医学”的一些好处，或在虚拟器官或身体系统上测试药物和疗法，以预测真人将如何对疗法做出反应。在可预见的未来，晚期研究仍需要真人病人，但计算机模拟试验将有可能对安全性和有效性进行快速且廉价的初步评估，从而大大减少实验所需的活体人类受试者的数量。

对于虚拟器官，建模首先要将从个体真实器官的无创高分辨率成像中提取的解剖数据输入到控制该器官功能的复杂数学模型中。在功能强大的计算机上运行的算法求解由此产生的方程和未知数，生成一个看起来和行为都像真器官的虚拟器官。

计算机模拟临床试验已经在一定程度上进行中。例如，美国食品和药物管理局正在使用计算机模拟代替人体试验来评估新的乳房X线摄影系统。该机构还发布了关于设计包含虚拟病人的药物和器械试验的指南。

除了加速结果和减轻临床试验的风险外，计算机模拟医学还可以用于代替诊断或计划治疗某些疾病所需的有风险的干预措施。例如，经FDA批准的基于云的服务HeartFlow Analysis使临床医生能够根据患者心脏的CT图像识别冠状动脉疾病。HeartFlow系统使用这些图像构建通过冠状血管的血液的流体动力学模型，从而识别异常情况及其严重程度。如果没有这项技术，医生将需要进行有创血管造影术来决定是否以及如何进行干预。在个体病人的数字模型上进行实验也有助于个性化治疗各种疾病，并且已经用于糖尿病护理。

计算机模拟医学背后的理念并不新鲜。在数十年中，创建和模拟物体在数百种运行条件下的性能的能力一直是工程学的基石，例如用于设计电子电路、飞机和建筑物。在医学研究和治疗中广泛实施计算机模拟医学仍然存在各种障碍。

首先，必须确认这项技术的预测能力和可靠性，这将需要几项进步。这些进步包括从庞大的、种族多样的病人数据库中生成高质量的医学数据库，该数据库既有女性也有男性；改进数学模型以解释体内许多相互作用的过程；以及进一步修改主要为基于计算机的语音和图像识别而开发的人工智能方法，这些方法需要扩展以提供生物学见解。科学界和行业合作伙伴正在通过诸如达索系统的Living Heart Project、虚拟生理人综合生物医学研究所和微软的Healthcare NExT等倡议来解决这些问题。

近年来，FDA和欧洲监管机构已经批准了一些基于计算机的诊断的商业用途，但满足监管要求需要相当多的时间和金钱。鉴于医疗保健生态系统的复杂性，创造对这些工具的需求具有挑战性。计算机模拟医学必须能够为患者、临床医生和医疗保健组织提供具有成本效益的价值，以加速他们对这项技术的采用。

计算：空间计算

超越虚拟现实和增强现实的下一个重大技术

作者：科琳娜·E·拉森和杰弗里·林

想象一下玛莎，一位独立生活并使用轮椅的八旬老人。她家中的所有物品都已进行数字化编目；所有传感器和控制物体的设备都已启用互联网；她家的数字地图已与物体地图合并。当玛莎从卧室移动到厨房时，灯光会打开，环境温度会进行调整。如果她的猫穿过她的路径，轮椅会减速。当她到达厨房时，桌子会移动以改善她与冰箱和炉灶的接触，然后在她准备吃饭时移回原位。稍后，如果她在上床睡觉时开始摔倒，她的家具会移动以保护她，并且会向她的儿子和当地监控站发出警报。

这个场景核心的“空间计算”是物理世界和数字世界持续融合的下一步。它完成了虚拟现实和增强现实应用程序所做的一切：数字化通过云连接的物体；允许传感器和电机相互反应；并以数字方式表示真实世界。然后，它将这些功能与高保真空间映射相结合，使计算机“协调器”能够跟踪和控制物体在人在数字世界或物理世界中导航时的运动和交互。空间计算很快将把人机和机器对机器的交互提升到工业、医疗保健、交通运输和家庭等许多生活领域的新效率水平。包括微软和亚马逊在内的主要公司都在这项技术上投入巨资。

