美国未来技术革命战略编辑本段回目录
美智库报告《2030年展望：美国应对未来技术革命战略》（上）
世界正处在下一场重大技术变革的风口浪尖。能源、智能城市，以及3D打印、生物和机器人技术等新制造技术引领的“第三次工业革命”，在各个领域将发挥关键而颠覆性的作用。美国仍是世界级的科学和技术领导者，但是，科技领域的竞争愈加激烈，美国有失去其优势的风险。在出现这种情况的同时，应对各种挑战所需的创新比以往任何时候都更加刻不容缓。这些挑战包括应对气候变化、自然资源限制、飞速的城市化、数据隐私、医疗、教育以及通常所说的前所未有的社会变化。美国政府的研发经费应该大幅增加，以保持美国在科学技术领域的领先地位，巩固美国经济竞争力和增长的基础，利用科学技术应对全球性挑战。
世界正处在下一场重大技术变革的风口浪尖。能源、智能城市，以及3D打印、生物和机器人技术等新制造技术引领的“第三次工业革命”，在各个领域将发挥关键而颠覆性的作用。美国仍是世界级的科学和技术领导者，但是，科技领域的竞争愈加激烈，美国有失去其优势的风险。在出现这种情况的同时，应对各种挑战所需的创新比以往任何时候都更加刻不容缓。这些挑战包括应对气候变化、自然资源限制、飞速的城市化、数据隐私、医疗、教育以及通常所说的前所未有的社会变化。美国政府的研发经费应该大幅增加，以保持美国在科学技术领域的领先地位，巩固美国经济竞争力和增长的基础，利用科学技术应对全球性挑战。
前言
（大西洋理事会主席兼首席执行官弗雷德里克肯普）
世界正处在下一场重大技术变革的风口浪尖。现在青少年拥有的掌中计算能力已经超过美国航天局1969年发射阿波罗13号飞船时拥有的计算能力。同样，2030年的世界将是一个充满惊喜的世界———而我们则刚刚开始想象这样一个世界的好处和风险。
本报告基于我们在奥巴马政府第二任期开始时发表的报告《2030年展望：美国面向后西方世界的战略》。我们面临的未来可能充满大规模的经济和政治动荡、环境灾难和冲突性的封闭式民族主义运动。我们也可能创造一个减少贫困和人类进步的更加合作的、以规则为基础的世界。这些截然相反的未来以及两者之间无数变化都将把技术作为动力，开启新的合作，或者加剧现有的问题并导致我们走上一条更加黑暗的道路。
本报告研究了三大技术类别，即能源、智能城市，以及3D打印、生物和机器人技术等新制造技术。我们把这些技术称之为“第三次工业革命”。在我们看来，新兴技术在这些领域发挥着关键而颠覆性的作用。这些技术的发展是创新模式飘忽不定的例证，但对于迎接世界上的许多最大挑战却是必不可少。在这个全球化的世界，所有挑战都给美国带来机遇。
美国仍是世界级的科学和技术领导者，但是，科技领域的竞争愈加激烈，美国有失去其优势的风险。在出现这种情况的同时，应对各种挑战所需的创新比以往任何时候都更加刻不容缓。这些挑战包括应对气候变化、自然资源限制、飞速的城市化、数据隐私、医疗、教育以及通常所说的前所未有的社会变化。
技术不仅可能成为经济复苏和社会复兴的源泉，还可能把奥巴马总统宣称的美国急需的“国内建设”与美国威望和实力在海外的扩张联系在一起。在制定面向后西方世界的战略方面，技术给美国带来许多机遇。
二战结束后，美国在许多其他国家赢得了民心。无论是通过马歇尔计划帮助欧洲重建，还是以创建北约联盟对抗苏联威胁，美国都把自己的国家利益与帮助别国战胜各种挑战联系在一起。今天，美国在本报告介绍的许多技术领域保持领先地位可能有助于同我们的合作伙伴和朋友重新建立一项更加牢固的契约。
当我们探讨这些时代挑战时，我们想感谢我们的合作伙伴，以及瑞典、新加坡和阿拉伯联合酋长国等国政府对这项研究报告许多前期工作给予的支持。我们还想感谢大西洋理事会各位资深研究员指导完成这个项目并提出的宝贵意见。他们是：托马斯坎贝尔、彼得海恩斯、保罗萨福和汤姆芬加。哈佛大学、麻省理工学院、斯坦福大学和奇点大学还为我们主办过几次圆桌会议，讨论科技和社会的交叉。
我们尤其想感谢撰写这份报告的战略前瞻计划团队成员：马修伯罗斯、彼得恩格尔克、班宁加勒特和罗伯特曼宁。
摘要
以下报告是大西洋理事会定于2013年12月9日至10日举行的战略前瞻论坛的配合报告。外部专家和理事会成员将讨论这些问题。会议日程已经公开发表。会议视频和记录将在会议开始后不久在大西洋理事会网站公布。
本报告有一个简单的信息：我们对许多新技术的负面后果毫无准备，或者说，我们没有像我们应该做的那样准备充分利用这些技术的好处。新兴技术很可能是利多弊少，但是，如果我们不加小心，就可能事与愿违。本报告研究了三大领域———能源、智能城市和制造业———的新兴技术。这些技术正在发挥关键而颠覆性的作用：所有技术都给美国及其合作伙伴带来机遇，但是也构成巨大的挑战和风险。
制造业
在本文重点讨论的新兴技术当中，合成生物学是最有前途的技术，但也可能是最危险的技术。在这个新的合成生物学时代，我们将能够像用计算机编辑软件一样编辑DNA。经生物工程处理的数字文件可代表一种现有生物的DNA或该生物改变后的形式。它可能是由称为“生物砖”的DNA砌块创建的一种全新生物。“生物砖”是由不同功能性部件组成的构件，可通过这些部件的组装创建新的生命形式，发挥特定的功能。我们可为生物燃料、水净化、纺织品、新药物和疫苗以及食物来源创造遗传工程生物。
我们能够使生物数字化。也许比这种能力更加令人震惊的是，数字生物可在互联网上传送，并在地球上的任何地方复制。克雷格文特尔领导民间研究机构绘制人类基因组的工作，并创造了第一种合成生物。他创造了“生物转换器”来接收和打印这些文件。这可能是非常有益的研究：如果发生一场全球性流行病，合成生物学就可能大大缩短开发一种疫苗所需的时间，并且可把数字化疫苗基因序列发送到世界各地进行生物打印，便可立即使用。除了合成生物学，我们还能够对所有病人以及侵袭病人的病毒、细菌和癌症进行基因排序，这样就能为病人找到更合适的治疗方法。这增强了我们防治疾病的能力，并能帮助确保人们延长寿命和改善生活质量。
合成生物学简单易行，成本低廉，材料和能力随处可取，但是，如果用于错误的目的或者管理不善，也会造成危险。随着合成生物学的问世，我们能够改变病毒，使其变得更加致命，或创造全新的致命微生物。
科学家们在最近访问美国麻省理工学院和斯坦福大学时对缺乏一项全面的国家生物安全战略表示担忧，但是他们也担心一项过于严格的方针可能阻碍创新。找到一项合适的方针是最大的挑战之一，但是，如果要避免意外或悲剧的发生，就迫切需要一项安全战略，这项战略必须与其他国家合作制定。
其他新兴技术也带来挑战，但是也许没有这么严重。合成生物学是一组新制造工艺的一部分。这些制造工艺正在改变产品的制造方式、制造地点和时间以及分销方式。我们和其他人把所有这些事态发展称为“第三次工业革命”。除了合成生物学，3D/4D打印和机器人技术现在已经到达一个起飞点，主要是因为几种技术的融合。就3D/4D的情况来说，起飞的动力是计算机辅助设计、大数据和云计算、新材料以及打印机成本的降低。
4D打印的进展不如3D打印，但是更令人兴奋。4D打印就是实物经过编程，在制造出来之后改变其性状和功能。这种技术将用于建筑物或基础设施，其中所用的材料能适应载荷或天气。甚至在4D的未来到达之前，3D打印已经开始在很多方面得以应用，从打印人体器官和食物到飞机的机翼。美国航天局承认3D打印为太空探索的一项关键技术。
3D打印尤其可能给非洲这样的地方带来变化，因为这些地方没有重要的制造能力，并大量依靠进口，其中包括基本消费品。建立一个基本3D打印设施———一台计算机、打印机、材料和互联网接入———的成本可能大大低于10000美元，远远低于建立一个普通工厂的成本。
新的机器人也是几种迅速改进技术的产物，包括无线通信技术、人工智能以及更便宜的传感器。开发人员正在扩大机器人的能力，使之跨越工业和非工业机器人间的界限。例如，在医院，我们看到机器人正在履行特定的职能，如外科手术支持，包括机器设备在熟练的外科医生控制下进行机器人手术。预计军队会进一步增加机器人的使用，以减少士兵在危险环境中作战的危险。像IBM的沃森机器人对数十亿个数据点进行筛选，以便更好地回答例如医院的紧急信息查询等问题。数字机器人以“电子发现”取代律师，可对数百万份法律文件进行扫描，比人工速度快、成本低、准确率高。
问题是，机器人可能在创造新的就业机会之前取代太多的劳动力，从而扩大财富和收入差距。就业所需的工作技能发生了戏剧性的变化，许多低端技能就业机会将逐渐消失，而许多中等技能就业机会也是如此。经济合作与发展组织最近的一份研究报告认为，在劳资分配中，分配给劳动力的国内生产总值份额在全球范围内下降了4％，其中3/4的下降是新技术造成的。少数高技能人才以及企业管理者和企业主累积的财富比例越来越大。我们担心，新技术的推出会受到越来越强烈的抵制，使美国成为一个越来越分裂的国家，一方是技术“富人”，另一方是技术“穷人”，后者认为自己是新知识经济中的输家。
