专业报告，欧盟委员会（EUROPEAN COMMISSION）发布《面向未来的100项重大创新突破》！

 

在研发和创新相关政策规划时，及时了解掌握能够对全球科技和经济发展具有重大影响的技术突破显得尤为重要。欧盟委员会（EUROPEAN COMMISSION）发布《面向未来的100项重大创新突破》（100 Radical Innovation Breakthroughs for the future）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。

 

一、人工智能和机器人（Artificial Intelligence and Robots）

1. 增强现实（Augmented Reality）

 

增强现实（AR）指将计算机生成的图像（甚至声音）叠加在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角度理解三维环境。实现AR技术的基础是计算机视觉、虚实融合、人机交互。AR要进行完美呈现，主要依赖于下面三个方面：虚实结合、虚实同步、交互自然。

2. 室内自动耕作（Automated Indoor Farming）

 

室内自动耕作是指在人工智能系统的指导下，机器可以执行传统的农业任务，如育苗、再植和收获，也包括畜牧业。其中农业机器人必不可少，即可以服务农业生产的机器人、自动化机器人或智能化机器。从长远来看，农业可能会完全自动化，首先在缺乏人力资源和极端条件的地区实现，然后推广至全球。这可能对食品文化、可持续性、社会结构以及就业等领域产生颠覆性影响。传感技术、自动化技术、信息技术是农业机器人发展的三个核心。

3. 区块链（Blockchain）

 

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。区块链技术最大的应用是数字货币，例如比特币的发明。作为比特币等加密货币的核心技术，区块链技术具有以下特征：去中心化、开放性、独立性、安全性、匿名性。区块链技术可以保存不可变记录，没有任何麻烦或感染的风险，网络上的任何人都可以随时对其进行验证，可以用来增加工作的透明度。

4. 对话机器人（Chatbots）

对话机器人是一种通过书面文字或现场音频与人进行实时对话的计算机程序。对话机器人产品核心技术包括：自然语言处理、语音技术、知识工程、机器人流程自动化（ Robotic Process Automation，RPA）等。

 

随着对话机器人在理解和响应用户问题方面越来越好，它可能会不断进化并成为主流。未来的对话机器人可能会带来丰富的会话用户界面，使用户可以自然地与计算机、智能手机和机器人等进行交互。

5. 计算创造力（Computational Creativity）

计算创造力 （也称为人工创造力， 机械创造力或者创意计算）是一项跨学科的研究，位于人工智能、认知心理学、哲学和艺术之间。计算机能够创造出原创性的艺术、创意和解决方案，它们看起来像在大型艺术博览会上出现的作品一样。计算创造力的目标是使用计算机对创造力进行建模，模拟或复制，以实现以下目的之一：

构造一个程序或者电脑具有人的创造力能力；
为了更好地理解人类的创造力，并就人类的创造行为拟定算法观点；
设计可以增强人类创造力的程序，而不必自己进行创造。
6. 无人驾驶（Driverless）

无人驾驶汽车是一种通过电脑系统实现无人驾驶的智能汽车。主要依靠人工智能、视觉计算、雷达、监控装置和全球定位系统协同合作，让电脑可以在没有任何人类主动的操作下，自动安全地操作机动车辆。无人驾驶技术广泛应用的主要障碍之一是传感器的相对成本和复杂性，因此需要花费大量的精力来寻找感知世界的新方法。

7. 外骨骼（Exoskeleton）

外骨骼是一种体外的人造结构，为了补偿或增强自然的身体能力而设计。它被放置在人的身体上，作为一个增强放大器，增强或恢复人的机械性能，通常由金属或碳纤维等材料制成。外骨骼最成熟的应用是医学领域，它们将帮助患者从瘫痪、多发性硬化症、脑瘫和其他使人衰弱的疾病中康复。

受限于核心硬件的质量问题、高新技术系统的不稳定性以及刚性材质外骨骼机器人自身的重量，如外骨骼机器人出现故障或跌落情况时，使用者的安全将受到极大威胁，从而制约了外骨骼机器人行业整体的发展。

8. 高光谱成像（Hyperspectral Imaging）

高光谱成像技术是基于非常多窄波段的影像数据技术，它将成像技术与光谱技术相结合，探测目标的二维几何空间及一维光谱信息，获取高光谱分辨率的连续、窄波段的图像数据。

 

高光谱成像在安全、国防、环境监测和农业等领域有着广泛的应用前景。传统的数码摄影只捕捉三种波长的光，从蓝色到绿色再到红色，高光谱成像可以在数百个波长上产生图像。这些图像可以用来确定在任何被成像的场景中发现的物质，有点像远距离的光谱学。

9. 语音识别（Speech Recognition）

 

语音识别技术，也被称为自动语音识别（Automatic Speech Recognition, ASR），其目标是以电脑自动将人类的语音内容转换为相应的文字。语音识别和会话平台有望成为十大战略技术趋势之一，语音搜索将占到所有搜索中的50％。

10. 群体智能（Swarm Intelligence）

群体智能是指各种对象的集体行为，每个对象都执行一些简单的功能，并在这个过程中与其他对象进行交互，集群机器人便是群体智能的一类。

群体智能机器人技术未来发展方向主要有：硬件小型化、异构性、去中心化vs层级结构、相变与适应性、集群机器人的机器学习、安全、人类-集群交互等。此外，集群机器人技术的重大进步会在该领域之外取得进展。例如新材料、生物混合解决方案以及储存和传输能量的新方法将有助于解决目前与机器人集群硬件相关的一些问题。

11. 无人机（Warfare Drones）

 

作战无人机即军用无人机，是一种由动力驱动、无人驾驶、可重复使用、携带任务载荷的执行军事任务的飞行器。目前无人机研究一直专注于提高信息收集能力，使无人机更加精确。无人机必须靠自己导航，因此人们特别关注它们的感知能力。

12. 人工智能（Artificial Intelligence）

人工智能是计算机科学的一个分支，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。

 

