未来世界的100种变化

落魄狭

第一部分前言(略)

第二部分：信息和通信技术数字电影院——感受21世纪

从移动电话到思想的传输

　　电影是用于展现运动图像和声音的第一种媒体。在它的成长过程中,新的技术尤其是电视的出现，使电影曾被多次认为将走向灭亡。但是尽管时不时有这样那样的危机，电影的生命力依然存在。这主要有两个原因：第一，电影是社交的一个组成部分，人们在晚上不喜欢呆在家里；第二，电影院中的播放技术（如图像和声音的质量）明显地优于电视。只要保持这两个特点，电影就会继续存在。 影院中新的感受世界的梦想给了电影制作人员设计电影的新 的空间，通过投影设备可把平面图像投到长方形的银幕上，这需要新的数字技术，是未来几年内的一个挑战。 告别电影胶卷 今天的电影制作是胶卷和数字技术的混合。要完成一个普通的数字化制作和发布链，不可缺少几个重要的组成部分，如摄像机、数据压缩软件、移动存储器和投影仪。只有在所有这些部件都齐备时，数字电影院的梦想才能成为现实。这将导致电影胶卷在电影院中消失。 数字电影院的挑战 主要的挑战在于高的质量要求和与之相关的巨大的数据量。制作90分钟的电影大约需要10～30公里长的胶卷，然后剪辑成约3 公里长的胶卷。对数字技术来讲，这意味着要拍摄大约10～40万亿比特的数据量，最后制作成约2～4万亿比特的数据量。 新开发的下一代设备可以处理这样庞大乃至更大的数据量。这意味着数字电影院即将出现： ●今天的大多数电影放映在长方形的屏幕上，将来将通过多重投影构成一个完整的虚拟环境。 ●今天的电影讲述一个故事，在将来，观众将成为故事的一部分，可以交互并产生影响。 ●今天的实况转播是电视的专利，明天的电影将成为事件的现场。 ●电影制作人员的想像和新的技术可能性可能形成电影的新形式。 重要意义 电影技术被很多人认为是小作坊，主要原因在于电影拍摄主要使用胶卷，而录像和电视则属于电子媒体，与电影不兼容。随着数字电影的引入，这种情况会产生剧变，电影将重新获得新技术和新感受的领头羊的地位。 除了经营电影外，将来的电影院也可以用数字技术来放映现场直播，这就形成了新的商业模式，从而影响到整个媒体和休闲市场。 前景预测 专家们一致认为，只要技术的前提条件成熟并且有合适的电影制片人，同时影院经营者和观众均能得益，“数字电影”就会到来。 数字技术在动画、特技和后处理方面的应用早已存在，现在正用于加演片和电影广告。在将来的5～10年内，故事片也会运用数字化进行制作、发行和放映。 足球运动的未来 足球是一项能在世界范围内引起大喜大悲的热门运动。足球也是一项大的商业活动，误判，尤其是进球的误判会造成严重的经济后果。一项新的技术能够帮助裁判的工作并可使足球运动更加有趣。目前正在开发一种基于无线通信的实时三维定位系统，用来确定足球比赛中足球和球员的位置。这使得在线跟踪整个比赛过程成为可能，并为足球比赛的公平性带来新的可能性。弗劳恩霍夫集成电路研究所受公司的委托，设计并开发了这项技术。 关键技术 实时三维定位系统的基础是测量无线信号相对不同接收器的运行时间差。在足球上及每个运动员的护腿板上都装有微型化的发射器。为了准确地跟踪每一个发射器的三维位置，运动场上的接收器都含有非常精确的同步信号。 到达接收器的信号将通过光纤传递到中心计算机，数据的处理和位置的确定可以在极短的时间内完成。 问题和解决方案 要对目标实现高精度的三维定位和跟踪，这对所使用的技术提出了很高的要求。足球上的发射器具有非常高的加速度和速度，因此，必须致力于开发小型化的发射器并集成到足球上。 在系统设计时必须注意到因球员存在而造成的传输性质的改变和由于体育场的结构与材料性质导致的发射信号的多路传播，并在具体实现时作相应处理。 无线传输技术采用的是在世界范围内可自由使用的波段，这样使得这项技术可以在全球使用。 重要意义 在未来，这项技术可以用来避免误判（球有没有进，球是否出界等）。此外，观众还可以得到有趣的信息，如球的速度、球员跑动的路线及其他关于足球的统计数据。通过互联网或电视转播，观众可以了解到一个球队的战术风格。这项技术在其他方面的应用也很广泛，可以用在一切需要对运动物体精确定位的场合，如在一个大范围内对集装箱进行的寻找、对流水线和生产过程的控制以及对机器人的定位等。 前景预测
第一个产品原型于2003年年底在纽伦堡的弗兰肯体育场进行了测试并向专业人士做了介绍。我们的目标是在德国本土举行的2006年世界杯足球赛中得以成功应用。

第二部分：信息和通信技术移动的 私人的身份证

在不久的将来，移动设备如手机或PDA（个人数字助理）会具有更多的功能，诸如与所在位置相关的服务和更多个人相关数据的处理。改变这些数据的同时要求具有对模拟出来的真实进行解释的能力。对数据的解释权直接或间接地影响着对真实情况的操纵和控制。与用户个人有关的数据是一笔经济财富，但是在目前的系统中无法得到足够的保护。借助于身份管理器，用户可以对个人数据进行控制，他可以用简单的方式控制它对话时的举止并更安全地进行通信。 关键技术：更安全的港口 目前的许多移动设备已经有了蓝牙或无线局域网的接口。这些技术在不久的将来可以给用户提供当地的不同服务，同时用户也留下了数据的线索，哪怕他并没有使用服务而只是激活设备而已，因为移动设备已经以其本身唯一的网络地址进入了局域网。即使是用来保证无线网络的安全传输的有线等效传输协议也有很多薄弱之处。所以，用户需要一个值得信任的个人终端设备，这个设备除了具备安全的硬件以外还要有安全的操作系统和一个作为中心安全工具的身份管理器。大范围的身份管理器的应用还需要开发相应的协议，这样就可以达到跨系统的身份认证的需求。另外，需要将身份管理的模块集成到操作系统和应用程序中。 解决方法：安全性和可用性 每个人在不同的地方都会以不同的身份出现：在超市购物，如果支付现金则他近似于匿名者；如果去银行，则他必须使自己的身份得到确认。信息系统中的身份管理器反映了人类的这种自然行为，即用户自己确定在各种情形下（如不同对话方或地点），他或他的设备所代表的身份。每个身份都代表一定数量的公开的用户个人数据。身份管理器就像“隐私防火墙”，帮助用户防止个人数据的无意流失，用户自己可以控制所有的连接，只在特定的情况下公开数据。通过身份的选择，用户无需进行复杂的安全设置就可方便地通信。 前景预测：一个安全和移动的世界 因为感到不安全和害怕自己的数据不经控制地公开，现在有不少人不愿意进行网上购物。身份服务如微软的护照系统（passport）也无法改变这种不利情况，因为它无法被用户控制。目前只有安全专家可以在互联网上安全地工作，因为他有用来保护其系统所必需的专业知识。如果将来大多数人应该拥有用于无线通信的移动设备，那么这些设备必须具备有用户可控的、可用的和利于数据安全的技术，这样用户才能使用新的无线服务。 可以卷起来的显示器 计算机、手机、汽车收音机和数码相机等，几乎所有的电子设备都有一个显示器。与目前存在的显示器种类相比，有机发光二极管显示器(OLED)有很多突出的特点。它只有几微米厚，不需要背景照明，耗电少，几乎从任何角度都可以显示完美的图像。 究人员致力于开发可弯曲的显示器，它可以在手机中卷起来， 使用户能够在旅途中处理文档、收发邮件和浏览互联网。为了设计这种柔软的显示器，可弯曲的薄膜材料将广泛用于合成显示器。 有机发光材料 有机发光二极管的最早技术起源于柯达公司，其原理是通过在真空中蒸发小的发光分子。另一种方法是剑桥显示技术公司发明的，他们使用了长链的合成材料，大的分子溶解在液体中，通过旋转分层或类似喷墨打印的方法将其带到电极上。 可弯曲的超阻隔薄膜 除了发光合成材料的特性外，封装质量的好坏直接影响到有机显示器的寿命。为了不损失发光能力，聚合物不可以与水或氧气接触。目前使用的方法是在前后使用玻璃盖片，但是这样做的结果是显示器变得很僵硬。科学家们试图把聚合物加到可弯曲的合成材料薄膜上从而使显示器长久地与空气隔绝而达到封装的目的。 通过使用特殊的阻隔层可以减少基底薄膜对氧气和水汽的透过率。商用的透明高阻隔薄膜是一层由氧化硅或氧化铝组成的很薄的涂层。但是目前市场上所能提供的最好的阻隔性材料离显示器的要求还有很大差距。对于OLED应用，阻隔性能必须提高至少十万倍。 弗劳恩霍夫“ 聚合物表面”专题协会开发的多层系统指出了正确方向。 为了制造超阻隔薄膜，科学家使用了一种通过真空蒸发的无机物涂层和一种以高阻隔性为显著特点的无机－有机混合聚合物(ORMO-CER(r)e)涂层。这种方法通过利用不同阻隔材料的组合，从而为特定的应用目的实现相应的阻隔性质。由该方法制成的可弯曲超阻隔薄膜的测试显示器的发光强度达100坎德拉/平方米。制造可弯曲的显示器不再是一个梦想。
由合成材料制成的显示器具有巨大的市场潜力，预计在未来5年的销售额可以达到数10亿美元。

