一、人工智能和机器人(人工智能和机器人)
1.增强现实
增强现实(AR)是指在我们对现实世界的感知上叠加计算机生成的图像(甚至声音)。从技术角度来看，AR是一个巨大的挑战，因为用户可以用它从多个角度了解三维环境。实现AR的基础是虚拟投影和现实世界的融合。AR的专业应用是交互手册，为操作机器的人提供现场指导。最新的研究领域是人类医学。医生在手术过程中使用AR技术，会大大减少在手术室的时间。事实证明，AR可以通过向截肢者展示他们运动的虚拟实时模型，帮助他们改善康复计划，使他们能够自我纠正。
2.自动化室内农业。
在高放射性地区，人们总是担心传统种植的产品可能含有放射性坠尘；这可能会给缺水地区和沙漠地区的蔬菜种植带来挑战。所以室内工厂化养殖得到了普及。室内自动耕作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、补种和收获，包括畜牧业。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，然后推广到全球。这可能会对饮食文化、可持续性、社会结构和就业产生颠覆性的影响。
3.区块链
区块链是一种允许互不相识的人组织网络以保存可信记录的技术。区块链也是比特币等加密货币的核心技术。区块链可能通过构建一个去中心化的网络，为所有可能的交易提供一个中立、公平的结果。企业将区块链技术视为提高自身业务可追溯性的机会。区块链技术可以保存不可变的记录，没有任何麻烦和感染的风险，网络上的任何人都可以随时验证这些记录，可以用来增加工作的透明度。公共组织和企业相信区块链是未来诚实管理的基础。
4.聊天机器人
聊天机器人是一种计算机程序，可以通过书面文字或现场音频与人实时交谈。传统上，聊天机器人遵循一套预定义的规则和脚本来查找特定的单词，并为预定义的问题提供预定义的答案，这通常会导致用户体验不佳。较新的聊天机器人由人工智能技术提供动力，这使它们在用户输入方面更加灵活，并模糊了聊天机器人与Siri、Cortana或谷歌助手等虚拟助手之间的界限。
随着聊天机器人在理解和回应用户问题方面变得越来越好，它可能会进化并成为主流。未来的聊天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、智能手机和机器人进行交互。
5.计算创造力。
计算机可以创造原创艺术、创意和解决方案，看起来就像出现在大型艺术博览会上的作品。制作这些作品的半自主人工智能系统得到了设计师的支持，但新的途径、新的解决方案和新的想法是利用高处理能力来确定的，没有先入为主的限制。
人工智能将在未来发挥越来越重要的作用。除了完成机械任务，还能增强人类探索和解决问题的能力。下一个前沿是使用复杂的机器学习技术设计全新的策略，这些技术仍然在挑战人类的想象力。
6.无人驾驶的
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，因此需要花费大量精力来寻找感知世界的新方法。从界面设计的角度来看，无人驾驶汽车出乎意料的复杂，创造完全自主的无人驾驶汽车的过程还在继续。然而，尽管有大量的跨国资源致力于这项技术的开发，但其前景并不像许多人最初认为的那样令人印象深刻。从长远来看，无人驾驶成为常态的社会将发生范式转变。拥有私家车可能对许多人不再有吸引力，交通工具将成为一种商品，无论是通过陆路、航空还是海路。很难想象一个行业不会受到无人驾驶汽车的影响，所以政府应该确保立法和技术的和谐发展。
7.外骨骼(外骨骼)
外骨骼是一种体外人工结构，旨在补偿或增强自然的身体能力。它被放在人体上作为增强或恢复人体机械性能的放大器。外骨骼最成熟的应用是医疗领域，它将帮助患者从瘫痪、多发性硬化症、脑瘫和其他衰弱性疾病中康复。外骨骼可能会逐渐被老年人广泛使用。新的工业设备可能更接近骨骼，从而提高人的意识和身体运动的整合。然而，在不久的将来，可能只会看到辅助/支持有限的轻型军用外骨骼设备。
8.超光谱成像(超光谱成像)
高光谱成像在安全、国防、环境监测和农业方面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。超光谱成像可以产生数百种波长的图像。这些图像可以用来确定在任何成像场景中发现的物质，有点像远程光谱学。
高光谱成像可以提供比常规成像系统更详细的数据，目前仍处于起步阶段。高光谱机器视觉的应用存在一定的局限性，关键因素是传输速度，成本和信息处理方式也是高光谱成像应用的障碍，但将最新的高光谱成像引擎技术与机器学习算法相结合有望解决这些问题。
9.语音识别
第一个商业上成功的语音识别技术可以追溯到1990年，但是随着计算能力和新算法的发展，语音识别取得了惊人的进步。研究人员做了一个低功耗的自动语音识别专用芯片，功耗效率是手机多功能芯片的100倍。新的语音处理器支持立体声AEC(声学回声消除)和远场线性麦克风阵列，专为支持语音的智能电视、条形扬声器、机顶盒和数字媒体而设计。即使在复杂的声学环境中，也可以从整个房间中准确捕捉命令，供基于云的语音识别系统处理。
语音识别和对话平台有望成为十大战略技术趋势之一，语音搜索将占所有搜索的50%。从长远来看，这种转变使人们能够与周围的智能连接设备进行交互。随着人工智能和自然语言处理技术变得越来越复杂，即使人们的语音命令没有被清楚地表述，设备也将能够理解用户，然后预测他们的意图。
10.群体智能
群体智能是指各种对象的集体行为，每个对象执行一些简单的功能，并在此过程中与其他对象进行交互。基于这一原则设计的信息系统通过自组织其所有元素以分散的方式管理该过程。群体智能系统的发展前景与无人驾驶汽车、分布式能源电网和搜救机器人的应用有关。
11.无人机(作战无人机)
目前，无人机的研究主要集中在提高信息收集能力和使无人机更加精确。无人机必须自己导航，所以人们特别重视其感知能力。从导航到武器部署，所有无人机都通过根据传感器数据建立内部地图来进行操作，以允许其算法做出决定，并且在使用多波长激光从远处分析物质的传感器领域取得了广泛的进展。这些传感器是专门为无人机开发的，可以可靠地检测爆炸物，并提供关键任务数据。DARPA开发的原型无人机系统使用完全自主的无人机，在飞行中可以过渡到中等高度的机翼飞行。该系统比传统直升机具有更大范围的监视和打击能力。
无人机易于部署，已成为一种新型武器。假设一支完全不受人控制的自治军队作战，向全世界发出了一个任何人都无法改变的加密命令。为了应对这种威胁，反无人机技术已经多样化，如被称为“猛禽”的战斗机F-22和干扰技术，防御性无人机也可能出现，用于猎杀其他无人机。
12.人工智能(人工智能)
卷积神经网络一直是深度学习的支柱。在计算机视觉方面，有一些设计创新(包括胶囊网络和欺骗网络)，带来了新的前景和新的挑战。未来几十年，机器学习、计算机视觉、自然语言处理和机器人技术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通用人工智能的初始形式。这就需要一个超级智能的系统，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，超越人类。
13.全息图(全息图)
全息图是以激光为光源，全景相机将物体记录在高分辨率全息胶片上，以干涉条纹的形式存在的画面。全息图是一种三维图像，与传统照片有很大不同。物理学家丹尼斯·加博尔于1948年发明了光学全息图。从技术上讲，全息图是波场的三维记录，全息图像可以根据观看者的相对位置实现三维感知和变化，仿佛所展示的物体是真实的。声全息技术起源于20世纪60年代，是光学全息技术的产物，涉及到边界处声辐射引起的声场的重建。
