《ScientificAmerican》评选的年十大新兴技术，摘自《ScientificAmerican》Dec.,.
专家们强调,这些新技术有可能会给工业、医疗保健和社会带来革命性的变化如果测试冠状病毒疫苗所需的数千名志愿者中的一些人可以被人工智能技术所取代-人工智能技术是今年十大新兴技术之一-新冠肺炎疫苗的开发可能会更快，可拯救无数人的生命。不久，虚拟临床试验可能会成为测试新疫苗和新疗法的现实。名单上的其他技术可以通过使航空旅行通电，并可使阳光能够直接为工业化学品的生产提供动力，从而减少温室气体排放。有了“空间”计算，数字世界和现实世界将以超越虚拟现实的方式整合在一起。利用量子过程的超灵敏传感器将为可穿戴式大脑扫描仪和可以看到角落的车辆等应用奠定基础。
国际专家指导小组已经选出这些技术和其他新兴技术。该小组由科学美国人和世界经济论坛召集，对75多项提名进行了筛选。为了赢得认可，这些技术必须是有潜力通过超越现有的方式促进社会和经济的进步，而且还要新颖(也就是说，目前还没有被广泛使用)，但很可能在未来三到五年内产生重大影响。指导小组(实际上)开会进行筛选，在做出最终决定之前仔细评估领先者。
医学：用于无痛注射和测试的微针技术减少去医疗实验室的次数使就医更简单
这些几乎看不见的针头，或称“微针”，即将迎来一个无痛注射和验血的时代。不管是固定在注射器上还是贴在贴片上，微针通过避免接触神经末梢来防止疼痛。它们一般长50到微米(大约一张纸的深度)，宽1到微米(大约人类头发的宽度)，它们穿透死亡的皮肤角质层，进入第二层--表皮--由活细胞和一种被称为间质的组织液组成，但大多数并不触及或仅勉强接触到神经末梢所在的真皮，以及血管、淋巴管和结缔组织。
许多微针产品正在走向商业化，用于快速、无痛抽血或间质液，并用于诊断测试或健康监测。微针形成的小孔会引起表皮或真皮局部压力的变化，迫使间质液或血液进入收集装置。如果将微针连接到生物传感器上，这些设备可以在几分钟内直接测量指示健康或疾病状态的生物标记物，如葡萄糖、胆固醇、酒精、药物副产品或免疫细胞。
有些应用可以在家里完成，然后邮寄到实验室或现场分析。至少有一种产品已经扫清了此类用途的监管障碍：美国和欧洲最近批准了第七感生物系统公司的自采血设备，使外行人能够自己采集少量血液样本，用于实验室或自我监测。在研究环境中，微针可集成到无线通信设备中，以测量生物分子，使用测量来确定适当的药物剂量，然后准确靶向输送该剂量药物-这一方法可以帮助实现个性化药物治疗。
微针设备由于不需要昂贵的设备或大量培训来管理，因此可以在服务薄弱的地区提供检测和治疗。美光生物医疗公司已经开发出一种简单易用的设备：一种绷带大小的贴片，任何人都可以使用。另一家名为Vaxxas的公司正在开发一种微针疫苗贴片，这种贴片在动物和早期人体试验中只需使用普通剂量的一小部分就能激发增强的免疫反应。微针还可以降低血液传播病毒的风险，并减少处置传统针头产生的危险废物。
但微小的针簇并非总是具有优势，当需要大剂量的时候，剂量就会受到限制。并不是所有的药物都可以通过微针，也不是所有的生物标志物都可以通过微针进行采样，还需要更多的研究来了解患者的年龄和体重、注射部位和注射技术等因素如何影响基于微针技术的有效性。尽管如此，这些无痛刺痛器有望显著扩大药物输送和诊断的范围，随着研究人员设计出在皮肤以外器官中使用的方法，新的用途将会出现。
化学工程：太阳能化学可见光可以驱动将二氧化碳转化为普通材料的合成工艺
对人类健康和舒适度至关重要的众多化学品的生产需要消耗化石燃料，从而引起二氧化碳排放增加和气候变化。一种新的方法利用阳光将废弃的二氧化碳转化为这些需要的化学物质，可通过两种潜在的方式减少排放：将不需要的气体用作原材料，以阳光(而不是化石燃料)作为生产所需的能源。
由于阳光激活催化剂或光催化剂的技术发展，这一过程正变得越来越可行。近年来，研究人员开发了一种光催化剂，可以打破二氧化碳中碳和氧之间的双键。这也是建造“太阳能”炼油厂的关键第一步，这些炼油厂可利用废气生产有用的化合物--包括可用作合成药品、洗涤剂、化肥和纺织品等各种产品的原材料的“平台”分子。
