2023年生物技术前沿科学：一文看尽2023年十大新兴技术

编者按

创新背后的驱力是全球互联的加速,人工智能的崛起,以及物理、数字和生物世界的融合。

世界经济论坛发布的《2023年十大新兴技术》报告（《Top 10 Emerging Technologies of 2023》）揭示了在未来三到五年内将对全球产生深远影响的十大新兴技术，包括：

柔性电池（Flexible batteries）、生成式人工智能（Generative artificial intelligence）、可持续航空燃料（Sustainable aviation fuel）、工程噬菌体（Designer phages）、改善心理健康的元宇宙（Metaverse for mental health）、可穿戴植物传感器（Metaverse for mental health）、空间组学（Spatial omics ）、柔性神经电子学（Flexible neural electronics）、可持续计算（SustAInable computing），人工智能辅助医疗（AI-facilitated healthcare）。

今年报告发布的十大技术，兼具颠覆性、对投资者和研究人员有吸引力，预计能在五年内得到大规模应用。其中，不乏一些你可能从未听闻的技术，或将在未来几年里塑造人类的集体未来。本期前沿洞察，小编梳理并编译了报告精要，以飨读者，一起来看~

编译：智成企业研究院研究员 Chris 配图：世界经济论坛

“当下，我们身处全球社会至关重要的转折点。知识的力量将成为我们在困境中的指导之光。这份全面的报告在揭示突破性科学技术的同时，为领导者们提供了重要的洞见以高效理解并合理运用这些科技进步。”

——Frontiers联合创始人兼首席执行官Kamila Markram

前言：该系列年度报告自2011年首版发布以来，多次成功地预测一些鲜为人知但却具有全球影响力的技术——譬如，在2015年报告中列举的基因工程编辑工具CRISPR-Cas9（能通过DNA剪接技术治疗多种疾病），5年后成为斩获诺贝尔奖的科学技术，现在被应用于全球各地恶劣生长条件下的昆虫培育和抗旱作物。mRNA疫苗在2017年的报告中赢得了一席之地，后来成为了新冠疫苗的基础技术。自从人工智能主导的分子设计进入2018年榜单后，AlphaFold预测了2亿个蛋白质的结构，首批基于人工智能设计的药物已经进入了临床试验。

（正文6158字，阅读时间约12-15分钟）

传统的刚性电池可能很快就会过时，因为由可以弯曲、折叠和拉伸的轻质材料制成的薄型柔性电池即将进入市场。研究称，这种新一代电池技术预计到2027年将达到2.4亿美元的市场价值，并在2022-2027年间以22.79%的复合年增长率加速增长。增长的主要驱力是对可穿戴设备需求的增加，以及电子设备小型化和灵活性的增长趋势。

（译者注：柔性电池是指可以承受弯曲、拉伸、扭曲甚至折叠等形变而性能不变的电池。科学家们在20世纪80年代就开始尝试制作它。然而受制于技术与成本等问题，柔性电池难以实现大面积应用。近年来，随着纳米技术、材料科学和3D打印技术的进步，柔性电池开始逐渐走进大众视野。当前，柔性电池的主要类型有：柔性锂电池、柔性薄膜电池、柔性纤维电池，柔性纸电池等。）

柔性电池在医疗可穿戴设备、生物医学传感器、柔性显示屏和智能手表等领域具有应用前景。由这些电池驱动的健康相关应用程序可以将数据无线传输给医疗保健提供商，以远程监测患者。此外，还需要可以集成到夹克、衬衫或其他服装织物中的柔性电池，从而为新兴的纺织电子产品提供动力，其功能从内置供暖系统到健康监测。目前多家公司正在积极开发并尝试推动柔性电池的商业化，包括：LG化学、三星SDI、苹果、诺基亚、FrontEdgeTechnology、STMicroelectronics、Blue Spark Technologies和Fullriver Battery NewTechnology。这个领域仍有创新的空间，随着技术的发展，更多新参与者可能进入市场。

柔性电池因具备可承受弯曲、拉伸、扭曲甚至折叠等形变而保持性能不变的能力，成为了可穿戴设备的理想选择。随着市场对可穿戴技术的需求持续增长，柔性电池的未来前景十分光明。与所有电池一样，需要克服的一个障碍是它们的安全处置和回收。一言以蔽之，柔性电池技术及其相关行业的革命性进步预计将在未来持续多年。

生成式人工智能是一种功能强大的人工智能，通过学习大规模数据集，使用复杂的算法和学习方法，生成新的原创内容，在2022年底因ChatGPT发布而引起了公众广泛关注。

目前，生成式人工智能已经在文本生成、计算机编程、图像设计、声音合成、药物设计、建筑设计等领域得到应用。此外，NASA的工程师还尝试将其用于航天器开发，实现了约10倍的效率提升。当前，生成式人工智能正在迅速发展，将在教育和研究等多个行业引发颠覆性变革。

