美国国家工程院公布一项 由美国全国科学基金会召集的专家小组撰写， 有关21世纪工程学面对的主要挑战的报告！
该报告认为 21世纪工程面临着14项大挑战， 如能解决这些问题，人类生活将得到改善。
14项大挑战如下：
发展个性化学习
更加容易地获取太阳能
加强虚拟现实技术
发展大脑逆向工程学
开发更有效的药品
在健康信息学方面取得成就
修复和改善城市基础设施
保护网络空间
提供饮用水
提供聚变能源
预防核恐怖
利用氮循环
发明碳冻结工艺
发明科学探索新工具
这些重大挑战分为四个交叉主题：可持续性发展、健康、降低人类面对灾难的脆弱性和提高生活质量。
申请美国顶尖大学的工科学生，你希望挑战哪个21世界的工程难题？
挑战1 Avance Personalize Learning
发展个性化学习
近年来，对个人喜好和能力的日益重视导致了更多的“个性化学习”，其中教学是根据学生的个人需求量身定制的。
个人学习方法的范围从学生可以按照自己的进度掌握的模块到旨在将内容呈现方式与学习者个性相匹配的计算机程序。
工程学可以做些什么来改善学习？
正在进行的神经科学研究正在为学习背后的神经过程的复杂性提供新的见解，为进一步完善个性化教学提供线索。
鉴于个人偏好的多样性以及每个人大脑的复杂性，开发优化学习的教学方法是未来软件工程师面临的主要挑战。
工程师将在这些复杂问题的大多数方面发挥作用，尽管解决方案需要来自学科的人的贡献。
随着神经科学和医学测量技术的进步探索大脑学习的基础，进一步的挑战等待着我们。在高级软件中掌握这些过程可以使学习更加可靠。
新的研究甚至可能提供诸如立即获取知识之类的途径，例如电影“黑客帝国”中名为 Trinity 的角色，通过即时下载到她的大脑来学习驾驶直升机。
如此复杂的知识转移在21世纪可能不会变得司空见惯，但有这样场景的电影可能不再被视为牵强附会。
详情链接：
http://www.engineeringchallenges.org/challenges/learning.aspx
挑战2 Make Solar Energy Economical
更加容易地获取太阳能
作为一种能源，没有什么能与太阳相提并论。它超越了人类技术所能生产的任西。
太阳输出的能量只有一小部分到达地球，但即便如此，它也提供了人类在地球上使用的所有商业能源的10000 倍。
你如何存储太阳能？
无论先进的太阳能电池如何廉价高效地发电， 太阳能广泛使用的主要障碍仍然存在：存储需求。
多云天气和夜间黑暗中断了太阳能的可用性。在阳光充足的时间和地点，它的能量必须被捕获和储存以供其他时间和地点使用。
技术提供了大容量存储机会。 抽水（用于回收水力发电）或大型电池组是行之有效的能量存储方法， 但当扩大到电网比例时，它们面临严重问题。
新材料可以大大提高电容器、超导磁体或飞轮的效率，所有这些都可以在应用中提供方便的电力存储。
存储问题的另一种可能解决方案是模拟植物光合作用对阳光的生物捕获，植物将太阳能存储在可用作食物的分子化学键中。这种植物利用阳光生产食物的方式可以被人们复制来生产燃料。
例如，阳光可以为水的电解提供动力，产生氢气作为燃料。然后氢可以为燃料电池提供动力，这种发电设备几乎不产生污染副产品，因为氢与氧结合再次产生水。
但有效地分解水需要提高化学反应效率，也许是通过设计新的催化剂。自然界的催化剂，酶，可以比目前的工业催化剂以更高的效率从水中产生氢气。
开发与活细胞中发现的催化剂相匹配的催化剂将极大地提高太阳能生产燃料电池存储系统对太阳能经济的吸引力。
燃料电池还有其他优点。它们可以广泛分布，避免集中发电的漏洞。
如果在改进太阳能电池、降低其成本和提供有效的方法来利用它们的电力来制造可储存的燃料方面能够解决工程挑战，那么太阳能将证明其优于化石燃料作为文明持续繁荣的可持续动力。
