传感器的创新设计技术：日本EKO 光电传感器 - MS-80 ,MS-80A  ,MS-80M 光电传感器EKO的新一代传感器打破了传统的pyranometer架构的规则。创新专利设计灵感来自于新技术和先进的热电堆传感器，

日本EKO 光电传感器 - MS-80 ,MS-80A  ,MS-80M光电传感器EKO的新一代传感器打破了传统的pyranometer架构的规则。创新专利设计灵感来自于新技术和先进的热电堆传感器，实现了低零偏移行为和快速传感器响应的突破。
日本EKO 光电传感器 MS-80 ,MS-80A  ,MS-80M 描述：
EKO的新一代传感器打破了传统的pyranometer架构的规则。创新专利设计灵感来自于新技术和先进的热电堆传感器，实现了低零偏移行为和快速传感器响应的突破。
具有单圆屋顶的紧凑式传感器对抵消和集成所有增值功能具有免疫功能作为一个通风机，加热器和不同的工业接口。ms - 80a是一个ms - 80，内置4 - 20ma变流器和ms - 80m在MODBUS变流器中与工业输出标准兼容。由于超低温依赖和特殊的非线性特性，变换器在任何环境条件下保证很好的传感器性能。ms- 80 pyranome -在严格的质量检查和性能评估之后，以一致的方式生产。对于每个传感器，测量和验证了方向响应和温度依赖性通过传感器的测量报告。EKO提供了一种独特的校准标准按照ISO /IEC / 9847规定的国际标准。传感器有5年保修5年建议重新校准间隔，不再需要更换干燥剂。
日本EKO 光电传感器 MS-80 ,MS-80A  ,MS-80M 特征：
SO 9060
探测器响应最快
温度系数最低
较小的偏移量A和B
工业传感器输出
5年保修
日本EKO 光电传感器 MS-80 ,MS-80A  ,MS-80M参数：
型号 MS-80 MS-80A   MS-80M
输出 mV 4-20mA   网络通讯协议
ISO 9060分类 二级标准 二级标准 二级标准
响应时间(sec)95% < 0.5 < 1.5 < 1 零点误差 -热辐射(200W/m2) < 1 W/m2   < 1 W/m2 < 1 W/m2 零点误差 -温度变化(5公里/小时) +/- 1 W/m2   +/- 1 W/m2   +/- 1 W/m2   不稳定(变化/ 5年) +/- 0.5% +/- 0.5% +/- 0.5% 非线性(在1000 w / m2) +/- 0.2% +/- 0.2% +/- 0.2% 定向反应(在1000 w / m2) < 10 W/m2   < 10 W/m2   < 10 W/m2   光谱选择性(0.35 - -1.5μm) +/- 3% +/- 3% +/- 3% 温度响应(70°C波段) < 1% < 0.4% < 0.4% 倾斜反应(at 1000W/m2) +/- 0.2% +/- 0.2% +/- 0.2% 灵敏度(μV / W / m2) 大约10   1mA / 100 W/m2   - 阻抗(Ω) 大约45kΩ - - 工作温度范围(°C) 40 to +80   40 to +80   40 to +80   辐照度范围(W/m2)   0 - 4000 0 - 4000 0 - 4000 电缆长度 10m 10m 10m 波长范围（在海里） 285 to 3000 285 to 3000 285 to 3000

传感器的创新设计技术：现代传感器与检测技术群体课程创新实验平台

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1、DICE-CX2型 现代传感器与检测技术群体课程创新实验平台图片供参考，以实物为准。一、概述1 实验平台能满足传感器与检测技术课程群的实验需求，并且具有占用空间小、挂箱设计规范、互换性强，从基本实验到构成完整系统在一台实验装置上便可以全部实现。避免了不同课程需要不同实验装置、占用空间大、难以构成完整系统、不方便实施综合性和设计型实验的麻烦。2 能适应不同专业和不同层次的教学需要，可按不同需求选择不同的配置，并可根据用户的要求增添实验挂箱。3 实验装置能完成传感器与检测技术相关课程实验，通过实验能掌握各种传感器原理、信号处理电路及检测方法。4 传感器部分：包括压力、压电、应变、电容、霍尔、温度、

2、光敏、气敏（酒、C0）、电涡流、光纤位移、长光栅位移、差动变压器、光电耦合等各种常见传感器。5检测部分：利用工业实际中广泛采用的成熟电路完成对各种传感器信号的拾取、转换、 调理、采样、存储、解算、控制及显示等处理电路，实验装置充分考虑抗干扰及可靠性技术的应 用，学生可以学以致用。6通过使用本实验平台，有利于广大学生对书本知识的理解和深化，在完成传感器与检测 技术等一系列基本实验后， 便能掌握传感器与检测技术课程群所要求的基本原理、 操作技能和动 手能力。 若再完成一个或几个综合型实验， 则对系统有一个较为全面的认识， 形成基本的解决实 践问题的知识体系。 如果能进一步完成设计型乃至创新型实验，

3、 则将形成解决实践问题的能力和 积累解决实践问题的经验，进而培养其创新精神和创新能力。二、特点1模块化设计：采用标准的模块化设计，增强系统的结构性和互换性。2总线标准：建立统一的内总线和接口约定，以实现最灵活的个性化配置、扩展和系统管 理。3可更换的核心系统：为适应不同厂家的处理器、不同种类的处理器，通过改变系统核心 卡来实现使用不同家族的单片机或者是不同种类的处理器（如 MCU 、DSP 、ARM） 等来组成系统。4快速连接线设计：提供三种连线方式 采用金质缩紧孔单线接线； 采用排线集中接线； 自动免连线模式接线。各模块在设计时均融入三种连线方式于设计过程。5一机多用：采用实验现场与实验准备

4、室相结合的设计构思，在实验装置上仅配备最常用 的模块， 在实验装置内放置次常用模块， 在实验准备室中放置其他模块。 由此实现了该实验装置 能够实现一机多用、便于扩展和综合的目标。6接近工程实际：实验装置上采用多种工业型传感器，既可以用来完成传感器原理、结构 与调理电路的教学，也可以用解决工业工程和过程中的实际问题。7学以致用：构成实验装置中的智能仪器的各模块，在其设计时充分体现实际系统的抗干 扰设计技术和可靠性设计技术， 其核心卡可作为实际智能仪器的核心单元。 实验装置中信号转换 与信号调理电路采用工业和工程实际中所采用的成熟电路。实验装置中使用的各种数字信号处理方法，采用典型的也是未来实践系

5、统首选的数字信号处理手段，具有很强的工程实用特征。8持续发展：结合单片机、嵌入式单片、FPGA CPLD 、 DSP 及 ARM 知识可以将检测系统或智能仪器提高到更高的层次。9智能仪器仪表设计：结合工程实际给出了一个将常规仪器实现智能化的实例。I 0 虚拟仪器仪表设计：结合数据采集卡设计虚拟仪器仪表。II 研究与创新能力培养： 实验装置中选用的几项综合型实验， 是典型的检测仪表或工业应 用系统的微型化， 既能够使学习者领略检测技术的典型应用和掌握成熟可靠的检测系统的设计技 术，又是培养和发挥学生创新能力、开展创新实验的实验平台。l 2开放式设计：实验装置中的软、硬件及系统均按照全开放的思想进

6、行设计，以便于学生开展研究型和创新型的实验。1 3最小知识单元：为每个模块均可拆分到该知识层次的最小知识单元。三、适用范围实验台主要针对高校大学生课程设计、毕业设计和电子设计竞赛的开发平台，体现了灵活、 开放、创新、综合、跨领域、跨专业的设计理念。其功能扩展模块覆盖了多个专业多门课程，适 合电子类、通信类、自动化类、计算机类、机电类、测控仪器类等专业的学生进行综合、创新设 计。四、结构简介 本装置由控制屏，实验桌、活动挂箱及扩展模块、实验箱组成。实验台美观大方，尺寸可 选；活动挂箱包括 CPU 挂箱、接口挂箱、对象挂箱、 ARM 挂箱、 DSP 挂箱；其功能扩展模块覆 盖了多个专业多门课程，包

7、含 CPU 类、通用接口类、人机界面类、信号变换隔离类、通信类、 执行机构类、传感器类共 40 多项。五、技术指标1输入电源：单相三线 220V ±10 50Hz2. 工作环境：温度 10C+40 C相对湿度85% (25 °C ) 海拔4000m3. 绝缘电阻：大于 3M Q4. 漏电保护：漏电动作电流不大于30mmA ，动作时间不大于 0. 1 秒5. 装置容量： 200VA6. 外形足寸：1620mm x 750mm x 1600mm，以实物为准。六、装置的配备及技术性能 本装置主要由实验控制屏和实验桌两部分组成。(一)实验控制屏1 电源及保护体系(1) 直流稳压电源

8、，每套功能配置如下： 士 5V / IA和士 15V / 1A各两路，一路+24V / IA，均具有短路软截止自动恢复保护功 能； O3OV / 1A连续可调电源一路，具有短路软截止自动恢复保护功能，带数显电压表 切换指示；(2) 实验装置设有漏电保护，控制屏若有漏电现象，漏电流超过一定值，即切断电源，对 人身安全起到一定的保护。2.仪器仪表(1) 信号发生器：Ik10kHz音频信号；I30Hz低频信号。(2) 数字式电压表：量程 020v，分为200mv、2V、20V三档，输入阻抗大，精度高(3) 频率转速表：频率测量范围I  Hz ，转速测量范围 1-9999rpm( 4)高精度

9、温度调节仪：多种输入输出规格，人工智能调节以及参数自整定功能，先进控 制算法，温度控制精度士 0. 5C3传感器由多种传感器和信号调理模块组成（1）转动源部分：转动源、霍尔传感器、光电传感器；应变片称重传感器；可更换的传感 器：差动变压器传感器、电容传感器、涡流传感器、霍尔位移传感器、磁电式传感器、光纤位移 传感器、湿敏传感器、酒精传感器。2）振动源部分：应变片振动台、压电电传感器；3）气体压力传感器部分：气压源、两气压计、气体压力传感器。4）热敏电阻传感器，热电偶传感器，PTl00 铂电阻等。5）（选配模块） 长光栅位移传感器部分：长光栅位移传感器；圆光栅角位移部分：光电 编码器，配多功能智

