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科技創意

10大科技創意助脫碳

2022-01-01 新興科技評選委員會、繪圖/布蘭奇(Vanessa Branchi)
氣候變遷已是全球首要挑戰,Scientific American與專家遴選出 加速脫碳、兼顧節能與人類健康的重要科技。

重點提要

  1. 「夥伴關係」是全球永續發展的重要目標之一。世界各國力求脫碳,許多新興科技都聚焦於此。
  2. 全球新冠肺炎疫情使即時疾病檢測與遠距醫療需求遽增,成為醫療應用新科技的發展趨勢。


我們居住的地球正面臨緩解氣候變遷、減少能源消耗、增進全球健康等重大挑戰。這些挑戰大多彼此相關,解決方案也有所關聯。因此聯合國把「夥伴關係」(Partnership)列為第17項永續發展目標(Sustainable Development Goal)。


Scientific American與世界經濟論壇(World Economic Forum)合作的第10屆10大新興科技中,這種關聯十分重要,當各國政府和經濟產業正著手加速脫碳(decarbonization)之際,許多新興技術一一出現在我們眼前,包括低碳運輸、住宅及商用基礎設施以及工業化製程。「綠氨」和能自行製造肥料的基因工程作物這兩項科技將提升農業永續性。而在偏遠地區,以當地土壤當原料的3D列印將能以更少的能源建造更堅固的房屋。


健康是所有人關注的話題,所以本期的10大新興科技特別提及偵測新冠病毒和其他疾病的呼吸感測器,以及讓我們更容易監測慢性病的無線生物標記檢測器。基因組學領域的新研究成果有助於延長健康長壽(healthspan)、按需製藥可訂做個人專屬藥物,同時協助解決大規模產製藥物所面臨的問題。


構成物聯網的新裝置正迅速增加,以隨時得知即時狀況。這些裝置將透過繞行地球的奈米衛星彼此連結,同時由無線網路訊號取得電力,未來世界彼此的連結將更加緊密。

──迪克里斯汀納(Mariette DiChristina)、 邁爾森(Bernard S. Meyerson)


氣候變遷

脫碳技術當紅

全球積極因應席捲氣候變遷,將促成新科技誕生。

邁爾森(Bernard S. Meyerson)

100多年前,首度有科學家主張二氧化碳可能使大量的熱積聚在大氣中;幾十年前,氣候變遷這個詞成為日常用語;現在,世界各國和經濟產業持續提出新承諾,宣示將縮減碳足跡。2021年,位居全世界排碳量第二名的美國,承諾將在2030年降低排碳量至2005年的50%;英國則宣佈更積極的目標:2030年排碳量比1990年減少68%。

歐洲議會剛通過法案,規定歐盟各國2030年的排碳量至少必須比1990年減少55%。儘管石油和航空等產業較為抗拒,但2015年以來,加入科學減碳目標(Science-Based Target)計畫的企業比率已提高到兩倍。這項計畫的目標是協助企業減少排碳以遵守巴黎氣候協定。通用汽車、福斯汽車和其他汽車大廠也在近一年內訂定積極的減碳目標。

這些積極承諾以及隨之而來的挑戰,在在凸顯出全世界對脫碳的急迫程度。它將促使各式各樣的科技問世,在未來3~5年內展現出大規模運作的潛力。為了實現這個目標,已經提出的解決方案必須加速發展及擴大規模。全球現有科技的不足之處需持續突破,我們預期有幾大領域將獲關注並有重大發展.......