与虚拟现实和增强现实一样，空间计算建立在计算机辅助设计（CAD）中熟悉的“数字孪生”概念之上。在CAD中，工程师创建物体的数字表示。这个孪生体可以用于多种用途：3D打印物体、设计物体的新版本、提供关于物体的虚拟培训或将其与其他数字物体连接以创建虚拟世界。空间计算不仅创建物体的数字孪生体，还创建人和地点的数字孪生体——使用GPS、激光雷达（光探测和测距）、视频和其他地理定位技术来创建房间、建筑物或城市的数字地图。软件算法将此数字地图与传感器数据以及物体和人的数字表示相结合，以创建可以观察、量化和操纵的数字世界，并且该数字世界也可以操纵真实世界。

在医疗领域，考虑以下未来场景：一个急救人员团队被派往城市中的一套公寓，处理可能需要急诊手术的病人。当系统将病人的医疗记录和实时更新发送到技术人员的移动设备和急诊室时，它还会确定到达病人所在地的最快驾驶路线。红灯阻止交叉交通，当救护车停下来时，建筑物入口门打开，露出已经就位的电梯。当医护人员带着担架匆匆进入时，物体会移开。当系统引导他们通过最快的路线到达急诊室时，外科手术团队使用空间计算和增强现实来规划整个手术室的编排或规划通过该病人身体的手术路径。

工业界已经接受了专用传感器、数字孪生体和物联网的集成，以优化生产力，并且很可能成为空间计算的早期采用者。这项技术可以将基于位置的跟踪添加到一件设备或整个工厂。通过佩戴增强现实头戴式设备或查看投影的全息图像，该图像不仅显示维修说明，还显示机器组件的空间地图，工人可以被引导通过机器并围绕机器进行维修，从而尽可能高效地维修机器——缩短停机时间和成本。或者，如果技术人员正在与真实远程站点的虚拟现实版本互动，以指导多台机器人在建造工厂，空间计算算法可以通过例如改进机器人的协调和分配给机器人的任务的选择来帮助优化工作的安全性、效率和质量。在更常见的场景中，快餐和零售公司可以将空间计算与标准工业工程技术（例如时间-动作分析）相结合，以提高工作流程的效率。

医学：数字药物

诊断甚至治疗我们疾病的应用程序

作者：P·穆拉利·多莱斯瓦米

您医生开的下一个处方会是应用程序吗？正在使用或正在开发中的大量应用程序现在可以自主检测或监测精神和身体疾病，或直接管理疗法。这些软件统称为数字药物，既可以增强传统医疗保健，又可以在医疗保健服务受限时为患者提供支持——COVID-19危机加剧了这种需求。

许多检测辅助工具依赖于移动设备来记录用户的声音、位置、面部表情、运动、睡眠和短信活动等特征；然后，它们应用人工智能来标记可能发生的疾病发作或加重。例如，一些智能手表包含一个传感器，可以自动检测并提醒人们注意房颤，这是一种危险的心律失常。类似的工具正在开发中，用于筛查呼吸系统疾病、抑郁症、帕金森病、阿尔茨海默病、自闭症和其他疾病。这些检测或“数字表型”辅助工具不会在短期内取代医生，但可以成为突出需要跟进的担忧的有用合作伙伴。检测辅助工具也可以采用可摄取的、带有传感器的药丸的形式，称为微型生物电子设备。一些正在开发中，用于检测诸如癌性DNA、肠道微生物释放的气体、胃出血、体温和血氧水平等物质。传感器将数据中继到应用程序以进行记录。