最近的研究重点包括3D全息显示、声学全息图、可触摸全息图、全息显微镜和打印机。声学全息图是在3D打印的超材料矩阵的帮助下生成的，它以复杂的方式扭曲来自单一来源的声波，并将其转换为声学全息图。这项技术既省时又便宜。最近的进展表明，声学全息图可以大大改善超声成像和医疗选择。未来，3D全息显示器可以提高动态图像的保真度。观众不需要佩戴任何3D眼镜或VR头枕。通过在整个设备表面嵌入柔性和超薄薄膜，智能手机和日常设备将能够弹出3D全息图，屏幕大小无关紧要。此外，如果触觉全息图真的能够发挥作用，我们将会看到全息界面和设备之间一种新的交互方式， 并且为虚拟现实体验增加了新的维度。
14.人形机器人(人形机器人)
人形机器人是一种在外形和特征设计上与人类相似的机器。因为人形机器人被期望尽可能地与人类相似，所以许多项目侧重于直接模仿。柔性被认为是一种特殊类型的运动问题，近年来取得了一些进展，使机器人的肢体接近人类。当机器需要完成与人类相同的一般任务时，仿人机器人具有明显的优势。DARPA组织了一次机器人挑战赛，以了解人形机器人在灾难场景中的表现，包括开门、操作水龙头甚至接听电话。
仿人机器人是一个长期方向和短期方向完全不同的研究领域。目前人形动物建造成本高，部署繁琐。但是，一旦人形机器人达到一定的性能水平，大众的接受程度就会发生根本的变化。一个廉价、可靠、安全、低功耗的人形机器人将很快成为标准的机器人平台，成为从军事到娱乐甚至家庭的各种应用。
15.神经系统科学
神经科学仍然局限于基础研究，研究的最终目的是发现创造力和想象力是如何工作的。在早期，我试图找到一种方法来测量、预测和系统地影响想象力，想象力被视为创造性思维的基础和人类进步的核心。创造性神经科学将使人们不仅能够感知，而且能够预测和系统地影响他们的想象力。
想象力研究所(宾夕法尼亚大学积极心理学中心的非营利组织)的神经科学家和心理学家通过量化一个人的想象力，提供了一种标准化的测试方法，而不是传统的以智商为导向的测试方法。更长期的期望是，创造力的神经科学将使我们不仅能够测量，而且能够预测和影响我们的想象力。
16.精准农业
精准农业依赖于最新的信息和技术，如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。在作物生长周期(整地、播种和收获)内改良作物。在精准农业中，通过传感器和农场管理软件/硬件，在现有的网络/互联网基础设施上进行检测和远程控制。例如，农民现在可以使用基于云的无人驾驶拖拉机平台，该平台与拖拉机自动化套件集成，成为一个即插即用的系统，可以自动控制谷物车拖拉机，并在收获季节帮助农民。在该系统中，联合收割机操作人员在田间设定分段卸粮位置，调整速度，监控位置，并指令运粮车与联合收割机准确同步速度和方向。
未来的农场可能不再需要人力来种植作物，自主机器人已经被用来执行播种、照料作物和收割等任务。这些机器人不受人为错误的影响，可以适应现场条件，从而最大限度地提高产量，大大减少时间，提高效率。
17.软机器人
柔性机器人是机器人的一个子领域，它使用模仿生物体的材料来制造机器。柔性机器人在其他方面与生物相似，突出了移动和适应环境不断变化的物理结构的能力。机器人被称为“柔性”，其灵活性和适应性比刚性材料制造的机器人更加突出。一个研究小组开发了一种软机器人，其执行器类似于肌肉，由硅橡胶制成，由气压驱动。科学家已经开发出一种自动设计软致动器的方法。他们用硅橡胶设计了一个柔软的机器人，在单一压力源的驱动下，它可以像食指一样弯曲，像拇指一样扭曲。
从长远来看，在医疗和个人机器人领域，柔性机器人将实现与人类安全、兼容的交互。在小范围内，微型柔性机器人有望在药物输送和外科手术等医疗应用中提供帮助。对于野外勘探和灾难救援，柔性机器人可以在复杂的地形中导航，并穿透狭窄的空间。柔性机器人将进一步帮助食品加工和农业实现高度自动化并降低成本。
18.无接触手势识别。
非接触式手势识别构成了自然的用户界面，极大地改变了人类与日常技术的交互方式。手势识别和分析可以收集到很多关于速度、动作、情绪反应的数据，这些数据可以转化为对用户的精准理解。
超声波手势感知的基本原理类似于蝙蝠和海豚使用的回声定位系统。声纳系统发射超声波，这是听不见的信号。这些信号被用户的手、头或身体反射，然后被麦克风捕获，并由时间照明算法编译。最新的超声波技术使用声学微机电系统(MEMS)，如现有智能手机中的麦克风和扬声器，或包含压电换能器的专用超声波收发器。
非接触式手势识别构成了一个自然的用户界面(NUI)，它改变了我们与日常技术的交互方式。它需要的只是我们自然移动和悬停的手和手指向附近的设备发送命令，如电话、计算机、可穿戴设备、游戏和VR控制台、娱乐系统、机器人和家用电器。非接触式接口还可以增强专业设备，例如医疗或军事设备。也将彻底改变媒体、传播、零售、娱乐等依赖消费者深度参与的领域。
19.气垫汽车
随着汽车保有量的增加，交通拥堵已经成为一个世界性难题。因此，开发一种小型、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、储能、电机和人工智能的快速发展，让飞行汽车接近现实。因此，智慧城市正准备部署个人自动驾驶车辆，希望解决交通问题。
目前大部分交通方式都集中在中短途运输，因此城市将成为飞行汽车产品的主要目标。如果飞行汽车能够成功使用，它们将开始影响城市基础设施的发展。从长远来看，整个城市可能会根据飞行汽车常用的场景进行规划调整。
第二，人机交互&仿生学。
20.神经形态学芯片
神经形态学技术将是高性能计算的下一个发展阶段，可以大大提高数据处理能力和机器学习能力。神经形态芯片将神经网络的工作原理蚀刻到硅中，能效可以达到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。
2018年，英特尔宣布了一款神经形态芯片，使用该芯片的设备可以识别网络摄像头拍摄的图片中的物体，该芯片集成了该领域的许多新功能，例如分层连接、树突隔间、突触延迟，以及最重要的可编程突触学习规则。
神经形态芯片的发展可以促进人工智能系统的发展，人工智能系统具有特定的用途，如物体识别、语音和手势识别、情感分析、健康分析和机器人运动。通过合理的电源控制，它们可以成为各种交互设备的关键组件，从玩具到人形机器人。
21.仿生学(医学)
“仿生学”通常用于医学领域，描述使用机械来替代或增强各种身体部位。人造和仿生的器官和肢体不同于普通的假肢，它们的设计尽可能接近被替代的身体部分的原有功能。
目前这项技术应用于外骨骼、上肢和内脏，主要用于帮助受伤的病人。例如，仿生外骨骼可以增强人类的自然运动系统，使用户跑得更容易/更快。
未来仿生学的目标是“将生物与机器融为一体”。这种方法将产生生物和机械部分结合成“机器人”混合系统。仿生器官将增强生物功能，使人跑得更快，看得更远，听得更好，活得更久，甚至思考得更好。
22.大脑功能图。
大脑不仅有数量惊人的神经元和连接，而且是异构的，估计有500个不同的部分通过非常密集的网络连接。脑功能图谱技术发展迅速，为治疗神经系统疾病、理解认知和在人工环境中复制认知奠定了基础。
神经元之间的通信是基于神经元之间的电活动。目前，为了更好地绘制这些通信路径，科学家们正在开发可记录电极，可以记录各种条件下的这种电活动，并使用计算机来解读收集到的信息。
从长远来看，深入了解大脑在生理和病理条件下的功能将为确定疾病的原因、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模拟技术的发展。
23.脑机接口。
脑机接口是大脑与外部设备之间的直接通信通道。它不仅可以收集大脑的信息，还可以将信息输入大脑，从而与环境进行交互。增强和更复杂的是“双向”脑机接口，它记录大脑活动并将刺激传输到神经系统。脑机接口领域的研究目标之一是通过人机共生提高执行复杂任务(如驾驶战斗机)的效率。脑信号刺激的研究进展可能开启一个新的脑-脑通信时代。从中期来看，不可能交流复杂的思想，但脑对脑的交流可以使人们不断分享感受、情绪和精神状态。
