進(jìn)入2021年個(gè)月，到了年度總結(jié)時(shí)間。今年經(jīng)濟(jì)形勢(shì)動(dòng)蕩，疫情仍然蔓延，氣候變化導(dǎo)致拉尼娜氣候現(xiàn)象嚴(yán)峻，冬天恐怕會(huì)被凍哭……

在這不平靜的一年里，近日世界經(jīng)濟(jì)論壇和《科學(xué)美國(guó)人》發(fā)布了2021年新興技術(shù)報(bào)告，專家們從幾十項(xiàng)提名中篩選出了一組有可能現(xiàn)狀，刺激真正進(jìn)步的新技術(shù)，這些技術(shù)都有望在接下來(lái)的3到5年里影響整個(gè)世界。

應(yīng)對(duì)氣候變化的去碳化技術(shù)、檢測(cè)病情的呼吸傳感器技術(shù)（已在武漢得到檢驗(yàn)）、解決無(wú)家可歸者居住問(wèn)題的3D房屋打印技術(shù)、從5G網(wǎng)絡(luò)獲取能量的無(wú)源傳感器技術(shù)、可檢測(cè)血糖等數(shù)據(jù)的無(wú)線生物傳感器技術(shù)……都在名單中

新興技術(shù)中，竟然有3項(xiàng)新興技術(shù)屬于傳感器創(chuàng)新應(yīng)用，我們來(lái)看看吧！

1、去碳化技術(shù)興起

應(yīng)對(duì)氣候變化的全面承諾將催生新技術(shù)

從科學(xué)家提出二氧化碳可以在大氣中吸收熱量的觀點(diǎn)后，一個(gè)多世紀(jì)過(guò)去了，各國(guó)政府和行業(yè)都做出了新的承諾，以減少它們的碳排放。

2021 年，作為二大碳排放源的美國(guó)承諾到 2030 年將其排放量相對(duì)于 2005 年的水平減半。英國(guó)宣布了自己的目標(biāo)，到2030年與 1990 年的水平相比減少 68%。歐盟議會(huì)最近通過(guò)了一項(xiàng)法律，要求到 2030 年碳排放量比 1990 年的水平減少 55%。盡管石油和航空等行業(yè)更抗拒變革，但自 2015 年以來(lái)，相關(guān)企業(yè)加入減碳目標(biāo)計(jì)劃的速度自 2015 年以來(lái)翻了一番。通用汽車、大眾汽車和其他主要汽車制造商在過(guò)去一年為脫碳設(shè)定了雄心勃勃的目標(biāo)。

這些決策對(duì)行業(yè)有變革性的影響，預(yù)計(jì)在未來(lái)3~5年內(nèi)，兌現(xiàn)這些承諾將需要的技術(shù)創(chuàng)新，并將新興技術(shù)擴(kuò)展到工業(yè)應(yīng)用水平，例如：大規(guī)模儲(chǔ)能、低碳/無(wú)碳化學(xué)源、振興鐵路運(yùn)輸、碳封存、低碳農(nóng)業(yè)、車輛和電源，以及在范圍內(nèi)達(dá)成一致的達(dá)標(biāo)性監(jiān)控。

2、自我施肥的農(nóng)業(yè)技術(shù)

根植而不是播撒

為世界不斷增長(zhǎng)的人口提供充足的食物，這很大程度上依賴于含氮工業(yè)肥料的使用。根據(jù)糧食及農(nóng)業(yè)組織的數(shù)據(jù)，每年需要約 1.1 億噸氮肥來(lái)維持作物生產(chǎn)。

氮肥通常是通過(guò)將空氣中的氮轉(zhuǎn)化為氨來(lái)生產(chǎn)的，氨是植物可以使用的一種氮來(lái)源（植物通過(guò)氨獲取氮元素）。這種轉(zhuǎn)換維持了大約 50% 的糧食生產(chǎn)，估計(jì)占世界主要能源需求的 1%。但這也是一個(gè)能源密集型過(guò)程：它占二氧化碳排放量的 1% 至 2%。

此外，工業(yè)化肥對(duì)許多國(guó)家的貧困農(nóng)民來(lái)說(shuō)過(guò)于昂貴，這也導(dǎo)致貧困地區(qū)弄作物產(chǎn)量大幅下降并增加了對(duì)自然土地的需求壓力。

