手环纹身图案 欧盟发布面向未来的 100 项重大创新突破报告，涉及人工智能和机器人等领域

手环纹身图案 欧盟发布面向未来的 100 项重大创新突破报告，涉及人工智能和机器人等领域

编译：江晓波、黄诗雨

编者按：在规划研发和创新相关政策时，及时了解可能对全球科技和经济发展产生重大影响的技术突破尤为重要。欧盟委员会发布了《面向未来的100项重大创新突破》（100为）报告，为所有关心科学技术和创新决策的人们提供了战略资源。报告通过对最新科技文献的大规模文本挖掘，结合专家咨询意见，筛选出100项可能对全球经济产生重大影响的颠覆性技术，为欧盟未来研究可能的重点提供参考和创新政策。本文摘录其主要内容。

1.人工智能和机器人（和）

1. 增强现实 ( )

增强现实（AR）是指将计算机生成的图像（甚至声音）叠加到我们对现实世界的感知上。从技术角度来看，AR是一个巨大的挑战，因为用户可以利用它从多个角度了解三维环境。实现AR的基础是虚拟投影与现实世界的融合。 AR的专业应用是交互式手册，为人们操作机器提供现场指导。最新的研究领域是人类医学。医生在手术过程中使用AR技术将大大减少在手术室的时间。研究表明，AR 可以向患者展示自己动作的虚拟实时模型，让他们进行自我纠正，从而帮助截肢者改善康复计划。

2、室内自动耕作（ ）

在放射性水平较高的地区，人们总是担心传统种植的产品可能含有放射性尘埃；在缺乏水资源的地区和沙漠地区，蔬菜种植可能是一个挑战。因此，室内工厂化养殖得到了推广。在室内自动化农业中，在人工智能系统的指导下，机器可以完成育苗、补种、收获、畜牧等传统农业任务。从长远来看，农业可能会实现完全自动化，首先是在缺乏人力资源和极端条件的地区，然后是在全球范围内。这可能会对饮食文化、可持续性、社会结构和就业等领域产生破坏性影响。

3. 区块链()

区块链是一种允许互不相识的人组织网络来保存可信记录的技术。区块链也是比特币等加密货币的核心技术。区块链可以通过构建去中心化网络为所有可能的交易提供中立和公平的结果。企业将区块链技术视为提高自身运营可追溯性的机会。区块链技术可以保存不可变的记录，没有任何麻烦或感染风险，网络上的任何人都可以随时验证这些记录，并可用于提高工作透明度。公共团体和企业将区块链视为未来诚信运营的基础设施。

4. 聊天机器人()

聊天机器人是一种通过书面文本或实时音频与人们进行实时对话的计算机程序。传统上，聊天机器人遵循一组预定义的规则和脚本，查找特定的单词并为预定义的问题提供预定义的答案，这种模型通常会导致糟糕的用户体验。较新的聊天机器人由人工智能技术提供支持，使它们在用户输入方面更加灵活，并模糊了聊天机器人和 Siri 等虚拟助手之间的界限。

随着聊天机器人更好地理解和回答用户问题，它很可能会发展并成为主流。未来的聊天机器人可能会带来丰富的会话用户界面，使用户能够与计算机、智能手机、机器人等自然交互。

5. 计算创造力 ( )

计算机可以创造原创艺术、想法和解决方案，看起来就像出现在大型艺术博览会上的作品。产生这些作品的半自主人工智能系统得到了设计师的支持，但没有先入为主的限制，并使用更高的处理能力来识别新途径、新解决方案和新想法。

人工智能将在未来发挥越来越重要的作用。除了完成机械任务外，它还可以增强人类探索和解决问题的能力。下一个前沿领域是使用复杂的机器学习技术来设计迄今为止挑战人类想象力的全新策略。

6. 无人驾驶 ()

无人驾驶技术广泛采用的主要障碍之一是传感器的相对成本和复杂性，这需要付出大量努力来寻找感知世界的新方法。从界面设计的角度来看，自动驾驶汽车极其复杂，并且创建完全自主的自动驾驶汽车的过程仍在继续。然而，尽管跨国公司投入了大量资源来开发这项技术，但其前景并不像许多人最初想象的那么乐观。从长远来看，自动驾驶成为常态的社会将会发生范式转变。拥有私家车可能不再对很多人有吸引力，交通，无论是陆路、空中还是海上，都将成为一种商品。很难想象一个行业不会受到无人驾驶汽车的影响，因此政府应该确保立法和技术的和谐发展。

7.外骨骼()

外骨骼是体外的人造结构，旨在补偿或增强自然身体能力。它放置在人体上，充当增强放大器的作用，增强或恢复人的机械性能。外骨骼最成熟的应用是在医学领域，它们将帮助患者从瘫痪、多发性硬化症、脑瘫和其他衰弱疾病中恢复过来。外骨骼可能会逐渐被老年人广泛使用。新的工业设备可能更接近骨骼，提高人类意识和身体动作的融合。但在不久的将来，我们可能只会看到提供有限帮助/支持的轻型军用外骨骼。

8. 高光谱成像 ( )

高光谱成像在安全、国防、环境监测、农业等领域具有广阔的应用前景。传统的数码摄影仅捕获从蓝色到绿色到红色的三种波长的光，而高光谱成像可以产生数百种波长的图像。这些图像可用于识别任何成像场景中发现的材料，有点像长距离光谱学。