10、能计数器、环境噪声传感器、光照传感器、色标传感器、红外反射式传感器3实验挂箱及实验模块，挂件尺寸：468*330mm（ 1）控制器单元挂箱：配有 8051 单片机模块、 C8051 嵌入式单片机模块、其他 CPU 外围 单元、译码模块、和常用接口模块。（ 2）信号转换单元挂箱，挂件尺寸：234*330mm配有 8 位并行 AD 模块、 12 位并行 AD 模块、 8 位并行 DA 模块、 12 位并行 DA 模块、 I O 口扩展模块、转换模块 （ 模块 PCB 板尺寸： 176*90mm）（ 3）通信与打印机单元挂箱，挂件尺寸：234*330mm配有 RS232 RS485 通信模块、 US

11、B 通信模块， 网络控制器模块、 CAN 总线模块 （模块 PCB 板尺寸： 176*90mm ） 、打印机放在挂箱底板上（ 4）键盘与显示单元挂箱，挂件尺寸：234*330mm配有显示 （静态显示、动态显示、液晶显示） 模块、 16*16 点阵显示模块、 4X4 键盘模块 （模块PCB 板尺寸： 176*90mm）（ 5）对象控制单元挂箱（一），挂件尺寸：234*330mm配备有开关量输出模块、开关量输入模块、光耦隔离模块、继电器模块 （模块 PCB 板尺寸： 176*90mm）（ 6 ）对象控制单元挂箱（二），挂件尺寸：234*330mm配备有 IC 卡读写模块、 步进电机模块、 直流小电

12、机模块、 语音处理模块、 交通灯模块、 PWM 调制模块 （模块 PCB 板尺寸： 176*90mm）（ 7） ARM9 单元挂箱，挂件尺寸： 468*330mm 配有完成 ARM9 实验的基本模块 （ 核心板 ARM9）（ 8）信号与系统实验挂箱 468*330mm（ 9 ）自控原理与计算机控制挂箱模块（两块：一、468*330mm ；二、 234*330mm ）10）测控电路实验挂箱模块（两块：一、468*330mm ；二、 234*330mm ） 七、实验挂箱具体硬件资源1控制器单元挂箱： 挂箱主要用于插接不同的 CPU 模块。挂箱上包含了 CPU 模块的接口 插座和基本实验电路及系统扩

13、展电路， 可单独完成大部分的基本实验， 挂箱上有三个 （40P 、40P、 20P）扁平电缆接口槽用于和其他挂箱连接。挂箱上的资源如下：（1）8155 接口模块（9）I2C 存储器模块(2) 8255接口模块(3) 8279键盘显示接口模块(4) 8253可编程定时器模块(5) 硬件看门狗电路模块(6) I2C EEROM 模块(7) 8250 模块(8) 8251 模块(10) l2C时钟模块(11) 单次脉冲模块(12) 93C46 串行 EEPROM 模块(13) 红外线收发模块(14) DS18B20数字温度传感器模块(15) 开关量输入模块(16) 关量输出模块控制器单元挂箱支持 C

14、PU模块和译码模块:模块名称功能指标51系列CPU模块支持80C31、80C51，含32K SRAM、64K ROM 组成数据总线、地址总线和控制总线Cygnal51CPU 模块采用美国Cygnal公司的嵌入式单片机C8051F020芯片，含32KSRAM，组成数据总线、地址总线和控制总线译码模块采用LATTICE 公司的ispLSI1016E完成整个系统的译码工作2.信号转换单元挂箱：挂箱上有三个(40P、40P、20P)扁平电缆接口槽用于和控制器单元挂箱信号连接。 挂箱支持的模块：模块名称功能指标8位并行AD模块由AD0809模数转换电路组成 8路8位AD。8位并行DA模块由两只DA083

15、2数模转换电路组成 2路8位DA。12位并行AD模块由AD574模数转换电路组成 12位AD。12位并行DA模块由TLV5613数模转换电路组成 12位DA。I/O扩展模块由两块74LS244芯片扩展成16路并行输入电路。 由两块74LS273芯片扩展成16路并行输岀电路。 用74LS164芯片组成串转并输岀电路。用74LS165芯片组成并转串输入电路。转换模块用LM311实现V/F电路和F/V电路用TLC549芯片组成串行 AD转换电路。用TLC5615芯片组成串行 DA转换电路。3 通信与打印机单元挂箱：挂箱上有三个(40P、40P、20P)扁平电缆接口槽用于和其他挂箱信号连接，打印机装在

16、挂箱的底板上。挂箱支持的模块：模块名称功能指标RS232/RS485/CAN 总线通由MAX232芯片组成 RS232通信电路，MAX485 芯片组成 RS485信模块通信电路。由SJA1000芯片和TJA1050芯片组成 CAN总线电路。USB通信模块由1581芯片组成USB2.0通信模块网络控制器模块采用RTL8019AS芯片4显示与键盘单元挂箱：挂箱上有三个（40P、40P、20P）扁平电缆接口槽用于和其他挂箱信号连接。挂箱支持的模块：模块名称功能指标静态显示模块由74LS164芯片驱动动态显示模块采用8位8段LED数码管。液晶显示模块提供128*64点阵的液晶显示屏CPLD模块采用LA

17、TTICE公司1032芯片4*4行列式键盘公共键盘5、对象挂箱（一）：挂箱上有三个（40P、40P、20P）扁平电缆接口槽用于和其他挂箱信号连接。 挂箱支持的模块：模块名称功能指标继电器模块由两个5V继电器、2个12V继电器和2个24V继电器组成。光耦隔离模块由3个TLP521-4芯片组成12入12岀。LED显示模块用16个LED灯组成逻辑电平测试电路开关量模块用16个按键组成高低电平输岀电路6、对象挂箱（二）：挂箱上有三个（40P、40P、20P）扁平电缆接口槽用于和其他挂箱信号连接。 挂箱支持的模块：模块名称功能指标IC卡读写模块I2C总线实现IC卡的读写及识别直流电机带驱动小直流电机，测

18、速部分由1个霍尔传感器组成步进电机采用四相步进电机，带驱动电路交通灯模块采用16个LED灯和四位数码管组成。语音处理模块米用1730专用语音芯片组成PWM调制模块由324运放芯片组成，用于小直流电机调速7、ARM9单元挂箱（1）CPU模块：（三星S3C2410微处理器，ARM9内核，可稳定运行多种嵌入式实时操作系 统。）内存 SDRAM : 64M。Flash： 8M标准RS232接口 ：采用 MAX3232专用电平转换芯片。以太网接口：采用专用的网络芯片 DM9000 和带有网络变压器的网络接口，支持 100M 以 太网。声卡： AC97 标准 UDA1341 、音频输入、双声道 mic 输

19、出USB 从接口：采用 S3C2410 自带的控制器。USB 从接口：采用 S3C2410 自带的控制器。（2）面板包括资源（标准配置）直流电机、 步进电机、 LED 、8*8LED 点阵， 4 位 8 段数码管， 键盘单元、 A/D 转换单元 （板 载电位器电压输入）、 D/A 转换单元、通用 SD 卡和 SMC 卡接口单元、 IIS 接口、 4.3 寸 TFT 真 彩液晶屏，分辨率 480*272 ，带 4 线电阻式触摸屏； JTAG 接口（ 20 针标准 ARM 仿真接口）， 3 个 RS232 串口，485 通信接口， CAN 通信接口（带光电隔离） ，数字温度传感器 LM75 ，I2

20、C EEPROM 24C16 。（ 4 ）选配模块单元：GPRS 模块、 GSM 模块（可以实现收发短信，打电话等功能）。DSP 扩展模块FPGA 扩展模块射频卡扩展模块ZIGBEE 扩展模块指纹扩展模块USB 摄像头模块ARM 实时仿真器8、DSP CPU 挂箱：采用TI公司的 TMS320VC5416芯片。（1） 、 主CPU（ DICE-5416EVM）模块： 采用TI公司TMS320C5416DSP芯片，该模块上的资 源有。4mbit flash 256k*16bit SRAM 2500 gate CPLD 5416模块上留有 JTAG插口，用户可 以通过仿真器和 CCS下载程序和进行

21、实验；（2） 、 图象、语音 AD/DA模块：语音模块采用TLC320AD50芯片，最高抽样率为 22.05k， 图象采用高速 AD（ TLC5510）和高速的 DA（ TLC5602）;同时 TLC5510和TLC5602又可做普通的 AD、 DA（3） 、 通讯模块：本系统 可做串口、并口实验，串口实验：采用热门器件（MAX3111ECW）I来完成跟计算机的异步通讯，其传输速率达230Kbps ;并口实验：利用并口与DSP的HPI直接实现跟计算机数据传输，其传输速率达2Mbps；（4） 、温度、电机控制模块：电机控制模块自带一个闭环直流电机（12V）和一个步进电机（12V），利用电机控制模

22、块可做直流电机和步进电机控制方面的实验，温度传感采用流行 热门器件一线集成温度传感器（DS18B20），测温范围为55C 100C 精度为9位、12位。（5） 、信号源模块：本模块提供两路（1Hz-60KHz）信号源，且正弦波的频率、幅度均可 调节 ，其中还提供两路信号的混频电路，为实时的滤波算法提供了混频输入信号；(6)、 键盘显示模块： 本模块有： 1、 128*64 的图形点阵液晶屏，利用 做各种图形、实时波形显示方面的实验；2、八位数码管； 3、八个指示灯；为实验仪提供了基本的输入、输出设备。为二次开发提供了丰富的人机界面资源；(7)、二次开发模块：可扩展双 CPU 板(包括 2000

23、 系列板或 5000 系列板) 件无线电板， MP3 、以太网板等。(选配)八、基本实验项目(一)传感器实验项目(1) 金属箔式应变片一单臂电桥性能实验(2) 金属箔式应变片一半桥性能实验(3) 金属箔式应变片一全桥性能实验(4) 直流全桥的应用一电子秤实验(5) 交流全桥的应用一振动测量实验(6) 扩散硅压阻压力传感器差压测量实验(7) 差动变压器的性能实验(8) 激励频率对差动变压器特性的影响实验(9) 差动变压器零点残余电压补偿实验(10) 差动变压器的应用一一振动测量实验(11) 电容式传感器的位移特性实验(12) 电容传感器动态特性实验(13) 直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验(

24、14) 交流激励时霍尔式传感器的位移特性实验(15) 霍尔测速实验(16) 霍尔式传感器振动测量实验选配模块实验：( 31)光栅尺测量实验( 32)光电编码器实验( 33)环境噪声测量实验(二 )单片机实验项目1、MCS-51单片机实验项目：软件部分实验：1 清零程序田2 2 拆字程序3 拼字程序4 4数据区传送子程序5数据排序实验LCD显示模块可4 、八个按键输入；ARM 板，软(17) 磁电式转速传感器的测速实验(18) 压电式传感器振动实验(1 9)电涡流传感器的位移特性实验(20) 被测体材质、面积大小对电涡流传感器的特 性影响实验(21) 光纤传感器的位移特性实验(22) 光电转速传

