面向未來的100項顛覆性技術(shù)創(chuàng)新（一）

在研發(fā)和創(chuàng)新相關(guān)政策規(guī)劃時，及時了解掌握能夠?qū)θ蚩萍己徒?jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大影響的技術(shù)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(guān)心科學(xué)、技術(shù)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(xué)技術(shù)文獻(xiàn)的大規(guī)模文本挖掘，結(jié)合專家的咨詢評論，篩選了100項可能對全球經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重大影響的顛覆性技術(shù)，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(jìn)行摘編。

1. 增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented Reality）

增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）指將計算機(jī)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(shù)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(chǔ)是虛擬投影與現(xiàn)實世界的集成。AR的專業(yè)應(yīng)用是交互式手冊，為操作機(jī)器的人提供現(xiàn)場指導(dǎo)。最新的研究領(lǐng)域是人類醫(yī)學(xué)。醫(yī)生們在手術(shù)過程中使用AR技術(shù)，將大大減少在手術(shù)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(yùn)動的虛擬實時模型來改進(jìn)康復(fù)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(dān)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(jìn)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(dǎo)下，機(jī)器可以執(zhí)行傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)任務(wù)，如育苗、再植和收獲，也包括畜牧業(yè)。從長遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)以及就業(yè)等領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性影響。

3. 區(qū)塊鏈（Blockchain）

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N允許互不相識的人組織網(wǎng)絡(luò)來保存可信記錄的技術(shù)。區(qū)塊鏈也是比特幣等加密貨幣的核心技術(shù)。區(qū)塊鏈可能會通過建設(shè)去中心化網(wǎng)絡(luò)，為所有可能的交易提供一個中立和公平的結(jié)果。企業(yè)將區(qū)塊鏈技術(shù)視為提高自身業(yè)務(wù)可追溯性的機(jī)會。區(qū)塊鏈技術(shù)可以保存不可變記錄，沒有任何麻煩或感染的風(fēng)險，網(wǎng)絡(luò)上的任何人都可以隨時對其進(jìn)行驗證，可以用來增加工作的透明度。公共團(tuán)體和企業(yè)認(rèn)為區(qū)塊鏈?zhǔn)俏磥碚\信經(jīng)營的基礎(chǔ)設(shè)施。

4. 聊天機(jī)器人（Chatbots）

聊天機(jī)器人是一種通過書面文字或現(xiàn)場音頻與人進(jìn)行實時對話的計算機(jī)程序。傳統(tǒng)上，聊天機(jī)器人遵循一組預(yù)定義的規(guī)則和腳本，查找特定的單詞并為預(yù)定義的問題提供預(yù)定義的答案，這種模式通常會導(dǎo)致用戶體驗不佳。較新的聊天機(jī)器人由人工智能技術(shù)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(jī)器人與Siri、Cortana或Google Assistant等虛擬助手之間的界限。

隨著聊天機(jī)器人在理解和響應(yīng)用戶問題方面越來越好，它可能會不斷進(jìn)化并成為主流。未來的聊天機(jī)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(jī)、智能手機(jī)和機(jī)器人等進(jìn)行交互。

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

計算機(jī)能夠創(chuàng)造出原創(chuàng)性的藝術(shù)、創(chuàng)意和解決方案，它們看起來像在大型藝術(shù)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(shè)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(jī)械任務(wù)外，還可以增強(qiáng)人類的探索和解決問題的能力。下一個前沿領(lǐng)域是使用復(fù)雜的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)設(shè)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(shù)廣泛應(yīng)用的主要障礙之一是傳感器的相對成本和復(fù)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(shè)計的角度來看，無人駕駛車輛出人意料的復(fù)雜，創(chuàng)造完全自主無人駕駛汽車的進(jìn)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(shù)，但其前景并不像許多人最初認(rèn)為的那樣可觀。從長遠(yuǎn)來看，無人駕駛成為常態(tài)社會將發(fā)生范式轉(zhuǎn)變，擁有私家車可能不再對很多人有吸引力，無論是陸運(yùn)、空運(yùn)還是海運(yùn)，運(yùn)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(yīng)該保障立法與技術(shù)的和諧發(fā)展。

