進入2021年最後一個月，到了年度總結時間。今年經濟形勢動盪，全球新冠疫情仍然蔓延，氣候變化導致拉尼娜氣候現象嚴峻，冬天恐怕會被凍哭……

在這不平靜的一年裏，近日世界經濟論壇和《科學美國人》發佈了2021年10大新興技術報告，專家們從幾十項提名中篩選出了一組有可能顛覆現狀，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年裏影響整個世界。

應對氣候變化的去碳化技術、檢測新冠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網絡獲取能量的無源傳感器技術、可檢測血糖等數據的無線生物傳感器技術……都在名單中

10大新興技術中，竟然有3項新興技術屬於傳感器創新應用，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

從第一位科學家提出二氧化碳可以在大氣中吸收熱量的觀點後，一個多世紀過去了，各國政府和行業領袖都做出了新的承諾，以減少它們的碳排放。

2021 年，作為全球第二大碳排放源的美國承諾到 2030 年將其排放量相對於 2005 年的水平減半。英國宣佈了自己的目標，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%。儘管石油和航空等行業更抗拒變革，但自 2015 年以來，相關企業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製造商在過去一年為脫碳設定了雄心勃勃的目標。

這些決策對行業有變革性的影響，預計在未來3~5年內，兌現這些承諾將需要前所未有的技術創新，並將新興技術擴展到工業應用水平，例如：大規模儲能、低碳/無碳化學源、振興鐵路運輸、碳封存、低碳農業、零排放車輛和電源，以及在全球範圍內達成一致的達標性監控。

2、自我施肥的農業技術

根植而不是播撒

為世界不斷增長的人口提供充足的食物，這很大程度上依賴於含氮工業肥料的使用。根據聯合國糧食及農業組織的數據，每年需要約 1.1 億噸氮肥來維持全球作物生產。

氮肥通常是通過將空氣中的氮轉化為氨來生產的，氨是植物可以使用的一種氮來源（植物通過氨獲取氮元素）。這種轉換維持了全球大約 50% 的糧食生產，估計佔世界主要能源需求的 1%。但這也是一個能源密集型過程：它佔全球二氧化碳排放量的 1% 至 2%。

此外，工業化肥對許多國家的貧困農民來說過於昂貴，這也導致貧困地區弄作物產量大幅下降並增加了對自然土地的需求壓力。

為了開發解決方案，研究人員正在從自然界某些植物捕獲氮氣的靈感來製造氮肥。玉米和其他穀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着一種巧妙的方式來「自我施肥」。

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

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自我施肥。

3、呼吸傳感器技術診斷疾病

抽氣遠比抽血快

當警察懷疑駕車者醉酒時，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，最近的發現表明某些濃度的化合物與不同的疾病狀態之間存在很強的相關性。例如，丙酮濃度顯着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炎的細胞相關，因此可以用作呼吸系統疾病的生物標誌物；更多的醛類與肺癌密切相關。

當一個人吸入採樣器時，呼吸的氣體會被送入傳感器，該傳感器通常根據金屬氧化物半導體的電阻變化進行檢測。在幾分鐘內，外部計算機使用軟件分析來生成存在的化合物數據。

除了比抽血更快地提供結果之外，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據來簡化醫療診斷。

在醫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傳播，其方法類似於在進入超市或餐館等公共室內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，用於檢測呼出氣中的 COVID-19病毒。該傳感器在區分新冠肺炎疾病陽性或陰性人群方面達到了 95%的驚人準確度和 100% 靈敏度。

2021 年，美國衛生與公共服務部提供了 380 萬美元，用於重新利用 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視儀器）來檢測 COVID-19。

在呼吸傳感器技術普及之前，有一些關鍵挑戰需要面對。首先，必須提高對某些疾病的檢測準確度，尤其是結核病和癌症。其次，呼吸樣本中的各種化合物會混淆測試結果，造成假陽性。分析傳感器數據的算法也需要改進以達到更高的準確性。最後，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、按需生產藥物

在需要的時間和地點製造藥物

如果下次你去當地的藥房時，藥劑師不是通過預製藥物的藥房來配給處方的藥，而是按照為你量身定製的確切劑量和配方來配藥，該怎麼辦？微流控技術和按需製造藥物的最新進展有望使這一想法成為現實。

傳統上，藥品是通過許多複雜步驟過程大批量生產的，不同的流程分散在世界各地的許多地方。數以百噸計的原材料支撐着這種大規模生產，在確保質量和可靠性方面帶來了挑戰，而完成藥物並將其運送到商店可能需要幾個月的時間。

相比之下，按需藥品製造，也稱為連續流程藥品製造，可以一次性完成藥品生產。該流程通過管道將材料移入小型反應室，也被稱為連續流製造。在偏遠地區或戰地醫院中，可以通過便攜式機器製造這些藥物，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將助力物聯網

構成物聯網 (IoT) 的無線設備是日益網絡化世界的支柱。它們是部署在家庭中的小工具、生物醫學用途的可穿戴設備以及危險區域的傳感器。

隨着物聯網的發展，物聯網傳感器支持使用更少的灌溉用水和農藥施放的農業實踐；更節能的智能電網；監測可能威脅橋樑或混凝土基礎設施安全的傳感器；以及用於泥石流和地震等災害的預警傳感器。