25、感器的转速测量实验(23) PTl0 温度控制实验(24) 集成温度传感器 AD590 的温度特性验(25) 铂电阻温度特性实验(26) K 型热电偶测温实验(27) E 型热电偶测温实验(28) 气敏传感器实验(29) 湿敏传感器实验(30) 转速控制实验34) 光照强度测量实验35) 红外反射式传感器物件计数实验36) 色标传感器颜色识别实验6查找相同数据个数7无符号双字节快速乘法子程序8多分支程序9多分支程序10 电脑时钟实验硬件部分实验：I. P1 口亮灯实2 P1 口转弯灯实验3. P3.3 口输入， P1 口输出实验4. 工业顺序控制实验5. 8255 A、B、C 口输岀方波实验6

26、. 8255 PA 口控制 PB 口7. 8255 控制交通灯8. 简单 I/O 扩展实验9. 并行 ADC 0809 转换实验10. 并行 DAC 0832 转换实验II. 8279键盘显示实验*12. 通用打印机实验13. 微型打印机实验14.I2C 储存卡读写实验15. 语音芯片 ISD173 控制实验(录音)16. 语音芯片 ISD1730 控制实验(放音)17. 继电器控制实验18. 步进电机控制19.8253 方波实验20. 小直流电机调速实验21.16*16 LED 点阵显示实验22.128*64 LCD 液晶显示实验23.8250 可编程异步通讯接口实验24.8251 可编程通

27、讯接口实验25. 单片机 RS232/485 串行发送实验26. 单片机 RS232/485 串行接收实验2 嵌入式单片机(C8051)实验(1) 数字 IO 口交叉开关设置实验(2) UART 串能通讯实验(3) 配置内部和外部振荡器实验(4) 片内模数转换 (ADC) 实验(5) I O 输入、输岀实验(6) 片内数模转换 (DAC) 实验27. DS18B20 单总线温度测量实验28. 红外线遥控收发实验29. 串行 A/D TLC549 转换实验30. 串行 10 位 D/A TLC5615 转换实验31. PCF8563 I 2C日历时钟实验32. MAX813看门狗实验33. PW

28、M脉宽调制实验34.74LS164 串并转换35.74LS165 并串转换36. LM331 V/F 转换实验37. AT24C02 I2C 总线存储器读写实验38. 串行存储芯片 93C46读写实验39. 电子音乐演奏实验40. CAN总线通讯接口实验41. 以太网 TCP/IP 协议接口实验42. USB2.0 通讯接口实验43. LM331 F/V 转换实验44. LM331 V/F 转换实验45. AD574 12 位并行模数转换实验46. TLV5613 12 位并行数模转换实验47.4*4 行列式键盘实验48.8 位静态显示器实验49.8 位动态显示器实验50. 光耦隔离模块实验5

29、1. 模拟十字路口交通灯实验(7) 定时器实验(8) SRAM 外部数据存储器扩展实验(9) 外部中断实验(10) SPI 串行 Flash 存储器数据读写实验(11) 计数器实验3. DSP 实验A 、验证性实验 (1)CCS 操作实验( 2 )存储器实验( 3 )跑马灯实验(4) 数码显示实验( 5 )硬件中断实验( 6 )定时器实验( 7 )步进电机控制实验(8) DSP同步串口与计算机的串口(RS232)通讯(9) DSP的HPI与计算机的并口( EPP)通讯( 10 )向量相加、减实验( 11 )矩阵相乘(12) 浮点数到 Q15 、 Q15 到浮点数数据转换( 13) FIR 滤波

30、器实验( 14) IIR 滤波器实验( 15 )黑白图像采集实验B、综合性实验：( 16 )液晶显示实验( 17)简单数字存储示波器实验(18)同步串口( 16位AD、DA )实验( 19) HPI 接口实验( 20)自适应滤波器( DLMS )实验( 21 )卷积( convole )算法实验( 22)自相关算法( 23)互相关算法( 24)语音录、放实验( 25)实时 IIR 滤波器实验( 26)图像处理之图像取反( 27)图像处理之灰度阈值变换C 、设计性实验( 28)直流伺服电机测速控制实验( 29)温度传感器、液晶显示实验( 30) HPI 接口 BOOTLOAD 实验( 31 )在

31、线 FLASH 烧写及 16 或 8 位并行自举( 32)快速傅立叶变换( FFT )算法实验(33)信号采集、存储、传输( PC机与DSP)实验( 34)温度、速度双闭环控制电机( 35)键盘输入液晶显示实验（ 36）语音 FIR 滤波（低通、高通、带通、带阻）实验（ 37）实时 LMS 滤波器实验（38） FFT 实验D、创新性实验（ 39）声控电机实验（40） 语音 G711 编码、解码实验（ 41）语音 G723 编码、解码实验（ 42）图像处理之灰度窗口变换（ 43）图像处理之对比度增强（44） YUV 彩色图象处理之图象取反实验 4 ARM9 实验项目 基础实验：（ 1）安装 WI

32、NCE 并建立开发环境（2）建立并编译 WIN CE 平台（3）WINDOWS CE 的烧写（ 4）定制 SDK 并建立 EVC 下的开发环境 （ 5 ）定制增强型内核（ 6 ）建立宿主机与实验箱的连接 （7）继电器实验（ 8） 蜂鸣器实验（ 9） DIP 实验（10）IIC 总线温度实验（ 11） IIC 总线 EEPROM 实验 （ 12） IIC 总线 DA 实验（13）EXTKEY 中断程序（ 14） GPIO LED 实验（15） LED 点阵实验（ 16） EVC 下的 HELLO WORLD 实验（ 17） 液晶屏坏点测试程序（ 18） 录音机测试程序（ 19） 简单聊天室程序（

33、 CE 版）（ 20） 视频点播 VOD 实验 （21） CEPLAYER 播放器实验（ 22） 串口通讯测试程序（对话框版） 扩展实验：（ 23） 485 通讯程序 （24） GPS 实验25)电机实验26)射频卡实验27)摄像头图像采集实验28)GPRS 实验29)ZIGBEE 实验30)指纹实验31)CAN 总线通讯实验5综合类实验（ 1）键盘、 LED 发光管实验（2）行列式键盘、动态显示实验（ 3）单片机控制的 PWM 实现 DA 转换（ 4）单片机控制 PWM 实现 F/V 转换（ 5 ）测量电机转速实验（ 6）单片机控制电机转速实验 （D A）（ 7）单片机控制电机转速实验 （P

34、WM）（ 8 ）温度采集实验（ 9） IC 卡原理实验（10）考勤机实验（11）身份认证实验（12）门禁系统设计（ 13）单片机实现 Pc 机键盘控制器实验（ 14 ）用单片机实现高精度脉冲测频（ 15）单片机实现的线性 VF 转换实验（ 16 ）基于微机控制通信的单片机通用数据采 集系统（ 17 ）基于以太网的远程数据采集系统（ 18） IC 系统实验（ 19） R8485 总线实验（ 20 ）简单多任务实时操作系统实验（ 21）智能家居远程控制模拟系统设计（ 22 ）单片机以太网实验（ 23 ）远程抄表系统（ 24 ）基于 USB 的数据采集卡设计（ 25 ）家庭智能报警系统6信号与系统部

35、分（1）基本运算单元实验（ 2 ）阶跃响应与冲激响应实验（3）连续时间系统的模拟实验（4）有源、无源滤波器实验（ 5 ）抽样定理与信号恢复实验（ 6 ）二阶网络状态轨迹的显示实验（ 7 ）一阶电路的暂态响应实验 7自控原理与计算机控制 （1）计算机控制技术实验项目 （ 1） A/D，D/A 转换 （2）采样保持器 （ 3 ）数字滤波8）二阶电路的暂态响应实验9）二阶电路传输特性实验10）二阶网络函数的模拟实验11）矩形脉冲信号的分解实验12）矩形脉冲信号的合成实验13）谐波幅度对波形合成的影响实验14）面包板单元，可自行设计实验电路6）最小拍无纹波系统实验7）大林算法控制8）非线性控制9）解耦

36、控制10）综合控制实验4 ）积分分离式 PID 控制5）最小拍有纹波系统实验（2）自动控制原理实验项目1. 典型环节的模拟研究2. 典型系统瞬态响应和稳定性3. 系统校正4. 控制系统的频率特性5. 典型非线性环节（3）控制系统实验项目1. 直流电机闭环调速实验2. 温度闭环控制实验3. 步进电机调速实验6. 非线性系统（一）7. 非线性系统（二）8. 采样系统分析9. 采样控制系统的校正l0.状态反馈（极点配置）8测控电路实验 1差动放大器实验； 2. 信号放大器实验； 3. 信号运算电路实验； 4. 电压比较器实验； 5. 电阻链分相细分实验； 6. 幅度调制及解调实验7. 调相电桥实验；8. 脉宽调制电路实验；9. 调频及鉴频实验；11. 开关式相乘调制及解调实验；12. 精密整流全检波实验；13. 开关式全波相敏检波实验。

传感器的创新设计技术：精于芯简于形，矽典微发布人体感应传感器创新设计

2021 年 3 月 17 日，2021 慕尼黑上海光博展拉开帷幕，矽典微发布毫米波传感器人体感应开发套件 XenD101 系列，最小尺寸仅为 1.8 x 1.5cm。参考方案融合了单芯片毫米波 SoC、天线和智能存在感应算法，支持大角度、远距离探测，搭配矽典微创新的精准区间划分和多级调参功能，满足场景变化需求。有了XenD101 系列传感器的助力，用户可以通过简单、即插即用的装配方式，丰富产 品设计，缩短研发周期，快速推向市场。XenD101 系列，赋能更多智能应用设备在 AIoT 赛道持续发力。

XenD101 对比人民币一毛钱的尺寸差异
在日渐丰富的 AIoT 应用场景中，互联互通的创新前沿技术和更智能的硬件解决方案，带给开发者们更多可发挥的空间。在智慧家居、智能照明、智能楼宇及安防监控等应用场景中，对于能够持续检测人体活动或存在的传感器硬件需求尤其突出。极致的人体感应传感器，也逐渐成为 AIoT 感知层硬件的新“门槛”之一。
精·简 | XenD101 系列
时隔一年，矽典微带来了更适合 AIoT 应用场景的毫米波传感器开发套件XenD101 系列。该方案基于单芯片毫米波传感器 SoC S3KM111L，利用 FMCW调频连续波和创新的人体感应算法，兼容挂顶及挂壁的安装方式，对设定的空间进行准确探测，感知人的存在，并和主控系统实时通信，使得物和人的联接更智能、更人性化。

