進入2021年個月，到了年度總結(jié)時間。今年經(jīng)濟形勢動蕩，疫情仍然蔓延，氣候變化導致拉尼娜氣候現(xiàn)象嚴峻，冬天恐怕會被凍哭……

在這不平靜的一年里，近日世界經(jīng)濟論壇和《科學美國人》發(fā)布了2021年新興技術報告，專家們從幾十項提名中篩選出了一組有可能現(xiàn)狀，刺激真正進步的新技術，這些技術都有望在接下來的3到5年里影響整個世界。

應對氣候變化的去碳化技術、檢測病情的呼吸傳感器技術（已在武漢得到檢驗）、解決無家可歸者居住問題的3D房屋打印技術、從5G網(wǎng)絡獲取能量的無源傳感器技術、可檢測血糖等數(shù)據(jù)的無線生物傳感器技術……都在名單中

新興技術中，竟然有3項新興技術屬于傳感器創(chuàng)新應用，我們來看看吧！

1、去碳化技術興起

應對氣候變化的全面承諾將催生新技術

從科學家提出二氧化碳可以在大氣中吸收熱量的觀點后，一個多世紀過去了，各國政府和行業(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承諾到 2030 年將其排放量相對于 2005 年的水平減半。英國宣布了自己的目標，到2030年與 1990 年的水平相比減少 68%。歐盟議會最近通過了一項法律，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，相關企業(yè)加入減碳目標計劃的速度自 2015 年以來翻了一番。通用汽車、大眾汽車和其他主要汽車制造商在過去一年為脫碳設定了雄心勃勃的目標。

這些決策對行業(yè)有變革性的影響，預計在未來3~5年內(nèi)，兌現(xiàn)這些承諾將需要的技術創(chuàng)新，并將新興技術擴展到工業(yè)應用水平，例如：大規(guī)模儲能、低碳/無碳化學源、振興鐵路運輸、碳封存、低碳農(nóng)業(yè)、車輛和電源，以及在范圍內(nèi)達成一致的達標性監(jiān)控。

2、自我施肥的農(nóng)業(yè)技術

根植而不是播撒

為世界不斷增長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 億噸氮肥來維持作物生產(chǎn)。

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

此外，工業(yè)化肥對許多國家的貧困農(nóng)民來說過于昂貴，這也導致貧困地區(qū)弄作物產(chǎn)量大幅下降并增加了對自然土地的需求壓力。

為了開發(fā)解決方案，研究人員正在從自然界某些植物捕獲氮氣的靈感來制造氮肥。玉米和其他谷物等主要糧食作物依賴土壤中的無機氮，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“自我施肥"。

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

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

3、呼吸傳感器技術診斷疾病

抽氣遠比抽血快

當懷疑駕車者醉酒時，他們可以使用呼吸分析儀：一種測量血液中酒精含量的手持設備。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)之間存在很強的相關性。例如，丙酮濃度顯著升高的呼吸是糖尿病的強烈跡象；呼出的高濃度一氧化氮與發(fā)炎的細胞相關，因此可以用作呼吸系統(tǒng)疾病的生物標志物；更多的醛類與肺癌密切相關。

當一個人吸入采樣器時，呼吸的氣體會被送入傳感器，該傳感器通常根據(jù)金屬氧化物半導體的電阻變化進行檢測。在幾分鐘內(nèi)，外部計算機使用軟件分析來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提供一種非侵入性的方式來收集關鍵健康數(shù)據(jù)來簡化醫(yī)療診斷。

在醫(yī)療資源有限的低收入國家，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會。這些設備還可以幫助減輕病毒的社區(qū)傳播，其方法類似于在進入超市或餐館等公共室內(nèi)空間之前對個人進行體溫檢查的方式。

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

2021 年，美國衛(wèi)生與公共服務部提供了 380 萬美元，用于重新利用 NASA 的 E-Nose（一種使用納米傳感器陣列技術自動掃描國際空間站空氣中是否存在潛在危險化學品的監(jiān)視儀器）來檢測 。