除了可能对就业和薪酬产生长期的负面影响，新制造技术还有其他安全问题。枪支、攻击性武器的高容量弹盒和简易爆炸装置的3D打印将使致命武器的控制更加困难。无人驾驶飞机技术越来越便宜，在全球各地都可获取。不仅是国家，而且非国家行为者也可为自己建造用于致命性攻击和监视的无人驾驶飞机。能够自主做出“杀戮决定”的机器人武器系统有可能制造出来，并且可以扩展到机器人士兵。如果从汽车到无人驾驶飞机等自动交通工具受到黑客攻击，这也可能造成致命的破坏。
能源
美国已经从页岩革命中获得显著回报。2008年，美国的页岩气产量真正开始增长。在短短几年里，美国已经从一个碳氢化合物的净进口国变成似乎是世界上最大的生产国。页岩能源现象同互联网一样，现在被视为理所当然的事情，但是其快速发展是一个有益的提醒，既让我们知道技术的商业化过程多么漫长，又让我们知道创新在达到临界质量时改变现实多么迅速。虽然页岩气和致密油的产量在2007年至2008年开始上升，但是该技术已经存在了近一个世纪。正是20世纪70年代政府资助的研发和有创造力的冒险企业家的公私合作，才开发出商业上可行的压裂技术。
从战略上说，页岩革命已经使美国能够挑战石油出口国组织（欧佩克）对石油市场的控制，并加强其在亚洲的地位。我们在亚洲的盟友———日本、韩国和台湾———是主要天然气进口者。页岩现在对美国的经济和安全利益至关重要，因此，我们应确保生产万无一失，不会危害环境。人们对甲烷泄漏、水污染和轻微地震的正当担忧仍在研究之中。这种担忧正在阻碍纽约、科罗拉多和加利福尼亚等若干州以及一些欧洲盟国批准页岩气的开采。如果这个风险因素得不到能源公司和监管部门的迅速处理，就可能破坏页岩革命，并且由此破坏美国的重要安全利益。由于所涉及的利害关系，我们建议组建一个由科学家和工程师、能源企业、州监管机构和环保团体组成的无党派全国委员会，拟定降低风险和统一法规的建议。
现在的问题是，廉价和充足的能源可能阻碍我们摆脱对化石燃料的依赖。向后碳氢化合物的过渡不仅需要电力来源发生巨大变化，还需要电力的使用和配送方式发生巨大变化。美国的电网有很大一部分已经运行了将近一个世纪。把这个电网改造成一个智能电网是这种转型的重要组成部分。一个智能电网的建设将需要真正的投资资本。建设智能电网回报可观，将取得高达2万亿美元的效益，但是一项行业研究报告说，在未来20年里，公用事业公司每年需要投资170亿至240亿美元。我们认为，智能电网的建设应该是国家的优先事项。
城市
城市正在迅速扩展，特别是在亚洲和非洲。城市使用许多新兴技术的区别可能在于，城市要么成为一个梦魇世界，要么成为一个基本解决食物、水和能源安全、贫困和交通等许多巨大挑战的世界。“智能城市”概念对于大大改善城市运作方式至关重要。智能城市利用信息通信技术，以最大限度地提高公民的经济生产率，减少资源消耗和环境退化。“虚拟”仪表盘使用传感器实时监视交通状况、电力和用水情况，可提高效率，在发生自然灾害期间管理复杂和可变的情况。
“绿色技术”是补充“虚拟”仪表盘和最大限度地发挥其效能的另一套技术。参与绿色科技运动的建筑师和工程师想减少建筑物对能源和水的绝对消耗量，同时保持或改善对居民提供的服务（照明、供暖、降温、住房和美化）。一个有趣的可能性是使用一种叫做原细胞的技术。它是合成生物学的一种形式，使设计人员能够模仿生物的行为。虽然原细胞的应用还有若干年的时间，但是设计者认为，基于原细胞的材料可经过设计，过滤和净化空气中的污染物，捕获并保留多余的雨水以供日后需要，或调节阳光，保持建筑物内部的最佳温度和光照条件。我们可帮助加快这些技术的采用，制定一部具有世界级的能源和用水效率执行标准的国家绿色建筑法典。美国也有巨大的机会向发展中世界迅速发展的城市出售这些城市技术。
新兴城市技术确实可能存在缺点：在协调、管理和保全来自这么多数据源的信息方面存在巨大的技术和组织障碍。虽然对数以百万计个人用户和设备的数据进行联网有很多好处，但是一个主要的缺点是数据安全问题和侵犯隐私的情况会越来越多。这样的违规行为可能由于故意和恶意的手段发生，或者由于预见不到的事故、灾害、停电和其他事件而发生。
未来的领先地位
最后，本报告如果不告诫需要加强美国和欧洲的技术领先地位就不算完善。大西洋理事会2012年发表的《美国面向后西方世界的战略》报告发出的信息之一是，“国家实力的基石仍然是美国的经济实力和创新能力”。这个教训也适用于我们在大西洋彼岸的伙伴。没有一个更好的论点能够证明我们需要重新专注于技术。
美国的科学、技术、工程和数学教育仍然没有多大起色。在发达国家当中，美国大学生获得理工科本科学位的比例居第27位。在美国研究生院攻读物理学的外国学生多于美国学生。这些外国学生一旦毕业往往会失去留在美国的签证，并返回本国。我们支持要求紧急修改移民法的呼声，以使接受美国教育的科学家和工程师们能够在毕业后留下来。
总体而言，美国的研发支出从绝对角度和在国内生产总值中的比例都处于领先地位，但是，欧盟研发支出在国内生产总值中的份额大大低于美国和日本。不过，大约2003年以来，美国政府的基础研发支出在扣除通货膨胀因素之后一直停滞不前。如果预算分阶段减支计划全面实施，预计这项支出在国内生产总值的百分比会大幅度下降。新闻报道表明，未来5年，国家卫生研究院的预算可能下降7.6％。能源、农业和国防领域的研究计划会出现同样幅度的下降。国家航天局的研究预算可能下降到1988年以来的最低水平。
中国的研发支出明显增长，现在接近于欧盟的水平，这表明中国致力于成为创新国家，并把自己定位为生物技术和绿色能源领域的潜在先行者。关于专利授予，美国和欧洲过去10年经历了相对的下降，而中国的绝对数量和总份额都出现增长。具体专利的价值和意义显然千差万别，且许多中国专利的相对价值存在争议。但基本问题是，现在世界上的竞争更加激烈，而美国和欧洲国家有失去自己优势的风险，这会对国家安全产生消极影响。在美国政府，国防高级研究计划局、国家科学基金会和国家卫生研究院过去50年里一直是最重要的创新“引擎”，但是它们现在面临预算紧缩。美国政府的研发经费应该大幅增加，以保持美国在科学技术领域的领先地位，巩固美国经济竞争力和增长的基础，利用科学技术应对全球性挑战。
一、技术在一个临界点的能动作用
“未来几十年将是一个令人着迷的时期，但肯定不是一个技术上懦弱的时期。”———硅谷未来学家保罗萨福
你不必成为美国发明家、预言家雷库兹韦尔“加速回报规律”的信徒，就能认识到技术在塑造未来的政治、经济、社会和技术发展趋势方面的重要性。不管创新是否已经跟上人口增长的步伐———或者像某些学者坚持认为的那样没有跟上人口增长的步伐，技术变化还是令人兴奋：例如，计算能力每隔18个月会增加一倍；基因测序的成本急剧下降，从2003年对第一个人类基因组测序时的30亿美元下降到现在的1000美元；信息传送成本在过去30年里大幅度降低，从传送1万亿比特15万美元下降到仅仅12美分；1982年以来，数据存储成本已经下降到原来的三百万分之一。需要牢记的是，在20世纪80年代末，当人类基因组测序工程开始时，一些批评者曾认为，完成这个工程将需要数千年。
几种主要技术，特别是纳米、生物、信息技术、3D打印、人工智能、新材料和机器人的融合和协同效应，也许是我们和其他人视为的第三次工业革命最重要的推动力，有可能造成前所未有的社会、经济和政治混乱。
我们会说，技术处于一个临界点，从改变“工作”的含义到可能解决资源危机，再到成为创造美好城市未来的关键，并帮助个人和社会应对老龄化。
每个领域内的变化都在加速。从网络空间的软件代理到高速公路上的无人驾驶汽车，机器人比比皆是。虽然仍然处于早期阶段，这些机器人平台的进化速度类似于过去40年按照摩尔定律绘制的速度。计算机、通讯、纳米技术和传感融合到一个智能设备带来了传感器的革命。随着物联网的问世，超过150亿个感应器、手机和其他设备已经连接到互联网并且彼此连接，因此，我们将能够监视从城市拥堵到环境污染，再到植物生长并成为更好食品所需的条件等几乎一切情况。随着传感器的增多，越来越多的系统可自行调节，无需人工干预就能高效率地运行，并在同时将海量数据上传到云中。正如几个领域已经发生的情况那样，越来越多的自动化对职场产生了巨大影响。与此同时，新的巨型城市越来越多，如果没有传感器来监控交通、电力和供水等关键基础设施的工作状态，这些城市就不能运作。
能源供应和生产的广泛扩散，甚至在5年前也是一个意想不到的巨大变化。有关石油峰值的争论是个传说。但是，甚至对于那些认为石油峰值是一个遥远问题的人来说，传统的石油和天然气生产越来越多地集中在中东、俄罗斯、西非和南部非洲等不稳定地区仍是一个令人担心的问题。人们曾认为页岩气和轻致密油或页岩油等非常规能源和非化石燃料不可能成为能源结构的重要组成部分。就页岩气和轻致密油而言，正是用压裂和水平井钻井技术相结合的试验引发了页岩革命。
如果改善能量存储会增加可再生能源或替代能源的使用，给发展中国家的企业和家庭带来可靠的电力，这就可能使现在的能源格局发生较大的变化。具有成本效益的电动汽车在市场中的份额增加将给发达国家和汽车保有量越来越大的发展中国家都带来好处。先进的能量存储对发展中国家的偏远地区特别有益，因为那里缺乏基础设施，但是其他形式的能源，特别是太阳能随时可用。
全球化：原因和结果