赋能 AIoT 感知层发展 拓展应用芯生态
ONE BOX 玩盒
聚焦感知层智能，矽典微更希望以创新的产品帮助用户共同推动 AIoT 生态的发展。继 2020 年发布 ONE Lab 计划后，本次发布会上矽典微 CEO 徐鸿涛博士带来新的惊喜——ONE BOX 玩盒，包含一套 6 片的 XenD101 参考方案尝鲜样品，让开发者和行业用户可通过更简洁、即插即用的方式，体验矽典微人体感应带来的差异化的感知、识别新方式。取名”玩盒”意喻矽典微将 “高高在上“的无线射频技术推向平民化和智能化，以小型化、低功耗、低成本的方案，让更多有创意有想法的开发者和行业用户，以易装配、有趣味的方式，为万物智联的新纪元创造传奇。

传感器的创新设计技术：面向未来的100项颠覆性技术创新

原标题：面向未来的100项颠覆性技术创新

面向未来的100项颠覆性技术创新

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）

1. 增强现实（Augmented Reality）

增强现实（AR）指将计算机生成的图像（甚至声音）叠加在我们对现实世界的感知上。从技术角度来看，AR是一个巨大的挑战，因为用户可以利用它从多角度理解三维环境。实现AR的基础是虚拟投影与现实世界的集成。AR的专业应用是交互式手册，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。医生们在手术过程中使用AR技术，将大大减少在手术室的时间。已有研究证明，AR可以帮助截肢患者，通过向患者展示自己运动的虚拟实时模型来改进康复方案，使他们能够自我纠正。

2. 室内自动耕作（Automated Indoor Farming）

在具有高放射性地区，人们总担心传统种植的产品可能含有放射性沉降物；在缺乏水资源和沙漠地区可能会给蔬菜种植带来挑战。因此，在室内进行工厂化养殖得到推广。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、再植和收获，也包括畜牧业。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实现，然后推广至全球。这可能对食品文化、可持续性、社会结构以及就业等领域产生颠覆性影响。

3. 区块链（Blockchain）

区块链是一种允许互不相识的人组织网络来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。区块链可能会通过建设去中心化网络，为所有可能的交易提供一个中立和公平的结果。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记录，没有任何麻烦或感染的风险，网络上的任何人都可以随时对其进行验证，可以用来增加工作的透明度。公共团体和企业认为区块链是未来诚信经营的基础设施。

4. 聊天机器人（Chatbots）

聊天机器人是一种通过书面文字或现场音频与人进行实时对话的计算机程序。传统上，聊天机器人遵循一组预定义的规则和脚本，查找特定的单词并为预定义的问题提供预定义的答案，这种模式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，使得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Google Assistant等虚拟助手之间的界限。

随着聊天机器人在理解和响应用户问题方面越来越好，它可能会不断进化并成为主流。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、智能手机和机器人等进行交互。

5. 计算创造力（Computational Creativity）

计算机能够创造出原创性的艺术、创意和解决方案，它们看起来像在大型艺术博览会上出现的作品一样。制作这些作品的半自主人工智能系统由设计师支持，但通过没有先入为主的限制和使用较高的处理能力来确定新的途径、新的解决方案和新的想法。

人工智能在未来将扮演越来越重要的角色，除了完成机械任务外，还可以增强人类的探索和解决问题的能力。下一个前沿领域是使用复杂的机器学习技术设计全新的策略，这些策略迄今仍在挑战人类的想象力。

6. 无人驾驶（Driverless）

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，因此需要花费大量的精力来寻找感知世界的新方法。从界面设计的角度来看，无人驾驶车辆出人意料的复杂，创造完全自主无人驾驶汽车的进程仍在继续。然而，尽管有大量的跨国资源致力于开发这项技术，但其前景并不像许多人最初认为的那样可观。从长远来看，无人驾驶成为常态社会将发生范式转变，拥有私家车可能不再对很多人有吸引力，无论是陆运、空运还是海运，运输都将成为一种商品。很难想象某个行业不会受到无人驾驶汽车的影响，因此政府应该保障立法与技术的和谐发展。

7. 外骨骼（Exoskeleton）

外骨骼是一种体外的人造结构，为了补偿或增强自然的身体能力而设计。它被放置在人的身体上，作为一个增强放大器，增强或恢复人的机械性能。外骨骼最成熟的应用是医学领域，它们将帮助患者从瘫痪、多发性硬化症、脑瘫和其他使人衰弱的疾病中康复。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，从而提升了人体意识和身体动作的整合度。但在不久的将来，可能只能看到提供有限援助/支持的轻型军事外骨骼装备。

8. 高光谱成像（Hyperspectral Imaging）

高光谱成像在安全、国防、环境监测和农业等领域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，高光谱成像可以在数百个波长上产生图像。这些图像可以用来确定在任何被成像的场景中发现的物质，有点像远距离的光谱学。

高光谱成像能够提供比常规成像系统更详细的数据，目前仍处于起步阶段。高光谱机器视觉应用存在一些限制，关键因素是传输速度，受高光谱数据固有的大数据量的限制，成本和信息处理方法也是高光谱成像的应用障碍，但是将最新的高光谱成像引擎技术和机器学习算法结合起来有望解决这些问题。

10. 群体智能（Swarm Intelligence）

群体智能是指各种对象的集体行为，每个对象都执行一些简单的功能，并在这个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对其所有要素的自我组织操作，以分散的方式管理过程。群体智能类系统的发展前景与无人驾驶汽车、分布式能源电网、搜救机器人的应用有关。

11. 无人机（Warfare Drones）

目前无人机研究一直专注于提高信息收集能力，使无人机更加精确。无人机必须靠自己导航，因此人们特别关注它们的感知能力。从导航到武器部署，所有无人机都通过传感器数据构建内部地图来运行，以允许其算法做出决策，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进展。这些传感器专为无人机而开发，可以可靠地检测爆炸物，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，可以在飞行中过渡到中等高度的机翼飞行，该系统具有比传统直升机更大航程的监视和打击能力。

无人机易于部署，已经成为一种新型武器。假设一支完全不受人控制的自治军队作战，向全世界发出了没有人能改变的加密命令，为了应对这种威胁，反无人机技术已经多样化，比如名为猛禽的战斗机F-22和干扰技术，也可能会出现防御性无人机，这种无人机用来狩猎其他无人机。

12. 人工智能（Artificial Intelligence）

卷积神经网络一直是深度学习的支柱，在计算机视觉中，出现了一些设计创新（包括胶囊网络和欺骗网络），带来了新的前景和新的挑战。未来几十年中，机器学习、计算机视觉、自然语言处理和机器人技术方面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初步形式的一般人工智能出现。这就需要超级智能系统，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和超越人类。

13. 全息图（Holograms）

全息图是以激光为光源，用全景照相机将被摄体记录在高分辨率的全息胶片上构成的图，以干涉条纹形式存在。全息图是一种三维图像，它与传统的照片有很大的区别。光学全息图是物理学家丹尼斯?加博在1948年发明的。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，就好像所显示的物体是真实存在的一样。声全息技术起源于20世纪60年代，是光学全息技术的产物，它涉及到重建由于边界处的声音辐射而产生的声场。

最近的研究重点包括3D全息显示器、声学全息、可触摸全息图以及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产生的，以复杂的方式扭曲单一来源的声波，将其转化为声音全息图，这种技术既省时又便宜。最近的进展显示，声学全息图可以显著改善超声成像和医疗选择。未来的3D全息显示器可以提高动态影像逼真度，观众无需戴任何3D眼镜或VR式头枕，通过将柔性超薄薄膜嵌入到整个设备表面，智能手机和日常设备将能够弹出3D全息图，屏幕尺寸无关紧要。此外，若可触摸全息图能真正发挥作用，我们将看到全息界面与设备进行交互的新方式，并在虚拟现实体验中添加全新的维度。

14. 类人机器人（Humanoids）

类人机器人是一种在外形和特征设计上与人类相似的机器。由于类人机器人被期望尽可能地与人类相似，所以许多项目都专注于直接模仿。灵活性被视为一种特殊类型的运动问题，近年来取得了一些进展，使机器人的四肢接近人类。类人机器人在机器需要完成与人类相同的一般任务的情况下具有明显的优势。DARPA组织了一场机器人大挑战，以了解类人机器人在灾难场景中的表现，测试包括开门、操作水龙头，甚至接听电话等。

类人机器人是一个长期方向与短期方向截然不同的研究领域。目前，类人动物的建造成本较高，而且部署繁琐。但是，一旦类人机器人达到一定的性能水平，大众接受度就会发生根本性的变化。一个廉价、可靠、安全、低功耗的类人机器人将会迅速成为标准的机器人平台，成为从军事到娱乐甚至家庭内部的各种应用。

15. 神经科学（Neuroscience）

神经科学仍然局限于基础研究，研究的最终目的是找出创造力和想象力是如何工作的。早期试图找到一种来衡量、预测和系统地影响想象力的方法，想象力被视为创造性思维的基础，是人类进步的核心。富有创造力的神经科学将使人们不仅能够进行感知，而且能够预测并系统地影响想象力。

想象研究所（宾夕法尼亚大学积极心理学中心的非营利机构）的神经科学家和心理学家通过量化一个人的想象力，提供了一种替代传统的以智商为导向的标准化测试方法。更长远的期望是，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想象能力。

16. 精准农业（Precision Farming）

精准农业依靠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、软件等现有的最新信息和技术，在作物生长周期中（土壤整备、播种和收割）改善作物。在精准农业中，通过传感器和农场管理软件/硬件在现有网络/互联网基础设施上检测和远程控制。例如，农民现在可以使用一个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整合，成为即插即用系统，可以自动操控谷物手推车拖拉机，并在收获季节为农民提供帮助。该系统联合收割机操作员在田间设置分段和卸载位置，调整速度，监控位置，并命令谷物运输车与联合收割机的速度和方向精确同步。

未来的农场可能不再需要人力种庄稼，自主机器人已经被用来执行播种、抚育农作物和收割之类的任务。这些机器人不受人为错误的影响，能够适应现场条件，从而最大限度地提高产量，大幅减少时间并提高效率。

