2015年十大創新技術

2024-02-16 18:42:16

    《科學美國人》中文版《環球科學》近日遴選出2015年十大創新技術：用眼睛控制計算機、一滴樣品檢測出所有病毒、小型聚變反應堆……2015年依然不乏能夠改變世界的科技創新，它們不僅會改善人們的生活，還有望拯救身處危機中的地球。

    眼控機器：軟體把眼動轉換為設備的控制命令為癱瘓患者帶來希望

　很久以前，科學家就知道眼睛可以透露出人們的目標——他們想去哪裡，想幹什麼，想和誰接觸。英國倫敦帝國學院專攻神經技術的副教授奧爾多·費薩爾希望能用人的眼動來控制輪椅、計算機和電子。費薩爾和同事用電子遊戲攝像頭做了一副眼鏡，用來記錄用戶的眼動，並將眼動數據輸入計算機。計算機裡的軟體隨後會把數據轉換成機器命令。幾乎所有人都可以使用這一技術,而系統的搭建成本還不到50美元。在一次科學展覽上，數千名志願者試用了這一技術。大多數人在無須指導的情況下，只需要15秒就能熟練地用它玩桌球遊戲。

　費薩爾和同事利用70年來針對眼動的神經生物學研究，開發出了一套能把眼神轉換成控制輪椅的命令的算法，把眨眼轉換成滑鼠點擊，把瞳孔的快速移動轉換為遊戲手柄的搖動。為了預測使用者的意圖，這套算法需要用真實世界中的數據進行訓練，研究人員會收集到他們的眼動數據。通過不斷訓練，軟體系統就可以逐漸識別出用戶的意圖。（雷切爾·紐爾）

    微波火箭：微波束驅動的火箭可以讓人類以更低廉的成本進入太空

　人類搭載火箭進入太空已經有50多年了。在這50多年中，讓火箭到達預定軌道仍然需要極高的成本。火箭重量的90%是燃料和推進劑，留給貨物的空間很小。1924年，蘇聯科學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基提出了一種降低成本的方法，建議用地面信號發送器發出的微波束作為火箭升空的動力。齊奧爾科夫斯基建議，使用拋物面鏡將「短波電磁射線的平行光束」引導至火箭的腹部，加熱推進劑產生推力，而無須在火箭艙內攜帶大量燃料。這個創意一直無人問津。直到最近，技術的進步才終於跟上了齊奧爾科夫斯基的遠見。20世紀50年代，人們發明了微波激射，但直到更好更廉價的發生裝置——迴旋管出現後，才使微波激射器的發射功率達到太空發射所需的兆瓦級水平。

　目前，一家私營公司正在測試開發一套可反覆使用的微波動力系統，該系統能夠發射衛星，最終甚至可以用於載人航天。這引起了NASA的注意。2015年7月，NASA將微波火箭技術列入未來技術開發路線圖。（李·比林斯）

    可注射進腦部的柔軟電子探針：導電的高聚物網可以給大腦研究帶來新希望

　為了解開腦部之謎，科學家需要細緻而準確地監測活體動物大腦中的神經元。不過，大腦探針一般來說很粗笨。哈佛大學的化學家查爾斯·利伯領導的團隊希望用絲般柔軟的網狀高分子聚合物改進目前的研究方法。現在，研究人員已經在活體小鼠身上測試了他們的網狀聚合物，其中鑲嵌了電子傳感器。一旦研究確認了網狀聚合物的安全性，可以用於人類，研究單個神經元的活動如何產生認知，以及治療帕金森病等疾病。（賽思·弗萊徹）

    轉基因生物的毀滅開關：毀滅開關可以抵禦商業間諜並預防基因汙染

　全世界都在培養數目龐大的轉基因大腸桿菌，讓它們分泌有用的物質，比如醫用胰島素、塑料高聚物和食品添加劑。當這些轉基因細菌完成使命以後，會被作為工業廢物丟棄，或是被當成肥料使用。

　這種做法目前對環境造成的風險很小，因為轉基因大腸桿菌的生存能力比自然界的大腸桿菌弱，在實驗室外不會存活很長時間。但是，未來出現的轉基因細菌則有可能會出現在不應出現的地方並帶來風險。2009年，加利福尼亞大學舊金山分校的生物工程師布萊恩·卡裡安多開始研究，如何在轉基因生物逃逸或被偷竊時銷毀這些生物體內經過改造的DNA。最近，他了解到了一個叫作CRISPR的細菌防禦機制，細菌用它來切割和破壞入侵病毒的DNA。卡裡安多意識到，可以用CRISPR製作一種內置於轉基因細菌中的毀滅開關。卡裡安多對質粒（自動複製的微小環狀DNA）進行了改造，讓它們可以編碼一些RNA鹼基和酶，形成毀滅開關。然後，他把這些質粒注入轉基因大腸桿菌，然後給細菌裝上致命程序。一旦在轉基因大腸桿菌的培養基裡加入阿拉伯糖，毀滅開關就會打開，切割細菌經過改造的DNA。（珍妮弗·阿巴西）

