工程科學(xué)應(yīng)對(duì)未來社會(huì)新挑戰(zhàn)

21世紀(jì)將是人類歷史的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。同時(shí)，我堅(jiān)信工程科學(xué)也將會(huì)經(jīng)歷一次重大的歷史轉(zhuǎn)折。今天的我們正站在時(shí)代的關(guān)鍵點(diǎn)上，見證著不亞于工業(yè)革命的偉大變革。在人民的財(cái)富和壽命都顯著增長的發(fā)達(dá)國家更是如此。在未來，人類將更注重追求生活質(zhì)量。這樣的社會(huì)，我稱之為“白金社會(huì)”，它追求優(yōu)質(zhì)的生活，并將為未來的發(fā)展開辟新的天地。為此，工程科學(xué)創(chuàng)新就成為建設(shè)白金社會(huì)的引擎，它不再拘泥于傳統(tǒng)社會(huì)只是一味產(chǎn)量拉動(dòng)生產(chǎn)的老路，而是著眼于滿足公民對(duì)生活質(zhì)量的需求。實(shí)現(xiàn)白金社會(huì)，就要建立起一套可持續(xù)的能源系統(tǒng)，以此維持一個(gè)長遠(yuǎn)的充滿活力的社會(huì)的發(fā)展。為解決這些問題，日本的工程科學(xué)界正在努力，現(xiàn)擇要介紹如下。氫能社會(huì)實(shí)現(xiàn)氫能社會(huì)，是邁向建設(shè)可持續(xù)能源系統(tǒng)的重要一步。氫能之所以如此重要，是因?yàn)樗梢詰?yīng)用于四大領(lǐng)域。第一，燃料電池領(lǐng)域：發(fā)電廠可以以氫為媒介通過電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電，從而取代燃料發(fā)電。燃料電池應(yīng)用前景廣泛，可應(yīng)用于民居、汽車、工業(yè)、電力、手機(jī)和航天等各個(gè)領(lǐng)域。第二，清潔能源領(lǐng)域：氫在燃燒時(shí)只生成水，潔凈環(huán)保。第三，氫能可以大規(guī)模普適于各類交通工具，取代化石能源，推動(dòng)社會(huì)進(jìn)入可持續(xù)性交通時(shí)代。第四，借助氫能貯藏自然能源所產(chǎn)電能。自然能源產(chǎn)生的電能極不穩(wěn)定，難以利用，而將其轉(zhuǎn)化為氫能儲(chǔ)藏可以提高我們將電能作為動(dòng)力系統(tǒng)可再生能源的能力。一些利用了氫的優(yōu)點(diǎn)的產(chǎn)品已經(jīng)開始投放到市場，且在不斷推廣當(dāng)中。例如，2014年12月，豐田汽車公司開始出售“MIRAI”型燃料電池車，這是世界上第一批搭載氫燃料電池的商務(wù)車。一款名為“ENE-FARM”的家用燃料電池產(chǎn)品使得家庭發(fā)電和燒水成為可能，目前已售出10萬套。東京都政府制定了一個(gè)目標(biāo)，截至2025年將全市燃料電池汽車的訂單增加到10萬臺(tái)，并建造80座加氫站。這些發(fā)展將會(huì)使東京在2020年東京奧運(yùn)會(huì)和殘奧會(huì)舉辦前樹立其“氫能驅(qū)動(dòng)”社會(huì)的良好形象。在日本九州大學(xué)卓越氫能應(yīng)用研究中心的KazunariSasaki教授正領(lǐng)導(dǎo)著一支由日本及外國研究者組成的研究隊(duì)伍，致力于探索和開發(fā)一種安全的氫能基礎(chǔ)設(shè)施與新一代高效能、長壽命、低成本的燃料電池。然而，該研究的社會(huì)實(shí)踐已迫在眉睫，研究成果也急需推廣。未來，需要繼續(xù)整合氫能利用系統(tǒng)的研究，包括將氫能生產(chǎn)整合入一個(gè)可持續(xù)與可運(yùn)營的系統(tǒng)。大規(guī)模采用可再生能源此外，在建立可持續(xù)能源系統(tǒng)的過程中，可再生能源的大規(guī)模采用也舉足輕重。關(guān)東大地震后，日本政府開始牽頭推動(dòng)可再生能源的研發(fā)。盡管如此，2013年間，可再生能源占日本能源總量的比例仍僅有11%，其中水力發(fā)電占8.8%，非水力發(fā)電占2.2%。倘若日本想要擺脫對(duì)化石能源的嚴(yán)重依賴，就需要制定更加宏偉的目標(biāo)。從長遠(yuǎn)來看，日本在能源供應(yīng)方面應(yīng)努力達(dá)到半自給的水平。日本科技振興社低碳社會(huì)戰(zhàn)略中心副主任意識(shí)到了這一客觀需求，并在技術(shù)的支持下設(shè)計(jì)出一套可行的方案。他提出在2050年前，日本應(yīng)利用太陽能和風(fēng)能滿足主要能源供應(yīng)需求。該方案能否成功關(guān)鍵在于提高能源利用效率，切實(shí)降低太陽能發(fā)電成本與蓄電池生產(chǎn)成本，以及大規(guī)模使用其他可再生能源。在能效領(lǐng)域，該方案建議在2030年前將居民能耗降低至當(dāng)前水平的25%。降低能耗的途徑包括普及節(jié)能家電、生態(tài)汽車、絕熱住房和光伏發(fā)電等產(chǎn)品和技術(shù)。