17. 柔性机器人（Soft Robot）

柔性机器人是机器人的一个子领域，用模仿生物体的材料建造机器。柔性机器人在其他方面与生物相似，突出在运动和适应环境变化的物理结构的能力。机器人被称为“柔性”，与那些刚性材料制造的机器人相比更突出它们的灵活性和适应性。已有研究小组开发出了一种柔软的机器人，它的执行器类似肌肉，由硅橡胶制成，由气压驱动。科学家们已开发出一种自动设计软执行器的方法，他们用硅橡胶材料来设计一个柔软的机器人，在单一压力源的驱动下，可以像食指一样弯曲，像拇指一样扭动。

长期来看，在医疗和个人机器人技术中，柔性机器人将实现与人类之间的安全且兼容的交互。在较小的规模上，微型柔性机器人有望在药物输送和手术等医疗应用中提供帮助。对于野外勘探和救灾，柔性机器人可以在复杂地形中导航并穿透狭窄空间。柔性机器人将进一步帮助食品处理和农业等领域实现高度自动化，降低成本。

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。声纳系统发出超声波，这是一种无法听到的信号，这些信号通过用户的手、头或身体反射，随后被麦克风捕获，并由时间-灯光算法编译。最新的超声波技术采用声学微机电系统(MEMS)，例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特殊用途超声收发器。

19. 飞行汽车（Flying Car）

随着汽车拥有量的增多，交通拥堵成为世界难题。因此，研发一辆小型、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、电力存储、电机和人工智能的迅速发展使飞行车接近现实。因此，智慧城市正在准备部署个人自动驾驶交通工具，希望能解决交通问题。

由于目前大多数运输方式都集中在短程和中程运输，因此城市将成为飞行汽车类产品的主要目标。如果飞行汽车可以成功使用，那么它们将开始影响城市基础设施的发展。长远看，整个城市可能会基于飞行车普遍使用的场景进行规划调整。

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

20. 神经形态芯片（Neuromorphic Chip）

神经形态技术将是高性能计算的下一个发展阶段，它能够大幅提升数据处理能力和机器学习能力。神经形态芯片是将神经网络的工作原理蚀刻到硅中，其能效可达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。

21. 仿生学（医学）（Bionics）

“仿生学”通常用于医学领域，用来描述用机械代替或增强各种身体部位。人造、仿生器官和四肢不同于普通假肢，它们的设计尽可能接近被替换身体部分的原始功能。

目前该技术在外骨骼、上肢、内部器官均有运用，主要设计用于帮助受伤患者。如仿生外骨骼可以增强人类的自然运动系统，让使用者跑得更容易/更快。

未来仿生学的目标是“将有机体与机器融合”。这种方法将产生生物和机械部件融合为“机器人”的混合系统。仿生器官将增强生物功能，使人们更快地奔跑、看得更远、听力更好、寿命更长，甚至可以更好地思考。

22. 脑功能映射（Brain Functional Mapping）

大脑不仅拥有数量惊人的神经元和连接，而且它是非同质的，估计有500个不同的部分，通过非常密集的网络连接在一起。脑功能映射技术正在迅速发展，为治疗神经疾病、理解认知和在人工环境中复制认知奠定了基础。

神经元之间的通讯是基于神经元间的电活动。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的电极，可以在各种条件下记录这种电活动，用计算机来解读收集到的信息。

长远看，深入了解大脑在生理和病理情况下的功能将为确定疾病原因、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仿真技术的发展。

23. 脑机接口（Brain Machine Interface）

脑机接口是大脑与外部设备之间的直接通信途径，它既可以从大脑中收集信息，又可以将信息输入大脑，使其能够与环境互动。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递到神经系统。脑机接口领域的研究目标之一是通过人机共生来提高执行复杂任务（例如驾驶战斗机）的效率。脑信号刺激的研究进展可能会开启脑与脑交流的新时代。中期来看，实现复杂思想的交换尚无可能，但脑与脑的交流可以使人们不断地分享情感、情绪和思想状态。

25. 智能纹身（Smart Tattoos）

智能纹身也被称为纸皮肤、电子皮肤或电子纹身，它由可穿戴的表皮皮肤电极组成，能够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、血液酒精和氧气含量、肌肉活动、情绪）。它代表了一个一体化的感应平台，将为无法获得医疗服务地区的患者提供交互式远程医疗和治疗系统的支持。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康复的患者改善肌肉控制或截肢者移动假肢。

26. 人工突触/大脑（Artificial Synapse/Brain）

法国国家科学研究中心研究人员设计了一种所谓的“记忆电阻器”，一种直接在计算机芯片上实现的人工突触（Artificial Synapse）。这种突触能够自主学习，还能够对该器件进行建模，这对于开发更复杂的电路至关重要。未来，这些技术将成为设计计算机机器的一个重要组成部分。在模拟生物神经网络的情况下尤其如此，要利用大脑的力量或模仿大脑的结构还需要进一步探索研究。模拟生物神经网络可以提升效率，对于具有大量连接的超级计算机而言，将会获得更强大的计算能力。

三、电子与计算机（Electronics & Computing）

27. 柔性电子（Flexible Electronics）

柔性电子是可弯曲或可伸缩的电子电路，晶体管、显示器、电池、传感器等组件具有这些特性。灵活性不仅可以实现更复杂的设计，而且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直接3D打印的潜在低成本解决方案。核心技术是薄膜电子学，柔性电子器件被应用于显示器制造、传感器、能量储能/转换、医疗保健、环境监测、人机交互等领域。

研究人员已经开发出一种灵活的压力传感器，即使双弯也能保持精确。医疗和生物工程应用将受益于真正灵活/可伸展的传感器，这将彻底改变大脑植入物。能让我们的大脑和电脑之间实现无缝的交流。

柔性电子是动态的，有多种应用场景。研究人员认为该技术将带给人们智能织物、可拉伸的屏幕、可弯曲的智能手机、可以拉伸到更大尺寸的超薄平板电脑、可佩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（Nano - LEDs）

发光二极管(LED)是一种双引线半导体光源器件，具有将电转换为光的能力，与传统的钨丝灯泡相比，LED灯的主要特点是不产生热量。此外，LED只需要普通灯泡点亮所需能量的一小部分，而不含有毒金属(例如汞，用于荧光灯灯泡)。

LED显示器通过液晶显示器作为像素来显示图像。基于纳米棒的多功能LED既能发光又能探测光，且比标准LED的刷新速度快三倍。以纳米棒为基础的发光二极管可以对激光笔做出反应。

纳米半导体在生物学、计算机、医学以及照明等领域应用。纳米LED使用少量的能量可以产生更宽的光波长范围，为显示器提供更温暖、更鲜艳的色彩。从长远来看，既能发光又能检测光的新型LED阵列可以帮助用户通过非接触式手势控制智能设备，并使用环境光为这些设备充电。

29. 碳纳米管（Carbon Nanotubes）

碳纳米管是一种直径为纳米级的碳基管状材料。这些管状碳分子的特殊性使其在纳米技术、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，但它的主导地位在未来可能会受到新化合物的挑战，许多研究人员已经将这种希望寄托在碳纳米管上。除了用于笔记本电脑和智能手机更快、更高效的芯片外，纤巧但功能强大的处理器还可以支持新型技术，比如可弯曲的电脑和可注射的微芯片，或者可以针对人体癌症的纳米机器等。

30. 计算内存（Computing Memory）

“内存计算（Memory Computing）”或“计算内存（Computing Memory）”是一个新的概念，它利用存储设备的物理特性来存储和处理信息。这与当前冯诺依曼系统和设备中发生的情况不同，例如标准的台式计算机、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，从而使它们变得更慢，能效更低。

目前IBM的科学家演示了“一种无监督的机器学习算法，它运行在一百万个相变存储器(PCM)设备上，成功地在未知数据流中发现了时间相关性。与最先进的经典计算机相比，这种技术有望在速度和能源效率方面提高200倍。

内存驱动计算是无限灵活且可扩展的架构，可以比传统系统消耗更少的能量来更快地完成计算任务。随着数据量的飞速增长，其重要性不断提高，将为大型可组合基础架构的数据处理提供解决方案。

31. 石墨烯晶体管（Graphene Transistors）

石墨烯被称为新的纳米材料，导电性能好、化学性能稳定，是世界上最坚固的材料。它由碳原子组成，这些碳原子被密集地堆积在二维六边形的图案中。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。它们将使用微处理器的时钟速度提高了数千倍，同时需要的功率是硅基计算机的百分之一。

石墨烯晶体管和芯片使计算机变得更小、更快。这些多用途的材料为超薄配件和智能生物医学传感器等技术带来了广阔前景。

32. 高精度时钟（High - precision Clock）

在许多应用场景中，时间的要求精度较高，如4D-成像需要高精度的时钟，以提供亚原子区域的结构图像。光学时钟或原子钟有望在时间测量和标准化方面提供更高的精度。这使其适用于多种应用场景，并且可节省大量能源。量子逻辑时钟具有广阔的前景，而新的原子钟将需要突破更多的基础研究。

33. 纳米线（Nanowires）

纳米线的尺寸以纳米为单位。它们也可以被描述为宽度在几十纳米或更小、长度没有限制的纳米结构。纳米线的可重复性和可调节性以及表面特性为纳米医学提供了一种新颖的方法。由于制造它们的材料种类繁多以及它们所显示的迷人特性，纳米线最近成为纳米电子学、光电子学以及分子尺度的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，可用于探针尖端。此外，基于纳米线可以制造出一种柔性纳米电子支架，该支架有望创造出可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行业产生重大影响。

34. 光电子学（Optoelectronics）

光电子学是光子学的一个分支，致力于把电子学和光结合起来传输数据。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光数据存储过程包括改变熔融石英的光学特性，使用超快（飞秒）激光写入技术创建3D纳米级信息记录。这些记录（“纳米光栅”）由三层纳米点组成，每个点存储一位信息。存储支架是一个经过改进的玻璃盘，对气候条件更持久，化学稳定性更好。额外的容量允许存储多达360TB的数据，大约是50Gb蓝光光盘容量的7000倍，热稳定性高达1000%uB0C，并且在室温下的寿命几乎是无限的。5D数据存储将很快成为拥有大量历史档案的机构的宝贵资产，并有望在未来五年内被行业合作伙伴商业化。预计目前主要用于高端军事装备的光量子芯片将在几年内应用于数据中心。集成光量子研究的进展会革新光量子技术，同时保持与现有半导体芯片技术的兼容性。

