美國國家工程院公佈由專家評選出的人類在21世紀面臨的14大科技挑戰，內容涉及四大主題：環境的可持續性、健康、減少易被攻擊性和生活樂趣。這些挑戰由美國全國科學基金會邀請來自各個領域的專家評選，評選結果已由來自50多個領域的其他專家審閱。專家認為，如果這些難題被攻克，人類生活品質將有所提高。

1.太陽能的重要性

目前，在全球所消耗總能量之中，太陽能利用的比重很小——尚不到1%。但其應用潛力遠不止於此。作為一種能量來源，沒有什麼可以與太陽相比。太陽不停地釋放出巨大能量，這些能量遠大於以往人類技術所能生產的各種能量。太陽釋放的能量不斷輻射到宇宙空間中，只有很小一部分到達地球表面，但即使這些也相當於現在人類所利用能源的一萬多倍。

2. 核融合發電

人工核融合發電已經曆了小規模的試驗示範階段。為了促進其商業推廣，要在提高效率，降低成本，減少對環境的不良影響等方面下功夫。如果核融合發電（FusionEnergy）一旦成功，那麼筆記本電腦鋰電池中所含的鋰足以供您及家人15年的用電要求。鋰可以提供核融合所需的一種關鍵元素——氚，用來和氘（氚，氘皆為氫的同位素）進行核融合。理論上來說，基於鋰和氫的核融合可以為人類提供永無匱乏之虞的新能源——核能。

3.研發二氧化碳封存技術

二氧化碳捕獲與封存對減少全球溫室氣體排放具有深遠的意義，將為減緩氣候變化帶來希望。二氧化碳是造成全球變暖的主要溫室氣體之一。為有效緩解全球變暖的趨勢，要減少二氧化碳的排放，或者將排放的二氧化碳捕捉並儲存在地下或海洋裏。

4. 控制氮循环

工程師可以通過更好的施肥技術以及妥善的保存和回收廢物來重建氮循环的平衡。儘管這個問題還不象溫室效應那樣受人關注，但是正如使用礦物燃料作為能源對環境產生的負面影響一樣，人類活動對全球氮循环的影響也對工程界提出了巨大的挑戰。

5. 使全球民眾喝上潔淨水

當今世界的水供給正在面臨新的威脅，經濟的、先進的技術可以使世界上成百上千萬的民眾受益。當英國詩人Samuel TaylorColeridge寫到“水啊，水啊，盈滿四方，竟無涓滴可飲嘗。”的時候，他並沒有想到21世紀全球水資源的情況。他說的並不是很離譜，今天，世界上的許多地方，飲用水以及其他用途用水已經成為一個緊要問題。

6. 可持續發展的城市規劃

優良的設計和先進材料的使用可以改善運輸、能源、給水和排水系統，並且可以創建可持續發展的城市環境。2005年，美國土木工程師協會發佈了一項報告，給不同類型的美國城市規劃打分，平均分為D。

7. 建立人體健康資訊系統

強大的健康資訊系統不僅支持日常的門診記錄，並且在面對流行疾病爆發以及發生生化進攻時可以起到重要作用。當你呼叫911急救電話時，救治結果很大程度上取決於對你本人健康情況相關資訊的掌握和處理的方式。

8. 開發基因藥物

工程師們正在開發新的系統來利用遺傳資訊、檢測人體細微的變化、評估新藥物和釋放疫苗。醫生們很早就知道不同人對於疾病的敏感程度不同，對藥物的反應也不一樣。但是，由於缺少對於個體差異的認知，目前所開發的治療方案都是適用於群體而非個體。

9. 對人腦的逆向工程

工程學和系統神經科學的結合促進了醫療業、製造業和通訊業的長足進步。幾十年來，工程領域一些科研人員一直致力於創造能夠思考的機器，即能夠模擬人工智慧的電腦。

10. 防止核恐怖事件

早在2001年以前，負責國家安全的人就開始擔心由於恐怖襲擊而有可能直接導致30萬人員的傷亡和數千平方英里國土的流失。從核時代的開始，全世界適合製造核武器的核材料就備受關注。某些國家可能缺乏足夠的安全措施來應對偷竊或者販賣核彈，而用於研究或者發電的核反應爐分佈在全球各處，這些反應堆都可以為核裝置提供原料，並且用類似的原材料來製造核武器的知識已經廣為公開，這就導致了只要掌握核原料就可能製造出核彈。
 

11. 保護網路空間

保護網路空間這不僅僅是防止個人身份被竊，銀行、國家安全以及基礎設施的重要系統也可能處於危險之中。在21世紀，個人隱私和國家安全都依賴於對網路空間——資訊共用網的保護，而這一系統直到20世紀晚期才出現。

12. 增強虛擬現實

對大多數人來說，虛擬現實主要包括玩電腦視頻遊戲或者看科幻電影。在好萊塢電影裏就有有關虛擬現實的描述，從1983年只有比較簡陋觀影裝置的《頭腦風暴》到完全虛擬世界的《駭客帝國》。但是在許多專業領域，從精神治療到教育，虛擬現實正成為一個強有力的新工具，可以用來訓練實踐人員，治療病人，並且在各種娛樂方面得到了越來越多的應用。例如，虛擬現實目前已經被用於工業設計，工程師虛擬地製造出完整的汽車和飛機以便於試驗設計原理、人類工程學、安全方案、維護通道等等。

13.發展個性化學習

很多年來，研究人員都在爭論看字讀音教學法和單詞識別教學法哪一個才是教小孩子閱讀的最好方法，雙方觀點都有很多支持者。然而，當問一個一年級教師時，答案可能是取決於小孩子本身。一些小學生對整體單詞法更加喜歡，而另外一些則通過語音學習更快。年輕的大腦（和老一些的大腦一樣）並不都是一樣的，學習應該是因人而異的。貫穿整個教育體系，教學一直遵循“一個尺寸適合所有人”的學習方法，不顧天資或者興趣方面的差異而簡單地給每個人都提供完全一樣的教育方法。成人教育也是堅持一成不變，忽略了年齡、文化背景、職業和動機的差異。最近，隨著個性化喜好的不斷增長，導致了更多的適應學生個體需求的“個性化學習”。個人化的學習方法包括學生們能自己掌握進度的程式以及設計能匹配學習者個性的程式。

14 .推動自然科學的發展

在大眾看來，科學家和工程師有著明顯的工作分工，科學家的工作是探索、試驗併發現，工程師則是創造、設計並建造。實際上，這種區別是很模糊的，工程師通過多種方法來參與科學發現的過程。大型試驗和探索研究中，為獲取諸如物理、生物領域的新資訊，經常需要工程技術專家來設計工具、設備、系統。