面向未来的100项颠覆性创新技术！欧盟重磅报告

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编者按：

在研发和创新相关政策规划时，及时了解掌握能够对全球科技和经济发展具有重大影响的技术突破显得尤为重要。欧盟委员会（EUROPEAN COMMISSION）发布《面向未来的100项重大创新突破》（100 Radical Innovation Breakthroughs for the future）报告，为所有关心科学、技术和创新决策的人们提供了战略资源。该报告通过对最新科学技术文献的大规模文本挖掘，结合专家的咨询评论，筛选了100项可能对全球经济产生重大影响的颠覆性技术，为欧盟未来研究与创新政策的可能优先事项提供参考。本文就其主要内容进行摘编。

一、人工智能和机器人（Artificial Intelligence and Robots）

二、人机交互和仿生（Human - Machine Interaction & Biomimetics）

三、电子与计算机（Electronics & Computing）

36. 量子密码学（Quantum Cryptography）

无论服务于个人通信、电子商务或网上银行交易，通过互联网交换的机密信息都必须受到保护，防止通过加密、使用称为密钥的数字密码进行黑客攻击。量子密钥分配位于量子密码学的核心，它使用量子粒子（电子、光子）安全地建立双方之间的共享密钥。量子密钥分配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。因此，总是有可能检测量子粒子是否已经被观察到，表明安全漏洞。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密钥为止。 

2017年9月，科学家们实现了一个技术里程碑，他们演示了在北京和维也纳之间举行的世界上第一次使用量子加密的洲际视频会议。由于技术原因，此前量子通信仅限于几百公里，但2016年发射的中国卫星“墨子”号打破了这个限制。上海和与其相距2000公里以外的区域之间都配备了光纤通信设备，与地面500公里以上的轨道进行通信，这项基础设施是世界上第一个天地量子网络。中国量子技术处于全球领先，目标在2030年建立全球量子网络。未来尽管对量子技术的应用仍然受到限制，但量子密钥很可能会用于保护极其敏感和关键的数据。

37. 自旋电子学（Spintronics）

自旋电子学是一个新的研究领域，研究电子自旋对导电的影响。传统的电子设备基于在电路周围分流电子，自旋电流是电流的自旋电子学等效物，与电流不同的是，自旋可以在静止电子之间转移，它们可以在没有实际移动的电子的情况下流动，自旋电子学包括“研究电子（更一般地说是核）自旋在固态物理中所起的作用”。

电子自旋可用于电、光、声音、震动和热的能量之间的转换。这种在不同能量形式之间切换的能力可以适用于各种各样的设备，自旋电子学的一个潜在应用是允许声音向一个方向流动而不是相反方向流动的音频设备。

四、生物交叉学科（Biohybrids）

38. 生物降解的传感器（Biodegradable Sensors）

生物降解电子器件是一种寿命有限的电子元件，可通过水解或生化发生反应。这种装置可作为医疗植入物，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。可降解电子产品可以使设备更智能，例如温度或化学监测。

目前，电子产品的预期寿命可能只有几个月，废弃电子产品对生态产生的影响令人担忧，使用生物降解或有机电子材料可以解决该问题。这种材料为可完全生物降解、生物相容性/生物可代谢性的电子产品开辟道路，这些设备可能会在其生命周期结束时溶解，一方面这将抑制电子垃圾的产生，另一方面使医疗植入物的开发成为可能。

五、生物医学（Biomedicine）

六、印刷与材料（Printing & Materials）

56．2D材料（2D Materials）

2D材料由原子级薄层材料组成。目前的研究主要集中在由不同的2D材料层所构成异质结性质，以及它们在光伏、半导体、集光器件和后硅电子等领域的应用。通过了解2D材料异质结构，发挥半导体结构的能力，为纳米电路和可穿戴设备的开发铺平了道路。2D磁体可以解决最令人难以置信的科学问题，开启超薄型计算机的时代，此外2D材料在传感和数据存储方面也具有潜在的应用前景。

