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全球工程技术面临的八大挑战

2022-07-29 10:52:00

英国工程和自然科学研究理事会（EPSRC）发布《未来的工程研究挑战》报告。EPSRC通过研讨会、圆桌会议和书面调查等一系列形式，确定了未来工程研究的高级优先事项、交叉主题和技术挑战。报告指出，未来10-15年内工程师面临的八项至关重要的技术挑战，涉及太空、交通运输系统、材料、健康和福祉、机器人和人工智能、负责任的工程学、自然启发工程学以及全球工程解决方案等领域，并提出了应对这些挑战需要解决的关键问题。

技术挑战一：确保太空研究的可持续性，设计和开发用于探索和维持太空和地球生活的技术

太空在发展经济、改变社会和促进人类进步方面起着独一无二的作用。从工程学角度来看，太空可以被视为一个极端的循环环境，它提供了利用有限资源设计可持续生活的机会，例如可持续的能源生产和材料及技术的回收利用。太空的极端条件也为解决多尺度问题提供了一个独特的试验平台，从利用大数据指导制造工艺设计到满足人类基本需求。

为了实现这一挑战，工程学方面需要解决的关键问题包括：（1）如何获取现有太空资源（在可能的情况下重复使用和回收）以供人类的太空生活?（2）如何利用太空极端条件为地球生活提供测试平台？（3）如何利用太空满足人类的基本需求（如食物），并提供制造特定物品的方法？

技术挑战二：开发可持续、综合、公平的交通系统

未来需要确保交通运输系统满足个人和社会的需求，并使其灵活适应变化。在交通运输系统正在进行的数字化革命中，工程学的作用至关重要，可以确保公平和易使用的交通系统，开发清洁能源和零排放技术，并鼓励构建基于城市、郊区、农村和偏远地区的货物、服务和人员的可持续、可负担、多模式联合运输系统。

为了实现这一挑战，工程学社区需要解决的关键问题包括：（1）如何储存、转换和分配真正可持续能源用于运输，并开发推进技术以有效利用这些能源？（2）如何发展交通基础设施和交通系统以实现互联互通？（3）工程师如何为发展公平和易使用的交通系统做出贡献？

技术挑战三：加快环境可持续和对社会负责任的材料创造和利用

工程学利用材料创造了工程结构、机器、技术，广泛影响着人类日常生活。但材料资源有限，逐步淘汰化石材料迫在眉睫。工程学可以提供工具和方法，确保未来材料使用更具有可持续性。为了实现环境的可持续发展，选择材料时需要具备经济和伦理方面的社会意识，确保使用负面影响低的资源，从一开始就嵌入产品生命周期终止（EOL）方法，同时支持可持续的替代方案。

为了实现这一挑战，工程学社区需要解决的关键问题包括：（1）如何实现从经济上可行过渡到负责任、可持续、可再生、可循环的材料和技术？（2）如何用负责任、可持续、可再生、可循环的材料取代石油化工和稀有/有毒/矿产材料？（3）如何打破材料设计和制造中的路径依赖，以满足未来市场对更可持续产品的需求？

技术挑战四：通过发展可持续、包容和有复原力的医疗系统和技术，改善人类终身健康和福祉

工程学为确保人类健康和福祉做出了重要贡献，为开发新的应用、医疗技术和创新治疗提供了科学桥梁。未来，工程学将在医疗保健领域发挥重要作用：通过先进健康信息学、个性化医疗创新和系统工程原理等技术，促进有效、公平的医疗保健；通过更准确的检测、诊断、治疗和预判，提升个性化照护；通过更好的建模、智能数据管理技术和可持续工程解决方案，推进更广泛的医疗系统。

为了实现这一挑战，工程学社区需要解决的关键问题包括:（1）如何提供一种包容性方法开发贯穿一生的医疗保健解决方案？（2）如何重新设计复杂的医疗保健系统，以提高其复原力和可持续性？（3）如何开发具有包容性的终身福祉的新解决方案？

技术挑战五：协同设计机器人和人工智能并嵌入工程学中，同时确保合乎伦理的使用和透明公平的决策

机器人和人工智能是有望彻底改变人类生活的新兴技术，有许多工程研究挑战需要解决。机器人涉及多学科挑战，亟需工程和集成的方法来开发新的解决方案和系统。人工智能的挑战是基于或嵌入物理理解，以支持决策，使其适应机器人革命。有必要以合乎伦理和公平的方式将这些技术嵌入工程系统，使其有用、可获取和可采用。因此，包容性工程在机器人和人工智能领域中非常重要。

为了实现这一挑战，工程学社区需要解决的关键问题包括：（1）如何认证算法和系统使机器人和人工智能自主决策过程透明？（2）如何描述机器人和人工智能对人类决策和行为的影响，特别是在涉及到伦理和公平使用方面？（3）如何确保机器人和人工智能被用于解决与人类生活质量相关的挑战，如资源可持续性和复原力发展。

技术挑战六：以人类行为和需求为指导，培养对社会和环境负责的工程学方法

工程师通常被认为是设计、建造或维护引擎、机器或结构的人，工程学也被视为解决当今问题的新型解决方案的实践。工程师的未来角色需要变得更具包容性和社会责任感，专注于与社会和环境和谐相处的智能解决方案。工程学也需要转变为采用多学科、跨学科和跨领域方法的学科。

为了实现这一挑战，工程学社区需要解决的关键问题包括：（1）工程学如何考虑、整合并持续影响社会、经济和政策因素，以实现可持续、有复原力和宜居自然系统？（2）如何对日益复杂和相互关联的系统数据进行建模、理解和集成，以辅助形成解决方案？（3）如何开发新的工程科学方法，以在社会层面而非仅在技术层面持续形成考虑成本和效益的解决方案？

技术挑战七：释放自然启发的工程学的全部潜力

大自然激发了工程解决方案并为其实施提供了工具。在未来的工程系统和技术的设计和实施中，工程师可以更多地利用自然过程。自然过程以及生物的复制和生长能力，可以用来生产或改造材料。个体生物和/或生态系统被大自然设计成具有特定功能，并随着生物的自然进化继续优化其特定功能，这可以为工程设计提供参考。通过打破学科界限，工程师可以推进以生物为基础和受生物启发的解决方案。

为了实现这一挑战，工程学社区需要解决的关键问题包括：（1）如何生成适用于一系列特定环境的数据，并在设计和应用自然启发或自然衍生技术的各个阶段使用这些数据？（2）如何加速自然材料和系统的生命周期，以确定优先考虑并加快开发和采用？（3）如何利用生物学和自然界来超越当前的材料范式，并将其应用于工程学中？

技术挑战八：提供适应性强的全球工程解决方案，与地球生态系统相兼容

工程学塑造了人类星球，它的创新提高了地球居民的生活质量、联系和理解。然而，自工业革命以来，人类对工程学的使用对星球产生了负面影响，耗尽了资源，影响了气候并降低了复原力。新研究应该考虑工程解决方案在现在和未来对地球的影响。工程师和工程研究人员应与其他专业人员、研究人员、专家和研究社区合作，建立消息灵通、多学科和可循环的方法，实现负责任和有复原力的解决方案。

为了实现这一挑战，工程学社区需要解决的关键问题包括：（1）如何开发具有复原力的系统方法，确保资源（如食物、水和能源供应）对所有人的可持续性和公平性？（2）如何实现资源和能源的循环生产、存储和使用，确保端到端的可重复使用和回收？（3）工程学如何有助于减少和修复过去和未来的人类活动对自然环境的影响？
编辑：黄飞

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