近代人類社會面臨的幾個重大議題包含氣候變遷的管理、減少能源使用、維持糧食產量、改善全球健康等。其中許多議題皆涉及跨領域知識，而其潛在解決方案亦是互相關聯的。科學人雜誌(Scientific American)和世界經濟論壇(World Economic Forum, WEF) 根據全球重大議題列出2021年十大新興技術，其中包含 (1) 因應加速減碳的脫碳產業 (Decarbonization rises)、(2) 自我施肥的作物 (Crops that self-fertilise)、(3) 可診斷疾病的呼吸檢測器 (Breath sensors diagnose diseases)、(4)因應即時需求之藥物生產 (On-demand drug manufacturing)、(5) 由無線訊號截取電力 (Energy from wireless signals)、(6) 老化之優化設計(Engineering better ageing)、(7) 綠色氨氣 (Green ammonia)、(8) 無線生理指標感測器 (Biomarker devices go wireless)、(9) 用當地材料以 3D 列印技術搭蓋建築 (Houses printed with local materials)、(10) 衛星網路技術 (Space connects the globe)。圖一列出其中五項生醫農領域之新興技術，以下針對此五項新興技術進行簡介：

一、自我施肥的作物

由於全球人口快速增加，糧食短缺問題已經被聯合國列入未來重要議題之ㄧ。為了生產足夠的糧食，現代農業嚴重仰賴含氮肥料的施用。含氮肥料生產過程主要是將空氣中的氮氣轉換成植物可用的氨。由此生產方式產出的含氮肥料足以供應全球50 %的糧食生產，然而其過程中所需的能源約佔全球能源使用總量的1 %。除了能源消耗，含氮肥料生產過程排出的二氧化碳為全球總排放量的1~2 %。

為了解決能源消耗、碳排放等問題，科學家引入自然界豆科植物的固氮作用 (Nitrogen fixation)。豆科植物在缺乏氮源時，會在其根部形成根瘤組織，並且與土壤中的固氮細菌形成互利共生系統，亦即豆科植物提供固氮細菌生長所需之醣類，而固氮細菌則將空氣的氮轉換成氨。近年科學家嘗試將此共生關係之分子調控機制植入至稻穀作物中，使其能與固氮細菌共生；另一個策略則是將能與稻穀作物建立共生關係的非固氮細菌，植入固氮酶 (Nitrogenase)基因，使其具有固氮的能力。目前已有許多國家及私人機構投資於這類研究中，未來可望以種植可利用自然共生關係維持氮源供給之作物，做為永續糧食生產經營之關鍵解決方案。

二、呼吸疾病檢測器

人類呼出的氣體中包含了超過八百種成分。近期研究發現，呼出氣體成分比例與特定疾病具有高度關聯，因此可作為疾病診斷的生理指標。舉例來說，呼出的丙酮濃度增加，代表受測者可能患有糖尿病；一氧化氮濃度的提升可能是檢測者身體正在發炎；高濃度醛類代表受測者可能罹患肺癌。過去檢測疾病的方式大多以侵入式檢驗為主，不僅耗時、昂貴且會在檢驗者身上造成傷口。呼吸檢測器的開發除可解決前述缺點，其便利性與高成本效益之特性也可協助經濟條件劣勢或資源有限的國家提高健康照護服務品質。

然而，開發呼吸檢測器仍有技術性之挑戰，其易受其他氣體干擾，且臨床準確性仍略顯不足。近期，由於新冠肺炎疫情蔓延，使相關技術的研究再次獲得重視，如美國政府重新斥資三百八十萬美元投資於電子鼻開發計畫，期望透過電子鼻能有效偵測空氣中的有害分子與新冠肺炎等病毒；2020 年三月以色列理工學院的Hossam Haick團隊，在中國武漢測試其開發之新冠肺炎呼吸檢測器，測試結果顯示該裝置擁有高達95%之準確性。

