1. 结构电池复合材料

将能源与工程技术融合在一起。

提示（缩写）：“金色分层量子盘将有机数据提炼和过滤成单一光流。”Image: Midjourney 和 Studio Miko。

| 道格·阿伦特 国家可再生能源实验室基金会执行主任

| 安德鲁·梅纳德 亚利桑那州立大学未来创新与社会学院教授

| 大卫·帕雷克 SRI国际首席执行官

结构电池复合材料 (SBC) 集成了承载机械部件和可充电储能装置。这意味着结构电池复合材料可以像传统锂离子电池一样储存能量，同时还能作为车辆或建筑物的刚性部件，为其供电。¹ 相比之下，传统电池系统的电化学部件被放置在一个容器中，这增加了重量，却没有提供任何结构优势。SBC 可以包含碳纤维、环氧树脂或其他轻质高强度材料，并且可以通过 3D 打印进行制造，并针对表面积和结构强度进行优化，从而提高效率。² SBC 的应用范围非常广泛，从电动汽车 (EV) 到航空航天技术均有涉及。

结构电池复合材料的概念源于过去二十年间材料科学的进步，尤其是在复合材料、电池和电化学领域。³ 该技术仍处于商业化初期，但已取得显著进展。电动汽车目前已将电池作为车身结构的一部分，而结构电池复合材料将使各种形状和尺寸的车身面板都能兼具电池和车身功能，从而将这一技术提升到一个新的水平。

未来，SBC技术有望使所有刚性车身面板都能以类似​​的方式储存能量。例如，空客公司正在试验将SBC技术应用于飞机，⁴与此同时，学术界也在不断探索新的材料和方法来提升其性能。目前正在探索的应用包括储能型车身面板和无人机框架，未来潜在的应用还包括飞机机身。

尽管结构电池复合材料（SBC）技术潜力巨大，但由于在实现高能量密度、长期稳定性、安全性、耐久性和成本效益等方面面临诸多技术挑战，其尚未得到广泛应用。⁵监管方面也存在障碍。随着结构电池复合材料技术的日趋成熟，在实现大规模应用之前，必须制定一套新的安全法规和标准。关键里程碑包括将碳纤维等轻质材料与电池技术相结合，从而制造出既可作为结构部件又可作为储能单元的多层复合材料。

结构化复合材料（SBC）的影响将是巨大的。从经济角度来看，它们有望通过减少结构材料的用量来降低制造成本，进而减轻车辆和飞机的整体重量；更轻的车辆运行所需的燃料也更少。从环境角度来看，如果开发得当，结构化复合材料可以带来节能设计，减少材料需求，并使再利用、改造和回收更加快捷、经济。它们在航空和运输等行业的应用将有助于提高运营的可靠性和可持续性。

阅读更多：欲了解更多专家分析，请访问 SBC转换图作者：Lief Erik Asp、Björn Johansson 和 Johanna Xu。

战略展望：结构电池复合材料

由迪拜未来基金会

结构电池复合材料的出现，标志着材料科学与能源技术的融合，也代表着全球产业的一个关键转折点。未来十年，这些创新材料有望从根本上重塑多个领域的基础设施、储能和产品设计理念。

目前全球85%的锂矿提炼都集中在三个国家，因此关键矿产的地缘政治格局正处于关键时刻。SBC（锂离子电池）为能源材料供应链的多元化和分散化提供了一条战略途径。这一技术变革可能会重塑全球经济依赖关系，并改变各国对待能源基础设施和技术主权的态度。

除了供应链的影响之外，变革潜力在交通运输领域最为显著。在汽车行业，车辆重量减轻10%可使燃油效率提高6-8%，电动汽车续航里程增加70%。^7,8 航空业也蕴藏着同样令人瞩目的机遇，在1500公里的航程中，燃油效率有望提高15%。⁹ 这些并非仅仅是渐进式的改进，而是交通运输设计和能源消耗系统性变革的潜在催化剂。

为了大规模实现效益，战略领导者必须认识到，挑战远不止于技术创新。现有的监管框架并未充分考虑双功能材料。安全标准、测试规程和建筑规范需要进行全面重新设计，以适应那些既能提供结构完整性又能储存能量的材料。

可持续性既是一项严峻的挑战，也是一个机遇。碳纤维虽然强度是钢的五倍，但由于其生产过程碳排放量高​​，且回收利用面临诸多挑战，目前仍面临着严重的环境制约。^10,11 然而，人工智能驱动的复合材料设计技术的进步预示着更具可扩展性的生物基替代品的出现。¹²

最具前瞻性的组织会将这项技术视为超越产品改进的全新视角，它代表着材料功能理念的根本性重塑。在建筑领域，这意味着建筑物不再仅仅是遮风避雨的场所，而是充满活力的能源系统。在电子领域，这意味着设备能够无缝集成结构完整性和储能功能。

战略决策者面临着一个关键选择。那些积极投资于了解和开发这些技术的人将能够：

• 重新设计整个产品类别

• 降低各工业部门的能源消耗

• 创建更具韧性和适应性的基础设施系统

• 开发挑战现有技术范式的新型经济模式

未来十年，那些不满足于渐进式改进，而是将SBC视为变革性技术平台的组织将获得显著优势。成功取决于材料科学、设计、能源系统和监管框架等领域前所未有的合作。

DFF相关大趋势： 材料与能量边界13

2. 渗透动力系统

将盐分转化为能量。

提示（简述）：“两个水源之间能量的流动，产生电力。”Image: Midjourney 和 Studio Miko。

| 凯瑟琳·丹尼尔 澳大利亚国立大学控制论学院院长兼教授

| 艾莉森·刘易斯 开普敦大学工程与建筑环境学院院长

渗透发电系统利用两种水源的盐度（含盐量）差异，通过多种方式产生能量。这类系统清洁、可再生、低影响，并且能够提供稳定的能源。相比之下，太阳能和风能等可再生能源的发电量会因天气状况而出现剧烈波动。尽管渗透发电的概念最早于1975年提出¹⁴，但由于膜性能的限制，例如膜的流速不足以及即使在较大面积的系统中发电量也有限¹⁵，当时渗透发电系统未能得到应用。为了解决这两个问题，近年来涌现出许多新型材料^16,17和系统设计¹⁸，这些都有助于提高膜的流速。

渗透发电系统主要有两种设计。一种称为压力延迟渗透（PRO），它使用一种特殊设计的半透膜，这种膜只允许水从低盐度环境流向高盐度环境。膜一侧水量的增加会产生压力差，该压力差可用于驱动涡轮机，涡轮机带动发电机旋转，从而产生电力。

另一种方法是反向电渗析（RED）¹⁹，它利用离子交换膜选择性地允许阳离子（带正电荷）和阴离子（带负电荷）移动到膜的两侧——驱动这种移动的因素同样是膜两侧盐含量的差异。在这种情况下，电荷的流动直接产生电流。

这些进展既有实验室试验阶段，也有正在开发中的商业化发电厂项目。例如，Sweetch Energy公司的OsmoRhône 1项目就是一个商业化项目，已于2024年开始系统安装。丹麦公司SaltPower成立于2015年，该公司已开始利用地热场涌出的超浓缩盐溶液发电。在日本福冈，Mega-ton Water System Project项目以循环经济模式，从海水淡化厂生产纯净水后剩余的高盐溶液中提取能源。除了发电之外，反向电渗析等技术也被证明在生产纯净水以及从该过程中使用的水中回收锂、氮和二氧化碳(CO2)方面具有潜在应用价值。