第二部分：信息和通信技术思索的力量

目前人们使用计算机仍需要键盘、鼠标或触摸屏，而在未来或许只需要在脑海中闪现一个念头就行了。美国和欧洲的很多研究机构正在开发大脑－计算机接口，它们能反映出大脑中闪现的念头，并将其转化为计算机能理解的信号。 技术与心灵感应无任何 关系。弗劳恩霍夫计算机结构和软件技术研究所使用了128个脑电传感器(EEG-sensor) 和众多的电缆将被试验者与计算机连接起来进行上述研究。 关键技术 在“柏林大脑－计算机接口”(BBCI) 的研究项目中，人们校准计算机，使其能解释被测人员的大脑电流，使用脑电图可以测量出神经生理信号。大约在人们做出动作的半秒钟之前大脑的电流会有改变，该信号强度只有百万分之几伏特，但已足够表明人们有运动的意念。计算机可以接收上述信号，从而可以赶在被试之前做出相应的动作，譬如把鼠标前移一步。 问题和解决方案 人类的大脑产生很多不同的信息，它们互相交错。一个大脑－计算机接口必须从众多的信息中搜索出与运动意念有关的信号。弗劳恩霍夫计算机结构和软件技术研究所通过与德国柏林洪堡大学医学院附属的富兰克林医院神经物理组的合作开发出了一套软件。该软件能识别上述信号。特殊的算法将区分不同来源的大脑信号，计算机将学会把所测到的信号与某种特定的运动挂钩。其他的类似系统往往需要几个月的训练时间，而BBCI系统在经过20分钟培训后，被试验者便可用他的意念来操纵光标了。 重要意义 上述方法具有很多用途，如让光标在一个字母表中移动，就形成了一种“思想的打印机”。借助它，瘫痪病人可以用计算机写作。当然，人们动念头并不只是为了移动光标， 这取决于所使用的计算机程序， 大脑电流可以转换成不同的指令， 又如用于控制假肢或瘫痪患者肌肉的运动。 在娱乐电子行业中，大脑－计算机接口也可派上用场，如用于新的计算机游戏中。 前景预测
大脑－计算机接口技术还处于起步阶段，其中相应的软硬件及脑电图技术仍有待发展。几年之后，用作测量脑电流的仪器可以装入折叠帽中，到那时候，软件也能识别更复杂的运动意念。届时，该技术产品可以批量进入市场。

第三部分：交通与运输安全过马路

浮乐空茨所描绘的关于快速运动的梦

　　十字路口是城市交通的焦点，在那里发生的事故占所有城市交通事故的60％。在有红绿灯的路口发生的事故中将近一半是闯红灯及忽略优先行驶权造成的。在仅仅竖有标牌的路口所发生的事故中的95％是忽略优先驾驶权造成的。在这种令人担忧的情况下，人们可使用所谓的交叉路口辅助系统，它们可在危急情况下给司机发出警报，帮助司机避免事故的发生。 关键技术 录像机所提供的信息与人眼所接受到的最相似，这是自动识别技术的基础——汽车“学习看东西”。机器的视觉系统必须与庞大的数据量打交道，它必须从每秒1000万像点中过滤出“警告、刹车或不必警告、刹车”的信息。此技术的第一步是快速探测以及对图像中决定性区域的判断。有两种光学图像识别方法：光学通量和立体图像技术。研究人员已经成功地将立体摄像机上的图像与光学通量的辨认程序在数学上联系起来。目前计算机已能识别静止的与运动的物体，并能计算出车辆以什么样的速度接近这些物体。这种识别和运算是实时的，也就在毫秒内完成。 问题和解决方案 尽管市内交通速度较低，但与城市外的交通相比，城市内的交通境况要复杂得多。车辆辅助系统中的雷达传感器只能在特定的条件下获取车辆的环境信息，它们只能看到车辆前方很小的视角区域，并且无法区别物体。因而研究人员使用摄像传感器，即照相机，它们可以单独被使用或两个合在一起作为立体系统，它们还可提供彩色或黑白图像。传感器上的某一幅图像单独使用并无任何用途；只有当其中的图像信息被分析和加工后，人们才能获得道路上是否会出现危险情况的信息。因为实时性在此情况下很重要，所以计算机可支配的时间很少。 十字路口辅助程序可以认识“停”的路标是什么样，并且以后能在任何情况下加以辨明，无论是在夜间、雨中、不同宽度的街道上或在一片路标的“丛林”中。此系统还可识别司机对此交通标记是否有所反应。如果司机不刹车，那么系统将会发出声音或视觉警告或自动将油门关闭并刹车。 重要意义 投资新一代的交通辅助系统的硬软件的意义是显而易见的。尽管它们可能无法识别所有的危险，然而它们至少可以避免在十字路口发生的60％的交通事故。 前景预测 联邦教育与研究部所资助的联合项目“INVENT”(发明)正在对上述问题进行处理，此项目将于2005年结束。 识 别 路 标 交通中连续涌现的视觉刺激要求驾驶员有相当集中的注意力。路标、红绿灯、车辆、路面标记和其他的交通成分构成了一幅永远变动的场景。视觉辅助系统——如交通标志和红绿灯识别系统能弥补驾驶员的感官不足并帮助驾驶员正确地识别周围环境。假如司机处于超速行驶或忽视了红灯的危险情况下，他将被及时地警告。 关键技术 在交通路标识别系统中，用彩色摄像机获取周围的信息。专门的色彩过滤器将图像分解成交通标记特有的颜色及图像背景，图像的界面将按照形状、面积、大小及内容被一一分析。图像分类器再按照系统已获知的区分标记，将它们归类为某一特定的交通标记，具有特定色彩的圆形图像是识别红绿灯模型的首要依据。另外一种方法是依据其轮廓或信号灯的位置判断路标或红绿灯。这种方法有个优点，即它不使用昂贵的高分辨率的色彩传感器。为了增加可靠性，形状分析以每秒25次的频率进行，一直到车辆驶过相应的交通标记。 问题和解决方案 在城市中五颜六色的环境下，视觉辅助系统必须在视别相应物体方面接受培训。为了将冗长的图像数据减少到必要的程度，许多识别系统将并列工作。识别系统已被事先用大量的例子进行了培训，所以它们知道将要识别的物体应是什么模样。在图像处理的最后阶段只剩下一些对司机有意义的数据。图像处理软件将结果显示出来，如有速度限制或红灯之类，并可将其转换为声音信号来提醒司机。 重要意义 每一个这样的信息均可帮助司机避免错误，从而避免事故的发生。在对有红绿灯的路口所发生的交通事故的原因进行调查后发现，借助及时的预警可使闯红灯得以避免，从而使那里的交通事故减半。 前景预测 交通标志和红绿灯识别系统已经通过了检测阶段，而且将通过感光辨认标志的传感器得以持续的改善。这些不同的识别系统在未来会成为戴姆勒－克莱斯勒公司路口辅助系统的组成部分，它也可将信息传递给方向盘、刹车系统或速度控制器。  