    自己學習的機器:自我學習能力讓人工智慧變得更加聰明

　谷歌、臉書等商業巨頭正在開發可以自我學習的技術，並取得了諸多進展。他們的工作在很大程度上依賴一種叫深度學習的技術。

　深度學習網絡源於一個有著幾十年歷史的觀點：如果計算機運行的方式更接近人腦，就會變得更智能。這樣的深度學習網絡由多個相互連接的CPU層組成，這些CPU又叫人工神經元。每層人工神經元都會對輸入信息做出不同的處理，和傳統的神經網絡相比，深度學習神經網絡的層數要多得多。網絡的深度越大（也就是層數越多），它能提取的內容就越抽象。最近，深度學習開始在市場中獲得應用。一個例子是谷歌在2015年5月上線的Google Photos應用。事實上，這項技術標誌著我們朝著真正的人工智慧前進了一步，這樣的人工智慧將擁有幾乎與人類一樣的智能行為。2015年2月，DeepMind公司的一組人工智慧學家報告了他們的結果：他們用深度學習技術搭建了一臺可以自我訓練的計算機，可以玩一些簡單的電子遊戲，並擊敗人類高手玩家。（加裡·斯蒂克斯）

    讓視線轉個彎:彈射的光子可以讓攝像頭看到視線外的物體

　如果攝像頭可以看到拐角另一邊的情況，就能警告司機拐彎處隱藏的危險，幫助消防隊員搜索著火的大樓，還能讓外科醫生看到體內難以抵達的部位。幾年前，麻省理工學院媒體實驗室的研究人員發明了這樣的攝像頭，但那只是一個昂貴的早期原型產品。這款設備用雷射脈衝把光通過牆或門彈射到隔壁房間的靜態物體上，一個價值50萬美元的攝像頭隨後會捕捉反射回的光，最後一個程序會記錄下單個光子的到達時間，計算出距離，重構出看不見的物體。在那以後，麻省理工學院的研究團隊大幅改進了這一技術，現在已經可以拍到在視線外移動的物體，而且還用一個發光二極體和100美元的微軟Kinect傳感器取代了雷射器和50萬美元的攝像頭。（拉裡·格林邁耶）

   迅捷排查病毒:新方法可以鑑定出樣本中的每一種病毒，準確度近乎完美

    當醫生想鑑定導致感染的病毒時，他們通常會使用聚合酶鏈式反應對零散的DNA片段進行「擴增」，以得到足夠多的測試樣本。不過，醫生必須知道待測病毒的種類，這意味著需要猜測。2015年9月，哥倫比亞大學的科研團隊描述了一種可以不靠猜測的新方法。這種技術有個拗口的名字：針對脊椎動物病毒的病毒組捕捉測序平臺。它可以在一滴唾液、一滴脊髓液或是一小塊組織中找到所有的病毒，準確度近乎完美。這種方法可以在48小時內同時分析21個樣本，每個樣本的分析成本約為200美元。它還能發現新病毒或突變的病毒，只要這些病毒和已知病毒的相似度不低於40%。團隊首先搭建了一個內含1000多種脊椎動物病毒的資料庫，然後合成了與所有病毒的所有毒株相匹配的基因探針。他們一共合成了200萬種基因探針（一段25至50納米長的DNA片段），當探針遇到了匹配的病毒時，就會與之結合。為了把病毒分離出來，研究人員向樣本中添加了直徑為1至3微米的磁珠。通過一種化學連接劑，磁珠、探針和捕捉到的病毒會吸附在一起。然後，裝有磁珠、探針和病毒的試管會被放在磁力架上，磁珠會因磁力而附著在試管壁上。研究人員分離並清洗完帶有探針和病毒的磁珠後，他們會對病毒進行基因測序，排除假陽性的幹擾。（雷切爾·紐爾)