渗透发电技术全面普及面临的挑战主要集中在技术和经济方面。前几代渗透发电站存在膜污染和成本高昂的问题，尽管近期的技术进步已提升了其性能。除此之外，该技术基于清晰且无可争议的科学原理，即利用盐度差异提取能量。除了许可审批流程和有效的环境及社会影响评估之外，一旦对渗透发电系统进行足够的资金投入，其广泛应用似乎就几乎不存在其他障碍。

阅读更多：欲了解更多专家分析，请访问 渗透动力系统转换图作者：奥德内·布尔海姆。

战略展望：渗透动力系统

由迪拜未来基金会

渗透发电系统可能为能源生产提供一种独特的方法，每年有潜力产生 5,177 太瓦时 (TWh) 的电力——几乎占全球电力需求的五分之一。23,24 如果大规模开发，这项技术可能会改变社会管理水资源的方式，同时在沿海和河口环境中创造新的能源生产能力。

这项技术最具吸引力的机遇在于其将能源生产与水资源管理相结合的能力。公用事业公司可以开发混合可再生能源系统，将渗透发电与风能、太阳能和水力发电技术相结合，从而构建更具适应性和韧性的能源网络。²⁵ 沿海和河口社区尤其可以从增强当地能源韧性的分散式能源解决方案中受益。²⁶

随着技术的成熟，它可能会重塑全球资源管理方式。研究势头日益强劲——2022年至2024年间发表了281篇相关研究论文，而1968年至2010年间仅发表了263篇——这表明该领域正处于一个关键的转折点。²⁷ 像Sweetch Energy公司2500万欧元的投资等举措表明，人们对这项技术的潜力越来越有信心。²⁸

同样具有变革意义的是，其潜力不仅限于能源生产，还能为水处理和资源回收开辟新的途径。渗透发电技术有望实现海水淡化的新方法，并在过程中回收锂等关键资源。这将构建水资源管理、能源生产和资源开采深度融合的互联系统。^29,30

想象一下，未来用水密集型产业不再将水视为废物流，而是将其视为战略资源平台。各个社区或许能够发展出将地理限制转化为机遇的经济模式。这些产业可以重新构想其基础设施，从而在每一次与水的互动中创造多种价值——能源、纯净水和回收材料。

为了大规模实现效益，最具创新精神的组织会将渗透能视为一种超越能源技术的全新平台，它代表着一个潜在的创新平台，能够重新构想高耗水行业创造经济价值的方式。海水淡化厂可以从成本中心转型为多功能资源生产中心，同时生产能源、纯净水和可回收矿物质，从而将基础设施从线性流程转变为适应性强、能够创造价值的生态系统。

通过整合渗透发电系统，社会可以发展出更具韧性、更可持续的资源管理方式。这项技术有望变革能源生产、水处理和经济价值创造的方式，并有可能构建出能够同时服务于水资源管理和能源生产的多功能基础设施。

DFF相关大趋势： 材料与能量边界31

3. 先进核技术

用下一代核能推动进步。

提示（缩写）：“核反应产生能量旋涡。”Image: Midjourney 和 Studio Miko。

| 道格·阿伦特 国家可再生能源实验室基金会执行主任

| 凯伦·霍尔伯格 巴里洛切原子中心 (CONICET) 首席研究员

| 伯纳德·梅耶森 IBM 荣誉首席创新官

受电气化交通、人工智能等新兴技术以及为实现气候目标而大力推进的脱碳进程的推动，能源需求正迅速增长。全球电网必须扩容以满足不断增长的负荷需求，同时还要保持可靠性、韧性和经济性。

为了满足对绿色能源的需求，核能领域正在掀起新一轮技术创新浪潮。第三代反应堆主要为压水冷却反应堆，并采用了容错燃料和改进的安全系统。与此同时，第四代反应堆则提出了新的冷却介质方案，例如熔融金属、熔盐或氦气等气体。这些替代冷却剂可在更高的温度和更低的压力下运行，简化反应堆设计，提高安全性并降低成本。

此外，小型化发电厂的趋势日益明显，其设计允许关键部件在工厂制造，然后运输到现场。这些小型模块化反应堆（SMR）的发电能力通常约为传统核反应堆的三分之一。³² 部署多个相同的SMR来实现发电，可以避免定制反应堆的高昂成本和漫长的设计周期，因此SMR对于分布式发电极具吸引力。

各国正投入大量公共资金支持大型小型模块化反应堆（SMR）和替代冷却设计。³³ 这些投资还涵盖新的燃料制造设施和浓缩厂，使得这些反应堆有望在本十年末投入使用。³⁴ 目前，除俄罗斯和中国外，只有少数国家在大型反应堆方面投入巨资。其中最引人注目的是韩国，该国拥有26座核反应堆，占全国电力供应的三分之一。³⁵ 阿联酋的清洁能源战略计划到2050年投资1630亿美元，使其一半的电力来自核能和可再生能源。³⁶ 近年来，欧洲的两座压水反应堆（EPR）和美国的两座AP1000反应堆也已投入运行。³⁷

在小型模块化反应堆（SMR）领域，俄罗斯和中国已经拥有运营中的电站，而西方国家正在设计、建造和监管框架方面迅速推进，以建立一个具有竞争力的产业。2024年11月，世界经济论坛与埃森哲合作发布了相关报告。 加速先进核能和小型模块化反应堆部署的协作框架它作为工具，使利益相关者就实现这项关键技术部署所需的关键行动达成一致。

虽然核能部署的近期前景在于裂变反应堆，但许多人的长期目标是核聚变，即氢原子聚变成氦的过程，这个过程会释放出巨大的能量——太阳的能量来源正是基于同样的机制。尽管目前尚未实现净功率增长，但人们普遍相信，在未来一到二十年内，这种近乎无限的清洁能源将会成熟。

向先进核能技术的转变，加上加强可再生能源战略和改进储能解决方案，凸显了全球摆脱化石燃料、确保可持续零碳未来的紧迫性。

阅读更多：欲了解更多专家分析，请访问 先进核技术转型路线图作者：谢尔盖·杜达列夫、田文熙。

战略展望：先进核技术

由迪拜未来基金会

先进核技术，特别是小型模块化反应堆和气冷反应堆，为实现清洁、可靠的能源提供了一条充满希望的途径。与传统核电站相比，这些技术兼具选址灵活和安全性更高的优势，使其成为实现可持续能源未来的关键推动力量。

到2030年，小型模块化反应堆（SMR）有望重新定义电力输送方式。这些工厂预制的机组能够为偏远社区供电，或并入现有工业设施，从而扩大稳定、零碳电力的供应范围。这种灵活性有助于支持可变可再生能源的并网，其模块化设计也提高了电网稳定性。SMR将核能技术的应用范围扩展到了传统大型核电站此前无法触及的地区。³⁸

与小型模块化反应堆（SMR）并行发展的气冷反应堆有望重新定义电力输送方式。它们为推动工业脱碳提供了重要机遇，能够为氢气生产和重工业等高难度应用提供高温工艺热（600-950°C）。这些行业约占全球二氧化碳排放量的15%^39,40，核技术有望助力解决这些最难减排的排放问题。