发展中国家吸收新技术的速度加快，这是技术革命一个最令人印象深刻的特点，也是全球化的一个基本动力。虽然发展中国家同比较先进国家之间的巨大鸿沟很可能存在数十年的时间，但是新技术正在快速地向发展中国家扩散。2013年联合国南—南关系人文发展报告认为，过去10年非洲电话普及率的大大上升应归功于总部设在印度、南非和阿拉伯联合酋长国的公司所做的工作。2002年以来，非洲的移动电话用户数逐年翻番，能够上网的智能手机越来越多。现在，非洲的手机数量是美国的两倍。
许多新兴技术正在帮助消除发展中国家在加快增长和发展过程中面临的障碍。非洲电话的迅速普及是移动技术克服固定电话基础设施缺乏，促进通信和连通性的例子。同样，欠发达国家在移动银行等一些依靠技术的领域取得了迅速进展，因为实体银行机构不太普遍，手机银行填补了这个空白。由于发展中国家潜力巨大，技术对于那里的发展实际上可能比在西方发达国家更为重要。例如，麦肯锡公司最近关于颠覆性技术的报告指出，美国处在技术采用的前沿，而信息技术给美国带来的生产率和国内生产总值的增长幅度不大，但是迅速的技术采用（尽管是较老的技术）正在推动着发展中经济体的增长。
没有一种灵丹妙药能够消除或制止即将问世的新兴技术产生的一切负面作用。我们需要分门别类地了解每一种新技术可能产生的影响。鉴于新兴技术可能从多方面合并、混合，随后才能产生新的用途，现在没有办法充分预测它们将对世界产生的所有影响。因此，我们必须在深谋远虑的基础上具备适应能力。非常重要的是，各级政府、企业、智库以及非政府组织应该开始考虑新技术的潜在影响，并开始制定消除负面影响的办法。产生颠覆是不可避免的，而且许多颠覆很可能是有益的。但同时有些颠覆也可能是有害的，如果不加以控制，甚至会对生存构成威胁。本文的重点是探讨那些新兴技术的交叉以及更广泛的地缘政治、经济和社会趋势。它着眼于研究技术构成部分解决办法的关键领域，但是也研究新兴技术构成自身挑战的关键领域。
二、能源案例：希望
“石器时代的结束并不是因为缺乏石材，而石油时代将在全世界的石油枯竭很早之前结束。”———前沙特石油大臣谢赫艾哈迈德扎基亚马尼
技术转型很少以线性方式发生，或者按照任何人的计划或预期发生。相反，技术转型往往是逐渐孕育，然后再出现质的爆发。从历史模式看，创新有时由政策推动，有时由市场推动，有时由运气推动。由此所产生的颠覆性变化反映了所有上述因素的某种组合，但是并不经常发生。
就能源（尤其是页岩革命）情况而言，三个因素都起到了推动作用。能源对于经济、发展中国家的经济增长、应对气候变化和其他环境挑战、尤其是塑造城市生活和可持续性都起到至关重要的促进作用。页岩革命是获得一种新使能能力的临时步骤。与食物和水的相关挑战不同的是，21世纪上半叶的挑战不太可能是缺乏充足供应的挑战。实际上，全世界的探明石油储量已经从1980年的6830亿桶增长到2012年的1.69万亿桶，这主要是深海石油钻探技术创新和页岩革命的结果。然而，在这30年期间，石油日产量已经从1600万桶增加到目前的8900万桶。有关石油未来的争论已经从“石油峰值”和稀缺转移到揣测我们可能在本10年结束前达到“需求峰值”，这是花旗集团的分析报告提出的看法。对2030年前全球石油的需求预测从每天9200万桶到至1.1亿桶或更多。
现在有一个严重的分配问题。国际能源机构估计，现在有13亿人仍然用不上电，其中大多数集中在南亚和非洲的10个国家。但是，主要的能源挑战是采取果断行动，在以石油为中心的时代结束之后建立一个更有弹性的能源系统。当我们考虑到能源服务的需求增长时，这种挑战就变得更加严重，因为全球中产阶层人口在增长，到2030年，估计全球的80亿人口将有40亿进入中产阶层。
国际能源署预测，从2010年到2035年，全球总能源需求将增长35％—46％。中国、印度和东南亚的中产阶层是否会使用电动汽车和来自煤炭以外的电力，将在很大程度上决定全球气候变化的程度。
页岩革命
在1973年阿拉伯石油禁运以来的40年间，能源格局发生了巨大变化，人们对新能源技术进行了大量研发，尽管如此，页岩革命还是继信息技术之后成为21世纪迄今为止最引人注目的创新之一。计算机辅助水平钻井和水力压裂（俗称“压裂”）技术的结合，极大地提高了美国的油气产量和储量。
美国已经成为世界上最大的碳氢化合物生产国，很有可能在2030年成为净石油输出国。美国现在的石油日产量为732万桶，是1994年以来的最高水平，预计2014年的日产量将达到800万桶。天然气日产量为7200万立方英尺，其中40％来自页岩。目前的天然气储量足以满足美国一百年的需求。页岩能源现象同互联网一样，现在被视为理所当然的事情，但是其快速发展是一个有益的提醒，既让我们知道技术的商业化过程多么漫长，又让我们知道创新在达到临界质量时改变现实多么迅速。虽然页岩气和致密油的产量在2007年至2008年开始上升，但是该技术已经存在了近一个世纪。正是20世纪70年代政府资助的研发和有创造力的冒险企业家在减税和每桶石油85－100美元价格帮助下的公私合作，才开发出商业上可行的压裂技术。
此外，对可开采页岩气和页岩致密油的估计继续上调。国际能源署将其对可开采页岩气储量的估计从2011年的6.2万亿立方英尺增加到2013年的7.3万亿立方英尺。它还将其可开采致密油的估计提高了1000％，从320亿桶增加到3450亿桶。值得一提的是，页岩技术不断改进，而最近的技术改进使水的需要量减少一半，同时加深了对页岩构成的了解，并增加了页岩气和致密油的产量。
页岩革命多方面的后果仍在展现。但是，页岩气和致密油已经重塑全球能源市场，改变了美国的能源结构，增强了美国的全球竞争力，减少了温室气体排放，并开始改变地缘政治平衡。世界能源市场的重心正在从波斯湾转移到西半球（美国、加拿大、墨西哥、巴西）。这种转变已经把美国对石油进口的依赖从2005年的60％减少到2013年的39％，美国实现能源自给自足为期不远。
美国的天然气价格下降到大约为每百万英热单位4美元，从而吸引美国公司和外国投资者搬迁能源密集型行业（如化工、生化、水泥、钢铁），催化了美国工业的复兴。欧洲的天然气价格平均为10美元左右，日本为16美元。美国天然气的成本竞争力推动了燃煤发电向燃气发电的转变。在页岩热潮来临之前，煤炭占美国发电总量的50％，但是电厂已经逐渐改用天然气。煤炭占美国电力生产的大约39％，天然气增长到32％，这取决于价格的波动。这种转变加上近期的经济放缓已导致美国的温室气体排放自2007年以来下降12％，这是20年来的最低点，达到《京都议定书》目标的大约70％，尽管美国还没有批准该条约。
从全球来看，页岩革命已使美国有能力挑战欧佩克对石油市场的控制，并使美国有可能在未来10年里成为迅速发展的全球液化天然气市场的主要出口国。这一前景目前正在国会讨论，它将加强美国在亚洲的地位（日本、韩国和台湾是亚洲的主要天然气进口者），也有可能加强美国在欧洲的地位，从而损害俄罗斯、伊朗和卡塔尔的利益。到现在为止，这三个国家一直是世界上的主要天然气生产国。
从战略上说，这可能加强美国在亚洲的“再平衡”战略，也可能引发对美国中东战略的重新思考。此外，未来10年压裂技术向中国、澳大利亚和中欧等世界各地的扩散可能会进一步改变能源格局，大大减少二氧化碳排放。例如，中国的燃煤发电量大约占70％。中国的潜在页岩气储量多于美国。如果中国以页岩气取代煤来发电，这将是减轻全球气候变暖的实质性步骤。
天然气仍然是一种过渡燃料，但是过渡期漫长
然而，页岩革命不会使我们摆脱对化石燃料的依赖，在2030年之前这种可能性很小。天然气仍然应该被视为一种过渡技术，即使过渡期比许多人的想象要长。美国和全球的能源系统尚未看到以信息技术为基础的第三次工业革命中显现的那种质变的清晰轮廓，新材料、3D打印、人工智能、机器人技术、纳米技术和生物技术都在开始重塑知识经济。
关于页岩气热潮的环境影响和持续时间，仍有一些问题尚待解决。人们对甲烷泄漏、水污染和轻微地震的正当担忧仍在研究之中。这种担忧阻碍了纽约、科罗拉多和加利福尼亚等若干州以及一些欧洲盟国批准页岩气的开采。如果这个风险因素得不到能源公司和监管部门的处理，就可能破坏页岩革命。然而，最近的研究表明，从事页岩气开采的公司采取最佳惯例有可能减轻人们的大部分担忧。关于页岩气生产持续的时间，许多专家预测页岩气产量可能从2030年或更早时间开始迅速下降。由于对美国战略利益的利害关系，我们建议组建一个由科学家和工程师、能源企业、州监管机构和环保团体组成的无党派全国委员会，拟订降低风险和统一法规的建议。
当然，除压裂技术以外，多种创新性能源技术已经存在了几十年，有可能以其他方式改变全球能源系统。在各种新兴技术当中，值得注意的是风能和太阳能等可再生能源、经过质量改善的能量存储、新材料、生物燃料、核能技术和碳封存（可能使煤炭成为一种清洁技术）的效率和成本竞争力持续提高。然而，一个悬而未决的问题是，在2030年以前，美国或者欧洲、中国和印度等其他主要消费者将在多大程度上利用这样的替代技术改造其能源系统。