預計到 2025 年將有 400 億台物聯網設備上線，為這些設備提供便捷的電力是一項艱巨的挑戰，無源傳感器將被更多的選擇。一種已經在實踐中的解決方案利用了從 Wi-Fi 路由器或接入點發出的無線信號，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，美國聯邦通信委員會首次允許進入更高（但對人類仍然安全）毫米波範圍的電磁頻譜。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。這種能力預示着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。該過程的第一步涉及接收天線，該天線捕獲無線信號攜帶的能量，天線將能量傳輸到電子整流器電路中，該電路又使用半導體將其轉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。許多初創公司現在都提供依賴專用無線發射器的無線充電產品；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

專注於增加「健康壽命」，而不僅僅是壽命

根據世界衛生組織的數據，2015 年至 2050 年間，全球 60 歲以上人口的比例將從 12% 增加到 22%，幾乎翻了一番，這對衛生和社會系統構成了巨大挑戰。

老年痴呆、癌症、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。逆轉衰老或尋找「青春之泉」的願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、綠色產氨

減少肥料生產的二氧化碳排放

Haber-Bosch 工藝（哈柏法工藝）——可以說是 20 世紀最重要的發明之一，但許多人從未聽說過——能夠以工業規模合成氨。

這種氨用於生產肥料，為全球 50% 的糧食生產提供燃料，使其成為全球糧食安全的關鍵。

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，目前使用化石燃料生產，這個過程會產生大量的二氧化碳，佔全球總排放量的 1% 到 2%。

隨着可再生能源現在變得普遍，一種「綠色」的氫氣變體正被創造出來，它不會釋放溫室氣體。除了消除大氣中多餘的碳，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，這種純度能實現更有效的催化作用，以促進氨的生產。

8、生物傳感設備無線化

實現對慢性病的連續、無創監測

沒有人喜歡針。但監測糖尿病和癌症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。現在有 100 多家公司正在開發無線、便攜式和可穿戴傳感器，這些傳感器將很快能夠持續監控這些重要信息。

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誌物。有些使用光或低功率電磁輻射（類似於手機或智能手錶），結合天線和電子設備，窺視生物組織內部，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誌物，傳感器監測電流、電壓或電化學濃度的變化。監測糖尿病是這項技術的首要目標，預計到 2030 年，全球將有 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無創監測，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範圍內的電磁波檢測血流中的葡萄糖水平。

而第三種方法裏，基於紋身的電路通過使用電極從自然滲出毛細血管的間質液中獲取數據，從而評估汗液中的葡萄糖，類似於葡萄糖檢測器。

同時，類似紋身的電路可以對汗液中的乳酸變化進行採樣，這項應用已經吸引體育行業投資。

無線連接系統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，或將磁性納米粒子驅動到微小的微流體通道中以通過電壓變化檢測生物標誌物的傳感器。

這些技術為能夠區分各種液體樣品的「電子舌頭」打開了大門。通過眼液也可以或許許多健康數據，電子透明隱形眼鏡可以無線獲取癌症生物標誌物或血糖水平以進行糖尿病監測。

集成具有射頻識別技術的護齒器，可以監測唾液生物標誌物，可能發現各種生理和心理疾病，如 HIV、腸道感染、癌症和 COVID-19。

9、用當地材料打印的房屋

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着提高許多人的生活質量，但它們在發展中國家的作用卻很有限或顯着延遲。

據聯合國估計，用 3D 打印機建造房屋可以幫助解決全球 16 億人住房不足的挑戰。3D 打印房的概念並不新鮮，在美國和其他發達國家，用大規模的3D打印機製造房屋已經在有限範圍內得到了推行。

在發展中國家，由於基礎設施有限，材料的運輸成為一項挑戰，最近的使用3D打印機的實踐取得了跨越式發展，即用當地採購的材料、粘土、沙子和當地的纖維來打印建築物——這解決了大約95%的需要運輸到建築工地的材料問題。

10、太空連接到地球

物聯網進入地球軌道

如今，至少有 100 億台有源設備構成了物聯網 (IoT)，預計未來 10 年這一數字將翻一番。

最大化物聯網在通信和自動化方面的優勢需要在全球範圍內架設傳感器設備，收集海量的數據。數據在雲數據中心被梳理，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：無線蜂窩網絡覆蓋的面積不到全球的一半，在連接方面留下了巨大的空缺。最近，隨着近地軌道上無數低成本的微型衛星的出現，它們能夠在全球範圍內捕獲這些數據並傳輸到雲數據中心進行處理，物聯網將前所未有地了解全球範圍的情況——包括以前無法實現網絡接入、沒有傳統互聯網基礎設施的發展中地區。

諸如安全數據連結功率較低和近地軌道衛星壽命期短的問題仍然存在，但按照目前穩定的進展，有望在未來三到五年內實現全球推行。

結語

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

從這2021年10大新興技術中，依賴於傳感器進行創新應用的技術有3項，分別是檢測新冠病情等呼吸疾病的呼吸傳感器技術、從5G和WIFI等網絡獲取能量的無源傳感器技術、可檢測血糖等數據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。