治疗性应用程序同样是为各种疾病设计的。第一个获得FDA批准的处方数字疗法是梨子治疗公司的reSET技术，用于物质使用障碍。reSET于2018年获得批准，作为医疗专业人员护理的辅助手段，提供24/7认知行为疗法（CBT），并为临床医生提供关于患者渴望和诱因的实时数据。Somryst，一种失眠治疗应用程序，和EndeavorRX，第一个以视频游戏形式提供的治疗儿童注意力缺陷多动障碍的疗法，今年早些时候获得了FDA的许可。

展望未来，儿童健康初创公司Luminopia设计了一款虚拟现实应用程序来治疗弱视（懒惰眼）——这是眼罩的替代品。有一天，大学生可能会收到来自智能手表的警报，建议他们在手表检测到言语和社交模式的变化后寻求轻度抑郁症的帮助；然后他们可能会求助于Woebot聊天机器人进行CBT咨询。

并非所有健康应用程序都有资格作为数字药物。在大多数情况下，旨在诊断或治疗疾病的应用程序必须在临床试验中证明是安全有效的，并获得监管部门的批准；有些可能需要医生的处方。（4月份，为了帮助应对COVID-19疫情，FDA对低风险精神健康设备做出了临时例外规定。）

COVID-19突出了数字药物的重要性。随着疫情的蔓延，数十个用于检测抑郁症和提供咨询的应用程序变得可用。此外，全球的医院和政府机构部署了微软Healthcare Bot服务的各种变体。对于担心出现咳嗽和发烧等症状的人们，他们可以与机器人聊天，而不是等待呼叫中心的电话或冒着去急诊室的风险，机器人使用自然语言处理来询问症状，并根据AI分析，可以描述可能的原因或开始远程医疗会话以供医生评估。到4月下旬，机器人已经处理了超过2亿次关于COVID症状和治疗的咨询。这些干预措施大大减轻了医疗系统的压力。

显然，社会必须谨慎地迈向数字药物的未来——确保这些工具经过严格的测试，保护隐私，并顺利融入医生的工作流程。有了这些保护措施，数字表型和疗法可以通过标记不健康的行为并帮助人们在疾病发生之前做出改变来节省医疗保健成本。此外，将人工智能应用于数字表型和治疗性应用程序将生成的大数据集，应该有助于个性化病人护理。出现的模式还将为研究人员提供关于如何最好地建立更健康习惯和预防疾病的新想法。

交通运输：电动航空

使航空旅行能够脱碳

作者：凯瑟琳·汉密尔顿和塔米·马

2019年，航空旅行占全球碳排放量的2.5%，到2050年，这个数字可能会增加两倍。虽然一些航空公司已经开始抵消其对大气碳的贡献，但仍需要大幅削减。电动飞机可以提供所需的转型规模，许多公司正在竞相开发它们。电动推进电机不仅可以消除直接碳排放，还可以将燃料成本降低高达90%，维护成本降低高达50%，噪音降低近70%。

从事电动飞行工作的公司包括空中客车、Ampaire、MagniX和Eviation。所有公司都在进行旨在用于私人、公司或通勤旅行的飞机的飞行测试，并正在寻求美国联邦航空管理局的认证。最大的区域航空公司之一Cape Air预计将成为首批客户之一，计划从Eviation购买Alice九座电动飞机。Cape Air的首席执行官丹·沃尔夫表示，他不仅对环境效益感兴趣，而且对运营成本的潜在节省也感兴趣。电动马达的寿命通常比他目前飞机中的碳氢燃料发动机更长；它们需要在20,000小时进行大修，而后者为2,000小时。

前向推进发动机不是唯一电动化的发动机。美国宇航局正在开发的X-57 Maxwell电动飞机用较短的机翼取代了传统机翼，这些机翼具有一组分布式电动螺旋桨。在传统喷气式飞机上，机翼必须足够大，以便在飞机低速行驶时提供升力，但较大的表面积会在较高速度下增加阻力。电动螺旋桨增加了起飞时的升力，从而允许使用更小的机翼和更高的整体效率。