展望未来，为了支持净零排放目标，2020 年至 2050 年间，全球核能产能可能会翻一番。41 虽然高昂的初始资本成本仍然是一个挑战，但推动标准化反应堆设计和规模经济42 为更经济的部署提供了一条途径。

要使先进核技术有效扩展，解决供应链和劳动力方面的挑战至关重要。稳定、可持续地获取耐辐射合金等特种材料，并克服核工程人才短缺的问题（2012年至2022年核工程专业毕业生人数下降了25%），对于保持反应堆研发和部署的势头至关重要。

先进核能技术的广泛应用取决于通过透明沟通重建公众信任，并证明下一代反应堆的安全性。此外，随着核电站数字化程度的提高，强大的网络安全对于保护基础设施和确保安全、可靠的电力供应至关重要。

在小型模块化反应堆部署方面领先的国家，包括中国、英国和美国，正在将自己定位在新的技术范式的前沿。44 核能领域的领导地位现在已成为战略技术能力的标志。

先进核技术的应用路径很可能取决于具体的应用场景，而非采用单一的部署模式。小型模块化反应堆（SMR）可能首先服务于偏远社区和需要独立于电网基础设施的可靠电力供应的工业设施，而先进的反应堆设计则可能融入现有电网，替代即将退役的传统核电站。核能与可再生能源、氢能和工业脱碳的交叉融合，将带来最大的价值。

DFF相关大趋势： 材料与能量边界45

4. 工程化活体疗法

旨在按需提供治疗的微生物。

提示（缩写）：“网状结构，生长中的真菌和生物体。”Image: Midjourney 和 Studio Miko。

| 托马斯·哈通 约翰·霍普金斯大学彭博公共卫生学院循证毒理学多伦坎普·兹宾登讲席教授

| 李相烨 高级副总裁（研究）；韩国科学技术院（KAIST）特聘教授

| 威尔弗里德·韦伯 莱布尼茨新材料研究所科学主任兼新材料教授

工程化活体疗法是先进的益生菌系统，例如与人类健康相关的微生物、细胞和真菌，其研发目的是以可控且可持续的方式生产药物、酶和激素等治疗物质。为了实现这一目标，需要将包含治疗物质生产指令的遗传密码导入这些系统。该方法的一个重要特点是能够引入生物控制机制，通过患者自主控制的触发机制或响应特定的、临床认可的疾病信号来调节治疗物质的生产，从而确保精准且安全的激活。⁴⁶

体内药物生产有望克服传统药物的关键缺陷，尤其对于高成本生物制药而言。目前，这些药物需要在实验室中使用改造后的细胞系进行生产，然后经过大量的纯化、加工和制剂处理。直接在体内生产治疗药物可以避免这些下游步骤，而这些步骤通常占生产成本的70%。⁴⁷ 此外，对于需要频繁注射给药的药物，在患者体内持续生产可以确保药物的长期稳定供应，并提高患者的治疗依从性，这在糖尿病治疗等关键领域至关重要。

这些进展得益于合成生物学和基因工程的进步，目前美国、欧洲和中国的相关研究正受到广泛关注。多家公司正在开发这项技术的商业应用。例如，美国的Chariot Bioscience公司正在探索一种微生物平台，该平台可在单次给药后将治疗药物释放到血液中，从而显著减少重复注射的需求。⁴⁸芬兰公司Aurealis Therapeutics正在开展II期临床试验，利用改良的益生菌乳酸菌同时生产三种治疗性蛋白，用于治疗糖尿病足溃疡。⁴⁹NEC公司正在开展I/II期临床试验，利用一种减毒的沙门氏菌菌株来激活患者的免疫系统，以对抗癌细胞。⁵⁰

安全性至关重要。开发人员正在积极解决诸如意外基因转移、免疫反应和环境释放等问题。⁵¹ 目前处于研究阶段的有前景的方法包括：代谢和基因程序，可按需阻止细菌生长或杀死细菌；以及将细菌安全地封装到聚合物容器中。⁵²

除了科学和技术进步之外，还需要制定监管框架（例如欧洲的先进疗法药品），以便卫生当局能够评估疗效和安全性，并最终批准上市。

阅读更多：欲了解更多专家分析，请访问 工程化活体疗法转型图作者：让·玛丽·弗朗索瓦。

战略展望：工程化活体疗法

由迪拜未来基金会

工程化活体疗法代表了一种充满希望的医学新构想，它并非传统的治疗方法，而是将药物研发视为体内的一种生命系统。这种方法有望将药物生产从制药厂转移到患者体内的生物过程，从而开辟治愈方式和发生部位的新领域。

对于全球医疗保健系统而言，这代表着解决长期存在的药品分销难题的潜在方案。随着活性疗法能够实现局部给药、胶囊给药或食品植入式治疗，传统的生产和分销模式将被重新定义，从而推动生产向分散式转变，并促使现有医药基础设施重新利用，以扩大此前被认为难以获取药品的地区的药品供应。

对患者而言，这种转变不仅限于便利性，更从根本上改变了慢性病管理的体验。目前的模式可能会演变为能够无缝融入日常生活的治疗方法。随着治疗变得更加自主和灵活，持续的健康管理带来的心理负担可能会减轻，这不仅有望改善临床疗效，还有望提升整体生活质量。

医药行业格局或将发生重大变革。制药公司、生物技术公司和研究型大学很可能引领活体疗法的发展，而乳制品和益生菌生产商等新兴企业也可能进入这一领域。随着该领域的演进，非传统合作伙伴之间的合并可能会出现，一些研究人员正在探索建立监管严格的益生菌平台，以支持未来的消费者健康应用。

与可穿戴技术的整合有望在治疗性微生物和外部监测系统之间建立反馈回路。可穿戴技术能够实现对细菌疗法的精准实时监测，从而进一步增强这种反馈回路，确保其安全性和有效性。这项技术的规模化应用需要人工智能、生物技术和健康技术交叉领域的进步。人工智能有望支持细菌功能的安全和靶向设计，帮助在严格控制的临床条件下优化其治疗效果和与人体的相容性。生物学和技术在细菌生产和实时产品监测方面的融合，将是活体疗法发展的关键。

战略准备需要应对几个关键挑战。按需终止微生物活性的能力对于降低不受控制的复制或意外基因转移的风险至关重要。研究人员正在探索创新的安全机制，例如外部激活的光响应细菌系统⁵³，与传统的基于摄入的关闭方法相比，这些机制可能提供更多层控制。监管框架是负责任开发的重要组成部分，结构化的沙箱环境提供了一种在特定条件下测试这些创新的方法，同时确保了强有力的伦理监督和公众问责。

决策者正面临着医疗保健发展史上的一个关键时刻。积极投资于工程化活体疗法的机构将占据有利地位，从而：

• 将慢性病管理从阶段性治疗转变为持续性护理

• 重新设计药品供应链，以提高可及性和韧性

• 建立本地化生产系统，以减少对集中式生产的依赖

• 开发能够根据个体患者生理状况动态调整的新型治疗模式

• 开创性监管框架，在创新与适当保障之间取得平衡

在接下来的十年里，参与研发工程化活体疗法的医疗机构、制药公司和生物技术公司可能会对药物的提供和体验方式产生意义深远的影响。

未来的进展可能取决于合成生物学、人工智能、临床医学、患者权益倡导和监管科学之间的合作，以探索治疗适应患者而不是患者适应治疗的未来。

DFF相关大趋势： 未来人类与先进的健康与营养54

5. GLP-1 类药物治疗神经退行性疾病

激活大脑通路，延长寿命，保持健康。

提示（缩写）：“特写镜头展现了连接着流动橙色能量的突触。”Image: Midjourney 和 Studio Miko。

| 托马斯·哈通 约翰·霍普金斯大学彭博公共卫生学院循证毒理学多伦坎普·兹宾登讲席教授

一类最初用于治疗2型糖尿病和肥胖症的新型药物——技术上称为胰高血糖素样肽-1受体激动剂（GLP-1RA）——目前正在探索其治疗阿尔茨海默病和帕金森病等神经退行性疾病的潜力。早期研究表明，这些药物可能具有神经保护作用，包括抗炎、抗氧化和胰岛素增敏作用，这些作用可能延缓或改变疾病的进展。⁵⁵

