英国创新署：生物技术作为2040年七大新兴技术领域之一

转载来源：化学与材料科学公众号
 
英国国家科研与创新署(UK Research and Innovation, UKRI)于2018年4月正式运行，是英国最主要的研发资助机构。整合了以学科为基础划分的英国七大研究理事会和英国创新署、英格兰研究署，显著增强了英国科研与创新体系的战略协同，在制定各学科领域国际科技合作战略与政策、推动英国的国际科技合作中扮演着重要角色。每年总预算超过70亿英镑，通过九个下属机构的横向联合, 在一批重点领域资助了多个学科交叉项目。此外, 还通过战略优先基金支持面向国家战略需求的学科交叉研究, 通过全球挑战研究基金促进以学科交叉手段解决发展中国家面临的共性挑战。在学科交叉项目的立项和管理过程中, 重视与政府、大学、非政府组织以及产业界的合作, 并采取一系列手段改善学科交叉项目的评审效果。
 
2023年12月6日，英国国家科研与创新署团队经过深入研究，发布了50项仍处于起步阶段的关键前沿技术，并将这些新兴技术分类编排在7个技术系列中。这50项新兴技术具体如下：
 

一

 

人工智能、

数字和计算技术

1. 人工智能情绪和表情识别。可以识别我们的情绪，它可以在护理和陪伴等方面改善我们的日常生活。
2. 通用人工智能。使机器能够像人类一样行为、学习、创造和执行。AGI提出了耐人寻味的问题。我们是否总能分辨出与我们互动的对象是机器还是人类？这对我们来说重要吗？答案将以我们意想不到和无法预测的方式改变我们的生活。
3. 受生物启发的人工智能。包括进化计算和电子学、人工神经网络、免疫系统、生物机器人和蜂群智能，它从生物结构中汲取灵感，使计算能够模仿人类的大脑过程，可以为规划、记忆和视觉刺激提供新的算法。
4. 脑机接口技术。能将我们的思想转化为指令，从而控制外部软件或硬件，如：计算机或机械臂。它让我们更接近机器与人脑的完全对接。脑机接口技术可以用于医疗、老龄化社会、体育、军事、制造业、服务业等。
5. 量子算法。可应用于密码学、搜索优化和量子系统模拟等领域。从量子计算中获取价值的关键，在于找到量子计算机比经典计算机更擅长的特定算法集。
6. 脱氧核糖核酸（DNA）数据存储。对合成的脱氧核糖核酸或核糖核酸（RNA）链上的数据进行编码和解码。利用生物技术的力量可以满足我们不断升级的数据存储需求，这在我们希望获得复杂的人工智能技术时尤为重要。目前，我们的计算硬件设计已经达到物理极限，脱氧核糖核酸数据存储技术可以消除这一限制，开辟新的计算应用。
7. 新计算模式。能提供传统计算机无法达到的数量级性能改进，包括：生物计算、光子计算和神经形态计算。新计算模式将使科学家们回答包括人脑建模、完整的气候模拟以及理解太空探索等问题。
8. 新颖的沉浸式界面。将模糊离线世界和在线世界。这一技术将改变我们观察世界和访问媒体的方式，让我们可以通过感官进行旅行。
 

二

 

先进材料与制造业

9. 4D打印。具有“自我修复”的潜力，为太空制造、更好的软机器人技术和新的医疗解决方案提供了可能性。
10. 仿生材料。与同类材料相比，它们更容易重复使用和回收。它可以帮助人类创造出受自然启发、制造成本低、对地球危害小的材料。
11. 纳米粒子制造。就是制造纳米粒子。纳米技术已成为许多行业的基本技术，找到更有效、更高效和更低成本的纳米粒子制造方法，将有助于我们扩大纳米技术的用途和优势。
12. 超材料。在亚波长级别工作，扩展了光与物质的相互作用方式，可用于交通、医疗、科研、电信、能源、创意等领域。超材料是科幻小说与现实的结合，可以使与之相互作用的物质隐形，利用隐形技术可以消除汽车盲点，制造更精确的医疗成像、通讯天线，并显著提高太阳能发电机的效率。
 

三

 