详情链接：
http://www.engineeringchallenges.org/challenges/solar.aspx
挑战3 Enhance Virtual Reality
加强虚拟现实技术
对大多数人来说，虚拟现实主要由巧妙的幻觉组成，用于增强电脑视频游戏或丰富科幻电影的情节。
好莱坞电影中虚拟现实的描述范围从 1983 年 “头脑风暴” 的粗略视频观看装置 到被称为 “黑客帝国” 的整个虚拟世界 。
但在专业领域，从精神病学到教育，虚拟现实正在成为培训从业者和治疗患者的强大新工具，除了它在各种娱乐形式中的应用越来越多。
例如，虚拟现实已经被用于工业设计。工程师们正在“虚拟地”制造整个汽车和飞机，以测试设计原则、人体工程学、安全方案、维护通道等。
需要哪些工程进展？
为了让虚拟现实系统有效地完全模拟现实，必须克服几个工程障碍。
视频显示的分辨率必须足够高，刷新和更新速度足够快，才能使场景看起来像现实生活中那样变化。 视野必须足够宽，光影必须足够逼真，以保持真实场景的幻觉。对于严肃的模拟，再现声音、触觉和运动的感觉尤其重要。
尽管在所有这些方面都取得了进步，但虚拟现实仍然达不到其一些更雄心勃勃的描绘。
虚拟环境的细粒度细节无法精确再现。特别是，在场景中放置逼真的“虚拟人”与用户进行交互是一项艰巨的挑战。
渲染一个可以有目的地与真人互动的虚拟人——例如，通过语音识别、生成有意义的句子、面部表情、情绪、肤色和色调以及肌肉和关节运动——仍然超出了人类的能力范围。
触摸带来了特别艰巨的挑战。 对于某些用途，包含传感器的手套可以记录用户手部的运动并提供触觉反馈，但有些粗糙。
这不足以训练外科医生，当外科医生在切割虚拟组织时，应该在组织的不同位置感受到对手术刀运动的不同程度的阻力。
此外，使用当今的技术，您无法感觉到虚拟家具的意外碰撞。
解决此类问题的努力尚处于起步阶段。 一种可能的方法是利用电流变流体，当暴露于不同强度的电场时，电流变流体会改变其厚度。
也许先进的虚拟现实计算机可以利用这种效果发送电信号来调整手套或服装的触摸阻力，为用户提供触摸反馈。
它本身可能不是虚拟现实，但一个相关的概念似乎也在网络空间中发展起来，因为万维网已经成为整个世界的宿主，这些世界由现实世界所有者指导的虚拟人组成。
一个名为“第二人生”的网站已经拥有数百万参与者，其中一些人只是访问，一些人购买虚拟财产、建立虚拟业务，并通过各种沟通渠道与其他居民交流和建立关系。
更重要的是，这样的世界可能正在与现实世界融合，因为物理环境的计算机记录（可通过谷歌地球或微软的虚拟地球获得）可以与像第二人生这样的网站交错。
然后就可以虚拟访问真实地点，探索城市的餐馆和酒店，并 参与其他虚拟旅游活动。
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http://www.engineeringchallenges.org/challenges/virtualreality.aspx
挑战4 Reverse-Engineer the Brain
发展大脑逆向工程学
工程学和神经科学的交叉有望在医疗保健、制造和通信方面取得巨大进步。
几十年来，一些工程界最优秀的人才将他们的思维技能集中在如何创造思维机器上——能够模拟人类智能的计算机。
对大脑进行逆向工程需要什么？
要充分发挥大脑教我们如何让机器学习和思考的潜力，首先需要在技术上取得进一步的进步，以了解大脑。
同时测量脑细胞活动的现代无创方法在这个方向上提供了重大推动，但大脑秘密通信代码的细节仍有待破译。
另外，梳理和分析神经细胞信号的所有复杂性、它们的动力学、通路和反馈回路，是一项重大挑战。
今天的计算机具有打开或关闭的电子逻辑门，但如果工程师能够复制神经元承担不同级别激发的能力，他们就可以创造出更强大的计算机器。