GLP-1受体激动剂（GLP-1RA）给药后，可穿过血脑屏障，与大脑的神经元和胶质细胞相互作用。研究表明，它们能够减轻炎症并促进毒性蛋白的清除，而炎症和毒性蛋白的清除若不加以治疗，均与阿尔茨海默病和帕金森病的发生发展密切相关。⁵⁶ 这类药物还被证实能够延长脑细胞寿命并调节能量代谢，从而改善认知和运动功能。目前正在研发新型制剂，以期提高药物向大脑的递送效率，从而增强其潜在的治疗效果。⁵⁷

来自普通人群的初步观察性数据⁵⁸表明，GLP-1受体激动剂可能与神经退行性疾病患者预后改善相关。初步临床研究结果不一，但显示出令人鼓舞的迹象。目前，GLP-1受体激动剂的长期应用前景依然乐观，但仍需开展复杂严谨的临床试验（目前相关试验正在进行中），以证实其疗效并制定实现预期疗效的最佳用药方案。

如果证实GLP-1类药物对治疗阿尔茨海默病和帕金森病有效，它们将对全球经济产生巨大的影响。目前全球有超过5500万人患有痴呆症，预计到2031年，GLP-1类药物的全球市场规模将增长至557亿美元。⁵⁹ 同样，造福社会的还有照护和治疗这些疾病患者的情感和经济成本，这将大幅降低。

监管审批仍然是一大障碍，因为需要长期的临床疗效数据。此外，高昂的药价可能会限制药物的可及性，因此需要政策干预以提高其可负担性。密切的安全监测至关重要，尤其要关注体弱患者的体重减轻情况。随着高级临床试验的推进，GLP-1受体激动剂在改善神经退行性疾病预后方面的潜力正受到密切关注。尽管早期研究令人鼓舞，但其未来的影响将取决于新出现的证据的强度以及科学界、监管机构和医疗保健界之间的持续合作。

阅读更多：欲了解更多专家分析，请访问 GLP-1s用于神经退行性疾病转化图谱作者：托马斯·哈通和杰夫·M·P·霍利。

战略展望：GLP-1疗法在神经退行性疾病中的应用

由迪拜未来基金会

将GLP-1受体激动剂重新用于治疗神经退行性疾病，可能会显著改变我们长期以来对老年衰退相关疾病的治疗方式。目前，早期研究正在探索这些药物在治疗阿尔茨海默病和帕金森病方面的潜力^60,61——这两种疾病影响着全球近5000万人^62,63——如果这些药物的疗效得到证实，其未来影响将不仅限于临床结果，还将波及医疗保健服务模式、老年护理以及社会对老龄化的预期。

未来十年，医疗服务体系或将开始向早期干预和疾病调控转型，而不再仅仅关注症状管理。这一转变有望逐步重塑老年护理基础设施，在降低对重症记忆护理需求的同时，催生以维持老年人功能和独立性为核心的新型护理模式。随着资源从晚期护理转向预防和早期干预，医疗经济格局也可能随之转变，在改善治疗效果的同时，创造新的价值路径。

社会影响可能十分显著。对于早期患者而言，即使病情进展略有延缓，也能让他们拥有更多独立生活的时间，并能更好地参与家庭活动。如果未来的治疗方法被证实能有效延缓疾病进展，这将减轻照护者的负担，并有可能提高照护者（通常是女性）的就业率和经济稳定性。这也有助于老年人更长时间地保持活跃和参与社会活动，从而促进社区的社会延续和代际联系。

随着需求的增长，这类新兴药物的供应链面临压力。64,65 多家大型制药公司已宣布大规模投资，旨在扩大生产能力——这反映出人们对 GLP-1 疗法的潜力以及满足不断变化的生产需求所需的重大创新的兴趣。

可负担性仍然是一项关键挑战。由于成本高昂且在许多情况下报销有限，66,67 GLP-1受体激动剂虽然可能在长期内节省医疗费用，68 但也可能带来短期成本压力。这引发了关于定价模式的重要问题，即如何更好地平衡短期支出和未来收益，并可能加速医疗保健系统在预防性干预措施价值评估方面的更广泛改革。

鉴于近期临床试验中GLP-1受体激动剂（GLP-1RA）展现出令人鼓舞但结果不一的潜力，目前正探索将其作为未来治疗策略的潜在组成部分——但仍需进一步的临床验证。此外，诸如GIP（葡萄糖依赖性促胰岛素多肽）受体激动剂等辅助疗法也在研究中，随着临床认识的不断深入，这些疗法有望构建更加个性化和阶段特异性的治疗方案。

目前，人们正在探索GLP-1受体激动剂在神经退行性疾病治疗策略转变中的潜力——从症状管理转向疾病本身的改善。如果未来的研究支持这一方向，则可能影响医疗保健系统和社会应对老龄化和认知健康的方式，并对护理模式和社区支持体系产生更广泛的影响。

DFF相关大趋势：未来人类与先进健康与营养71

6. 自主生化感知

为生物传感器连接线路以实现实时洞察。

提示（缩写）：“微生物漂浮在微型技术之上。”Image: Midjourney 和 Studio Miko。

| 凯瑟琳·丹尼尔 澳大利亚国立大学控制论学院院长兼教授

| 威尔弗里德·韦伯 莱布尼茨新材料研究所科学主任兼新材料教授

自主生化传感器是一种分析设备，能够自主、连续地检测和量化特定的生化参数，例如用于患者个体化健康管理的疾病标志物，或用于环境管理的土壤或水中的化学变化。

它们利用定制的物理化学传感器或生物传感器（例如酶、抗体甚至工程改造的活细胞）来检测目标化学物质。这些传感器设计为可独立运行并报告检测结果，无需人工干预。它们采用无线通信和能量采集技术，例如利用生物燃料电池等自持电源⁷²，从而实现实时连续监测。由于这些传感器的数据可以远程获取，因此它们适用于难以到达的地区或偏远位置。这使得对人类健康和环境状况的持续监测成为可能。

虽然像众所周知的COVID-19检测这样的典型传感器都是一次性的，但自主生化传感的挑战在于实现连续监测和电子数据采集。这些技术限制使得自主生化传感器的应用范围非常有限。迄今为止最成功的应用是可穿戴式血糖传感器，它可以实时测量血糖浓度，并与智能手机通信，从而控制胰岛素泵以稳定血糖水平。投资于此类技术研发和生产的大型公司包括雅培、罗氏和杜邦。