未来几十年中，机器学习、计算机视觉、自然语言处理和机器人技术方面的进步和创新将重塑整个科学和经济学领域。人工智能软件和硬件基础设施的未来发展可能会导致无监督学习和一些初步形式的一般人工智能出现。这就需要超级智能系统，不仅在专业应用领域，而且在广泛的领域和环境中能够自我进化和超越人类。

13. 全息图（Holograms）

全息图是以激光为光源，用全景照相机将被摄体记录在高分辨率的全息胶片上构成的图，以干涉条纹形式存在。

全息技术是实现真实的全息图的记录和再现的技术，全息技术第一步是利用干涉原理记录物体光波信息，即拍摄过程；第二步是利用衍射原理再现物体光波信息，即成象过程。最近的研究重点包括3D全息显示器、声学全息、可触摸全息图以及全息显微镜和打印机。

14. 类人机器人（Humanoids）

类人机器人是一种在外形和特征设计上与人类相似的机器。类人机器人的研究是将人脑模拟系统、电子神经网络，类脑计算技术与具有类人动作的机器人平台深度无缝融合。以具有人体外观（包括肢体和肌肉组织等）和动作的机器人平台为载体，实践、应用视觉、听觉、思维和运动多通道的信息处理与协同，实现全新类人神经计算与控制。

由于类人机器人被期望尽可能地与人类相似，所以许多项目都专注于直接模仿。目前，类人动物的建造成本较高，而且部署繁琐。但是，一旦类人机器人达到一定的性能水平，大众接受度就会发生根本性的变化。

15. 神经科学（Neuroscience）

神经科学是指寻求解释神智活动的生物学机制，即细胞生物学和分子生物学机制的科学。神经科学寻求了解在发育过程中装配起来的神经回路是如何感受周围世界、如何实施行为的，它们又如何从记忆中找回知觉，一旦找回之后，它们还能对知觉的记忆有所作用。

 

目前神经科学仍然局限于基础研究，研究的最终目的是找出创造力和想象力是如何工作的。早期试图找到一种来衡量、预测和系统地影响想象力的方法，想象力被视为创造性思维的基础，是人类进步的核心。富有创造力的神经科学将使人们不仅能够进行感知，而且能够预测并系统地影响想象力。

16. 精准农业（Precision Farming）

精准农业又称为精确农业或精细农作，发源于美国。精准农业是以信息技术为支撑，根据空间变异，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作与管理的系统，是信息技术与农业生产全面结合的一种新型农业。

 

精准农业依靠GPS、卫星图像、控制系统、传感器、机器人、变速技术、远程信息技术、软件等现有的最新信息和技术，在作物生长周期中（土壤整备、播种和收割）改善作物。这些机器人不受人为错误的影响，能够适应现场条件，从而最大限度地提高产量，大幅减少时间并提高效率。

17. 柔性机器人（Soft Robot）

柔性机器人是机器人的一个子领域，用模仿生物体的材料建造机器。柔性机器人在其他方面与生物相似，突出在运动和适应环境变化的物理结构的能力。机器人被称为“柔性”，与那些刚性材料制造的机器人相比更突出它们的灵活性和适应性。

长期来看，在医疗和个人机器人技术中，柔性机器人将实现与人类之间的安全且兼容的交互。在较小的规模上，微型柔性机器人有望在药物输送和手术等医疗应用中提供帮助。对于野外勘探和救灾，柔性机器人可以在复杂地形中导航并穿透狭窄空间。柔性机器人将进一步帮助食品处理和农业等领域实现高度自动化，降低成本。

18. 非接触手势识别（Touchless Gesture Recognition）

非接触手势识别是一种新兴技术，通常指可以让人类在触摸屏之外（通常指在空中）通过手势与电子设备进行交互的一系列信息技术。基于非接触式传感器的手势识别通常使用光学传感、雷达检测等技术。

 

非接触式手势识别构成了一个自然用户界面，极大地改变了人类与日常技术互动的方式。从手势的识别和解析中可以收集到大量速度、动作、情绪反应方面的数据，这些数据可转化为对使用者的精准理解。

19. 飞行汽车（Flying Car）

飞行汽车即陆空两用车，作为一种接近直升机的飞行器，具有垂直起降、悬停飞行等特征。随着汽车拥有量的增多，交通拥堵成为世界难题。因此，研发一辆小型、安全、低冲击的个人飞行汽车一直是人们的梦想。如今，传感器、电力存储、电机和人工智能的迅速发展使飞行车接近现实。因此，智慧城市正在准备部署个人自动驾驶交通工具，希望能解决交通问题。

二、人机交互和仿生（Human - Machine Interaction & Biomimetics）

20. 神经形态芯片（Neuromorphic Chip）

神经形态芯片是采用电子技术模拟生物脑的运作规则，构建的具有类似于人脑神经元架构的一种全新小型半导体芯片，可以模仿大脑有效处理数据，有望应用在无人驾驶、智能传感器处理、人脸识别等多个领域。

 

神经形态技术将是高性能计算的下一个发展阶段，它能够大幅提升数据处理能力和机器学习能力。神经形态芯片是将神经网络的工作原理蚀刻到硅中，其能效可达传统中央处理器的数百倍。神经形态芯片非常节能，适用于移动设备、车辆和工业设备。

21. 仿生学（医学）（Bionics）

仿生学是指通过研究生物系统的结构、性状、原理、行为，为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学，通常用于医学领域，表示用各种机械代替或增强人体部件，目前在外骨骼、上肢和内部器官均有运用。

“仿生学”通常用于医学领域，用来描述用机械代替或增强各种身体部位。人造、仿生器官和四肢不同于普通假肢，它们的设计尽可能接近被替换身体部分的原始功能。

22. 脑功能映射（Brain Functional Mapping）

脑功能映射即对大脑功能的定位，目的就是阐明大脑各个部分的功能。精确可靠的脑功能映射技术为预防、治疗神经疾病奠定了基础。

长远看，深入了解大脑在生理和病理情况下的功能将为确定疾病原因、治疗干预和预防策略提供重要信息。此外，大脑解码的进步有力地支持了脑机接口和大脑仿真技术的发展。

23. 脑机接口（Brain Machine Interface）

脑机接口是指大脑与外部设备之间的直接交流通道，既可以从大脑中收集信息，又可以将信息输入大脑，从而实现大脑与设备的信息交换。

 