為了開(kāi)發(fā)解決方案，研究人員正在從自然界某些植物捕獲氮?dú)獾撵`感來(lái)制造氮肥。玉米和其他谷物等主要糧食作物依賴土壤中的無(wú)機(jī)氮，而大豆和其他豆類等豆科植物則保持著一種巧妙的方式來(lái)“自我施肥"。

豆科植物的根部與土壤細(xì)菌相互作用，導(dǎo)致根部細(xì)菌定植并形成稱為根瘤的共生器官。在這些結(jié)構(gòu)中，植物提供糖類來(lái)維持細(xì)菌的生存，并從細(xì)菌固氮的能力中獲益——即將大氣中的氮轉(zhuǎn)化為氨。因此，通過(guò)與土壤細(xì)菌在進(jìn)化上古老的共生關(guān)系，豆類作物不需要施放現(xiàn)代氮肥。

研究人員的目標(biāo)是讓玉米等其他作物也能通過(guò)類似的方式實(shí)現(xiàn)自我施肥。

3、呼吸傳感器技術(shù)診斷疾病

抽氣遠(yuǎn)比抽血快

當(dāng)懷疑駕車者醉酒時(shí)，他們可以使用呼吸分析儀：一種測(cè)量血液中酒精含量的手持設(shè)備。疾病診斷也可以這樣做嗎？答案是肯定的。

人的呼吸中含有 800 多種化合物，最近的發(fā)現(xiàn)表明某些濃度的化合物與不同的疾病狀態(tài)之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性。例如，丙酮濃度顯著升高的呼吸是糖尿病的強(qiáng)烈跡象；呼出的高濃度一氧化氮與發(fā)炎的細(xì)胞相關(guān)，因此可以用作呼吸系統(tǒng)疾病的生物標(biāo)志物；更多的醛類與肺癌密切相關(guān)。

當(dāng)一個(gè)人吸入采樣器時(shí)，呼吸的氣體會(huì)被送入傳感器，該傳感器通常根據(jù)金屬氧化物半導(dǎo)體的電阻變化進(jìn)行檢測(cè)。在幾分鐘內(nèi)，外部計(jì)算機(jī)使用軟件分析來(lái)生成存在的化合物數(shù)據(jù)。

除了比抽血更快地提供結(jié)果之外，呼吸傳感器還可以通過(guò)提供一種非侵入性的方式來(lái)收集關(guān)鍵健康數(shù)據(jù)來(lái)簡(jiǎn)化醫(yī)療診斷。

在醫(yī)療資源有限的低收入國(guó)家，它們的易用性、便攜性和成本效益為醫(yī)療保健提供了新的機(jī)會(huì)。這些設(shè)備還可以幫助減輕病毒的社區(qū)傳播，其方法類似于在進(jìn)入超市或餐館等公共室內(nèi)空間之前對(duì)個(gè)人進(jìn)行體溫檢查的方式。

2020 年 3 月，以色列理工學(xué)院的 Hossam Haick 教授及其同事在中國(guó)武漢完成了一項(xiàng)探索性臨床研究，用于檢測(cè)呼出氣中的 病毒。該傳感器在區(qū)分肺炎疾病陽(yáng)性或陰性人群方面達(dá)到了 95%的驚人準(zhǔn)確度和 99% 靈敏度。

2021 年，美國(guó)衛(wèi)生與公共服務(wù)部提供了 380 萬(wàn)美元，用于重新利用 NASA 的 E-Nose（一種使用納米傳感器陣列技術(shù)自動(dòng)掃描國(guó)際空間站空氣中是否存在潛在危險(xiǎn)化學(xué)品的監(jiān)視儀器）來(lái)檢測(cè) 。

在呼吸傳感器技術(shù)普及之前，有一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)需要面對(duì)。首先，必須提高對(duì)某些疾病的檢測(cè)準(zhǔn)確度，尤其是結(jié)核病和癌癥。其次，呼吸樣本中的各種化合物會(huì)混淆測(cè)試結(jié)果，造成假陽(yáng)性。分析傳感器數(shù)據(jù)的算法也需要改進(jìn)以達(dá)到更高的準(zhǔn)確性。最后，需要對(duì)臨床試驗(yàn)進(jìn)行更大的投資，以幫助在大量人群中驗(yàn)證這項(xiàng)技術(shù)。