由于材料科学、纳米技术、仿生学和无线技术的同步发展，自主生化传感技术正在兴起，以应对其他目标和应用。例如，在用于检测炎症标志物的可穿戴传感器中加入主动复位功能，可以实现连续监测，而非单次使用。⁷⁴ 繁荣健康 该公司正在开发用于持续监测女性激素水平的可穿戴设备，以用于排卵追踪、生育治疗和更年期护理。目前正在研发的微生物全细胞生物传感器，利用微生物在遇到目标检测物质时产生或消耗某种酶，该酶即为它们的“检测”信号。

这些新兴技术有望改变许多需要持续监测特定健康状况的人们的生活。食品安全和环境监测流程，特别是污染早期检测流程，也可能带来显著的社会和环境效益。

许多传感器的使用寿命仍然很短，需要定期更换。然而，新一代传感器有望在降低成本方面有所改进。与传统的医疗或环境传感设备相比，微生物全细胞生物传感器面临着额外的监管障碍和伦理挑战，因为它们是经过基因工程改造的生物体，有可能释放到环境中。

阅读更多：欲了解更多专家分析，请访问 自主生化传感转化图作者：德蒙特·戴蒙德。

战略展望：自主生化传感

由迪拜未来基金会

自主生物化学传感技术能够提升多尺度健康保障能力，涵盖从个体福祉到生态系统活力的各个层面。这些系统正从依赖操作人员的仪器发展成为自主预测网络⁷⁵，有望在无需人工干预的情况下监测和响应生物及化学信号，从而为社区、粮食系统和自然环境提供更强有力的保护。

自运行传感网络有望从根本上重塑关键基础设施的早期预警系统。环境保护机构可以从定期采样过渡到连续、实时的检测网络，无需人工干预即可识别污染物、病原体和毒素。⁷⁶ 这种从被动监测到主动监测的转变，能够使响应系统提前数小时甚至数天应对污染事件，从而有可能防止大范围污染，而不仅仅是记录污染情况。

食品安全体系也将经历类似的变革。借助灵敏度提高1000倍、可在60秒内检测出食品毒素的传感器⁷⁷，供应链可以采用连续验证而非批量检测。这一变革将改变监管框架和生产经济模式，有望降低食品召回的规模和频率⁷⁸，同时实现全球分销网络中更精准的可追溯性。

随着生物化学传感技术的进步，医疗服务模式可能会发生重大变革。通过可穿戴设备和即时检测生物传感器实现诊断的去中心化，可以将检测能力从传统医疗机构扩展到家庭和偏远社区。⁷⁹ 这种诊断信息的分布式应用可能会从根本上改变诊疗路径，使早期干预成为可能，同时还能产生海量的人群健康数据。

技术挑战虽然巨大，但并非不可克服。在自然环境中，由于微生物群落的竞争会影响传感器的性能，因此平衡分子级灵敏度和长期稳定性仍然是一个难题。^80,81 例如，用于检测TNT（三硝基甲苯）的工程细菌传感器在显著下降之前，其有效性只能维持数周。⁸² 这些生物学限制要求传感器设计进行创新，而仿生学正是从自然系统中汲取灵感的途径。⁸³

除了物理传感器设计之外，数据集成是另一个至关重要的发展领域。随着自主传感网络在多个领域生成连续的分子信息，由此产生的数据流将需要新的分析框架和治理模型。隐私和安全问题，尤其是在健康相关传感领域，要求监管方法能够在创新与敏感信息保护之间取得平衡。⁸⁴

环境、食品安全和医疗保健领域持续监测能力的融合预示着，未来分子检测将成为日常基础设施的组成部分，而非一项专门功能。成功实施自主生化传感技术的机构，很可能不再局限于将这些技术应用于孤立的问题，而是会构建互联互通的监测网络，打破传统界限，共享数据。这种融合将催生新的能力：环境污染物可以追溯到源头，并实时关联其潜在的健康影响；食源性病原体可以在到达消费者之前被检测和控制；疾病早期指标可以在症状出现之前触发预防干预措施。

在这个领域领先的组织，不仅要解决传感器设计的技术挑战，还要解决复杂的数据治理和跨领域协作要求，使这些技术能够作为一个统一的系统而不是孤立的工具来运行。

DFF相关大趋势： 未来人类与先进健康与营养85

7. 绿色固氮作用

重新构想氨生产，迈向净零排放的未来。

提示（缩写）：“高度精细的绿色生物纤维相互交织连接。”Image: Midjourney 和 Studio Miko。

| 哈维尔·加西亚-马丁内斯 阿利坎特大学分子纳米技术实验室主任、教授

| 克里希纳·库马尔 Cropin Sage 首席执行官

| 李相烨 高级副总裁（研究）；韩国科学技术院（KAIST）特聘教授

| 威尔弗里德·韦伯 莱布尼茨新材料研究所科学主任兼新材料教授

仅在美国，固氮作用就是一个价值2000亿美元的市场，它每年将大气中的氮转化为超过1.5亿吨的氨，这些氨是生产肥料的必需品，而肥料又支撑着全球50%的粮食生产。⁸⁶ 绿色固氮作用旨在减少传统氮肥生产方式巨大的碳足迹，而传统氮肥生产方式目前占全球能源消耗的2%。⁸⁷

在固氮过程中，微生物将大气中的氮转化为植物和其他生物可以利用的营养形式，主要是氨。固氮的关键挑战在于打破构成大气氮气（N₂）的两个氮原子之间极其稳定的三键。在目前最先进的哈伯-博世法中，这一步骤需要在400-500°C的高温、比地球大气压力高130到150倍的压力下进行，并且氢气主要来源于天然气，该反应会产生二氧化碳。

尽管替代固氮原理早在20世纪30年代就被发现，但直到最近才在大规模商业化方面取得显著进展。例如，生物基方法利用工程改造的细菌和酶来固定氮⁸⁹，而阳光或绿色电力可以提供能量和还原当量。仿生系统也展现出良好的前景，它们通过无机多金属氧酸盐或阴离子金属氧化物簇来模拟酶的功能⁹⁰。此外，以锂为介体的电化学技术也即将实现商业化应用⁹¹。

目前，成熟企业和初创公司都在探索绿色固氮技术。澳大利亚的Jupiter Ionics公司正引领锂基固氮技术的发展，而总部位于加利福尼亚州的Ammobia公司则专注于研发新型、更高效的催化剂。这些替代技术还能实现分散式生产，利用当地丰富的可再生能源（例如风能和太阳能）生产氨。本地生产的氨可以高效储存和/或就地加工成肥料，从而节省运输能源和成本。

推进本地化绿色氨生产不仅可以减少氨生产的碳足迹，还可以减少相关的二氧化碳排放源，例如运输环节。⁹³ 运输方式也将受益，因为商船已经开始使用氨作为柴油燃料，据估计，到2050年，全球超过30%的船用燃料可能是无碳氨。⁹⁴

目前正在探索采用锂化学或生物固氮方法的下一代技术，但其商业可行性尚未得到证实。⁹⁵ 与之相反，使用绿色氢气而非天然气的氨生产装置已被证明是可行的，并且目前正在全球范围内扩大规模。⁹⁶ 氨行业正处于转型期，⁹⁷ 随着绿色氨固定技术研发投入的增加以及需求的增长（例如来自交通运输行业的需求），将激发更多创新和投资，从而实现净零碳氨生产。