光催化剂通常是半导体，需要高能紫外光才能产生二氧化碳转化过程中涉及的电子。然而，紫外线既稀缺(仅占太阳光的5%)，又有害。因此，在更丰富和更温和的可见光下能使用的新型催化剂一直是一个主要的开发方向。通过对现有催化剂(如二氧化钛)的组成、结构和形态进行严格的工程设计正在实现这一需求。虽然这些催化剂只在紫外光的作用下就能有效地将二氧化碳转化为其他分子，但掺入氮气大大降低了该过程所需的能量。如今，改进后的催化剂只需要可见光就能生产甲醇、甲醛和甲酸等基础化学原料，这些化学原料是粘合剂、泡沫、胶合板、橱柜、地板和消毒剂的制造过程中的关键原料。
目前，太阳能化学研究还处在实验室研发阶段，包括由加州理工学院(CaliforniaInstituteOfTechnology)与劳伦斯·伯克利国家实验室(LawrenceBerkeleyNationalLaboratory)合作的人工光合作用联合中心(JointCenterForArtiallyPopuling)；总部设在荷兰的由大学、工业、研究和技术组织组成的名为日出联盟(SunISE)的合作机构；以及位于德国穆尔海姆的马克斯·普朗克化学能源转换研究所(MaxPlanckInstituteForChemicalEnergyConversion)的异相化学反应系。
一些初创企业正在研究一种不同的方法，将二氧化碳转化为有用的物质--即用电流驱动化学反应。如果电力来自化石燃料燃烧，那么使用电力来驱动这些反应显然不如使用阳光环保，但依赖光伏可以克服这一缺点。
在阳光驱动的二氧化碳转化为化学品方面所取得的进展，有希望在未来几年实现商业化，并由初创企业或其他公司进一步开发。然后，化学工业降通过降废物二氧化碳转化为有价值的产品，也将朝着成为真正的、无废物的循环经济的一部分更近一步，同时有助于实现负排放的目标。
医疗保健：虚拟患者用模拟替代人类（动物）使临床试验更快更安全
似乎每天都有一些新的算法使计算机能够以前所未有的精准度诊断一种疾病，不断更新计算机将很快取代医生的预测。如果电脑也能取代病人呢？例如，如果虚拟人可以在冠状病毒疫苗试验的某些阶段取代人，就可以加快预防工具的开发，减缓疫情的蔓延。同样，不太可能起作用的潜在疫苗本可以及早发现，从而大幅削减试验成本，避免在志愿者身上测试糟糕的候选疫苗。这些都是“硅医学”带来的好处，也就是在虚拟器官或身体系统上测试药物和治疗，以预测真人对治疗的反应。在可预见的未来，虽然临床后期研究将需要真实的患者，但可通过计算机模拟实验，将有可能对安全性和有效性进行快速、廉价的初步评估，从而大幅减少实验所需的活体受试者的数量。
模拟器和建模
首先，将从个人实际器官的非侵入性高分辨率成像中获得的解剖学数据输入到控制该器官功能的机制的复杂数学模型中，在功能强大的计算机上运行的算法可以分析得到的方程和未知数，生成一个外观和行为都与真实器官相似的虚拟器官。
实际上，临床试验一定程度上已经开始在计算机领域中进行使用。例如，美国食品和药物管理局(FDA)正在使用计算机模拟来代替人体试验，以评估新的乳房X光检查系统。该机构还发布了包括虚拟患者在内的药物和设备试验的设计指南。
除了能加速获得结果以及降低临床试验的风险之外，计算机医学还可以用来取代诊断或计划某些医疗状况的治疗所需的高风险干预措施。例如，FDA批准的基于云服务的HeartFlowAnalysis使临床医生能够根据患者心脏的CT图像识别冠状动脉疾病。
HeartFlow系统使用这些图像来构建流经冠状动脉血管的血液的流体动力学模型，从而识别异常情况及其严重程度。如果没有这项技术，医生需要进行侵入式血管造影，以决定是否以及如何干预。在个别患者的数字模型上进行实验也可以帮助个性化治疗任何数量的疾病，并且这项技术已经用于糖尿病治疗。
计算机医学背后的逻辑并不新鲜。几十年来，创造和模拟物体在数百种工作条件下的性能的能力一直是工程学的基石，例如用于设计电子电路、飞机和建筑物。当然，仍然存在各种障碍限制计算机医学在研究和治疗中的广泛应用。
首先，必须确认这项技术的预测能力和可靠性，这将需要几个方面的进步。这些措施包括从一个庞大的、种族多样化的患者基础上生成高质量的医学数据库，其中既有男性也有女性；完善数学模型，以解释人体内的许多相互作用的过程；以及进一步修改人工智能方法，这些方法主要是为基于计算机的语音和图像识别而开发的，需要扩展以提供生物学见解。科学界和行业合作伙伴正在通过达索系统公司的活心脏项目、虚拟生理人类综合生物医学研究所和微软的NeXT医疗保健等倡议来解决这些问题。