三、因應即時需求之藥物生產

傳統上，藥物製造是以批次大量生產為主，且各種藥物成分多透過散布在全球各地的工廠生產。然而，這樣的生產流程對藥物品質的一致性管控帶來嚴重的挑戰，同時，也需要耗費許多時間在藥物的運送，難以及時送抵患者手中。相反地，藥物連續製造(Continuous-flow Pharmaceutical Manufacturing)則是利用微流道與微反應器技術，使藥物在單一產線中按照需求持續地生產。該製造方式得以在較偏遠地區或戰地醫院生產藥物，除了能省去運輸及儲存成本，藥物種類與劑量更易根據實際需求來訂製。2016 年麻省理工學院 (Massachusetts Institute of Technology)研究員與美國國防高等研究計畫機構 (Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)合作開發體積僅如冰箱大小的藥物生產裝置，得以在一天之內以連續製造生產出抗過敏、治療焦慮、憂鬱與肌肉鬆弛劑、麻醉劑等四種常見藥物各1000劑。

許多藥商正致力於將需求導向藥物生產技術推向商業化。美國創新藥物開發公司On Demand Pharmaceuticals即開發出多種生產技術與平台，包括：可將藥物原料轉換成特定的前驅物(Precursors)，以生產活性藥物成分(Active Pharmaceutical Ingredients, API)之AMPoD (American Made Precursors on Demand)平台；可提供生物製劑客製化生產之Bio-Mod平台；可生產無菌注射劑之IV Medicines on Demand平台等。其它藥商包含禮來(Eli Lilly)、嬌生(Johnson & Johnson)、諾華(Novartis)、輝瑞(Pfizer)等也已經在部分產線上採用連續製造。目前需求導向藥物生產裝置仍所費不貲，無法在市場上普及，且品管制度與監管框架仍需進一步建立。但隨著這些阻礙被克服後，需求導向之藥物生產模式將徹底改變目前的製藥流程。

四、老化之優化設計

根據世界衛生組織預估，2015 年到 2050 年間 60 歲以上的老年人口會增加近兩倍，屆時將對人類的醫療及社會體系造成重大的影響。「老化」通常與罹患如失智、糖尿病、動脈粥狀硬化等慢性疾病相關。了解細胞調控老化的分子機制可幫助人類活得更長壽且更健康。近年隨著基因體、蛋白質體、表觀遺傳學(Epigenetics)等相關生物分子知識的認識越來越完善，對於調控老化分子機制的理解也顯著地進步。例如：透過人類細胞 DNA 上的化學修飾、突變與損傷修復情況，以及細胞二次代謝物的組合與濃度等，分析細胞衰老進展與組織再生的能力，進而預測人體老化程度。

衰老機制的研究推動了標靶治療的發展。近期在一項以齧齒動物為試驗對象的研究發現，針對壽命相關基因進行基因療法可改善老化現象。同時，亦有研究顯示持續進行含有人類生長素的雞尾酒療法一年，可以讓人體的生物時鐘倒退 1.5 年。此外，科學家們也發現將年輕人血液中的特定蛋白質注入至老年小鼠體內，得以改善老化引起的大腦功能障礙，具有治療認知能力下降的潛力。目前已有許多公司正積極開發相關藥物或期望透過基因工程提升健康餘命。雖然相關研發計畫大多數仍處於臨床前階段或早期臨床試驗階段，但仍為老年人的健康改善帶來希望。

五、無線生理指標感測器

許多慢性病患者需要頻繁地透過侵入式檢驗來追蹤各項身體參數變化，例如糖尿病患需要定時扎針採血以追蹤血糖，而無線型生理指標感測器即是為了改善這類侵入式檢驗過程對患者所造成的疼痛與不適。穿戴式或攜帶式檢測器係透過偵測人體電流、電壓或電化學濃度變化來分析相關生理參數的變化。目前在技術上，無線生理指標感測器可以與多種類型的偵測器搭配，包括奈米碳管偵測器或磁性奈米粒子偵測器，預計隨著偵測器技術的進步，將逐步擴張無線生理指標感測器的應用範疇。

於2030 年全球預估將有五億七千萬糖尿病患者，而血糖偵測為無線生理指標感測器研發之重點項目。目前已有技術可透過毫米波及近紅外線波偵測受測者手指上的電壓變化來判斷受測者的血糖含量。另一種方法是透過電子紋身偵測組織液或汗液的電性變化，以估算患者的血糖含量，此項技術也可應用在乳酸的檢測。其它研發還包含：利用電子隱形眼鏡偵測癌症相關的生物標誌物；透過唾液成份分析了解受測者的壓力狀態，以及是否患有如愛滋病、腸道感染、癌症和新冠肺炎等特定疾病；與牙套結合的無線感測器可以用來監控口腔健康。