24.情感识别
情感识别一直是通过将先进的图像处理算法应用于人脸图像(或视频)来检测情感。情感识别的主要方向还是“读”面部表情。一些研究人员开发了一种使用AI算法的芯片，可以通过实时分析人脸图像来识别八种情绪。情感分析也是继面部表情之后新的技术突破。将机器人学习算法应用于书面文本，可以检测我们表达的积极或消极态度。目前，智能手机可以告诉你你的感受，并提供相应的内容、交流或应用建议。智能设备是我们当前的现实，但“移情设备”可能是未来。
情感识别可以彻底改变营销人员设计广告的方式，不依赖个人直觉或主观想法，针对不同的目标群体，科学严谨地测试每一个想法。情绪识别通过捕捉微表情，检测细微的情绪变化，有利于执法。在医疗护理中，它可以用来帮助监测和诊断情绪障碍患者。
25.智能纹身
智能纹身又称纸皮肤、电子皮肤或电子纹身，由可穿戴的表皮皮肤电极组成，可以实时感知各种环境刺激(压力、触摸或接近)和生理数据(心率、呼吸、血液酒精和氧含量、肌肉活动和情绪)。它是一个综合传感平台，将为无法获得医疗服务的地区的病人提供交互式远程医疗和治疗系统支持。未来，柔性有机光学传感器可以直接层压在器官上，以监测手术期间和手术后的血氧水平。智能纹身还将帮助中风或脑损伤患者恢复，以改善肌肉控制或截肢者移动假肢。
26.人造突触/大脑
法国国家科学研究中心的研究人员设计了一种所谓的“记忆电阻器”，这是一种直接在计算机芯片上实现的人工突触。这种突触可以自我学习，为设备建模，这对开发更复杂的电路非常重要。在未来，这些技术将成为设计计算机机器的重要组成部分。在模拟生物神经网络的情况下更是如此，需要进一步的探索和研究来利用大脑的力量或者模仿大脑的结构。模拟生物神经网络可以提高效率，对于拥有大量连接的超级计算机，它将获得更强大的计算能力。
3.电子与计算
27.柔性电子设备。
柔性电子是一种可弯曲或可伸缩的电子电路，晶体管、显示器、电池、传感器等元件都具有这些特性。灵活性不仅可以实现更复杂的设计，还可以实现新的应用，如可穿戴设备、电子纹身或基于电子电路的直接3D打印的潜在低成本解决方案。核心技术是薄膜电子，柔性电子器件应用于显示器制造、传感器、能量存储/转换、医疗、环境监测、人机交互等领域。
研究人员开发了一种柔性压力传感器，即使在双弯曲的情况下也能保持精度。医疗和生物工程应用将受益于真正灵活/可扩展的传感器，这将彻底改变大脑植入物。可以让我们的大脑和电脑进行无缝交流。
柔性电子是动态的，有许多应用场景。研究人员认为，这项技术将为人们带来智能面料、可拉伸屏幕、柔性智能手机、可以拉伸到更大尺寸的超薄平板电脑、可以戴在手腕上的健康传感器，或者将壁纸墙变成巨大的屏幕。
28.纳米发光二极管
发光二极管(LED)是一种双引线半导体光源器件，具有将电转化为光的能力。与传统的钨丝灯泡相比，LED灯的主要特点是不发热。此外，LED只需要普通灯泡所需能量的一小部分，不含有毒金属(如荧光灯泡中使用的汞)。
LED显示器通过液晶显示器将图像显示为像素。基于纳米棒的多功能LED可以发光和探测光，刷新率比标准LED快3倍。基于纳米棒的发光二极管可以响应激光笔。
纳米半导体用于生物学、计算机、医学和照明。Nano-LED可以使用少量的能量产生更宽的光波长范围，为显示器提供更温暖、更明亮的颜色。从长远来看，这种可以发光和检测光线的新型LED阵列可以帮助用户通过非接触式手势控制智能设备，并用环境光为其充电。
29.碳纳米管(碳纳米管)
碳纳米管是直径为纳米的碳基管状材料。这些管状碳分子的特殊性使它们在纳米技术、电子、光学和其他材料科学中具有价值。
硅一直是这些领域的首选材料，但其主导地位可能会在未来受到新化合物的挑战，许多研究人员将这一希望寄托在碳纳米管上。除了用于笔记本电脑和智能手机的更快、更高效的芯片，纤薄但功能强大的处理器还可以支持新技术，如柔性计算机和可注射微芯片，或者可以针对人类癌症的纳米机器。
30.计算内存
“内存计算”或“计算内存”是一个新概念，它利用存储设备的物理特性来存储和处理信息。这与冯诺依曼系统和设备的现状不同，如标准的台式电脑、笔记本电脑甚至手机，它们在内存和计算单元之间来回穿梭数据，因此速度更慢，能效更低。
目前，IBM的科学家已经演示了“一种无监督的机器学习算法，它运行在一百万台PCM设备上，并成功地在未知数据流中找到时间相关性。与最先进的经典计算机相比，这项技术有望将速度和能效提高200倍。
内存驱动计算是一种无限灵活和可扩展的架构，可以比传统系统消耗更少的能量更快地完成计算任务。随着数据量的快速增长，其重要性与日俱增，这将为大规模可组合基础设施的数据处理提供解决方案。
31.石墨烯晶体管
石墨烯被称为新型纳米材料，具有良好的导电性和稳定的化学性质，是世界上最强的材料。它由碳原子组成，这些碳原子以二维六边形模式密集排列。基于石墨烯晶体管的电路可以解决硅晶体管的处理速度限制。他们将微处理器的时钟速度提高了数千倍，同时需要硅基计算机1%的功率。
石墨烯晶体管和芯片使计算机变得更小更快。这些多功能材料为超薄附件和智能生物医学传感器带来了广阔的前景。
32.高精度时钟
在很多应用场景下，时间要求精度很高。例如，4D成像需要高精度的时钟来提供亚原子区域的结构图像。期望光学时钟或原子钟在时间测量和标准化方面提供更高的精度。这使得它适用于多种应用场景，并且可以节省大量能量。量子逻辑钟前景广阔，新型原子钟将需要突破更多的基础研究。
33.纳米线
纳米线的尺寸以纳米为单位。它们也可以被描述为宽度为几十纳米或更小且长度不受限制的纳米结构。纳米线的可重复性、可调节性和表面特性为纳米医学提供了新的方法。由于用于制造纳米线的材料种类繁多且具有迷人的特性，纳米线最近已成为纳米电子学、光电子学和分子级化学和生物传感的重要基石。纳米线可以与微通道集成，提供从宏观到纳米的路径，使研究人员能够检测和分析目标分子，如DNA、RNA和蛋白质。纳米线的直径非常小，可以用作探针尖端。此外，可以基于纳米线制造柔性纳米电子支架， 这有望创造出能够检测化学和电学变化的传感皮肤。纳米线也可能对建筑和汽车工业产生重大影响。
34.光电子学
光电子学是光子学的一个分支，致力于将电子和光结合起来传输数据。对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。5D光学数据的存储过程包括改变熔融应时的光学特性，利用超快(飞秒)激光写入技术创建3D纳米尺度的信息记录。这些记录(“纳米光栅”)由三层纳米点组成，每层存储一位信息。存储支架是一种改进的玻璃板，对气候条件更耐用，化学稳定性更好。额外的容量允许存储高达360TB的数据，约为50Gb蓝光光盘容量的7000倍。热稳定性高达1000 ℃, 并且在室温下的使用寿命几乎是无限的。5D数据存储将很快成为拥有大量历史档案的组织的宝贵资产，预计在未来五年内将由行业合作伙伴实现商业化。预计几年后，目前主要用于高端军事装备的光量子芯片将用于数据中心。集成光量子研究的进展将彻底改变光量子技术，同时保持与现有半导体芯片技术的兼容性。
35.量子计算机
量子计算机(QC)基于量子比特(称为量子比特)工作，量子比特可以表示为0、1或者量子力学规定的这两种状态的任意量子叠加。虽然很多公司声称生产量子计算机和量子编译器，但目前的技术并没有为量子计算机的制造提供成熟的解决方案，第一个原型只能操作特定的问题。
目前，研究工作致力于创造量子硬件来解决具体问题。然而，要实现一台可以运行所有现有代码的通用量子计算机，还需要更多的研究。为了使量子计算机更加有效、稳定和廉价，必须做大量的研究工作，必须解决与量子相干性和低温操作有关的问题。
36.量子密码术