7. 外骨骼（Exoskeleton）

外骨骼是一種體外的人造結(jié)構(gòu)，為了補(bǔ)償或增強(qiáng)自然的身體能力而設(shè)計。它被放置在人的身體上，作為一個增強(qiáng)放大器，增強(qiáng)或恢復(fù)人的機(jī)械性能。外骨骼最成熟的應(yīng)用是醫(yī)學(xué)領(lǐng)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(fù)。外骨骼可能會逐漸被老年人廣泛使用。新的工業(yè)設(shè)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(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的數(shù)碼攝影只捕捉三種波長的光，從藍(lán)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(zhì)，有點像遠(yuǎn)距離的光譜學(xué)。

高光譜成像能夠提供比常規(guī)成像系統(tǒng)更詳細(xì)的數(shù)據(jù)，目前仍處于起步階段。高光譜機(jī)器視覺應(yīng)用存在一些限制，關(guān)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(yīng)用障礙，但是將最新的高光譜成像引擎技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法結(jié)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(shù)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(jìn)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(jī)多功能芯片的100倍。新的語音處理器支持立體聲 AEC（聲學(xué)回聲消除）和遠(yuǎn)場線性麥克風(fēng)陣列，它專為支持語音的智能電視、條形音箱、機(jī)頂盒和數(shù)字媒體而設(shè)計。即使在復(fù)雜的聲學(xué)環(huán)境中，也可以從整個房間準(zhǔn)確捕獲命令，以供基于云的語音識別系統(tǒng)進(jìn)行處理。

語音識別和會話平臺有望成為十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢之一，語音搜索將占到所有搜索中的50％。從長遠(yuǎn)看，這種轉(zhuǎn)變使人們能夠與周圍的智能連接設(shè)備進(jìn)行交互。隨著人工智能和自然語言處理技術(shù)變得越來越復(fù)雜，即使人們的語音命令中沒有明確的說明，設(shè)備也將能夠理解用戶，然后預(yù)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(jìn)行交互。基于這一原則設(shè)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(jī)器人的應(yīng)用有關(guān)。

11. 無人機(jī)（Warfare Drones）

目前無人機(jī)研究一直專注于提高信息收集能力，使無人機(jī)更加精確。無人機(jī)必須靠自己導(dǎo)航，因此人們特別關(guān)注它們的感知能力。從導(dǎo)航到武器部署，所有無人機(jī)都通過傳感器數(shù)據(jù)構(gòu)建內(nèi)部地圖來運(yùn)行，以允許其算法做出決策，在使用多波長激光從遠(yuǎn)處分析物質(zhì)的傳感器領(lǐng)域取得了廣泛進(jìn)展。這些傳感器專為無人機(jī)而開發(fā)，可以可靠地檢測爆炸物，提供關(guān)鍵任務(wù)數(shù)據(jù)。DARPA 開發(fā)的原型無人機(jī)系統(tǒng)使用完全自主的無人機(jī)，可以在飛行中過渡到中等高度的機(jī)翼飛行，該系統(tǒng)具有比傳統(tǒng)直升機(jī)更大航程的監(jiān)視和打擊能力。

無人機(jī)易于部署，已經(jīng)成為一種新型武器。假設(shè)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(yīng)對這種威脅，反無人機(jī)技術(shù)已經(jīng)多樣化，比如名為猛禽的戰(zhàn)斗機(jī)F-22和干擾技術(shù)，也可能會出現(xiàn)防御性無人機(jī)，這種無人機(jī)用來狩獵其他無人機(jī)。