在呼吸傳感器技術普及之前，有一些關鍵挑戰(zhàn)需要面對。首先，必須提高對某些疾病的檢測準確度，尤其是結(jié)核病和癌癥。其次，呼吸樣本中的各種化合物會混淆測試結(jié)果，造成假陽性。分析傳感器數(shù)據(jù)的算法也需要改進以達到更高的準確性。最后，需要對臨床試驗進行更大的投資，以幫助在大量人群中驗證這項技術。

4、按需生產(chǎn)藥物

在需要的時間和地點制造藥物

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

傳統(tǒng)上，藥品是通過許多復雜步驟過程大批量生產(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了挑戰(zhàn)，而完成藥物并將其運送到商店可能需要幾個月的時間。

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)。該流程通過管道將材料移入小型反應室，也被稱為連續(xù)流制造。在偏遠地區(qū)或戰(zhàn)地醫(yī)院中，可以通過便攜式機器制造這些藥物，為每個病人量身定做劑量，還需解決的一項挑戰(zhàn)便是降低這種新興技術的高成本。

5、來自無線信號的能量

5G將助力物聯(lián)網(wǎng)

構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的無線設備是日益網(wǎng)絡化世界的支柱。它們是部署在家庭中的小工具、生物醫(yī)學用途的可穿戴設備以及危險區(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)實踐；更節(jié)能的智能電網(wǎng)；監(jiān)測可能威脅橋梁或混凝土基礎設施安全的傳感器；以及用于泥石流和地震等災害的預警傳感器。

預計到 2025 年將有 400 億臺物聯(lián)網(wǎng)設備上線，為這些設備提供便捷的電力是一項艱巨的挑戰(zhàn)，無源傳感器將被更多的選擇。一種已經(jīng)在實踐中的解決方案利用了從 Wi-Fi 路由器或接入點發(fā)出的無線信號，而新興的 5G 技術將把無線能量收集提升到一個新的水平。

通過 5G 技術，美國聯(lián)邦通信委員會允許進入更高（但對人類仍然安全）毫米波范圍的電磁頻譜。除了更高的信息速率外，5G 無線信號比 4G 傳輸更多的輻射能量。這種能力預示著未來許多低功耗無線設備將不需要插入電源充電。

設備如何從無線信號中獲取電能？Wi-Fi 和 5G 通過電磁波以 FM 無線電、微波和毫米波等廣譜頻率傳播。該過程的步涉及接收天線，該天線捕獲無線信號攜帶的能量，天線將能量傳輸?shù)诫娮诱髌麟娐分?，該電路又使用半導體將其轉(zhuǎn)換為可以為設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。許多初創(chuàng)公司現(xiàn)在都提供依賴專用無線發(fā)射器的無線充電產(chǎn)品；然而，研究表明，此類設備很可能在不久的將來能夠收集 Wi-Fi 和 5G 信號的能量。

6、設計更好的健康跨度

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，這對衛(wèi)生和社會系統(tǒng)構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)。

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

研究人員已經(jīng)初步顯示出對衰老的分子機制的了解，這不僅可以幫我們活得更長，而且更健康。利用全息技術（例如，它可以同時量化所有基因活動或細胞中所有蛋白質(zhì)的濃度）和來自表觀遺傳學的洞察，研究人員得以識別那些能有力預測疾病的生物標記，這就為積極治療提供了方向和目標。

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）——可以說是 20 世紀最重要的發(fā)明之一，但許多人從未聽說過——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鍵。

然而，氨的合成是一種能源密集型化學過程，需要用氫氣做催化劑來固定氮。氫氣必須合成生產(chǎn)，目前使用化石燃料生產(chǎn)，這個過程會產(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，它不會釋放溫室氣體。除了消除大氣中多余的碳，綠色氫氣不使用污染性化學品，如果使用化石燃料作為能源，這些化學品則會被納入其中，這種純度能實現(xiàn)更有效的催化作用，以促進氨的生產(chǎn)。