最新的发展涉及可以做出重要决策或采取重大行动的自主AI系统。例如，AutoGPT是一个使用GPT-4语言模型的自主AI应用程序。AutoGPT可以通过将目标划分为更小的子任务，并使用互联网搜索或TTS（从文本到语音）等工具来自动完成用户确定的目标。生成式人工智能技术（特别是自主人工智能技术）已日益融入到人们日常生活的诸多方面，引起公众的广泛关注。

值得注意的是，生成式人工智能还存在伦理、道德、版权等诸多方面的争议，部分高中和大学也已禁止AI进入教学实践环节，需要制定相应的标准以减轻危害，并确保技术进步与负责任的使用相平衡。

航空业每年产生全球2%至3%的碳排放。如果仍按现在的方式发展下去，航空业在2022～2050年间将会排放3900亿吨二氧化碳。和汽车产业如火如荼的变革（注：汽车行业有电动、氢燃料、甲烷等多种方式）不一样的是，更换飞机不仅成本高昂，而且电力和氢燃料都不适合用于长途飞行（注：出于安全性考虑，长途飞行需要更高能量密度的燃料），在减排上面临着重重困境。

近年来，出现了一种可持续和可重复获得的商业航空液态燃料正逐渐改变这一现状，这种可持续航空燃料（SAF）由生物燃料（如生物质）和非生物燃料（如二氧化碳）资源生产。数据显示，航空发动机将传统燃料换成SAF后，因燃料燃烧产生的二氧化碳排放可减少80%。因此，推动SAF使用是实现航空业减排的重要解决方案之一。

目前可持续航空燃料的需求只占航空业中很小的一部分，到2040年这个比例必须增加到13%～15%，航空业才有可能在2050年实现净零排放。可喜的是，生产可持续航空燃料的能力正在稳步提升，据估计2022年产量达到至少3亿升，几乎是2021年的三倍。

美国材料测试协会已经批准了9种可持续航空燃料（SAFs），可以与传统石油基喷气燃料按比例混合，比例可高达50%。在过去的几年里，又有7个SAFs获得批准，其他令人兴奋的解决方案仍在积极开发中。其中一个例子是利用工程细菌作为燃料来完善可持续航空燃料的能源组合。

人体内的微生物数量远远超过自身细胞的数量，并对人类身心健康都产生了深远影响。噬菌体在人体微生态中是一种特殊的存在，它们选择性感染细菌，将遗传物质注入其中，并疯狂复制使细菌裂解和死亡。

当下，科学家已经可以对噬菌体进行重编程，使其能够去感染特定的有害菌，在治疗大肠杆菌引发的溶血性尿毒综合征（HUS）等疾病中已得到应用，甚至已经进入畜牧业、农业和食品生产加工运输环节（噬菌体被设计为饲料补充剂，以促进牲畜的生长，包括还能够治疗某些植物疾病，以及消除食品供应链中的危险细菌）。但这些还只是刚刚开始，许多生命科学公司也在开发针对耐药菌的工程噬菌体，不少已进入临床试验阶段。

工程噬菌体疗法颇有前景的早期结果，正在吸引大量风险投资，这将有助于促进工程噬菌体的临床测试。工程噬菌体的潜在应用是多元化的，不仅可以用于对抗耐抗生素细菌，同理还可以降低某些细菌的致病性。

展望未来，基于噬菌体的疗法（涉及天然噬菌体和工程噬菌体）将会持续出现，成为工程微生物组的强大方法，从而提高人类、动物和植物的健康水平。

研究显示，过多的屏幕使用时间和社交媒体会降低人类的心理健康水平，但对个体来说，倘若使用得当，它们也能帮助人们提高幸福感。针对不断加重的心理健康危机，一些公司打造了共享虚拟空间，希望通过元宇宙的形式，改善人们的心理健康情况。

欧洲多家公司正在尝试用电子游戏治疗抑郁和焦虑，甚至还创造了一些正念元宇宙，希望通过虚拟现实技术实现的冥想引导正念并提高使用者的幸福感，继而改善心理健康状态。未来，这项技术也有望和下一代可穿戴设备相结合，对用户的触摸和情绪状态做出反应，以实现更加优良的性能。

图源：世界经济论坛《Top 10 Emerging Technologies of 2023》

联合国粮农组织认为，如果要养活全球人口，到2050年粮食产量需要增长70%。但目前绝大多数地区的种植方法仍比较粗犷，不利于提高种植的效率。农业方面的技术创新将是改善世界粮食安全的关键一步。

传统上监测大型农场依赖人工土壤测试和视觉观察，而无人机和卫星在这方面已经带来了革命性的变化。如今，我们有了新一代的植物传感器。这些小型的、无侵入性的设备可以“佩戴”在每株植物上，并持续监测温度、湿度、湿度和营养水平。来自植物传感器的数据可以帮助优化产量，减少水资源、化肥以及杀虫剂的使用，并能够检测植株疾病的早期迹象。

Growvera和Phytech这两家公司分别开发了微型针状传感器，可以插入植物的叶片或茎部，测量电阻变化。数据通过无线传输到计算机或移动设备，进行分析以获取有关植物健康的建议。