在可预见的未来，电动飞机的航程将受到限制。当今最好的电池的单位重量功率远低于传统燃料：能量密度为每公斤250瓦时，而喷气燃料为每公斤12,000瓦时。因此，给定飞行所需的电池比标准燃料重得多，并且占用更多空间。全球大约一半的航班少于800公里，预计到2025年，这将是电池供电电动飞机的航程范围。

电动航空面临成本和监管障碍，但对这项技术的进步感到兴奋的投资者、孵化器、公司和政府正在对其开发进行大量投资：2017年至2019年间，约有2.5亿美元流入电动航空初创公司。目前，大约有170个电动飞机项目正在进行中。大多数电动飞机都是为私人、公司和通勤旅行而设计的，但空中客车公司表示，它计划在2030年之前准备好100座的版本投入飞行。

基础设施：低碳水泥

应对气候变化的建筑材料

作者：玛丽埃特·迪克里斯蒂娜

混凝土是使用最广泛的人造材料，塑造了我们建造的世界的大部分。其关键组成部分之一水泥的制造产生了大量但被低估的人为二氧化碳：根据伦敦智库查塔姆研究所的数据，高达全球总量的8%。有人说，如果水泥生产是一个国家，它将是仅次于中国和美国的第三大排放国。目前每年生产40亿吨水泥，但由于城市化进程加快，查塔姆研究所报告称，预计未来30年这一数字将上升至50亿吨。水泥生产产生的排放来自用于产生水泥形成热量的化石燃料，以及窑炉中将石灰石转化为熟料的化学过程，熟料然后被研磨并与其他材料结合制成水泥。

尽管出于安全性和可靠性等多种原因，建筑行业通常抵制变革，但减少其对气候变化贡献的压力很可能会加速颠覆。2018年，代表全球约30%产量的全球水泥和混凝土协会宣布了该行业的首个可持续发展指南，这是一套关键指标，例如排放和用水量，旨在跟踪绩效改进并使其透明化。

与此同时，正在追求各种低碳方法，其中一些已经付诸实践。新泽西州皮斯卡塔韦的初创公司Solidia正在采用罗格斯大学授权的化学工艺，该工艺已将通常在水泥制造过程中释放的二氧化碳减少了30%。该配方比传统工艺使用更多的粘土，更少的石灰石和更少的热量。新斯科舍省达特茅斯的CarbonCure通过矿化作用将从其他工业过程中捕获的二氧化碳储存在混凝土中，而不是将其作为副产品释放到大气中。总部位于蒙特利尔的CarbiCrete完全放弃了混凝土中的水泥，用炼钢的副产品钢渣取而代之。挪威的主要水泥生产商Norcem的目标是将其中一家工厂转变为世界首家零排放水泥制造厂。该工厂已经使用来自废弃物的替代燃料，并计划增加碳捕获和储存技术，以在2030年之前完全消除排放。

此外，研究人员已将细菌掺入混凝土配方中，以吸收空气中的二氧化碳并改善其性能。追求“活体”建筑材料的初创公司包括北卡罗来纳州罗利市的BioMason，该公司使用细菌和称为骨料的颗粒“生长”类似水泥的砖块。在DARPA资助并在2月份发表在《Matter》杂志上的一项创新中，科罗拉多大学博尔德分校的研究人员使用称为蓝藻的光合微生物来建造低碳混凝土。他们用细菌接种沙水凝胶支架，以制造具有自我修复裂缝能力的砖块。

这些砖块无法在当今的所有应用中取代水泥和混凝土。然而，它们将来可能取代轻型承重材料，例如用于铺路砖、外墙和临时结构的材料。

计算：量子传感

基于亚原子领域特性的高精度计量学

作者：卡洛·拉蒂

量子计算机获得了所有炒作，但量子传感器可能具有同等的变革性，使自动驾驶汽车能够“看到”拐角处，水下导航系统，火山活动和地震的早期预警系统，以及在日常生活中监测人脑活动的便携式扫描仪。