12. 人工智能（Artificial Intelligence）

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一直是深度學(xué)習(xí)的支柱，在計算機(jī)視覺中，出現(xiàn)了一些設(shè)計創(chuàng)新（包括膠囊網(wǎng)絡(luò)和欺騙網(wǎng)絡(luò)），帶來了新的前景和新的挑戰(zhàn)。未來幾十年中，機(jī)器學(xué)習(xí)、計算機(jī)視覺、自然語言處理和機(jī)器人技術(shù)方面的進(jìn)步和創(chuàng)新將重塑整個科學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域。人工智能軟件和硬件基礎(chǔ)設(shè)施的未來發(fā)展可能會導(dǎo)致無監(jiān)督學(xué)習(xí)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(yīng)用領(lǐng)域，而且在廣泛的領(lǐng)域和環(huán)境中能夠自我進(jìn)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(jī)將被攝體記錄在高分辨率的全息膠片上構(gòu)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(xué)全息圖是物理學(xué)家丹尼斯?加博在1948年發(fā)明的。從技術(shù)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(shù)起源于20世紀(jì)60年代，是光學(xué)全息技術(shù)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(xué)全息、可觸摸全息圖以及全息顯微鏡和打印機(jī)。聲學(xué)全息圖是在3D打印的超材料矩陣的幫助下產(chǎn)生的，以復(fù)雜的方式扭曲單一來源的聲波，將其轉(zhuǎn)化為聲音全息圖，這種技術(shù)既省時又便宜。最近的進(jìn)展顯示，聲學(xué)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(shè)備表面，智能手機(jī)和日常設(shè)備將能夠彈出3D全息圖，屏幕尺寸無關(guān)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(shè)備進(jìn)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(jī)器人（Humanoids）

類人機(jī)器人是一種在外形和特征設(shè)計上與人類相似的機(jī)器。由于類人機(jī)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(yùn)動問題，近年來取得了一些進(jìn)展，使機(jī)器人的四肢接近人類。類人機(jī)器人在機(jī)器需要完成與人類相同的一般任務(wù)的情況下具有明顯的優(yōu)勢。DARPA組織了一場機(jī)器人大挑戰(zhàn)，以了解類人機(jī)器人在災(zāi)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(jī)器人是一個長期方向與短期方向截然不同的研究領(lǐng)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(jī)器人達(dá)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(jī)器人將會迅速成為標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器人平臺，成為從軍事到娛樂甚至家庭內(nèi)部的各種應(yīng)用。

15. 神經(jīng)科學(xué)（Neuroscience）

神經(jīng)科學(xué)仍然局限于基礎(chǔ)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(yù)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(chǔ)，是人類進(jìn)步的核心。富有創(chuàng)造力的神經(jīng)科學(xué)將使人們不僅能夠進(jìn)行感知，而且能夠預(yù)測并系統(tǒng)地影響想象力。

想象研究所（賓夕法尼亞大學(xué)積極心理學(xué)中心的非營利機(jī)構(gòu)）的神經(jīng)科學(xué)家和心理學(xué)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(dǎo)向的標(biāo)準(zhǔn)化測試方法。更長遠(yuǎn)的期望是，創(chuàng)造力的神經(jīng)科學(xué)將使我們不僅能夠測量，而且能夠預(yù)測和影響想象能力。

16. 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)（Precision Farming）

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)依靠GPS、衛(wèi)星圖像、控制系統(tǒng)、傳感器、機(jī)器人、變速技術(shù)、遠(yuǎn)程信息技術(shù)、軟件等現(xiàn)有的最新信息和技術(shù)，在作物生長周期中（土壤整備、播種和收割）改善作物。在精準(zhǔn)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(luò)/互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施上檢測和遠(yuǎn)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(jī)平臺，該平臺與拖拉機(jī)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(jī)，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(jī)操作員在田間設(shè)置分段和卸載位置，調(diào)整速度，監(jiān)控位置，并命令谷物運(yùn)輸車與聯(lián)合收割機(jī)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(jī)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(wù)。這些機(jī)器人不受人為錯誤的影響，能夠適應(yīng)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(jī)器人（Soft Robot）