第三部分：交通与运输具有保护反应的车辆

一只猫从高处掉下时，它会将身体自动地转到一个保护位置。这种源自于自然的机理在梅茨得斯安全系统——PRE-SAFE的研发中得以应用。系统研发人员的基本思想是在从危险出现到可能发生事故的时间间隙内引入安全措施。一辆车如果开始失去控制或启动紧急刹车后，PRE-SAFE系统就被启动。安全系统将迅速地改变座位的位置并绷紧安全带，这样便可在出现撞击时更好地保护司乘人员。 关键技术 PRE-SAFE安全系统使用的是被动安全系统，如汽囊。它使用主动安全系统的车辆数据，主动安全系统有刹车辅助BAS以及电子稳定程序ESP。该技术的关键是快速的数据交换以及高速的数据处理。另一个相关的因素是环境识别。装备在汽车四周的传感器测量出与障碍物的距离并算出车辆的相对速度，行使状态也通过特殊的传感器得以评估。他们可测量出速度、刹车动量、刹车板速度、轮胎的滑动、主轴上的加速度、弹簧缓冲形变、方向盘速度以及轮胎所受的压力等。 问题和解决方案 车辆中的预先保护措施现在已经成为现实。所有这些传统的被动保护系统(如安全气囊)的不足之处是：它们的使用不可逆转，只能使用一次。在汽车中使用的预防措施必须具备下列功能，即在避免事故后它们又能回到原来的状态。PRE-SAFE中的被动安全系统使用的是主动安全系统的车辆数据。在当今已有很多的车辆传感器，它们可以识别危险的车辆状态。在所有梅茨得斯－奔驰的个人车辆中刹车辅助及电子稳定程序已属于系列装备。 重要意义 现实中事故的发生为PRE-SAFE系统的发展提供了动力。从时间上来看，在事故发生之前已经呈现出危险来。戴姆勒－克莱斯勒在辛德尔芬根的事故研究中心归结出的具体数据证明，在大约2/3的汽车碰撞事故发生前人们有好几秒钟的时间清楚地意识到极有可能会发生事故。也就是说，无PRE-SAFE系统时宝贵时间将被浪费，一般的保护系统只有在发生碰撞后才被启动。 前景预测 如果保护系统在未来能得到更多的关于车辆及司乘人员的信息，那么会有一种更进一步的措施，该技术被称作个体安全措施，它并行于PRE-SAFE安全系统。在未来，完全有可能在发生撞击时通过安全系统对每个成员进行最佳调节从而达到最佳保护效果。 前瞻性驾驶的远程地平线 导航系统的市场正在兴隆起来。然而，汽车中的数字卡所提供的可能性要比导航系统多得多。与车辆辅助系统相联合，它可将驾驶员的视野扩展到“远程地平线”。不论是从空间还是从时间的意义上讲，借助于数字卡人们可以看得更远。它可以全天候地识别出在下一个弯路的后面隐藏着什么，从而使驾驶变得更安全、更无忧和更流畅。 关键技术 作为该技术的前提，数字地图必须一直更新，尽可能处于最新状态。这一点是至关重要的，尤其当它与驾驶辅助系统的其他传感器如摄像机、超声波或雷达等提供车辆环境信息的装置一起使用时。各种系统所提供的数据将被组合起来，它们可以相互验证，从而按照具体情况计算出正确的结果。导航系统属于车辆的计算中心，那里配有用作存储器的硬盘。 问题和解决方案 从技术角度上讲，数字地图纯粹是一个阅读存储器。它们含有路段情况、街道名称以及火车站、街道和体育场所等公共地点的信息。数字地图也包含一些附加数据，如速度限制或禁止超车的路段等。这些信息可以与自动限速器结合起来。驾驶员只需启动它就可使行驶速度不会超过规定的界限。未来的导航系统甚至能把这些信息与相应的路段挂钩，将此应用到经常行驶的路段上，如在上班时要经过的被限速的高速公路段，是非常有实用价值的。 所谓的弯路预警器也使用数字地图。该系统能计算出州级公路的弯路形状。该系统可从弯路的曲率半径计算出相应的最高允许行驶速度。如果导航系统确认车辆行速太高，那么它将对驾驶员发出视觉和声音的警告信号。 重要意义 从车辆电子角度来看，数字地图是一个附加传感器，它可提供独特的信息，使驾驶更加安全。 前景预测 与远程地平线技术和数字地图紧密相关地，在可见的未来将出现第二个远程技术成员，使“无事故驾驶”的梦想变成现实。这第二个成员便是车辆之间的相互通信。有朝一日，车辆之间可互换行车地点、路况或交通状况的信息，这样驾驶员便可直接从其他驾驶员的“经验”中受益。

第三部分：交通与运输未来交通工具的系统诊断

有关机动车辆的技术发明中有80％与电子系统有关。每辆车都有——取决于车型——超过50台的控制装置，它们多方面地调控着车辆的功能，有超过600种不同的信息流过车中的电缆。数据流之所以没被阻塞，是因为使用了可靠的软件。如果车辆要送到车间去维修，会出现什么情况呢？软件与螺钉不一样，人们看不见它，不知道其是否松动或丢失。为此人们开发出了所谓的系统诊断装置。借助它，车辆维修人员可快速可靠地排除故障。 关键技术 系统诊断的核心是对车辆数据的汇编。汽车就像一台移动的计算机，它在行驶过程中会记录对以后的维修有用的数据。在出现故障时，造成故障的原因将被诊断系统以“快拍”的方式存储起来，这样在以后的维修中便能很容易地找出故障原因来。 问题和解决方案 现代的机动车辆均使用高度发达的计算机。车辆中数据网络的复杂度和功能的多样性要求人们使用功能强大的诊断系统，以便能快捷地检测出故障和干扰来。根据航空航天技术的模型知识，人们也将特殊的诊断系统引入到车辆中。车辆在行驶时车内的诊断系统监视着所有的控制装置。在出现故障时，它会自动给出所有可能的故障原因，1400个电器或电子元件都会被检查一遍。当维修人员把检测仪器连接到车辆的诊断插口上后便可准确地知道需要维修的部件。 重要意义 与个人计算机相比，在车辆中使用的软件必须满足各式各样的安全措施的需要，因为机动车辆具有高度复杂以及与很多网络连接的系统，各种功能必须相互配合才能使驾驶者和其他的交通参加者获得最大的安全保障。
在未来人们把什么样的车辆送到维修车间，对修理者来说并不重要。所有的车辆均采用相同的诊断与维修系统。这样维修车间将会容易制定维修计划，因为维修车间只需要一种标准诊断及维修系统，这样就无需购买各式各样的工具及系统，也可以节省相应的培训费用。