農業

固氮自肥的作物

植物利用根部固氮取代施灑肥料。

韋伯(Wilfried Weber)、 拉堤(Carlo Ratti)(Bernard S. Meyerson)

為供應全球不斷增長的人口所需的糧食,我們高度依賴含氮的工業肥料。根據聯合國糧食及農業組織的報告,要維持全球作物生產每年約需1億1000萬公噸的氮。氮肥料的生產是轉化空氣中的氮做為植物可利用的氮,透過這種轉換而生產的肥料支持全球約50%的糧食生產,約是全球初級能源需求的1%,但它也是一項能源密集的製程:約佔全球排碳量的1~2%。此外,這種工業肥料對許多國家的小農來說過於昂貴,以致其產量大幅下降並對自然土地徒增壓力。

為發展解決之道,研究人員從大自然製造氮肥的方法中尋思靈感。玉米及其他穀物等主要糧食作物,必須依賴土壤中的無機氮,豆科植物例如大豆則有一套自行施肥的聰明辦法。豆科植物的根與土壤細菌發生交互作用,讓細菌在根部長成群落並形成稱為根瘤的共生器官,其中植物提供糖份供養細菌,並相對受益於細菌的固氮能力(把大氣中的氮轉化為氨)。因此,豆科植物透過與土壤細菌在演化上的古老共生關係,得以不必倚賴現代的氮肥。

研究人員證明,根瘤(天然肥料工廠)的形成涉及土壤細菌與豆科植物根部之間密切的分子溝通。這些相關知識啟發了把固氮工程轉移到非豆科植物的新做法,如今已有令人振奮成果。例如,科學家正嘗試誘使穀物根部與固氮細菌進行共生性的交互作用。研究人員模擬豆科植物與細菌之間的分子溝通,並引導細菌在植物根部形成群落......


生物化學

檢測氣息以診斷疾病

吹氣遠比抽血更簡便。

詹德拉瓦地(Rona Chandrawati)、赫塔多(Daniel E. Hurtado)

若路上駕駛有酒駕嫌疑,警察可利用呼吸氣息分析儀(一種測量血液酒精含量的手持裝置)進行檢測,疾病的檢測方式是否也可比照?

答案是肯定的,人體呼出的氣息含800多種化合物,新近發現顯示,特定化合物的濃度與各種疾病的病理相關性很強。例如,呼吸氣息中丙酮濃度顯著升高,是糖尿病發病的強力指標;呼出一氧化氮濃度偏高,與細胞發炎相關,可做為呼吸道疾病的生化指標;而醛類化合物偏高,與肺癌密切相關。

當受測者對著採樣器吹氣時,氣息進入呼吸感測器(通常是靠金屬氧化物半導體的電阻變化來檢測),電腦軟體隨即進行分析,幾分鐘內就能得到氣息化合物的成份報告。除了比抽血更快產生結果報告,以檢測氣息來蒐集關鍵健康資訊,更是一種非侵入式做法,能簡化醫療診斷過程。呼吸感測器的用法簡單,攜帶方便且具成本效益,讓醫療資源有限的低收入國家能提供另一種醫療保健。這些設備也可能有助於降低病毒在社區的傳播,如同人們進入超市或餐館等公共室內空間前測量體溫一樣......


生化工程

即時產製你的專屬藥物

依照個人需求即時產製藥物。

歐戴(Elizabeth O'Day)、 歐魯(Mine Orlu)(Bernard S. Meyerson)

如果你去附近藥局時,藥劑師能按照確切劑量及處方,為你訂製用藥,而不是從預先製成的藥品配製你的處方,近期按需製藥方面的進展使上述情況可能成真。量產藥物動輒需用數百公噸材料,其挑戰在於必須確保品質和供應可靠度的一致性。

而從藥物產製地運送到販售處,可能需要數個月。相較之下,按需客製藥物(或稱連續流藥物製程)可一次性完成藥物生產,原理是讓藥物成份經由管子流入一連串小型反應室,在單一地點依照需求來產製藥物。

2016年,美國麻省理工學院(MIT)的研究人員與美國國防高等研究計畫署(DARPA)合作,首次驗證按需製藥的可行性。他們製造了一台冰箱大小的機器,使用連續流來製造四種常見藥物:用於緩解過敏症狀的鹽酸二苯胺、治療焦慮及肌肉痙攣的二氮平、抗憂鬱藥氟西汀,以及局部麻醉劑利多卡因,在24小時內產製每種藥物各1000劑......