柔性機(jī)器人是機(jī)器人的一個子領(lǐng)域，用模仿生物體的材料建造機(jī)器。柔性機(jī)器人在其他方面與生物相似，突出在運(yùn)動和適應(yīng)環(huán)境變化的物理結(jié)構(gòu)的能力。機(jī)器人被稱為“柔性”，與那些剛性材料制造的機(jī)器人相比更突出它們的靈活性和適應(yīng)性。已有研究小組開發(fā)出了一種柔軟的機(jī)器人，它的執(zhí)行器類似肌肉，由硅橡膠制成，由氣壓驅(qū)動?？茖W(xué)家們已開發(fā)出一種自動設(shè)計軟執(zhí)行器的方法，他們用硅橡膠材料來設(shè)計一個柔軟的機(jī)器人，在單一壓力源的驅(qū)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(jī)器人技術(shù)中，柔性機(jī)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(jī)器人有望在藥物輸送和手術(shù)等醫(yī)療應(yīng)用中提供幫助。對于野外勘探和救災(zāi)，柔性機(jī)器人可以在復(fù)雜地形中導(dǎo)航并穿透狹窄空間。柔性機(jī)器人將進(jìn)一步幫助食品處理和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域?qū)崿F(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(gòu)成了一個自然用戶界面，極大地改變了人類與日常技術(shù)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(yīng)方面的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可轉(zhuǎn)化為對使用者的精準(zhǔn)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(fēng)捕獲，并由時間-燈光算法編譯。最新的超聲波技術(shù)采用聲學(xué)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)，例如現(xiàn)有智能手機(jī)中的麥克風(fēng)和揚(yáng)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(gòu)成了一個自然用戶界面(NUI)，改變了我們與日常技術(shù)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(shè)備發(fā)出命令，如電話、計算機(jī)、可穿戴設(shè)備、游戲和VR控制臺、娛樂系統(tǒng)、機(jī)器人和家用電器。非接觸界面也可以增強(qiáng)專業(yè)設(shè)備，如醫(yī)療或軍事設(shè)備。它還將徹底改變依賴深度消費者參與的領(lǐng)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(jī)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(zhǔn)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(yùn)輸方式都集中在短程和中程運(yùn)輸，因此城市將成為飛行汽車類產(chǎn)品的主要目標(biāo)。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(chǔ)設(shè)施的發(fā)展。長遠(yuǎn)看，整個城市可能會基于飛行車普遍使用的場景進(jìn)行規(guī)劃調(diào)整。

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

神經(jīng)形態(tài)技術(shù)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(jī)器學(xué)習(xí)能力。神經(jīng)形態(tài)芯片是將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作原理蝕刻到硅中，其能效可達(dá)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(shè)備、車輛和工業(yè)設(shè)備。

2018年英特爾宣布了一種神經(jīng)形態(tài)芯片，應(yīng)用該芯片的設(shè)備可以識別網(wǎng)絡(luò)攝像頭捕捉到的圖片中的物體，這為該領(lǐng)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(xué)習(xí)規(guī)則。

神經(jīng)形態(tài)芯片的發(fā)展可以促進(jìn)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(jī)器人運(yùn)動。通過合理的功耗控制，它們可以成為從玩具到仿人機(jī)器人等多樣化交互設(shè)備的關(guān)鍵組件。

21. 仿生學(xué)（醫(yī)學(xué)）（Bionics）

“仿生學(xué)”通常用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，用來描述用機(jī)械代替或增強(qiáng)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(shè)計盡可能接近被替換身體部分的原始功能。

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

未來仿生學(xué)的目標(biāo)是“將有機(jī)體與機(jī)器融合”。這種方法將產(chǎn)生生物和機(jī)械部件融合為“機(jī)器人”的混合系統(tǒng)。仿生器官將增強(qiáng)生物功能，使人們更快地奔跑、看得更遠(yuǎn)、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(zhì)的，估計有500個不同的部分，通過非常密集的網(wǎng)絡(luò)連接在一起。腦功能映射技術(shù)正在迅速發(fā)展，為治療神經(jīng)疾病、理解認(rèn)知和在人工環(huán)境中復(fù)制認(rèn)知奠定了基礎(chǔ)。

