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影響英國未來經濟的前瞻技術:生醫與能源領域前瞻技術項目簡介

薛孝亭/ 發布日期:2024/06/14/ 瀏覽次數:232

一、前言

Innovate UK 於2023年12月發布《創新英國50項新興技術》前瞻報告,評選出50項具發展潛力之前瞻技術,期望激發英國產、學、研各界的討論與創新,以因應未來社會的挑戰,同時驅動英國經濟成長。前瞻技術評選流程以及智慧科技相關之前瞻技術說明,請參閱「影響英國未來經濟的前瞻技術:先進智慧科技相關之技術項目簡介」焦點報導。本文將針對能源及環境科技、生物科技、健康與醫療等三大科技領域之前瞻技術項目作介紹(各項技術摘要請參閱圖一與圖二)。


 

二、能源及環境科技領域之前瞻技術

近年地緣政治動盪加劇了能源供應與安全的風險。英國需要發展合適的能源結構,以支持英國社會的淨零轉型,同時維持民眾的生活水準。再生能源、碳去除技術、綠氫等新興能源科技與能源儲存技術為能源願景實現不可或缺的關鍵。以下列出數項具備支撐起英國未來數十年生活方式之潛力的前瞻能源與環境科技。

(一) 交聯聚合物(Cross-linked polymer)回收
輪胎、塑膠等交聯聚合物難以回收,且會對環境造成嚴重危害。目前已能在全球各環境中,甚至於人類食物鏈中發現此類產品的蹤跡。開發創新的回收方法或設計新的聚合物,將有助於減少塑膠污染,並且降低對石油的需求,

(二) 電網規模(Gridscale)的無線傳輸與充電
無線充電目前正逐漸在家庭和工作場所中普及,但仍僅侷限於小型設備。電網規模的無線傳輸與充電技術將能適用於大型設備,並且可以在不需要電纜的情況下安全地傳輸電力。前述進展將徹底改變能源傳輸網絡的結構和運作方式,並且能在惡劣天氣條件下,安全地傳輸電力。

(三) 極音速(Hypersonics)
極音速技術可以讓飛機、導彈和太空船等飛行器達到5馬赫以上的高速。極音速武器迄今已投入於戰場中使用。然而,目前極音速飛機仍有許多待克服的挑戰,例如極音速飛行時,飛行器周圍的空氣溫度會升至非常高溫,影響飛行器安全。若極音速運輸能實現,將可徹底改變人與貨物的運輸方式,大幅縮短運輸時間,如3小時內能從英國倫敦移動到澳洲雪梨。

(四) 新型推進或離子推進(ion based propulsion)技術 
離子推進技術適用於太空飛行器,目前相關技術已應用於衛星軌道維持。與傳統的化學推進器相比,離子推進劑所需的推進劑較少,有助於太空旅行的實現,並可延長衛星的使用壽命。

(五) 新型氫氣生產與儲存技術 
低成本與高效率的綠氫生產與儲存技術,將有助於淨零碳排的實現。氫氣除了能應用於家庭、交通運輸、發電等產業上,同時可用於儲存與運輸太陽能與風力發電產生的能量,目前這些能源必須立即消耗或將其儲存於電池中。此外,完善氫氣基礎設施、制定安全法規以及評估氫氣生產、使用和儲存對環境影響等,亦是氫能技術發展時需一併重視的議題。

(六) 新型負碳技術 
此技術涵蓋從環境中捕獲二氧化碳的所有方法。實現淨零碳不僅僅需要減少碳排放,仍需要負碳技術將大氣中的溫室氣體去除,以幫助鋼鐵或水泥生產等難以減碳之產業降低碳排放。

(七) 核融合技術 
核融合為未來最有潛力的潔淨能源之一,其發電原料為氫的同位素(Deuterium 與 Tritium),可由海水與岩石提煉而得,存量豐富。儘管近期核融合技術有顯著進展,但目前仍僅能在實驗室環境中實現短時間(數十秒)的核融合反應,距離商業化運轉仍有許多挑戰待突破。

(八) 太空太陽能發電 
目前太陽能發電易受到天候影響,導致其發電量相當不穩定。太空太陽能發電能在衛星軌道上收集太陽能,並將能量安全地傳送至地球。此技術優勢在於太空中太陽光不會受大氣與天候的干擾,能全天候不間斷地發電。

 

三、生物科技領域之前瞻技術

合成生物學等先進生物科技不僅能應用於食品、醫療、健康等領域,以提高糧食的產率、改善民眾的健康,亦能應用於環境、能源、化工等領域,促進淨零排放之永續社會的實現。以下列出七項前瞻性生物科技。

(一) 人工細胞(Artificial cells)和人造生命(Artificial life)
人工細胞為以合成生物學製造出能模擬自然中正常生物細胞部分功能之人造生命體。人工細胞可以用於生物製造,以大量生產出高純度的酵素等產物;或者設計成人工紅血球,使未來輸血來源不必仰賴捐血者,並且能提升血液類產品的品質與安全性。

(二) 細菌和微生物製造
細菌和微生物製造為利用細菌和微生物合成我們所需要的材料。目前細菌已能用於合成生物混凝土、抗生素等。未來預計此技術將能用於食品、個人護理、家用化學製品、紡織品等領域產品的原料生產。

(三) 生物催化膜(Biocatalytic membranes)
生物催化膜為一種新興的膜技術,具備增強反應效率、強化污染物去除以及實現酵素再利用等特性。前述特性有助於改進與優化生產與資源循環系統,例如能在食品加工過程中減少營養素的損失;利用膜上的酵素分解水中的汙染物,加速廢水處理流程。