根据脑信号采集的方式，脑机接口可分为侵入式和非侵入式。受技术成熟度和安全性等因素影响，非侵入式脑机接口是目前主流的研究方向。

24. 情绪识别（Emotion Recognition）

通过人的面部表情、行为动作或生理信号等信息识别人的情绪状态，该技术在医疗辅助、教育、交通安全等方面有很大的应用潜力。

情绪识别可以完全改变营销人员设计广告的方式，无需依靠个人的直觉或主观想法，针对不同的目标群体对每个想法进行科学而严格的测试。

25. 智能纹身（Smart Tattoos）

 

智能纹身也被称为纸皮肤、电子皮肤或电子纹身，它由可穿戴的皮肤电极组成，能够感知外界刺激、监测生理数据，也被称为电子纹身、电子皮肤，未来有可能在医疗系统、虚拟现实、可穿戴机器人等领域实现广泛应用。智能纹身的发展得益于柔性材料、制造工艺等的创新突破。

26. 人工突触/大脑（Artificial Synapse/Brain）

人脑是通过突触使各种神经元在功能上产生联系，因此想要进行人工神经网络的研究，实现对突触功能的模拟显得尤为重要。

人工突触即模仿人脑中突触传递信号的方式，由人工设计制造的电子器件。人工突触与真实突触一样，需要通过学习，以模拟的方式改变其状态，以非易失方式进行存储，具有与生物突触相似的连续可调权值，为打造新一代类脑计算机提供了可能。

三、电子与计算机（Electronics & Computing）

27. 柔性电子（Flexible Electronics）

柔性电子是指将有机、无机或有机无机复合材料沉积在柔性基板上，形成以电路为代表的电子元器件及集成系统的技术。

柔性电子技术涵盖柔性显示、OLED显示与照明、柔性光伏、柔性电池、可穿戴设备、柔性生物传感等多种应用场景。柔性电子制造的关键包括基板、材料和工艺。研究人员已经开发出一种灵活的压力传感器，即使双弯也能保持精确。医疗和生物工程应用将受益于真正灵活/可伸展的传感器，这将彻底改变大脑植入物。能让我们的大脑和电脑之间实现无缝的交流。

28. 纳米发光二极管（Nano - LEDs）

发光二极管(LED)是一种双引线半导体光源器件，具有将电转换为光的能力，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只需要普通灯泡点亮所需能量的一小部分，而不含有毒金属(例如汞，用于荧光灯灯泡)。

利用纳米材料制备的发光二极管不仅能发光，也能检测光，同时能够以更少的能量产生更明亮的光，延长发光二极管的寿命。

29. 碳纳米管（Carbon Nanotubes）

 

碳纳米管是一种直径为纳米级的碳基管状材料，具有出色的力学、电学和化学功能，是目前已知的熔点最高的材料，被称为“纳米材料之王”。根据碳管的层数，碳纳米管可以分成单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，制备方法包括化学气相沉积法、电弧放电和激光烧蚀等。硅一直是这些领域的首选材料，但它的主导地位在未来可能会受到新化合物的挑战，许多研究人员已经将这种希望寄托在碳纳米管上。

30. 计算内存（Computing Memory）

“内存计算（Memory Computing）”或“计算内存（Computing Memory）”是一个新的概念，它利用存储设备的物理特性来存储和处理信息。计算内存/内存计算是将数据存储于服务器的内存中，以此作为数据处理加速的一种手段，其主要适用于数据访问密集型的应用。新型3D堆叠技术和非易失存储技术为内存计算的发展提供了技术支撑。现如今内存计算主要有近数据计算和存内计算两种形式。

31. 石墨烯晶体管（Graphene Transistors）

石墨烯被称为新的纳米材料，导电性能好、化学性能稳定，是世界上最坚固的材料。石墨烯晶体管是一种基于石墨烯的纳米技术晶体管。石墨烯具有出色的导电、导热性能，有望取代硅成为下一代半导体材料。

32. 高精度时钟（High - precision Clock）

 

随着科学技术的进步，人们对时间精度提出了越来越高的要求。例如电力系统中，需要设备达到毫秒级精度；无线移动通信系统中，时钟频率精度需达到微秒级。因而研究高精度时钟具有重要意义。

33. 纳米线（Nanowires）

纳米线是一种宽度在100纳米以下，长度上没有限制的纳米结构材料，与碳纳米管结构类似，具有出色的电子传输特性。纳米线的尺寸以纳米为单位。它们也可以被描述为宽度在几十纳米或更小、长度没有限制的纳米结构。纳米线可以由多种材料和多种工艺制备，适用于催化、微电子设备、太阳能电池、生物传感器等多领域。纳米线的可重复性和可调节性以及表面特性为纳米医学提供了一种新颖的方法。

34. 光电子学（Optoelectronics）

光电子学是光子学的一个分支，致力于把电子学和光结合起来传输数据，是一种与光相互作用的电子学器件技术。光电子学的进一步研究将为开发许多不同的光电子器件开辟道路。

35. 量子计算机（Quantum Computers）

量子计算机(QC)是使用量子逻辑进行通用计算的设备，基于量子位元（称为量子位元）工作，不同于传统计算机二进制位元（bits），量子位元（qubits）可以表示0、1或其任意叠加态，因此能达到前所未有的计算容量和速度。

目前，研究工作致力于解决特定问题的量子硬件的创建。尽管如此，要实现能够运行所有现有代码的通用量子计算机，仍需要进行更多的研究。为了使量子计算机更加有效、稳定和便宜，必须进行大量的研究工作，并解决与量子相干和低温工作有关的问题。

36. 量子密码学（Quantum Cryptography）

 

量子密码学泛指利用量子力学的特性来加密的科学。最著名的例子是量子秘钥分发（QKD），依赖于量子系统的测不准性和不可克隆性，可实现对外界窃听的可检测性和容易实现的无条件安全性。量子密钥分配位于量子密码学的核心，它使用量子粒子（电子、光子）安全地建立双方之间的共享密钥。量子密钥分配系统利用了量子力学中的一个基本原理：观察量子粒子会自动改变其特性。因此，总是有可能检测量子粒子是否已经被观察到，表明安全漏洞。如果发生这种情况，密钥将被丢弃，另一个密钥将被发送，直到双方确定没有其他人观察到密钥为止。