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(xué)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(jī)來解讀收集到的信息。

長遠(yuǎn)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(yù)和預(yù)防策略提供重要信息。此外，大腦解碼的進(jìn)步有力地支持了腦機(jī)接口和大腦仿真技術(shù)的發(fā)展。

23. 腦機(jī)接口（Brain Machine Interface）

腦機(jī)接口是大腦與外部設(shè)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(qiáng)和更復(fù)雜的是“雙向”腦機(jī)接口，它記錄大腦活動并將刺激傳遞到神經(jīng)系統(tǒng)。腦機(jī)接口領(lǐng)域的研究目標(biāo)之一是通過人機(jī)共生來提高執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)（例如駕駛戰(zhàn)斗機(jī)）的效率。腦信號刺激的研究進(jìn)展可能會開啟腦與腦交流的新時代。中期來看，實現(xiàn)復(fù)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(yīng)用先進(jìn)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(yùn)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(shù)突破，將機(jī)器人學(xué)習(xí)算法應(yīng)用于書面文本可以檢測我們表達(dá)的積極或消極態(tài)度等。目前，智能手機(jī)可以告訴你你的感受，并提供相應(yīng)的內(nèi)容、通信或應(yīng)用程序建議。智能設(shè)備是我們當(dāng)前的現(xiàn)實，但“共情設(shè)備”可能是未來。

情緒識別可以完全改變營銷人員設(shè)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(biāo)群體對每個想法進(jìn)行科學(xué)而嚴(yán)格的測試。情緒識別通過捕獲微表情并檢測出細(xì)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?qū)崟r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(yīng)平臺，將為無法獲得醫(yī)療服務(wù)地區(qū)的患者提供交互式遠(yuǎn)程醫(yī)療和治療系統(tǒng)的支持。未來，柔性有機(jī)光學(xué)傳感器可以直接層壓在器官上，以監(jiān)測手術(shù)期間和手術(shù)后的血氧水平。智能紋身還將幫助中風(fēng)或腦損傷康復(fù)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(xué)研究中心研究人員設(shè)計了一種所謂的“記憶電阻器”，一種直接在計算機(jī)芯片上實現(xiàn)的人工突觸（Artificial Synapse）。這種突觸能夠自主學(xué)習(xí)，還能夠?qū)υ撈骷M(jìn)行建模，這對于開發(fā)更復(fù)雜的電路至關(guān)重要。未來，這些技術(shù)將成為設(shè)計計算機(jī)機(jī)器的一個重要組成部分。在模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的情況下尤其如此，要利用大腦的力量或模仿大腦的結(jié)構(gòu)還需要進(jìn)一步探索研究。模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以提升效率，對于具有大量連接的超級計算機(jī)而言，將會獲得更強(qiáng)大的計算能力。

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(fù)雜的設(shè)計，而且還可以實現(xiàn)新的應(yīng)用，如可穿戴設(shè)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(shù)是薄膜電子學(xué)，柔性電子器件被應(yīng)用于顯示器制造、傳感器、能量儲能/轉(zhuǎn)換、醫(yī)療保健、環(huán)境監(jiān)測、人機(jī)交互等領(lǐng)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(yīng)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(yīng)用場景。研究人員認(rèn)為該技術(shù)將帶給人們智能織物、可拉伸的屏幕、可彎曲的智能手機(jī)、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(dǎo)體光源器件，具有將電轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)LED的刷新速度****倍。以納米棒為基礎(chǔ)的發(fā)光二極管可以對激光筆做出反應(yīng)。

