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在过去的 50 年里，新出现了一系列紧迫的全球性问题，这就需要一个空前的大行动，使工程广泛地参与其中，从如何使全球社会、经济和环境可持续发展，到处理城市化和全球化的问题，都需要工程的参与。美国国家工程院，最近进行了一项研究“重大的工程挑战”，强调了很多这些挑战。
传统的工程学界限有了一些扩展，囊括了与社会学、经济学、政治科学和其他社会科学之间的相互作用，以及与保健、农业科学之间的相互作用，这使工程师开始在解决这类问题时效率更高，并起到凝聚的作用。同时，出现了一些新的与科学息息相关的基础工程任务，从纳米技术到生物工程都有潜力使工程发生彻底变革，并且以一种我们尚未全面了解的方式来影响国际问题。
经济、社会和环境的可持续发展
在为经济可持续发展服务的工程领域中，挑战在于要设计技术和体系来使全球商业更加便利，促进技术创新和创业精神，帮助增加就业职位，同时还要把对环境的影响最小化，以及有效地使用资源。
在社会领域，对工程的挑战来自于要设计一种体系促进教育和健康的发展，提高生活水平，减少全球贫困，帮助人类在这个越来越受机器驱使的世界中保持他们的人性。在每个方面，工程都不是独立在发挥作用，如果没有政治和经济力量的密切协作，是注定要失败的。面对一个新出现的挑战工程还要发展技术方法，来帮助阻止或减弱敌对行为，减少自然灾害的影响，鼓励人类减少对地球资源的索取。
在对资源的索取中，工程的传统角色——从水到食物、能源和材料——需要通过新方法得到加强和扩展，在节约资源和废品管理上，工程也变得越来越重要。
由于各个大陆和地区的水资源分布不均衡，可用的水资源有限，这就对工程技术产生了很大的需求，包括从制定更有效的水系统、废水的处理和回收，到海水淡化、减少水库的蒸发损失，再到阻止老式管网系统和在建的新型循环系统中的渗漏现象。
在 20 世纪的最后25 年，因为绿色革命，食物供给已经翻番了。但是由于快速增长的人口和经济，对食物供给的需求量增加了，而农耕用地越来越多地被用于发展生物燃料，以及渔业资源濒临枯竭，食品再次面临供给不足的危险境地。这就需要呼吁新的工程方法，包括水产养殖和遗传学的运用。在很多国家，存在存储过程中食品大量腐坏的现象，运输也已经是一个我们无法再忽视的问题了。同时食品安全也不要忽视，食品安全问题由于气候变化更加引起重视，已经影响了发展中国家 30％的农民（Brown和Funk，2008），
这就增加了对农业工程和全球物流的新需求。
在能源方面，工程受到的挑战包括：要以一切形式，不断地提升太阳能采集技术，太阳能用之不竭但分布分散；要提炼石油；从地球内部提取热能；还要为世界上的大部分人口提供环保的可持续动力和光源。如何把大量断断续续的太阳能和风能集合起来，输入电网，这是一个重大挑战；设计经济节约的储藏机制（无论规模大小）也是一个重大挑战，这将具有广泛的实用价值，这也可以减少电厂在满足用电高峰时所需要的发电能力。提高能源利用效率，以减少全球能源供应中的大量浪费（大约 50％），这是世界上工程面临的首要挑战；对使用矿物燃料发电厂的排放物的脱碳工作，也是挑战之一，例如，通过在地下汽化和深层煤矿。液烃为世界上大多数交通系统提供动力，如今取代液烃刻不容缓，液烃的取代可以通过植物微生物的生物分子工程或是氢燃料电池这两种新兴的方式来实现，其前景要比从农业生物质中制造生物燃料光明得多。
物质资源领域的挑战来自需要发现更多可持续的替代品（比如可以结构性使用的合成材料、土壤、塑料垃圾和农副产品）。在那些稀缺供应品的再利用上也面临着同样的挑战，例如铜，可以回收并在其生产和利用之间开发材料流转有效的闭路循环。
