盤點2016年十大創新技術

2016-12-26 11:51:33??????點擊:

“改變世界”這個詞已經被用濫了,但對晶體管、萬維網和手機這類發明,要形容其撼動世界歷史的影響力,還有別的合適詞語嗎?的確有一些創新改變了歷史的方向。

本文介紹的碳呼吸電池、手術機器人、量子衛星和另外7種創新能否產生相似的效果呢?現在下結論還為時尚早。大多數創新方案最終都失敗了,最偉大的創意往往也伴隨著最高的風險。但一個創意從引人發笑到變成大勢所趨,往往用不了多長時間。

1.碳呼吸電池

電化學電池能夠吸收大氣中的碳,將其轉化為電能。

單單削減溫室氣體排量已經不足以阻止全球變暖。現在,我們必須將大氣中已經存在的二氧化碳清除一部分。好消息是,做這件事的方法有很多;壞消息是,這些方法基本上都需要消耗大量能源。

理想的碳封存技術可以產生電能,而不是消耗能量。在2016年7月發表于《科學進展》上的一篇論文中,美國康奈爾大學的研究人員瓦迪·阿爾·薩達特和林登·阿徹描述了一種能捕捉二氧化碳的電化學電池的設計方案。

電池的陰極材料采用的是鋁,這種金屬成本低、儲量大、易于加工。陽極由多孔碳構成,研究人員向其中注入氧氣和二氧化碳的混合物。鋁、氧氣和二氧化碳在電池內部發生反應,產生電能并生成草酸鋁。薩達特和阿徹表示,在一個1.4伏電池的生命周期中,電池所吸收的碳是制造電池時所釋放的碳的2.5倍。

阿徹表示,要想把這個設計轉化為實用的技術,他和同事還有很長的路要走。首先,他們需要證明該技術的成本效益足夠高,并且規??梢岳┱?。阿徹預計,如果他們能成功實現這樣的轉化,將來這種電池會配備在發電站和汽車排氣管上。

2.全新的抗生素

設計新型化合物的方法可用來對抗耐藥菌。

很難想象一個沒有抗生素的世界是什么樣的,不過因為大規模濫用抗生素,我們正走近這樣的世界。美國國家疾病預防與控制中心表示,僅在美國,每年就有超過23000人因感染抗生素無法對付的病菌而死亡。英國政府資助的一項研究估計,到2050年,全世界每年會有1000萬人死于耐藥菌??蒲Ъ藝囁嘌罷夷萇彼萊恫【男亂?,例如大環內酯類抗生素。

邁爾斯和他的團隊找到了合成大環內酯的方法。為了合成這種化合物,研究人員把大環內酯的結構分解成8個基本???,然后以新的形式把它們組合起來,利用不同的組合方式調節其化學性質。邁爾斯團隊在2016年5月發表于《自然》雜志(Nature)的論文中表示,他們已經合成了超過300種新型化合物。研究人員使用了14種致病細菌進行實驗,發現大多數化合物可以抑制細菌,而且有很多可以殺死耐藥菌株。

3.量子衛星

量子密鑰的天基傳輸可能會讓“不可攻破”的互聯網變為現實。

要建立絕對安全的加密方法,并不需要比鉛筆和紙更高級的技術:只要選擇一串隨機的字符和數字,用作加密信息的密鑰。把這個密鑰寫在紙上,用一次之后把紙燒掉就行。關鍵是要確保沒有人能攔截或篡改密鑰。而在互聯網上,竊取或篡改密鑰的事情一直沒斷過。量子密鑰分發可以解決這個問題,該方法會從糾纏光子中生成一個一次性密鑰。量子密鑰分發的問題是,沒人知道如何長距離傳輸糾纏光子。然而今年8月,中國科學院成功將世界第一顆量子衛星送入軌道,為解決這個問題邁進了一大步。

中國科學院的項目名為量子科學實驗衛星,是與奧地利科學院合作的項目。該項目利用衛星向中國境內相距1200千米的兩個觀測站傳輸量子密鑰,這一距離是目前最遠傳輸紀錄的8倍。如果中國研究人員創造了量子密鑰傳輸距離的新紀錄,那么未來的衛星就能提供一個軌道平臺,建立起不可攻破的“量子互聯網”,物理定律可以確保加密數據包的絕對安全。