为了向更可持续的少碳能源系统过渡，分解目前的能源使用情况是一个很好的起点。目前，美国和大多数主要经济体的能源使用情况是，28％用于交通运输，31％用于工业，41％用于建筑物。要改造现有的能源系统，建立一个不再以碳为主的能源系统，将需要实现运输电气化，从质量上提高能源存储能力，建立一个以清洁能源为动力的智能电网（风能、太阳能、核能和/或核聚变、水、地热和/或其他可再生能源的某种组合）。
运输部门的电气化前景
交通运输部门在2030年之前实现全面转变，放弃化石燃料的可能性很小。但是，朝着这种转变的逐步进展已经显而易见，并且蓄势待发。在交通运输领域，高油价和日益严格的企业平均燃料经济性标准正在推动变革。2013年的企业平均燃料经济性标准的均值为每加仑汽油行驶29英里，2016年将逐渐增加到35.5英里，2025年型号汽车将增加到54.5英里，这决定了变革的步伐。在近期内，人们改用天然气的兴趣与日俱增，特别是商业货运企业和车队车辆，如公交车、出租车、政府车队。货运公司和地方车队已经开始小规模地改用天然气。具有价格竞争力的非食物类生物燃料，或者说第二代生物燃料正在开发，如纤维素生物质（如有机废弃物）或生物工程藻类，但是其规模还不大，还不能与汽油或天然气进行竞争。
展望2030年，交通运输部门将实行放弃碳氢化合物的转变，可能性最大的途径看来主要是交通运输电气化的步伐和规模问题。这个过程早已展开，但是仍然进展缓慢。过去10年发生了巨大变化，机电混合动力汽车的使用者已经从早期的试用者变成主流消费者。自从丰田公司在本世纪初推出普锐斯混合动力汽车以来，美国现在已经有大约300万辆混合动力汽车，日本和美国的所有大汽车制造商都提供混合动力车型。后碳氢化合物车辆的一个变型是氢燃料电池汽车，这种汽车也是零排放，但是尚未取得商业上的成功。
最近，一些汽车制造商（如丰田和雪佛兰）纷纷推出插电式混合动力汽车，如普锐斯和Volt，这些汽车仍处于早期采用阶段。一些公司（例如日产和特斯拉）已经把全电池电动汽车（纯电动汽车）投放市场。要想使公众接受充电式混合动力汽车和纯电动汽车，就需要降低电池的价格，缩小电池的体积，延长电池的续航力，提高其性能，而且，也许最重要的是应该建立可方便地给汽车充电的基础设施。建立大批方便使用的充电站并使电动车车主的使用成本和规则标准化，这些都是地方政府、州公用事业公司和联邦政府刚刚开始解决的问题。一些汽车企业已经开始出租或出售燃料电池汽车，但是燃料电池汽车仍处于非常早期的使用阶段。这种汽车有自己的基础设施和氢燃料的销售渠道问题。
《麦肯锡季刊》的一篇分析报告认为，要想在价格上同先进的内燃发动机车辆竞争，一个整锂电池组的价格将需要从目前的每千瓦小时500美元至600美元下降到2020年的大约200美元和2025年的大约160美元。此外，电池续航里程需要大大延长，方便消费者的基础设施需要建立，只有这样，全电动汽车才能获得认可，并达到一定的使用规模，以取代当前的内燃机汽车和混合动力汽车。
能量存储进展不大
电动汽车以及风能和太阳能等可再生能源要得到更广泛采用关键是在效率、成本效益和能量存储能力方面取得突破。20多年来，政府和私营部门花费了数十亿美元的研发经费，但是迄今为止进展不大。例如，供汽车、笔记本计算机、手机等较小设备广泛使用的可充电锂离子电池已经变得更便宜，容量更大。现在正为研制超级电容等能量存储设备所需的新材料和新方法进行广泛的研发，以便将成本更低、效率更高的存储技术投放市场。一些人指望用石墨烯等纳米制造的新材料替代锂离子，这些材料将具有速度更快、效率更高的存储能力。合成生物学这个新兴领域也被视为新能源存储方法的潜在来源。但是，能量存储取得的突破还不能使存储设备的体积变得更小、速度更快、造价更低，从而使能源系统发生巨变。
更广泛地说，要使我们的能源系统向后碳氢化合物世界转变，不仅需要电力的来源发生巨变，而且需要电力的使用和配送方式发生巨变。美国电网的很大一部分已经有将近一个世纪的历史，把它改造成一个智能电网是这种转变的重要组成部分。
智能电网就是实现电力公司配电系统数字化，使之适应21世纪的需要，利用基于计算机的远程控制和自动化在生产者、电网和消费者之间进行实时供求通信。这些系统仅仅需要部署信息技术，而信息技术已成为现代知识经济的命脉。电力公司供电使用的大多数设备必须单独监测，以查看电表和电压或维修设备。智能电网将全部实现自动化和计算机化。电网是由电线、变电站、变压器和开关组成的网络，将电力从发电厂输送给消费者。
智能电网正慢慢地开始在全球各地建立。在美国，各州的进度不同。加利福尼亚等州有强制的可再生能源标准，到2020年的目标是可再生能源达到33％。这些州的进展比其他州快。但是，美国电网基础设施改造是一个长期的过程，需要联邦政府、各州和市政府同私营部门进行长期的合作。在2009年的财务救助立法中，联邦政府斥资110亿美元，但是电力公司需要在未来20年每年投资170亿至240亿美元。业界支持的电力研究所的一项研究报告表明，这样的投资将通过提高效率给电力公司和消费者带来高达2万亿美元的好处。
智能电网加上存储能力的提高会给消费者和电力公司带来新的效率。电力供应更容易成为双行道。风能和太阳能是间歇性技术。除了眼前的发电，这些技术的效用需要存储能力。同样，电动汽车和插电式混合动力汽车、甚至节能型“智能”办公楼可把电能送回电网，在夜间使用率低时充电，然后把电能输送到电网。到2030年，可能性最大的结果是建立起零碎的智能电网，州和地区的电网可能是完整的智能电网。但是，在全国范围内，除非大大加强政策干预和政府拨款，否则就无法建成一个完整的可运行智能电网。我们认为，智能电网的建设应该是国家的优先事项。
与智能电网相关的是智能建筑。它利用信息技术网络、数据和传感器，以最大限度地提高供热、降温和照明的效率，可把能源使用率降低30％以上。例如，装有太阳能设备的建筑或住宅，可把电力出售给电网，其净能源使用量为零。由于家庭和办公楼消耗71％的电力，智能建筑可降低运营成本，减少污染，为城市带来多重效益。但是，同智能电网的情况一样，公众对投资改造能源系统的支持可能是一个障碍。想想看，发光二极管（LED）灯泡的能效是传统白炽灯泡的40倍，是紧凑型荧光灯的6倍，而在LED灯泡的价格急剧下降的时候，消费者却迟迟不愿改用LED灯泡。
发展清洁能源的艰苦斗争尽管太阳能和风能的部署快速增长且成本不断下降，这两种能源还是仅占美国能源使用量的1％。1980年以来，薄膜太阳能等光伏发电技术得到根本的改善，太阳能的转换效率从1980年的5％上升到目前的30％。同样，风电装机成本自1980年以来下降大约65％。太阳能和风能都是快速增长的发电来源，但是起点很低。煤炭和天然气发电成本为每千瓦时3至5美分，而风力发电成本为6至8美分，太阳能为16至20美分。
风力发电技术的效率也稳步提高。不过，风力发电仍然需要补贴才有竞争力，但是风力发电已经大幅增长，目前提供近5％的美国电力。根据能源部所说，15个州已经安装超过1000兆瓦的风力发电装机容量，9个州依靠风能提供12％的电力，共有39个州目前至少安装了一些公用事业规模的风力发电设备。
到2030年，风能和太阳能在美国能源构成中的比例很可能扩大，但是，除非有提高效率的重大突破并部署智能电网，这些间歇性能源与天然气和核能相比仍相形见绌，因为天然气和核能目前供应的电力占美国电力的20％。一些正在开发的耐人寻味的技术可能改变能源格局。例如，目前存在的碳捕获和封存技术可防止二氧化碳排放到大气层，实际上把煤变成一种清洁能源。如果该技术的成本有竞争力，它不仅可能改变能源市场的格局，还有助于应对气候变化。不过，分析师认为，美国和全球的大部分煤炭生产采取碳捕获和封存技术的障碍是成本，还需要完善并降低煤气化的成本。大多数估计预测，商业规模的碳捕获和封存技术即使在2025年至2030年前有可能实际应用，大大提前的可能性也不大。在此期间，美国燃煤电厂改用天然气会给煤炭生产的未来投上一层阴影。
同样，民用核电领域正在进行一系列的研发，从较小的模块化电厂到环境部支持的“第四代”新型核反应堆都是新的研发项目。环境部正在组织一个伙伴国联盟，为这些新型核反应堆设计进行必要的研发。从长期来看，国际热核实验反应堆是由美国、欧盟、俄罗斯、中国、韩国和日本斥资180亿美元的多国研究项目，其目的是开发核聚变技术。几十年来常令人发笑的一句话是：我们只有30年就成功了。还有一个项目是一个名为TerraPower的公司，比尔盖茨是其主要投资者。该公司正试图建立一个以核废料为燃料的新型反应堆，使它既防止核扩散又能解决依然若隐若现的核废料处理问题。但是，预计这些核技术要到2030年才能接近于投放市场。
近期取得突破的可能性不大
上面所讨论的许多技术可能不会在2030年之前重绘能源格局。但是，我们提到这些技术是为了让人们看到新能源技术研究领域的巨大骚动。现在无法预测在这些无数的技术中哪些可能带来战略性惊喜并在2030年之前改变能源世界的面貌。但是，我们也很难相信，比如说，在试图取得储能突破的科研军团中任何人都不会成功。
在2030年之前，变化的步伐可能加快，内燃机能源可能被运输工具的全电气化所取代。同样，在美国和其他地方建立智能电网的努力可能会加速。但是，在可以预见的将来，如果能源领域出现突破性技术，这仍将是页岩革命。（曹佳兴译）（未完待续）