无论个人通信、电子商务还是网上银行交易，通过互联网交换的机密信息都必须得到保护，以防止黑客通过加密使用被称为密钥的数字密码。量子密钥分发位于量子密码学的核心，它利用量子粒子(电子和光子)在两方之间安全地建立共享密钥。量子密钥分发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。所以总是可以检测到量子粒子是否被观测到，说明安全漏洞。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该密钥。
2017年9月，科学家通过在北京和维也纳之间演示世界上首个使用量子加密的洲际视频会议，实现了一个技术里程碑。由于技术原因，之前量子通信仅限于几百公里，但2016年发射的中国卫星墨子号打破了这一限制。上海与距其2000公里的地区之间装有光纤通信设备，与地面500公里以上的轨道进行通信。这个基础设施是世界上第一个天地之间的量子网络。中国是量子技术的全球领导者，目标是在2030年建立全球量子网络。虽然未来量子技术的应用仍然有限，但量子密钥很可能被用于保护极其敏感和关键的数据。
37.自旋电子学
自旋电子学是一个新的研究领域，它研究电子自旋对电导率的影响。传统的电子设备是基于在电路中分流电子。自旋电流是电流的自旋电子学等价物。与电流不同，自旋可以在静止的电子之间转移，它们可以在没有实际移动电子的情况下流动。自旋电子学包括“研究电子(更一般地说，原子核)自旋在固态物理学中的作用”。
电子自旋可以用来转换电能、光能、声能、振动能和热能。这种在不同能量形式之间切换的能力可以应用于各种设备。自旋电子学的一个潜在应用是允许声音向一个方向而不是另一个方向流动的音频设备。
四、生物跨学科(Biohybrids)
38.生物可降解传感器。
可生物降解电子器件是一类寿命有限的电子元器件，可以通过水解或生化反应。该装置可用作医用植入物，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。可降解的电子产品可以使设备更加智能，例如温度或化学监测。
目前，电子产品的寿命可能只有几个月，废弃电子产品的生态影响令人担忧。使用可生物降解或有机电子材料可以解决这个问题。这种材料为完全可生物降解、生物相容和可生物降解的电子产品开辟了道路。这些设备可能在其生命周期结束时溶解，这一方面将抑制电子废物的产生，另一方面使医疗植入物的发展成为可能。
39.芯片实验室
芯片实验室将化学分析等实验室功能集成到一个微小的设备中。脓毒症的快速检测是目前芯片实验室中一个非常重要的应用。因为诊断不及时，病人会得败血症，每一分钟对于抗生素治疗都非常重要。目前，正在开发一种芯片实验室系统，用于分析患者的血液样本，以检测可能导致败血症的微生物，减少抗生素的不当使用。芯片实验室技术有望通过更好更快的诊断提高医疗水平，尤其是在医疗基础设施落后的地区。同时，这项技术可以让患者在监测自身健康方面发挥更积极的作用。
40.分子识别
分子识别可以看作是对分子间相互作用的研究。从医学的角度来说，分子识别决定了一个化合物是否具有临床性质。用于基于分子识别的生物传感应用的纳米材料对于临床条件尤其重要，其中识别成分可以是酶、DNA、RNA、催化抗体、适体和标记的生物分子。
目前，分子识别技术已不同程度地应用于便携式设备诊断、电反应诊断和药物筛选。从长远来看，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，它将彻底改变医学。
41.生物电子学。
生物电子学是利用生物材料或生物建筑来设计和制造信息处理机器及相关设备的技术。该领域将生物燃料电池、仿生学和生物材料用于信息处理、信息存储、电子元件和致动器。该研究领域的重要方向是生物材料与小型电子器件的互补和相互作用。
研究人员为新的传感器、致动器和信息处理系统开发受生物启发的材料和硬件架构。该领域的其他用途还包括原子级别的分子制造以及生物器官和电子设备之间更好的连接，这些都可能推动人类在假肢、人机一体化和仿生学等领域的进步。它还将为健康建模、监测和细胞发育研究开辟新的前景。
作为一种存储介质，合成DNA比大多数当代尖端替代品重要数百万倍。另一方面，活体存储系统不仅可以用来存储数据，还可以用来记录人体细胞、组织或工程器官中的事件和过程。
42.生物信息学
生物信息学是一个新的研究领域，它融合了生物学、数学和计算机科学的方法、技术和数据。它的目标是开发新的工具来提取和分析生物有机体的数据。生物信息学的使用包括识别候选基因和核苷酸，目的是更好地了解遗传基础、独特的适应性、理想特征或疾病群体之间的差异。
目前生物信息学的主要进展在生物杂交领域，生物杂交通常是指人工成分与至少一种生物成分的结合。这种技术可以应用到很多领域，从健康到纳米技术、机器人甚至消费品(比如生鲜农产品)。生物杂交技术也将应用于未来的机器人，这将使机器人的移动更加精确，这将使机器人得到广泛应用。同时，通过将该技术与生物学相结合，可以复制组织或器官，从而帮助人们更好地了解人体生理学或设计新的药物和给药方式。
43.工厂通信
植物交流是指植物与其他生物之间的交流，无论是相同或不同类型的植物、土壤和昆虫，还是更复杂的生物。目前，一些研究团队正在探索利用植物作为传感器的方法。深入研究植物通讯可能具有潜在的应用前景。
五、生物医学(生物医学)
44.基因编辑
基因编辑又称“基因组工程”，是将DNA插入、删除、修改或替换到生物体基因组中的工具。通常的编辑方法是通过工程核酸酶(分子剪刀)在基因组的靶点产生双链断裂。这些断裂的双链通过非同源末端界面或同源重组进行修复，结果就是定向突变。
目前，基因编辑已经在基因工程领域产生了一场革命。虽然它是基于细菌，但它适用于几乎所有的活细胞和有机体。为艾滋病、癌症、遗传性疾病的防治提供了新的可能，也为动植物育种提供了新的可能。
基因编辑将进入许多不同的应用领域，其中大部分仍然无法预测。构思新用途需要很大的创造力，还需要考虑很多伦理和监管问题。
45.基因治疗
基因治疗重在基因突变，使其产生异常蛋白。除了突变，基因治疗的基本原理是缺陷基因被治疗性基因(也叫功能基因)替代或失活，治疗性基因通过病毒或“裸DNA”进入人体。
使基因治疗可行的技术能力正在扩大，但大规模采用基因治疗的成熟度和复杂性仍有待观察。此外，解决各种伦理困境也很重要。
46.抗生素敏感性测试。
抗生素耐药性是世界上对人类健康最严重的风险之一，这意味着面临许多挑战，包括:感染预防、开发新的抗生素和替代方法来对抗感染、限制过度使用和确保有效治疗。未来，一旦确定了感染原因，医生将能够当场决定是否使用合适的抗生素以及哪些抗生素最有效。
47.生物打印(生物打印)
生物打印是3D打印的一种特殊应用，利用聚合物或基因工程生物材料制造组织和器官，其中一些可以植入人体。生物打印的优势在于材料具有更好的个体适应性和更少的副作用，包括植入排斥。
目前已经提出了3D打印系统，可以将活细胞打印成人类尺度的骨骼、肌肉、耳朵组织。由于以这种方式印刷的物品使用聚己内酯的生物相容性合成聚合物，它们的结构是稳定的。
未来，第一批3D打印的人体器官将进行无排斥移植，这不仅满足了等待器官的患者的巨大需求，也满足了希望替换自己有缺陷器官的患者的巨大需求。从长远来看，“人体芯片”模型可能会生成各种类型的组织进行植入，从而利用患者自身体内的细胞来修复受损的器官。
48.基因表达的控制(基因表达的控制)
基因表达是利用基因的核苷酸序列指导蛋白质合成和产生各种细胞结构的过程。通过了解如何控制基因表达，科学家们希望了解每个基因在人类和动物发育中的作用。
早期研究通过发现胎儿对疾病的易感性，以某种方式操纵细胞，使未来的机体健康，从而推动辅助生殖和再生医学领域的进步。
基因组的不稳定性和基因的改变促进了疾病的发展，加速了年龄相关的病理，促进了组织退化和器官衰竭。通过研究人体内基因表达的控制，可以预测人类衰老的程度和速度。在胚胎发育和多能干细胞生物学阶段控制基因表达，可能会彻底改变辅助生殖和再生医学。
