年度盘点2021年10大新兴科技竟然3项是传感器技术

　　进入2021年最后一个月，到了年度总结时间。今年经济形势动荡，全球新冠疫情仍然蔓延，气候变化导致

　　在这不平静的一年里，近日世界经济论坛和《科学美国人》发布了2021年10大新兴技术报告，专家们从几十项提名中筛选出了一组有可能颠覆现状，刺激真正进步的新技术，这些技术都有望在接下来的3到5年里影响整个世界。

　　应对气候变化的去碳化技术、检测新冠病情的呼吸传感器技术（已在武汉得到检验）、解决无家可归者居住问题的3D房屋打印技术、从5G网络获取能量的无源传感器技术、可检测血糖等数据的无线生物传感器技术……都在名单中

　　从第一位科学家提出二氧化碳可以在大气中吸收热量的观点后，一个多世纪过去了，各国政府和行业领袖都做出了新的承诺，以减少它们的碳排放。

　　2021 年，作为全球第二大碳排放源的美国承诺到 2030 年将其排放量相对于 2005 年的水平减半。英国宣布了自己的目标，到2030年与 1990 年的水平相比减少 68%。欧盟议会最近通过了一项法律，要求到 2030 年碳排放量比 1990 年的水平减少 55%。尽管石油和航空等行业更抗拒变革，但自 2015 年以来，相关企业加入减碳目标计划的速度自 2015 年以来翻了一番。通用汽车、大众汽车和其他主要汽车制造商在过去一年为脱碳设定了雄心勃勃的目标。

　　这些决策对行业有变革性的影响，预计在未来3~5年内，兑现这些承诺将需要前所未有的技术创新，并将新兴技术扩展到工业应用水平，例如：大规模储能、低碳/无碳化学源、振兴铁路运输、碳封存、低碳农业、零排放车辆和电源，以及在全球范围内达成一致的达标性监控。

　　为世界不断增长的人口提供充足的食物，这很大程度上依赖于含氮工业肥料的使用。根据联合国粮食及农业组织的数据，每年需要约 1.1 亿吨氮肥来维持全球作物生产。

　　氮肥通常是通过将空气中的氮转化为氨来生产的，氨是植物可以使用的一种氮来源（植物通过氨获取氮元素）。这种转换维持了全球大约 50% 的粮食生产，估计占世界主要能源需求的 1%。但这也是一个能源密集型过程：它占全球二氧化碳排放量的 1% 至 2%。

　　此外，工业化肥对许多国家的贫困农民来说过于昂贵，这也导致贫困地区弄作物产量大幅下降并增加了对自然土地的需求压力。

　　为了开发解决方案，研究人员正在从自然界某些植物捕获氮气的灵感来制造氮肥。玉米和其他谷物等主要粮食作物依赖土壤中的无机氮，而大豆和其他豆类等豆科植物则保持着一种巧妙的方式来“自我施肥”。

　　豆科植物的根部与土壤细菌相互作用，导致根部细菌定植并形成称为根瘤的共生器官。在这些结构中，植物提供糖类来维持细菌的生存，并从细菌固氮的能力中获益——即将大气中的氮转化为氨。因此，通过与土壤细菌在进化上古老的共生关系，豆类作物不需要施放现代氮肥。

　　当怀疑驾车者醉酒时，他们可以使用呼吸分析仪：一种测量血液中酒精含量的手持设备。疾病诊断也可以这样做吗？答案是肯定的。

　　人的呼吸中含有 800 多种化合物，最近的发现表明某些浓度的化合物与不同的疾病状态之间存在很强的相关性。例如，丙酮浓度显着升高的呼吸是糖尿病的强烈迹象；呼出的高浓度一氧化氮与发炎的细胞相关，因此可以用作呼吸系统疾病的生物标志物；更多的醛类与肺癌密切相关。

　　当一个人吸入采样器时，呼吸的气体会被送入传感器，该传感器通常根据金属氧化物半导体的电阻变化进行检测。在几分钟内，外部计算机使用软件分析来生成存在的化合物数据。

　　除了比抽血更快地提供结果之外，呼吸传感器还可以通过提供一种非侵入性的方式来收集关键健康数据来简化医疗诊断。

　　在医疗资源有限的低收入国家，它们的易用性、便携性和成本效益为医疗保健提供了新的机会。这些设备还可以帮助减轻病毒的社区传播，其方法类似于在进入超市或餐馆等公共室内空间之前对个人进行体温检查的方式。