37. 自旋电子学（Spintronics）

自旋电子学是固态电子器件中电子内在自旋的及其关联磁矩的研究。通过操纵材料电子自旋自由度，获得符合自旋电子元件应用所需要的性质，有望使数据存储、逻辑运算、量子计算等器件获得性能突破。

自旋电子学是一个新的研究领域，研究电子自旋对导电的影响。传统的电子设备基于在电路周围分流电子，自旋电流是电流的自旋电子学等效物，与电流不同的是，自旋可以在静止电子之间转移，它们可以在没有实际移动的电子的情况下流动，自旋电子学包括“研究电子（更一般地说是核）自旋在固态物理中所起的作用”。

四、生物交叉学科（Biohybrids）

38. 生物降解的传感器（Biodegradable Sensors）

可生物降解的电子器件可通过水解或生化反应，在其生命周期结束后溶解，从而一方面抑制电子垃圾的水平，另一方面促进了医疗植入物的发展。

 

生物降解电子器件是一种寿命有限的电子元件，可通过水解或生化发生反应。这种装置可作为医疗植入物，用于临时体内传感、药物输送、组织工程、微流体等，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。

39. 芯片实验室（Lab-On-A-Chip）

芯片实验室是指把生物和化学等领域中所涉及的样品制备、生物与化学反应、分离检测等基本操作单位，集成或基本集成于一块芯片上，用以完成医疗诊断、药物筛选、环境检测、食品安全、司法鉴定等分析的一种技术。芯片实验室将化学分析等实验室功能集成在一个微小尺寸的设备中。快速脓毒症检测目前是芯片实验室一个非常重要的应用。

40. 分子识别（Molecular Recognition）

分子识别是指两个或多个分子通过非共价键作用发生特异性相互作用，产生光、热、音等信号的现象，其中识别成分可以是酶、DNA、RNA、催化抗体、适配体和标记生物分子。配合相应信号转换器，分子识别信号可被转换为可定量、可处理的电信号，制成生物传感器。

 

目前分子识别技术在便携式设备诊断、电反应诊断、药物筛查方面都有不同程度的运用。从长期看，分子识别是构建生命过程的基石之一。作为一个发展中的领域，它将革新医学。

41. 生物电子学（Bioelectronics）

生物电子学是利用生物材料或生物体系结构来设计和制造信息处理机械和相关设备的技术。这一领域利用生物燃料电池、仿生学和用于信息处理、信息存储、电子元件和执行器的生物材料。该研究领域的重要方向是生物材料和小型电子设备之间的互补性和相互作用。

42. 生物信息学（Bioinformatics）

生物信息学利用应用数学、信息学、统计学和计算机科学的方法研究生物学的问题，目前主要的研究方向有：序列比对、序列组装、基因识别、基因重组、蛋白质结构预测、基因表达、蛋白质反应的预测，以及创建进化模型。生物信息学是一个新的研究领域，它结合了生物学、数学和计算机科学等多个学科的方法、技术和数据。它的目标是开发新的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、独特的适应性、理想的特性，或种群之间的差异。

43. 植物通讯（Plant Communication）

植物通讯是指植物和其他生物之间的交流，不管是同一种还是不同类型的植物、土壤和昆虫，还是更复杂的生物。目前有研究团队正在探索将植物作为传感器的方法。对植物通讯的深入研究可能会有潜在的应用前景。

五、生物医学（Biomedicine）

44. 基因编辑（Gene editing）

 

基因编辑也被称为“基因组工程”，是基因工程的一种，指在活体基因组中特定位置进行DNA插入、删除、修改或替换的一项技术。它是DNA被插入、删除、修改或替换到生物体的基因组中的工具。通常的编辑方法是通过工程核酸酶（分子剪刀）在基因组中的靶点产生断裂双链。这些断裂双链通过非同源端接口或同源重组进行修复，结果是靶向突变。

45. 基因治疗（Gene Therapy）

基因治疗指应用基因工程技术将正常基因引入患者细胞内，以纠正缺陷基因而根治疾病。纠正的途径既可以是原位修复有缺陷的基因，也可以是用有功能的正常基因转入细胞基因组的某一部位，以替代缺陷基因来发挥作用。

基因治疗的重点是基因突变，基因突变使其产生异常蛋白质。除了变异，基因治疗的基本原理是，缺陷基因被治疗基因（也称为功能基因）取代或灭活，这种基因通过病毒或“裸DNA”进入人体。

46. 抗生素药敏试验（Antibiotic Susceptibility Testing）

抗生素药敏试验是测试细菌对抗生素敏感性的试验，是一种广泛用于在临床环境中评估抗生素耐药性和确定患者治疗计划的方法。抗生素耐药性是全球人类健康面临的最严重的风险之一，这就意味着要面对多方面挑战，包括：感染预防、新抗生素的开发以及对抗感染的替代方法、限制过度使用和确保有效性治疗。

47. 生物打印（Bioprinting）

生物打印是3D打印的一种特殊应用，它使用聚合物或基因工程的生物材料制成生物墨水，运用层积法制造出仿效活组织的细胞支架，再将细胞种入支架中，使细胞得以生长。生物打印的优点是材料的个体适应性较好并且具有较少的副作用，包括植入物排斥反应。

48. 基因表达的控制（Control of Gene Expression）

基因表达是一个基因的核苷酸序列被用来指导蛋白质合成和产生各种细胞结构的过程，基因表达调控是使基因表达过程在时间、空间上处于有序状态，并对环境条件的变化作出反应的复杂过程。

 

早期研究通过发现胎儿对疾病的易感性，并以某种方式操纵细胞，使未来的有机体组织健康，以推动辅助生殖和再生医学领域进步。

49. 药物输送（Drug Delivery）

药物输送是指在空间、时间及剂量上全面调控药物在生物体内分布的技术，其目标是在恰当的时机将适量的药物递送到正确的位置，从而增加药物的利用效率，提高疗效、降低成本、减少毒副作用。