能源

用無線網路傳輸電力

Wi-Fi與第五代行動通訊的訊號將可為物聯網裝置供電。

康斯坦丁(Joseph Costantine)

構成物聯網(IoT)的無線裝置是高度網路化世界的重要骨幹,這些裝置包括家中的電器、具有生物醫療用途的穿戴式裝置,以及裝設在危險又難以到達地點的感測器等。IoT規模逐漸擴大之後,我們或許能開發出水和殺蟲劑用量更少的農作方法、效率更高的智慧電網、監測可能導致橋樑或混凝土建築損壞的瑕疵感測器,以及偵測土石流和地震這類重大災害的預警感測器等。

2025年時,IoT裝置預估將達到400億個,為這些裝置提供方便即時的電力將是越來越急迫的挑戰。目前正在研究的解決方案試圖利用Wi-Fi路由器和基地台發射的無線訊號,剛問世的第五代行動通訊(5G)技術將使無線電力傳輸更上一層樓。在5G技術中,美國聯邦通訊委員會(FCC)首度允許行動電話訊號使用更高頻率的毫米波電磁頻譜(但對人體仍屬安全)......


基因組學

老當益壯不是夢

基因組學的新見解啟發延壽的可能性。

韋伯(Wilfried Weber)、 多瑞斯瓦米(P. Murali Doraiswamy)

根據世界衛生組織(WHO)的資料,全球60歲以上人口比率將從2015年的12%增加到2050年的22%,這對醫療及社會體系都造成巨大挑戰,失智、癌症、第二型糖尿病及動脈硬化等慢性病都與老化有關,人類懷抱逆轉老化或尋找「長生不老藥」的心願由來已久,科學家探索老化的分子機制,可望幫助人類長壽又健康。拜「組學」(omics)技術的出現及進步之賜,科學家得以同時量化所有基因的活性或細胞中所有蛋白質及代謝物的濃度,加上外遺傳學研究提供了新的見解,這些關鍵機制的輪廓現已變得更清晰。令人振奮的例子之一是,涉及了特定外遺傳標記或代謝化合物的組合,可做為生物年齡的指標。

這些標記也是預測老人各種疾病及隨之而來的死亡風險有力的指標。生物細胞遺傳訊息的定序技術最新的進展顯示,基因突變數量隨老化過程增加;身體對這類突變的修復可能在DNA上留下與老化相關的痕跡,成為另一類型的生物標記。DNA損傷還與驅使細胞老化(意味細胞不能再分裂),或耗損對細胞及組織更新相當重要的幹細胞有關。

近年來人類對老化機制的了解已逐漸增加,因而推動了標靶治療的發展。例如,最近的一項初步臨床研究顯示,服用包括人類生長激素在內的雞尾酒藥物長達一年,可使「生物時鐘」倒轉1.5年。同樣地,研究人員以齧齒動物模型成功證明,針對三個與壽命有關的基因進行基因療法,可改善或逆轉四種常見的老化相關疾病。科學家還發現把年輕人血液中的一些蛋白質注入老年小鼠體內,能使小鼠隨年齡衰退的一些腦功能生物標記獲得改善,這項研究顯示,人類有可能透過治療來逆轉與老化有關的認知功能退化......


化學

綠氨

減少生產肥料的碳足跡。

馬蒂內茲(Javier Garcia Martinez)、佛塞特(Sarah E. Fawcett)

使氨的合成達到工業規模的哈柏包希法(Haber-Bosch process),可說是20世紀最重要的發明之一,以這種方式合成的氨所製成的肥料,支持了全球50%的糧食生產,成為全球糧食安全的關鍵。然而,氨的合成是一種能源密集的化學製程,在用氫來固定氮時,需要催化劑的幫忙。氮氣是空氣中的主要組成分子,但氫氣必須靠合成來生產,目前仍使用化石燃料製備:把天然氣、煤或石油暴露於高溫蒸汽中以產生氫氣。這個過程產生了大量的二氧化碳,佔全球總排碳量的1~2%。使用再生能源來電解水所產生的綠氫,不但減少了上述過程中的排碳量,最終產物也明顯更為純淨,沒有傳統化石燃料製程中摻入的化學物質,例如含有硫及砷的化合物,它們會「毒害」催化劑,使反應效率降低。