高光谱成像可以提供比传统成像系统更详细的数据，但仍处于起步阶段。高光谱机器视觉的应用存在一些局限性。关键因素是传输速度，而传输速度受到高光谱数据固有的大数据量的限制。成本和信息处理方法也是高光谱成像应用的障碍。然而，最新的高光谱成像引擎技术和机器学习算法相结合有望解决这些问题。

9. 语音识别（ ）

第一个商业上成功的语音识别技术可以追溯到 1990 年，但随着计算能力和新算法的发展，语音识别取得了惊人的进步。研究人员创造了一种用于自动语音识别的低功耗专用芯片，其功耗比手机多功能芯片高100倍。新型语音处理器支持立体声 AEC（声学回声消除）和远场线性麦克风阵列，专为支持语音的智能电视、条形音箱、机顶盒和数字媒体而设计。即使在复杂的声学环境中，也可以从整个房间准确捕获命令，以便由基于云的语音识别系统进行处理。

语音识别和对话平台预计将成为十大战略技术趋势之一，其中语音搜索占所有搜索的 50%。从长远来看，这种转变使人们能够与周围的智能连接设备进行交互。随着人工智能和自然语言处理技术变得更加复杂，设备将能够理解用户，然后预测他们的意图，即使他们的语音命令中没有明确说明。

10.群体智能（Swarm）

群体智能是指各种对象的集体行为，每个对象执行一些简单的功能，并在此过程中与其他对象进行交互。基于这一原则设计的信息系统通过其所有元素的自组织操作以分散的方式管理流程。群体智能系统的发展前景关系到无人驾驶汽车、分布式能源网格、搜救机器人等方面的应用。

11. 无人机 ( )

目前的无人机研究主要集中在提高信息收集能力并使无人机更加准确。无人机必须自行导航，因此特别关注其传感能力。从导航到武器部署，所有无人机都通过构建传感器数据的内部地图来运行，以允许其算法做出决策，并且使用多波长激光器从远处分析物质的传感器取得了广泛的进步。这些传感器专为无人机开发，能够可靠地检测爆炸物并提供关键任务数据。 DARPA开发的原型无人机系统采用完全自主的无人机，可以在飞行途中过渡到中高机翼飞行，提供比传统直升机更远航程的监视和打击能力。

无人机易于部署，已成为一种新型武器。假设一支自主军队的运作完全超出了人类的控制，向世界发布无人能改变的加密命令。为了应对这种威胁，反无人机技术已经多样化，例如名为“猛禽”的F-22战斗机和干扰技术，也可能有用于猎杀其他无人机的防御性无人机。

12. 人工智能 ( )

卷积神经网络一直是深度学习的中流砥柱，而在计算机视觉领域，出现了多项设计创新（包括胶囊网络和欺骗网络），带来了新的前景和新的挑战。未来几十年，机器学习、计算机视觉、自然语言处理和机器人技术的进步和创新将重塑整个科学和经济领域。人工智能软硬件基础设施的未来发展可能会导致无监督学习和通用人工智能的一些初步形式的出现。这需要超级智能系统能够自我进化，不仅在专业应用中而且在广泛的领域和环境中超越人类。

13. 全息图()

全息图使用激光作为光源，并使用全景相机将拍摄对象记录在高分辨率的全息胶片上。它以干涉条纹的形式存在。全息图是一种与传统照片非常不同的三维图像。光学全息图由物理学家丹尼斯·加伯于1948年发明。从技术上讲，全息图是波场的三维记录，全息图像可以根据观看者的相对位置在三个维度上被感知和改变，就好像显示的物体是真实的。声全息技术起源于20世纪60年代，是光学全息技术的产物，涉及重建边界处声辐射引起的声场。

最近的研究重点包括 3D 全息显示器、声学全息术、可触摸全息图以及全息显微镜和打印机。声全息图是在 3D 打印超材料矩阵的帮助下创建的，该矩阵以复杂的方式扭曲来自单一来源的声波，将其转换为声音全息图。这种技术既省时又便宜。最近的进展表明，声全息图可以显着改善超声成像和医疗选择。未来的3D全息显示器可以提高动态图像的保真度。观众无需佩戴任何 3D 眼镜或 VR 式头枕。通过将柔性超薄膜嵌入整个设备表面，智能手机和日常设备将能够弹出屏幕尺寸的 3D 全息图。没关系。此外，如果可触摸全息图真正发挥作用，我们可以看到全息界面与设备交互的新方式，并为 VR 体验添加全新维度。

14. 人形机器人 ()

人形机器人是一种在外观和功能设计上与人类相似的机器。由于人形机器人被期望尽可能与人类相似，因此许多项目都专注于直接模仿。灵活性被认为是一种特殊类型的运动问题，近年来在使机器人肢体更接近人类肢体方面取得了一些进展。在机器需要执行与人类相同的一般任务的情况下，人形机器人具有明显的优势。 DARPA 组织了一场机器人大挑战赛，以了解人形机器人在灾难场景中的表现。测试包括开门、操作水龙头，甚至接听电话。

人形机器人是一个长期和短期方向完全不同的研究领域。目前，类人机器人的建造成本高昂且部署起来也很麻烦。然而，一旦人形机器人达到一定的性能水平，大众的接受度就会发生根本性的变化。廉价、可靠、安全、低功耗的人形机器人将迅速成为从军事到娱乐甚至家庭等各种应用的标准机器人平台。

15. 神经科学 ()

神经科学仍然仅限于基础研究，其最终目标是找出创造力和想象力如何发挥作用。人们早期尝试寻找一种方法来衡量、预测和系统地影响想象力，这被视为创造性思维的基础和人类进步的核心。创造性神经科学将使人们不仅能够感知，而且能够预测并系统地影响想象力。

