未来三十年中，20项影响世界的核心科技趋势

本文由半导体产业纵横（ID:ICVIEWS）编译自Office of the Deputy Assistant Secretary of theArmy

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机器人和自动化系统

到2045年，机器人和自动化系统很可能会变得很普遍。自动驾驶汽车将使交通更安全、更高效，同时可能推动共享经济的崛起。机器人会照顾老人，运送食品杂货，收割庄稼，维护公共基础设施，并提供许多其他涉及日常生活的服务。智能软件代理，或称“机器人”，将从tb的数据中提取见解，自动化业务流程，并进入客户服务、教学和其他传统上被视为“以人为中心”的角色。然而，自治制度的兴起可能会使数亿名劳动力和服务人员流离失所，造成经济不稳定和社会动荡的风险。自动化系统也将成为对手的一个有吸引力的目标和网络防御的一个新的优先事项。随着机器人系统获得机动性、灵活性和智力，机器人在军事行动中的应用将会扩大，使机器人成为未来战场上的有效合作伙伴。与此同时，对手将使用机器人和自动化系统，在道德和战术上挑战我们。

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3D打印

增材制造(3D打印)已经在工业中使用了30多年，主要是作为一种有限运行的原型设计的工具。然而3D打印技术已经有了显著的创新过去十年。3D打印机的价格正在下降，开源工具和在线市场的3D模型的可用性促进了一个充满活力的爱好者“制造商”社区的发展，他们正在推动这项技术的边界。到2040年，3D打印机将能够打印出包含多种材料、电子产品、电池和其他部件的物体。人们将能够打印工具，电子产品，替换部件，医疗设备和其他产品，根据他们的需要和需要定制。军事后勤可能会精简，因为设备和物资将在使用点直接打印。物品将成为信息，而数字盗版将取代入店行窃。恐怖分子和犯罪组织将使用几乎不可能追踪的原材料打印武器、传感器和其他设备。

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大数据

2015年，全球产生了4.4zb的数据（4.4万亿g），这一数字预计大约每两年翻一番。这大量的数据对消费者行为、公共卫生、气候变化以及一系列其他经济、社会和政治挑战提供了深刻的见解。

然而，虽然“大数据”已经成为一个流行词，但每年产生的数据中只有不到10%被分析。在未来的30年里，我们更好地利用大量动态数据集的能力将会得到提高。自动化机器人将抓取非结构化数据，识别在沉浸式虚拟数据场景中可视化的关系。随着人们获得了将大数据应用到个人生活中的能力，分析将扩展到企业之外。公民将有能力利用数据来让政府和其他主要机构负责，从而导致数据访问方面的紧张局势。超个性化营销的兴起、政府对公民数据跟踪的监控以及高调的数据丢失案例，可能会加剧人们对数据所有权的担忧。潜在的对手将利用被窃取、从黑暗网络购买或从开源自由访问的数据来危及安全并挑战美国的防御能力。

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人的拓展

在未来的30年里，技术将使我们能够超越对人类潜力的生物限制。通过物联网连接的可穿戴设备将把对上下文敏感的信息直接覆盖到我们的感官上。外骨骼和脑接口修复术将使我们更强壮，恢复老年人和虚弱者的活动能力。嵌入隐形眼镜和永久植入物的传感器和电脑可以让我们听到墙后的窃窃私语，给我们自然的夜视觉，并让我们沉浸在虚拟和增强现实中。非营养性药物将扩大我们的认知能力，改变工作和教育。当然，增强技术将是有代价的，那些负担不起升级“人类底盘”的人可能会发现自己无法在增强经济中竞争。网络增强技术对于想要控制我们身心的黑客来说，也将是一个有吸引力的目标。而美国。军队将受益于扩充士兵，部队将面对同样扩充的对手，一场扩充军备竞赛可能会演变。

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移动和云计算

移动计算和云计算正在改变人们与数据交互的方式。在美国，目前估计有30%的网络浏览和40%的社交媒体使用都是在移动设备上完成的。到2030年，全球75%的人口将拥有移动连接，60%的人应该拥有宽带接入。移动设备正变得越来越强大和功能丰富，有越来越多的嵌入式传感器可以测量天气、位置、环境光和声音，以及生物识别技术。云计算与移动数据访问相结合，提供了几乎无限的计算能力，可以无缝扩展，而不需要在IT基础设施上进行大规模投资。在未来的30年里，基于云的移动计算有潜力转变从医疗保健到教育的一切。