在环境领域，工程面临的挑战主要是，帮助减少人类生活和活动印记对环境造成的侵害，这些侵害包括：人类栖息地不断扩大和人类冲突造成的破坏，没有节制的采矿和能源转化，人造水坝对野生动物的影响，排放威胁人类健康和造成全球变暖的气体，还有城市中较高的大气温度也是全球变暖的一大帮凶——热岛效应。此外，工程面临的更迫切的挑战还有：提高资源的使用效率，适度消费，材料回收，解决冲突，遏制扩张以及寻找能源的可替代形式等。废品处理问题也越来越突出，这关系到保护人类健康和环境，其中就包括棘手的核废料问题。保护其他物种的主要栖息地的完整，使它们与人类活动共存，这需要仔细设计基础设施和规划场地。只有通过新技术的协同作用和公众对新政策实施必要性的理解，才能够克服这些挑战。
城市化
城市化是第二紧急的、新出现的全球发展问题。当今世界上已有一半的人口居住在城市里。在可预见的未来里，发展中国家的这一比例预计将会继续爆炸式增长，而发达国家已经大部分都城市化了。这就使得全球的可持续发展受到城市的影响越来越大，不论大城市还是小城市。城市人口情况快速变化，对工程提出了新的挑战。在发展中国家，工程需要满足年轻人口大量涌入城市带来的需求，也不能忽视由于人类平均寿命延长而带来的老龄化问题，这个问题在发达国家已经很突出了。这就需要人们重新考虑在人和人工制品交界处的很多设计，以便于人们使用。城市工程面临的挑战在于要在城市化的浪潮之下，找到方法来解决一系列问题，比如：房屋不足、流动性、水、卫生、电力、通信以及清洁空气，要尽可能使用当地的资源来发展基础设施建设，并符合城市扩张的步伐，还要通过创造新的工作机会来减少可怕的城市贫困（Bugliarello，2008）。
城市化当然也追求城市中生活质量的提高，这要通过管理拥堵和减少污染和噪音来实现，在任何国家都是如此。
城市区域的持续膨胀，要冒着地震、火山喷发、洪水、灾难性暴风雨和海啸的风险，城市也成为敌对活动的经常性目标，于是，工程面临着更大的挑战。要保护处在危机中的人们，就要开发更强大更具适应性的基础设施、更有效的报警系统、更现实的撤离和就地安置规划。
在贯穿发展中国家城市化可持续发展需要的整个过程中，要设计足够好的指导方案，要比发达国家使用的传统方案更实惠，又能够快速地满足大多数的需求。这些包括：更便宜和快速的建设、更简单的维护和修理、“绿色”能源技术、材料技术、环境节能技术、更灵活的城市流通方案（比如公交快速交通系统BRT）、提供宽带互联的通信系统而且连接不需要占用昂贵的地面土地。
全球化
世界经济的全球化为工程带来第三个方面的挑战。工程要为大众、区域和个人提供接近全球知识、市场和机构的途径，其方法包括：优化交通系统、信息传播和快速互联网技术、提供参与全球经济必要的技能训练、通过开发普遍标准以便于世界各地工程生产力的协同工作。
新的基础性工程活动
在材料、能源、信息和系统、生物工程这四个基础性工程领域，出现了新的、预期中的挑战，这些挑战为未来带来新的可能性。
材料领域：通过纳米技术和生物纳米技术创造多功能材料的可能性越来越大，人们可以逐个离子、原子、分子地创造新材料，加强结构的强度（Dzenis，2008），
感知和转移能量，根据光的波长与之互动，还可以根据需要改变特性（Vaia和Baur，2008）。
这将对制造业、建筑业和基础设施产生革命性的影响。合成材料也可以使用各种天然材料，这使得创造结实轻便的材料构造成为可能。对材料和微小结构进行大规模的自我组装还是一个遥远的可能，但是十分重要。材料和能源与新出现的可解构的结构这一概念密切相关，还与循环的发展息息相关，要尽可能多地重复使用材料以及材料中蕴涵的能量。