想象力研究所（宾夕法尼亚大学积极心理学中心的非营利附属机构）的神经科学家和心理学家通过量化一个人的想象力，提供了传统智商标准化测试的替代方案。更长远的希望是，创造力的神经科学将使我们不仅能够测量，而且能够预测和影响想象力。

16. 精准农业 ( )

精准农业依靠最新可用的信息和技术，如GPS、卫星图像、控制系统、传感器、机器人、变速技术、远程信息处理、软件等，在作物生长周期（整地、播种和收获）中改良作物。 。在精准农业中，检测和远程控制是通过现有网络/互联网基础设施上的传感器和农场管理软件/硬件来完成的。例如，农民现在可以使用基于云的无人驾驶拖拉机平台，该平台与拖拉机自动化套件集成，成为即插即用系统，可以自动操纵谷物车拖拉机并在收获季节为农民提供帮助。该系统允许联合收割机操作员在田间设置暂存和卸载位置、调整速度、监控位置并命令谷物运输车精确同步联合收割机的速度和方向。

未来的农场可能不再需要人类种植农作物，自主机器人已经被用来执行播种、照料农作物和收割等任务。这些机器人不受人为错误的影响，并能适应现场条件，以最大限度地提高吞吐量、大幅减少时间并提高效率。

17. 软体机器人

软机器人技术是机器人技术的一个子领域，它用模仿生物体的材料制造机器。软机器人在其他方面与生物相似，强调其物理结构移动和适应环境变化的能力。机器人被称为“柔性”，突显其与刚性材料制成的机器人相比的灵活性和适应性。一个研究小组开发了一种软机器人，其具有由硅橡胶制成的类似肌肉的执行器，并由气压驱动。科学家们开发出一种自动设计软致动器的方法，利用硅橡胶材料设计出一种软机器人，当由单一压力源驱动时，该机器人可以像食指一样弯曲，也可以像拇指一样扭曲。

从长远来看，软机器人将在医疗和个人机器人领域实现与人类安全且兼容的交互。在较小的规模上，微型灵活机器人预计将有助于药物输送和手术等医疗应用。对于野外勘探和救灾，灵活的机器人可以穿越复杂的地形并穿透狭窄的空间。柔性机器人将进一步帮助食品加工、农业等领域实现高度自动化并降低成本。

18. 非接触式手势识别 ( )

非接触式手势识别形成了一个自然的用户界面，极大地改变了人类与日常技术交互的方式。通过手势的识别和分析可以收集大量有关速度、动作和情绪反应的数据，从而转化为对用户的精确理解。

超声波手势感知的基本原理类似于蝙蝠和海豚使用的回声定位系统。声纳系统发射超声波，这是一种听不见的信号，会从用户的手、头或身体反射回来，随后被麦克风捕获并通过光时间算法进行编译。最新的超声技术使用声学微机电系统 (MEMS)，例如现有智能手机中的麦克风和扬声器，或包含压电换能器的专用超声收发器。

非接触式手势识别形成了一种自然用户界面 (NUI)，它改变了我们与日常技术交互的方式，只需要我们自然移动和悬停的手和手指即可向附近的设备（例如手机、计算机、可穿戴设备、游戏和 VR 控制台）发出命令，娱乐系统、机器人和家用电器。非接触式接口还可以增强专业设备，例如医疗或军事设备。它还将彻底改变依赖消费者深度参与的领域，例如媒体、通信、零售和娱乐。

19. 飞行汽车（汽车）

随着汽车保有量的增加，交通拥堵已成为世界性的问题。因此，开发一种小型、安全、低影响的个人飞行汽车一直是人们的梦想。如今，传感器、电力存储、电机和人工智能的快速发展正在使飞行汽车更接近现实。因此，智慧城市正准备部署个人自动驾驶汽车，以期解决交通问题。

由于目前大多数交通方式都集中在中短途交通，因此城市将成为飞行汽车产品的主要目标。如果飞行汽车能够成功使用，它们将开始影响城市基础设施的发展。从长远来看，整个城市可能会根据飞行汽车的普遍使用场景进行规划调整。

2. 人机交互与仿生学（Human-&）

20. 神经形态芯片（Chip）

神经形态技术将是高性能计算的下一阶段发展，可以显着提高数据处理能力和机器学习能力。神经形态芯片将神经网络的工作原理蚀刻到硅中，其能效比传统中央处理单元高数百倍。神经形态芯片非常节能，适用于移动设备、车辆和工业设备。

2018年，英特尔发布了一款神经形态芯片。使用该芯片的设备可以识别网络摄像头拍摄的图片中的物体。这将许多新功能集成到该领域，例如分层连接、树突区室和突触。延迟，最重要的是可编程突触学习规则。

神经形态芯片的发展可以促进具有特定用途的人工智能系统的开发，例如物体识别、语音和手势识别、情绪分析、健康分析和机器人运动。通过合理的功耗控制，它们可以成为从玩具到人形机器人等各种交互设备的关键组件。

21.仿生学（医学）（）

“仿生学”在医学领域经常被用来描述用机器替换或增强各种身体部位。人造仿生器官和肢体与普通假肢的不同之处在于，它们的设计尽可能接近被替换身体部位的原始功能。

该技术目前应用于外骨骼、上肢和内脏器官，主要旨在帮助受伤患者。例如，仿生外骨骼可以增强人类的自然运动系统，让用户跑得更轻松/更快。

未来仿生学的目标是“有机体与机器的融合”。这种方法将产生混合系统，其中生物和机械组件合并为“机器人”。仿生器官将增强生物功能，让人跑得更快、看得更远、听得更好、寿命更长，甚至思考得更好。