納米半導(dǎo)體在生物學(xué)、計算機(jī)、醫(yī)學(xué)以及照明等領(lǐng)域應(yīng)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(yuǎn)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(shè)備，并使用環(huán)境光為這些設(shè)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(shù)、電子、光學(xué)和其他材料科學(xué)中具有價值。

硅一直是這些領(lǐng)域的首選材料，但它的主導(dǎo)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(jī)更快、更高效的芯片外，纖巧但功能強(qiáng)大的處理器還可以支持新型技術(shù)，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(jī)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(shè)備的物理特性來存儲和處理信息。這與當(dāng)前馮諾依曼系統(tǒng)和設(shè)備中發(fā)生的情況不同，例如標(biāo)準(zhǔn)的臺式計算機(jī)、筆記本電腦甚至手機(jī)，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(xué)家演示了“一種無監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，它運(yùn)行在一百萬個相變存儲器(PCM)設(shè)備上，成功地在未知數(shù)據(jù)流中發(fā)現(xiàn)了時間相關(guān)性。與最先進(jìn)的經(jīng)典計算機(jī)相比，這種技術(shù)有望在速度和能源效率方面提高200倍。

內(nèi)存驅(qū)動計算是無限靈活且可擴(kuò)展的架構(gòu)，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(wù)。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(chǔ)架構(gòu)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(dǎo)電性能好、化學(xué)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(jī)的百分之一。

石墨烯晶體管和芯片使計算機(jī)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(xué)傳感器等技術(shù)帶來了廣闊前景。

32. 高精度時鐘（High - precision Clock）

在許多應(yīng)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(jié)構(gòu)圖像。光學(xué)時鐘或原子鐘有望在時間測量和標(biāo)準(zhǔn)化方面提供更高的精度。這使其適用于多種應(yīng)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(chǔ)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(jié)構(gòu)。納米線的可重復(fù)性和可調(diào)節(jié)性以及表面特性為納米醫(yī)學(xué)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(xué)、光電子學(xué)以及分子尺度的化學(xué)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(biāo)分子，如DNA、RNA和蛋白質(zhì)。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(xué)和電學(xué)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(xué)（Optoelectronics）

光電子學(xué)是光子學(xué)的一個分支，致力于把電子學(xué)和光結(jié)合起來傳輸數(shù)據(jù)。光電子學(xué)的進(jìn)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(xué)特性，使用超快（飛秒）激光寫入技術(shù)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(jìn)的玻璃盤，對氣候條件更持久，化學(xué)穩(wěn)定性更好。額外的容量允許存儲多達(dá)360TB的數(shù)據(jù)，大約是50Gb藍(lán)光光盤容量的7000倍，熱穩(wěn)定性高達(dá)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(jī)構(gòu)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(yù)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(yīng)用于數(shù)據(jù)中心。集成光量子研究的進(jìn)展會革新光量子技術(shù)，同時保持與現(xiàn)有半導(dǎo)體芯片技術(shù)的兼容性。

35. 量子計算機(jī)（Quantum Computers）

量子計算機(jī)(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(xué)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(jī)和量子編譯器，但目前的技術(shù)沒有為量子計算機(jī)的制造提供成熟的解決方案，而第一個原型機(jī)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(yùn)行所有現(xiàn)有代碼的通用量子計算機(jī)，仍需要進(jìn)行更多的研究。為了使量子計算機(jī)更加有效、穩(wěn)定和便宜，必須進(jìn)行大量的研究工作，并解決與量子相干和低溫工作有關(guān)的問題。

36. 量子密碼學(xué)（Quantum Cryptography）

無論服務(wù)于個人通信、電子商務(wù)或網(wǎng)上銀行交易，通過互聯(lián)網(wǎng)交換的機(jī)密信息都必須受到保護(hù)，防止通過加密、使用稱為密鑰的數(shù)字密碼進(jìn)行黑客攻擊。量子密鑰分配位于量子密碼學(xué)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(xué)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(xué)家們實現(xiàn)了一個技術(shù)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(shù)原因，此前量子通信僅限于幾百公里，但2016年****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(shè)備，與地面500公里以上的軌道進(jìn)行通信，這項基礎(chǔ)設(shè)施是世界上第一個天地量子網(wǎng)絡(luò)。中國量子技術(shù)處于全球領(lǐng)先，目標(biāo)在2030年建立全球量子網(wǎng)絡(luò)。未來盡管對量子技術(shù)的應(yīng)用仍然受到限制，但量子密鑰很可能會用于保護(hù)極其敏感和關(guān)鍵的數(shù)據(jù)。

