英國工程和自然科學研究理事會（EPSRC）發布《未來的工程研究挑戰》報告。EPSRC通過研討會、圓桌會議和書面調查等一系列形式，確定了未來工程研究的高級優先事項、交叉主題和技術挑戰。報告指出，未來10-15年內工程師面臨的八項至關重要的技術挑戰，涉及太空、交通運輸系統、材料、健康和福祉、機器人和人工智能、負責任的工程學、自然啟發工程學以及全球工程解決方案等領域，并提出了應對這些挑戰需要解決的關鍵問題。

技術挑戰一：確保太空研究的可持續性，設計和開發用于探索和維持太空和地球生活的技術

太空在發展經濟、改變社會和促進人類進步方面起著獨一無二的作用。從工程學角度來看，太空可以被視為一個極端的循環環境，它提供了利用有限資源設計可持續生活的機會，例如可持續的能源生產和材料及技術的回收利用。太空的極端條件也為解決多尺度問題提供了一個獨特的試驗平臺，從利用大數據指導制造工藝設計到滿足人類基本需求。

為了實現這一挑戰，工程學方面需要解決的關鍵問題包括：（1）如何獲取現有太空資源（在可能的情況下重復使用和回收）以供人類的太空生活?（2）如何利用太空極端條件為地球生活提供測試平臺？（3）如何利用太空滿足人類的基本需求（如食物），并提供制造特定物品的方法？

技術挑戰二：開發可持續、綜合、公平的交通系統

未來需要確保交通運輸系統滿足個人和社會的需求，并使其靈活適應變化。在交通運輸系統正在進行的數字化革命中，工程學的作用至關重要，可以確保公平和易使用的交通系統，開發清潔能源和零排放技術，并鼓勵構建基于城市、郊區、農村和偏遠地區的貨物、服務和人員的可持續、可負擔、多模式聯合運輸系統。

為了實現這一挑戰，工程學社區需要解決的關鍵問題包括：（1）如何儲存、轉換和分配真正可持續能源用于運輸，并開發推進技術以有效利用這些能源？（2）如何發展交通基礎設施和交通系統以實現互聯互通？（3）工程師如何為發展公平和易使用的交通系統做出貢獻？

技術挑戰三：加快環境可持續和對社會負責任的材料創造和利用

工程學利用材料創造了工程結構、機器、技術，廣泛影響著人類日常生活。但材料資源有限，逐步淘汰化石材料迫在眉睫。工程學可以提供工具和方法，確保未來材料使用更具有可持續性。為了實現環境的可持續發展，選擇材料時需要具備經濟和倫理方面的社會意識，確保使用負面影響低的資源，從一開始就嵌入產品生命周期終止（EOL）方法，同時支持可持續的替代方案。

為了實現這一挑戰，工程學社區需要解決的關鍵問題包括：（1）如何實現從經濟上可行過渡到負責任、可持續、可再生、可循環的材料和技術？（2）如何用負責任、可持續、可再生、可循環的材料取代石油化工和稀有/有毒/礦產材料？（3）如何打破材料設計和制造中的路徑依賴，以滿足未來市場對更可持續產品的需求？

技術挑戰四：通過發展可持續、包容和有復原力的醫療系統和技術，改善人類終身健康和福祉

工程學為確保人類健康和福祉做出了重要貢獻，為開發新的應用、醫療技術和創新治療提供了科學橋梁。未來，工程學將在醫療保健領域發揮重要作用：通過先進健康信息學、個性化醫療創新和系統工程原理等技術，促進有效、公平的醫療保健；通過更準確的檢測、診斷、治療和預判，提升個性化照護；通過更好的建模、智能數據管理技術和可持續工程解決方案，推進更廣泛的醫療系統。

為了實現這一挑戰，工程學社區需要解決的關鍵問題包括:（1）如何提供一種包容性方法開發貫穿一生的醫療保健解決方案？（2）如何重新設計復雜的醫療保健系統，以提高其復原力和可持續性？（3）如何開發具有包容性的終身福祉的新解決方案？