22. 脑功能图谱（Brain）

大脑不仅拥有数量惊人的神经元和连接，而且也是非同质的，估计有 500 个不同的部分通过非常密集的网络连接在一起。功能性脑图谱技术正在迅速发展，为治疗神经系统疾病、理解认知以及在人工环境中复制认知奠定了基础。

神经元之间的通信基于神经元之间的电活动。为了更好地绘制这些通信路径，科学家们正在开发可记录电极，可以记录各种条件下的电活动，并使用计算机来解释收集到的信息。

从长远来看，更深入地了解生理和病理情况下的大脑功能将为识别疾病原因、治疗干预和预防策略提供重要信息。此外，脑解码的进步有力地支持了脑机接口和脑模拟技术的发展。

23.脑机接口（Brain）

脑机接口是大脑与外部设备之间的直接通信路径。它既可以从大脑收集信息，也可以将信息输入大脑，使其与环境进行交互。增强且更复杂的是“双向”脑机接口，它可以记录大脑活动并向神经系统传递刺激。脑机接口领域的研究目标之一是通过人机共生提高复杂任务（例如驾驶战斗机）的效率。大脑信号刺激的研究进展可能会开创脑对脑交流的新时代。从中期来看，交流复杂的思想是不可能的，但脑对脑的交流将允许人们不断地分享情感、心境和思想状态。

24. 情绪识别 ( )

传统上，情绪识别（）是通过将先进的图像处理算法应用于面部图像（或视频）来检测情绪。情绪识别的主要方向仍然是“读懂”面部表情。研究人员开发了一种芯片，使用人工智能算法通过实时分析面部图像来识别八种情绪。情感分析也是继面部表情之后的一项新的技术突破。将机器人学习算法应用于书面文本，可以检测我们表达的积极或消极态度等。目前，智能手机可以告诉你你的感受如何，并提供相应的内容、沟通或应用程序建议。智能设备是我们当前的现实，但“移情设备”可能是未来。

情感识别可以彻底改变营销人员设计广告的方式，而无需依赖个人直觉或主观想法。每个想法都经过针对不同目标群体的科学和严格的测试。情绪识别通过捕捉微表情和检测情绪的微妙变化，有利于执法。在医疗保健领域，它可用于帮助监测和诊断患有情绪障碍的患者。

25. 智能纹身

智能纹身，也称为纸皮肤、电子皮肤或电子纹身，由可穿戴的表皮皮肤电极组成，能够感知各种环境刺激（压力、触摸或接近）和生理数据（心率、呼吸、血液酒精和氧气水平，肌肉活动、情绪）。它代表了一个一体化传感平台，将为无法获得医疗服务的地区的患者提供交互式远程医疗和治疗系统。未来，柔性有机光学传感器可以直接层压到器官上，以监测手术期间和手术后的血氧水平。智能纹身还将帮助从中风或脑损伤中恢复的患者改善肌肉控制或截肢者移动假肢。

26.人工突触/大脑（/Brain）

法国国家科学研究中心的研究人员设计了一种所谓的“记忆电阻”，这是一种直接在计算机芯片上实现的人工突触（）。突触能够自主学习并对设备进行建模，这对于开发更复杂的电路至关重要。未来，这些技术将成为计算机机器设计的重要组成部分。在模拟生物神经网络的情况下尤其如此，需要进一步探索来利用大脑的力量或模仿其结构。模拟生物神经网络可以提高效率，从而为具有大量连接的超级计算机带来更大的计算能力。

3. 电子和计算机 ( & )

27. 柔性电子产品 ( )

柔性电子产品是可弯曲或可拉伸的电子电路，晶体管、显示器、电池、传感器等组件都具有这些特性。这种灵活性不仅可以实现更复杂的设计，还可以实现新的应用，例如可穿戴设备、电子纹身或基于电子电路直接 3D 打印的潜在低成本解决方案。核心技术是薄膜电子，柔性电子器件应用于显示制造、传感器、能量存储/转换、医疗、环境监测、人机交互等领域。

研究人员开发出了一种灵活的压力传感器，即使在双弯曲的情况下也能保持准确。医疗和生物工程应用将受益于真正灵活/可拉伸的传感器，这将彻底改变大脑植入物。它使我们的大脑和计算机之间能够进行无缝通信。

柔性电子产品是动态的，具有多种应用场景。研究人员认为，这项技术将为人们带来智能织物、可拉伸屏幕、可弯曲智能手机、可拉伸到更大尺寸的超薄平板电脑、可佩戴在手腕上的健康传感器或壁纸墙。变成一个巨大的屏幕。

28. 纳米 LED

发光二极管（LED）是一种两引线半导体光源器件，具有将电转化为光的能力。与传统的钨丝灯泡相比，LED灯的主要特点是不产生热量。此外，LED 只需要点亮普通灯泡所需能量的一小部分，并且不含有毒金属（例如用于荧光灯泡的汞）。

LED显示屏使用LCD作为像素来显示图像。基于纳米棒的多功能 LED 既可以发射光，也可以检测光，并且刷新速度比标准 LED 快三倍。基于纳米棒的发光二极管对激光笔做出响应。

