工程学14大挑战

　　美国国家工程院（The National Academy of Engineering）认为，21世纪的工程学要解决不少难题，其中14个难题堪称“巨大”（14 Grand Challenges for Engineering）。这些巨大难题将对人类的生活质量起到至关重要的影响，当然，也会带来意想不到的机遇。

　　No.1——便宜太阳能（Make solar energy economical）

　　太阳能取之不尽，但是人类利用太阳能的能力太低了，难题重重：如何捕捉太阳能，如何转换太阳能，如何储存太阳能……目前，生产每千瓦太阳能的成本约18~30美分（约人民币1.08~1.8元），未来纳米技术也许是降低太阳能成本的一条出路，比如纳米水晶。

　　No.2——聚变能源（Provide energy from fusion）

　　人工聚变不成问题，却停留在小打小闹上，远达不到高效、经济和环保的商业程度。每台家用计算机的电池里都包含锂，理论上讲，这点儿锂足够满足一个家庭15年的用电需求，当然，绝不是以电池的形式。核聚变能把锂转换成氚，产生巨大的能量……如何让核聚变更安全、更有效，就是要解决的问题。

　　No.3——碳封存技术（Develop carbon sequestration methods）

　　全球变暖，二氧化碳是凶手。不要抱怨，工程师的使命是开发新技术，捕捉多余的二氧化碳，并封存起来。在工厂里，让煤在纯氧的环境里燃烧，能更容易地捕捉二氧化碳。难题来了，培育纯氧环境可不件容易事。

　　No.4——管理氮循环（Manage the nitrogen cycle）

　　人类向土地讨吃讨喝，需要氮，因为空气中的氮能使植物硕果累累。氮还是氨基酸（有魔力生成蛋白质）和核苷酸（有魔力生成DNA）的重要元素。幸运的是，地球中的氮几乎取之不尽；不幸的是，人类的文明史，尤其是工业史，已使氮循环系统遭到破坏，管理地球氮循环系统相当困难。

　　No.5——清洁水（Provide access to clean water）

　　全球缺乏清洁水，这个困境有目共睹。挖井、建坝，工程师们长期与水周旋。未来，为了保护水资源，挖井、建坝时工程师们将设计更为繁杂的系统。海水淡化，也是工程师们要考虑的，它的技术并不难，但是降低生产成本却是难上加难。废水利用，工程师们也得想一想。

　　No.6——维修完善城市基础设施（Restore and improve urban infrastructure）

　　千年来，只要有城市，就须有城市基础设施的维修和完善。但是，21世纪的特点是互联网、信息、智能、数据等相结合的，它的城市也将有新的特点。如何在新世纪中维修和完善城市基础设施，工程师们更多地需要创新。

　　No.7——健康信息学（Advance health informatics）

　　看病，有的医生把患者的症状写在病历簿上，有的记录于计算机中，这对健康信息的管理和监控提出了难题。如何开发一款无线监控器，能自动识别医院或家中患者的病情，并做出诊断……这些都是21世纪健康信息学涉及的内容。

　　No.8——好药（Engineer better medicines）

　　利用基因信息，工程师们正忙于了解人类身体的“微”变化，制作新药。个性化医疗大家都在谈，但是困难重重：如何开发快速评估患者基因档案的系统，如何搜集和管理个性化海量信息，如何开发便宜快速医疗仪器。比如基因芯片和传感器，检测血液中化学成分的细微变化。

　　No.9——逆向工程大脑（Reverse-engineer the brain）

　　工程学和神经科学交叉，会给医疗、制造和传播等领域带来长足发展。虽然我们能制造会玩国际象棋的机器人，但是人工智能领域仍是若隐若现。专家们认为，这一问题可能归结于我们对于人脑的研究涉猎太浅。研究人脑后再讨论人工智能，也许有助于开发大脑芯片，让痴呆者重获记忆，让盲人重见光明。

