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盤(pán)點(diǎn)2016年十大創(chuàng )新技術(shù)

2016/12/26 11:51:33??????點(diǎn)擊:

“改變世界”這個(gè)詞已經(jīng)被用濫了,但對晶體管、萬(wàn)維網(wǎng)和手機這類(lèi)發(fā)明,要形容其撼動(dòng)世界歷史的影響力,還有別的合適詞語(yǔ)嗎?的確有一些創(chuàng )新改變了歷史的方向。

本文介紹的碳呼吸電池、手術(shù)機器人、量子衛星和另外7種創(chuàng )新能否產(chǎn)生相似的效果呢?現在下結論還為時(shí)尚早。大多數創(chuàng )新方案最終都失敗了,最偉大的創(chuàng )意往往也伴隨著(zhù)最高的風(fēng)險。但一個(gè)創(chuàng )意從引人發(fā)笑到變成大勢所趨,往往用不了多長(cháng)時(shí)間。

1.碳呼吸電池

電化學(xué)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(jīng)不足以阻止全球變暖?,F在,我們必須將大氣中已經(jīng)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(shù)可以產(chǎn)生電能,而不是消耗能量。在2016年7月發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》上的一篇論文中,美國康奈爾大學(xué)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(xué)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(yáng)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(fā)生反應,產(chǎn)生電能并生成草酸鋁。薩達特和阿徹表示,在一個(gè)1.4伏電池的生命周期中,電池所吸收的碳是制造電池時(shí)所釋放的碳的2.5倍。

阿徹表示,要想把這個(gè)設計轉化為實(shí)用的技術(shù),他和同事還有很長(cháng)的路要走。首先,他們需要證明該技術(shù)的成本效益足夠高,并且規??梢詳U展。阿徹預計,如果他們能成功實(shí)現這樣的轉化,將來(lái)這種電池會(huì )配備在發(fā)電站和汽車(chē)排氣管上。

2.全新的抗生素

設計新型化合物的方法可用來(lái)對抗耐藥菌。

很難想象一個(gè)沒(méi)有抗生素的世界是什么樣的,不過(guò)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(guò)23000人因感染抗生素無(wú)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(huì )有1000萬(wàn)人死于耐藥菌??茖W(xué)家正苦苦尋找能殺死超級病菌的新藥,例如大環(huán)內酯類(lèi)抗生素。

邁爾斯和他的團隊找到了合成大環(huán)內酯的方法。為了合成這種化合物,研究人員把大環(huán)內酯的結構分解成8個(gè)基本模塊,然后以新的形式把它們組合起來(lái),利用不同的組合方式調節其化學(xué)性質(zhì)。邁爾斯團隊在2016年5月發(fā)表于《自然》雜志(Nature)的論文中表示,他們已經(jīng)合成了超過(guò)300種新型化合物。研究人員使用了14種致病細菌進(jìn)行實(shí)驗,發(fā)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(huì )讓“不可攻破”的互聯(lián)網(wǎng)變?yōu)楝F實(shí)。

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(shù):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(gè)密鑰寫(xiě)在紙上,用一次之后把紙燒掉就行。關(guān)鍵是要確保沒(méi)有人能攔截或篡改密鑰。而在互聯(lián)網(wǎng)上,竊取或篡改密鑰的事情一直沒(méi)斷過(guò)。量子密鑰分發(fā)可以解決這個(gè)問(wèn)題,該方法會(huì )從糾纏光子中生成一個(gè)一次性密鑰。量子密鑰分發(fā)的問(wèn)題是,沒(méi)人知道如何長(cháng)距離傳輸糾纏光子。然而今年8月,中國科學(xué)院成功將世界第一顆量子衛星送入軌道,為解決這個(gè)問(wèn)題邁進(jìn)了一大步。

中國科學(xué)院的項目名為量子科學(xué)實(shí)驗衛星,是與奧地利科學(xué)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(gè)觀(guān)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(chuàng )造了量子密鑰傳輸距離的新紀錄,那么未來(lái)的衛星就能提供一個(gè)軌道平臺,建立起不可攻破的“量子互聯(lián)網(wǎng)”,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(shù)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(xué)干預手段越先進(jìn),侵入性就越低?,F在,麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)明了一種機器人,可以在胃里完成簡(jiǎn)單的手術(shù),且完全不需要切口或連接外部的纜線(xiàn)——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(huì )進(jìn)到胃里。冰膠囊融化后,機器人會(huì )像折紙一樣打開(kāi)。展開(kāi)后的機器人看起來(lái)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(chǎng)作用時(shí)會(huì )膨脹或收縮,進(jìn)而借此移動(dòng)。這種移動(dòng)方式類(lèi)似關(guān)節和肌肉的運動(dòng)方式。外科醫生通過(guò)外部電磁場(chǎng)影響機器人上的磁鐵,就可控制機器人的運動(dòng)。