纳米半导体应用于生物学、计算机、医学和照明等领域。 使用少量能量产生更宽范围的光波长，为显示器提供更温暖、更鲜艳的色彩。从长远来看，同时发射和检测光的新型 LED 阵列可以帮助用户通过非接触式手势控制智能设备，并使用环境光为这些设备充电。

29. 碳纳米管 ( )

碳纳米管是具有纳米级直径的碳基管状材料。这些管状碳分子的特殊性质使其在纳米技术、电子、光学和其他材料科学中具有重要价值。

硅一直是这些领域的首选材料，但其主导地位未来可能会受到新化合物的挑战，许多研究人员将希望寄托在碳纳米管上。除了用于笔记本电脑和智能手机的更快、更高效的芯片之外，微小但功能强大的处理器还可以为新技术提供动力，例如可弯曲计算机和可注射微芯片，或者可以针对体内癌症的纳米机器等。

30. 计算内存 ( )

“内存计算（）”或“计算内存（）”是一个利用存储设备的物理特性来存储和处理信息的新概念。这与当前冯·诺依曼系统和设备（例如标准台式计算机、笔记本电脑甚至移动电话）中发生的情况不同，后者在内存和计算单元之间来回传输数据，从而使其速度更慢且能源效率更低。

现在，IBM 科学家已经展示了“一种在 100 万台相变存储器 (PCM) 设备上运行的无监督机器学习算法，该算法成功地发现了未知数据流中的时间相关性。与最先进的经典技术一致，这项技术有望成为比计算机快 200 倍，更节能。

内存驱动的计算是一种无限灵活和可扩展的架构，与传统系统相比，它消耗更少的能量来更快地完成计算任务。随着数据量的快速增长，其重要性不断增加，它将为大规模可组合基础设施的数据处理提供解决方案。

31. 石墨烯晶体管 ( )

石墨烯被称为一种新型纳米材料，具有良好的导电性和稳定的化学性质。它是世界上最坚固的材料。它由密集排列成二维六边形图案的碳原子组成。基于石墨烯晶体管的电路可以解决硅晶体管的处理速度限制。它们将微处理器的时钟速度提高了数千倍，而所需的功率仅为硅基计算机的百分之一。

石墨烯晶体管和芯片使计算机变得更小、更快。这些多功能材料为超薄配件和智能生物医学传感器等技术带来了巨大前景。

32.高精度时钟（High-Clock）

在很多应用场景中，都对时间精度有要求。例如，4D 成像需要高精度时钟来提供亚原子区域的结构图像。光学或原子钟保证了时间测量和标准化的更高准确性。这使得它适用于多种应用，并且可以节省大量能源。量子逻辑时钟前景广阔，而新的原子钟需要在更基础的研究中取得突破。

33. 纳米线()

纳米线尺寸以纳米为单位测量。它们也可以被描述为宽度为几十纳米或更小、长度无限的纳米结构。纳米线的可重复性、可调谐性以及表面特性为纳米医学提供了一种新方法。由于其制造材料的多样性及其所表现出的令人着迷的特性，纳米线最近已成为分子尺度的纳米电子学、光电子学以及化学和生物传感的重要基石。纳米线可以与微通道集成，提供从宏观到纳米的通路，使研究人员能够检测和分析DNA、RNA和蛋白质等目标分子。纳米线的直径非常小，可用于探针尖端。此外，还可以创建基于纳米线的柔性纳米电子支架，这有望创建能够检测化学和电变化的传感皮肤。纳米线也可能对建筑和汽车行业产生重大影响。

34. 光电 ()

光电子学是光子学的一个分支，致力于结合电子和光来传输数据。光电子学的进一步研究将为许多不同光电子器件的开发开辟道路。 5D 光学数据存储过程涉及改变熔融石英的光学特性，使用超快（飞秒）激光写入技术创建纳米级信息的 3D 记录。这些记录（“纳米光栅”）由三层纳米点组成，每层存储一位信息。储存架是经过改良的玻璃盘，更耐候，并且具有更好的化学稳定性。额外容量可存储高达 360TB 的数据，大约是 50Gb 蓝光光盘容量的 7,000 倍，热稳定温度高达 1,000°C，并且在室温下具有几乎无限的使用寿命。 5D数据存储很快将成为拥有大量历史档案的机构的宝贵资产，并有望在未来五年内被行业合作伙伴商业化。预计目前主要应用于高端军事装备的光量子芯片将在几年内应用于数据中心。集成光子学研究的进步将彻底改变光子学技术，同时保持与现有半导体芯片技术的兼容性。

35. 量子计算机 ( )

量子计算机 (QC) 基于量子位（称为量子位）工作，量子位可以表示为 0、1 或由量子力学调节的这两种状态的任何量子叠加。尽管有几家公司声称能够生产量子计算机和量子编译器，但目前的技术并没有为量子计算机的制造提供成熟的解决方案，而且首批原型机只能针对特定问题运行。

目前，研究工作致力于创建解决特定问题的量子硬件。尽管如此，还需要更多的研究来实现能够运行所有现有代码的通用量子计算机。为了使量子计算机更加高效、稳定和廉价，必须开展大量的研究工作，并解决与量子相干性和低温操作相关的问题。

36. 量子密码学 ( )

无论是服务个人通信、电子商务还是网上银行交易，通过互联网交换的机密信息都必须通过加密（使用称为密钥的数字密码）来防止黑客攻击。量子密钥分发是量子密码学的核心，它使用量子粒子（电子、光子）在两方之间安全地建立共享密钥。量子密钥分配系统利用了量子力学的基本原理：观察量子粒子会自动改变其属性。因此，总是可以检测是否观察到量子粒子，从而表明存在安全漏洞。如果发生这种情况，该密钥将被丢弃，并发送另一个密钥，直到双方都确定没有其他人观察到该密钥。