(四) 生物電子學(Bioelectronics)和電子藥物(Electroceuticals)
生物電子學是醫學領域的新興技術,為利用微小的植入式裝置向神經提供電刺激。利用生物電子學原理調整與治療身體機能的治療方式稱為電子藥物。目前電子藥物能應用於心臟節律器或為帕金森氏症患者提供深腦刺激(Deep Brain Stimulation),預計未來此技術將能適用於更多類型的疾病治療,例如透過刺激迷走神經治療關節炎。然而,在生物電子學迅速發展的同時,仍有許多議題需要關注,包括監管機構如何管理電子藥物;監測與刺激神經時產生的相關醫療數據如何使用與管理等。

(五) 混合微生物體(Hybrid microbe)生物科技
混合微生物生物技術是將兩種不同生物組合成一個新的人造微生物,或透過改造現有微生物使其具備新功能之創新生物技術。此技術能促進消化道健康(如益生菌)、改善食品的營養價值與品質、提升製造效率;同時亦具備支持綠色能源發展以及消除環境污染之潛力。

(六) 可編程細胞(Programmable cells)
可編程細胞技術能讓科學家得以精準地控制細胞一系列的反應與行為,包括感知周圍環境並且執行相對應的行動,有助於設計出創新的疾病診斷、治療與預防機制,同時能應用於農業、環境等領域,並且促進生物計算(biological computing)的實現。

(七) 組織生物製造(Biofabrication in tissue engineering)
此技術能透過3D列印、靜電紡絲(Electrospinning)等方式生產出活的3D組織結構,具備高度靈活性,能依照需求製造出客製化組織與器官,有助於驗證新藥物的療效與副作用,或者植入體內修復或替換受損的組織和器官。

 

四、健康與醫療領域之前瞻技術

目前英國醫療保健正面臨著嚴峻的挑戰。迫切需要創新的健康與醫療技術,以對抗疾病,並且讓全國民眾都能過上更健康且更長壽的生活。

(一) 成體幹細胞生成(Adult stem cell generation)
成體幹細胞能用替換受傷或因疾病死亡的細胞,以維持組織健康。此類細胞具備轉分化(transdifferentiation)成其他細胞類型的潛力,能用以修復受傷的組織,例如皮膚或大腦。此外,相較於胚胎幹細胞,成人幹細胞的研究和使用具有能較低的爭議性。

(二) 代謝流體學(Fluxomics)
代謝流體學為新興的研究領域,專注於研究生命系統營養物質與代謝物在各細胞間的流動與代謝過程。此領域常結合基因體學、轉錄體學、蛋白質體學及代謝體學等體學之數據與技術,以全面性地研究各生物分子與代謝物間的交互作用。代謝流體學有助於發現新藥物與新篩檢技術,同時也是推動個人化醫療的關鍵要素。

(三) 抗衰老藥物
目前科學家正在探索多種方法以抑制或延緩衰老,包括選擇性地殺死衰老細胞,或者抑制與衰老相關的炎症。抗衰老藥物與相關治療技術會徹底改變人類對於與年齡相關的疾病乃至衰老本身的治療方式,不僅有望能延長健康餘命,減輕年齡相關疾病對社會的負擔,並有可能延長人類的預期壽命。

(四) 抗生素替代品
目前常見疾病的細菌正逐漸對抗生素產生抗藥性,此現象已成為全球公共衛生面臨的重要議題。抗生素抗藥性會導致醫療成本上升、住院時間延長和死亡率增加。若不迅速採取行動,過去常見的感染和輕微傷害將可能再次成為致命威脅。目前相關研究多著重於開發新的抗生素和減少抗生素的使用,但積極地發展安全且有效的抗生素替代方案仍有其必要性。

(五) 微生物體療法(Microbiome therapeutics)
微生物體療法是一種具潛力的新型治療方法,能藉由調整腸道微生物相來治療疾病。腸道微生物與人類共同演化至今,已與人類健康有著密不可分的關係,在免疫系統調節等生理過程中皆發揮重要功用。也因此,此療法評估較傳統的藥物治療效果更佳且更為安全。

(六) 個人化RNA療法(Personalised RNA therapeutics)
RNA療法正在被開發用於治療癌症。未來RNA療法將著重於研究為患者提供個人化的治療方案,尤其是針對目前難以治療的疾病。現有的小分子和抗體藥物僅能夠影響人類的少部分基因(約占人類基因體的0.05%),然而RNA能夠影響的基因範圍更為廣泛且直接,因此,RNA療法具備促進個人化醫療實現的潛力。

(七) 基因體定向與組裝工具(Phased genome assembly tools)
基因體定向與組裝工具能幫助科學家理解和處理大量基因體數據,並且實現基因體定相(分辨出子代基因型與基因變異的來源)。此工具對於研究複雜性狀和遺傳性疾病有極大的幫助,不僅能加速基因體定序,推動生物資訊學發展,同時有助於降低定序的錯誤率。

(八) 植入式感覺偵測器(Sensation detection implants)
感覺檢測植入物能使裝配義肢或輔具的人能恢復或強化觸覺、聽覺、嗅覺等感覺。此技術除了能讓患者恢復感覺、強化個人的感知能力,甚至能發展出與新機器人互動的新方式。另外,在發展此技術時,道德疑慮等議題為須一併關注的重點。

(九) 全身器官晶片(Whole body-on-a-chip device)
全身器官晶片能用以模擬人體多個器官系統對藥物的反應,分析藥物療效以及對其他器官的潛在毒性。此技術能應用於藥物臨床前試驗,提供更為精確且成本效益更高的試驗方式,以提高後續臨床試驗的成功率,或者可用以篩選適合患者之藥物,以提高治療效果並降低副作用。

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