技術挑戰五：協同設計機器人和人工智能并嵌入工程學中，同時確保合乎倫理的使用和透明公平的決策

機器人和人工智能是有望徹底改變人類生活的新興技術，有許多工程研究挑戰需要解決。機器人涉及多學科挑戰，亟需工程和集成的方法來開發新的解決方案和系統。人工智能的挑戰是基于或嵌入物理理解，以支持決策，使其適應機器人革命。有必要以合乎倫理和公平的方式將這些技術嵌入工程系統，使其有用、可獲取和可采用。因此，包容性工程在機器人和人工智能領域中非常重要。

為了實現這一挑戰，工程學社區需要解決的關鍵問題包括：（1）如何認證算法和系統使機器人和人工智能自主決策過程透明？（2）如何描述機器人和人工智能對人類決策和行為的影響，特別是在涉及到倫理和公平使用方面？（3）如何確保機器人和人工智能被用于解決與人類生活質量相關的挑戰，如資源可持續性和復原力發展。

技術挑戰六：以人類行為和需求為指導，培養對社會和環境負責的工程學方法

工程師通常被認為是設計、建造或維護引擎、機器或結構的人，工程學也被視為解決當今問題的新型解決方案的實踐。工程師的未來角色需要變得更具包容性和社會責任感，專注于與社會和環境和諧相處的智能解決方案。工程學也需要轉變為采用多學科、跨學科和跨領域方法的學科。

為了實現這一挑戰，工程學社區需要解決的關鍵問題包括：（1）工程學如何考慮、整合并持續影響社會、經濟和政策因素，以實現可持續、有復原力和宜居自然系統？（2）如何對日益復雜和相互關聯的系統數據進行建模、理解和集成，以輔助形成解決方案？（3）如何開發新的工程科學方法，以在社會層面而非僅在技術層面持續形成考慮成本和效益的解決方案？

技術挑戰七：釋放自然啟發的工程學的全部潛力

大自然激發了工程解決方案并為其實施提供了工具。在未來的工程系統和技術的設計和實施中，工程師可以更多地利用自然過程。自然過程以及生物的復制和生長能力，可以用來生產或改造材料。個體生物和/或生態系統被大自然設計成具有特定功能，并隨著生物的自然進化繼續優化其特定功能，這可以為工程設計提供參考。通過打破學科界限，工程師可以推進以生物為基礎和受生物啟發的解決方案。

為了實現這一挑戰，工程學社區需要解決的關鍵問題包括：（1）如何生成適用于一系列特定環境的數據，并在設計和應用自然啟發或自然衍生技術的各個階段使用這些數據？（2）如何加速自然材料和系統的生命周期，以確定優先考慮并加快開發和采用？（3）如何利用生物學和自然界來超越當前的材料范式，并將其應用于工程學中？

技術挑戰八：提供適應性強的全球工程解決方案，與地球生態系統相兼容

工程學塑造了人類星球，它的創新提高了地球居民的生活質量、聯系和理解。然而，自工業革命以來，人類對工程學的使用對星球產生了負面影響，耗盡了資源，影響了氣候并降低了復原力。新研究應該考慮工程解決方案在現在和未來對地球的影響。工程師和工程研究人員應與其他專業人員、研究人員、專家和研究社區合作，建立消息靈通、多學科和可循環的方法，實現負責任和有復原力的解決方案。

為了實現這一挑戰，工程學社區需要解決的關鍵問題包括：（1）如何開發具有復原力的系統方法，確保資源（如食物、水和能源供應）對所有人的可持續性和公平性？（2）如何實現資源和能源的循環生產、存儲和使用，確保端到端的可重復使用和回收？（3）工程學如何有助于減少和修復過去和未來的人類活動對自然環境的影響？
編輯：黃飛

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