纳米材料和新材料正在彻底改变这个领域。提升药物输送能力将导致药物更快达到其目标，副作用会越来越少，并在必要时停用或重新激活。

50. 表观遗传技术（Epigenetic Change Technologies）

表观遗传指的是基因功能的可遗传变化，其研究的是在不改变DNA序列的前提下，通过某些机制引起可遗传的基因表达或细胞表现型的变化。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，并导致可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都与表观遗传机制有关，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。

51. 基因疫苗（Genomic Vaccines）

基因疫苗，或称核酸（DNA或RNA）疫苗，是指将含有编码的蛋白基因序列的质粒载体，经肌肉注射或微弹轰击等方法导入宿主体内，通过宿主细胞表达抗原蛋白，诱导宿主细胞产生对该抗原蛋白的免疫应答，以达到预防和治疗疾病的目的。基因疫苗是由DNA或RNA合成的非蛋白疫苗，可促进人体免疫力提升，预防传染性疾病扩散。它是在基因治疗(genetic therapy)技术的基础上发展而来的。

52. 微生物组（Microbiome）

微生物组是指一个特定环境或者生态系统中全部微生物及其遗传信息，包括其细胞群体和数量、全部遗传物质（基因组），它界定了涵盖微生物群及其全部遗传与生理功能，其内涵包括了微生物与其环境和宿主的相互作用。

了解微生物组的多样性并发现新的模式可以更好地了解疾病的发生原因，以及为什么在某些情况下治疗效果要好于其他情况。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（Regenerative Medicine）

再生医学是应用生命科学、材料科学、临床医学、计算机科学和工程等学科的原理和方法，研究和开发用于替代、修复重建或再生人体各种组织器官的理论和技术。包括组织工程、细胞和细胞因子治疗、基因治疗和微生态治疗等。

再生医学是一个新兴的医学领域，它致力于找到修复或替换因疾病、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。通过组织工程、干细胞的细胞疗法，以及人工培养的组织或器官来实现。

54. 重编程的人类细胞（Reprogrammed Human Cells）

重编程的人类细胞通常指免疫系统的基因重新编程的白细胞或诱导性多能干细胞，其外观类似于胚胎干细胞。细胞重编程主要依靠基因编辑技术、体细胞核移植技术、诱导多能干细胞技术。最近有研究证明，可生物降解的纳米颗粒可通过对免疫细胞进行遗传编程，在小鼠模型中识别、清除或减缓白血病的进展，并使得免疫细胞仍在体内。

55. 靶向细胞死亡途径（Targeting Cell Death Pathways）

靶向细胞死亡途径以触发机制不同类型细胞死亡的关键调控分子为靶点，通过调控靶点使细胞走向死亡。死亡途径包括细胞凋亡、半胱天冬酶非依赖性细胞死亡、自噬和程序性坏死等。与目前的治疗方法相比，靶向触发不同类型细胞死亡的关键调控分子可能是一种更有效、毒性更小、更不容易产生耐药性的癌症治疗方法。

六、印刷与材料（Printing&Materials）

56.2D材料（2D Materials）

二维材料由原子级薄层材料组成，具有层状结构，层内原子之间通过较强的化学键结合，层之间通过较弱的范德华力结合。包含石墨烯、过渡金属硫系化合物、黑磷等。2D材料由原子级薄层材料组成。目前的研究主要集中在由不同的2D材料层所构成异质结性质，以及它们在光伏、半导体、集光器件和后硅电子等领域的应用。

57.食物3D打印（3D Printing of Food）

食物3D打印是指利用积层制造的技术生产食品的过程。目前常使用的3D食品打印可分为：熔融沉积成型、喷墨打印以及选择性烧结成型等。

 

3D打印的食物商业化成为主流，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打印发明新的食物，并进行实验；在医疗环境中，帮助有进食困难的人。

58.玻璃3D打印（3D Printing of Glass）

玻璃3D打印是以数字模型文件为基础，运用计算机辅助打印玻璃的过程。玻璃3D打印技术主要有熔融沉积成型技术、选择性激光烧结技术、光固化成型技术。

 

玻璃是一种必不可少的高性能材料，独特的功能使其应用于生物技术、光学、光子学和数据传输等领域。玻璃3D打印的进步为实验室级设备的制造铺平了道路，也为内部生产带来了便利，它使得技术人员可以获得更接近于成品的成果。

59.大型物体的3D打印（3D Printing of Large Objects）

大型物体3D打印是指以数字模型文件为基础，在计算机的辅助下由点至线、由线至面、由面至体逐级打印制作大型物体的过程。

无论产品设计大小，3D打印技术的最大优势之一就是制造商能够控制物体物理形态的每一个方面——物体的形状可以通过特殊的软件进行优化。大型物体可以通过特殊的设计软件进行优化，以使材料和功能适应环境的要求。

60.4D打印（4D Printing）

4D打印是一种将3D打印和激励响应材料相结合的新兴制造技术。其核心特征是3D打印的构建在外界刺激下发生形状、性质、功能的可控变化。4D打印技术简化了从设计理念到实物的造物过程，让物体能自动组装构型，实现了产品设计、制造和装配的一体化融合。

61.水凝胶（Hydrogels）

水凝胶是一类极为亲水的三维网络结构交联聚合物，它在水中迅速溶胀并在此溶胀状态可以保持大量体积的水而不溶解。传统水凝胶缺乏强度，易发生断裂，且内部结构简单，缺乏特殊功能，因此常通过改性提高水凝胶的性能。

 

水凝胶在医学领域具有广阔的前景。不久的将来，水凝胶将为急救工作提供基础支持，使患者能够达到自我修复。随着技术的进一步发展，治愈性软体机器人将可以接触生物体的细胞，并在微观和亚微观水平上进行手术。

62.超材料（Metamaterials）

超材料是一种根据实际应用需要，对材料关键物理尺寸进行特殊设计，最终得到不同于常规材料性质的新型材料。超材料是由多个单独的纳米元素组成的人造组件，超材料的高可配置性将用于制造抗损伤材料，例如超材料制造的衣服会感知可能的损坏并调整织物表面以保护穿着者。