手机将监测生命体征，并直接与诊断应用程序通信，人们将使用移动设备的在线教育门户网站学习新技能，应用程序将允许发展中国家的农民连接实时天气数据和工具，以优化他们的收成。与此同时，移动计算和云计算将给网络安全、可靠性和带宽带来巨大压力，消费者和企业都将不得不更适应将数据移交给云计算。

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医疗进步在未来的30年里，医学将迎来多项技术突破。基因组学将产生个性化医学，包括针对癌症、心血管疾病、阿尔茨海默氏症和其他量身定制的疾病的治疗。人工器官将从DNA样本中种植用于移植，消除了救命移植的等待时间和器官排斥的风险。假肢将直接连接到神经系统，并将结合基于生物的传感器，提供接近正常的触觉。机器人急救人员和组织保存技术，如控制低温治疗，将彻底改变创伤护理，并大大延长受伤士兵的“黄金时间”。随着科学家们开启了开启衰老的钥匙，人们将活得更长的时间，保持健康和活跃，直到今天我们所认为的“老年”。与此同时，先进医疗保健的成本将使许多国家卫生保健系统面临压力，并引发在获得救生治疗方面日益加剧的不平等。即将到来的医疗革命还将使人们在未来几十年的时间里保持健康和生产力，扩大老年工人和年轻工人之间的工作竞争，并给社会保障网造成额外的压力。耐药细菌将成为世界许多地区的一个紧迫问题。

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网络安全

网络安全不是一个崭新的话题。事实上，早在1991年就有人提出了“网络珍珠港”这一警告。但是在未来的30年里，随着物流网的发展以及日常生活中越来越多的连接，网络安全将会成为网络行业首要的话题。网络攻击的范围在增加，大多数都有针对个人消费者或公司，个人攻击造成的损害虽然广泛，但很容易得到控制。随着汽车、家用电器、发电厂、街灯和数百万个其他物体的联网，一场真正具有毁灭性的网络攻击的可能性将会增加。国家、企业和个人将面临挑战，以确保他们的数据免受更隐蔽的攻击——其中许多攻击可能在数年内都不被发现。最坏的情况是设想一种“电子末日”的形式，即互联网巨大的经济和社会力量在无情的网络攻击的重压下崩溃。

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清洁能源

在未来30年里，全球的能源需求预计将增长35%。随着水力压裂法和定向钻井等方法的发展，人们已经开辟了大量新的石油和天然气储量。这些技术颠覆了全球石油市场，并使美国成为世界上最大的化石燃料生产国之一。与此同时，太阳能和风能等可再生能源的成本正接近与化石燃料持平。在过去的20年里，太阳能电池生产的电力成本已经从每瓦容量的近8美元下降到这个数字的不到十分之一。核能虽然仍是公众激烈辩论的主题，但仍在继续增长，新的反应堆设计有望提高安全性和更少的放射性废料。虽然采用更清洁的能源将有助于应对全球气候变化，但在获取电池、太阳能电池和其他能源革命的关键产品中使用的稀有材料方面，将会出现新的摩擦。化石燃料的衰落也带来了整个中东和北非的经济和社会不稳定的重大风险，给美国及其盟友带来了新的安全挑战。

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智慧城市

到2045年，世界上65-70%的人口——大约64亿人——将居住在城市中。随着城市人口的增加，拥有1000万或以上居民的特大城市的数量将会增加，从2016年的28个增加到2030年的41个。大规模向城市迁移将给城市交通系统、食品和水供应、电力和能源基础设施、卫生设施和公共安全带来重大压力。信息和通信(ICT)技术将支持“智能城市”的发展，后者利用数据和自动化，使城市中心更高效和可持续。分布式传感器系统将监测水和电力的使用情况，并通过智能电网自动平衡分配。网络交通系统和自动交通工具的选择将缓解交通拥堵。新的材料和设计技术将被用于建造智能建筑，以最大限度地提高加热、冷却和照明的效率。屋顶太阳能电池板、微型风力涡轮机、热能和其他可再生能源将提供清洁、分布式的发电。与此同时，那些无力投资这些技术的城市(或缺乏政治意愿)可能会变成拥挤、肮脏、危险的不稳定和冲突的引爆点。