2017 年 9 月，科学家们在北京和维也纳之间演示了世界上第一个使用量子加密的洲际视频会议，实现了技术里程碑。由于技术原因，量子通信此前被限制在几百公里范围内，但2016年发射的中国卫星“墨子号”打破了这一限制。上海及2000公里外的地区均配备光纤通信设备，可与距地面500多公里的轨道进行通信。该基础设施是世界上第一个空对地量子网络。中国在量子技术方面处于世界领先地位，目标是到2030年建立全球量子网络。尽管未来量子技术的应用仍将受到限制，但量子密钥很可能用于保护极其敏感和关键的数据。

37.自旋电子学 ()

自旋电子学是一个新的研究领域，研究电子自旋对电导率的影响。传统的电子设备基于在电路周围分流电子。自旋流在自旋电子学中相当于电流。与电流不同，自旋可以在静止电子之间转移。它们可以在电子之间移动，而无需实际移动。 Case Flow，自旋电子学包括“电子（更普遍的是核）自旋在固态物理学中所扮演的角色的研究”。

电子自旋可用于在电、光、声音、振动和热之间转换能量。这种在不同能量形式之间切换的能力可以适用于多种设备，自旋电子学的一个潜在应用是允许声音沿一个方向而不是相反方向流动的音频设备。

4.生物交叉学科（）

38. 可生物降解传感器 ( )

可生物降解电子产品是寿命有限的电子元件，可以发生水解或生化反应。此类设备可用作临时体内传感、药物输送、组织工程、微流体等的医疗植入物。通过生物或化学过程自然降解的材料通常用于食品和药品包装。可生物降解的电子产品可以使设备变得更加智能，例如温度或化学监测。

目前，电子产品的寿命可能只有几个月，废弃电子产品的生态影响令人担忧。使用可生物降解或有机电子材料可以解决这个问题。这种材料为完全可生物降解、生物相容/可生物代谢的电子产品开辟了道路，这些电子产品可能在其生命周期结束时溶解，一方面将遏制电子垃圾的产生，另一方面使医疗植入物的开发成为可能。

39. 芯片实验室

芯片实验室将化学分析等实验室功能集成到微型设备中。脓毒症快速检测目前是芯片实验室中非常重要的应用。由于延迟诊断可能导致败血症，因此抗生素治疗必须分秒必争。目前正在开发芯片实验室系统来分析患者的血液样本，以检测可能导致败血症的微生物并减少抗生素的不当使用。芯片实验室技术有望通过更好、更快的诊断来改善医疗保健，特别是在医疗基础设施薄弱的地区。同时，该技术可以让患者在监测自身健康方面发挥更积极的作用。

40. 分子识别 ( )

分子识别可以被视为分子间相互作用的研究。从医学角度来看，分子识别决定了化合物是否具有临床特性。基于分子识别的生物传感应用纳米材料对于临床条件尤其重要，其中识别成分可以是酶、DNA、RNA、催化抗体、适体和标记的生物分子。

目前，分子识别技术在便携式设备诊断、电反应诊断、药物筛选等方面都有不同程度的应用。从长远来看，分子识别是生命过程的组成部分之一。作为一个发展中的领域，它将彻底改变医学。

41.生物电子学 ()

生物电子学是利用生物材料或生物结构设计和制造信息处理机械及相关设备的技术。该领域利用生物燃料电池、仿生学和生物材料进行信息处理、信息存储、电子元件和执行器。该研究领域的一个重要方向是生物材料与小型电子设备之间的互补性和相互作用。

研究人员为新型传感器、执行器和信息处理系统开发受生物启发的材料和硬件架构。该领域的其他用途包括原子级分子制造以及生物器官和电子设备之间更好的连接，这可能会推动假肢、人机集成和仿生学等领域的进步。它还将为健康建模、监测和细胞发育研究开辟新的前景。

合成 DNA 作为一种存储介质，比大多数当代尖端替代品紧凑数百万倍。另一方面，体内存储系统不仅可用于存储数据，还可用于记录人体细胞、组织或工程器官中的事件和过程。

42. 生物信息学 ( )

生物信息学是一个新的研究领域，结合了生物学、数学和计算机科学等多个学科的方法、技术和数据。其目标是开发新工具来绘制和分析生物有机体的数据。生物信息学的用途包括识别候选基因和核苷酸，目的是更好地了解疾病的遗传基础、独特的适应、理想的性状或群体之间的差异。

目前，生物信息学的主要进展是在生物杂交领域，生物杂交通常是指人工成分与至少一种生物成分的结合。此类技术可以应用于广泛的领域，从健康到纳米技术、机器人，甚至新鲜农产品等消费品。生物混合技术也将运用在未来的机器人中，使机器人的动作更加精准，这将使机器人得到广泛的应用。同时，通过将该技术与生物学相结合，可以复制组织或器官，帮助人们更好地了解人体生理学或设计新的药物和给药方法。

43. 工厂通讯（工厂）

植物通讯是指植物与其他生物体之间的通讯，无论它们是相同或不同类型的植物、土壤和昆虫，还是更复杂的生物体。目前有研究团队正在探索利用植物作为传感器的方法。对植物通讯的进一步研究可能具有潜在的应用。