49.药物输送
药物递送是指将治疗剂或药物化合物给予人或动物以达到治疗效果的治疗方法。给药技术的进步通常是为了提高药物的疗效和吸收，减少其副作用。纳米材料和新材料正在彻底改变这个领域。
提高药物输送能力会使药物更快达到目标，副作用越来越少，必要时会停用或重新激活。通过将药物嵌入正确类型的设备，它们还将为患者和治疗师提供信息。这样的治疗方案通过减少患者住院时间，大大降低了治疗成本。
50.表观遗传变化技术。
表观遗传技术是指基因功能的可遗传变化，这些变化不需要改变DNA序列。虽然实验表明，一些表观遗传变化是可逆的，但术语“表观遗传”包括在不改变DNA序列的情况下改变基因活性的过程，这导致了可以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，包括各种癌症、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。
对表观遗传机制的充分理解将有助于开发新的诊断方法、生物标志物和治疗方法。从长远来看，表观遗传技术的应用可能对人类产生不可改变的、持久的影响。它将影响人们的生活方式和其他领域，如食品和农业，尤其是健康。
51.基因疫苗(基因组疫苗)
基因疫苗是由DNA或RNA合成的非蛋白疫苗，能促进人体免疫力，防止传染病的传播。它是在基因治疗技术的基础上发展起来的。
DNA疫苗的前景非常稳定，便于大规模生产和运输。当基因组疫苗成为常态时，它需要的免疫次数更少，因为它持续时间长，覆盖的病原体范围广，并且容易适应后者的新突变形式。
52.微生物组
微生物无处不在，它们形成的微生物群对人体健康既有好处也有坏处。受早期接触微生物和饮食等因素的影响，人与人之间的微生物组成存在很大差异。另外，人体的不同部位有不同的微生物群。虽然已知肠道细菌的组成会影响一些基因的活性，但这种情况是如何发生的仍有待证实。一项新的研究揭示了一种潜在的方式，即“好”肠道细菌可以控制人类基因活动，并可能有助于预防结直肠癌。
微生物学已成为医学研究者的主要兴趣。了解微生物组的多样性，发现新的模式，可以更好地理解疾病的原因，以及为什么在某些情况下治疗效果比其他情况下更好。大数据和新的计算工具将使微生物群体的宏基因组分析成为可能。
53.再生医学
再生医学是一个新的医学领域，致力于寻找修复或替代因疾病、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。
再生医学将致力于开发更可靠、更廉价的细胞分化、细胞培养和组织工程方法。未来，人类将在没有外部支持基质的情况下制造组织和器官。
54.重新编程的人类细胞。
重编程人体细胞通常指由免疫系统基因重编程的白细胞或诱导多能干细胞，其外观与胚胎干细胞相似。最近的研究证明，生物可降解纳米粒子可以通过免疫细胞的遗传编程，识别、消除或减缓小鼠模型中白血病的进展，并将免疫细胞保留在体内。诱导多能干细胞是可以从成体细胞直接产生的多能干细胞。就像胚胎中自然产生的干细胞一样，它们可以成为任何其他类型的细胞，并发育成皮肤、神经、肌肉或几乎任何其他类型的细胞。
55.靶向细胞死亡途径。
癌症是全世界人类死亡的主要原因之一。2012年，新增癌症病例1400万例，癌症相关死亡820万例。预计这些数字将在未来20年内翻一番。与目前的治疗方法相比，针对引发不同类型细胞死亡的关键调控分子可能是一种更有效、毒性更小且不易产生耐药性的方法。
识别新的细胞死亡机制，并试图协同激活和控制多种细胞死亡途径，是对抗癌症的新方法，标志着癌症治疗有效性的巨大飞跃。同时有望缓解或解决困扰该领域的一些毒性和耐药性问题。
六、印刷与材料(Printing & Materials)
56.2D材料(2D材料)
2D材料由原子薄层材料组成。目前，研究主要集中在由不同2D材料层组成的异质结的特性及其在光伏、半导体、集光器件和后硅电子领域的应用。通过了解2D材料的异质结构，充分发挥半导体结构的能力，为纳米电路和可穿戴设备的发展铺平道路。2D磁铁可以解决最不可思议的科学问题，开启超薄电脑时代。此外，2D材料在传感和数据存储方面也有潜在的应用前景。
57.食物的3D打印。
3D打印食品的商业化已经成为主流。目前来看，它真正的潜力可能在于食品领域。专业人士可以通过3D打印发明新的食物，并进行实验。在医疗环境下，帮助进食有困难的人。
未来食品3D打印和原料可以按时生产，直接使用。几乎所有的菜都可以“打印”出来，而不是煮熟。缺失的成分可以在需要的位置和时间以基础粉的形式打印出来，品质和口感每次都保持不变，没有偏差。食物的3D打印大大简化了制作食物的过程，也帮助人们制作出更有营养、健康、有趣的食物。
58.玻璃的3D打印。
玻璃的独特性质通过快速原型制造玻璃物体的前景一直吸引着人们的目光。玻璃3D打印的最新发展为玻璃零件的快速生产提供了解决方案。这种技术使用的是熔融玻璃，一旦打印完成，几乎不需要后期处理。
玻璃是不可或缺的高性能材料，其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别设备的制造铺平了道路，也为内部生产带来了便利，使技术人员能够获得更接近成品的结果。艺术表现也可以通过复杂几何结构的实验达到新的境界。
59.大型物体的3D打印。
无论产品设计的大小如何，3D打印技术的一个最大优势是，制造商可以控制物体物理形态的每一个方面——物体的形状可以通过专门的软件进行优化。在不久的将来，不仅是小型设备，大型物体或超大型物体的主要部分都将能够进行3D打印。大型物体可以通过特殊的设计软件进行优化，使材料和功能适应环境要求。
60.4D印刷(4D印刷)
4D打印技术是指通过3D技术打印出的结构在外界刺激下可以改变其形状或结构，将材料和结构的变形设计直接内置到材料中，简化了从设计概念到实物的创造过程，使物体能够自动组装其构型，实现了产品设计、制造和装配的一体化。如果4D印刷品受到刺激(热、光、水、磁场)，它会随着时间改变其形状或性能。
4D打印的形状记忆聚合物将极大地影响健康产业。4D打印还可以用于组织工程、生物材料的自组装、用于化疗的纳米粒子和纳米机器人的设计。在能源行业，形状记忆材料未来将被用于太阳能电池板上，以制造检测阳光并相应自动旋转的传感器。
61.水凝胶。
水凝胶是具有高吸收性(包含90%以上的水)的天然或合成聚合物。由于其高含水量，水凝胶“像天然组织一样柔韧”。水凝胶通常用作分子和细胞物种的载体，可以总结细胞/组织发育过程中的动态信号。由于其仿生学，水凝胶是生物医学应用的主要材料，如药物输送和干细胞治疗。一般来说，水凝胶的制造需要前体材料之间的一系列化学反应和相互作用。
水凝胶在医学领域有着广阔的前景。在不久的将来，水凝胶将为急救工作提供基本支持，并使患者实现自我修复。随着技术的进一步发展，愈合软机器人将能够接触生物体的细胞，并在显微和亚显微水平上进行手术。
62.超颖物质
超材料是由几个单独的纳米元素组成的人造部件。澳大利亚研究人员发现了纳米材料的新特性，为制造热光伏电池开辟了新的前景，这种电池可以在黑暗中收集热量，并将其转化为电能。该团队使用金纳米结构和氟化镁创建了一种超材料，可以在精确的方向辐射热量，并在特定的光谱范围内发射辐射。在不久的将来，超材料将被用于制造超轻卫星天线、传感器和光伏电池。在控制成本的情况下，超轻天线可以连接到卫星上，使其绕过有线的本地互联网基础设施。热光伏电池可以在没有阳光直射的情况下从红外辐射中获得能量， 它可以补充甚至取代太阳能电池，成为重要的可再生能源。超材料的高度可配置性将被用于制造抗损伤材料。例如，超材料制成的衣服会感知可能的损伤，并调整织物表面以保护穿着者。
63.自愈材料。