近年来，FDA和欧洲监管机构已经批准了基于计算机的诊断技术的一些商业用途，但满足监管要求需要相当多的时间和金钱。考虑到医疗保健生态系统的复杂性，创造对这些工具的需求是具有挑战性的。在硅医学方面，必须能够为患者、临床医生和医疗保健组织提供具有成本效益的价值，以加快他们对该技术的采用。
计算：空间计算超越虚拟现实和增强现实的下一件大事
想象一下一位八旬老人玛莎(Martha)，坐轮椅、独立生活。她家里的所有物品都经过了数字编号；所有控制物品的传感器和设备都能上网，并通过一张数字地图与物品地图合并。当玛莎从卧室走到厨房时，灯亮了，周围的温度也在调节。如果她的猫穿过她经过的路，轮椅就会慢下来。当她到达厨房时，桌子会移动以便于她接触冰箱和炉子，当她准备吃饭时，桌子又会移动到后面。之后，如果她在睡觉时摔倒，她的家具会移动来保护她，并向她的儿子和当地监测站发出警报。
这个场景的核心是“空间计算”，这是物理世界和数字世界不断融合的下一步。它实现了虚拟现实和增强现实应用程序所做的一切：将通过云连接的对象数字化，允许传感器和马达相互应答，并以数字方式表示真实世界。然后，它将这些功能与高保真的空间地图相结合，使计算机“协调者”能够使人在数字或物理世界中导航时跟踪和控制物体的移动和互动。空间计算很快会将工业、医疗、交通和家庭等各行各业的人机和机器交互效率提高到一个新的水平。包括微软(Microsoft)和亚马逊(Amazon)在内的大公司都在这项技术上投入了大量资金。
就像虚拟现实和增强现实一样，空间计算建立在计算机辅助设计(CAD)中熟悉的“数字孪生”概念的基础上。在CAD中，工程师创建对象的数字表示这对双胞胎可以用不同的方式实现3D打印物体，设计新版本的物体，提供对物体的虚拟训练，或者将它与其他数字物体结合起来创建虚拟世界。空间计算不仅是物体的数字双胞胎，也是人和位置的数字双胞胎-使用GPS、激光雷达(光探测和测距)、视频和其他地理定位技术来创建房间、建筑或城市的数字地图。软件的算法将这张数字地图与传感器数据以及物体和人的数字表示相结合，创建了一个可以观察、量化和操纵的数字世界，也可以操纵现实世界。
在医疗领域，考虑一下这样的未来场景：一支护理团队被派往一座城市的一套公寓，处理一名可能需要紧急手术的病人。随着系统将患者的医疗记录和实时更新发送到技术人员的移动设备和急诊室，它还能确定到达患者的最快驾驶路线。红灯会挡住过马路的车辆，当救护车停下来时，大楼的入口门立即打开，出现一部已经就位的电梯。当医护人员拿着担架匆忙赶来时，物体移开。当系统通过最快的路径引导他们到急诊室时，手术团队使用空间计算和增强现实技术来规划整个手术室的编排，或者规划一条穿过患者身体的手术路径。
业界已经接受了专用传感器、数字双胞胎和物联网的集成，以优化生产率，并可成为空间计算的早期采用者。这项技术可以为一台设备或整个工厂添加基于位置的跟踪。通过佩戴增强现实耳机或观看投影的全息图像，不仅显示维修说明，还显示机器部件的空间布局，工人可以在指导下穿行和绕过机器，尽可能有效地修复它-缩短时间和成本。或者，如果一名技术人员正在与虚拟现实版本的真实远程站点接触，在几个机器人建造工厂时指挥它们，空间计算算法可以通过改善机器人的协调及分配它们的任务的选择等方式，帮助优化工作的安全性、效率和质量。在更常见的情况下，快餐和零售公司可以将空间计算与标准工业工程技术(如时间运动分析)相结合，以提高工作效率。
医学：数字医学诊断、治疗的应用程序
你的医生开出的下一张处方会不会是一款应用程序？许多正在使用或正在开发的应用程序可以实现自动或直接实施治疗，检测或监测精神和身体障碍。软件统称为数字药物，既可以加强传统医疗，也可以在不方便获得医疗保健时为患者提供支持，这一需求在新冠肺炎危机中大幅度增加。
许多检测辅助设备依赖于移动设备来记录用户的声音、位置、面部表情、锻炼、睡眠和短信活动等特征；然后，他们应用人工智能来标记可能发生或恶化的疾病。例如，一些智能手表包含一个传感器，可以自动检测心房颤动并向人们发出警报，心房颤动是一种危险的心律。
类似的工具也在研发中，包括用于筛查呼吸障碍、抑郁症、帕金森氏症、阿尔茨海默氏症、自闭症和其他疾病。在这些检测，或“数字表型”当中，虽然在艾滋病的治疗工作中不会很快取代医生，但可以将其视为合作伙伴，重点