　　2020 年 3 月，以色列理工学院的 Hossam Haick 教授及其同事在中国武汉完成了一项探索性临床研究，用于检测呼出气中的 COVID-19病毒。该传感器在区分新冠肺炎疾病阳性或阴性人群方面达到了 95%的惊人准确度和 100% 灵敏度。

　　2021 年，美国卫生与公共服务部提供了 380 万美元，用于重新利用 NASA 的 E-Nose（一种使用纳米传感器阵列技术自动扫描国际空间站空气中是否存在潜在危险化学品的监视仪器）来检测 COVID-19。

　　在呼吸传感器技术普及之前，有一些关键挑战需要面对。首先，必须提高对某些疾病的检测准确度，尤其是结核病和癌症。其次，呼吸样本中的各种化合物会混淆测试结果，造成假阳性。分析传感器数据的算法也需要改进以达到更高的准确性。最后，需要对临床试验进行更大的投资，以帮助在大量人群中验证这项技术。

　　如果下次你去当地的药房时，药剂师不是通过预制药物的药房来配给处方的药，而是按照为你量身定制的确切剂量和配方来配药，该怎么办？微流控技术和按需制造药物的最新进展有望使这一想法成为现实。

　　传统上，药品是通过许多复杂步骤过程大批量生产的，不同的流程分散在世界各地的许多地方。数以百吨计的原材料支撑着这种大规模生产，在确保质量和可靠性方面带来了挑战，而完成药物并将其运送到商店可能需要几个月的时间。

　　相比之下，按需药品制造，也称为连续流程药品制造，可以一次性完成药品生产。该流程通过管道将材料移入小型反应室，也被称为连续流制造。在偏远地区或战地医院中，可以通过便携式机器制造这些药物，为每个病人量身定做剂量，还需解决的一项挑战便是降低这种新兴技术的高成本。

　　构成物联网 (IoT) 的无线设备是日益网络化世界的支柱。它们是部署在家庭中的小工具、生物医学用途的可穿戴设备以及危险区域的传感器。

　　随着物联网的发展，物联网传感器支持使用更少的灌溉用水和农药施放的农业实践；更节能的智能电网；监测可能威胁桥梁或混凝土基础设施安全的传感器；以及用于泥石流和地震等灾害的预警传感器。

　　预计到 2025 年将有 400 亿台物联网设备上线，为这些设备提供便捷的电力是一项艰巨的挑战，无源传感器将被更多的选择。一种已经在实践中的解决方案利用了从 Wi-Fi 路由器或接入点发出的无线G 技术将把无线能量收集提升到一个新的水平。

　　通过 5G 技术，美国联邦通信委员会首次允许进入更高（但对人类仍然安全）毫米波范围的电磁频谱。除了更高的信息速率外，5G 无线G 传输更多的辐射能量。这种能力预示着未来许多低功耗无线设备将不需要插入电源充电。

　　设备如何从无线信号中获取电能？Wi-Fi 和 5G 通过电磁波以 FM 无线电、微波和毫米波等广谱频率传播。该过程的第一步涉及接收天线，该天线捕获无线信号携带的能量，天线将能量传输到电子整流器电路中，该电路又使用半导体将其转换为可以为设备充电或供电的直流 (DC) 电。这种天线和整流器（或转换器）的组合称为整流天线。

　　电源管理电路跟随整流天线，放大电压，而自身消耗的功率可以忽略不计。许多初创公司现在都提供依赖专用无线发射器的无线充电产品；然而，研究表明，此类设备很可能在不久的将来能够收集 Wi-Fi 和 5G 信号的能量。

　　根据世界卫生组织的数据，2015 年至 2050 年间，全球 60 岁以上人口的比例将从 12% 增加到 22%，几乎翻了一番，这对卫生和社会系统构成了巨大挑战。

　　老年痴呆、癌症、2型糖尿病和动脉粥样硬化等慢性疾病都与衰老密切相关。逆转衰老或寻找“青春之泉”的愿望可能与人类的进化历程一样古老。了解衰老的分子机制可以帮助人类过上更长寿而且更健康的生活，这才刚刚开始。

　　研究人员已经初步显示出对衰老的分子机制的了解，这不仅可以帮我们活得更长，而且更健康。利用全息技术（例如，它可以同时量化所有基因活动或细胞中所有蛋白质的浓度）和来自表观遗传学的洞察，研究人员得以识别那些能有力预测疾病的生物标记，这就为积极治疗提供了方向和目标。