更潔淨的氫氣也意味可開發出更優質的催化劑,因為它們不再受化石燃料中有毒化學物質的影響。事實上,一些公司例如丹麥的托普索(Haldor Topsoe)公司,已宣佈開發出源自完全再生資源的新型催化劑,用於綠氨的生產。西班牙化肥生產商費爾貝利亞正與伊倍爾佐拉再生能源公司合作,大幅擴增綠色製氨計畫,2021年開始啟用一座2000萬瓦試營運工廠,預計到2027年達到八億瓦規模的太陽能電解製氫。這項投資估計將達18億歐元,預計每年可提供4000個工作機會,並減少40萬公噸、約當於六萬輛汽車的碳排量......


生物資訊

無線裝置監測慢性病

用非侵入性方式檢測生物標記。

康斯坦丁(Joseph Costantine)

針頭人人不愛,但糖尿病及癌症等慢性病需頻繁檢測血液,以識別並監測特定生物標記。目前已有100多家公司正著手開發可攜式及穿戴式的無線感測器,預計很快就能應用於長期監測這些重要醫療資訊。這些感測器應用多種方法來檢測汗液、眼淚、尿液或血液中的生物標記,有些運用光或低功率電磁輻射(類似手機或智慧手錶),結合天線及電子設備來探測組織內部。有些感測器則使用穿戴式、可彎折、貼在皮膚上的電子感測器,偵測電流、電壓或電化學濃度的變化,以檢測特定生物標記......


氣候變遷

用當地材料列印房屋

推行零廢棄或循環的建築方式。

邁爾森(Bernard S. Meyerson)

兒童疫苗或眼科雷射手術等科技大幅提高工業化國家許多人的生活品質,但在開發中國家的影響往往較為受限或晚了許多。然而根據聯合國估計,以3D列印機建造房屋將有助於解決全世界16億人口缺乏房屋的問題。

3D列印房屋的概念其實不算新穎。美國有幾家公司已經在紐約州長島和德州奧斯丁以3D列印方式建造房屋,而且成果相當不錯。把混凝土和沙、塑膠與黏結劑的各種混合物運到工地,送入巨大3D列印機後產出成果。3D列印相當簡單、成本又低,很適合用於紓解偏遠貧窮地區的房屋荒,但基礎建設不足、材料運輸困難,使這種方法不容易普及。

近年來,多家公司從登上火星的計畫獲得啟發。在火星上需要原料時,唯一的選擇就是當地物資。在義大利小鎮馬薩倫巴達,由馬里奧庫奇內拉建築事務所設計的原型機以當地黏土列印建造房屋的組件,大幅降低建造的複雜程度、成本和能源消耗。土壤與大麻纖維和水黏結劑混合,再由義大利3D列印公司WASP一層層列印出複雜的形狀和表面,用來建造住宅。比起從外地運來工地的物資,使用當地材料通常能減少95%之多......


太空科技

從太空與全球連線

從物聯網轉變成太空物聯網。

南達庫瑪(Rajalakshmi Nandakumar)

要擴大物聯網(IoT)在通訊和自動化方面的效益,IoT裝置必須遍佈全球大量蒐集資料。不過其中有個問題:行動電話網路涵蓋範圍不到全球的一半,全世界仍有十分廣闊的無網路區域。太空中的物聯網系統將可借助奈米衛星涵蓋這些區域。這類衛星成本低、重量極輕(不到10公斤),在地球上空數百公里的軌道繞行地球運行。太空探索科技公司的星鏈,以及一網通訊(One-Web)、亞馬遜和電星等公司已經採用奈米衛星來達成全球網際網路連線的目標。

不久後,將可透過地面上以電池供電的小型IoT裝置與繞行地球的奈米衛星通訊。IoT裝置蒐集的資料(例如定位感測器的位置資料)將透過低功率、低成本的通訊協定傳輸給衛星,這類通訊協定類似長程通訊和訊號微弱時依然能解讀的低功耗廣域網路技術Sigfox。資料接著再傳送到地面接收站,在接收站進行分析.......


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