第四部分：新材料花艺处理后的自洁表面 史塔的提炼实验技术 　　千年以来，在亚洲文化中，莲花被视为圣洁无瑕的象征，它即使是在污泥中也能够保持无瑕，虽然许多灰尘、细菌、真菌和自黏结物质吸附在它表面。雨滴能够携带这些沉积物像珍珠一样地滚落。这里就孕育着技术的转化。 几年前，植物学教授巴特罗特发现这种现象在昆虫的表面也 存在。重要的是，它是疏水型的，其微细的结构按确定的尺寸存在，这样就导致接触空间很小——类似于一个钢币平躺在衣刷的刷毛上。巴特罗特将这种现象命名为莲花效应，为此他多次被工业界所奖励。这种持久的无瑕表面创造了神奇的前景，经济化的洁净水只是一个方面。这种概念可引用到自洁的汽车漆、门面彩绘、玻璃盘片甚至塑料胶片。但是它的一个不足就是这种方法产生的结构现在还很敏感，在机械载荷条件下几乎会失效。 塑料的莲花效应 但是在这种塑料的表面会留下什么呢？一个例子就是超疏水性，也就是强烈的疏水塑料材料表面。这就是“AEROXIDELE1”将来所定位的市场。目前已有克里夫斯技术及创新公司和德国德固赛股份公司的多学科研究小组从事这方面的工作。他们已经研究开发了一条生产具有莲花效应的聚合物表面的工艺生产线。 关键技术 这里的主要角色是来自德固赛阿诺斯尔产品系列烟法二氧化硅。烟法的意思是通过火焰工艺制造精细的二氧化硅，对湿度吸收、机械稳定性和塑性进行调整，使其不仅仅在密封胶和汽车漆上得到应用使用。人们通过化学改性工艺将塑料镀膜，这样就使其表面具有像莲花叶子一样的作用。这也基于一种纳米结构，其敏感程度依赖于超疏水性微粒的大小和形状。 重要意义 目前，具有莲花效应的上市产品仅限于彩绘应用方面。在几年后，具有自洁表面的产品肯定会进入我们的日常生活。污染低和只需很少清洁工作的产品出现的可能性都会很大。 前景预测 “AEROXIDELE1”将首先作为纸箔和喷塑的涂层使用，进一步的使用只是时间问题而已，因为在不同领域大批量生产的前提就是要可按工业标准生产的基底材料的出现。 纳米微粒杀死肿瘤 基于纳米技术的新型材料为医疗技术开辟了一条新的道路。如果人们将金属、玻璃或者陶瓷加工成纳米颗粒，那么它将呈现新的特性，如金属将变成半导体或者颜色色料，陶瓷将变得透明，玻璃可以弯曲。萨布吕肯的新材料研究所自1990年以来一直致力于新型纳米材料的研究开发和工业应用。 学纳米技术的一个亮点是新 型的智能的癌症治疗，对肿瘤细胞进行渗透和杀死。乔丹博士于10多年前在柏林夏里特医院发明了所谓的磁流体超热技术，并从此自6年来与萨布吕肯的新材料研究所合作。其目标是：在不感染健康组织的前提下，将肿块进行加热，从而使其自动消减。这种技术在动物实验上已经实现，恶性肿瘤在几周后便可消失。 关键技术 可能的方法是通过由氧化铁制成的纳米天线对肿瘤进行选择渗透，并通过一个磁场对肿瘤加热。这就需要该磁场具有超准性，穿过特殊氨基酸分子在外层的遮盖。并要具有超准磁场性。在与乔丹多年的合作中，新材料研究所开发了这种微粒，这种纳米天线无毒性副作用，自身在复杂的生物环境中非常稳定，以致当它与周围环境和自身的凝聚块反应时也不能渗透到细胞组织的膜层。这种化学奇迹使治疗处理的介入有了可能。 问题和解决方案 传统的肿瘤治疗对特殊种类的肿瘤，如大脑中过量的恶性肿瘤，是不能处理的。纳米治疗却是直接向肿瘤注入的，因此具有选择性。利用磁场控制，对在肿瘤细胞中的物质分子进行每秒钟千百次的磁化反转，就可以对肿瘤进行加热。 重要意义 从2003年6月开始，柏林夏里特医院在人身上进行了临床实验，主要集中在还没有治疗手段的致死脑肿瘤和复发的肿瘤上。医生的下一个目标是对前列腺癌进行处理。 前景预测 在萨尔布吕肯的新材料研究所，这种磁纳米技术目前还在进一步地研究开发。现在可以借助类似的微粒和智能外层将水中的重金属成分分离，以达到饮用水的标准。或者是将聚合物快速聚合。也可根据需求再解开。这种原理与其他的15种技术一起构成了极具潜力的技术平台。 第四部分：新材料问题和解决方案 磁技术 ——硬盘上更大的存储容量 1992年IBM推出了磁阻阅读传感器，它基于各向异性的磁阻效应。它导致电脑硬盘存储密度以每年60％的幅度上升，可以预见的是异磁阻传感器不久就会达到其极限。这样所谓的巨磁阻(GMR)效应应运而生。 关键技术 巨磁阻效应存在于磁膜层的堆垛中，它由铁磁体（如钴）和介磁体（如铜组成）每层几纳米厚。 问题和解决方案 巨磁阻效应出现时，膜层电阻上升，铁磁体膜层周围的磁场由介磁体膜层分隔，将非平行地对齐。我们将R表示测量值，R↑↑表示平行阻抗，R↑↓ 表示不平行于磁场方向阻抗，于是GMR值可表示为DR/RR↑↑ =（R-RR↑↑ ）/R↑↑ 。在非平行方向上，即使R=R ↑↓ ，则DR/R ↑↑的相对值增加。在多如30层膜的条件下，它可以进一步提高100％。在膜堆中如果有两种铁磁体膜层(FM1,FM2)，则就可获得以前最大值的20％。 在硬盘驱动器中，人们可以接受的是10％，这样还可以对其他的材料特性进行优化。与之相比，AMR效应的相对阻抗变化只有3％。 硬盘磁场区域的信息同链及定位的磁场方向都被保存着。它在硬盘上产生散射场，导致阅读头的磁场方向发生改变，从而引起阻抗的改变，最终能够阅读信息。 在零场内产生自由场和耦合场正交方向的特殊性对许多应用都有意义，由于这里没有场变化，所以可以实现极大的敏感度。借助最初的天然膜层和合成的介磁体，可以向特定的方向调整。 带有中间层隔离器的巨磁阻效应与隧道磁阻效应对快速存储器（磁随机存储器）有非常重要的意义，它应该能够替代当今的动态随机存储器。这样，即使在关机时也不会丢失数据。 重要意义 这种新型的、基于堆垛效应的阅读头和硬盘膜层已经在许多重要的相关经济领域中得以应用。进一步的应用，如磁随机存储器，将很快进入市场。 前景预测 可预见的目标是旋度电子学的发展和基于可升级全固态系统自旋级别的量子信息处理的实现。 `一次拉伸5000公里光纤 20世纪90年代光纤技术的快速发展导致价格以平均每年18％的幅度递减。供应商要在这种环境中生存，只有降低成本。成本降低的一个很直接的表征就是光纤预制棒尺寸的上升。由贺利氏特立伏公司提出的合成圆柱棒的质量和纯度是生产长度可达5000公里的大型光纤预制棒的关键。 问题和解决方案 目前，制造基于外套管的光纤预制棒和光纤的标准生产工艺包含了太多的工序，因此在将来并不具备竞争力，其光纤预制棒的长度最多只能达到600公里。由贺利氏特立伏公司开发的核棒技术（圆柱棒中棒）使得圆柱棒的直接应用取代了外套管技术，这样就可以在一次工艺中生产大约5000公里长的光纤。它包含两种不同的方案：离线核棒工艺，即由圆柱棒取代外套管，在此省去了拉伸管。这个圆柱棒由核棒融合而成，其典型的横截面为150平方毫米，长度可达2～3米。同时拉伸获得预制棒，该拉伸过程是必需的，预制棒需要通过拉纤塔台上的熔炉，这时候其典型的横截面会变小到如100平方毫米。另一个更先进的方案是在线核棒技术，核棒向圆柱棒导入，基于这种架构，光纤可直接拉伸。在核棒的拉制工艺中，圆柱棒在拉纤熔炉上时可直接塑造。 重要意义 核棒技术的成本优势是明显的。圆柱棒的材料成本非常低，与外套管相比，其制造成本和材料损耗可以忽略不计。它的超大尺寸导致光纤制造成本大幅降低。它的中间停顿状态明显比标准的产品低。除了对已知的几何参量的改善以外，在线工艺提供最少的工序，这给降低成本带来了极大的潜力。通过这种方案，传统的中间产品光纤预制棒将不再存在，因此在线工艺只是光纤生产商感兴趣的内容，而预制棒生产商仅限于离线工艺，两种工艺给两种情况下的用户提供了明显的竞争优势。 前景预测 离线的核棒工艺已经在标准的生产线中被采用，在线的核棒工艺在2003年才进入产品的试制阶段，它会在将来占据主导地位。 第四部分：新材料神奇的碳纳米管 人 造 肌 肉 未来机械和适应技术的目标是将机械和电子在最小的空间内结合起来。