37. 自旋電子學(xué)（Spintronics）

自旋電子學(xué)是一個新的研究領(lǐng)域，研究電子自旋對導(dǎo)電的影響。傳統(tǒng)的電子設(shè)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(xué)等效物，與電流不同的是，自旋可以在靜止電子之間轉(zhuǎn)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(xué)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(zhuǎn)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(shè)備，自旋電子學(xué)的一個潛在應(yīng)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(shè)備。

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(yīng)。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(xué)過程自然降解的材料通常用于食品和藥品包裝。可降解電子產(chǎn)品可以使設(shè)備更智能，例如溫度或化學(xué)監(jiān)測。

目前，電子產(chǎn)品的預(yù)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(dān)憂，使用生物降解或有機(jī)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(shè)備可能會在其生命周期結(jié)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(xué)分析等實驗室功能集成在一個微小尺寸的設(shè)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(yīng)用。由于診斷不及時會導(dǎo)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(dǎo)致膿毒癥的微生物，并減少抗生素的不當(dāng)使用。芯片實驗室技術(shù)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(chǔ)設(shè)施落后的地區(qū)。同時，該技術(shù)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(xué)角度來看，分子識別決定了一個化合物是否具有臨床性質(zhì)。基于分子識別的生物傳感應(yīng)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(biāo)記的生物分子。

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

41. 生物電子學(xué)（Bioelectronics）

生物電子學(xué)是利用生物材料或生物體系結(jié)構(gòu)來設(shè)計和制造信息處理機(jī)械和相關(guān)設(shè)備的技術(shù)。這一領(lǐng)域利用生物燃料電池、仿生學(xué)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(lǐng)域的重要方向是生物材料和小型電子設(shè)備之間的互補(bǔ)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(gòu)，以用于新型傳感器、執(zhí)行器和信息處理系統(tǒng)。該領(lǐng)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(shè)備之間更好的連接，這可能推動人類在假肢、人機(jī)集成、仿生學(xué)等領(lǐng)域的進(jìn)展。也將為健康建模、監(jiān)測和細(xì)胞發(fā)育研究開辟新的前景。

合成DNA作為一種存儲介質(zhì)，比大多數(shù)當(dāng)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(xì)胞、組織或工程器官中的事件和過程。

42. 生物信息學(xué)（Bioinformatics）

生物信息學(xué)是一個新的研究領(lǐng)域，它結(jié)合了生物學(xué)、數(shù)學(xué)和計算機(jī)科學(xué)等多個學(xué)科的方法、技術(shù)和數(shù)據(jù)。它的目標(biāo)是開發(fā)新的工具來繪制和分析生物有機(jī)體的數(shù)據(jù)。生物信息學(xué)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(chǔ)、獨特的適應(yīng)性、理想的特性，或種群之間的差異。

目前生物信息學(xué)的主要進(jìn)展在生物雜交領(lǐng)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(shù)可以應(yīng)用于從健康到納米技術(shù)、機(jī)器人甚至消費品（如新鮮農(nóng)產(chǎn)品）等大量領(lǐng)域。生物雜交技術(shù)也將在未來的機(jī)器人中得到應(yīng)用，它使得機(jī)器人動作更加精確，這將使機(jī)器人能夠得到廣泛的應(yīng)用。同時，通過將該技術(shù)與生物學(xué)相結(jié)合，可以復(fù)制組織或器官，從而幫助人們更好地了解人類生理學(xué)或設(shè)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(fù)雜的生物。目前有研究團(tuán)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(yīng)用前景。