　　Haber-Bosch 工艺（哈柏法工艺）——可以说是 20 世纪最重要的发明之一，但许多人从未听说过——能够以工业规模合成氨。

　　然而，氨的合成是一种能源密集型化学过程，需要用氢气做催化剂来固定氮。氢气必须合成生产，目前使用化石燃料生产，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%。

　　随着可再生能源现在变得普遍，一种“绿色”的氢气变体正被创造出来，它不会释放温室气体。除了消除大气中多余的碳，绿色氢气不使用污染性化学品，如果使用化石燃料作为能源，这些化学品则会被纳入其中，这种纯度能实现更有效的催化作用，以促进氨的生产。

　　没有人喜欢针。但监测糖尿病和癌症等慢性病需要频繁的血液检查来识别和跟踪某些生物指标。现在有 100 多家公司正在开发无线、便携式和可穿戴传感器，这些传感器将很快能够持续监控这些重要信息。

　　传感器使用多种方法来检测汗液、眼泪、尿液或血液中的生物标志物。有些使用光或低功率电磁辐射（类似于手机或智能手表），结合天线和电子设备，窥视生物组织内部，其他涉及皮肤上的可穿戴的、灵活的电子传感器。

　　为了检测给定的生物标志物，传感器监测电流、电压或电化学浓度的变化。监测糖尿病是这项技术的首要目标，预计到 2030 年，全球将有 5.78 亿人被诊断出患有这种疾病。

　　为了满足日益增长的血糖水平检测需求，一款便携式设备声称使用毫米波无线电磁场和近红外传感进行无创监测，患者手指中的电压变化可以与葡萄糖水平相关。

　　而第三种方法里，基于纹身的电路通过使用电极从自然渗出毛细血管的间质液中获取数据，从而评估汗液中的葡萄糖，类似于葡萄糖检测器。

　　无线连接系统可以与各种类型的传感器配对，包括由密集排列的碳纳米管制成的传感器，或将磁性纳米粒子驱动到微小的微流体通道中以通过电压变化检测生物标志物的传感器。

　　这些技术为能够区分各种液体样品的“电子舌头”打开了大门。通过眼液也可以或许许多健康数据，电子透明隐形眼镜可以无线获取癌症生物标志物或血糖水平以进行糖尿病监测。

　　集成具有射频识别技术的护齿器，可以监测唾液生物标志物，可能发现各种生理和心理疾病，如 HIV、肠道感染、癌症和 COVID-19。

　　儿童疫苗或 LASIK 眼科手术等技术往往会显着提高许多人的生活质量，但它们在发展中国家的作用却很有限或显着延迟。

　　据联合国估计，用 3D 打印机建造房屋可以帮助解决全球 16 亿人住房不足的挑战。3D 打印房的概念并不新鲜，在美国和其他发达国家，用大规模的3D打印机制造房屋已经在有限范围内得到了推行。

　　在发展中国家，由于基础设施有限，材料的运输成为一项挑战，最近的使用3D打印机的实践取得了跨越式发展，即用当地采购的材料、粘土、沙子和当地的纤维来打印建筑物——这解决了大约95%的需要运输到建筑工地的材料问题。

　　如今，至少有 100 亿台有源设备构成了物联网 (IoT)，预计未来 10 年这一数字将翻一番。

　　最大化物联网在通信和自动化方面的优势需要在全球范围内架设传感器设备，收集海量的数据。数据在云数据中心被梳理，使用人工智能来识别处理异常，例如天气状况和自然灾害。

　　但是，有一个大问题：无线蜂窝网络覆盖的面积不到全球的一半，在连接方面留下了巨大的空缺。最近，随着近地轨道上无数低成本的微型卫星的出现，它们能够在全球范围内捕获这些数据并传输到云数据中心进行处理，物联网将前所未有地了解全球范围的情况——包括以前无法实现网络接入、没有传统互联网基础设施的发展中地区。

　　诸如安全数据链接功率较低和近地轨道卫星寿命期短的问题仍然存在，但按照目前稳定的进展，有望在未来三到五年内实现全球推行。

　　传感器作为电子设备的感知入口，连接着物理世界和数字世界，而越高层次的技术应用，对传感器的需求越大。

　　从这2021年10大新兴技术中，依赖于传感器进行创新应用的技术有3项，分别是检测新冠病情等呼吸疾病的呼吸传感器技术、从5G和WIFI等网络获取能量的无源传感器技术、可检测血糖等数据的无线生物传感器技术等。