自愈合材料通过微损伤反应的修复/愈合机制来检测降解。一般来说，这些材料是人工制造的，可以认为是“智能结构”。它们根据自己的综合“感知”能力来适应各种环境。这项技术可以应用于任何领域，比如海上风力涡轮机，或者飞行中的飞机和卫星。
随着技术的不断发展，自愈合材料可以通过加水来修复破损的牛仔裤。当智能手表、笔记本电脑、手机被人为破坏时，它会自动修复显示屏的裂缝。由于其自我修复特性，这些设备的电池也将具有更长的使用寿命。
七、打破资源边界(Breaking Resource Boundaries)
64.生物塑料
生物塑料是指基于淀粉等天然物质的微生物生产的塑料。它是可再生的，所以非常环保。这些包括玉米、大米、土豆、棕榈纤维、木薯、小麦纤维、木质纤维素和甘蔗渣。根据化学成分和生物基成分的百分比，生物塑料可能是可生物降解的。生物塑料用于不同的行业，如食品和饮料包装、医疗保健、纺织、农业、汽车或电子。生物塑料的主要优势是它们留下的能源足迹更小，产生的污染更少。欧盟自助项目正在研究一种可生物降解的尿布、一种可生物降解的生物活性美容面膜和一种纳米结构的生物相容性无纺布。塞维利亚大学和韦尔瓦大学的研究人员用大豆蛋白开发了一种生物塑料， 其可生物降解且对环境友好，并且可以吸收其自身重量40倍的水。研究小组修改了大豆的分子结构，改变了其吸收特性，使其保留的水分比平时多3倍。通过将蛋白质的固体浓缩物注入模具，他们创造了试管并将其应用于园艺。由王新龙领导的一组研究人员开发了由可生物降解塑料制成的电子元件。开发的电子产品由一种来自玉米淀粉的生物塑料制成，称为聚乳酸(PLA)。通过将金属有机骨架纳米颗粒与这种生物塑料混合，他们成功开发出具有机械、电气和阻燃性能的材料，可用于电子产品。
塑料行业致力于开发新的方法，利用自然界中的天然原料生产生物塑料。生物塑料在许多不同领域有很高的需求，这种材料将有许多新的应用前景。
65.碳捕获和封存(碳捕获和封存)
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。为了避免碳损失到大气中，碳被收集和储存，并在高二氧化碳排放源，如各种工业的烟囱和碳基发电厂进行处理。空气捕集技术可以去除环境中任何地方空气中的碳，二氧化碳可以通过吸收和膜气体分离技术从空气或烟气中分离出来。捕获的二氧化碳或提取的碳可以以矿物形式储存，因为它与金属氧化物发生放热反应。在其他情况下，可以通过管道输送到其他地方使用，比如注入老油田开采石油。
空气捕获和碳存储的结合可以实现双重功能。碳捕获和利用减少了由碳储存引起的一些问题和成本。一旦减缓气候变化的成本增加，碳捕获技术可能会吸引汽车和飞机等分散碳源的注意。但是这些技术也非常昂贵，有一定的风险，实际效果还不清楚。
66.海水淡化
海水淡化是去除水中各种盐分的过程。传统上是通过蒸馏、电解、过滤来实现的。由于技术成本高、能耗大，目前他们只能将水分解，或使其达到沸点或冷凝，通过化学过滤清洗被污染的膜，实现海水淡化。新的实验表明，海水淡化可以通过使用各种形式的石墨烯(一种原子厚度的等间距碳原子层)来实现。氧化石墨烯薄膜的孔径大小可以精确控制，普通的盐可以从水中筛选出来，可以放心饮用。
精密过滤技术的发展对全球经济和生态系统影响巨大，对发达国家和新兴市场的社会水平影响巨大。精密过滤技术将通过提高废水工业过滤的能效来降低成本，使工业参与者更愿意降低其企业的生态影响。
67.地球工程和气候工程。
地球工程关注的是整个景观的变化，比如中国的人工湖和三峡大坝工程。其他典型的例子有改变河床，建造有山的人工岛和日本的关西机场。气候工程主要包括两种，消除温室气体和管理太阳辐射。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，地球工程和气候工程需要在全球范围内进行治理和监督。
68.超回路
超级高铁是目前正在发展的一种交通系统。它是一种以“真空钢管运输”为理论核心的运输工具。具有超高速、高安全性、低能耗、低噪音、少污染的特点。它将使用加压吊舱运载乘客，也可以用真空钢管运载货物。吊舱由直线电机通过隧道或管道(低压环境)逐渐加速。吊舱通过磁悬浮快速上升到轨道上方，由于空气阻力小，实现了超高速滑行。
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.吃塑料的虫子
聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)是世界上最常见的制成品之一，也是不可生物降解的。随着这些塑料垃圾在我们周围的堆积，已经造成了严重的环境问题。由于将PET转化为油是一个复杂的过程，科学家们开始寻找代谢或消化这些物质的方法，并将它们转化为可生物降解的产品。日本研究人员通过分析从土壤和废水中收集的以宠物塑料碎片为食的细菌，发现了这一物种，并将其命名为Ideonella sakaiensis。好像这种细菌只吃宠物，只用两种酶就能分解。
最近的研究发现，塑料食虫动物可以快速降解塑料垃圾，甚至成为天然肥料来滋养土壤，大大减少城市污染。
70.二氧化碳的分解(分解二氧化碳)
二氧化碳是一种废气，一种积聚在大气中的温室气体，直接导致全球气候变化。目前，不同的碳捕获和储存方法正被用来减少大气中二氧化碳的含量，从而减少其影响。现在需要做的不是储存，而是通过分离和从储存场所分离二氧化碳，直接利用二氧化碳。
科学家们正在寻找将二氧化碳分解并转化为燃料的方法。具体来说，他们正在开发新的廉价催化剂材料。同时，将这种技术与可再生能源装置相结合，可以降低大气中的二氧化碳含量，直接将太阳能储存为液体燃料。
71.备灾技术。
随着自然灾害的日益增多，许多沿海城市的洪水风险也明显增加，因此自然灾害引发的环境危机值得关注，灾害预测技术也是研究方向。预防地震、海啸、火山爆发和泥石流等自然灾害非常重要。此外，应急系统、救援机器人、救援系统和公民信息系统也需要不断完善。一方面是情境预防，另一方面是技术突破。
备灾的关键方面是社会复原力，即一个面临危险的社会及时有效地抵御、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，而不是修复系统以前的状态。技术本身对社会韧性的贡献微乎其微，这主要取决于社会结构的能力。应对复杂性和不确定性的能力成为新的挑战，这意味着要为未来的任何意外情况做好准备。
72.水下生活
人类在水下生活的想法被认为是人类未来潜在的重要部分，它是对地球表面因人口过剩或灾难而不适于居住这一事实的替代。自20世纪60年代初以来，各国就开始设计和建造水下栖息地。由法国海洋建筑师Jacques Rougerie设计的水上勘探平台“Seaorbiter”正在逐步成型，这是世界上第一艘垂直远洋船。英国设计师菲尔·波利(Phil Pauley)发布了一项海底设施的设计计划，该设施被称为“亚生物圈2号”。这个海底设施有八个栖息地。朱尔斯海底旅馆(Jules undersea lodge)海底旅馆位于美国佛罗里达州基拉戈岛。它建于1986年，是美国最早的水下酒店。
由于陆地上住房空间的稀缺，越来越多的沿海土地被开发用于居住。预计第一批海底栖息地将位于海岸附近，为越来越多的人提供生活条件，并在气候变化导致海平面上升时使用。
73.废水养分回收。
废水营养物回收是从废水流中回收氮、磷等营养物，转化为环境友好型肥料，用于生态和农业用途。营养物回收是废水处理领域的一个突出发展方向。生物技术、再利用和再循环技术带来了各种经济、环境和社会效益，有助于降低成本、节约能源、保护环境和改善客户服务。人们正试图开发更多的技术来从废水中回收不同的资源。资源越稀缺，恢复投资就越大。废水作为资源的大规模利用将是一个真正的突破。
74.小行星采矿