至2030年，光伏發(fā)電的成本也將降低至現(xiàn)有水平的25%，僅為每度6日元。要降低光伏發(fā)電成本，需要使用新材料替代現(xiàn)有的硅質(zhì)材料，將能量轉(zhuǎn)換效率提高約30%，并結(jié)合未來在光伏電池結(jié)構(gòu)上可能出現(xiàn)的技術(shù)創(chuàng)新，才可以實(shí)現(xiàn)。而減少蓄電池的制造成本，則需推進(jìn)批量生產(chǎn)，更新生產(chǎn)技術(shù)，提高能量密度。該方案若得以實(shí)現(xiàn)，至2030年，蓄電池的制造成本將降低約三分之二，達(dá)到每瓦時(shí)5.1日元。此外，該方案還可能進(jìn)一步將風(fēng)能發(fā)電和小型水力發(fā)電的成本降低約50%，生物能發(fā)電成本降低約三分之一。（提到生物能發(fā)電，日本必須繼續(xù)推動(dòng)林業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以保障木屑資源的供應(yīng)。）該方案帶來的低成本令我們意識(shí)到，日本未來的能源將以太陽能和風(fēng)能為主體。目前，由于光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的產(chǎn)能高峰季不同，二者得以相互結(jié)合。根據(jù)該方案，到2050年，日本電力供應(yīng)組合將呈如下態(tài)勢：總電力需求的50%將產(chǎn)自光伏發(fā)電，20%產(chǎn)自風(fēng)力發(fā)電，20%產(chǎn)自水力發(fā)電，而核能發(fā)電只提供基本電量，其余的電力需求由熱動(dòng)力發(fā)電供應(yīng)。若需進(jìn)一步調(diào)整，則蓄電池也會(huì)加入電力供應(yīng)組合中。這個(gè)方案不僅指出未來能源發(fā)展的走向，同時(shí)也通過后向估計(jì)的方式確定和提煉出定義清晰的技術(shù)發(fā)展目標(biāo)。然而，要想達(dá)到該目標(biāo)，不僅涉及相關(guān)技術(shù)的開發(fā)過程，同時(shí)也需解決現(xiàn)有社會(huì)機(jī)構(gòu)所面臨的社會(huì)問題。健康、獨(dú)立的老齡化社會(huì)最后我來談一談如何建立一個(gè)富有生機(jī)的老齡化社會(huì)。東京大學(xué)老年學(xué)研究所的HirokoAkiyama教授提出，不到20%的日本男性在65歲左右開始失去生活自理能力，且從70歲左右開始直至死亡都需要他人的長期照顧來維持生活；而70%的男性直到快80歲也能夠獨(dú)立生活，進(jìn)入80歲以后才漸漸喪失自理能力；10%的男性甚至到了90歲身體狀況也依舊良好。這些數(shù)據(jù)表明，借助潛在的社會(huì)參與和接受一些外界照顧，80%的日本男性可以健康地活到80歲。因此，我們可以認(rèn)為80%的日本男性對(duì)老年保健和生活自理方面的工程創(chuàng)新有需求，同時(shí)20%的男性對(duì)醫(yī)療和護(hù)理方面的工程創(chuàng)新有需求。例如，通過整合、分析和利用大數(shù)據(jù)下的個(gè)人診斷信息、衛(wèi)生知識(shí)及遺傳信息，就可能發(fā)展更多先進(jìn)的保健和醫(yī)療服務(wù)，如藥物研發(fā)、飲食教育及運(yùn)動(dòng)健身等。個(gè)人信息與社區(qū)衛(wèi)生保健網(wǎng)絡(luò)經(jīng)云計(jì)算系統(tǒng)建立連接，隨時(shí)隨地都可以為合理的治療方案提供精準(zhǔn)的信息。而在護(hù)理領(lǐng)域，新型機(jī)器人也正處于研發(fā)階段，以協(xié)助老年人完成生活自理。筑波大學(xué)的YoshiyukiSankai教授就研發(fā)了一種名為HAL的套裝式護(hù)理機(jī)器人。在研發(fā)這種機(jī)器人的過程中，腦機(jī)接口（BMI）技術(shù)將非常重要。BMI技術(shù)能夠?qū)⒋竽X活動(dòng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，并在運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)器以及信息和通信裝置中顯示出來。反之，它也可以將外界刺激轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，將之傳入大腦，激活和強(qiáng)化人類的各種傳感功能。這種自理協(xié)助機(jī)器人可以穿戴在手臂或者腿上，通過大腦思維進(jìn)行控制，這一技術(shù)在不久的將來就能夠?qū)崿F(xiàn)?？梢哉f，有了BMI，只要大腦功能保持健康和正常，人就可以自主地生活。這種創(chuàng)新技術(shù)讓人類社會(huì)向前邁進(jìn)了一大步，使得人人在未來都能夠體面地、快樂地過上獨(dú)立自主的日常生活。工程科學(xué)是一門創(chuàng)新性的科學(xué)，旨在不