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(jìn)行修復(fù)，結(jié)果是靶向突變。

目前基因編輯在基因工程領(lǐng)域產(chǎn)生了一場革命，雖然以細(xì)菌為基礎(chǔ)，但它幾乎適用于所有活細(xì)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(jìn)入許多不同的應(yīng)用領(lǐng)域，其中大多數(shù)前景仍然無法預(yù)想。在構(gòu)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(zhì)。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(jìn)入人體。

基因治療成為可行的技術(shù)能力正在擴(kuò)大，但基因治療的成熟度和大規(guī)模采用的復(fù)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(yán)重的風(fēng)險之一，這就意味著要面對多方面挑戰(zhàn)，包括：感染預(yù)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(dāng)?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(yīng)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(yīng)性較好并且具有較少的副作用，包括植入物排斥反應(yīng)。

目前一種3D打印系統(tǒng)已經(jīng)被提出，它可以將活細(xì)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(jié)構(gòu)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(yuǎn)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(xì)胞修復(fù)受損的器官。

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

基因表達(dá)是一個基因的核苷酸序列被用來指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成和產(chǎn)生各種細(xì)胞結(jié)構(gòu)的過程。通過了解如何控制基因表達(dá)，科學(xué)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(xì)胞，使未來的有機(jī)體組織健康，以推動輔助生殖和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域進(jìn)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(guān)的病理，并促進(jìn)組織變性和器官衰竭。通過研究人體對基因表達(dá)的控制，可以預(yù)見人的衰老程度和速度。在胚胎發(fā)育和多功能干細(xì)胞生物學(xué)階段控制基因表達(dá)可能會徹底改變輔助生殖和再生醫(yī)學(xué)。

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(fù)合物，以達(dá)到治療效果的一種治療方法。藥物傳遞技術(shù)的進(jìn)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(lǐng)域。

提升藥物輸送能力將導(dǎo)致藥物更快達(dá)到其目標(biāo)，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(shè)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(shù)（Epigenetic Change Technologies）

表觀遺傳技術(shù)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(dǎo)致可傳遞給子細(xì)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(biāo)都與表觀遺傳機(jī)制有關(guān)，包括多種癌癥、認(rèn)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(jī)制將有助于開發(fā)新的診斷方法、生物標(biāo)志物和治療方法。從長遠(yuǎn)來看，表觀遺傳技術(shù)的應(yīng)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(lǐng)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(jìn)人體免疫力提升，預(yù)防傳染性疾病擴(kuò)散。它是在基因治療(genetic therapy)技術(shù)的基礎(chǔ)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(yùn)輸。當(dāng)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(yīng)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(gòu)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(xì)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(xì)菌可以控制人類的基因活性，并可能有助于預(yù)防結(jié)直腸癌。

微生物組已成為醫(yī)學(xué)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(xué)（Regenerative Medicine）

再生醫(yī)學(xué)是一個新興的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，它致力于找到修復(fù)或替換因疾病、先天性問題或創(chuàng)傷而受損的細(xì)胞、組織甚至整個器官的方法。通過組織工程、干細(xì)胞的細(xì)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(xué)將專注于為細(xì)胞分化、細(xì)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(zhì)的情況下產(chǎn)生組織和器官。

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

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

55. 靶向細(xì)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(guān)死亡820萬例，預(yù)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(xì)胞死亡的關(guān)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(xì)胞死亡機(jī)制并嘗試協(xié)同激活和控制多種細(xì)胞死亡途徑是一種新興對抗癌癥的方法，預(yù)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(lǐng)域的某些毒性和耐藥性問題。

文章來源

https://ec.europa.eu/info/sites/default/files/research_and_innovation/knowledge_publications_tools_and_data/documents/ec_rtd_radical-innovation-breakthrough_052019.pdf 

編譯：江曉波、黃詩愉，責(zé)任編輯：王達(dá)