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物联网

据保守估计，到2045年，将有超过1000亿台设备连接到互联网上。这将包括移动和可穿戴设备、家用电器、医疗设备、工业传感器、安全摄像头、汽车、服装和其他技术。所有这些设备都将产生和分享大量的信息，这将彻底改变我们的工作和生活方式。人们将利用通过物联网(IoT)产生的信息，做出更明智的决策，并更深入地了解自己的生活和周围的世界。与此同时，联网设备还将自动化许多目前需要人工劳动的监测、管理和修复任务。物联网、分析学和人工智能的交叉点将创建一个智能机器的全球网络，在没有人工干预的情况下进行大量的关键业务。而物联网将会改善很多方面。在经济效率、公共安全和个人生产力方面，它也将加剧人们对网络安全和隐私的担忧。犯罪组织、恐怖分子和敌对的民族国家将使用物联网作为攻击美国及其盟友的新载体。通过联网设备产生的大量数据也将使各国政府能够对人口进行大规模监测，从而导致数字自由和安全之间持续的紧张关系。

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食品和水技术

在未来30年，食物和淡水的不足将成为世界许多地区的危机点。目前大约25%的农田已经因过度耕作、干旱和空气/水污染而退化。根据乐观的预测，主食谷物的价格可能在未来几十年里上涨30%——如果气候变化、需求模式和资源管理的失败继续遵循当前的发展轨迹，100%的增长是不可能的。到2045年，39亿人，超过世界人口的40%，将面临水资源压力。技术为粮食和水危机提供了许多潜在的解决方案。海水淡化、微量灌溉、水回收、雨水收集和其他技术可以缓解淡水供应的压力。转基因作物和自动化可以提高作物产量，并允许农民从更少的土地上生产更多的营养。长期以来，在发达国家被认为是理所当然的食物和水，将成为创新的主要焦点，并可能成为冲突的主要引爆点。

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量子计算

量子计算利用亚原子粒子的特性，如叠加和纠缠，来编码和操作数据。虽然这项技术已经作为一种理论可能性被讨论了几十年，但最近横跨学术界、工业界和政府的研究实验室正开始展示可能在未来5-15年有实际应用的量子系统。量子计算可能是一种关键技术，它可以彻底改变多个其他技术领域，如气候建模、药物研究和材料科学。然而，对量子计算的兴趣与它如何改变密码学有关。量子计算机可以破解目前所有的加密方法，而量子密码学可以提供第一个真正牢不可破的编码技术。最近的研究已经开始克服许多限制了实际量子计算机发展的技术问题。虽然量子计算的现实应用可能直到20世纪40年代中期才会出现，但政府和行业的大量投资的涌入表明，量子计算可能正在接近一个临界点。

先进的数字

在过去的60年里，计算机和其他数字设备已经彻底地改变了生活，以至于人们几乎不可能记住这些技术是相对较新的。第一台个人电脑直到1975年才售出，而且只能作为客户必须自己组装和编程的套件出售。然而，仅仅40年后，68%的美国人拥有的智能手机的处理能力比1969年送宇航员上月球时还要强。3未来30年可能会继续提高计算能力和更广泛的数字资源可用性。移动计算和云计算将提供几乎无限的内存和处理速度。虚拟化和软件定义的系统将允许政府和企业快速适应IT基础设施，而不需要昂贵和浪费的硬件升级。数字产品将融入到更广泛的日常用品中，从服装到建筑材料。与此同时，技术正在出现，这将改变我们与设备的交互方式。语音接口在智能手机中已经很常见，并将继续改进。手势界面将使我们能够通过非语言行为与计算机进行交流。最终，脑机接口将允许我们控制设备通过思考，使数字系统成为我们身体的自然延伸，作为我们自己的四肢。所有这些发展都将为军队带来新的机遇和挑战。例如，嵌入式数字系统将使士兵彼此连接，并支持维持、火力协调和智能分析。另一方面，先进计算能力的激增将增加严重网络攻击的风险。

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混合现实

虚拟现实和增强现实(VR和AR)已经在消费电子行业产生了很大的热情。Facebook今年将推出一个由OculusVR开发的VR头盔市场，并于2014年收购了该系统。包括三星、索尼和HTC在内的其他主要电子公司今年都在发布虚拟现实产品，这标志着虚拟现实作为主流娱乐技术的一次重大突破。应用程序正在娱乐领域之外出现。例如，家居装修连锁店Lowes正在开发全息房间——一个3D增强现实房间，允许购物者设计一个生活区，然后走进这个空间的虚拟模型，以更好地感受它的外观。而虚拟现实和增强现实技术的历史夸大的期望将改变媒体在1990年代的超高分辨率显示，低成本的位置和位置跟踪，和高清晰度视频内容奠定了坚实的基础“混合现实”技术合并现实世界与数字信息。在未来的30年里，这些技术应该会变得更加普遍。AR显示器将提供实时的、上下文感知的数据覆盖，而VR将深入启用沉浸式体验集成视觉，声音，气味和触摸。为U.S.军队、虚拟现实和增强现实都有应用程序从培训战斗行动。