    小型聚變反應堆:數十年的緩慢發展和大規模投資後，聚變反應堆研究者正在改變策略

　當兩種元素結合或者說「融合」在一起時就會發生聚變，生成一種新的元素，並將物質轉化為能量，太陽的能量就是這樣產生的。正在法國建造的國際熱核聚變實驗堆（ITER）是7個國家的合作項目。這個託卡馬克反應堆耗資210億美元，利用超導磁體使等離子達到足夠高的溫度和密度來實現聚變反應。ITER建造完成後，總重量將達到23000噸。ITER的主要競爭對手——國家點火裝置（NIF）的構成也很複雜：它會向燃料芯塊發射192道雷射，使其溫度達到5000攝氏度，壓強達到1500億個大氣壓。儘管如此，要在此基礎上建成實用的聚變核電站仍然需要幾十年。新一批研究人員正在尋求不同的策略：縮小規模。2015年，美國高級能源研究計劃局（ARPA-E）通過名為低成本等離子加熱和裝配促進項目向9個旨在建設廉價反應堆的小型項目投資3000萬美元。此外，通用聚變公司建造了一臺利用在液態金屬內傳播的衝擊波來引發聚變的設備；「三阿爾法能源」公司正在建造對撞束聚變反應堆；軍火巨頭洛克希德·馬丁公司也宣稱正在開發一座貨櫃大小的磁約束聚變反應堆。無論哪種方法能成功輸出清潔充足的電力且不產生放射性廢物，那麼僅憑這一項創新，就能解決從能源緊缺到氣候變化等一系列問題。（戴維·別洛）

    高效吸熱裝置:多用途鏡面能吸收熱量，將熱量傳導至外太空

　在日益變暖的世界裡，降低能耗是個重要問題。史丹福大學的研究人員表示，有一種材料可以吸收曝曬於太陽下的建築物的熱量，將熱量輻射至外太空，這有望為降溫問題貢獻一部分力量。輻射冷卻的概念起源於20世紀80年代，當時的一些工程師發現，刷上漆的金屬屋頂可以吸收建築物的熱量，將熱量轉化為可以穿透地球大氣層的輻射。但在當時沒人能夠造出一種既能輻射熱能量，又能反射陽光的材料。史丹福大學的團隊製造了一臺相當於高效鏡面的裝置，這種以銀、鈦、矽為基材，上面覆蓋數層二氧化鉿和二氧化矽的材料能夠反射97%的陽光。二氧化矽中原子的作用就像微型天線，能吸收面板一側空氣中的熱量，並從另一側發出熱輻射。該材料發出的熱輻射波長主要集中在8至13納米之間，能夠完全暢通無阻地穿過地球的大氣層，所以不會使建築物附近的空氣溫度上升，熱量會散發至太空。即便在陽光直射之下，直徑20釐米的冷卻板的溫度也要比空氣溫度低5攝氏度。

    拍攝化學反應的慢鏡頭攝像機:紅外光譜學和計算機模擬可以揭示溶劑—溶液反應的秘密

　在細胞內環境的液體中，氫鍵可以把DNA的鹼基對連在一起。在我們的星球上，很多化學反應發生在海洋等水體中。大部分藥物也是在溶劑中合成的。然而，化學家一般只能在氣態環境中才能深入到單個化學鍵來研究化學反應的機制。在液體裡，分子更多，它們之間發生的碰撞也更頻繁，所以反應發生得更快、更雜亂，也更複雜。你試圖觀測的化學過程很像是連續的糨糊——除非你能為反應拍攝一些「曝光時間」僅萬億分之一秒的照片。

　英國布裡斯託大學的安德魯·奧爾-尤因用雷射研究化學反應。液體中受到熱催化的反應能產生可觀測的紅外光譜。在2012年到2014年間，奧爾-尤因的團隊用紫外超短脈衝雷射照射乙腈溶劑中的二氟化氙分子。雷射脈衝就像手術刀，可以削掉反應活性極高的氟原子。氟原子可以從溶劑分子中「偷」出氘原子，形成氟化氘。他們用標準的紅外光譜學技術，在第一個雷射脈衝後觀察紅外振蕩出現和消失的速度，這代表了原子間化學鍵形成的速度和反應到達平衡的速度。

    這些實驗證實，在液體中觀測1皮秒內的化學反應細節是可行的。然而，大多數化學家沒有使用昂貴的雷射和探測器，而是用計算機模擬的方法對化學反應進行觀察和改進。奧爾-尤因在布裡斯託大學的同事戴維·格洛瓦茨基和傑瑞米·哈維編寫了一套模擬軟體，可以預測奧爾-尤因的光譜學實驗結果，準確度很高。