63.自愈材料（Self-healing Materials）

自愈材料是一类拥有结构上自愈合能力的智能材料。发明这种材料的灵感源于在受伤后能自我修复的生物系统。一般来说，这些材料是人工制造的，可以被认为是“智能结构”，它们根据其综合“传感”能力来适应各种环境。这种技术可以应用于任何领域，例如海上风力涡轮机，或者飞行中的飞机和卫星。

七、突破资源边界外的技术（Breaking Resource Boundaries）

64.生物塑料（Bioplastic）

生物塑料指以淀粉等天然物质为基础在微生物作用下生成的塑料。它具有可再生性特性，因此十分环保。生物塑料以及制品的生产、性能主要依赖于以下四个方面：

微生物：通过微生物发酵将农产品等原材料转化为生物高分子材料用于生产生物塑料（如制备聚羟基脂肪酸酯）。
热处理工艺：聚乳酸是最常见的生物塑料，但其耐热和耐水性较差，通过创新热处理工艺，即将聚乳酸纤维加热到200℃左右缓慢冷却，制出耐热耐水性能更高的产品，且制备过程不需使用有害溶剂和添加剂。
生物塑料添加剂改性技术：生物塑料添加剂改性的目的是降低成本、提高强度、改善加工性、改善可降解性、改善抗辐射性能，拓展应用领域。
生物塑料制品成型工艺：生物基塑料的熔点温度和降解温度非常接近，加工窗口很窄。生物塑料的成型技术有注射成型和吹膜成型。注射成型加工采用渐变型注射螺杆，控制螺杆线速度、注射速度防止剪切热过高。
65.碳捕获与封存（Carbon Capture and Sequestration）

碳捕获与封存是指收集从点源污染产生的二氧化碳，将它们运输至存储地点并长期与空气隔离的技术过程。碳是地球上生命的重要元素。人类活动产生的二氧化碳是导致气候变化的主要温室气体之一，管理二氧化碳是我们这个时代最大的社会、经济和政治挑战之一。

空气捕获与碳存储相结合可以实现双重功能。碳捕集与利用减轻了碳存储所带来的一些问题和成本，一旦减缓气候变化的成本增高，碳捕集技术就可能吸引来自汽车和飞机等分散碳源关注。但是这些技术也非常昂贵，存在一定风险，而且实际效果尚不清楚。

66.海水谈化（Desalination）

海水淡化是指将海水中多余的盐分和矿物质去除得到淡水的工序。由于技术成本较高、能耗高，目前它们只能将水分解，或者使其达到沸点或者冷凝，通过化学物质过滤来清洗污染的膜，实现海水淡化。

全球海水淡化技术超过20余种，主要分为蒸馏法（热法）和膜法两大类，其中低温多效蒸馏法、多级闪蒸法和反渗透膜法是全球主流技术。

67.地球工程与气候工程（Geoengineering and Climate Engineering）

 

地球工程也称气候工程，是指为了应对全球升温及其影响，人类根据认知水平和相应能力，运用工程技术手段在较大尺度范围内对气候加以调节或修正的各种努力和行为。最近，减少温室气体排放和社会承受气候变化能力的问题备受关注。未来在全球范围内需要对地球工程和气候工程进行治理和监管。

68.超级高铁（Hyperloop）

超级高铁是一种以“真空钢管运输”为理论核心的交通工具，具有超高速、高安全、低能耗、噪声小、污染小等特点。超级高铁可以帮助缓解交通压力，不受交通事故和天气因素的影响，带来稳定、可靠的通勤体验。

69.塑胶食虫（Plastic-Eating Bugs）

PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）是全球最常见的不可生物降解的塑料产品之一，它们的堆积已经造成了严重的环境问题。科学家们正在寻找能够代谢或消化这些塑料的细菌、真菌甚至是蠕虫等，利用它们将塑料垃圾转化为可生物降解的产品，减少塑料制品所带来的环境问题。

70.分解二氧化碳（Splitting Carbon Dioxide）

 

二氧化碳作为主要的温室气体，直接导致了全球气候变化。不同于目前的碳捕获和贮存的技术，二氧化碳分解技术是将二氧化碳分解成碳和氧气，或是利用二氧化碳直接转化为燃料。目前正在使用不同的碳捕获和储存方法来降低大气中的二氧化碳含量，从而降低其影响。目前需要做的不是储存，而是通过分离直接使用二氧化碳，以及从储存地点分离二氧化碳。

71.备灾技术（Technologies for Disaster Preparedness）

随着自然灾害数量的不断增加，寻找应对破坏性灾害危机的技术已变得迫在眉睫。一方面诸如地震、海啸、火山爆发、泥石流等自然灾害的预测是十分重要的，另一方面通过技术手段，如救援机器人、公民信息系统等的技术开发来限制自然灾难所带来的负面影响。

备灾的关键方面是社会复原力，即暴露在危险中的社会能及时有效地抵御、吸收、适应和恢复的能力。需要在不断变化的环境中采用不同的方法，而不是修复系统的先前状态。

72.水下生活（Underwater Living）

人类在水下生活的想法被认为是人类未来生存发展的必要考量，是作为地球表面因为人口过多或因为灾难而无法居住的一种替代方案。自20世纪60年代初以来，世界各地设计、建造和使用了大量的水下居住设施来探索这一技术。

73.废水养分回收（Wastewater Nutrient Recovery）

养分回收是指从废弃的水流中回收氮和磷等养分，并将其转化为用于生态和农业目的的环境友好型肥料。养分回收是污水处理领域的重要发展目标之一，其带来的各种经济、环境和社会效益，有助于降低成本、节约能源、保护环境和提升客户的服务，大规模利用废水作为资源来源将是一项巨大的技术突破。

74.小行星采矿（Asteroid Mining）

 