量子传感器通过利用物质的量子性质达到极高的精度——例如，使用不同能态的电子之间的差异作为基本单位。原子钟说明了这一原理。世界时间标准是基于铯133原子中的电子在一秒钟内完成特定跃迁9,192,631,770次这一事实；这是其他时钟调整的目标振荡。其他量子传感器使用原子跃迁来检测运动的微小变化以及重力场、电场和磁场的微小差异。

当然，构建量子传感器还有其他方法。例如，英国伯明翰大学的研究人员正在努力开发自由落体的超冷原子，以探测局部重力的微小变化。这种量子重力仪能够探测到埋藏的管道、电缆和其他物体，而如今，只有通过挖掘才能可靠地找到这些物体。远洋轮船可以使用类似的技术来探测水下物体。

大多数量子传感系统仍然昂贵、体积过大且复杂，但新一代更小、更经济实惠的传感器应该会开启新的应用。去年，麻省理工学院的研究人员使用传统的制造方法将一个基于金刚石的量子传感器放置在硅芯片上，将多个传统上体积庞大的组件压缩到一个仅有零点几毫米宽的方形区域上。这款原型机是朝着低成本、可量产、在室温下工作的量子传感器迈出的一步，它可以用于任何需要对微弱磁场进行精细测量的应用。

量子系统仍然极易受到干扰，这可能会限制它们在受控环境中的应用。但政府和私人投资者正在投入资金来应对这一挑战以及其他成本、规模和复杂性方面的挑战；例如，英国已向其国家量子计算计划（2019-2024 年）的第二阶段投入了 3.15 亿英镑。行业分析师预计，量子传感器将在未来三到五年内进入市场，最初的重点是医疗和国防应用。

能源：绿色氢能

零碳能源，补充风能和太阳能

作者：杰夫·卡贝克

当氢气燃烧时，唯一的副产品是水——这就是为什么几十年来氢气一直是一种诱人的零碳能源。然而，传统的制氢工艺，即将化石燃料暴露于蒸汽中，甚至与零碳都相去甚远。以这种方式生产的氢气被称为灰氢；如果捕获并封存二氧化碳 (CO₂)，则称为蓝氢。

绿色氢能则有所不同。它通过电解产生，即机器将水分解为氢气和氧气，没有其他副产品。从历史上看，电解需要大量的电力，因此以这种方式生产氢气没有什么意义。情况正在发生变化，原因有二。首先，电网规模上已经可以获得大量的过剩可再生电力；与其将多余的电力存储在电池阵列中，不如将多余的电力用于驱动水电解，以氢气的形式“存储”电力。其次，电解槽正变得越来越高效。

各公司正在努力开发能够以与灰氢或蓝氢一样廉价的方式生产绿色氢能的电解槽，分析师预计它们将在未来十年内实现这一目标。与此同时，能源公司开始将电解槽直接整合到可再生能源项目中。例如，Gigastack 项目背后的一个企业联合体计划为 Ørsted 的 Hornsea Two 海上风电场配备 100 兆瓦的电解槽，以工业规模生产绿色氢能。

目前的太阳能和风能等可再生技术可以通过用清洁电力取代天然气和煤炭，将能源部门脱碳高达 85%。经济的其他部门，如航运和制造业，更难电气化，因为它们通常需要能量密度高的燃料或高温下的热量。绿色氢能在这些领域具有潜力。行业组织能源转型委员会表示，绿色氢能是实现《巴黎协定》目标所必需的四项技术之一，该目标旨在从最具挑战性的工业部门（包括采矿、建筑和化工）每年减少超过 100 亿吨的二氧化碳排放。