4、按需生產(chǎn)藥物

在需要的時(shí)間和地點(diǎn)制造藥物

如果下次你去當(dāng)?shù)氐乃幏繒r(shí)，藥劑師不是通過(guò)預(yù)制藥物的藥房來(lái)配給處方的藥，而是按照為你量身定制的確切劑量和配方來(lái)配藥，該怎么辦？微流控技術(shù)和按需制造藥物的進(jìn)展有望使這一想法成為現(xiàn)實(shí)。

傳統(tǒng)上，藥品是通過(guò)許多復(fù)雜步驟過(guò)程大批量生產(chǎn)的，不同的流程分散在世界各地的許多地方。數(shù)以百噸計(jì)的原材料支撐著這種大規(guī)模生產(chǎn)，在確保質(zhì)量和可靠性方面帶來(lái)了挑戰(zhàn)，而完成藥物并將其運(yùn)送到商店可能需要幾個(gè)月的時(shí)間。

相比之下，按需藥品制造，也稱為連續(xù)流程藥品制造，可以一次性完成藥品生產(chǎn)。該流程通過(guò)管道將材料移入小型反應(yīng)室，也被稱為連續(xù)流制造。在偏遠(yuǎn)地區(qū)或戰(zhàn)地醫(yī)院中，可以通過(guò)便攜式機(jī)器制造這些藥物，為每個(gè)病人量身定做劑量，還需解決的一項(xiàng)挑戰(zhàn)便是降低這種新興技術(shù)的高成本。

5、來(lái)自無(wú)線信號(hào)的能量

5G將助力物聯(lián)網(wǎng)

構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的無(wú)線設(shè)備是日益網(wǎng)絡(luò)化世界的支柱。它們是部署在家庭中的小工具、生物醫(yī)學(xué)用途的可穿戴設(shè)備以及危險(xiǎn)區(qū)域的傳感器。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)傳感器支持使用更少的灌溉用水和農(nóng)藥施放的農(nóng)業(yè)實(shí)踐；更節(jié)能的智能電網(wǎng)；監(jiān)測(cè)可能威脅橋梁或混凝土基礎(chǔ)設(shè)施安全的傳感器；以及用于泥石流和地震等災(zāi)害的預(yù)警傳感器。

預(yù)計(jì)到 2025 年將有 400 億臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上線，為這些設(shè)備提供便捷的電力是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)，無(wú)源傳感器將被更多的選擇。一種已經(jīng)在實(shí)踐中的解決方案利用了從 Wi-Fi 路由器或接入點(diǎn)發(fā)出的無(wú)線信號(hào)，而新興的 5G 技術(shù)將把無(wú)線能量收集提升到一個(gè)新的水平。

通過(guò) 5G 技術(shù)，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)允許進(jìn)入更高（但對(duì)人類仍然安全）毫米波范圍的電磁頻譜。除了更高的信息速率外，5G 無(wú)線信號(hào)比 4G 傳輸更多的輻射能量。這種能力預(yù)示著未來(lái)許多低功耗無(wú)線設(shè)備將不需要插入電源充電。

設(shè)備如何從無(wú)線信號(hào)中獲取電能？Wi-Fi 和 5G 通過(guò)電磁波以 FM 無(wú)線電、微波和毫米波等廣譜頻率傳播。該過(guò)程的步涉及接收天線，該天線捕獲無(wú)線信號(hào)攜帶的能量，天線將能量傳輸?shù)诫娮诱髌麟娐分校撾娐酚质褂冒雽?dǎo)體將其轉(zhuǎn)換為可以為設(shè)備充電或供電的直流 (DC) 電。這種天線和整流器（或轉(zhuǎn)換器）的組合稱為整流天線。

電源管理電路跟隨整流天線，放大電壓，而自身消耗的功率可以忽略不計(jì)。許多初創(chuàng)公司現(xiàn)在都提供依賴專用無(wú)線發(fā)射器的無(wú)線充電產(chǎn)品；然而，研究表明，此類設(shè)備很可能在不久的將來(lái)能夠收集 Wi-Fi 和 5G 信號(hào)的能量。

6、設(shè)計(jì)更好的健康跨度

專注于增加“健康壽命"，而不僅僅是壽命

根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，2015 年至 2050 年間， 60 歲以上人口的比例將從 12% 增加到 22%，幾乎翻了一番，這對(duì)衛(wèi)生和社會(huì)系統(tǒng)構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)。