（续《参考资料》1月28日总第30120期）
三、城市故事：智能城市傲视同侪
“科技与城市的未来现在有着千丝万缕的联系。如果城市要保持活力，可持续发展并适应不断变化的社会需求，今后仍会是这样。”———《未来城市》的作者约瑟夫N佩尔顿
从国内生产总值增长到卫生、教育、创新和国力，城市对每个国家的未来都起到关键的作用。如何管理城市化进程将决定保持可持续性和适应力的全球战争的胜负。城市如何管理将在决定全球治理和安全状况方面起到重要作用，因为有效的管理可以把城市变成国家和全球治理成功和安全的来源或者失败和不稳定的根源。这些说法并非没有根据，因为全球一半以上的人口居住在城市。展望未来，世界城市人口会继续增多，2030年将达到人类的60％，2050年达到70％。如果人口特征决定命运，那么城市必须成为决策者和试图解决21世纪全球性挑战的其他领导人的中央联络点。这些挑战从生态（自然资源稀缺、减缓气候变化和适应）到经济和科技（创新和就业）以及政治（有效治理）等问题无所不包。
这些挑战中的大多数都与城市化有着重要的联系，许多挑战以这样或那样的形式关系到城市贫困和城市财富。世界上的贫民窟现在居住着10亿多人口，是饥饿和营养不良、传染病、能源匮乏、社会和政治排斥、犯罪和人身不安全等问题泛滥的地方。随着时间的推移，城市贫民开始进入中产阶层，新的问题也随之出现。全球城市中产阶层人口的迅速增多是造成全球大量碳排放以及空气、水和土壤污染的主要原因，而且最严重的是，高消费的生活方式造成负面影响。中国的中产阶层在过去20年的崛起是这些随之扩大的问题的典型例子。世界要向前发展，主要的困境是如何建立理想的城市，这些城市既是社会和政治稳定以及包容性经济机会的来源，同时又是连续的生态创新的来源。
世界上的城市问题令人生畏，但是政策制定者应该明白，制订这些问题的解决办法有巨大机会。城市把人、建筑、基础设施和机构集中到小小的物理空间。因此，城市的情况极为复杂。然而，这种复杂性也是一个优点，因为人、建筑物和基础设施的集中给寻找社会、政治、经济和生态问题的跨部门解决办法带来机会。从这个角度看待城市可把重要问题放在不同的框架解决。某些类型的全球挑战似乎既是单独的又是难以解决的，但是，如果通过一个城市的透镜观看这些相同的问题，就能把它们看作相互关联的问题，有相互关联的解决办法。
解决全球城市化带来的挑战，需要开发并应用范围广泛的新兴技术。城市系统通常包含最新的技术创新，但要跟上迅速变化的形势，防止城市系统因过度使用而衰落，这些系统又需要重建和升级。然而，要发挥最佳作用，城市系统也需要密切关注城市居民实际上如何使用这些系统。最有效的城市技术系统把高科技解决方案同技术含量低，甚至无技术含量的解决方案结合在一起，无技术含量的解决方案包括人们的见解。这些人不是科学家也不是工程师，其中包括建筑师、城市规划师和设计师、活动分子和普通公民。自行车共享系统是一个很好的例子，因为这些系统把19世纪开发的一种技术（自行车）同智能电话和互联网等现代信息通信技术结合在一起。当自行车共享系统设计得当（自行车耐用，车站设计精美等等）时，它们形成一种低碳城市交通形式，有助于促进城市居民的健康和福祉。
因此，城市可被看作元系统，这意味着它们含有重叠的人文技术系统———能源系统、供水和污水处理系统、通信系统、交通系统等等，这些系统转过来又集中到狭小的空间。根据定义，科技创新对于改善城市条件不可或缺，由于人口的不断变化，对于整个世界也是如此。新兴技术在城市中的应用几乎不胜枚举。持续的技术创新对于城市安全和适应力、治理、气候变化和食品/水/能源关系、城市交通、公共卫生和许多其他领域都至关重要。我们认为，特别是在两个领域，新兴技术将有助于解决城市问题和更大的全球性问题。在地方一级，智能城市可大大提高城市治理，同时有助于解决范围更广的气候变化和自然资源的挑战。
智能城市概念
人们认为，城市可以通过技术创新变得“更智能”，这是最近提出的一种想法，但是“智能城市”概念现在成为人们普遍思考的问题。智能城市概念背后的中心思想是，我们可利用信息通信技术大大改善城市的运作和功能。“智能城市”概念现在被很多企业、城市和机构用于自己的目的，但是这个概念的最简单定义是，一个城市利用信息通信技术，最大限度地提高公民的经济生产率和生活质量，同时最大限度地减少资源消耗和环境退化。
智能城市利用现代通信技术的强化数据收集、信息交换和自动化来改善治理。地方政府把先进的信息通信技术能力整合到城市规划、资源管理、实体基础设施和通信基础设施、建筑设计、交通运输系统、安全服务、紧急服务和灾害响应系统。
这种使能作用是对城市治理的重要贡献，因为信息通信技术可以用来加强几乎每一种商品或服务。所谓的“电子政务”系统是信息通信技术对城市治理最明显和最广泛的应用，政府职能放在网上，以缩短处理时间，同时降低成本。许多其他应用把信息通信技术与实体系统相结合，以提高性能，甚至创建新型系统。例如，一个城市的公共交通系统得益于信息通信技术的应用，这些应用改善车辆调度，把线路的变化和延迟通知给用户，并加强其他后勤服务。智能电网会对城市地区尤其重要，因为城市的电力需求不断增长，有必要提供充足和持续的电力供应。根据对智能城市的最深远设想，多个城市系统将合并为一个连贯的和无缝的运行环境，为实时决策提供管理工具。根据这一设想，大量的传感器，无论是嵌入一个城市的建筑和基础设施，还是由公民随身携带（例如手机发送的GPS信号），都将利用数字网络为计算机处理、显示和决策输送数据。实时数据的算法处理可对原始数据输入提供一些自动回复（例如，智能电网将监控和管理整个电网的电量，无需人的直接输入），与此同时，集成到虚拟“仪表盘”的数字流会为市领导提供处理复杂和可变的情况所需要的实时信息和可视化工具，比如在自然灾害期间发生的情况。
解决自然资源挑战信息通信技术使城市系统能够更有效、更高效地运行，但是它本身并不足以解决全球城市化进程构成的许多挑战。相反，有效地应对气候变化和自然资源稀缺这些挑战将需要其他新兴技术的突破。我们必须进行并大规模实施若干技术改进，将其用于城市的许多重叠系统，以便使城市更有持续性，更有适应力。城市是大部分气候变化战斗决定胜负的地方。在对气候的影响方面，城市产生世界上的大部分二氧化碳；在感受气候变化方面，城市是人们对气候变化最坏影响感受最深的地方。可靠地获得食物、水和能源，将对更大、更复杂城市的运作至关重要。
城市“绿色科技”既表明城市固有的挑战，也表明城市固有的机会。例如，建筑物的能源需求占全球能源需求的41％，用电量占全球的71％。参与绿色建筑运动的建筑师和工程师们希望减少建筑物本身消耗的能源和水的绝对数量，同时保持或改善建筑物提供给居民的服务（照明、供暖、降温、住房和美化）。在设计绿色建筑时，建筑师和工程师融合高技术、低技术以及来自生态学、建筑学和园林学等领域的见解，产生的设计方案可把建筑物的能源消耗减少为零。有些建筑物产生的能源甚至超过其自身消耗。绿色建筑理念已经在很短的时间内成为一个全球性标准，而绿色建筑规范现在是建筑专业的主流。
在未来几十年中，绿色建筑领域可能会受益于新兴技术，设计出令人难以置信的资源节约型和适应力强的建筑物。一种这样的技术是原始细胞。它是合成生物学的一种形式，使设计人员能够模仿生物的行为。虽然原始细胞的应用还有一些年的时间，但是设计师们认为，基于原始细胞的材料可使建筑外墙与自然环境互动，类似于皮肤在一个人的内脏和其周围环境之间的调节功能。这些基于原始细胞的建筑物外墙可用于过滤和净化空气中的污染物，捕获和保留多余的雨水，以备日后需要，或调节阳光，以帮助保持建筑物内部的最适宜温度和光照条件。我们可帮助加快这些技术的采用，制定一个具有世界级的能源和用水效率标准的国家绿色建筑标准。美国也有巨大的机会把这些城市技术出售给发展中世界迅速发展的城市。
我们还可以讲述一个以城市为基础的技术克服自然资源限制的类似故事。同绿色建筑一样，科学家、工程师、技术人员和城市设计师正在探索把新兴技术与适用于城市空间的设计方案结合在一起的解决方案。垂直农场背后的想法是，通过温室叠放在非常狭小的空间生产大量的食物。这个简单的想法使较大规模的城市农业成为可能，但是，转基因生物等技术可大大提高垂直农场生产食物的数量和质量。转基因生物如果在完美的条件下（例如无菌和不变的条件及精确的光照）生长，就能一年四季实现极高的产量。复合养殖是一个类似的想法。它把养鱼和水中种植植物结合在一起。在这里，位于屋顶和其他城市空间的复合养殖场可生产出高品质的食物。同垂直农场一样，这个想法很简单，可得益于新兴技术，以生产出产量高、质量好的食物。
更远的想法是肉类的生物打印，它试图用干细胞在试管中培养肉类。涉及的技术非常复杂，但是基本的目的很简单：无需使用动物生产肉类。如果成功的话，肉类生物打印不仅可以消除动物的苦难，而且还可以降低饲养家畜所需的能源、饲料和水等投入。该技术的提倡者坚持认为，这样节省的资源非常可观，例如可节省90％以上的水和能源。同垂直农场和复合养殖一样，肉类生物打印将把粮食生产搬进城市，因为大部分粮食在城市消耗。