阅读更多：欲了解更多专家分析，请访问 绿色固氮转化图作者：李海龙、杨泽群。

战略展望：绿色固氮

由迪拜未来基金会

一个多世纪前开发的哈伯-博世法从根本上改变了人类与粮食生产的关系，实现了工业规模的固氮作用。如今，锂介导的电化学工艺有望带来另一项重大突破：仅利用空气、水和可再生电力即可生产氨。这项技术变革或将全球氨生产从集中式、高碳排放的产业模式转变为更加分散、碳中和的网络模式。

其战略意义远不止于脱碳。目前的哈伯-博世法消耗全球1-2%的能源⁹⁸，每生产一吨氨排放2.4吨二氧化碳——几乎是钢铁生产的两倍，是水泥生产的四倍⁹⁹。绿色氨生产为转变全球农业这一高碳排放的基础提供了关键契机，同时也能催生新的能源应用。

农业将迎来最为深刻的变革。工业生产的氨近80%用于化肥，而绿色固氮技术有望推动农业生产向分布式、小规模生产模式转变，从而降低运输风险，稳定化肥价格，并增强粮食系统的韧性。这种分布式模式有望从根本上重塑农业供应链，并赋能目前依赖进口化肥的地区。

除了农业领域，绿色氨作为一种用途广泛的能源载体，在战略上优于液氢。其储存成本比液氢低30倍¹⁰²，因此氨是氢能储存和运输更实用的介质。航运业已经意识到这一潜力，海事法规也在不断完善以适应氨燃料船舶，这预示着全球航运网络脱碳的实现之路。

尽管在哈伯-博世法中，氨气相比氢气具有优势，但技术和资源方面的挑战依然显著，不过并非不可克服。近期的进展表明，电化学转化率已接近哈伯-博世法的效率（60-75%）^103,104,105，表明其技术可行性。然而，对锂这种关键矿物的依赖——预计到2030年其需求量将增长一倍以上¹⁰⁶——构成了资源制约，需要制定战略性的供应链发展计划。此外，环境因素也必须考虑氨的毒性¹⁰⁷及其潜在的PM_2.5（颗粒物）排放影响¹⁰⁸。

从战略角度来看，氨生产的地缘政治格局目前正处于关键时刻。中国目前占全球氨产量的30%，而印度和中东国家正准备扩大产能，因此，绿色固氮技术可能会重塑区域关系，并催生新的农业和能源中心。那些能够开发出可扩展的绿色氨生产能力的国家，有望在粮食安全和清洁能源转型方面获得显著的战略优势。

未来十年，绿色固氮领域的领导者很可能将属于那些能够整合三大战略能力的企业：先进的电化学制造、可再生能源基础设施和农业创新生态系统。这项技术代表着粮食安全、能源创新和气候行动可能在单一变革性平台上交汇融合的潜力。

DFF相关大趋势： 不断演化的生态系统与先进的健康与营养110

8. 纳米酶

复制自然界的催化剂，以实现健康和环境方面的突破。

提示（简述）：“大小不一的哑光圆圈簇。”Image: Midjourney 和 Studio Miko。

| 哈维尔·加西亚-马丁内斯 阿利坎特大学分子纳米技术实验室主任、教授

| 安德鲁·梅纳德 亚利桑那州立大学未来创新与社会学院教授

纳米酶是实验室生产和制造的具有酶样特性的纳米材料。与生物体产生或化学合成成本高昂且工艺复杂的酶不同，纳米酶具有更高的稳定性、更低的生产成本和更简单的合成工艺。¹¹¹ 纳米酶由金属、金属氧化物、碳和其他材料的纳米颗粒组成，它们像催化剂一样促进与酶相同的化学反应。¹¹² 纳米酶的稳定性使其能够在更广泛的环境中发挥作用，从而拓展了其在生物医学、环境和工业领域的潜在应用。利用先进的纳米级设计和生产技术，还可以构建多功能纳米酶。

过去二十年来，纳米酶技术的飞速发展引起了各大制药公司的广泛关注，促使纳米酶的研发投入激增。资金的增加加快了创新步伐，并拓展了纳米酶在各个医学领域的潜在应用。因此，目前许多基于纳米酶的疗法临床试验正在进行中，尤其在癌症和神经退行性疾病的治疗领域取得了令人瞩目的成果。¹¹³ 在癌症治疗方面，纳米酶展现出靶向药物递送的潜力，能够增强化疗疗效并减少副作用。对于阿尔茨海默病和帕金森病等神经退行性疾病，人们正在探索纳米酶减轻氧化应激和减少脑部炎症的能力，从而可能延缓疾病进展。纳米酶的多功能性也促使人们将其应用于其他医学领域，包括心血管疾病、传染病和伤口愈合。

多家公司和初创企业正积极致力于纳米酶的商业化。Level Nine公司正在开发用于工业生物制造的纳米酶。¹¹⁴佛罗里达大学的衍生公司Nanozyme, Inc.正在开发合成纳米机器，这些机器经过编程，只能进入目标病变细胞，旨在实现副作用更少的靶向疾病治疗。¹¹⁵尽管这项工作仍在进行中，但如果没有意外挑战，这些项目有望在未来几年内成熟并应用于商业领域。纳米酶的影响远不止于医疗保健，还扩展到包括水净化在内的环境应用，有望为应对一项关键的全球性挑战提供可持续的解决方案。在食品行业，它们可以通过快速检测货架包装肉类和其他消费品中的污染物来提高食品安全。¹¹⁶在工业催化领域，纳米酶可能为传统催化剂提供更高效、更环保的替代方案，从而有可能降低能源消耗和废物产生。¹¹⁷

2024年全球纳米酶市场规模为51.3亿美元，预计将以27.4%的复合年增长率(CAGR)增长，到2034年达到579.5亿美元。¹¹⁸其主要应用包括生物传感、环境修复和靶向药物递送。纳米酶有望彻底改变诊断和治疗方式，尤其是在疾病早期检测和靶向药物递送等领域。纳米技术与酶模拟的融合有望推动多个领域的创新，最终提升人类生活质量。

与所有新兴技术一样，纳米酶也面临诸多挑战。技术难题包括提高其选择性和催化效率，使其达到甚至超越天然酶的性能。其次，由于纳米酶可能用于生物系统，因此需要进行全面的安全性评估，从而引发伦理方面的考量。最后，纳米酶产品的监管框架仍在不断完善，这可能会影响其商业化和广泛应用。

阅读更多：欲了解更多专家分析，请访问 纳米酶转化图谱作者：桑杰·辛格。

战略展望：纳米酶

由迪拜未来基金会

纳米酶为天然酶提供了一种工程化的替代方案，具有显著的实用优势：它们能够在极端pH值（氢离子浓度指数）条件下运行，耐受高温，并能长期保持稳定性，同时生产成本也显著降低。纳米酶展现出诸多卓越性能，例如能够检测浓度低至十亿分之一的抗氧化剂，其催化效率更是天然酶的21倍¹¹⁹，这使得它们能够在生物酶会迅速降解的环境中促进化学反应。这种高性能和高稳定性的结合，为以往受限于天然酶系统脆弱性的科学和工业应用开辟了新的天地。

医疗保健和环境应用展现了这项技术的变革潜力。智能手机集成的诊断工具可以扩展资源匮乏地区的医疗能力¹²⁰，并支持更灵敏的生物传感器用于疾病早期检测¹²¹。伤口护理技术可针对耐药菌进行靶向治疗，在不诱导耐药机制的情况下，杀灭99.99%的难治性感染¹²²。