电子、光子和量子技术

13. 新型半导体替代系统。在越来越多的应用中，当前的半导体已经达到其性能极限。宽带隙（WBG）化合物半导体可以在更高的电压、温度和频率下工作，与目前的半导体相比，性能将大大提高。几乎所有行业都会受到这项技术的影响，主要用于6G、光子学和电力电子。
14. 新兴显微技术。能够在空间和时间上观察生物学的工作，从单个分子到整个生物体。这项技术能使科学家更准确地探索各种材料的结构与特性之间的关系，从而更好地了解它们的行为。这有助于我们开发新材料，更好地了解材料和生物体，以及更好地诊断疾病。
15. 高光谱成像。是将光谱学与多种频率的可见光波长以外的成像技术相结合，从而对物体的构成进行“指纹识别”（fingerprinting）。这项技术可以用于精准农业，使作物产量更高、更可靠；还能用于监测极端气候事件和更好地了解气候系统；以及通过更好的伤口分类和更清晰的微生物成像，为医疗保健带来潜在益处。
16. 毫米波和太赫兹技术。在无创传感和成像（包括医疗诊断）方面具有巨大潜力。毫米波或太赫兹波的传输距离比无线电波短，但可以传输更多数据。在成像应用中，它们能提供更高的空间分辨率，从而获得高清晰度图像；太赫兹波还可能会在蛋白质分析和药物发现中发挥作用；也能用于检测有毒气体和检查混凝土结构。
17. 光子发生器。是以单个粒子或光子形式发射光的光源。量子光是开发安全通信和由量子驱动的更强大计算的核心。
18. 等离子体学。涉及利用光照射到金属表面时引发的电子波，可应用于成像、纳米粒子，是其他新兴技术的重要推动力。等离子体学将主要影响科学、工程和医学界，此外还将对其他各行各业产生许多微小的影响。
19. 后量子密码学。侧重于开发既能确保量子计算机和经典计算机安全，又能在现有通信网络中运行的加密系统。量子计算将使目前使用的大多数加密解决方案变得不安全，因此我们需要使用后量子加密技术来应对未来的威胁。
20. 室温超导体。可以在不浪费能源的情况下进行导电，将使持续低电费成为可能，并从根本上改变能源生产和分配的经济性。
 

四

 

能源与环境技术

21. 交联聚合物回收。交联聚合物极难回收，不仅会增加垃圾填埋量，还会对环境造成危害。开发先进的回收方法可以减少塑料污染，并降低生产新聚合物对石油的需求。
22. 电网级无线能源传输和充电。在没有电缆的情况下安全地远距离传输电力，可能会改变我们使用电子设备的方式。实现不受天气影响的电力传输，让我们可以更轻松地将电力输送到需要的地方。
23. 高超音速。技术需要克服的关键挑战是，高超音速飞机周围的气流温度非常高，以至于化学键会发生振动并最终断裂。高超音速武器已经问世，高超音速运输将改变人员和货物的流动，如从伦敦到悉尼只需3小时。
24. 新型推进或离子推进。通过给予电子能量使其脱离原子来产生推力。离子推力发动机只在太空中使用。与化学推进器相比，离子推进所需的推进剂要少得多，可帮助实现太空旅行，延长卫星寿命。在探索更深远的太空时，它可能成为推动我们前进的可靠技术。
25. 新型制氢和储氢技术。对于创造更廉价、更高效的制氢工艺至关重要。可以用于能源、原材料提取、运输、制造等。
26. 新型负排放技术。包括从环境中提取二氧化碳的所有新兴技术。通过清除地球大气中新的和现有的温室气体，可以帮助应对气候变化。
27. 核聚变。该技术仍然很难实现，但它或许能一举实现我们对清洁能源的追求。如果核聚变能够在地球上以工业规模复制，那么它几乎可以提供无限的清洁、安全、经济的能源。
28. 天基太阳能。可以全年全天候提供清洁能源，是去碳化进程中令人兴奋的一个组成部分。通过将太阳能电池阵列置于地球大气层之外来消除对天气的影响，意味着在地球上的任何地方都可以持续增加发电量。
 

五

 

生物技术

29. 人造细胞和人造生命。已经用于治疗肾衰竭。随着发展，我们还能开发人造血细胞，减少献血需求，提高血液制品的安全性。人造细胞还可用于生物制造，生产长效、高产、高纯度的蛋白质和酶。
30. 细菌和微生物制造。细菌可用于制造药物（包括抗生素）、有用分子、生物混凝土和其他有趣的材料。细菌合成的物质可以创造出具有实用性的新材料。通过细菌制造产生的物质有望用于食品、个人护理、家用化学品、生物医学和纺织品等，几乎涵盖日常生活的方方面面。
31. 生物催化膜。具有一些有用的特性，如提高反应效率、改善污染物去除效果，以及在某些过程中能够重复使用酶。该技术目前已应用于制药和生物技术行业，可以促进更可持续、更高效、污染更少的制药生产方法。生物催化膜还可以生产出使营养成分在加热过程中不会流失的改良食品、新型药品，以及被用于废水处理。
32. 生物电子学和电子医药学。拓宽了无需药物或手术的治疗范围，并将推动无线供电等技术的发展。二者具有巨大的医疗保健效益，应用范围从心脏起搏器到治疗帕金森病的脑深部刺激。这些设备将使我们能够实时监测和治疗疾病。
33. 微生物遗传育种技术。为改善食品健康并提高生产效率提供了可能。该技术还可以通过单一技术减少污染并生产清洁能源。
34. 可编程细胞。将开辟治疗和预防疾病的新方法。对细胞行为进行编程拓展了生物计算的可能性。医药、能源、军事和农业都将从中受益。
35. 组织工程中的生物制造。可以灵活制造出满足人类和动物患者个性化需求的组织，甚至器官。这不仅有助于手术治疗，还能提高实验室研究的准确性，例如，确定有效的新药物。
 