无论如何，成功地完全理解大脑活动将为更深入地理解智力甚至意识的基础开辟新的途径，毫无疑问，这将为工程师提供洞察更伟大成就的洞察力，以提高生活的乐趣。
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http://www.engineeringchallenges.org/challenges/9109.aspx
挑战5 Engineer Better Meicines
开发更有效的药品
工程师正在开发新系统来使用遗传信息、感知身体的微小变化、评估新药和提供疫苗。
医生们早就知道，人们对疾病的易感性和对药物的反应各不相同。
但是，在理解和适应个体差异方面几乎没有指导，所开发的治疗方法通常是针对大多数人而非少数人进行标准化的。
工程学在创造个性化医疗方面的作用是什么？
实现药物发现的工程挑战反映了实现个性化医疗所需的挑战：开发更有效的工具和技术以进行快速分析和诊断，以便可以快速筛选各种药物并及时应用适当的治疗方法。
当前的药物经常被错误地或不必要地开处方，促进了耐药性的发展，而没有真正的医疗益处。
更快、更精确的诊断可能会促进更有针对性和更有效的治疗。 人们通常会寻找能够攻击多种细菌的抗生素，因为医生无法始终确定引起感染的确切细菌。
可以立即确定真正罪魁祸首的仪器可能会导致使用更窄的靶向药物，从而降低产生耐药性的风险。
开发生物体特异性抗生素可能成为本世纪最重要的生物医学工程挑战之一。
对于专门设计为武器的生物制剂，这可能尤其具有挑战性。
必须建立一个系统来快速分析他们攻击身体的方法并快速生产出合适的药物。
传统疫苗已证明具有预防疾病的能力，甚至可以根除一些疾病，例如天花。 也有可能设计疫苗来治疗疾病。
可以设想个性化疫苗用于这两种用途。 但是，疫苗需要更有效和更可靠的制造方法，尤其是在应对大流行的大规模免疫需求时。
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挑战6 Avance Health Informatics
在健康信息学方面取得成就
更强大的卫生信息系统不仅可以改善日常医疗就诊，而且对于应对流行病和生物或化学袭击至关重要。
如何做好应对疫情的准备？
没有什么能像自然生物学那样带来如此大的破坏潜力。 从在 14世纪的黑死病中杀死一半欧洲文明的细菌到1918年导致 2000万人死亡的西班牙流感，历史见证了疾病消灭大部分人口的力量。
在21世纪，流感——或其他一些未知的病毒威胁——可能会影响医学科学的反应能力，这一前景仍然是真实的。 由称为 H5N1的病毒株传播的禽流感作为一种特别明显和现实的危险迫在眉睫。
大流行防范的一个主要目标是建立一个良好的早期预警系统，依靠全球监测来检测正在传播的传染病的发作。
一些这样的系统现在已经到位，监控医院访问和药物或实验室测试订单的数据。 这些事件的突然增加可能预示着爆发的初始阶段。
但是某些事件可以掩盖这些统计数据中的趋势，需要更复杂的监控策略。
这些可能包括跟踪公共网站点击量以解释急性症状并将它们链接到地理编码，例如邮政编码。 拥有综合的国家信息技术基础设施将大有帮助。
在某些情况下，学校或企业的关闭和隔离实际上可能会减少医院的使用，人们甚至可能会因为害怕被感染而故意远离医院。
另一方面，疾病的谣言可能会将健康人送到医院进行预防治疗。 在任何一种情况下，用于大流行趋势分析的数字都可能存在偏差。
分析数学的新方法会有所帮助——尤其是当数学描述医疗保健使用措施之间的关系网络时。 换句话说，不仅监视单个数据流，而且监视一种度量与另一种度量的比率等关系，可以提供对正在发生的事情的更敏感的度量。
这些类型的分析有助于确保特定城市由于临时人口涌入（例如奥运会）而导致的医疗保健使用激增不会被误认为是流行病的开始。