　　No.10——防止核恐怖（Prevent nuclear terror）

　　如何防止核恐怖袭击，是工程师们不得不考虑的问题。这项关系生死存亡的难题包括以下挑战：如何确保制作核武器原材料的安全，如何发现核武器，尤其是远距离，如何防爆核武器，如何面对核打击做出应急反应、清理现场，如何发现肇事的恐怖分子。

　　No.11——互联网安全（Secure cyberspace）

　　这可比抓贼难多了。要了解互联网的重要性，不防看一看电影《虎胆龙威：虚拟危机》。互联网安全也将升级，不仅要保障单一个人、企业、机构等信息安全，还需要从互联网生态系统上考虑安全问题，研究互联网心理、社会学等，防止个体从内部实施破坏活动。

　　No.12——虚拟世界现实化（Enhance virtual reality）

　　利用虚拟世界进行培训、治疗和沟通，已不是新鲜事。然而，工程师们有一个巨大难题：如何让这个虚拟世界更现实？这就需要工程师们开发超清晰可穿戴产品……

　　No.13——个性化学习（Advance personalized learning）

　　在电影《黑客帝国》中，通过向Trinity的头脑里下载一个东西，她就学会了驾驶直升机。这听起来有点夸张，却指出了未来个性化学习的方向。在这个领域中，工程师们能做的事太多了，比如神经科学和医疗诊断的深度结合，能探索大脑是如何学习的。

　　No.14——开发科学发现工具（Engineer the tools of scientific discovery）

　　有人说科学家是理论派，工程师是实践派，然而，两者之间的界限越来越模糊，合作也越来越频繁和深入。工程师的一大任务是开发有助于科学发现的工具。

　　超链接：

　　在美国，已有53所大学的工程学院被美国国家工程院授权，开设“巨大工程挑战专业和课程”（The National Academy of Engineering Grand Challenge Scholars Program）。这个教育项目由实力超强的杜克大学普拉特工程学院、富兰克林欧林工程学院和南加州大学维特比工程学院发起，每所学校每年招收20~30名工程学学生，共同探讨培养下一代工程师的新教学模式。

　　新教学模式将围绕以下五个要素展开：解决某一个巨大难题、交叉学科课程（公共政策、商业、法律、医学等）、企业家精神、全球视野和社会责任意识。

　　以下列出20所大学名单：

　　杜克大学普拉特工程学院（Duke University，Pratt School of Engineering）

　　富兰克林欧林工程学院（The Franklin W.Olin College of Engineering）

　　南加州大学维特比工程学院（University of Southern California，Viterbi School of Engineering）

　　斯坦福大学工程学院（University of Stanford，School of Engineering）

　　亚利桑那州立大学艾拉富尔顿工程学院（Arizona State University，Ira A. Fulton School of Engineering）

　　路易斯安娜理工大学工程与科技学院（Louisiana Tech University，College of Engineering and Science）

　　北卡罗来纳州立大学工程学院（NC State University，College of Engineering）

　　爱荷华大学工程学院（University of Iowa，College of Engineering）

　　拉法耶特学院（Lafayette College）

　　田纳西大学工程学院（The University of Tennessee，College of Engineering）

　　巴克内尔大学（Bucknell University，College of Engineering）

　　西新英格兰学院工程学院（Western New England College，School of Engineering）

　　圣路易斯大学工业工程学院（St. Louis University，Parks College of Engineering，Aviation & Technology）

　　德克萨斯大学奥斯汀分校科克雷尔工程学院（The University of Texas at Austin， Cockrell School of Engineering）

　　纽约州立大学环境科学与林业科学学院（SUNY College of Environmental Science and Forestry）

　　犹他大学工程学院（University of Utah，College of Engineering）

　　加州大学圣地亚哥分校雅各布工程学院（UC San Diego，Jacobs School of Engineering）

　　俄亥俄州立大学工程学院（The Ohio State University，College of Engineering）

　　佛罗里达海岸大学工程学院（Florida Gulf Coast University，U.A. Whitaker College of Engineering）

　　克莱姆森大学工程与科学学院（Clemson University，College of Engineering and Science）

　　文/robert