六

 

健康与医疗技术

36. 成人干细胞生成。是干细胞医学和再生疗法新领域的开端。可以帮助制造细胞，修复受伤的组织，如皮肤或大脑。此外成人可以同意使用自己的干细胞，因此与使用胚胎干细胞进行研究、治疗相比，争议要小得多。
37. 代谢流组。意义在于它收集了来自多个不同组学领域的数据，描绘了分子相互作用的全貌，将基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等领域联系在一起。它可以帮助寻找和开发新的药物治疗方法或新的筛选技术，也是个性化医疗的关键推动因素。
38. 抗衰老药物。旨在影响老化和老年相关疾病的根源，延长动物的寿命。这些技术和相关治疗方法可以让我们健康地生活更长时间，减轻老年相关疾病给社会带来的负担，并有可能延长预期寿命。
39. 感知检测植入物。可以让装有假肢的人通过这些设备“感觉”自己，恢复或增强听觉或嗅觉。它还能为我们提供与机器互动的新方法。
40. 抗生素替代品。抗生素用于预防和治疗细菌感染，但常见疾病的细菌正逐渐对抗生素产生耐药性。抗生素耐药性会导致医疗费用增加、住院时间延长和死亡率上升。因此开发替代品是全球健康的当务之急。抗生素替代品可应用于卫生、农业、动物保健行业。
41. 微生物组疗法。在降低许多人类疾病的发病率和严重程度方面具有巨大潜力，甚至将开创医学治疗的新领域。微生物组可以生产出本质上更适合人类使用的治疗方法和干预措施，因此可能比一般的临床方案更安全、更成功。
42. 个性化核糖核酸疗法。被开发用于癌症靶向治疗，未来将利用核糖核酸为患者提供个性化疗法。核糖核酸技术可将大量蛋白质、转录本和基因作为新的治疗靶点。
43. 分阶段基因组组装工具。可以采用新的基因组测序方法，加快生物信息学方面的工作，同时降低错误率。下一代测序可以进行全基因组分期，为复杂性状研究，以及遗传疾病的研究提供信息。
44. 全身芯片设备。可以确定药物在其他器官中的疗效和毒性，为临床试验前的治疗测试提供更准确、更具成本效益的方法。
 

七

 

机器人和空间技术

45. 完全自主车辆。将做到人类驾驶员能做的任何事情。自动驾驶汽车的开发已经取得了进展，但完全自主车辆才是最终目标。这项技术引发了关于伦理、法律和保险的相关讨论。它可以从根本上改变个人交通方式，并大大增加无法开车之人的出行机会。
46. 纳米级机器人技术。能制造出极小的机器或机器人。微型机器人和纳米机器人正应用于生物医学等多个领域，比如“修复”遗传密码缺陷或高度靶向性的药物输送。它们也是连接人体与数字世界的另一种方式。
47. 机器人异地制造。对于人类在我们目前的星球之外生活是必不可少的。在太空制造，受益于微重力和真空等效应，将意味着我们可以开发出在地球上无法实现的产品。此外，在地球之外制造产品所需的技术，也是在月球或火星建立任何定居点的重要一步。
48. 软体机器人。具有与活体组织相似的机械特性，其灵感通常来自乌贼或蠕虫等无脊椎动物。它可以拓宽机器人技术在社会和工业中的应用范围。软体机器人让我们能够开发与生物系统更加相似的人造肌肉和人造器官。
49. 空间核动力和新型空间推进系统。用于航天器的新型非燃烧推进。目前的推进方法需要笨重的燃料。这些技术的开发对于未来的载人太空探索至关重要。
50. 极近地轨道卫星。有两大好处：卫星图像的分辨率大幅提高；由于空间碎片不会在这一高度堆积，因此损坏的几率较小。电信、农业、环境监测、海洋监测等行业均可以应用这一技术。

 

 

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创建时间：2024-08-16 15:04