5.生物医学()

44. 基因编辑（Gene）

基因编辑，也称为“基因组工程”，是一种将 DNA 插入、删除、修改或替换到生物体基因组中的工具。通常的编辑方法涉及工程核酸酶（分子剪刀）以在基因组的目标位点创建断裂的双链。这些断裂的双链通过非同源末端界面或同源重组进行修复，从而产生靶向突变。

目前，基因编辑已经在基因工程领域产生了一场革命。尽管它以细菌为基础，但它适用于几乎所有活细胞和生物体。为艾滋病、癌症、遗传病的防治提供了新的可能，也为艾滋病、癌症、遗传病的防治提供了新的可能。植物和动物的育种提供了新的可能性。

基因编辑将进入许多不同的应用，其中大多数仍然是不可预见的。设想新用途时需要大量的创造力，并且有许多道德和监管问题需要考虑。

45.基因疗法（Gene）

基因疗法的重点是导致基因产生异常蛋白质的突变。除了突变之外，基因治疗的基本原理是用治疗基因（也称为功能基因）替代或灭活有缺陷的基因，通过病毒或“裸DNA”将其引入体内。

使基因治疗可行的技术能力正在扩大，但基因治疗的成熟度和大规模采用的复杂性还有待观察，政策和各种伦理困境的解决也有待观察。

46.抗生素敏感性试验（ ）

抗生素耐药性是全球人类健康最严重的风险之一，这意味着面临多重挑战，包括：预防感染、开发新的抗生素和对抗感染的替代方法、限制过度使用和确保有效性治疗。未来，一旦确定感染原因，医生将能够当场决定是否使用适当的抗生素进行治疗以及哪种抗生素最有效。

47. 生物打印()

生物打印是3D打印的一种特殊应用，它利用聚合物或基因工程生物材料来生产组织和器官，其中一些可以植入人体。生物打印的优点是材料具有更好的个体适应性，并且副作用更少，包括植入排斥。

有人提出了一种 3D 打印系统，可以将活细胞打印成人体大小的骨骼、肌肉和耳朵组织。由于打印物体使用了一种称为聚己内酯的生物相容性合成聚合物，因此其结构稳定。

未来，首批3D打印人体器官将实现无排异移植，满足等待器官的患者和想要更换故障器官的患者的巨大需求。从长远来看，“芯片上的身体”模型可能会产生各种类型的组织用于植入，以利用患者自身的细胞修复受损的器官。

48. 基因表达的控制（基因的）

基因表达是利用基因的核苷酸序列指导蛋白质合成并产生各种细胞结构的过程。通过了解基因表达是如何控制的，科学家希望破译每个基因在人类和动物发育中的作用。

早期研究通过揭示胎儿对疾病的易感性并以使未来有机体组织健康的方式操纵细胞，正在推进辅助生殖和再生医学领域的发展。

基因组不稳定和遗传改变会导致疾病的发展，加速与年龄相关的病理变化，并促进组织退化和器官衰竭。通过研究人体对基因表达的控制，可以预测人体衰老的程度和速度。在胚胎发育和多能干细胞生物学阶段控制基因表达可以彻底改变辅助生殖和再生医学。

49. 药物输送（药物）

药物递送是指将治疗剂或药物复合物给予人类或动物以达到治疗效果的治疗方法。药物输送技术的进步通常旨在提高药物的功效和吸收，同时减少其副作用。纳米材料和新材料正在彻底改变这一领域。

提高药物输送能力将使药物更快地达到目标，副作用更少，并在必要时被停用或重新激活。通过将药物嵌入正确类型的设备中，他们还将向患者和治疗师提供信息。这种治疗方案通过减少患者在医院的时间来显着降低治疗成本。

50. 表观遗传技术 ( )

表观遗传技术是指基因功能的可遗传改变，不需要改变DNA序列。尽管实验表明一些表观遗传变化是可逆的，但“表观遗传”一词已经包括在不改变 DNA 序列的情况下改变基因活性的过程，从而导致可以传递给子细胞的修饰。

目前有一些证据表明许多疾病和各种健康指标中存在表观遗传机制，包括多种癌症、认知功能障碍、呼吸系统、心血管、生殖、自身免疫和神经行为疾病。

充分了解表观遗传机制将有助于开发新的诊断方法、生物标志物和治疗方法。从长远来看，表观遗传技术的应用可能会对人类产生不可改变的持久影响。它将影响人类的生活方式以及粮食和农业等其他领域，特别是健康。

51. 基因疫苗 ( )

基因疫苗是由DNA或RNA合成的非蛋白疫苗，可以促进人体免疫力，预防传染病的传播。它是在基因治疗（）技术的基础上发展起来的。

DNA疫苗的前景非常稳定，易于大量生产且易于运输。当基因组疫苗成为常态时，所需的免疫接种将会减少，因为它们持续时间长，涵盖多种病原体，并且很容易适应后者的突变新形式。

52.微生物组()

微生物无处不在，它们形成的微生物群对人类健康既有好处也有坏处。由于早期接触微生物和饮食等因素，人与人之间微生物组的组成存在很大差异。此外，人体不同部位有不同的微生物群。虽然众所周知，肠道细菌的组成会影响某些基因的活性，但这种情况到底是如何发生的仍有待证明。一项新研究揭示了“好”肠道细菌控制人类基因活性的潜在方式，并可能有助于预防结直肠癌。