技术在城市环境的风险和机遇
最大的风险是，我们将无法在世界各地的城市确认、采用和推广最有前途的技术。如果世界上迅速扩大的巨型城市不使用技术来解决持续存在的问题或者不有效地部署新技术，我们正在目睹的不可阻挡的大规模城市化就可能变成一个城市梦魇。这种逻辑也适用于没有迅速扩大的富有城市，因为这些城市需要利用新兴技术重新设计和改造，以使它们更可持续，更有适应力，更包容和更繁荣。城市之间的合作与最佳做法分享可推动广泛的创新新技术以及新技术和做法的采用。一种越来越有自我意识、越来越自信的以本地为基础的全球领导机构已经出现，例如“C40”。这是一个致力于通过对话和最佳做法传授解决气候变化问题的城市间机构。
对于从头开始建设或需要重建的城市，主要的困难将涉及新技术的规模、复杂性和成本。很多挑战将不是科学或技术性的挑战，而是政治、经济和文化方面的挑战。在这些方面，政策“路障”、融资机制不健全、缺乏对新兴技术的认识以及文化、社会和消费者对新兴技术的抵制构成主要障碍。
然而，新兴城市技术也有真正的潜在负面影响。一个重要的障碍涉及城市复杂情况的合理化。同巨型城市一样，城市已经是极其复杂的“系统中的系统”。到目前为止，大多数城市都以垂直方式管理各个系统，如下水道和供水或电网。从理论上讲，智能城市范例通过数字化网络克服了这种垂直方式，但在实践中，对来自这么多数据源的信息进行协调、管理和保护会有无数技术和组织障碍。
例如，我们可考虑仅仅一个领域，即城市道路运输领域的技术协调挑战。这里，我们的目标是把车载和路边信息通信技术集成到一个促进运输和安全的网络系统。然而，有效地做到这一点将需要整合数百万个使用不同车载技术平台的信息通信技术系统，而所有这些系统都在高速移动。在有效地管理这种系统的同时确保数据的安全性和完整性并不是一件轻而易举的事情。此外，任何技术都不能在真空中实施。即使智能城市应用中最智能的应用都必须把原始数据整合到分析处理、通信和决策当中。这些步骤必然涉及多个重叠辖区和机构，而这些辖区和机构又涉及决策者。
一个相关的明显问题是，在追求无缝运转的智能城市的过程中会造成或扩大系统漏洞。虽然对百万个用户和设备（传感器、车载应用、智能手机等）的数据联网有很多好处，但是一个主要的负面影响是数据安全和隐私权被破坏的风险越来越大。这种破坏可能通过故意和恶意的手段（黑客攻击、诈骗等）或者意外事故、灾难、停电和其他事件发生。
关于城市技术和一般技术，最后一个警告是提醒人们当心无意中造成的后果。在现代城市的历史上，人们曾为解决和克服一系列问题开发并应用新技术，结果却造成另一些难题。例如，在20世纪上半叶，汽车被视为解决工业化一些主要难题的手段，包括解决高密度工业城市存在的拥堵和公共健康问题。许多人认为，汽车的普及将让人们在遥远的郊区过上健康的生活，同时快速地往来于目的地之间。他们没有预见到该解决方案在20世纪晚些时候造成的长期交通拥堵、大量资源消耗和污染问题。这样的二级和三级影响就是技术创新造成的无所不在的副作用。虽然这样的影响很可能无法避免，但是至少应该提前考虑。
四、第三次工业革命
“制造业的数字化将改变货物的制造方式———也将改变就业管理。”———英国《经济学家》，2012年4月21日
正在出现的第三次工业革命不仅将改变生产方式，也将改变社会本身。第一次工业革命是蒸汽动力在18世纪应用到生产过程。第二次工业革命是在20世纪初发明现代化装配线。像前两次工业革命一样，第三次工业革命正在改变物品的制造方式、制造时间和制造地点以及经销途径。它正在降低制造过程的能源和原材料消耗以及碳足迹。它正在改变社会关系，在创造就业机会的同时也在毁掉就业机会，并改变人们与生产的关系。它在把全世界从标准化产品的大规模生产转移到订做产品的生产，以满足个性化需求。它也改变着全球经济，从而为发展中国家以及发达国家提供机会。如果国家不进行调整，也会因此付出代价。
第三次工业革命既涉及不同技术的结合与协同，又涉及产品或机器本身。它的启动应归功于创新地应用几十年来研发信息通信技术和人工智能技术的成果，还应归功于大数据和算法、新兴物联网以及通过纳米技术的新材料开发。
第三次工业革命不仅涉及以不同的方式使用原材料（钢、铝、塑料和其他材料）并用这些原材料制造成不同的物体，它也包括把数字信息变成物体。一种计算机创建的设计或扫描的物体可从数字信息转换为材料原子。这项工作可以远程完成，3D物体的数字文件在互联网上发送，在世界上任何地方都可重新变成物体，就像我们把发送给我们的PDF文件进行立体打印一样。
第三次工业革命还引起一个由来已久的问题：新的技术进展最终会一如既往地创造无数新的就业机会和更广泛分布的财富，还是新技术会造成长期的结构性失业，加剧已经严重的不平等并可能引发社会不稳定。或者，到本世纪中叶，全球经济会提高生产率，创造丰富的物质，由更少的劳动者启动全球社会的转型，贫困几乎完全消除，社会商品生产得到丰厚的回报，收入将与传统的市场动态脱钩。上述情况会出现吗？
从大规模生产到度身定制
《经济学家》把3D打印称为第三次工业革命。基本的3D打印技术是在大约30年前发明的，但是现在已经达到起飞点，因为其他技术的结合增强了3D打印能力，降低了3D打印的成本。这看似是一个简单的过程，通过叠层制造物品（即“加法制造”，这是3D打印比较正式的术语），而不是用整块材料雕刻物品（即“减法制造”）。这次起飞的动力是通过计算机辅助设计、大数据和云计算、新材料以及许多这些功能和打印机本身成本的降低。
3D打印革命“自上而下”和“自下而上”地发生。欧洲宇航防务集团、通用电气公司、波音公司和福特公司等全球领先的制造商采用高端3D打印机，从快速原型机制造过渡到生产飞机、汽车、风力涡轮机和其他无数机器的关键部件。3D打印革命的自下而上动力是“DIY”运动，成千上万的初期采用者购买个人3D打印机用于试验或开办自己的微型制造企业。而越来越多的中小型企业也在使用3D打印机。
尽管其他先进的制造能力也在推动第三次工业革命，人们如此密切地关注3D打印还有一个原因。3D打印是一种变革性技术，与传统的制造业相比有非凡的结构性好处。在传统制造业，一件产品越复杂，它的制造成本就越高———如果有可能制造的话。形成鲜明对照的是，3D打印是一个“单一工具”过程，不管想要的几何图形如何，都不需要改变这个过程的任何方面。
如果用3D打印机制作独一无二的产品，其成本并不比大规模生产同一种产品高，因此，3D打印技术使人们能够设计和高效地制造个性化产品。3D打印的这种独特能力正在推动从大规模生产到大规模定制的转变。最初，3D打印被称为“快速原型机制造”，主要用于快速制造新产品的概念模型，用于外形和合体性评价。但3D打印技术的应用已经从单纯制造原型机发展到制造用于功能测试的零部件，为注模和砂模铸造制作工具，最后直接生产最终使用的零部件。
3D打印是一个“平台技术”，很可能有范围广泛的用途，从打印人体器官和食物到打印飞机机翼和大型建筑物，包括独栋房屋、大型楼房、甚至月球和火星上的基地。美国航空航天局承认3D打印是太空探索的一项关键技术。航天局已经委托开发用于国际空间站的3D打印机。首批国际空间站3D打印机将用于打印备件。航天局同时还委托开发用于打印食品和在月球上打印建筑物的3D打印机。它还在探索使用3D打印机以最少的材料在太空制造大型物体的概念。
3D打印尤其可能给发展中国家带来变化。许多新兴市场国家，特别是非洲，没有重要的制造能力，而是依赖大量进口，包括基本消费品。它们也有大批人失业，许多人具有足够的教育和创业动力，能够围绕3D打印技术创办新企业。建立一个基本3D打印设施———一台计算机、打印机、材料和互联网接入———的成本可能大大低于10000美元，而建立一个传统工厂可能需要数百万美元的投资。与传统工厂不同的是，3D打印设施可在不更换机械设备的情况下生产数量无限的产品，而在某些使用再生材料的情况下，可根据本地市场的需求制造产品，所需的基础设施远不如为中国工厂服务的基础设施那样复杂和昂贵。对于一些发展中国家来说，3D打印在物质世界带来的经济变革可能不亚于手机在数码世界带来的经济变革，从而给发展中国家带来许多先进制造的好处。因此，3D打印能帮助各国跃过一些制造业，不需要在发展中世界建立大型生产设施。
3D打印是可能对社会产生显著的二级效应，包括向世界各地发送设计图纸，而不是产品：互联网首先消除了距离，可在空间瞬间传递信息。现在通过网络传送数字文件，而不是制造和运输实物产品，这种方式有可能像MP3技术改变音乐的分销那样改变产品的分销。
3D打印技术可减少甚至消除许多产品的供应链和生产线。制造业可能发生变化，从成千上万的工人在一些大工厂的生产线上把分包商生产的数千个零部件组装成最终产品，转变成在世界各地靠近消费者的数以千计的生产设施由为数不多的工人按照需求打印少量的同样产品。