4.替代外科手術的微型機器人

遠程控制的微型機器人可以在體內完成治療。

醫學干預手段越先進,侵入性就越低。現在,麻省理工學院的研究人員發明了一種機器人,可以在胃里完成簡單的手術,且完全不需要切口或連接外部的纜線——病人只需把機器人吞下去就行。

這種微型機器人包裹在用冰做成的口服含片里,被人服下后會進到胃里。冰膠囊融化后,機器人會像折紙一樣打開。展開后的機器人看起來像一張有皺褶的紙,材料上的皺褶、縫隙和補丁的位置都是精心設計好的,它們遇熱或受磁場作用時會膨脹或收縮,進而借此移動。這種移動方式類似關節和肌肉的運動方式。外科醫生通過外部電磁場影響機器人上的磁鐵,就可控制機器人的運動。

機器人的主體由生物相容性材料制成——部分材料來自豬的小腸,也是香腸腸衣的材料。這些材料可以向體內傷口給藥或是像創可貼那樣固定在傷口上?;魅嘶鼓苡米源拇盤安蹲健輩⒁瞥煳?,比如誤吞的紐扣電池。

5.發現貧困地區的軟件

機器學習軟件可以分析衛星圖片,找到需要幫助的偏遠貧困地區。

2015年,聯合國定下一個目標,希望在2030年前在世界范圍內消除極端貧困。這個目標很大膽。要實現目標,第一步就是找到最窮的人都在哪里,而這一步的難度就非常大。在貧困和易發戰亂的國家進行經濟調查既昂貴又危險。研究人員嘗試通過一種間接的辦法來解決這一難題:他們在夜間的人造衛星照片中尋找特別暗的區域?!耙話憷此?,晚上亮起來的地方經濟狀況更好,”斯坦福大學地球科學系統助理教授馬紹爾·博克解釋說。但這種方法有缺陷,尤其是在區分貧困程度方面。在晚上,從太空中看,輕度貧困和極端貧困的地方是一樣的,都是漆黑一片。

博克和他在斯坦福的團隊認為,可以用機器學習的方法來改進人造衛星成像研究。研究人員利用非洲五國的日間和夜間衛星圖像來訓練圖片分析軟件。在綜合了日間和夜間的圖片數據后,計算機“學會”把日間圖片的特征(道路、城市區域和農業用地)與不同水平的夜間亮度關聯起來?!襖靡辜淶牡乒?,可以找出日間照片中有何重要特征,”博克說。

當訓練結束后,博克的軟件可以僅僅根據白天的衛星圖片發現貧困區域的位置。

6.會制冷的衣服

納米多孔纖維讓穿著者感到涼快,這可以降低對空調的需求。

地球變得越熱,把空調溫度調得更低的人就越多。但是空調制冷需要能源,而獲取能源會排放溫室氣體。

崔屹是斯坦福大學材料科學與工程學教授,他想用衣服幫助人們解暑降溫。即便是最輕薄的棉纖維衣物也會吸收身體發射出的紅外線,從而鎖住熱量。崔屹和他的團隊發現,一種用于制造鋰離子電池的納米多孔聚乙烯材料(nanoPE),可以讓這些輻射散發出去。

與棉質衣服相比,nanoPE可以讓模擬的人體皮膚多降溫2攝氏度。崔屹團隊于2016年9月在《科學》(Science)雜志上報告了這一發現。崔屹表示:“如果你穿上nanoPE的衣服,只要外部溫度比你的體溫稍低,你就會感到涼快?!比綣譴筧忍?,你可能還是想開空調,但可以把溫度調高一些。有研究顯示,只要把空調溫度調高幾度,就能讓能耗降低近一半。

7.抗病毒終極方案

一個罕見的遺傳突變也許可以催生出能對抗所有病毒的藥物。

眾所周知,病毒很擅長躲避人造藥物的攻擊,但它們面對罕見基因突變ISG15時卻很無力。帶有這個突變的人能更好地抵御大多數可以感染人類的病毒——但每1000萬人里只有不到1人攜帶這一突變。西奈山伊坎醫學院的杜贊·博古諾維奇認為,可以模擬這一突變來研發藥物。他有可能找到一種可以臨時對抗所有病毒的藥物,讓人不會因感染病毒而生病。