除了微电子电路和传感器，所有的调制器的首要问题是能将控制命令转化为机械负荷。一种全新的、非常具有前景的微观和宏观调制器材料可满足这项需求，这就是由弗劳恩霍夫技术开发组与弗劳恩霍夫界面和生物工艺技术研究所合作开发并优化的碳纳米管。 神奇的碳纳米管 1991年里基玛在他的流体物质与平向球光栅研究工作中偶然发现了碳纳米管。由于它的直径仅有1纳米，长度在厘米范围以及其他一些独一无二的材料特性，使其开创全新应用具有一定程度的可能性。例如，碳纳米管具有金刚石的硬度和高达2800℃的热稳定性。目前正在讨论的应用非常多，如等离子显示器的场发生器、晶体管或者压缩器、纳米天线、热稳定的填充剂、过滤器、存储介质、触媒物质等。 自我发展 1999年堡夫曼和同事第一次描述了碳纳米管现象。仅在接下来的一年内，弗劳恩霍夫技术研究开发组就实现了车刹的碳纳米管调制器。 就在世界各地的科学家还在研究原理的时候，劳恩霍夫技术研究开发组已经目标明确地开始进行技术和经济应用的工作。这种材料展示了独一无二的调制特性。它可以在1伏的电压下，自身伸展1％，这与其他的系统如压电陶瓷或者聚合物调制器相比，显得非常突出。它可承受20牛顿/平方毫米的压力载荷和1千赫兹的时间调制，使许多新的应用变得可能。 挑战：宏观的调制器 在对这种卓越材料的性能的不断探索中，也存在着技术上的困难需要克服。为了能得到可使用的、大尺寸的碳纳米管，目前最重要的是它与纸的生产类似的层化工艺，即所谓的“栅格纸”分离，或者形成长的“带状”结构。两种方法都有明显的缺点，会大幅降低调制特性。其中的原因现在正在研究，以完善这种生产工艺。 结论和展望 碳纳米管作为调制材料还处在研究的开始阶段。然而1伏电压下主动伸展的生物兼容碳纤维给了这个常被引用的术语“人造肌肉”一个及其重要的意义。现正在期待更令人兴奋的应用。 长度与横截面比可达15 000 000 的管状碳分子的六面体网络化照片 栅格纸的扫描电镜图片 第五部分：虚拟企业 生产 服务生产过程的自动一体化 在安乐国的生活和工作 　　当今生产过程的优化已经不局限于企业内部，而是扩展到了顾客和供货厂商那里， 其目的就是充分利用整个商标增值链的有效潜力。到目前为止，生产过程必需的一体化还很昂贵、周期长、人员投资也大。例如，需要参与企业对整个生产过程的表决以及建立企业本身的信息系统等。 业之间生产过程的自 动一体化可按如下步骤进行：所有企业产品灵活配套、价格优惠并且建立在公开的标准基础之上。由此不仅为一体化也为整个生产过程的运行降低了成本，增加了灵活性。 关键技术 生产过程自动一体化需要一个基本条件，即每个参与企业要用统一的商务标价语言(XML)报告情况。商务标价语言是一种在企业中为描写不同的生产过程平台而使用的共同语言。在商务标价语言的译码定义中，生产框架程序是机器可读的，如电子商务扩展标价语言(ebXML) 和络世达全球网(RosettaNet)。在这个过程中，所有信息(如订购或结算)将以商务标价语言的形式进行交流，也就像使用标准的产品数据电子交换(openTRANS)和商务标价语言的共享商务库(xCBL)一样。 问题和解决方案 在生产过程一体化的各个阶段中，必须对相同过程在同一个框架下的不同要求进行比较，只有这样，企业才能成为一个真正的生产能手。这里必须明确规定：企业能够支持哪些生产过程、以怎样的形式交换信息资料、怎样通过局部系统支持整个过程，还譬如是否通过E-Mail 或者通过互联网交换信息，等等。这种生产方针将自动协调产生，使不同的产品模式能进行自动对比，从而得到一个标准样品，然后根据这个样品的效应再考虑将生产方针应用于整个生产过程。 重要意义 目前，基础技术是通过科研项目来开发的，如欧盟支助的“生产过程自动一体化汇总” (openXchange)，这个项目是最近20年来企业中生产过程一体化技术不断开发的继续，它能使企业少走弯路、降低成本。当然，这种自动生产过程一体化也是有效利用互联网的结果。 前景预测 由于这种生产过程自动一体化对于企业的未来具有深远的影响， 因此未来关于生产过程自动一体化研究的重心应放在如何完善、如何管理和监督这种生产过程以及如何准确定义在生产过程中使用的各种术语等方面。 数字化工厂的软件代理人 数字化工厂是一个非常神秘的系统。在工厂尚未建成、企业尚未开工的时候，这个系统就开始认可并使用工厂了。这样的优化必定也涉及生产过程和引导系统，人在此只起决策和解决问题的作用。不过，人还得借助于帮助才能解决复杂的现代化生产过程中的各种问题，这种帮助就是软件代理，它们能够接受并完成复杂的智力工作从而提供必要的信息资料。 关键技术 这种将主导系统建立在代理基础之上的构思来源于信息学。代理在信息学中叫做软件单位，它与目标对象具有许多共同的特性并通过理智的反映和灵活性得到扩展。代理能完成独立的委托工作，既能独立处理信息又能提供必要的信息交流。代理可以为保证完成复杂的工作而自动组织人力攻关。软件代理在联网平台上工作，它能索取信息源并筛选信息。软件代理穿梭于信息和知识之间，起到连接和加工信息产品的作用。 问题和解决方案 这种基于代理的主导系统搞活了企业经济。在数字化工厂里，代理们既加工知识又提供知识，使企业更有效地实现生产过程，从而获得更多的经济利益。同时还能保证产品质量并合理地调节市场需求。 虽然基于代理的主导系统具备所有的信息技术，然而当自我组织起来的代理大量涌现的时候，就必须要考虑到如何通过平台有效地进行必要的信息交换的问题，而在这方面几乎还无经验可谈。更大的障碍还在于进行数字化工厂的最初知识结构组织的人才，我们需要工程师和信息学人才，因为他们能够一起保证完成数字化工厂里从头到尾的信息模拟所需要的很抽象的工作。在设计数字化工厂及其主导系统方案时就可应用包括信息人才管理系统在内的工程师服务条例，以便于人才管理，这个条例将被证明是能够经受考验的。 重要意义 复杂的生产过程将产生大量的信息，因此，有必要借助新的软件代理技术将工作任务分摊给许多人去完成，这些人各自完成规定的任务，筛选相关的信息并将这些信息与现有知识联系起来，就像机器人帮助人们操纵仪器一样。软件代理发送信号帮助人们理解和处理新的任务。 前景预测 以代理作为基础的下一代生产及企业管理的主导系统将是人们的工作伙伴，这种自始至终的信息模拟正是软件代理为数字化工厂的定义和运行所打下的极好的基础，也就是说，软件代理已为人们完成极其复杂的决策过程及采取相应的措施作好了准备。 第五部分：虚拟企业 生产 服务前景预测 机器人助人为乐 人们做梦都想着能有一个帮手，它能做繁琐的家务、能提供饮料、取报纸，在人们休假时它能看房子、修草地以及送咖啡等，也就是说，它是一个全能的服务员，只要人一张嘴，它就能知道人想干什么，就会为人服务、与人消遣。然而，可惜的是，当今这个时代已经没有多少人雇得起帮手和家庭保姆了，更何况是要用机器人呢？当然，上面指的机器人是专门为病人、残疾人或活动不便的人们设计的，因为他们更需要机器人的帮助。对这些人来说，技术上的支持能够很大程度地赢得他们心理上的独立感和安全感。他们可以不必非得待在治疗机构，而可以待在家里。当然，在日常生活中，除了他们以外还有别的一些人也需要机器帮助。因此，科研人员和仪器制造厂商已看好这个机器人帮手的巨大市场。 劳恩霍夫生产技术与自动化研究所许多年来一直在开发具有 服务功能的机器人，其中也有用于日常生活的帮手。有一种机器人叫“看屋宝”(Care-O-bot)，目前，第二代样机已经试运行了。 关键技术 机器人“看屋宝”由一个带有电池的移动平台、一个机器胳臂、 一个抓手和一个用来扫描周围环境以辨别人物的光学传感器以及一个带有语言、图像和接触传感器的使用界面等部分共同组成。使用者通过口授或在屏幕上点击服务图像通知机器人要干什么。