3D打印很可能在从生产到产品交付给最终用户的过程中大幅度提高资源利用效率，降低整体碳排放量，在维持经济和环境的可持续性方面发挥重要作用。沃尔玛估计，其庞大的全球供应商网络产生的碳排放量占其企业碳排放量的80％，许多供应商还有自己的供应链。全球资源生产率也有可能大幅度提高，因为只使用了最后一部分所需的材料，最终会把生产过程中的废料减少90％以上。3D打印也可减少或消除常规生产过程中经常使用的有毒化学品。
当然，3D打印的开发和实施步伐有不确定性，并且很可能因制成品的类型不同而有很大差异。许多消费类产品通过传统方法大量生产并发运到消费点仍会比较便宜，尤其是大量生产的简单产品，这是对现有生产和供应链基础设施进行数十年投资的结果。不过，各生产领域将有临界点，触发制造商采用新的工艺，否则会失去竞争优势。这将是一个不平衡的过程，在某些行业需要的时间会比另一些行业多若干年。
3D打印生物：合成生物学革命
合成生物学和生物工程是第三次工业革命中的一个新因素，其基础是范围广泛的技术融合，由此开发出以前难以想象的新技术能力。虽然合成生物学革命带来许多可能有益的产品，但是人们还越来越担心会通过生物工程错误或故意地制造出致命的病毒。
在新的合成生物学年代，你将能够像用计算机编辑软件一样编辑DNA。克雷格文特尔领导私人机构绘制出人类基因组，并创造了第一个合成生物体。他把这种生物体称为“数字生物”。生物工程制作的数字文件可代表一个现有生物体或该生物体改变形式的DNA。它也可能用“生物砖”等DNA砌块创造一种全新生物。生物砖是由不同的功能部件组成的DNA结构，可组装成新的生命形式，发挥特定的功能。文特尔表示，可为生物燃料、水净化、纺织品、食品来源和生物治理创造基因改造的生物。
国家研究委员会和国家工程院最近的一份报告解释了这个学科的运作情况。这份报告说：“合成生物学家能够设计引发特定功能的遗传密码，利用计算机建模预先测试功能，从一个商用或开放源基因合成设施订购相关的遗传材料，然后将这种材料插入一个细胞体，以便检测在真实世界的功能。”
也许比实现生物数字化能力更加令人震惊的是，这种数字化生物可在互联网上传输，而且这种生物还可在地球上的任何地方重新创造。文特尔补充说，或者数字生物可用于重新创造在火星上发现的生物，办法是对其DNA进行数字化处理，并将文件传回到地球。也许甚至有可能把挽救生命的药物制作成数字文件，传送给未来移居火星的人类。文特尔创造了接收和打印这些文件的“生物转换器”。这个过程就像4D，但是使用有机物质，而不是无机物质。4D过程允许打印的生物不仅随时间的推移改变形状和功能，而且还能在某些情况下自我复制。在发生一场全球性流行病时，合成生物学可大大缩短开发一种疫苗所需的时间，然后把数字化疫苗基因序列传送到世界各地，进行生物打印，马上就能使用。
今后将不需要从头开始构建一种新生物体。3D/4D打印工艺允许一种合成生物产品的设计者利用该产品预先存在的模块进行研究。例如，合成生物学家可使用生物砖进行研究，生物砖可购买或下载，每个都有特定的功能。砌块式设计方案可传送给一个生物打印机，对遗传材料（就像普通打印机中的塑料、金属等）进行组装，创造新的生命形式。这种生物体的创造者必须充分了解了每个生物砖块的运作情况，就像一个3D打印物体的设计者不一定是软件工程师，但是须受过训练，能够使用计算机辅助设计软件设计这种物体，并将设计方案发送到打印机。
合成生物学就像互联网，可能对世界产生大规模的变革性影响，并且会很快影响到3D/4D打印。这些技术合在一起将改变我们能够制造的产品、制造的方法、制造的地点和制造使用的材料。保持可持续性的潜力巨大（例如，回收氨基酸）。“有机”一词将有一个全新的含义，因为结构不仅看起来更“有机”，而且也是用有机材料制成。斯坦福大学生物工程教授德鲁恩迪估计，基因工程和合成生物学对美国国内生产总值的贡献已经达到大约2％。他预测，近期合成生物学产生的技术和经济繁荣比得上互联网在本世纪早些时候产生的影响。
生物工程易于掌握，材料和能力的成本低，可用性广泛，因此人们对合成生物学构成的潜在危险越来越感到担心，尤其是合成生物学改变病毒，使其变得更加致命的能力，或创造全新致命微生物的能力。外交学会的全球卫生专家劳里加勒特指出：“生物合成领域正在与3D打印挂钩。”科学家在一个城市用一台计算机设计基因序列，可将代码发送到其他地方的打印机上。该代码可能被用来创造一种拯救生命的药物或疫苗。“或者，它可能是信息，把小小的phiX174病毒……变成杀死人体细胞的生物，或制造对抗生素有抗药性的危险细菌，或制造一种全新的病毒株。”现在需要制定一项安全策略，最大限度地减少双重用途合成生物学所带来的危险，而又不破坏该领域的发展。
如同3D打印、机器人技术和许多其他技术的进展，合成生物学取得的进展是因为把范围广泛的其他新兴技术结合在一起。国家研究委员会和国家工程院的报告指出：“虽然合成生物学产生于生物学及相关领域长达100年的研究成果……但是，如果没有工程、计算机科学和信息技术等不同领域的突破，其成果就不可能用于实践。”该报告特别指出：“计算机和互联网技术的进步彻底改变了数据的处理和传输能力，并提供了如何在设计多元件集成系统时处理复杂问题的思路和方法。仅在10年前还需要大型计算机数周时间完成的计算，现在只需要几分钟：基因序列可在笔记本计算机上进行处理。”
机器人走出工厂，进入我们的生活
虽然3D打印正在改变产品的制造时间、地点和方式，但是，我们称之的“新机器人技术”正在提高生产率，并改变人类在生产过程和整个经济中的角色。新一代机器人更容易编程，人类与之互动更安全、更容易，这些机器人的开发使人们有可能和机器人彼此合作。现在也有可能在制造业和服务业取代更多的人工。新的机器人技术远远超出了机器人的传统角色和形式。不仅从汽车到无人驾驶飞机再到潜艇等交通工具正在采用机器人技术，数字机器人还在承担以前只有人类能够承担的工作。
实体机器人和数字机器人等新的机器人采用一套新兴或迅速改进的技术，包括无线通信技术、人工智能、物联网、先进和廉价的传感器、大数据、先进的算法、云计算和存储以及全球定位系统。这些机器人平台在过去40年里的进化速度类似于摩尔定律为微芯片绘制的速度。未来的机器人会更聪明、更能干、价格也会大大降低，因此会慢慢进入我们生活的每一个角落，远远超出制造业和整体经济的范围。
包括标志性的谷歌自动驾驶汽车在内的自动驾驶汽车可能在2020年之前投放市场。无人驾驶汽车和其他无人驾驶交通工具（其开发受国防先进研究项目局机器人挑战赛的推动）对社会的长期影响可能是彻底改变人类使用汽车、设计交通基础设施和利用城市土地的方式。汽车驾驶造成的事故和死亡人数可能大大减少，这些事故的80％是人为失误造成的。城市的土地现在有大约60％用于汽车，这个比例可通过汽车按需提供、由应用程序传唤并且不断使用来降低，从而大大减少所需的停车位和汽车总数（现在私家车辆的闲置时间达到90％）。与此同时，个人使用车辆的效率可能会比大多数公共交通工具高，把人们从预订的起点直接送到终点。因此，无人驾驶汽车可能引发城市的重新设计以及城市生活方式的转变。这种向机器人车辆的转变，尤其是在所有权和使用模式改变的情况下，将对全球经济，特别是汽车行业造成极大的颠覆。一些汽车制造商可能从中受益（或者新的大厂商可能出现），但是，关于汽车代表什么的整个观念可能会改变，因为人们会把汽车更多地视为一种实用工具，而不是地位或驾驶乐趣的象征。在未来10年，无人驾驶汽车也可能在商业领域发挥越来越重要的作用。无人驾驶货运工具可能包括公路上的卡车和无人驾驶货运飞机以及空中飞行的勘测和送货无人驾驶飞机。
开发人员正在扩大机器人的能力，使之跨越工业机器人和非工业机器人之间的界限。虽然提高机器人的认知能力还需要大量的开发工作，但是未来主义的并具有极大颠覆力的机器人的许多砌块将在未来几十年问世。这种机器人技术可以完全消除某些制造环境雇用人工的需要，全面自动化的成本效益会超过把制造业务外包到发展中经济体的成本效益。甚至在发展中国家，机器人都可能在电子等行业取代一些本地劳动力，有可能压低当地的工资。
推动第三次工业革命的数字机器人在许多情况下承担着高技能知识工作者的任务。我们已经看到谷歌搜索、微软必应和其他搜索引擎的非凡力量。这些搜索引擎基于远远超过任何人工能力的强大“排名”算法，几乎瞬间就能筛选数十亿个数据点，回答人的信息查询。其他强大的算法正在以“电子发现”取代律师，对数百万份法律文件进行扫描，与人工相比，其速度快，成本低，准确度高。同样，医用X射线检查结果现在经常由计算机进行判读，其迅速和准确性都超过放射科医师。有些数字机器人，比如IBM的沃森，可以帮助诊断癌症，并且不久就会在范围广泛的医学和其他学科提供专家意见。谷歌翻译正在通过海量数据挖掘和先进的算法不断改进。总之，大量的工作，甚至整个类别的工作都在被数字机器人承担，或者即将被数字机器人承担。
机器人很可能在医疗保健、老年保健以及军队等劳动力密集型行业发挥越来越大的作用。在医院，我们已经看到机器人从事特定的工作，如外科手术辅助，其中包括机器人在熟练的外科医生控制下进行机器人手术。日本和韩国正在投入大量资金，开发能够协助日常生活的机器人，努力应对其大部分人口开始出现的老龄化问题。预计军队会增加其机器人的使用，以减少人在高风险形势和环境中的暴露以及某些行动所需的部队数量。如果能够为特定任务快速部署这种机器人，就可帮助军事策划者解决更广泛的资源问题。