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气候变化技术

目前的数据显示，到2050年，全球地表温度将上升2.5至5.4华氏度。即使今天采取了戏剧性的措施来减少温室气体的排放，气候惯性也保证了一些气候变暖将是不可避免的。因此，海平面可能会上升，威胁到沿海城市；作物产量可能会下降，导致发展中国家部分地区出现饥荒；干旱可能会威胁到数百万缺乏淡水的人，而洪水可能会威胁到他们对家庭、企业和公共基础设施造成数十亿美元的损失。在未来30年里，这些风险将推动对技术解决方案的投资，以缓解气候变化的潜在影响。在短期内，气候变化技术将包括洪水灾害测绘系统和抗旱转基因作物。从长远来看，可能会出现更多雄心勃勃的技术，比如碳封存方法这可以将二氧化碳和甲烷等温室气体排出大气中，并将它们安全地储存在地下。如果气候变化似乎遵循4-5度或更多的变暖情况，那么可能会对地球气候产生不可能减轻的不稳定影响。在这种情况下，对地球工程的认真努力可能成为避免灾难性气候变化的唯一解决方案。例如，科学家们估计，在大气中播种硫磺或氧化铝颗粒，以减少撞击地球的太阳辐射量。这些干预措施仍然是高度理论性的，而且风险可能非常大。

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先进的材料

在过去的十年里，材料科学取得了令人印象深刻的进步，比如自愈和自清洁的智能材料；可以恢复原始形状的记忆金属；压电陶瓷，可以用来从压力中获取能量；以及具有显著结构和电学特性的纳米材料。纳米材料在广泛的应用中具有巨大的潜力。在纳米尺度(小于100纳米)，普通材料具有独特的性能。例如，石墨烯是一种由单个碳原子形成的晶格，它比钢强100倍，能有效地传导热量和电力，而且几乎是透明的。纳米材料在发动机和其他机器的超光滑涂层、飞机和汽车的坚固复合材料、轻型防弹衣和高效光电方面都有应用。除了工业应用之外，制药公司正在开发治疗性纳米颗粒，有一天可以提供针对癌症的靶向药物治疗，大大减少副作用，同时提高治疗结果。在接下来的30年里，纳米材料和其他材料新型材料，如金属泡沫和陶瓷复合材料，将会在服装、建筑材料、车辆、道路和桥梁，以及无数其他物品中找到。美国陆军将能够利用先进的材料来生产更轻、更坚固的的电池和可再生能源系统。

空间

航天工业已经进入了一个自20世纪60年代太空竞赛以来从未见过的创新和进步时期。机器人技术、先进的推进系统、轻质材料、增材制造和微型化等新技术，都极大地降低了将人和材料送入太空的成本，并为太空探索开辟了新的可能性。太空市场的新进入者，包括SpaceX公司、阿丽亚娜空间公司和蓝色起源公司，正在颠覆停滞不前的商业发射部门，并推动诸如可重复使用的运载火箭等创新。在未来的30年里，研究和开发将使人类能够重返月球，并可能导致更多戏剧性的探索，包括人类探索火星和开始全新的天基工业，如小行星采矿。虽然对太空的探索和潜在的殖民化长期以来一直吸引着我们的想象力，但对太空基础设施的日益依赖可能会导致地球上出现新的摩擦。随着越来越多的国家开始依赖太空资产，对太空的控制可能成为一个重要的闪点。太空的军事化并不是不可能的，而反卫星战争可能会对美国产生深远的影响。陆军严重依赖卫星来安全全球通信、情报收集和协调联合机动。

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合成生物学

几千年来，人类通过选择性育种和杂交，早在孟德尔确定遗传的基本定律或艾弗里-麦克劳德-麦卡蒂实验确定之前，就操纵了动植物的遗传密码。然而，随着我们对遗传学的理解的加深，通过从头开始构建新的DNA序列来设计定制的生物体正成为可能。转基因作物代表了这项技术的先锋，但我们正处于一场更广泛的革命的边缘，这场革命将把生命本身变成可以像计算机代码一样编写和重写的信息。科学家们已经在设计能够分泌生物燃料的藻类，并利用DNA编码数千千兆字节的数据。在未来的30年里，合成生物学将产生工程生物体，它们可以检测毒素，从工业废物中创造生物燃料，并通过与人类宿主的共生关系提供药物。与此同时，合成生物学代表着巨大的风险，包括工程生物武器和可能破坏自然生态系统的入侵合成生物。