微生物组已成为医学研究人员的主要兴趣。了解微生物组的多样性并发现新的模式可以帮助我们更好地理解疾病发生的原因以及为什么治疗在某些情况下比其他情况下效果更好。大数据和新的计算工具将使微生物组的宏基因组分析成为可能。

53. 再生医学 ( )

再生医学是一个新兴的医学领域，致力于寻找修复或替换因疾病、先天性问题或创伤而受损的细胞、组织甚至整个器官的方法。这是通过组织工程、干细胞治疗和人工培养组织或器官来实现的。

再生医学将专注于开发更可靠、更便宜的细胞分化、细胞培养和组织工程方法。未来，人类将能够在不需要外部支持基质的情况下生成组织和器官。

54. 重新编程的人类细胞

重编程人类细胞通常是指白细胞或诱导多能干细胞，它们由免疫系统进行基因重编程，看起来与胚胎干细胞相似。最近的研究表明，可生物降解的纳米颗粒可以通过对免疫细胞进行基因编程，同时将其保留在体内，来识别、清除小鼠模型中的白血病或减缓其进展。诱导多能干细胞是一种可以直接从成体细胞产生的多能干细胞。就像胚胎中自然产生的干细胞一样，它们可以变成任何其他类型的细胞，发育成皮肤、神经、肌肉或几乎任何其他细胞类型。

55.靶向细胞死亡途径（细胞死亡）

癌症是全世界死亡的主要原因之一。 2012年，新增癌症病例为1400万，癌症相关死亡人数为820万，预计这些数字在未来20年将翻一番。与目前的治疗方法相比，针对触发不同类型细胞死亡的关键调节分子可能是一种更有效、毒性更低且不易产生耐药性的癌症治疗方法。

识别新的细胞死亡机制并尝试协调激活和控制多种细胞死亡途径是一种对抗癌症的新兴方法，预示着癌症治疗有效性的重大飞跃。它还有望减轻或解决困扰该领域的一些毒性和耐药性问题。

6. 印刷和材料 ( & )

56. 二维材料（2D）

2D 材料由原子级薄层材料组成。目前的研究重点是由不同二维材料层组成的异质结的特性及其在光伏、半导体、光收集器件和后硅电子中的应用。通过了解二维材料异质结构释放半导体结构的力量，为纳米电路和可穿戴设备的开发铺平道路。二维磁铁可以解决最不可思议的科学问题，并开创超薄计算机时代。此外，二维材料在传感和数据存储方面也有潜在的应用。

57. 食品3D打印（3D of Food）

3D打印食品的商业化已成为主流。目前看来，它真正的潜力可能在于美食领域，专业人士可以通过3D打印发明新食物并进行实验；在医疗环境中，它可以帮助有饮食困难的人。

未来，食品3D打印和原材料可以按时生产并直接使用。几乎任何菜肴都可以“打印”而不是烹饪。缺失的成分可以在需要的地方和时间以基本粉末的形式打印出来，并且每次的质量和味道都保持不变，没有偏差。食品3D打印大大简化了食品的生产过程，也可以帮助人们制作出更加营养、健康、有趣的食品。

58.玻璃3D打印（3D of Glass）

玻璃的独特性能以及通过快速原型制造玻璃制品的前景一直引人注目。玻璃 3D 打印的最新进展为快速生产玻璃零件提供了解决方案。该技术使用熔融玻璃，打印后几乎不需要任何后处理。

玻璃是一种重要的高性能材料，其独特的性能使其在生物技术、光学、光子学和数据传输等领域得到广泛应用。玻璃 3D 打印的进步为实验室级设备的制造铺平了道路，并促进了内部生产，使技术人员能够获得更接近成品的结果。通过对复杂几何结构的实验，艺术表达也可以达到新的境界。

59.大型物体3D打印（3D of Large）

无论产品设计的尺寸如何，3D打印技术的最大优势之一是制造商可以控制物体物理形态的各个方面——可以通过特殊软件优化物体的形状。在不久的将来，不仅小型设备，大型物体或超大型物体的主要部件也将能够进行3D打印。大型物体可以使用特殊的设计软件进行优化，使材料和功能适应环境的要求。

60. 4D打印（4D）

4D打印技术是指通过3D技术打印的结构可以在外界刺激下改变其形状或结构。材料和结构的变形设计直接内置于材料中，简化了从设计理念到实际物体的创作过程，使物体能够自动组装配置，实现产品设计、制造和装配的一体化集成。如果受到刺激（热、光、水、磁场），4D 打印件的形状或属性会随着时间的推移而改变。

4D打印形状记忆聚合物将极大地影响健康产业。 4D 打印还可用于组织工程、自组装生物材料、纳米颗粒的设计以及用于化疗的纳米机器人。在能源行业，形状记忆材料未来将用于太阳能电池板，用于创建检测阳光并相应自动旋转的传感器。

61. 水凝胶()

水凝胶是具有高吸水性（含水量超过 90%）的天然或合成聚合物。由于其高含水量并表现出“与天然组织相当的灵活性”，水凝胶通常用作分子和细胞物种的载体，能够总结细胞/组织发育过程中的动态信号。由于其仿生特性，水凝胶是药物输送和干细胞治疗等生物医学应用的主要材料。一般来说，制造水凝胶需要前体材料之间发生一系列化学反应和相互作用。

水凝胶在医学领域具有广阔的前景。在不久的将来，水凝胶将为急救护理提供基本支持，让患者能够自愈。随着技术的进一步发展，愈合软机器人将能够进入生物体的细胞并在微观和亚微观水平上进行手术。

62. 超材料（）

超材料是由多个