35. 量子计算机（Quantum Computers）

量子计算机(QC)基于量子位元（称为量子位元）工作，量子位元可以表示为0、1或由量子力学调节的这两个态的任何量子叠加态。尽管有多家公司声称生产量子计算机和量子编译器，但目前的技术没有为量子计算机的制造提供成熟的解决方案，而第一个原型机只能在特定问题上操作。

目前，研究工作致力于解决特定问题的量子硬件的创建。尽管如此，要实现能够运行所有现有代码的通用量子计算机，仍需要进行更多的研究。为了使量子计算机更加有效、稳定和便宜，必须进行大量的研究工作，并解决与量子相干和低温工作有关的问题。

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。

39. 芯片实验室（Lab-On-A-Chip）

芯片实验室将化学分析等实验室功能集成在一个微小尺寸的设备中。快速脓毒症检测目前是芯片实验室一个非常重要的应用。由于诊断不及时会导致患者得脓毒症，每一分钟对抗生素治疗都很重要。目前正在开发芯片实验室系统分析患者血液样本，以检测可能导致脓毒症的微生物，并减少抗生素的不当使用。芯片实验室技术有望通过更好、更快速的诊断改善医疗水平，特别是在医疗基础设施落后的地区。同时，该技术可以使患者在监测自身健康方面发挥更积极的作用。

41. 生物电子学（Bioelectronics）

生物电子学是利用生物材料或生物体系结构来设计和制造信息处理机械和相关设备的技术。这一领域利用生物燃料电池、仿生学和用于信息处理、信息存储、电子元件和执行器的生物材料。该研究领域的重要方向是生物材料和小型电子设备之间的互补性和相互作用。

研究人员开发受生物启发的材料和硬件架构，以用于新型传感器、执行器和信息处理系统。该领域的其他用途包括原子尺度的分子制造、生物器官与电子设备之间更好的连接，这可能推动人类在假肢、人机集成、仿生学等领域的进展。也将为健康建模、监测和细胞发育研究开辟新的前景。

合成DNA作为一种存储介质，比大多数当代尖端替代品要紧凑数百万倍。另一方面，活体存储系统不仅可以用来存储数据，还可以用来记录人类细胞、组织或工程器官中的事件和过程。

42. 生物信息学（Bioinformatics）

目前生物信息学的主要进展在生物杂交领域，生物杂交通常指人工成分和至少一个生物成分的组合。这类技术可以应用于从健康到纳米技术、机器人甚至消费品（如新鲜农产品）等大量领域。生物杂交技术也将在未来的机器人中得到应用，它使得机器人动作更加精确，这将使机器人能够得到广泛的应用。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类生理学或设计新药物及药物递送方法。

43. 植物通讯（Plant Communication）

植物通讯是指植物和其他生物之间的交流，不管是同一种还是不同类型的植物、土壤和昆虫，还是更复杂的生物。目前有研究团队正在探索将植物作为传感器的方法。对植物通讯的深入研究可能会有潜在的应用前景。

五、生物医学（Biomedicine）

44. 基因编辑（Gene editing）

基因编辑也被称为“基因组工程”，它是DNA被插入、删除、修改或替换到生物体的基因组中的工具。通常的编辑方法是通过工程核酸酶（分子剪刀）在基因组中的靶点产生断裂双链。这些断裂双链通过非同源端接口或同源重组进行修复，结果是靶向突变。

目前基因编辑在基因工程领域产生了一场革命，虽然以细菌为基础，但它几乎适用于所有活细胞和生物体，它为防治艾滋病、癌症和遗传性疾病提供了新的可能性，也为育种植物和动物提供了新的可能性。

基因编辑将进入许多不同的应用领域，其中大多数前景仍然无法预想。在构想新用途时需要很多创造力，并且需要考虑很多道德和法规问题。

45. 基因治疗（Gene Therapy）

基因治疗的重点是基因突变，基因突变使其产生异常蛋白质。除了变异，基因治疗的基本原理是，缺陷基因被治疗基因（也称为功能基因）取代或灭活，这种基因通过病毒或“裸DNA”进入人体。

基因治疗成为可行的技术能力正在扩大，但基因治疗的成熟度和大规模采用的复杂性仍待观察，此外政策和各种伦理困境的解决也很重要。

46. 抗生素药敏试验（Antibiotic Susceptibility Testing）

抗生素耐药性是全球人类健康面临的最严重的风险之一，这就意味着要面对多方面挑战，包括：感染预防、新抗生素的开发以及对抗感染的替代方法、限制过度使用和确保有效性治疗。在未来，一旦确定了感染的原因，医生将可以在现场决定是否采用适当的抗生素治疗，以及哪种抗生素最有效。

47. 生物打印（Bioprinting）

生物打印是3D打印的一种特殊应用，它使用聚合物或基因工程的生物材料生产组织和器官，其中一些组织和器官可植入人体。生物打印的优点是材料的个体适应性较好并且具有较少的副作用，包括植入物排斥反应。

目前一种3D打印系统已经被提出，它可以将活细胞打印成人体尺度的骨骼、肌肉和耳朵组织。由于这样打印出来的物品使用了聚己内酯的生物相容性合成聚合物，所以其结构稳定。

未来，首批3D打印的人体器官将无排斥地移植，既满足了等待器官患者的巨大需求，也满足了那些想替换其有故障器官患者的巨大需求。从长远来看，“人体芯片”模型可能会生成用于植入的各种类型组织，以利用患者自身体内的细胞修复受损的器官。

48. 基因表达的控制（Control of Gene expression）

基因表达是一个基因的核苷酸序列被用来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，科学家们希望破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，并以某种方式操纵细胞，使未来的有机体组织健康，以推动辅助生殖和再生医学领域进步。

基因组的不稳定性和基因改变对疾病的发展有推动作用，加速与年龄有关的病理，并促进组织变性和器官衰竭。通过研究人体对基因表达的控制，可以预见人的衰老程度和速度。在胚胎发育和多功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（Drug Delivery）

药物输送是指给人或动物施用治疗剂或药物复合物，以达到治疗效果的一种治疗方法。药物传递技术的进步通常是为了提高药物的功效和吸收程度，同时减少其副作用。纳米材料和新材料正在彻底改变这个领域。

提升药物输送能力将导致药物更快达到其目标，副作用会越来越少，并在必要时停用或重新激活。通过把药物嵌入正确类型的设备中，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在医院花费的时间，从而大大降低了治疗成本。

50. 表观遗传技术（Epigenetic Change Technologies）

表观遗传技术指的是基因功能的可遗传变化，而这些改变并不需要DNA序列的改变。尽管实验表明一些表观遗传变化是可逆的，但“表观遗传”一词已经包括在不改变DNA序列的情况下改变基因活性的过程，并导致可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，包括多种癌症、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。

充分了解表观遗传机制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会对人类产生不可改变的、持久的影响。它会影响人类的生活方式和食品、农业等其他领域，特别是对健康的影响最大。

51. 基因疫苗（Genomic Vaccines）

基因疫苗是由DNA或RNA合成的非蛋白疫苗，可促进人体免疫力提升，预防传染性疾病扩散。它是在基因治疗(genetic therapy)技术的基础上发展而来的。

DNA疫苗的前景非常稳定，便于大量生产且易于运输。当基因组疫苗成为常态时，由于持续时间长，涵盖了广泛的病原体，并且很容易适应后者的突变新形式，因此需要的免疫次数更少。

52. 微生物组（Microbiome）

微生物无处不在，它们形成的微生物群对人类健康既有好处也有坏处。受早年接触微生物和饮食等因素的影响，人与人之间的微生物组构成有很大的差异。此外人体的不同部位有不同的微生物群。虽然已经知道肠道细菌的组成对某些基因的活性有影响，但这究竟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法，即“好的”肠道细菌可以控制人类的基因活性，并可能有助于预防结直肠癌。

微生物组已成为医学研究人员的主要兴趣。了解微生物组的多样性并发现新的模式可以更好地了解疾病的发生原因，以及为什么在某些情况下治疗效果要好于其他情况。大数据和新的计算工具将使微生物组的宏基因组分析成为可能。

53. 再生医学（Regenerative Medicine）

再生医学是一个新兴的医学领域，它致力于找到修复或替换因疾病、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来实现。

再生医学将专注于为细胞分化、细胞培养和组织工程开发更可靠、更便宜的方法。在未来，人类将在无需外部支持基质的情况下产生组织和器官。

54. 重编程的人类细胞（Reprogrammed Human Cells）

55. 靶向细胞死亡途径（Targeting Cell Death Pathways）

癌症是全世界人类死亡的主要原因之一。2012年，新发癌症病例1400万例，癌症相关死亡820万例，预计在未来20年内，这些数字将翻一番。与目前的治疗方法相比，靶向触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、更不容易产生耐药性的癌症治疗方法。

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。

57．食物3D打印（3D Printing of Food）

3D打印的食物商业化成为主流，目前看来，它真正的潜力可能在于美食领域，专业人士可以通过3D打印发明新的食物，并进行实验；在医疗环境中，帮助有进食困难的人。

未来，食物3D打印和原料可以按时生产，直接使用。几乎所有菜肴都可以“打印”，而不是烹饪。缺少的成分可以在需要的位置和时间以基本粉末的形式打印出来，质量和口味每次都保持不变，没有偏差。食物3D打印大大简化了食物的制作过程，同时也能帮助人们制作出更加营养、健康而且有趣的食品。

58．玻璃3D打印（3D Printing of Glass）

玻璃的独特性能通过快速原型制造玻璃物体的前景一直引人注目。玻璃3D打印的最新进展为快速制作玻璃零件提供了解决方案，该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。

玻璃是一种必不可少的高性能材料，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设备的制造铺平了道路，也为内部生产带来了便利，它使得技术人员可以获得更接近于成品的成果。艺术表现也可以通过复杂几何结构的实验而达到新的境界。

59．大型物体的3D打印（3D Printing of Large Objects）

无论产品设计大小，3D打印技术的最大优势之一就是制造商能够控制物体物理形态的每一个方面——物体的形状可以通过特殊的软件进行优化。在不久的将来，不仅小型设备，大型物体或超大型物体的主要部件都将可以进行3D打印。大型物体可以通过特殊的设计软件进行优化，以使材料和功能适应环境的要求。

60． 4D打印（4D Printing）

4D打印技术是指由3D技术打印出来的结构能够在外界激励下发生形状或者结构的改变，直接将材料与结构的变形设计内置到物料当中，简化了从设计理念到实物的造物过程，让物体能自动组装构型，实现了产品设计、制造和装配的一体化融合。4D印刷品如果暴露在刺激物（加热、光照、水、磁场）下，会随着时间的推移自我变换形状或性能变换。