小行星采矿是从围绕太阳运行的相对较小且密度较大的天体(小行星)中提取有价值物质的过程。随着地球矿产资源的枯竭，一些重要的物质在地球上会越来越难开采，小行星会提供重要物质的储备。其中有些值得运回地球，如金、铱、银、锇、钯、铂、铼、铑、钌或钨。其他材料可用于太空建筑，如铁、钴、锰、钼、镍、铝或钛。一家加州公司展示了一种用于小行星探索的小型低成本航天器。该计划是为航天器配备仪器，以收集小行星构成和“挖掘能力”的数据。印度正计划开始在月球的南边探索核材料。
八、能源(Energy)
75.生物体之发光
生物发光是指在实验室中，生物体发光或生物体的提取物发光的现象。生物发光需要称为荧光素和氧气的分子，它们相互反应时会产生光。生物发光存在于一些昆虫、真菌、细菌和海洋动物中。研究人员目前正在尝试将生物发光技术应用于生物学、医学和光生产。他们试图将生物发光转移到不同的生物体，如细菌，植物或哺乳动物，以更好地了解不同的生理过程，并开发新的成像和研究技术。与此同时，研究人员正在开发新的光源，以减少目前全球的能源消耗。
76.能量采集
能量收集是一种使用能量收集器从周围环境获取能量的技术。虽然收集的能量并不大，但由于这种小型能源产生的功率远小于大型设备，如应用于大热源热电装置的太阳能电池板，因此收集的能量足以满足无线、遥感、人体植入、射频识别和可穿戴设备的大部分应用。捕获环境能量的技术包括:设计从振动和变形中提取能量的机械装置；用于从温度变化中提取能量的热力装置；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；和使用生化反应的电化学装置。
一些研究人员已经证明了从活体动物心脏获取生物力学能量并将其用于无线电数据传输的可行性。美国陆军研究实验室的科学家开发了一种纳米电镀铝基粉末，它与水结合产生化学反应产生氢气，可用于为燃料电池提供动力。这种合成材料会自发地将水分解成氢气。在测试过程中，他们还观察到，当尿液作为水源时，化学反应的发生速度是水的两倍。
高效的能量收集技术可以确保各种系统的最低维护，并为周围环境中可用的物质提供动力。
77.收集甲烷水合物。
甲烷水合物是水分子和甲烷在低温高压下形成的冰状物质，只天然存在于地下沉积物中。对于依赖进口天然气、煤炭和石油来满足其大部分能源需求的国家来说，甲烷水合物沉积物是未来一种有前途的能源。
大多数天然气水合物矿床位于海面以下，只有钻井平台和深海钻井船才能到达。由于甲烷不稳定且易燃，甲烷泄漏到空气中会造成更多的温室效应，这是风险技术之一。目前，还没有可用的技术来大规模收集这种能量。
78.氢燃料
氢气的重力能量密度约为化石燃料的三倍，非常适合内燃机使用。氢气在大气中放热燃烧，释放出水、过氧化氢和少量氮氧化物。氢作为燃料在氢燃料电池(电化学电池)中，氢与氧反应产生电子流，电子流可以作为电流收集在外部电路中。因此，氢燃料电池是碳基燃料的替代能源，对环境没有影响。
目前，国际上有一个研究小组利用光敏蛋白掺杂二氧化钛光催化剂从水中制氢。当光触媒溶于水，在阳光下与铂混合，就会释放出氢气。研究小组还观察到白光下有非常高的产氢量，发现当大量碳氢化合物被微波炉激活时，会迅速释放出大量氢气。
伯克利实验室的研究人员使用石墨烯片来嵌入镁纳米晶体。镁纳米晶体不受氧气、湿气和污染物的影响，同时允许氢分子通过。这些涂有石墨烯的镁晶体充当氢气的“海绵”，提供了一种安全的吸收和储存氢气的方法。
79.海洋和潮汐发电技术。
海洋为人类提供了大量的可再生能源。最先进的潮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量，值得我们关注。
欧盟采取了一系列政策措施，以确保海洋能源技术在短期内具有成本竞争力。为了收集大量的能量，开发波浪能似乎是最有效的方法。从长远来看，新发电机技术收集的能量也会增加。
80.微生物燃料电池
微生物燃料电池是通过微生物将有机物中的化学能直接转化为电能的装置。像任何标准燃料电池一样，微生物燃料电池由被质子交换膜隔开的阳极室和阴极室组成。细菌生长繁殖形成致密的细胞聚集体(生物膜)，附着在微生物燃料电池的阳极上。作为一种活性生物催化剂，细菌取代了昂贵的过渡金属催化剂，并通过氧化有机底物产生二氧化碳、质子和电子。质子通过微生物燃料电池传导到阴极室，电子通过外电路从阳极流向阴极，从而产生电能。
细菌普遍存在于空气、土壤、植物、藻类、动物和灰尘中，也存在于城市、制造业和农业废物中。废物可以通过微生物燃料电池转化为清洁能源。由于微生物燃料电池的低效率和高成本，微生物燃料电池技术仍处于发展阶段。
微生物燃料电池最大的优点是通过处理废物和清洁能源来减少环境污染。该技术仍面临障碍，大规模的研究工作不可避免。
81.熔盐反应堆
熔盐反应堆是利用溶解有易裂变物质并处于熔融状态的熔盐作为核燃料的反应堆。它是熔融盐的混合物，以非常热的氯化物或氟化物的形式存在。液态熔盐既可以用作产生热量的燃料，也可以用作将热量传递给发电机的冷却剂。理论上，这使得汽水分离再热器的设计比使用固体燃料和水冷却剂的常规核反应堆更简单、更安全。
美国橡树岭国家实验室在20世纪50年代和60年代开发了熔盐反应堆，但在70年代由于一些非技术原因而暂停。随着材料和备件技术的发展，液体氟化钍反应堆的研发有所恢复，包括法国、美国、印度和中国在内的世界各国都在开展液体氟化钍反应堆的研究和设计，特别是日本核电事故后，各方关注度有所提高。
熔盐反应堆的支持者声称它们本质上是安全的、可持续的和高效的。与传统反应堆不同的是，固体燃料棒的熔化会导致不受控制的裂变，产生灾难性的影响。熔盐反应堆按照设计熔化。此外，研究表明，钍基熔盐反应堆技术可以热燃烧放射性废物，从而缓解核储存问题。
中国投资220亿元在甘肃武威建设两座熔盐核反应堆原型。这些反应堆被设计为熔盐反应堆技术的试验台，目前正在接受测试。以钍为主要燃料具有重要的经济意义，中国拥有世界上最大的钍储量。
在寻求清洁高效能源的过程中，熔盐堆面临着可再生能源和聚变堆等新兴技术的竞争。
82.智能窗口(智能窗口)
智能窗可以将太阳能转化为电能，在玻璃板之间调节进入室内的能量，使室内温度保持在合适的范围内，既提高了生活质量，又降低了能耗。智能窗是由玻璃或其他透明材料和调光材料组成的调光智能装置。在一定的物理条件下(如光照、电场、温度)，这种装置会发生显色或褪色反应，改变其颜色状态，从而选择性地吸收或反射外界热辐射，阻止内部热扩散，从而调节光强和室内温度，达到节能的目的。
目前，一些大型办公楼和其他玻璃外墙的大型建筑可以利用阳光获取能源，这将降低建筑的能源成本和企业的碳足迹。智能窗一旦开始量产，对于“智能家居”的设计就非常重要。
83.热电涂料
热电将温差转化为电压，反之亦然。但是热电材料必须作为热源应用到物体上才能达到发电的效果。热点涂层通常用于平面物体，传统的热电设计在这些情况下效率低下。目前，柔性热电材料已经在可穿戴设备和其他产品上显示出良好的效果，并且也产生了额外的设计/效率限制，而液体或粘胶材料对于所有类型的物体表面都是理想的。
热电涂层可以利用任何热源发电，也可以保护内部空间免受外部热辐射，从而减少额外的冷却要求。未来可以在建筑物或车辆表面使用热电涂层，从而节省大量能源。
84.水分解
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。这个转化过程对清洁能源意义重大。水分解可以为氢气的广泛使用铺平道路，氢气不仅是零排放燃料，而且可以大规模有效储存。水分解技术将改善可再生能源的获取。目前实现水分解的方法很多，但技术复杂，效率不高，实施成本非常昂贵。
水分解技术可能会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动力可以很容易地生产氢气，这将大大减少人类活动的碳足迹。此外，氢气可以大量储存，这可以显著提高现有技术的效率..