小行星采矿（Asteroid Mining）是从围绕太阳运行的相对较小且密度较大的天体（即小行星）中提取有价值的物质的过程。随着地球矿产资源的枯竭，一些重要材料将越来越难以在地球上开采，小行星将提供重要材料的储备。有些是值得运回地球的，例如：金、铱、银、锇、钯、铂、铼、铑、钌或钨等。其他的可以用于太空建设，例如：铁、钴、锰、钼、镍、铝或钛等。

八、能源（Energy）

75.生物发光（Bioluminescence）

生物发光是指生物体产生光的自然能力，是由生物体内部发生化学反应所产生的。生物发光需要一种叫做荧光素的分子和氧气，当二者一起发生反应后，便会发出光。在一些昆虫、真菌、细菌和海洋动物的身上均发现了生物发光的现象。生物发光需要一种叫做荧光素和氧的分子，它们相互反应时会产生光。生物发光在一些昆虫、真菌、细菌和海洋动物中被发现。

76.能量收集（Energy Harvesting）

能量收集是一种利用能量收集器从其周围环境中获取能量的技术。尽管收集能量不大，因为这种小能源所产生的电力比大型设备要少得多，但捕捉到的能量足以满足大多数无线、遥感、人体植入、射频识别、可穿戴设备的应用。捕捉环境能源的技术包括：设计用于从振动和变形中提取能量的机械装置；从温度变化中提取能量的热装置；从光、无线电波和其他形式的辐射中获取能量的辐射能装置；以及利用生化反应的电化学装置。

77.可燃冰开采（Harvesting Methane Hydrate）

“可燃冰”——是天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质，是未来一种非常有潜力的能源来源，特别是对于那些能源需求主要依赖进口的国家。

大多数天然气水合物沉积物都位于海面以下，只能通过钻井平台和深海钻井船才能到达。由于甲烷是不稳定的且易燃，甲烷泄漏到空气中，会造成更多的温室效应，是风险技术之一，目前还不具备可用的技术来大规模收集这种能量。

78.氢燃料（Hydrogen Fuel）

 

氢的质量能量密度大约是化石燃料的三倍，非常适合于内燃机。氢气在大气中燃烧，仅释放出水、过氧化氢和少量氮氧化物。氢作为燃料的另一种应用方式是在氢燃料电池中，氢气与氧气发生反应将化学能转化为电能，电能可以输送到外部电路中加以利用，副产物只有水。因此，氢燃料是碳基燃料理想的替代品，几乎对环境没有影响。

79.海洋和潮汐能技术（Marine and Tidal Power Technologies）

海洋能指依附在海水中的可再生能源，这些能量以潮汐能、波浪能、温差能、盐差能、海流能等形式存在于海洋之中。其中潮汐能是指海水在周期性涨落运动中所蕴含的能量，这种能量是人们目前应用最为成熟的海洋能之一。海洋为人类提供了大量的可再生能源。最先进的潮汐流和海洋面临着相当大的障碍。在不同的前瞻性调查中，海洋能源可以大规模收集能源，值得我们关注。

80.微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells）

微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂（一般为氧气）在阴极得到电子被还原与质子结合成水。

微生物燃料电池的最大优势是它可以通过处理废弃物和清洁能源减少对环境的污染。该技术仍然面临障碍，大规模的研究工作是必然的。

81.熔盐反应堆（Molten Salt Reactors）

熔盐反应堆是核裂变反应堆的一种，其主要特征是使用熔融的混合盐同时作为核燃料载体和反应堆冷却剂。反应堆运行时，核燃料和熔于载体盐的裂变产物随熔盐在反应堆堆芯和热交换器间不断循环流动，把裂变产生的热量源源不断地从反应堆内输送到堆外。在寻求清洁、高效的能源过程中，熔盐反应堆面临可再生能源和聚变反应堆等新兴技术的竞争。

82.智能窗（Smart Windows）

智能窗户是一种由玻璃或其他透明材料和调光材料所组成的调光智能器件，在一定的物理条件下（如光照、电场、温度），这种器件发生着色或褪色反应，改变自身的颜色状态，从而有选择性地吸收或反射外界的热辐射和阻止内部热扩散，起到调节室内光强度和温度的作用，进而实现节能效果。

 

目前某些大型办公楼和其他具有玻璃外墙的大型建筑可以利用太阳光获取能量，这将减轻建筑物的能源费用和企业的碳足迹。智能窗一旦开始大规模生产，对“智能家居”设计至关重要。

83.热电涂料（Thermoelectric Paint）

热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料，常规热电材料通常被用于平坦表面物体上，但一些特殊场景的应用往往并不理想，而液体或粘胶形态的热电涂料对于任意物体表面都是理想的，可以突破此前热电材料设计和效率上的制约。

热电涂料可以利用任何热源发电，还可以保护内部空间免受外部热量的辐射，从而减少了额外的冷却需求。热电涂料未来可用于建筑物或车辆表面，从而节省大量的能源。

84.水分解（Water Splitting）

水分解是将水的化学成分分解成氢和氧的组成元素的过程。这一转化过程对清洁能源具有重要意义，水分解可以为氢的广泛使用开辟道路。目前，实现水分解的方法多种多样，但是效率和成本上都不尽如人意。

水分解技术可能改变人们看待能源生产和消费的方式。利用太阳能电池板或风力涡轮机的电力，能够轻松地生产氢气，将大大减少人类活动的碳足迹。

85.机载风力发电机（Airborne Wind Turbine）

机载风力发电机是将风力发电机组安装在飞行器上，成为风力发电装置。与传统的地面涡轮机相比，机载风能系统通常要小得多，使用的材料也更少，且更容易移动并部署到孤立的地点或环境恶劣的偏远地区。

与传统的地面涡轮机相比，机载风能系统通常要小得多，使用的材料也更少，而且它们更容易移动并部署到孤立的定居点或遭受自然灾害的偏远地区。与传统的风力发电相比，生产空中风能的成本要高得多，即使相关试验取得成功，也可能需要五年或更长时间才能将第一个功能系统商业化。

86.铝基能源（Aluminium-based Energy）

 

铝是地壳中含量最丰富的金属，且质轻有韧性，未来可作为现有技术的补充和替代，用于可充电电池、新型高效太阳能电池等储能及发电领域。目前，较为突出的研究成果是铝空气电池。铝电池是锂离子电池的替代品竞争中的强力候选者，在了解铝与各种化合物相互作用的电化学性质方面将会继续取得科学进展。