可穿戴植物传感器在智能农业方******有巨大的潜力。但是，目前这项技术还存在诸多挑战，例如传感器的价格仍然很高，对农民的专业技能水平要求也很高，另外其对植物生长发育的长期影响也需要观察和研究。如果能够克服这些问题，可穿戴植物传感器可大大改善植物健康状况并提高产量。

人体大约由37万亿个细胞构成，每个细胞在我们生命活动中都发挥了重要的作用，但不同时期它们到底在做什么，在过去很长一段时间里人类对此知之甚少。

今天通过华大生命科学研究院院长徐讯团队牵头研发的、被誉为“超广角百亿像素生命照相机”的时空组学技术，能够绘制新一代分子水平的时空图谱，详细描述发生在人类和其他物种中的生命过程。

通过将先进的成像技术与DNA测序的特异性相结合，空间组学可以让科学家在细胞内的分子水平上“观察”生物过程。通过揭示以前无法观察到的生物结构和事件，这项强大的新技术将加速我们对生物学的理解，并帮助研究人员开发复杂疾病的新治疗方法。

图源：世界经济论坛《Top 10 Emerging Technologies of 2023》

科学家已经通过它揭示了小鼠胚胎发育、蝾螈脑再生等过程，并有望在肿瘤治疗、阿尔茨海默病、类风湿性关节炎等疾病的治疗和研究中发挥作用。同时，传染病也可以利用空间组学进行研究。

时空组学正在成为一种标准化和广泛使用的技术，也将彻底改变人们对生命的理解，这一技术的市场需求非常迫切。据估计，2021年时空组学的市场规模已经达到2.32亿元，2030年预计达到5.87亿元。

脑机接口技术（Brain-Machine Interface，BMI）也是近年来人类科技变革的重要热点之一，它能捕捉大脑信号，并转换成计算机可以理解和执行的指令，这让用思想控制机器、治疗瘫痪等成为可能，激发了人们无穷的想象力。

脑机接口能让大脑与外部计算机直接进行通信，在医学和神经科学领域将有潜力改变人类健康状况，如癫痫、抑郁症或瘫痪的治疗。迄今为止，这项技术基于刚性电子器件，并受限于与脑组织在机械和几何上不匹配等问题。当前，许多体内植入物都是由硬质材料做成的，它们不能弯曲，无法适应柔软的身体，还可能会带来疤痕，引起明显的不适。如果不做成侵入式的设备，把电极贴在颅骨外面，收到的信号就像是听戴着******的人讲话。

图源：世界经济论坛《Top 10 Emerging Technologies of 2023》

研究人员最近开发出了柔软、灵活、生物相容性更好的脑机接口电路，可以减小创口，这意味着患者可以获得更少侵入性且更舒适的体验。而美国食品药品监督管理局（FDA）已经批准相关技术开展临床试验，未来如心脏起搏器等也可以尝试使用相关的技术。这项技术还在蓬勃发展，但和其他新兴技术一样，也存在广泛的伦理问题，特别是脑电数据如何使用和分析，需要拥有更加清晰的规范。

即时通信、短视频、搜索等工具已经深深的融入我们的日常生活，其带来的数据量也水涨船高，当前的数据中心消耗全球发电量的比重约为1%，这一占比还会随着数据服务需求的攀升而进一步提升。尽管人们还未找到解决问题的灵丹妙药，但这一问题会在未来十年取得重大进步，随着新兴技术以创新的方式整合发展，多种技术相互交织，使零能耗数据中心成为可能。

当前，一些新的技术正在催生净零能源的数据中心，比如新的液冷方式、余热供暖、智能能耗管理系统、模块化数据中心等。如果上述方法能和新的发电、存储与管理技术相结合，或将带来新一轮创新和投资浪潮。

在重大公共卫生突发事件面前，人类重新认识了资源分配环节存在的问题，特别是医疗系统上很多的延误，往往不是因为缺乏带来的，而是由于设施的利用不足引起的。如果能将人工智能技术应用到医疗保健系统中，将大大优化资源分配、减少患者等待时间。

从诊断到药物设计，人工智能被广泛誉为改善医疗的推动者。人工智能技术在发展中国家有着广阔的应用前景，并有着初步的应用，比如有14亿人口、基础设施不完善、专业医师资源较少的印度，已经在政府的推动下，让身处偏远地区的群体在隐私保障下获得了人工智能辅助医疗带来的好处。

此外，任何一个管理着大量人口健康与福利的系统，必须在精心制定的法律和道德框架范围内运作，随着技术的普及和应用，这些问题将逐个被解决。基于人工智能的医疗保健解决方案将在未来三到五年内变得更加普遍，从而为人类健康带来巨大的好处。

直面新一轮科技革命和产业变革前所未有的机遇，将科学技术转化为发展动力，以科技创新解答人类发展难题，已成为世界各国共同的追求。随着全球互联加速,人工智能的崛起，以及物理、数字和生物世界的融合，未来已来。

编译：智成企业研究院研究员 Chris

配图：世界经济论坛