当机器人知道它要执行的工作和周围环境以后，它就能自动产生执行程序，接着传感器便按照人的意愿指挥机器人工作，发出信号让机器人打开相应的门和柜子并传递日常用品。此外，非常灵敏的运动技能和传感器也在起作用，以保证机器人识别出不同的人和周围环境，以便人与机器能和睦共处。 关键技术 机器人帮手至少应该能几乎像人一样在不很宽敞的房间里灵巧安全地移动，同时也要价格实惠、经久耐用。为了达到这个目的，必须根据运动学为抓手和胳臂设计出新的驱动装置。其中，最大的挑战是实现人和机器的相互作用，即如何通过协调语言、手势和触摸而产生需要的对话。更重要的是，机器人只要认出服务对象就应该很快根据程序完成人的要求。另外，也应加强研究如何有效地模拟这种多功能对话(即语言、手势和触摸)，并使之能方便地为人所使用。 重要意义 机器人的研究和开发为我们展现了一个庞大的市场。就像家庭洗衣机或者老人用的手扶车一样，机器人“看屋宝”也可作为我们日常生活中的一个舒适的家庭设备。目前，全世界还有许多科研机构或者公司都在从事机器人帮手的研制和开发。 前景预测 根据专家预测，10年内将会有第一台前所未有的机器人进入家庭。但大批量家庭机器人的使用则要在10年或者更多年以后才能实现。科研人员和生产商们一致的看法是，虽然未来机器人助手的市场潜力非常大，但问题是谁能成功地实现这个突破呢？ 喷丸技术和陶瓷 自从20世纪30年代喷丸技术用在赛车的传动轴上，大幅度提高了赛车的疲劳强度以来，这种表面处理工艺便开始迅速发展。今天，每个汽车马达的阀门弹簧都必经喷丸，尽管喷丸会稍微损失些表面材料，但它保证了马达的使用寿命。这种根据需要利用普通材料局部优质表面以提高其特殊性能的处理方法，对金属材料而言已是很普遍的了。 前，人们对高质量的陶瓷材料并不进行喷丸优化处理，因为 常规的喷丸也会引起这种陶瓷材料的脆裂，这也说明断裂并不是因为强度低而引起的。与金属相比，陶瓷材料从根本上具有完全不同的变形和断裂性能，超载时陶瓷会突然断裂。从表面上看，像喷丸这样的工艺只会引起脆性陶瓷的损伤，因为在喷丸过程中既要使陶瓷零件的表面局部变形，又不能让它断裂，这似乎是难以两全其美的。 第五部分：虚拟企业 生产 服务问题和解决方案 关键技术 喷丸与喷砂的原理相似：具有一定硬度的微小球墨或球丸通过空气压力或其他气体压力快速喷射到零件表面，如果是金属的话，其冲击作用会引起一定深度的表面变形而且直到表面层变硬才终止继续变形。同时，压力会产生相应的预应力，这种预应力会使构件在使用时产生很危险的拉应力。但喷丸后，变硬的表面层确实具有很高的强度和很强的耐磨及抗腐蚀能力。 问题和解决方案 弗劳恩霍夫力学材料研究所的研究人员在世界上首次成功地将喷丸技术应用于陶瓷，极大地提高了陶瓷的使用强度，其成效甚至超过了按照一般费事的常规方法，即通过改变和开发新的材料性能来提高其强度的方法。对陶瓷的变形和断裂性能的系统研究表明，在喷丸过程中，球墨或球丸的尺寸与表面变形和预压应力的形成有很密切的关系，即引起零件产生裂隙的原因与球墨尺寸直接有关。这项研究成果带来了技术上的突破。在实验室里，人们用不同的陶瓷材料通过选择一定范围的工艺参数和合适的球墨材料，使表面层的材料强度提高了4倍，甚至同时还降低了陶瓷的脆性。 重要意义 尽管人们广泛彻底地研究了陶瓷材料的潜力，但不要期望工业界在近期内就能生产出强度和韧性都很好的陶瓷产品。因为还存在一个很大的问题，即陶瓷材料的加工性能太差。然而使用喷丸技术可以克服陶瓷的这种缺点并找到其新的应用领域，例如，可以应用到表面层性能起决定作用的零部件，如滑动轴承和滚动轴承的耐磨性以及控制阀及汽缸活塞杆的弯曲疲劳强度的改善方面等。另外，该技术还有一个不可忽视的潜力，它可以弥补加工损失的不足，也即使用某种快速实惠的加工工艺代替小心翼翼并费事的硬加工工艺。 前景预测 首次成功地对陶瓷滚动轴承及其模具进行了试验性喷丸处理，从而为喷丸技术用在处理高质量陶瓷方面开辟了一个新天地，这对于提高普通陶瓷材料的质量也具有重要意义。 移动通信——数字化服务到家 移动的终端设备将电信和组织者的功能与个人的当地信息联系在一起。人们可以通过它阅读E-mail，可询问距离最近的自动取款机在哪里，或者动态索取时刻表。然而，这些新的服务功能的实现需要较高的安全性保障，特别重要的是数据保护及个人隐私的保护。 种移动通信课题的目的是在代理人基础上设置一个平台，以 提供针对个人的多方位、多时空、多面安全和随时的服务。 技术关键 除了组织者功能和上网入口外，这种移动终端还提供了当地的全球性定位系统(GPS)接收器和一个为安全目的而设置的小型解读卡。用户赋予终端及其用户指南以权限，而为了提供每个用户的服务和信息，软件代理则要与服务代理保持联系并充分利用这种特别的管理者（服务代理）。 问题和解决方案 服务代理人保存并管理用户的姓名、地址及尽可能多的其他信息，如银行账号、旅馆目录、饮食嗜好或文学上的偏爱等。用户指南会根据本体学原则寻找到相应的服务，用户指南和服务代理人位于用户使用区的一个服务器上。根据个人需求，其权限可设置在智能卡上、个人计算机上、雇主的服务器上，或者在一个提供互联网的公司那里。 重要意义 当地信息可根据需要从当地服务器上得到，此服务器记录了人们上网的日期、时间多少、浏览的网页及个人的银行账号或信贷信息等数据。正是用户在网上留下的这些信息，让人联想到可以从这些单独的信息去推测用户个人的真实特征，如果用户的真实特征果然正好符合这种推测的话，那么这就说明这种推测行为比其他的推测行为更接近于人的自然行为准则。 前景预测 服务代理系统进一步开发后，它将能结合网页服务的附加内容并将其显示在屏幕上。此外，还可通过智能卡获得安全的结算方式，即利用信用卡功能无记名转账小额款项。 第五部分：虚拟企业 生产 服务时间旅行 谁都想马上拥有一辆属于自己的新轿车，即使这辆车3个月以后才出厂也无所谓；或者，开着车招摇过市，穿过像罗马时期那样繁忙的集市区。由于人的寿命太短，我们对过去及未来一无所知，只能通过阅读或者看电影靠想像来了解过去，靠想像去展望未来，因为有些事情要么离我们太遥远(时间和距离)，要么对我们太危险(不可能靠近)。而正是这种仿真模拟景象解除了我们想像力所受的约束，让我们能够真切地体验、感觉和想像过去和未来，仿佛身临其境一般。 技术关键 坐在屏幕前我们就能观赏现代多媒体计算机的节目。现在，计算机的功能越来越齐全；投影仪也价廉物美；音响系统的立体效果已无可挑剔，因为新技术的引入使音响更有力度、更有动感、更有趣味。配合以相应的系统融合技术，我们简直就可以陶醉在这完美的、变幻无穷的仿真世界里了。 对全真音响的模拟原来是出于产品开发的需要，因为在产品的开发过程中就需要向顾客介绍样品，而设计工程师也乐意把他们的想法介绍给顾客，以便听取客户的意见，从而改进和优化产品的使用效果。于是产商们便在展厅一角边展示边出售全真模拟的系列产品，也可让顾客眼见为实。 技术挑战 挑战其一在于要把仿真或模拟的成本降低，其二是模拟嗅觉、力度、触摸和运动的整个系统要能为市场所接受，并且要质量好、效果佳。 重要意义 这种全真模拟系统具有广阔的市场前景，从公开投资市场到日常娱乐工业，甚至个人家庭方面也有市场。另外，除了应用于产品的开发和销售以外，它也可用于建筑艺术、学习进修或者消遣新闻中，由此可见，其市场的潜力非常可观。 前景预测 从中长期发展看，全真模拟可以涉及日常生活的所有方面和许多其他领域。学生也可以类似地在立体投影室里观看和经历逼真的中世纪市民的历史生活。生产部门已经作好了批量生产仿真模拟产品的准备，对应地，将来的仿真产品不仅只活跃于网页上，还有亲身经历的可能。未来的电影院将通过这种技术激起人们更加丰富的创造和遐想能力。 