85.机载风力涡轮机
在当今社会为了跟上消耗速度而对更清洁、更廉价的能源的竞争中，利用风能等取之不尽的资源似乎是一个新的方向。与传统的地面涡轮机相比，空中风能系统通常要小得多，使用的材料也少，而且更容易移动和部署到孤立的定居点或遭受自然灾害的偏远地区。与传统风力发电相比，产生空中风能的成本要高得多。即使相关测试成功，第一个功能系统的商业化也可能需要5年甚至更长时间。
86.铝基能源。
作为现有技术的补充和可能的替代，目前大部分研究使用铝来发电和储能。铝是地壳中含量最丰富的金属。铝材质轻且坚韧，能源行业将从锂材料转向铝，铝在生产充电电池等存储系统方面优势明显。除了在建造轻质结构中的重要作用，铝还可以用于开发新的更高效的光伏电池或热系统。
铝电池是锂离子电池替代竞争的有力候选者，在了解铝与各种化合物相互作用的电化学性质方面将不断取得科学进展。
87.人工光合作用。
人工光合作用是模拟光合作用的自然过程，将阳光、水和二氧化碳转化为碳水化合物和氧气的化学过程。在燃料消耗和二氧化碳含量的背景下，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的研究重点。人工光合作用成本低，大大减少了化石燃料的使用和需求。
九、社会领域的重大创新突破(激进的社会创新突破)
88.合作创新空间。
转移知识和创新的新形式正在出现。通常是一群技术娴熟的技术人员聚集在一起，称为“创客空间”、“黑客空间”或者“创新实验室”，大家可以在这里交流分享。协同创新空间可以出现在任何地方，包括学校、图书馆和社区中心。不同的地方提供不同的资源，从3D打印机到合成生物学。十年来，创客空间风靡全球，用户举报活跃空间近1400个，是2006年的14倍。在东京，创客文化与该市3D打印和数字制造服务的兴起交织在一起。在美国，尤其是图书馆，通过将它们转变为创客空间，强化了它们作为社区中心的作用。
89.游戏化(游戏化)
游戏化是在非游戏背景下，应用游戏设计元素和游戏原理，提高用户参与、组织、学习、众包、招募和评价。越来越多的年轻人玩虚拟游戏并习惯了这种训练，越来越多的公司开始了游戏化项目。学习游戏已经在企业中得到应用，企业对学习游戏的投入越来越大。在线学习也部分采用基于游戏的学习形式。汗学院是一个教育非营利组织，由孟加拉裔美国人萨尔曼·汗创立。其主要目的是利用网络电影进行免费授课。目前已有数学、历史、金融、物理、化学、生物、天文等学科的教学片2000多部。它的使命是加快所有年龄段学生的学习速度。目前， 在美国已经有一个特定的联盟用游戏来促进健康。成年人和儿童的体育活动率急剧下降，游戏公司支持全国性的体育教育活动。这波浪潮始于WII Fit游戏，它通过使用智能手表、手环或手机来监测健康数据。
90.基于访问/共享的经济。
互联网的兴起从根本上降低了合作的成本。在线社交网络的使用极大地促进了分享信息和数字产品的意愿，音乐和书籍等越来越多商品的数字化扩大了分享的可能性。
分享是一种互利的社会行为，有助于扩大享受共享资源利益的圈子。互联网使得分享新的实践成为可能。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:多元化的信息守门人。
通过社交媒体，人们不仅可以分享，还可以操纵、转换和生成视频博客和在线直播等数字内容。哲学家劳伦斯·莱辛称之为“读/写文化”而非“只读文化”，即信息或产品由“专业”来源提供给被动的消费者。
公共话语具有越来越矛盾的信息特征，“真理”越来越有争议，对信息的信任正在被侵蚀。在互联网上，故事以创新的方式被无休止地复制、改变、混合、回收和重组。由于知识产权之争，音乐行业受损严重，传媒、娱乐、教育等其他行业正在发生快速变化。
92.重塑教育。
获取新知识的结构在制度层面发生了变化。提供培训和学习新平台和方法的参与者数量呈指数级增长，而且不再局限于正规教育机构。参与教育活动的参与者越来越多样化，这为人们在人生的不同时期提供了许多新的培训和再培训机会。越来越多的技术和软件公司正在创建实践培训平台。
93.自我量化(身体2.0和量化的自我)
自我量化是通过收集日常生活各方面的数据，鼓励用户更好地了解自己。早期的概念是人本计算，可以追溯到20世纪70年代。当时已经有了通过可穿戴传感器对人体行为和生理信息的研究。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传感器对人体进行永久监测，以及对个人身体功能的几乎医疗监测。
94.无车城市
目前，至少有七个汽车依存度较高的大城市开始实施无车日，越来越多的城市开始在一些街区淘汰汽车，如成都、哥本哈根、汉堡、赫尔辛基、马德里、米兰和巴黎。无车城市主要依靠公共交通，步行或骑自行车在市区内运输。无车城市大大减少了对石油、空气污染、温室气体排放、车祸、噪音污染和交通拥堵的依赖。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颁布了新的法律来加速这一趋势。
95.新的记者网络。
记者为了特定的目标一起工作，揭示新闻的真相，为各种全球事件寻找证据。他们在全球范围内与报社记者或自由职业者合作。新记者网节约资源，采用新的方式传播消息，寻找证据。
96.当地美食圈。
食品圈的工作重点是促进安全和本地种植的食品消费，这将鼓励可持续农业，帮助农民和发展农村地区。这意味着我们必须彻底改变我们参与种植和消费食物的方式。
全球工业化的食品体系引起了人们对食品安全、健康以及社会和生态可持续性的关注。在美国和欧洲，地区支持的农业项目正在蓬勃发展，食品消费者可以直接与农民建立联系，并在农贸市场购买产品。
97.拥有和共享健康数据。
大型数据库由不同的机构、公司和组织托管，其数据具有不同的聚合规模。在瑞士，新的数据所有权模式是以合作的形式组织的。个人健康数据变得越来越有价值。在保证数据安全的前提下，可以用于研究，个人可以通过提供数据直接受益。
98.替代货币。
替代货币可以是数字(通常称为加密货币)或非数字货币。随着信用卡和加密货币的使用越来越多，全球越来越多的无现金交易被用于支付任何类型的服务或产品。金融交易是通过双方之间的信息传递(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。交易的计算可以用加密货币进行。欧洲和其他一些国家正在讨论是否放弃现金交易。
99.基本收入
保证最低收入或“基本收入”是一种社会福利制度，旨在确保公民或家庭能够有足够的生活收入。基本收入是指政府为所有公民提供相同的收入，以满足人们的基本生活条件。有了基本收入，人们可以投资科学、医疗、教育等领域。在芬兰，公民无论就业与否，都能获得基本收入。这项为期两年的计划将为2000名年龄在25岁至58岁之间的失业公民提供每月560欧元(581.48美元)的基本收入。
100.生命缓存
生活缓存是指收集、存储和展示一个人生活的全部细节，供私人使用或供朋友、家人甚至全世界阅读。数百万人正在数字化索引他们的思想、情感、图片和视频剪辑；他们大多以新的方式上网，并在日常生活中公开虚拟缓存。生活缓存的主要目的是保存记忆。