老年癡呆、癌癥、2型糖尿病和動(dòng)脈粥樣硬化等慢性疾病都與衰老密切相關(guān)。逆轉(zhuǎn)衰老或?qū)ふ摇扒啻褐?的愿望可能與人類的進(jìn)化歷程一樣古老。了解衰老的分子機(jī)制可以幫助人類過(guò)上更長(zhǎng)壽而且更健康的生活，這才剛剛開(kāi)始。

研究人員已經(jīng)初步顯示出對(duì)衰老的分子機(jī)制的了解，這不僅可以幫我們活得更長(zhǎng)，而且更健康。利用全息技術(shù)（例如，它可以同時(shí)量化所有基因活動(dòng)或細(xì)胞中所有蛋白質(zhì)的濃度）和來(lái)自表觀遺傳學(xué)的洞察，研究人員得以識(shí)別那些能有力預(yù)測(cè)疾病的生物標(biāo)記，這就為積極治療提供了方向和目標(biāo)。

7、綠色產(chǎn)氨

減少肥料生產(chǎn)的二氧化碳排放

Haber-Bosch 工藝（哈柏法工藝）——可以說(shuō)是 20 世紀(jì)最重要的發(fā)明之一，但許多人從未聽(tīng)說(shuō)過(guò)——能夠以工業(yè)規(guī)模合成氨。

這種氨用于生產(chǎn)肥料，為 50% 的糧食生產(chǎn)提供燃料，使其成為糧食安全的關(guān)鍵。

然而，氨的合成是一種能源密集型化學(xué)過(guò)程，需要用氫氣做催化劑來(lái)固定氮。氫氣必須合成生產(chǎn)，目前使用化石燃料生產(chǎn)，這個(gè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳，占總排放量的 1% 到 2%。

隨著可再生能源現(xiàn)在變得普遍，一種“綠色"的氫氣變體正被創(chuàng)造出來(lái)，它不會(huì)釋放溫室氣體。除了消除大氣中多余的碳，綠色氫氣不使用污染性化學(xué)品，如果使用化石燃料作為能源，這些化學(xué)品則會(huì)被納入其中，這種純度能實(shí)現(xiàn)更有效的催化作用，以促進(jìn)氨的生產(chǎn)。

8、生物傳感設(shè)備無(wú)線化

實(shí)現(xiàn)對(duì)慢性病的連續(xù)、監(jiān)測(cè)

沒(méi)有人喜歡針。但監(jiān)測(cè)糖尿病和癌癥等慢性病需要頻繁的血液檢查來(lái)識(shí)別和跟蹤某些生物指標(biāo)。現(xiàn)在有 100 多家公司正在開(kāi)發(fā)無(wú)線、便攜式和可穿戴傳感器，這些傳感器將很快能夠持續(xù)監(jiān)控這些重要信息。

傳感器使用多種方法來(lái)檢測(cè)汗液、眼淚、尿液或血液中的生物標(biāo)志物。有些使用光或低功率電磁輻射（類似于手機(jī)或智能手表），結(jié)合天線和電子設(shè)備，窺視生物組織內(nèi)部，其他涉及皮膚上的可穿戴的、靈活的電子傳感器。

為了檢測(cè)給定的生物標(biāo)志物，傳感器監(jiān)測(cè)電流、電壓或電化學(xué)濃度的變化。監(jiān)測(cè)糖尿病是這項(xiàng)技術(shù)的首要目標(biāo)，預(yù)計(jì)到 2030 年，將有 5.78 億人被診斷出患有這種疾病。

為了滿足日益增長(zhǎng)的血糖水平檢測(cè)需求，一款便攜式設(shè)備聲稱使用毫米波無(wú)線電磁場(chǎng)和近紅外傳感進(jìn)行監(jiān)測(cè)，患者手指中的電壓變化可以與葡萄糖水平相關(guān)。

在另一種方法中，嵌入衣服的可穿戴電子設(shè)備使用微波范圍內(nèi)的電磁波檢測(cè)血流中的葡萄糖水平。

而第三種方法里，基于紋身的電路通過(guò)使用電極從自然滲出毛細(xì)血管的間質(zhì)液中獲取數(shù)據(jù)，從而評(píng)估汗液中的葡萄糖，類似于葡萄糖檢測(cè)器。