除了直接应用之外，纳米酶在全球研究生态系统中也产生了间接影响。纳米酶需要整合​​人工智能、计算设计和特定领域的专业知识¹²³，这可能会打破传统的学科界限。国际研究网络可以发展出超越地域和机构限制的合作模式，从而创造出更具适应性的方法来应对复杂的全球挑战。

这种合作潜力可能会从根本上改变各国对待技术创新的方式。共享研究平台可能会涌现，通过综合性的多学科策略来应对关键的全球性问题。该技术减少有害化学品使用的能力¹²⁴预示着一种具有环境意识的科学发展新范式，在这种范式下，研究既能提升技术能力，又能促进环境可持续性。

仍存在诸多挑战。生物相容性问题以及对严格安全标准的需求构成了实施过程中的关键障碍。^125,126 制定全面的监管框架需要全球协调一致的努力以及系统性的研究和实施方法。为了应对这些挑战，国际标准化组织 (ISO) 现有的纳米技术标准为这种合作方法奠定了基础。¹²⁷

纳米酶的开发预示着一种更为精准的催化方法，在这种方法中，反应特异性、在不同环境中的稳定性以及可回收性将成为标准特性，而非妥协之选。在诊断、环境修复和靶向治疗等领域的初步应用，有望成为这些技术的试验场，并建立性能基准和监管先例。

最有希望取得成功的机构将开发针对特定反应环境（无论是工业流程、生物医学应用还是环境领域）优化设计的专用纳米酶。成功的纳米酶开发并非与天然酶在所有应用领域展开竞争，而是专注于解决生物催化剂的特定局限性：在严苛条件下的不稳定性、高昂的生产成本和有限的可调性。这种针对性的方法将在克服生物相容性挑战和监管要求的同时，创造实际价值，而这些挑战和要求目前限制了纳米酶的更广泛应用。

DFF相关大趋势： 材料与先进健康与营养128

9. 协同感知

赋予互联系统感知上下文并做出决策的能力。

提示（缩写）：“对建筑物、汽车、人和风景进行激光雷达扫描。”Image: Midjourney 和 Studio Miko。

| 丹尼尔·多森巴赫 瑞士联邦教育、研究与创新国务秘书处创新科学顾问

| 凯伦·霍尔伯格 巴里洛切原子中心 (CONICET) 首席研究员

| 大卫·帕雷克 SRI国际首席执行官

如今，传感设备已遍布人们的家中、车辆和工作场所。这些分布式传感器本身就已十分有用，而如今它们正越来越多地相互连接，并与人工智能系统集成，从而为协同传感技术的快速发展铺平道路，该技术能够生成洞察，进而提升单个传感器的性能。除了城市自主交通之外，协同传感技术的应用前景十分广阔，例如，它构建了感知型移动网络，将通信和传感功能整合在同一网络上。协同传感技术将重塑城市的运行方式以及组织机构利用信息进行决策的方式。

协同感知技术的应用前景十分广阔，包括改善城市交通。例如，联网的交通信号灯可以根据交通摄像头和环境传感器的数据动态调整自身，从而缓解城市拥堵和降低排放水平。其他协同感知应用实例还包括：矿山大规模自主测绘¹²⁹、风暴系统分析¹³⁰、无人机群¹³¹、基于物联网的结构健康监测¹³²、环境监测以及提高农业和自然资源管理的精准度¹³³。

协同感知技术将分布式传感器（包括卫星、水下和地下平台上的传感器）与网络边缘的可靠连接和算法处理相结合，从而减少数据传输量。具备语义推理和动态规划能力的自主代理（例如机器人、无人机、智能车辆和信息系统）将能够导航至陌生环境并做出集体决策。

传感器融合、协同感知和协同自主的研究通常源于国防工业对实时决策和行动的需求。如今，这些互联能力在民用领域的益处正日益显现。试想一下，一辆自动驾驶汽车不仅能够根据自身传感器的信息进行适当驾驶，还能（得益于数百米外交通信号灯上的联网传感器）感知到一辆超速行驶的车辆正朝着它驶来，并可能与之相撞。美国联邦通信委员会（FCC）近期决定采用5.9吉赫兹（GHz）频段作为蜂窝车联网（CVT）技术的应用频段，这是推动此类技术进步的关键一步，并将为探索如何利用协同感知降低基础设施成本、减少交通拥堵和事故以及减少碳排放创造新的机遇。欧盟委员会和中国工业和信息化部也已颁布了类似的配套法规。

挑战依然存在。大多数部署传感器的平台都受到严格的功耗和连接限制，因此需要采用一些工程方法，例如压缩三维场景分类方法¹³⁵、在没有GPS的情况下改进导航¹³⁶以及改进网络边缘的低功耗处理。数据共享的安全性和隐私保护策略也需要不断发展。

要充分发挥大规模协同感知优势并实现真正的协同自主，关键在于能够处理多种传感器数据的多模态算法¹³⁷，这些数据涵盖从激光雷达（LiDAR）、光电/红外（EO/IR）相机到雷达等各种传感器。目前，许多研究工作都集中在如何平衡共享信息环境和作战态势图与分布式处理，同时最大限度地降低带宽和功耗需求。生成式人工智能（GI）或许能在此发挥作用。近期研究表明，大型语言模型（LLM）在优化简单的协同导航任务方面，效率远高于传统的深度强化学习（DRL）方法¹³⁸。

阅读更多：欲了解更多专家分析，请访问 协同感知转换图作者：Mehrdad Dianati。

战略展望：协同感知

由迪拜未来基金会

协同感知有望显著重塑城市系统、交通出行和社会基础设施。借助车联网（V2X）技术、5G、人工智能和边缘计算，这种方法可以创建智能城市环境，使其能够比现有系统更精确地感知、响应和适应复杂的环境动态变化。

协同感知技术的潜在影响远不止于传统的交通管理，它还将重塑城市韧性、供应链和应急响应能力。城市可以构建能够实时响应不断变化的环境的自适应基础设施，从而在危机期间实现更动态的资源分配、优化关键物资的配送路线以及协调应急车辆的部署。智能交通系统是这些能力的基础，城市环境可以通过无缝集成的技术系统更好地服务于市民。¹³⁹

最直接、最易衡量的成果和初步应用案例之一是安全性的提升。在交通运输领域，V2X技术已展现出预防事故的巨大潜力。仅配备转向辅助系统的车辆，其自动紧急制动系统可避免59%的碰撞，而全面集成该技术后，碰撞避免率则提升至77%。¹⁴⁰ 保险研究表明，具备智能感知能力的车辆碰撞事故率最多可降低78%，¹⁴¹ 这预示着风险评估和城市交通方式可能发生转变。

战略优势也将惠及多个行业。运输和物流行业有望从中获益匪浅，例如卡车编队行驶可降低5-10%的油耗。¹⁴² 电信基础设施或将迎来根本性升级，5G技术可将定位精度从1米以上提升至0.1米，可靠性高达99.9%，^143,144 从而实现前所未有的车辆集体作业水平。

然而，大规模协同感知的巨大潜力也伴随着诸多复杂挑战。目前全球仅有55%的人口能够接入5G网络，¹⁴⁵ 扩展电信基础设施是至关重要的前提条件。其他障碍还包括制定通用数据标准、建立健全的网络安全框架、构建全面的责任模型以及建立公众对协同技术的信任。