七、突破资源边界的技术（Breaking Resource Boundaries）

64．生物塑料（Bioplastic）

生物塑料指以淀粉等天然物质为基础在微生物作用下生成的塑料。它具有可再生性特性，因此十分环保。这些包括玉米、大米、马铃薯、棕榈纤维、木薯、小麦纤维、木质纤维素和甘蔗渣。根据其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。生物塑料用于食品和饮料包装、医疗保健、纺织、农业、汽车或电子等不同行业。生物塑料的主要优点是它们留下的能源足迹更小，产生的污染也更少。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，以及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利用大豆蛋白开发了生物塑料，这种生物塑料可生物降解且环保，可吸收自身重量40倍的水。该研究团队修改了大豆的分子结构，从而改变了吸收特性，使其保留的水分比平时多三倍。通过将蛋白质的固体浓缩物注入模具，他们创造了试管，并应用于园艺。由王新龙领导的一组研究人员开发了由可降解生物塑料制成的电子元件。开发的电子产品是由一种叫做聚乳酸 (PLA) 的玉米淀粉衍生的生物塑料制成的，通过将金属有机骨架纳米粒子与这种生物塑料混合，他们成功地开发出机械、电气和阻燃特性的材料，可用于电子产品。

塑料行业正致力于开发利用自然界中发现的天然原料来生产生物塑料的新方法。生物塑料在许多不同领域都有很高的需求，这种材料将有很多新的应用前景。

八、能源（Energy）

76．能量收集（Energy Harvesting）

能量收集是一种利用能量收集器从其周围环境中获取能量的技术。尽管收集能量不大，因为这种小能源所产生的电力比大型设备要少得多，例如太阳能电池板应用于大型热源的热电装置，但捕捉到的能量足以满足大多数无线、遥感、人体植入、射频识别、可穿戴设备的应用。捕捉环境能源的技术包括：设计用于从振动和变形中提取能量的机械装置；从温度变化中提取能量的热装置；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；以及利用生化反应的电化学装置。

有研究人员已经证明从活体动物的心脏中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，该粉末与水结合产生化学反应，产生氢气，而氢气又可用于为燃料电池供电。这种合成材料自发地将水分解成氢。在测试过程中，他们还观察到，当使用尿液作为水源时，化学反应发生的速度是用水的两倍。

高效的能量收集技术可保证各种系统最少的维护，并为周围环境可用的物质提供动力。

81．熔盐反应堆（Molten Salt Reactors）

熔盐反应堆是采用溶有易裂变材料且处于熔融状态下的熔盐作为核燃料的反应堆，它是以非常热的氯化物或氟化物形式存在的熔盐混合物。液态熔盐既可以作为产生热量的燃料，也可以作为将热量输送到发电机的冷却剂。理论上这使得汽水分离再热器的设计比采用固体燃料和水冷却剂的常规核反应堆更简单、更安全。

熔盐反应堆在上世纪50年代和60年代在美国橡树岭国家实验室研发，但到了70年代，由于一些非技术因素的原因被中止。随着材料及零部件技术发展，液态氟化钍反应堆研发复苏，全球包括法国、美国、印度及中国正在开展液态氟化钍反应堆研发设计，尤其是在日本核电事故后，各方的关注热度上升。

熔盐反应堆的支持者称其本质上是安全、可持续和高效的。与传统反应堆不同的是，固态燃料棒的熔化会导致不受控制的裂变，并产生灾难性的影响，熔盐反应堆是按设计熔化的。此外，研究表明，钍基熔盐反应堆技术可以对放射性废物进行热燃烧，从而缓解核储存问题。

中国斥资220亿元人民币在甘肃武威建造两座熔盐核反应堆原型，这些反应堆被设计成熔盐反应堆技术的试验台，目前正在测试中。使用钍作为主要燃料具有经济意义，中国拥有世界上最大的钍元素储量。

在寻求清洁、高效的能源过程中，熔盐反应堆面临可再生能源和聚变反应堆等新兴技术的竞争。

九、社会领域的重大创新突破（Radical Social Innovation Breakthroughs）

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