第六部分：能源和环境技术 7000马力的滨海风力发电站 和谐自然地生活 　　风力发电有许多优越性，它既可降低影响气候的废气的产生，亦可保护化石燃料的储备；作为本地能源，它可以安全地提供部分能源，减少德国外贸不平衡。然而，在德国陆地上，适宜于采用风力发电的地区要么已被占用，要么因环保要求而不能建立新的风力发电站。所以，德国风力发电工业界正把注意力延伸到风力更强的广阔海洋上。 问题由来 在辽阔海洋上安装风力发电站，其技术要求大大高于常规的陆地风力发电站。海洋上的风力发电站的装置必须要能承受20米高的波浪，要能抵挡最强烈的飓风。耗资巨大的海底地基、通向水下至40米深处的电缆，只有安装大型风力发电系统时，才有可能获得经济效益。风力发电设备制造商们已研制出新一代超大型装置。再生能源动力5兆瓦风力发电机就是一个典型例子，其发电容量高达5兆瓦或7000马力。一个拥有200套这样装置的风力发电站，其发电总量相当于一个大型的常规发电站。 关键技术 再生能源动力5 兆瓦发电机的转子面积达12 000平方米，几乎相当于两个足球场的面积；长达125米的扇片跨度，几乎是一个大型客机的两倍；仅用于固定转子和毂的塔头就重达120吨，装有发电机支座，驱动装置以及发电机的吊舱重达240吨，这两项的总重量相当于一辆德国ICE 3型高速列车的两倍；毂处于海面上120米处。整个装置的高度相当于德国斯图加特城市的电视塔。这么一台装置的发电容量可以满足约6000户家庭的需求，全负荷运转状态下可使100万支节能灯同时大放光芒。在风力很强的秋季和冬季，船舶和直升机有时会无法靠近风力发电装置以进行维护和修理，所以海洋风力发电站必须特别坚固可靠，以尽可能达到零维修。为此，很多核心部件在每台装置里都备有两套，诸如遥感器、控制单元和其他关键组件；监视系统可全自动观测整个装置的运行状态，通过探测温度、噪声和振动，来早期预测磨损和故障，以便及时出动相关的维修船舶或直升机，通过使用起吊机直接在装置上实现针对性的维修。此外，腐蚀保护措施也非常严格，像发电机这类敏感部件实现全密封包装，以防此大气影响。 重要意义 因为地下化石燃料储藏量有限，再生能源体系得到越来越多的重视。发电能力很强的海洋风力发电站为大规模发电提供了新的可能性。 前景预测 2004年，德国在北海和东海区域启动建造了第一套海洋风力发电站工程，德国联邦ZF计划2006年实现600兆瓦的海洋风力发电容量，到2030年，德国海洋风力发电容量预计达到25 000兆瓦。 生物量——纯动植物组成的有机物质 20世纪70年代的石油危机终于使人们觉醒了：化石燃料的储藏量并不是无止境的！而要预测原材料经济的未来，首先必须回顾一下其历史。尽管各类纯植物“化学剂”早在原始时代就已形成，但它却因为独霸市场的矿物油原料更为有利可图而几乎完全被排斥在市场之外。在矿物原材料资源的储量似乎永无止境且可价廉获取的时代里，人们不会把生物量从“睡美人”状态唤醒。在石油危机随时会出现的今天，我们不得不重新开始重视到生物量的潜力。 态学知识告诉我们，要达 到“21世纪战略”所要求的环境均衡和可持续发展，则以生物量为基础的原材料的优越性会更为突出，而以化石燃料为基础的原材料的缺陷则会更为明显，因为生物量为基础的原材料具有二氧化碳中性的碳平衡，对环境和气候均有良性作用，而且降低工业发达国家对石油进口的依赖性，增加了一种原材料和能源自给自足的途径。然而，由于通过发酵和汽化过程来产生电能和热能的成本，或生产生物量燃料和以生物量为基础的能源的成本至今还非常高，所以，目前生物量对原材料和能源的贡献几乎微不足道。 关键技术 生产以生物量为基础的工业产品，既可以直接通过物理或化学手段来加工处理生物量，也可以碳水化合物为间接原材料，采用微生物和酶催化等生物技术手段来实现。以现有技术以及尚需开发的新技术为基础，可以总结出一条生态与经济方面都高效的联网加工链。只有当生物量加工成本进一步降低、加工质量进一步提高时，再生原材料（生物量）才有机会夺取石油产品的部分市场。未来生物量能源加工工厂的设计要像今天的炼油厂一样达到高度的经济价值，从而高效地生产出几乎一切生活领域里所需的商品。 重要意义 生物量能源可以满足我们很大一部分的能源需求，再生原材料将会为中、长期内解决经济、环境和社会相关问题做出贡献。生物量能源和生物量原材料的利用将加速经济循环体系的扩展，使其走向一种可持续发展的经济模式，从而真正实现社会的可持续发展。这是非常重要的！ 前景预测 要从生物量原料中提取基本化学剂，包括液体燃料和发动机燃料，并能够源源不断地提取出价廉物美的特种化学剂还需要科技界投入大量的人力、物力和财力。令人欣慰的是，对于未来的展望非常振奋人心。据美国专家预测，到2020年，目前以化石为基础的有机基本能源中将有四分之一，石油和发动机燃料中将有10％（以1995年为基数）会以再生能源原料（生物量）为基础，并采用生物提炼技术来提取。生物量这一“睡美人”在不远的将来就会醒来了！    第六部分：能源和环境技术五颜六色的环保漆 过去，汽车上漆的全部流程中伴随着油漆废料、溶剂散发等污染以及高度的能源消耗，环保者对此虎视眈眈。自20世纪90年代初，特别是有害物质最高允许值新规定实施以后，发生了一场深刻的变革。如今，上漆流程已完全自动化，速度更快、效率更高、环保效益得到改善。在先进的汽车生产线上，通过采用“集成上漆体系”，油漆消耗量降低了20％；通过采用无铅浸入上漆工艺，污水负担大大降低；通过引进一套崭新的上漆流程，溶剂散发和能源消耗亦大大降低了。 关键技术 汽车上漆流程从预处理开始，车身首先要穿过一个喷射－浸入装置，以除去油脂和磷酸酯，这一预处理过程已被优化，达到了无镍、无氮化物、无铬的要求；接着采用阴极浸入法上底漆，达到防锈的目的，通常采用无铅漆，以便尽可能降低对环境的污染。第二层漆由两种水基漆组成：一种是为了抗石击，另一种是为了定色，尽管两种水基漆不是同时上，但因其具有双重功能，人们通常称它为“集成漆”。此外，现代水基漆不含溶剂，对环境影响较小。第三层漆也是最外层漆，它是一种光亮漆，称为“粉末液”，是一种溶化在水中的微细粉末漆，也几乎不含溶剂，采用静电法上漆。 重要意义 上述新颖的汽车上漆体系的核心优越性是连续上所有的三层漆，也就是说，上完第一层漆后无需干燥流程即可上第二层漆，直至上完第三层漆，中间完全省略了耗能的干燥流程。底层使用的无铅防腐蚀保护漆和第二层使用的水基漆大大降低了有害垃圾、有毒气体以及漆污泥中的危险重金属铅的含量，过去常用的金属漆含有73％的溶剂，而如今的水基漆中含70％水，只含10％溶剂。此外，最外层漆具有抗摩擦、抗石击特性，最终给每个客户带来实惠。 太阳能制冷 “热浪滚滚、火炉告急，意大利面临严重的供电、供水危机！”2003年夏季，这类报纸新闻把意大利的供电紧张原因归结为空调设备的使用。在意大利及其他气候变暖且富裕的国家里，越来越多的大汗淋淋的居民们开始安装空调。空调装置不仅直接导致季节性供电紧张，同时也间接导致空气中二氧化碳废气含量上升，尽管所采用的新型冷却物质（FCKW替代物）不会破坏臭氧层，但它仍然对气候有不良影响。 阳当头照时也是对室内空调需求最高之时，同时也是太阳能 利用具有最大潜力之时。利用太阳能制冷已不是什么新概念，然而，要进一步提高效率则有待于新技术的开发。 用水储热、储冷 现代建筑设计为节约室内制冷能源消耗提供了各种可能性，诸如通风控制、建筑结构以及绝热的改善都是能源节约的良好措施。此外，还有被动冷却技术，比如地热交换器或水蒸气冷却法。特别值得指出的是，再生能源的有效利用将大有前景，比如太阳热收集器驱动冷却的方法尤其大有前途，是属于一种未来的冷却法。在低压下，无害固体吸附剂颗粒，如沸石或硅胶具有吸附水蒸气的功能，能导致水持续蒸发，从而产生冷却效应，再通过热交换器即可冷却室内空气。太阳能收集器的热量用来实现吸附剂的再生（也就是说，使吸附剂脱水）。 