能源领域：取得发展的方面包括很多，比如：燃料电池、生物质能、废物焚烧炉、细菌发电、生物燃料发动机、光伏发电机、效率更高的集热器、大小型号齐全的先进的风力涡轮机和微型水利涡轮机，所有这些一经开发就即刻付诸实用。高电压超导直流线路也具有美好的前景——它可以减少长距离电力传输的损耗——这样就可以接收到远距离传输的能量，从而使能量可以在全球范围内传输。此外，人们步行产生的能量已被证明是可以使用的，这具有相当大的影响潜力，它可以为低功率电子设备提供足够的电流。将来还会有一个面向全球需求的挑战，那就是设计电池，使其每单位重量的储存容量更大。先进的新型照明系统可以代替二氧化碳来产生能量，点亮台灯、取暖器和低效的白炽灯灯泡。核聚变的实现仍是一个遥不可及的愿望，但是越来越有必要建造很多先进的、绝对安全的核反应堆，还要带有安全的防扩散燃料循环体系来提供基本能量，这样才能减少温室气体的排放，并弥补其他能量供应的不足。
信息领域：个人便携设备正在个人通信和网络连接领域掀起一场革命。由于上亿个晶体管芯片的未来发展和全球通用标准的发展，个人便携设备变得更加综合了，它把单一的多功能多用途设备与语音、数据和图像结合起来。传统的电话系统由于地理、成本和组织原因有很多领域无法涉及，个人便携设备对此将具有重大影响。半导体电子学和计算机体系结构（Ferry，2008）
的不断进步将可能产生更加强大（每秒浮点运算次数五次或以上）的计算机，这将对工程分析和设计以及生物社会和环境现象的研究都产生巨大的影响。在能源和材料的使用中，信息对于提高使用效率至关重要。要在全球范围内优化保健系统、社会服务、制造业、运输和其他基础设施系统、农业和地球物理学、矿藏勘探和提炼，对所有这些主要的发展挑战来说，信息——与系统工程一起协同作用——也是一个关键因素。
全球面临主要的挑战包括根除贫困的地方性破坏、全面而有效的卫生保健、经济发展、城市化、全球变暖等。所有这些挑战，都需要最高水准的系统工程。因为就像传统的工程系统处理水和能源供应、建设、基础设施和生产等问题一样，它必须包含和协调社会政治经济体系，以及医疗保健和营养问题。为了应对很多系统工程的挑战，智能体和通用换算模型的初步建立，使生产更真实的行为组件成为可能，也使一个模型有可能包含从纳米到宏观的多种等级的尺寸。一个前途无量的系统工程前沿领域也可以用来创造更复杂的机器人和机器人系统，其应用领域十分广泛，从帮助残疾人到制造业和从事危险工作都可使用。
生物工程工程领域：生物工程是工程学和生物学、医学相互交流而产生的，它将在医疗保健、工业、农业和日常生活中越来越重要。很多新兴的成就包括：饮用水的生物处理（Brown，2007），
替代病变生物组织和创造新组织的组织工程，涉及各种复杂人造器官的工程（包括义肢和义眼座），仪器仪表和传感器的升级，更强大快捷的诊断方法和药物向有机体的输送，加速疫苗生产（Heuer，2006），
以及蛋白质、基因和有机体工程。很多进展对发展来说都有巨大的潜在意义，它们使得在小型化（例如在一个芯片上的实验室或工厂）、计算机软硬件、成像和可视化和机电一体化（机械设备和电子相结合）方面的进步成为可能。
生物工程中一个新兴的，但在很大程度上仍未过多探索的领域是仿生，这是为了寻求新思路和工程设计“概念验证”的研究，根源于探寻生命系统的特点。可以预计，这将带来更便宜、效率更高也更有效果的方法。举个最简单的例子，通风系统的设计灵感来源于白蚁丘，或者就像是由于多个氢键的协同作用，本质上造就了结构上的高强度。
工程学的新分支
由于所有这些挑战和可能性，可以预见工程学方面会产生一个新的跨学科的推动力，或许可以称之为发展工程——这不仅仅存在于发展中国家。发展工程是对全球急缺工程师的一个响应，这些工程师要能够理解人类发展和可持续发展的问题，还要能够熟练掌握工程知识。
对未来的憧憬激励了他们，他们要能够与其他学科、社会和政治领导人相互作用，设计和实施解决方案。工程责任感以前经常被忽视，但是非常重要。在这样的背景下，它可以帮助人们识别、阻止或减轻新的技术发展中可能出现的意外后果，比如热带疾病的爆发是由于在热带地区的河流上修筑水坝，土壤层变薄是由于机械化农耕设备带来的破坏。
培训充足数量、关注发展的专业工程师，应当得到优先发展。因为全球社会如今面临很多新兴的紧迫问题，应当把它作为处理这些问题的能力的关键组成部分。