87.人工光合作用（Artificial Photosynthesis）

人工光合作用是模仿生物自然光合作用的一类化学过程，将阳光、水及二氧化碳转化为碳水化合物与氧气。通常指任何能够将太阳能捕捉并储存在燃料化学键中，产生氢气、甲醇等有价值燃料的技术。在燃料消耗和二氧化碳含量产生的背景下，既能降低二氧化碳含量又能发电的人工光合作用是该领域研究的重点。人工光合作用成本较低，大大减少对化石燃料的使用和需求。

九、社会领域的重大创新突破（Radical Social Innovation Breakthroughs）

88.协同创新空间（Collaborative Innovation Spaces）

协同创新空间是一种传递知识和协作创新的新形式，通常是一群技术人才聚集在一起分享知识、创造新事物的地方，也称为“创客空间”、“黑客空间”、“创新实验室”。协同创新空间可以在任何地方出现，包括学校、图书馆和社区中心等，不同的地点提供不同的资源，从3D打印机到合成生物学。

89.游戏化趋势（Gamification）

游戏化趋势是指在非游戏环境中将游戏的思维、元素及机制进行整合运用，以引导用户互动和使用的方法增加受众参与度、忠诚度和乐趣。它能在互联网、医疗/健康、教育、金融等领域影响到用户使用时的心理倾向，进而促进用户的参与与分享。

 

越来越多的年轻人玩虚拟游戏并因此习惯于接受这种训练，越来越多的公司启动了游戏化项目。学习型游戏在企业中得到了应用，并且他们越来越多地投资于学习型游戏。在线学习也部分采用基于游戏的学习形式。

90.共享经济（Access/Commons-Based Economy）

共享经济是指以互联网为媒介，以使用权分享为主要特征，整合海量、分散化资源，满足多样化需求的经济活动总和。其本质是整合线下的闲散物品、劳动力、教育医疗等资源。共享是互惠互利的社会行为，有助于扩大享受共享资源好处的圈子。互联网使新型共享实践成为可能。大多数人认为，这种协调各种动机的价值创造形式特别适合解决复杂的社会问题。

91.读写文化：多元化的信息控制者（Read/Write Culture：diversifying in-formation gatekeepers）

随着互联网和各种社交媒体的兴起，人们不仅可以分享信息，还可以创建、添加和修改数字内容，例如视频博主、影视编辑、个人直播流媒体等等。公众对信息的获取模式由之前的“只读文化”向“读写文化”转变。人们通过社交媒体，不仅能够分享，而且能够操纵、转换和生成视频博客和在线直播等数字内容。

92.重塑教育（Reinventing Education）

重塑教育指不局限于传统教育形式，创新提供新的培训和学习平台，增加从事教育活动的参与者和教育形式多样性，促使学习者新知识的获取途径更加丰富。

93.自我量化（Body 2.0 and the Quantified Self）

 

自我量化是鼓励用户通过收集日常生活的各个方面（如饮食、血氧水平、睡眠情况等）的数据来更好地了解自己。可借助可穿戴设备、智能手机应用程序或独立的传感器对人体进行实时监测和记录。量化自我意味着通过可穿戴设备、智能手机应用程序或独立的传感器，对人体进行永久性监测，并对个人的身体功能进行近乎医疗的监测。

94.无车城市（Car-free City）

无车城市是指禁止汽车在市区内行驶，倡导将公共交通、步行或自行车作为市区内的交通工具。一些国家和城市甚至制定新的法律加速这一趋势。目前，至少有7个汽车依赖度高的大城市开始实行无车化。无车城市极大地减少了对石油的依赖、空气污染、温室气体排放、汽车撞车、噪音污染和交通拥堵。国内外越来越多的城市开始淘汰汽车。许多国家和城市甚至制定了新的法律来加速这一趋势。

95.新的记者网络（New Journalist Networks）

新的记者网络指记者在全球范围内与其他记者或自由职业者展开合作，共同为各种全球新闻寻找证据，并充分借助网络工具以新的方式传播新闻和揭露真相。新的记者网络节省资源，采用新的方式传播新闻和寻找证据。

96.本地食物圈（Local Food Circles）

本地食物圈关注的是促进安全、区域种植的食品消费问题，使消费者直接与农民建立直接联系，助力农业可持续发展，并帮助农民、发展农村地区。

 

目前，美国、日本、欧洲都在鼓励社区支持型农业（Community Support Agriculture，CSA）的发展，致力于建立本地化的区域粮食网络和食品系统。

97.拥有和共享健康数据（Owning and Sharing Health Data）

大数据时代，个人健康数据越来越有价值，可在保障数据安全的前提下将数据收集、整合用于研究，并且个人可以从中直接受益。大型数据库已经由不同的机构、公司、组织托管，其数据具有不同的聚合规模。

98.生命缓存（Life Caching）

生命缓存指借助一些数字化工具或平台，将一个人整个生命周期中的各种活动（包括想法、情绪、图片、视频等）进行收集和存储，供私人使用，或供朋友、家人甚至整个世界浏览。其目的主要是保存记忆。

生命缓存意味着收集、存储和展示一个人的整个生活细节供私人使用，或供朋友、家人甚至整个世界披阅。

99.基本收入（Basic Income）

基本收入亦称无条件基本收入（Unconditional Basic income，简称UBI），是一种社会福利制度，指政府无条件向全体公民提供相同的收入，以满足人民的基本生活条件，包括食物、居住、教育、医疗、公用事业等基本花费，借由经济的保障，以落实基本人权。保障最低收入（Guaranteed minimum income）或“基本收入”是一种社会福利制度，以保障公民或家庭能够有足够的生活收入。

100.替代货币（Alternative Currencies）

替代货币可以是数字（通常称为加密货币）或非数字货币，无现金交易用于支付任何种类的服务或产品。未来金融交易通过交易双方之间的信息转移（通常是货币的电子表示）进行的，而不需要实物纸币或硬币形式的货币。

 

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