博古諾維奇希望找到一種藥物,可以通過相同方式把ISG15突變作為目標?!爸灰隕緣髡幌攣頤塹南低?,就可以壓住感染的第一波爆發,”他解釋道。博古諾維奇的團隊正從1600萬種化合物中篩選有前景的抗病毒藥物。當他們發現候選化合物以后,就需要精細地調整化合物的化學性質,完成毒理學和動物試驗,并最終進行人體臨床試驗。這項研究并不是必定能獲得成功的。有些攜帶ISG15突變的人會偶發癲癇,出現類似紅斑狼瘡的自體免疫疾病癥狀。研究人員開發的藥物需要避免出現副作用。

8.新算法讓計算機學會橫向思考

人工智能方法可以讓計算機在視覺模式識別方面勝過人類。

如果有人給看你一個陌生字母表里的字母,再讓你把它寫到一張紙上,也許你能做到,但計算機卻做不到——即使它有最先進的深度學習算法也不行。哪怕只是做一些基本的圖片區分工作,機器學習系統也需要用大量的數據進行訓練。

借助貝葉斯規劃這個機器學習框架,計算機已離這一飛躍不遠了。紐約大學、麻省理工學院和多倫多大學的研究者組成的團隊證實,只需學習一個例子,使用了貝葉斯規劃學習方法的計算機就能比人更好地識別和復寫陌生的手寫字符。

貝葉斯規劃學習方法和深度學習有本質上的差別。深度學習粗略地模擬了人腦基本的模式識別能力。而貝葉斯規劃學習的靈感來自人腦的另一種能力:推斷出可以生成某種模式的一系列動作。這種機器學習方法既全能又高效。

9.廉價診斷試紙

對埃博拉、肺結核等疾病的廉價快速的篩查方法,可以挽救偏遠貧窮地區病人的生命。

一個發著高燒的病人來到了非洲農村的一家診所。診斷結果可能是從輕度傷寒到埃博拉的任何一種疾病。即使這家診所有驗血設施,也需要幾天時間才能獲得結果。那么醫生該怎么辦呢?是開抗生素處方還是要求隔離病人?

過去十年里,研究人員一直在尋找一種快捷、廉價的試紙診斷方法(類似驗孕棒或驗孕試紙),以便在這種場合拯救生命。

第一代診斷試紙一般只能發現入侵物產生的分子或致病微生物,從而檢測疾病。但接下來有可能出現直接檢測病原體DNA的診斷工具。這些工具叫核酸測試,可以讓醫生在疾病最早期就能準確地診斷出疾病。耶格爾和哈佛大學的化學教授喬治·懷特賽茲等研究者正各自獨立研究核酸試紙。

10.用超級原子制造的超級分子

新方法能夠設計出超越元素周期表限制的原子、分子和有用材料。

元素周期表中看上去有許多元素,但對于化學家和材料科學家來說還不夠多。要設計具備某種非同尋常的特性的合成材料,比如設計像木頭一樣可降解的硅類半導體,大自然的配方往往存在局限。哥倫比亞大學化學系教授柯林·納科爾斯表示:“很多時候,你想要的是一種并不存在的原子?!庇盟健俺對印弊槌傻某斗腫涌梢月閼飧魴枰?。超級原子是行為如同單個原子的原子團,研究者可以設法使其具備特別的電磁特性,這是元素的自然組合很難或不可能獲得的性質。雖然化學家早在幾十年前就知道如何構建超級原子,但一直找不到一種可靠的方法將它們連接成更大型的結構。

現在,納科爾斯的研究團隊發現了一種方法,可以用超級原子來制造“設計分子”。這些合成結構能夠模擬天然分子的特性,同時材料科學家可以對這些特性進行“微調”,以達到某些特殊的目標。納科爾斯表示:“你可以很容易地改變由超級原子構成的分子的化學性質或磁性,而單憑原子結構是做不到這一點的。這就像給元素周期表增加了一個維度?!?