同時(shí)，類似紋身的電路可以對(duì)汗液中的乳酸變化進(jìn)行采樣，這項(xiàng)應(yīng)用已經(jīng)吸引體育行業(yè)投資。

無(wú)線連接系統(tǒng)可以與各種類型的傳感器配對(duì)，包括由密集排列的碳納米管制成的傳感器，或?qū)⒋判约{米粒子驅(qū)動(dòng)到微小的微流體通道中以通過(guò)電壓變化檢測(cè)生物標(biāo)志物的傳感器。

這些技術(shù)為能夠區(qū)分各種液體樣品的“電子舌頭"打開(kāi)了大門。通過(guò)眼液也可以或許許多健康數(shù)據(jù)，電子透明隱形眼鏡可以無(wú)線獲取癌癥生物標(biāo)志物或血糖水平以進(jìn)行糖尿病監(jiān)測(cè)。

集成具有射頻識(shí)別技術(shù)的護(hù)齒器，可以監(jiān)測(cè)唾液生物標(biāo)志物，可能發(fā)現(xiàn)各種生理和心理疾病，如 HIV、腸道感染、癌癥和 。

9、用當(dāng)?shù)夭牧洗蛴〉姆课?/strong>

用混凝土代替泥土

兒童疫苗或 LASIK 眼科手術(shù)等技術(shù)往往會(huì)顯著提高許多人的生活質(zhì)量，但它們?cè)诎l(fā)展中國(guó)家的作用卻很有限或顯著延遲。

據(jù)估計(jì)，用 3D 打印機(jī)建造房屋可以幫助解決 16 億人住房不足的挑戰(zhàn)。3D 打印房的概念并不新鮮，在美國(guó)和其他發(fā)達(dá)國(guó)家，用大規(guī)模的3D打印機(jī)制造房屋已經(jīng)在有限范圍內(nèi)得到了推行。

在發(fā)展中國(guó)家，由于基礎(chǔ)設(shè)施有限，材料的運(yùn)輸成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)，最近的使用3D打印機(jī)的實(shí)踐取得了跨越式發(fā)展，即用當(dāng)?shù)夭少?gòu)的材料、粘土、沙子和當(dāng)?shù)氐睦w維來(lái)打印建筑物——這解決了大約95%的需要運(yùn)輸?shù)浇ㄖさ氐牟牧蠁?wèn)題。

10、太空連接到地球

物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入地球軌道

如今，至少有 100 億臺(tái)有源設(shè)備構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng) (IoT)，預(yù)計(jì)未來(lái) 10 年這一數(shù)字將翻一番。

物聯(lián)網(wǎng)在通信和自動(dòng)化方面的優(yōu)勢(shì)需要在范圍內(nèi)架設(shè)傳感器設(shè)備，收集海量的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在云數(shù)據(jù)中心被梳理，使用人工智能來(lái)識(shí)別處理異常，例如天氣狀況和自然災(zāi)害。

但是，有一個(gè)大問(wèn)題：無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋的面積不到的一半，在連接方面留下了巨大的空缺。最近，隨著近地軌道上無(wú)數(shù)低成本的微型衛(wèi)星的出現(xiàn)，它們能夠在范圍內(nèi)捕獲這些數(shù)據(jù)并傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)中心進(jìn)行處理，物聯(lián)網(wǎng)將地了解范圍的情況——包括以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入、沒(méi)有傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展中地區(qū)。

諸如安全數(shù)據(jù)鏈接功率較低和近地軌道衛(wèi)星壽命期短的問(wèn)題仍然存在，但按照目前穩(wěn)定的進(jìn)展，有望在未來(lái)三到五年內(nèi)實(shí)現(xiàn)推行。

結(jié)語(yǔ)

傳感器作為電子設(shè)備的感知入口，連接著物理世界和數(shù)字世界，而越高層次的技術(shù)應(yīng)用，對(duì)傳感器的需求越大。

從這2021年新興技術(shù)中，依賴于傳感器進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用的技術(shù)有3項(xiàng)，分別是檢測(cè)病情等呼吸疾病的呼吸傳感器技術(shù)、從5G和WIFI等網(wǎng)絡(luò)獲取能量的無(wú)源傳感器技術(shù)、可檢測(cè)血糖等數(shù)據(jù)的無(wú)線生物傳感器技術(shù)等。

我們是否可以粗略的看，未來(lái)的新興技術(shù)中，有30%與傳感器技術(shù)進(jìn)步有關(guān)。

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