这些数字机器人越来越成为所谓的数字“第二经济”的一部分。在第二经济中，计算机和网络可为独立于多数人的活动提供服务，例如刷信用卡，购买网上产品或服务，或在网上领取航空公司登机牌。计算机、互联网和网络同日益复杂的机器人技术相结合，已经开始改变工作场所的情况。
创造的工作会比失去的多吗？
3D打印可能会消除许多常规的装配线工作，取而代之的是更少但是较好的工作，这些工作可能广泛分布于微型企业和中小企业。工业机器人已经取代许多工厂工作，能力更强的机器人肯定会承担更多的工作，包括那些能够自由活动，同人一道工作的机器人。日益强大和无处不在的数字机器人也在消除无数的就业机会，并且可能消除整个行业，同时大大提高生产率。
这种趋势可能会无限期地继续下去，从而加强第三次工业革命的其他技术趋势。麦肯锡公司最近的一项报告称：“由于人工智能、机器学习和自然用户界面等领域取得的进展，现在有可能使许多知识工作者任务实现自动化，而机器执行这些任务长期以来一直被视为不可能或不切实际。”当然，就业所需的技能正在发生巨大变化，许多低端技能被逐渐淘汰，而许多中层工作在过去20年里已经由于信息通信技术而被淘汰。
这一趋势也会进一步加剧贫富差距吗？在全球劳资分配中，劳动力的收入在国内生产总值中的份额过去20年里下降了4％，据认为其中大约80％是新技术造成的。少数高技能人才，特别是对第三次工业革命至关重要的人才以及企业管理者和企业主积累的财富比例越来越大，而中产阶层的收入相对下降。新技术会扭转这一趋势，催生大量新的高收入工作，并使中产阶层的收入恢复增长吗？这些趋势并不令人鼓舞，但也并非一成不变。新技术将创造新的产业，政府政策可能显著影响收入分配，以减轻第三次工业革命给经济带来的长久变化的影响。
颠覆有其危险性
除了可能对就业和薪酬产生长期的负面影响，第三次工业革命还在产生其他“负面影响”。3D打印最近引起美国国会和公众的关注。有报道说，人们已经打印出枪支和攻击性武器的高容量弹盒。毫无疑问，诸如简易爆炸装置等其他令人担忧的产品将可以打印，这使致命武器的控制变得更加困难。事实证明，无人驾驶飞机已经饱受争议，因为它可作为选择性杀伤武器打击恐怖分子。美国可能已经开发并首次部署用于这种目的的无人驾驶飞机，但是该技术越来越便宜，并且可在全球各地获取。不仅是国家，非国家行为者也有机会获得该技术，制造和部署自己的无人驾驶飞机用于杀伤性攻击和监视。现在已经有可能开发出能够自主做出“杀伤决定”的机器人武器系统，并且可把该系统扩展到机器人士兵。据报道，“震网”病毒本来由美国和以色列开发和部署，以便摧毁伊朗的离心机。它很可能为开发其他自主“动能”算法武器创造一个先例，这种武器可用来寻找和摧毁实物。
黑客对汽车和无人驾驶飞机等无人驾驶交通工具的攻击也可能造成致命的破坏。此外，4D打印还能创造可改变形状和功能的物体，其中可能包括由外部信号改变的无害物体，或在受到黑客攻击后具有杀伤性的物体，例如黑客指挥的一架飞机的可变机翼会改变形状，在飞行中摧毁飞机或造成飞机坠毁。
在第三次工业革命的新技术和创新的开发和部署方面，美国处于全面的领先地位。此外，美国还有若干其他的优势，其中包括非常规气体革命产生的廉价和可用能源，这种能源给美国制造商带来竞争优势，并且在吸引外国公司，特别是石油化工和其他高能耗产业的外国公司搬迁到美国。
美国政府长期以来一直投资于研究与开发，由此建立了无与伦比的科学发现和技术开发基础。然而，这种技术领先地位正在受到挑战，因为其他国家的技术能力不断增强，科学和技术支出不断增加，更加重要的是，美国政府继续削减对基础研究的资助。
其他优势包括：美国制造业的生产率高，需要的劳动力投入少，从而削弱了外包的优势，而3D打印、机器人技术和其他技术给“内包”创造了新优势。顶尖科研大学一直在培养对第三次工业革命必不可少的科学家和工程师。“DIY”的文化一直是一个优势，可促进自下而上的创新，并“孵化”新思想以及基于3D打印、机器人技术、信息通信技术和生物工程的公司。最后，由于有效的法治（包括知识产权保护），同许多海外竞争对手相比，美国有一个良好的投资环境。
五、呼吁采取行动
本文介绍的所有技术虽然有风险，但是会带来一定程度的惊喜，不过，最大的惊喜不是来自任何单一的技术。相反，最大的变化将来自许多新兴技术彼此互动的共生影响。这是早期扩张阶段的一种常见格局。20世纪80年代，微处理器的发展与基于激光的带宽扩展和网络协议交叉，为万维网的问世奠定了基础。
不久的将来可能发生类似的转变。全自动无人驾驶车辆将在未来10年内问世，它们的问世将推翻我们目前对如何看待个人车辆和公共交通工具的假设。能力更强的机器人将大大提高生产率，这将消除无数就业机会，并且可能消除整个行业。本世纪中叶之前，重要的社会问题可能是什么将取代劳动的概念和作为主要活动的工作。工作给我们带来收入，让我们享受医疗保健，最终给我们生活的意义。算法将产生最大的惊喜。当然，我们必须改变我们的隐私观念，但这只是冰山一角。在未来几十年，我们将迎来一个令人神魂颠倒的时期，但肯定不是一个技术上畏缩不前的时期。
如果美国能够利用其优势———这是一个重要的假设，本文分析的各种技术应该特别大有前途。页岩革命已经表明，美国善于做出惊人之举，将两种原先存在的技术结合在一起，颠覆全球能源市场。但是，我们不要忘记，美国政府在页岩革命中发挥了关键作用。如上所述，政府从上世纪70年代资助的研发支持了压裂技术创新，冒险企业家得到减税的帮助。
这是其他变革性创新的情况。苏塞克斯大学的经济学教授马里亚纳马祖卡托在最近出版的一本书中探讨了“大胆的企业家”和“备受指责的国家”扮演的角色，结果发现，后者是我们的很多重大技术突破的关键创新者。正如她指出的那样，“美国国家科学基金会为驱动谷歌搜索引擎的算法提供过资助”。使iPhone变成“智能”手机的所有技术都得到过国家的资助———互联网、无线网络、全球定位系统、微电子、触摸显示屏以及最新的声控SIRI个人助理。
国家的作用更加重要，因为正如马祖卡托的研究所表明的那样，当商业用途不明显的时候，国家是一个能够承担研发支出风险的实体。在美国政府，国防先进研究项目局、国家科学基金会和国家卫生研究院过去50年里一直是最重要的创新引擎，但是它们取得的成就没有得到应得的赞扬。
总体而言，美国的研发支出仍然绝对领先。欧盟的研发支出在国内生产总值中的份额远远低于美国和日本。但是，美国的基础研发支出在扣除通货膨胀因素后自2003年前后以来一直停滞不前。如果全面实施分阶段削减计划，美国的基础研发支出在国内生产总之中的比例预计会大幅下降。新闻报道表明，国家卫生研究院的预算可能在未来5年下降7.6％。能源、农业和国防领域的研究计划将出现类似幅度的减少。航空航天局的研究预算可能会下降到1988年以来的最低水平。
形成鲜明对照的是，中国的研发经费在国内生产总值中的比例大大增加，目前已接近欧盟的水平。这表明他们努力成为一个创新的国家，并把自己定位为生物技术和绿色能源领域的潜在先行者。在专利授予方面，美国和欧洲过去10年都出现相对下降，而中国的绝对数量和总体份额在上升。具体专利的价值和重要性显然千差万别，许多中国专利的相对价值存在争议。但基本问题是，现在世界上的竞争更加激烈，美国和欧洲有失去其优势的风险。美国政府的研发经费应大大增加，以保持美国在科学技术方面的领先地位，并巩固美国的经济竞争力和发展基础，以及利用科学技术应对全球性挑战。
美国的STEM教育（即科学、技术、工程、数学的教育———本刊注）仍然没有多大起色。美国理工科大学生获得本科学位的比例在发达国家当中排名第27位。在美国研究生院攻读物理学的外国学生比美国学生多。我们支持要求紧急修改移民法的呼声，以使在美国受过教育的科学家和工程师们能够在毕业后留下来。确保美国继续在科技方面的领先地位意味着继续吸引全世界的人才。
本文谈到的所有技术都表明，它们的用途可能难以置信，特别是在应对气候变化、资源限制和快速城市化等重大全球性挑战方面。如果不发生其他情况，技术会给美国制定面向后西方世界的战略带来大量机会。2012年12月，大西洋理事会为美国提出一项长期战略———《2030年展望：美国面向后西方世界的战略》。这项工作的一个关键信息是，“国家实力的基石仍然是美国的经济实力和创新能力”。这是专注于技术如此至关重要的最好论据。技术不仅是经济复苏和振兴的源泉，还能把国内急需的建设与美国在海外的威望和实力扩张联系在一起。一次接一次的民意调查显示，美国众所周知的科学技术成就和高超技艺受到钦佩和羡慕，即使在中东这样美国名望不佳的地区也是如此。
第二次世界大战结束后，美国在许多其他国家赢得了民心。它把自己的国家利益与通过马歇尔计划帮助欧洲重建联系在一起，并以创建北约联盟对抗苏联的威胁。美国还支持发展中国家摆脱殖民统治的愿望。如今，美国在世界其他国家应对其挑战所需的多项技术方面处于领先地位，这可帮助美国同别国重新建立一项更加牢固的契约，为美国在明天的后西方世界确定一个举足轻重的地位。（曹佳兴译）
