几乎看不见的针头，即“微针”将带来无痛注射和验血的时代。微针可连接注射器，也可连接贴片，它能避免与神经末梢接触，从而防止疼痛。微针一般长50微米至2000微米（大约相当于一张纸的厚度）、宽1微米至100微米（大约相当于人的头发粗细），它穿透细胞已死亡的皮肤最上层进入表皮。但大多数微针不会抵达或者只是稍稍接触到下面的真皮，也就是神经末梢所在的地方。

许多对人类健康和舒适十分重要的化学品在生产时要消耗矿物燃料，从而会增加二氧化碳排放和加剧气候变化。一种新的方法是利用阳光将废弃二氧化碳转化成我们需要的这些化学物质。

得益于光催化技术的进步，这个工艺越来越可行。近年来，研究人员开发出了能够还原二氧化碳中碳和氧的光催化剂。在此基础上就能创建“太阳能”提炼厂，用废气生产有用的化合物，包括可用于合成药物、洗涤剂、肥料和纺织品等多种产品的“平台”分子。

如果电脑能替代患者，那会怎样？比方说，如果在新冠病毒试验的某些阶段能用虚拟人替代真人，那可能就会加快预防手段的研发而减缓疫情蔓延。这就是“电脑模拟医学”的好处，即：用虚拟器官或人体系统来测试药物和治疗方法，进而推断真人对这些疗法的反应。在可预见的未来，后期研究会需要真人患者，但有了电脑模拟试验，科研人员将能够对药物和治疗方法的安全性和有效性进行速度快、成本低的初步评估，从而大大减少试验所需活体人类受试者的数量。

设想80多岁的玛莎独居且需要坐轮椅。玛莎从卧室到厨房时，照明灯开启，周围温度适当调整。如果猫猫从前面经过，轮椅会减速。如果她上床的时候有摔倒迹象，家具会迅速挪过来保护她，同时她的儿子和当地监测站将接到警报。

这一场景的核心就是“空间计算”，它是现实世界与数字世界正在融合的下一步方向。虚拟现实和增强现实应用软件能做的，它全都能做到：把云连接的物体数字化，让传感器和马达彼此呼应，以数字化方式呈现真实世界。然后，它将这些能力与高保真的空间测绘结合起来，使计算机“协调员”能够在一个人穿行于数字或现实世界时追踪和控制物体的移动和相互感应。空间计算很快将在各行各业把人机互动和机器互动提升到新的高度，包括在工业、医疗、交通和家居领域。

投入使用或正在开发的大量应用程序现在能够自主检查或监测身心疾病或直接给予治疗。这种软件被统称为数字医疗，它可以加强传统医疗，也可以在医疗服务受限的情况下给予患者支持——这在新冠肺炎危机背景下格外需要。

2019年，航空旅行占全球碳排放的2.5%，这一数字到2050年可能会增加两倍。虽然有些航空公司已开始为其碳排放进行补偿，但更大力度的减排措施势在必行。电动飞机可提供所需的改造规模，多家公司正在竞相开发。电动推进的马达不仅能消灭直接的碳排放，还能使燃料成本最多降低90%、维护成本最多降低50%、噪音降低近70%。

混凝土是建筑业中使用最广泛的人造材料。据英国皇家国际问题研究所说，其关键组成部分之一——水泥在生产中产生的二氧化碳数量惊人，但未得到充分重视：最多占全球排放总量的8%。各种低碳生产办法得到开发，其中有些已经付诸实践。

美国初创企业Solidia采用的一种化学过程将水泥生产过程中释放的二氧化碳减少了30%。与通常的工艺相比，这个方法增加了黏土用量、减少了石灰石用量并减少加热。加拿大CarbonCure公司通过矿化作用把从其他工业过程收集的二氧化碳储存到混凝土中，而不是将其作为副产品排放到大气中。加拿大CarbiCrete公司彻底放弃在混凝土中使用水泥，代之以被称为钢渣的炼钢副产品。

此外，研究人员一直在设法将细菌纳入混凝土配制，以吸收空气中的二氧化碳并改善混凝土的性能。

量子传感器与量子计算机一样具有变革性，可推动实现能“看清”弯道的自动驾驶汽车、水下导航系统、火山活动和地震预警系统，以及监测人的日常大脑活动的便携式扫描仪。

量子传感器利用物质的量子特性达到极高的精准度，原子钟就是一个例子。其他量子传感器则利用原子跃迁来探测动作的微小变化以及引力场、电场和磁场中的细微差异。

氢燃烧的唯一副产品是水，这就是为什么氢几十年来一直是一种诱人的零碳能源来源。然而，传统的矿物燃料制氢法远远达不到零碳排放。绿色氢是通过电解产生的，机器把水分解成氢和氧，没有其他副产品。从历史上看，电解需要的电力太多，用这种方式制氢根本不划算。但情况正在发生变化，原因有二。其一，如今有了大量富余的可再生能源电力，这些富余电力可以用来对水进行电解，把电力以氢的形式“储存”起来。其二，电解器的效率越来越高。

新冠肺炎疫情初期，中国的科学家将新冠病毒的基因序列上传到了基因数据库。然后，瑞士的一个研究小组用它合成了完整的基因组、制造出这种病毒——基本上就能将病毒传送到实验室进行研究，而无需等待实物样本。这样的速度充分说明了全基因组打印技术对医学和其他工作的促进作用。

全基因组合成是合成生物学的延伸。研究人员用软件设计出基因序列，将其制造出来植入微生物，从而对这个微生物进行重新编程使之按照人的意愿发挥作用，比如形成一种新药。到目前为止，基因组只能接受轻微的编辑。但随着合成技术和软件的改进，打印链条更长的遗传物质、更广泛地改变基因组成为可能。

研究人员想到了许多应用，包括设计能抵抗病原体的植物，以及一种超级安全的人类细胞系，比如说不会感染病毒、罹患癌症和遭受辐射，这可以成为细胞疗法或生物制造的基础。编写人类基因组的能力必将出现，使医生能够治愈即便不是所有也是很多种遗传疾病。

原标题：《科学美国人》月刊评出2020年十大新兴技术