同样，当潜在的大流行确实开始时，数学方法也可以帮助制定最有效的医疗应对计划。 抗击流行病的策略范围从限制旅行和关闭学校到广泛的隔离，以及接种疫苗或使用抗病毒药物治疗。
这些方法的有效性取决于变量——病毒的传染性和致命性、抗病毒药物和疫苗的可用性，以及公众对隔离或旅行限制的遵守程度。
同样，理解网络数学将发挥作用，因为响应系统必须考虑到人们如何互动。
目前处于早期阶段的对这些方法的研究表明，疫苗和药物的快速部署对于遏制大流行的影响至关重要。
因此，必须设计大量生产疫苗的新策略，也许使用更快的细胞培养方法，而不是传统的在受精卵中培养病毒。
需要一个系统来快速获取病毒样本，对其进行测序，然后快速设计药物和疫苗。 该系统需要具备能够实现快速测试的技术，同时还需要一个加速监管过程的系统。
如果紧急病毒爆发威胁到在数天或数周内广泛传播的疾病和死亡，那么需要数年时间的监管批准将弄巧成拙。
信息系统在帮助保护公共安全和促进个人医疗保健方面的价值是毋庸置疑的。
但是，所有这些新的数据库和技术带来了额外的挑战：防止信息泄露或滥用的危险。
在开发这些技术时，还必须采取措施确保信息本身不会受到破坏的风险，并且个人信息不会被不当泄露。
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http://www.engineeringchallenges.org/challenges/informatics.aspx
挑战7 Restore an Improve Urban Infrastructure
修复和改善城市基础设施
良好的设计和先进的材料可以改善交通和能源、水和废物系统，并创造更可持续的城市环境。
你如何建立更好的基础设施？
新型建筑材料可能有助于解决其中一些挑战。但是，只有开发全新的施工方法，才有可能取得巨大进展。
大多数手工建造的基本方法已经存在了几个世纪——甚至几千年。
计算机科学和机器人技术的进步应该使施工中更多的自动化成为可能，例如，大大加快施工时间并降低成本。
连接大型中央站和分散电源的电力网络也将受益于更大的嵌入式计算。
所有这些努力都必须以明确的审美价值来实现，这些价值超越了单纯的功能并有助于生活的乐趣。
例如，长期以来，主要桥梁一直被视为几乎与交通工具一样多的艺术作品。
桥梁、建筑物，甚至高速公路都有助于提升城市的美感，而精心设计的设计有助于营造更令人愉悦的城市环境。
在过去的几十年中，其他 大部分城市基础设施的建设并没有过多关注其对城市外观和文化环境的影响。
然而，最近对工程美学的认识开始更普遍地影响基础设施设计。 将基础设施需求与城市绿地需求相结合就是一个例子。
处理城市雨水径流的项目已经展示了结合美观项目的机会。
使用景观设计来帮助管理径流水的流动，有时也被称为“绿色基础设施”，除了有助于消除污染之外，还可以增加城市的吸引力。
需要重新考虑城市广阔的铺砌区域，或许可以通过设计降低顶部温度和可渗透的人行道，让雨水到达下方的地表。
适当的工程方法可以实现多个目标，例如更好的雨水排放和更清洁的水，同时还可以改善景观外观，改善野生动物的栖息地，并为人们提供休闲空间。
重建和加强城市基础设施面临的问题不仅仅是寻求工程解决方案。必须解决和克服各种政策和政治障碍。
正如美国土木工程师协会的“成绩单”所记录的那样，领域的基础设施项目资金严重不足。在更换基础设施之前让基础设施磨损，而不是在其生命周期内进行技术改进的做法只会加剧问题。
因此，基础设施工程面临的一项重大挑战不仅在于设计新的方法，而且在于将它们的价值传达给整个社会。
详情链接：
http://www.engineeringchallenges.org/challenges/infrastructure.aspx