機器人的主體由生物相容性材料制成——部分材料來(lái)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(chuàng )可貼那樣固定在傷口上。機器人還能用自帶的磁鐵“捕捉”并移除異物,比如誤吞的紐扣電池。

5.發(fā)現貧困地區的軟件

機器學(xué)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(lián)合國定下一個(gè)目標,希望在2030年前在世界范圍內消除極端貧困。這個(gè)目標很大膽。要實(shí)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(fā)戰亂的國家進(jìn)行經(jīng)濟調查既昂貴又危險。研究人員嘗試通過(guò)一種間接的辦法來(lái)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?!耙话銇?lái)說(shuō),晚上亮起來(lái)的地方經(jīng)濟狀況更好,”斯坦福大學(xué)地球科學(xué)系統助理教授馬紹爾·博克解釋說(shuō)。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(xué)習的方法來(lái)改進(jìn)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(lái)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(xué)會(huì )”把日間圖片的特征(道路、城市區域和農業(yè)用地)與不同水平的夜間亮度關(guān)聯(lián)起來(lái)?!袄靡归g的燈光,可以找出日間照片中有何重要特征,”博克說(shuō)。

當訓練結束后,博克的軟件可以?xún)H僅根據白天的衛星圖片發(fā)現貧困區域的位置。

6.會(huì )制冷的衣服

納米多孔纖維讓穿著(zhù)者感到?jīng)隹?,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(huì )排放溫室氣體。

崔屹是斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(huì )吸收身體發(fā)射出的紅外線(xiàn),從而鎖住熱量。崔屹和他的團隊發(fā)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(fā)出去。

與棉質(zhì)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(xué)》(Science)雜志上報告了這一發(fā)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(huì )感到?jīng)隹??!比绻谴鬅崽?,你可能還是想開(kāi)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(gè)罕見(jiàn)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(cháng)躲避人造藥物的攻擊,但它們面對罕見(jiàn)基因突變ISG15時(shí)卻很無(wú)力。帶有這個(gè)突變的人能更好地抵御大多數可以感染人類(lèi)的病毒——但每1000萬(wàn)人里只有不到1人攜帶這一突變。西奈山伊坎醫學(xué)院的杜贊·博古諾維奇認為,可以模擬這一突變來(lái)研發(fā)藥物。他有可能找到一種可以臨時(shí)對抗所有病毒的藥物,讓人不會(huì )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(guò)相同方式把ISG15突變作為目標?!爸灰陨哉{整一下我們的系統,就可以壓住感染的第一波爆發(fā),”他解釋道。博古諾維奇的團隊正從1600萬(wàn)種化合物中篩選有前景的抗病毒藥物。當他們發(fā)現候選化合物以后,就需要精細地調整化合物的化學(xué)性質(zhì),完成毒理學(xué)和動(dòng)物試驗,并最終進(jìn)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(huì )偶發(fā)癲癇,出現類(lèi)似紅斑狼瘡的自體免疫疾病癥狀。研究人員開(kāi)發(fā)的藥物需要避免出現副作用。

8.新算法讓計算機學(xué)會(huì )橫向思考

人工智能方法可以讓計算機在視覺(jué)模式識別方面勝過(guò)人類(lèi)。

如果有人給看你一個(gè)陌生字母表里的字母,再讓你把它寫(xiě)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(jìn)的深度學(xué)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(xué)習系統也需要用大量的數據進(jìn)行訓練。

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

貝葉斯規劃學(xué)習方法和深度學(xué)習有本質(zhì)上的差別。深度學(xué)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(xué)習的靈感來(lái)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(dòng)作。這種機器學(xué)習方法既全能又高效。

9.廉價(jià)診斷試紙

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

一個(gè)發(fā)著(zhù)高燒的病人來(lái)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(shí)間才能獲得結果。那么醫生該怎么辦呢?是開(kāi)抗生素處方還是要求隔離病人?

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

第一代診斷試紙一般只能發(fā)現入侵物產(chǎn)生的分子或致病微生物,從而檢測疾病。但接下來(lái)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(xué)的化學(xué)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(xué)家和材料科學(xué)家來(lái)說(shuō)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(lèi)半導體,大自然的配方往往存在局限。哥倫比亞大學(xué)化學(xué)系教授柯林·納科爾斯表示:“很多時(shí)候,你想要的是一種并不存在的原子?!庇盟^“超級原子”組成的超級分子可以滿(mǎn)足這個(gè)需要。超級原子是行為如同單個(gè)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(zhì)。雖然化學(xué)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(fā)現了一種方法,可以用超級原子來(lái)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(shí)材料科學(xué)家可以對這些特性進(jìn)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(xué)性質(zhì)或磁性,而單憑原子結構是做不到這一點(diǎn)的。這就像給元素周期表增加了一個(gè)維度?!?

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