最具战略眼光的组织会将协同感知视为重塑城市系统的潜在平台。成功与否取决于政府、私营部门和技术领域之间的合作。核心挑战在于超越单纯的技术连接，构建能够学习、响应和演进的自适应城市环境。

未来十年是发展协同感知生态系统的关键时期。率先建立综合数据标准、投资建设稳健的电信基础设施并设计可互操作的感知网络的国家和组织，将有机会塑造一个更具韧性、响应能力更强、更以人为本的未来城市。随着协同感知从孤立的、单一用途的应用转向互联的感知网络，其变革城市系统的潜力不仅体现在效率提升上，更在于从根本上重新构想城市的运作、适应和发展方式。

DFF相关大趋势： 技术漏洞与数字现实146

10. 生成式水印

利用无形、不可更改的标记增强信任。

提示（缩写）：“由发光二进制代码构建的数字指纹。”Image: Midjourney 和 Studio Miko。

| 凯瑟琳·丹尼尔 澳大利亚国立大学控制论学院院长兼教授

| 安德鲁·梅纳德 亚利桑那州立大学未来创新与社会学院教授

生成式人工智能水印技术在人工智能生成的内容（包括文本、图像、音频和视频）中嵌入不可见的标记，以验证其真实性并帮助追溯内容来源。随着人工智能生成的内容与非人工智能生成的内容越来越难以区分，旨在帮助打击虚假信息、保护知识产权、遏制学术不端行为并提升数字内容信任度的创新型水印技术如雨后春笋般涌现。

水印技术旨在对人工智能生成的输出进行微妙的修改，而不明显影响其质量。基于文本的水印技术，例如谷歌DeepMind的SynthID技术¹⁴⁸，利用了特定语言中存在数千个可以随机替换的词汇这一特性。其工作原理是在人工智能生成的文本中嵌入一个特定且狭窄的词汇子集，使其看起来自然，但又与人类写作时可能出现的随机用词截然不同。这便形成了一种人工智能特有的文本“指纹”。图像和视频水印技术包括在像素级别引入不易察觉的更改，这些更改可以经受住调整大小和压缩等编辑——例如，通过微妙地改变单个像素的值，使机器能够识别这些变化，而人眼却无法察觉；或者在生成的输出中嵌入只有机器才能提取的隐藏模式¹⁴⁹。

2022年，随着ChatGPT和Stable Diffusion等模型的普及和广泛应​​用，为人工智能生成的内容添加水印技术开始受到关注。到2023年，包括OpenAI、谷歌和Meta在内的主要人工智能公司在监管压力下承诺提供水印服务。¹⁵⁰ 2024年，谷歌DeepMind开源了SynthID，这标志着该领域的突破。与此同时，Meta推出了VideoSeal，¹⁵¹ 这是一款用于人工智能生成视频的水印系统。

领先的人工智能公司正越来越多地将水印技术集成到其平台中。例如，谷歌正在其各项服务中将 SynthID 嵌入到人工智能生成的图像、文本和视频中。Meta 则在 Facebook、Instagram 和 Threads 等平台上，为人工智能生成的内容应用不可见的水印和元数据标签¹⁵²。人工智能公司正与人工智能伙伴关系组织 (Partnership on AI)¹⁵³ 等机构合作，以确保“合成媒体的透明度”。

尽管取得了进展，但人工智能水印技术的广泛应用仍面临挑战。¹⁵⁴ 对人工智能生成输出的简单修改仍然可能干扰检测。用户可以尝试移除或伪造水印，例如裁剪图像和视频中嵌入水印的特定位置，或者修改文本（甚至使用基于人工智能的水印去除工具）。普及程度不均也带来风险，在缺乏统一的行业标准的情况下，不一致的实施可能会降低其有效性。此外，滥用人工智能技术还存在严重的伦理问题，例如将真实内容错误地标记为人工智能生成或出现误报，而错误地指控他人秘密使用人工智能可能会产生意想不到的后果，尤其是在涉及学术诚信的情况下。

为了取得成功，这些技术需要配套同样完善的治理和使用指南。中国已采取行动监管内容生成，要求添加水印¹⁵⁵，其他地区，例如欧盟¹⁵⁶，也在制定应对措施，以管理数字内容的安全性和真实性。内容溯源与真实性联盟（C2PA）是由人工智能领域领先的媒体内容生成者组成的联盟，该联盟也在牵头制定媒体内容来源认证的技术标准；监管机构很难有效地制定此类标准。水印技术已被证明是全球初创企业利用不同技术方法开拓的沃土。

新兴的生成式人工智能水印技术正成为负责任的人工智能部署的基石，因为它们有助于平衡创新与责任。虽然没有一种方法是万无一失的，但行业范围内的广泛采用和监管协调将有助于决定这项技术的长期效用以及人工智能生成内容的成功应用。

阅读更多：欲了解更多专家分析，请访问 生成式水印变换图作者：斯里·克里希南。

战略展望：生成式水印

由迪拜未来基金会

未来十年，生成式水印技术有望从可有可无的技术保障措施发展成为数字信任基础设施的重要组成部分。随着合成内容的日益普及，嵌入式水印或将构成全球验证生态系统的基础，有助于区分人类创建的数字资产和机器创建的数字资产。

媒体和创意产业可能会经历重大变革。加利福尼亚州¹⁵⁷、中国¹⁵⁸和欧盟¹⁵⁹监管框架的趋同——罚款最高可达3800万美元或年营业额的7%¹⁶⁰——表明全球对内容溯源系统的兴趣日益浓厚。各大平台已开始涉足这一领域，Adobe的内容认证¹⁶¹、TikTok的AI标签标准¹⁶²和谷歌的SynthID代表了早期建立市场定义性协议的尝试。

这不仅仅意味着合规方面的挑战，更标志着数字内容全面治理体系的早期发展阶段。该体系将为早期采用者创造显著的竞争优势，同时可能将不合规的创作者和平台边缘化。率先制定水印标准的国家和组织将塑造新兴合成媒体经济的规则。

其影响可能不仅限于创意产业，更可能重塑法律和金融体系。法院最终或许会接受带有水印的内容作为知识产权纠纷和诽谤案件的证据，而保险公司则可能考虑根据内容认证级别制定分级保险模式。对于创作者而言，验证其作品（无论是人工创作还是人工智能辅助创作）的能力，或许能让他们在一个充斥着大量合成替代品的市场中获得更高的价格。

技术挑战依然巨大，但并非不可克服。目前，水印系统正在逐步部署，但去除生成式水印的技术仍存在不足，这凸显了现有能力与对防篡改、跨格式水印的需求之间的差距，后者需要能够准确识别100%的AI生成内容。¹⁶³ 与区块链系统集成以创建可验证水印¹⁶⁴ 代表着一个充满前景的前沿领域，无论内容如何修改或分发，都能更好地建立内容身份标识。

各组织可以通过投资于可互操作的标准而非专有系统来进行战略性布局。那些开发更先进的水印技术（尤其是那些难以去除且兼容新兴内容格式的水印技术）的组织，有望在不断发展的数字认证生态系统中占据领先地位。率先制定水印标准的国家和组织可能会影响新兴合成媒体经济的发展。

展望未来，生成式水印不仅是内容验证的又一工具，更代表着在日益合成化的数字环境中，信任建立方式的潜在革新。要取得进展，需要技术、政策和创意领域通力合作，构建兼顾创新与适当保障的体系。

DFF相关大趋势： 技术脆弱性与人类未来165