4D打印的形状记忆聚合物将极大地影响健康行业。4D打印还可用于组织工程、自组装生物材料、纳米粒子的设计以及用于化疗的纳米机器人。在能源工业中，将来会在太阳能电池板上使用形状记忆材料，用于检测阳光并相应地自动旋转的传感器的制造。

61．水凝胶（Hydrogels）

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。由于它们的含水量较高 ，表现出“与自然组织相当的柔韧性”，水凝胶通常作为分子和细胞物种的载体，能够总结细胞/组织发育过程中的动态信号。由于其仿生性，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，制造水凝胶需要一系列前体材料之间的化学反应和相互作用。

水凝胶在医学领域具有广阔的前景。不久的将来，水凝胶将为急救工作提供基础支持，使患者能够达到自我修复。随着技术的进一步发展，治愈性软体机器人将可以接触生物体的细胞，并在微观和亚微观水平上进行手术。

62．超材料（metamaterials）

超材料是由多个单独的纳米元素组成的人造组件。澳大利亚研究人员在纳米材料中发现了新特性，为制造热光伏电池开辟了新的前景，热光伏电池可以在黑暗中收集热量并将其转化为电能。该团队利用金纳米结构和氟化镁创造了一种超材料，可以在精确的方向上辐射热量，并在特定的光谱范围内发出辐射。不久的将来，超材料将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，超轻型天线可以连接到卫星，并使其绕过有线的本地互联网基础设施。热光伏电池可以从红外辐射中获取能量，不需要阳光直射，可以补充甚至取代太阳能电池，成为重要的可再生能源。超材料的高可配置性将用于制造抗损伤材料，例如超材料制造的衣服会感知可能的损坏并调整织物表面以保护穿着者。

63．自愈材料（Self-healing Materials）

自愈材料通过对微损伤反应的修复/愈合机制来检测退化。一般来说，这些材料是人工制造的，可以被认为是“智能结构”，它们根据其综合“传感”能力来适应各种环境。这种技术可以应用于任何领域，例如海上风力涡轮机，或者飞行中的飞机和卫星。

随着技术的不断发展，自愈材料只要加水就可以修理破损的牛仔裤。当智能手表、笔记本电脑和手机受到人为破坏时，它会自动修复显示屏上的裂缝。这些设备的电池还将具有更长的使用寿命，这归功于它们的自我修复特性。

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。

65．碳捕获与封存（Carbon Capture and Sequestration）

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。为了避免碳流失到大气中，碳被收集起来储存，并在高二氧化碳排放源处进行处理，例如各种工业和碳基发电厂的烟囱。空气捕集技术可以从环境中的任何地方去除空气中的碳，二氧化碳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会发生放热反应。在其他情况下，可以通过管道输送到其他地方使用，例如注入老油田开采石油。

空气捕获与碳存储相结合可以实现双重功能。碳捕集与利用减轻了碳存储所带来的一些问题和成本，一旦减缓气候变化的成本增高，碳捕集技术就可能吸引来自汽车和飞机等分散碳源关注。但是这些技术也非常昂贵，存在一定风险，而且实际效果尚不清楚。

66．海水淡化（Desalination）

海水淡化是从水中除去各种盐的过程。传统上是通过蒸馏、电解和过滤实现的。由于技术成本较高、能耗高，目前它们只能将水分解，或者使其达到沸点或者冷凝，通过化学物质过滤来清洗污染的膜，实现海水淡化。新的实验表明，通过使用各种形式的石墨烯（一个原子厚的等间距碳原子层）可以实现海水淡化。氧化石墨烯膜，其孔径大小可以精确控制，可以将普通盐分从水中筛出，使其可以安全饮用。

精密过滤技术的发展对全球经济、生态系统产生巨大影响，对发达国家和新兴市场的社会层面产生巨大影响。精密过滤技术将通过提高废水工业过滤的能源效率来降低成本，使工业参与者更愿意降低其企业的生态影响。

67．地球工程与气候工程（Geoengineering and Climate Engineering）

地球工程关注的是整个景观的变化，比如人工湖、中国的三峡大坝工程。另外比较典型的例子是改变河床、利用山建造人工岛和日本的关西机场等。气候工程主要包括两种类型，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。未来在全球范围内需要对地球工程和气候工程进行治理和监管。

68．超级高铁（Hyperloop）

超级高铁是目前正在开发的运输系统，一种以“真空钢管运输”为理论核心的交通工具，具有超高速、高安全、低能耗、噪声小、污染小等特点。它将使用加压吊舱载客，也可以在真空钢管中运载货物。吊舱由一个电动直线电机通过一个隧道或管道（低压环境）逐步加速。吊舱通过磁悬浮快速上升到轨道上方，由于空气阻力低，实现超高速滑行。

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．塑胶食虫（Plastic - Eating Bugs）

聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）是全球最常见的制造产品之一，也是不可生物降解的，随着这些塑料垃圾堆积在我们周围，已经造成严重的环境问题。由于将PET转化成油是一个复杂的过程，科学家们开始寻找能够代谢或消化这些物质的方法，将其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PET塑料残骸为食的细菌，发现了这个物种并将其命名为Ideonella sakaiensis。这种细菌似乎只吃PET，并且仅利用两种酶，就能将其分解。

最近研究发现，塑胶食虫可以快速降解塑料垃圾，甚至可能变成天然肥料来喂养土壤，大大减少城市污染。

70．分解二氧化碳（Splitting Carbon Dioxide）

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。目前正在使用不同的碳捕获和储存方法来降低大气中的二氧化碳含量，从而降低其影响。目前需要做的不是储存，而是通过分离直接使用二氧化碳，以及从储存地点分离二氧化碳。

科学家正在寻找将二氧化碳分解和转化为燃料的方法。具体而言，他们正在研发新型廉价催化剂材料。同时，将这项技术与可再生能源装置相结合，能够减少大气中的二氧化碳含量，还能将太阳能直接存储为液体燃料。

71．备灾技术（Technologies for Disaster Preparedness）

随着自然灾害的数量不断增加，许多沿海城市的水灾风险也显著上升，因此自然灾难带来的环境危机值得关注，预测灾难技术也是研究的方向。诸如地震、海啸、火山爆发、泥石流等自然灾害的预防是非常重要的。此外，应急系统、救援机器人、救援系统和公民信息系统需要不断完善。一方面是情景预防，另一方面是技术的突破。

备灾的关键方面是社会复原力，即暴露在危险中的社会能及时有效地抵御、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，而不是修复系统的先前状态。技术本身对社会复原力的贡献微乎其微，主要取决于社会结构的能力。处理复杂性和不确定性的能力成为新的挑战，意味着为未来任何突发情况做好准备。

72．水下生活（Underwater Living）

人类在水下生活的想法被认为是人类未来的一个潜在的重要部分，是作为地球表面因为人口过多或因为灾难而无法居住的一种替代方案。自20世纪60年代初以来，各国已经设计、建造水下栖息区。法国海洋建筑师 Jacques Rougerie 设计的水上探索平台 “Seaorbiter” 正在渐渐成型，这是世界上第一个垂直海洋船舶。英国设计师菲尔·波利（Phil Pauley）发布了一个关于海底设施的设计方案，该方案名为“次生物圈2号”（Sub-Biosphere 2），这座海底设施拥有8个栖息区。朱尔斯的海底小屋 jules undersea lodge 海底小屋位于美国佛罗里达州基拉戈岛，于1986年建成，是美国最早的水下酒店。

由于陆地上的住房空间稀缺，因此越来越多的沿海陆地被开发用于居住。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（Wastewater Nutrient Recovery）

废水养分回收是从废水流中回收氮和磷等营养物质，并将其转化为用于生态和农业用途的环保肥料。养分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。人们正在尝试开发更多的技术来从废水中回收不同的资源，资源越稀缺，回收投资越大。大规模利用废水作为资源将是真正的突破。

74．小行星采矿（Asteroid Mining）

小行星采矿（Asteroid Mining）是从围绕太阳运行的相对较小且密度较大的天体（即小行星）中提取有价值的物质的过程。随着地球矿产资源的枯竭，一些重要材料将越来越难以在地球上开采，小行星将提供重要材料的储备。有些是值得运回地球的，例如：金、铱、银、锇、钯、铂、铼、铑、钌或钨等。其他的可以用于太空建设，例如：铁、钴、锰、钼、镍、铝或钛等。一家加利福尼亚公司展示用于小行星探测的小型低成本航天器。该计划是为该飞船配备收集有关小行星组成和“挖掘能力”数据的仪器。印度正计划在月球南侧启动对核材料的探索。

八、能源（Energy）

75．生物发光（Bioluminescence）

生物发光（Bioluminescence）是指生物体发光或生物体提取物在实验室中发光的现象。生物发光需要一种叫做荧光素和氧的分子，它们相互反应时会产生光。生物发光在一些昆虫、真菌、细菌和海洋动物中被发现。研究人员目前正在尝试将生物发光技术应用于生物学、医学和光生产中，他们正试图将生物发光转移到细菌、植物或哺乳动物等不同生物上，以更好地了解不同生理过程，并开发新的成像和研究技术。同时，科研人员正在开发新的光源，以减少当前全球能源消耗。

76．能量收集（Energy Harvesting）

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。

77．收集甲烷水合物（Harvesting Methane Hydrate）

甲烷水合物是水分子与甲烷于低温高压形成类似冰状的物质，只在地下沉积物中自然存在。对于依赖进口天然气、煤炭和石油来满足大部分能源需求的国家而言，甲烷水合物矿床是未来有前途的能源来源。

大多数天然气水合物沉积物都位于海面以下，只能通过钻井平台和深海钻井船才能到达。由于甲烷是不稳定的且易燃，甲烷泄漏到空气中，会造成更多的温室效应，是风险技术之一，目前还不具备可用的技术来大规模收集这种能量。

78．氢燃料（Hydrogen Fuel）

氢的重力能量密度大约是化石燃料的三倍，非常适合于内燃机。氢气在大气中以放热的方式燃烧，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（一种电化学电池）中，氢气与氧气发生反应产生电子流，这些电子流可以作为电流收集到外部电路中。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，有国际研究小组利用掺入二氧化钛光催化剂的光敏蛋白质从水中制取氢气。当光催化剂溶解在水中并在阳光下与铂混合时，氢就会释放出来。研究小组还在白光下观察到了非常高的氢气产量，发现用微波炉激活大量的碳氢化合物时，它们会迅速释放出大量的氢。