尽管绿色氢能仍处于起步阶段，但各国——尤其是那些拥有廉价可再生能源的国家——正在投资这项技术。澳大利亚希望出口利用其丰富的太阳能和风能生产的氢气。智利计划在该国干旱的北部地区发展氢能，那里太阳能电力充足。中国计划到 2030 年在道路上投放 100 万辆氢燃料电池汽车。

韩国、马来西亚、挪威和美国也在开展类似的项目，美国的加利福尼亚州正在努力到 2040 年逐步淘汰化石燃料公交车。欧盟委员会最近发布的 2030 年氢能战略呼吁将氢能产能从今天的 0.1 吉瓦提高到 2050 年的 500 吉瓦。所有这些都是高盛今年早些时候预测绿色氢能到 2050 年将成为一个 12 万亿美元市场的原因。

合成生物学：全基因组合成

下一代细胞工程

作者：安德鲁·海塞尔和李相烨

在 COVID-19 大流行的早期，中国的科学家将该病毒的基因序列（其生产蓝图）上传到基因数据库。然后，一个瑞士研究小组合成了整个基因组，并从中生产出病毒——实际上是将病毒“瞬间移动”到他们的实验室进行研究，而无需等待物理样本。这种速度是全基因组打印如何推进医学和其他事业的一个例子。

全基因组合成是蓬勃发展的合成生物学领域的延伸。研究人员使用软件设计基因序列，然后生产这些序列并将其引入微生物，从而对微生物进行重新编程，使其执行所需的工作——例如制造一种新药。到目前为止，基因组主要进行轻微编辑。但合成技术和软件的进步使得打印更大范围的遗传物质和更广泛地改变基因组成为可能。

病毒基因组很小，是首先被生产出来的，最早是在 2002 年，当时生产出了脊髓灰质炎病毒的大约 7,500 个核苷酸或代码字母。与冠状病毒一样，这些合成的病毒基因组已帮助研究人员深入了解相关病毒如何传播和致病。一些病毒基因组正在被设计用于疫苗和免疫疗法的生产。

编写包含数百万个核苷酸的基因组（如细菌和酵母中的基因组）也已变得可行。2019 年，一个团队打印了大肠杆菌基因组的一个版本，该版本为可以迫使细菌执行科学家指令的代码留出了空间。另一个团队已经生产出了酿酒酵母基因组的初始版本，该基因组由近 1100 万个代码字母组成。这种规模的基因组设计和合成将使微生物能够作为工厂，不仅生产药物，还生产任何数量的物质。可以对它们进行工程改造，以可持续地利用非食用生物质甚至废气（如二氧化碳）生产化学品、燃料和新型建筑材料。

许多科学家希望能够编写更大的基因组，例如来自植物、动物和人类的基因组。要实现这一目标，需要在设计软件（最有可能结合人工智能）以及更快、更便宜的合成和组装至少数百万个核苷酸长的 DNA 序列的方法上进行更多投资。如果资金充足，在本十年结束之前，十亿核苷酸规模的基因组编写可能会成为现实。研究人员心中有很多应用，包括设计抗病原体的植物和超安全的类人细胞系——例如，对病毒感染、癌症和辐射免疫——这可能成为基于细胞的疗法或生物制造的基础。编写我们自己的基因组的能力将不可避免地出现，使医生能够治愈许多甚至所有遗传疾病。

当然，全基因组工程可能会被滥用，主要担心的是武器化的病原体或其产生毒素的成分。科学家和工程师将需要设计一个全面的生物安全过滤器：一套能够实时检测和监测新威胁传播的现有和新型技术。研究人员将需要发明能够快速扩展的测试策略。至关重要的是，世界各国政府必须比现在更加合作。

基因组编写计划 (Genome Project-write) 是一个成立于 2016 年的联盟，它定位于促进这张安全网的形成。该项目包括来自十几个国家的数百名科学家、工程师和伦理学家，他们开发技术、分享最佳实践、开展试点项目，并探索伦理、法律和社会影响。

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