8、生物傳感設備無線化

實現(xiàn)對慢性病的連續(xù)、監(jiān)測

沒有人喜歡針。但監(jiān)測糖尿病和癌癥等慢性病需要頻繁的血液檢查來識別和跟蹤某些生物指標。現(xiàn)在有 100 多家公司正在開發(fā)無線、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檢測汗液、眼淚、尿液或血液中的生物標志物。有些使用光或低功率電磁輻射（類似于手機或智能手表），結(jié)合天線和電子設備，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。

為了檢測給定的生物標志物，傳感器監(jiān)測電流、電壓或電化學濃度的變化。監(jiān)測糖尿病是這項技術的首要目標，預計到 2030 年，將有 5.78 億人被診斷出患有這種疾病。

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

在另一種方法中，嵌入衣服的可穿戴電子設備使用微波范圍內(nèi)的電磁波檢測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使用電極從自然滲出毛細血管的間質(zhì)液中獲取數(shù)據(jù)，從而評估汗液中的葡萄糖，類似于葡萄糖檢測器。

同時，類似紋身的電路可以對汗液中的乳酸變化進行采樣，這項應用已經(jīng)吸引體育行業(yè)投資。

無線連接系統(tǒng)可以與各種類型的傳感器配對，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)動到微小的微流體通道中以通過電壓變化檢測生物標志物的傳感器。

這些技術為能夠區(qū)分各種液體樣品的“電子舌頭"打開了大門。通過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線獲取癌癥生物標志物或血糖水平以進行糖尿病監(jiān)測。

集成具有射頻識別技術的護齒器，可以監(jiān)測唾液生物標志物，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?shù)夭牧洗蛴〉姆课?/strong>

用混凝土代替泥土

兒童疫苗或 LASIK 眼科手術等技術往往會顯著提高許多人的生活質(zhì)量，但它們在發(fā)展中國家的作用卻很有限或顯著延遲。

據(jù)估計，用 3D 打印機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，在美國和其他發(fā)達國家，用大規(guī)模的3D打印機制造房屋已經(jīng)在有限范圍內(nèi)得到了推行。

在發(fā)展中國家，由于基礎設施有限，材料的運輸成為一項挑戰(zhàn)，最近的使用3D打印機的實踐取得了跨越式發(fā)展，即用當?shù)夭少彽牟牧?、粘土、沙子和當?shù)氐睦w維來打印建筑物——這解決了大約95%的需要運輸?shù)浇ㄖさ氐牟牧蠁栴}。

10、太空連接到地球

物聯(lián)網(wǎng)進入地球軌道

如今，至少有 100 億臺有源設備構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng) (IoT)，預計未來 10 年這一數(shù)字將翻一番。

物聯(lián)網(wǎng)在通信和自動化方面的優(yōu)勢需要在范圍內(nèi)架設傳感器設備，收集海量的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在云數(shù)據(jù)中心被梳理，使用人工智能來識別處理異常，例如天氣狀況和自然災害。

但是，有一個大問題：無線蜂窩網(wǎng)絡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)中心進行處理，物聯(lián)網(wǎng)將地了解范圍的情況——包括以前無法實現(xiàn)網(wǎng)絡接入、沒有傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)基礎設施的發(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)星壽命期短的問題仍然存在，但按照目前穩(wěn)定的進展，有望在未來三到五年內(nèi)實現(xiàn)推行。

結(jié)語

傳感器作為電子設備的感知入口，連接著物理世界和數(shù)字世界，而越高層次的技術應用，對傳感器的需求越大。

從這2021年新興技術中，依賴于傳感器進行創(chuàng)新應用的技術有3項，分別是檢測病情等呼吸疾病的呼吸傳感器技術、從5G和WIFI等網(wǎng)絡獲取能量的無源傳感器技術、可檢測血糖等數(shù)據(jù)的無線生物傳感器技術等。

我們是否可以粗略的看，未來的新興技術中，有30%與傳感器技術進步有關。

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