伯克利实验室的研究人员用石墨烯片嵌入了镁纳米晶体。镁纳米晶体不受氧气、湿气和污染物的影响，同时让氢分子通过。这些石墨烯包裹的镁晶体充当氢的“海绵”，为吸收和储存氢气提供了安全的方式。

79．海洋和潮汐能技术（Marine and Tidal Power Technologies）

海洋为人类提供了大量的可再生能源。最先进的潮汐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源，值得我们关注。

欧盟采取了一系列政策举措，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，开采波浪能似乎是最有效的方法。从长远来看，新的发电机技术所收集的能源量也会增加。

80．微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells）

微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。微生物燃料电池就像任何标准燃料电池一样，由一个质子交换膜隔开的阳极室和阴极室组成。细菌生长繁殖形成密集的细胞聚集体（生物膜），粘附在微生物燃料电池的阳极上。细菌作为活性生物催化剂替代了昂贵的过渡金属催化剂，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，电子通过外部电路从阳极流向阴极，从而产生电能。

细菌在空气、土壤、植物、藻类、动物和灰尘中无处不在，也存在于城市、制造业和农业废弃物中。废弃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效率低、成本高，微生物燃料电池技术仍处于发展阶段。

微生物燃料电池的最大优势是它可以通过处理废弃物和清洁能源减少对环境的污染。该技术仍然面临障碍，大规模的研究工作是必然的。

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。

82．智能窗（Smart Windows）

智能窗可利用太阳能能源转化为电能，并在玻璃板之间调节进入室内的能量从而使室内温度保持在合适的范围，既改善了生活质量，又降低了能耗。智能窗是一种由玻璃或其他透明材料和调光材料所组成的调光智能器件，在一定的物理条件下（如光照、电场、温度），这种器件发生着色或褪色反应，改变自身的颜色状态，从而有选择性地吸收或反射外界的热辐射和阻止内部热扩散，达到调节光强度和室内温度，从而实现节能的目的。

目前某些大型办公楼和其他具有玻璃外墙的大型建筑可以利用太阳光获取能量，这将减轻建筑物的能源费用和企业的碳足迹。智能窗一旦开始大规模生产，对“智能家居”设计至关重要。

83．热电涂料（Thermoelectric Paint）

热电是通过将温差转换成电压，反之亦然，然而，热电材料必须应用于作为热源的物体上，达到发电的效果。热点涂料通常被用于平坦表面物体上，传统的热电设计在这些情况下效率较低。目前，柔性热电材料在可穿戴设备等产品上表现出很好的效果，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物体表面都是理想的。

热电涂料可以利用任何热源发电，还可以保护内部空间免受外部热量的辐射，从而减少了额外的冷却需求。热电涂料未来可用于建筑物或车辆表面，从而节省大量的能源。

84．水分解（Water Splitting）

水分解（Water Splitting）是将水的化学成分分解成氢和氧的组成元素的过程。这一转化过程对清洁能源具有重要意义。水分解可以为氢的广泛使用开辟道路，氢气既是零排放燃料，又可以大规模地有效储存，水分解技术将改善对可再生能源的获取。目前，实现水分解的方法虽然有很多种，但技术复杂，效率不高，实施成本非常昂贵。

水分解技术可能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电力，能够轻松地生产氢气，将大大减少人类活动的碳足迹。此外，氢气可大量储存，能够显著提高现有技术的效率。

85．机载风力发电机（Airborne Wind Turbine）

追求更清洁、更便宜的能源以跟上当今社会的消费率的竞争中，利用风能等无穷无尽的资源似乎是一个新的方向。与传统的地面涡轮机相比，机载风能系统通常要小得多，使用的材料也更少，而且它们更容易移动并部署到孤立的定居点或遭受自然灾害的偏远地区。与传统的风力发电相比，生产空中风能的成本要高得多，即使相关试验取得成功，也可能需要五年或更长时间才能将第一个功能系统商业化。

86．铝基能源（Aluminium-based Energy）

作为现有技术的补充和可能的替代品，目前大多数研究将铝用于发电和储能。铝是地壳中含量最丰富的金属，铝材料轻而有韧性，能源工业将从锂材料转向铝，在生产可充电电池等存储系统方面具有明显的优势。除了在建造轻型结构方面的重要作用外，未来铝还可用于开发新的、更高效的光伏电池或热系统。

铝电池是锂离子电池的替代品竞争中的强力候选者，在了解铝与各种化合物相互作用的电化学性质方面将会继续取得科学进展。

87．人工光合作用（Artificial Photosynthesis）

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产生的背景下，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研究的重点。人工光合作用成本较低，大大减少对化石燃料的使用和需求。

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

88．协同创新空间（Collaborative Innovation Spaces）

用于传递知识和创新的新形式正在兴起，通常是一群熟练的技术人员聚集在一起，称为“创客空间”“黑客空间”或“创新实验室”，大家可以在其中交流和共享。协同创新空间可以在任何地方出现，包括学校、图书馆和社区中心等，不同的地点提供不同的资源，从3D打印机到合成生物学。在过去的十年中，创客空间在全球范围内广受欢迎，用户报告的数字显示近1400个活跃空间，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相互交织。在美国，特别是图书馆通过转变为创客空间来加强其作为社区中心的作用。

89．游戏化趋势（Gamification）

游戏化是在非游戏背景下应用游戏设计元素和游戏原则来提高用户参与度、组织力、学习、众包、招聘和评估等。越来越多的年轻人玩虚拟游戏并因此习惯于接受这种训练，越来越多的公司启动了游戏化项目。学习型游戏在企业中得到了应用，并且他们越来越多地投资于学习型游戏。在线学习也部分采用基于游戏的学习形式。可汗学院（Khan Academy），是由孟加拉裔美国人萨尔曼·可汗创立的一家教育性非营利组织，主旨在于利用网络影片进行免费授课，现有关于数学、历史、金融、物理、化学、生物、天文学等科目的内容，教学影片超过2000段，机构的使命是加快各年龄学生的学习速度。目前，在美国已经有一个使用游戏促进健康的特定联盟。成人和儿童的体育活动率已经急剧下降，游戏公司支持全国性的体育教育活动，这一浪潮始于WII Fit游戏，通过使用智能手表、手环或手机来监测健康数据。

90．共享经济（Access/Commons-based Economy）

互联网的兴起从根本上降低了合作成本。在线社交网络的使用极大地促进了共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共享的可能性范围。

共享是互惠互利的社会行为，有助于扩大享受共享资源好处的圈子。互联网使新型共享实践成为可能。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：多元化的信息控制者（Read/Write Culture: diversifying information gatekeepers）

人们通过社交媒体，不仅能够分享，而且能够操纵、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（Lawrence Lessing）称之为“读/写文化”，而不是“只读文化”，即信息或产品由“专业”来源提供给被动的消费者。

公众话语越来越具有矛盾的信息特征，“真相”越来越受到争议，对信息的信任正在侵蚀。在互联网上，故事以不断创新的方式被无休止地复制、更改、重新混合、回收和重新组合。由于知识产权的斗争，音乐产业受到严重破坏，媒体、娱乐和教育等其他产业正在发生迅速变化。

92．重塑教育（Reinventing Education）

获取新知识的结构在机构层面发生了变化。提供培训和学习新平台和方法的参与者数量呈指数增长，它不再局限于正规教育机构。从事教育活动的参与者的多样性在不断增加，为人们在生活中不同时刻进行培训和再培训提供了许多新的机会。越来越多的技术和软件公司正在为实践培训创建平台。

93．自我量化（Body 2.0 and the Quantified Self）

自我量化是鼓励用户通过收集日常生活的各个方面的数据来更好地了解自己。早期的概念是人本主义计算（Humanistic Computing），可以追溯到上世纪70年代，那时就已经有通过穿戴式传感器（Wearable sensors）以人的行为、生理信息为对象的研究。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的传感器，对人体进行永久性监测，并对个人的身体功能进行近乎医疗的监测。

94．无车城市（Car-free City）

目前，至少有7个汽车依赖度高的大城市开始实行无车化。越来越多的城市开始在某些街区淘汰汽车，例如成都、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。无车城市极大地减少了对石油的依赖、空气污染、温室气体排放、汽车撞车、噪音污染和交通拥堵。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制定了新的法律来加速这一趋势。

95．新的记者网络（New Journalist Networks）

记者在特定目标上共同努力，以揭示新闻真相并为各种全球性的事件寻找证据，他们在全球范围内与报纸记者或自由职业者合作。新的记者网络节省资源，采用新的方式传播新闻和寻找证据。

96．本地食物圈（Local Food Circles）

粮食圈关注的是促进安全、区域种植的食品消费，这将鼓励可持续农业，并帮助农民、发展农村地区。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。

全球工业化食品系统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，区域性支持的农业计划正在蓬勃发展，粮食消费者可以直接与农民建立联系，并在农贸市场上购买产品。

97．拥有和共享健康数据（Owning and Sharing Health Data）

大型数据库已经由不同的机构、公司、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起来的。个人健康数据越来越有价值，在保障数据安全的前提下，可以用于研究，并且个人可以从提供数据中直接受益。

98．替代货币（Alternative Currencies）

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不断增长，世界范围内越来越多的无现金交易用于支付任何种类的服务或产品。金融交易是通过交易双方之间的信息转移（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（Basic Income）

保障最低收入（Guaranteed minimum income）或“基本收入”是一种社会福利制度，以保障公民或家庭能够有足够的生活收入。基本收入是指政府向全体公民提供相同的收入，以满足人民的基本生活条件。有了基本收入，人们就可以投入在科学、医疗、教育等领域中。在芬兰，无论就业如何，公民都可以获得基本收入，这项为期两年的计划将为2000名年龄在25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（Life Caching）

生命缓存意味着收集、存储和展示一个人的整个生活细节供私人使用，或供朋友、家人甚至整个世界披阅。数以百万计的人们正在数字化索引他们的思想、喜怒哀乐、图片、视频剪辑；他们中的大多数人以新的方式上网，公开他们日常生活中的虚拟缓存，生命缓存的目的主要是保存记忆。

免责声明：本文转自创新研究，原作者江晓波、黄诗愉。文章内容系原作者个人观点，本公众号转载仅为分享、传达不同观点，如有任何异议，欢迎联系我们！

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转自丨创新研究

作者丨江晓波、黄诗愉

编辑丨郑实

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