以吸附材料的作用为基础的开放式冷却法还可以降低空气湿度，这一点在热带地区尤其重要，因为高湿度热空气更加使人感觉难受。太阳能收集器所提供的低温热能可成为这类系统的驱动源。 重要意义 可用优化后的新型吸附热交换器来建造坚固的小型冷却机，采用市场上普通的太阳能收集器作为驱动源，便可实现室内的高效率制冷。 前景预测 如今，人们已经掌握了用太阳热作为驱动源来实现室内空调或制冷应用的相关技术。这种装置可采用市场上的通用零部件组装而成。然而，要全面推广这类太阳能驱动制冷装置还必须要开发新颖的系统技术和控制工程，以保证所有部件能最优化地和谐运作。 第七部分：生命科学和健康改进的药物治疗 关于永远年轻的梦想 　　人对药物的反应是因人而异的，药物有时候不会让人感到任何不适而有时候会产生副作用。但是如果事先不知道哪种药品对病人是适用的，那么医生除了尝试之外别无选择。到目前为止，医生只能通过粗略的标准，如重量、肝肾功能来决定药物剂量。药物遗传学家试图解决这个弊端，他们想建立一个数据库，这个数据库包含大约150种物质通过离体和活体实验研究获得的基因表达数据。 关键技术 生物芯片是这项技术的基础，它使得迅速精确的基因分析成为可能。生物芯片的原理是“锁-匙原则”，该原则认为只有特殊的分子才能作为与之结合的生物大分子的敏感部件。这样，复杂的互相作用的基因便可以获得表征。为了分析药物或化学药物中的成分，研究人员必须确定不同的步骤，看这些成分是怎样和细胞相互作用的，因为每个细胞都含有整个生物体的DNA信息。目前，科学家们正在研究常用处方药的不同成分。为了测量基因表达(基因对不同物质的反应)，首先要在肝脏、心脏、肺和肾脏细胞中进行离体和在体实验，结果表明这些器官是可能受到副作用的损害的。测量的数据包括加入药物6、12、48、72小时后的数据。剂量分为3个档次：最低剂量，相当于在用于治疗人时的药物浓度；最高剂量是通过毒理动力学研究导出的，并在动物实验中会引起动物器官损坏的剂量。另外，数据库还包含从已知有毒化合物实验获得的基因表达特性。这样就有可能将实验数据和检验物质进行比较。 重要意义 借助这种新的研究技术，可以获得高度复杂的多达百万的基因表达数据。这样高的数据密度只能通过新开发的算法来进行处理。分析数据后可以找到药物的作用与失调基因的模式分析之间的联系，这样通过数据库就有可能对药物的安全性进行可靠的预测。不同的生物、化学物理信息以及生物系统(植物、动物和人) 借助于数据库互相联系起来，并且可以得到关于不同物质间相互作用的知识。 前景预测 该项研究的目标是弄清楚常见的药物和化学药剂中的成分是怎样和人作用的。这样就可以避免药物副作用，甚至可以测试个体对药物的兼容性。在开发新药时，一方面人们可以及早排除可能有问题的物质，另一方面也不能停止对仅在少数情况下表现出危险作用的物质的研究。数据库是一个能加速药物的市场引入同时提高其安全性的有力工具。 利用生物芯片进行细胞操纵 生物学家和医生在开发药物或诊断方法和研究细胞生物技术的问题时，需要对细胞进行操纵和表征。目前细胞的操纵方法是以使用微毛细管为基础的。它有两个严重的缺点：第一，微毛细管的接触会对细胞产生很强的压力，有时会导致细胞死亡。第二，这种接触必须由有经验的人来操作，因此自动化的难度很大。“芯片实验室 ” (lab-on-chip) 提供了一种很有前途的自动化、非接触操纵细胞的方案。 关键技术 高频电磁场会导致生物体的细胞发生极化。根据细胞的可极化性，科学家研制了一个向场强增加方向的力——正介电电泳，或者向场强减小方向的力——负介电电泳。负介电电泳允许非接触的细胞操作。借助微结构化的电极布局可以产生足够大的梯度，从而使得细胞或亚微米级的病毒微粒以微流体的形式转移或保持在某个位置。 阻止关节的分离 风湿性疾病日渐流行，影响到大约5％的人口。最常见的风湿性疾病是风湿性关节炎，这是一种慢性的疼痛性关节疾病。当发生这种炎症性疾病时，结缔组织中存在的纤维细胞发生了功能性的改变，从而导致软骨组织的破坏。风湿研究的一个关键任务就是阻止关节的损害。到目前为止，抗风湿药物的研究仍需要进行费时的动物实验。 的药物和治疗方法应该能停止危险的纤维细胞的活性。到目 前为止，只能通过用患者关节囊中的纤维细胞处理无免疫力的SCID老鼠来进行研究，但这是费时、费财且易受干扰的一种方法。临床免疫学和输血医学研究所的医生和生物学家建立了一种叫做LS-48的细胞株，使用它能够在几天内研究细胞的损害性这么大的原因，以及怎样才能阻止组织的损害。    第七部分：生命科学和健康慢性损害的快速分析 在多种细胞混合数天的培养液中可以研究它们互相之间是如何影响的。测量的数据包括：细胞的功能性改变以及细胞的死亡或对信使物质(一种特殊的细胞浆蛋白质)的免疫反应。经过连续培养可以获得对软骨组织和骨具有侵害性的LS-48纤维细胞。在把这种纤维引入10天之内，实验动物膝关节的软骨组织已经受到攻击，但是没有这种技术的话，则这样的过程需要几个月。由于具有很快的速度，LS-48为细胞临床治疗检验提供了一种快速而稳定的破坏模型。另外，通过和离体的软骨组织混合的培养液还可以研究纤维是怎样通过药物治疗被抑制的。 重要意义 虽然抑制炎症的治疗明显减少了很多风湿病患者的疼痛，但是进一步的关节结构的破坏仍然无法避免。已建立的模型无法有效地研究关节结构破坏的机理。但这个模型却操作简单且很容易获得，利用它可以发展一种迅速、专门和高效的筛选方法来寻找影响因子。 前景预测 这里介绍的细胞模型可以在将来替代耗费的动物实验，用于寻找新的阻止软骨和骨骼破坏的治疗方法。另外，它可以用来准备大量的样品。在这一点上，它已经被用来和药物公司进行工业合作，并获得了越来越多的注意。 让针穿过钥匙孔进行手术 随着医学技术的不断进步，今天的医生已经可以在人体内复杂而很难进入的部位非常精确、安全并有效地进行手术，而且医生所使用的器械也变得越来越小。其原因在于，轻创伤的手术与传统方法相比，对人体的损害少，从而可以加快病人的恢复。就像通过钥匙孔无法看清楚里面的整个房间一样，医生在对软组织进行手术时需要对手术部位作磁共振(MRT) 成像，这样，手术人员就可以在无X光辐射负担的情况下随时检查手术的进展。同时图像还能显示器官，有利于医生准确判断使用工具和辅助器械的位置。 金属妨碍深入观察 但是，所有存在于手术部位的金属物质都会对磁共振成像产生干扰，因为成像设备的强磁场会在金属物质处产生诱导磁场，从而影响成像设备的接受线圈。因此，线圈接受到的信号会和错误的位置相对应，使细线结构会变得模糊，最糟糕的情况是导致整个图像消失。在这种情况下，手术人员将无法正确地使用手术工具。 用纤维连接材料替代金属 亚琛(Aachen) 的工程师开发了一种非金属材料，用于代替金属作为手术器具使用。一个实用的例子是穿刺针尖，这种长达20厘米的手术器械由经碳纤维增强的合成材料制成，其外直径只有1.2毫米。穿刺针头有三个工作通道，工作通道由中空的光纤构成，光纤同时还有下列功能：把光导向手术区域，照亮那儿待手术的组织。第一个工作通道的光纤将反射光引到计算机，从而使得手术人员可以在显示器上看到活动的图像；第二个通道中激光被耦合，医生可以通过它切割组织；第三个通道则引入清洗液和药物。这样就可以同时进行和监控多个手术步骤。 重要意义 由纤维物质增强的合成材料具有高硬度、高断裂膨胀以及对各种溶液的超常的耐腐蚀特性，使得它非常适合应用于医学。这种材料为全新的外科器械制造打下了基础。 前景预测 新的穿刺针尖的医学应用是可以设想的，它适合于目前实用手术器械的需求。由纤维增强合成材料制成的其他设备将随后推出。

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新的穿刺针尖的医学应用是可以设想的，它适合于目前实用手术器械的需求