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人们可以轻松通过可穿戴设备持续监测自己的心
急速飞驰 2019-09-24

  日前,著名科普杂志《科学美国人》公布了2019年十大突破性技术榜单。榜上有名的既有“高深莫测”的新型核反应堆和DNA存储,也有“平易近人”的新型肥料和食品包装。科技日报记者梳理后发现,这十大技术可分为清洁环境、革新能源、促进健康、便捷生活与颠覆创新五个大类。

  塑料垃圾不仅能在环境中存在数百年,还会释放有毒化合物。之前以玉米、甘蔗或废油脂为原料生产的可生物降解塑料,性能难以与普通塑料相比。现在,英国伦敦帝国理工学院、芬兰梅特根生物技术公司等正在研究使用低成本离子溶剂和生物酶处理纤维素或木质素,生产新型可生物降解塑料,有望助力解决塑料垃圾问题。

  农用肥料中的氮会在大气中形成温室气体,磷则进入河流,引发藻类等生物过度生长。海法集团和ICL特种肥料等公司利用先进的材料和制造技术,改进胶囊类缓释肥料外壳,使其成为“智能肥料”,能根据土壤温度、酸度或养分改变释放率。相比需要人工智能、数据分析和大量传感器的所谓“精确农业”,这种方式更易推广。

  现有的商业核反应堆使用的几乎都是将铀芯堆积在锆合金内的核燃料棒。如果锆过热,它会与水反应产生氢气并爆炸,这一问题导致了美国三岛和日本福岛的核事故。正在研制的“第四代”核反应堆将用液态钠或熔盐代替水来传递热量,避免产生氢气。美国则提出建设小型模块化反应堆以提高安全性。新型燃料和小型模块化反应堆有望带来核电复兴。

  风能和太阳能是主要的可再生能源,但需要大规模的储能技术存储“备用能量”,以便在晚上或无风的时候使用。之前,抽水蓄能和锂电池是主要的储能方式,分别存在成本高和储能时间短的缺点。美、韩、中、日等国正在研制大型流电池和氢燃料电池,有望解决上述问题。

  治疗癌症和阿尔茨海默氏症的新靶点、先进的食品跟踪和包装技术能使人类更健康。

  近年来,科学家发现了一种名为“本质无序蛋白”(IDP)的特殊蛋白质,一旦其不能正常工作,就会导致癌症或神经退行性疾病。随着科学家对IDP的研究愈发深入,工业界开始关注以IDP为靶点的治疗方法。IDP、Graffinity、Cantabio等制药公司都在研究相关药物,为治疗癌症、阿尔茨海默氏症等疾病带来新的手段。

  据世界卫生组织统计,全球每年约有6亿人食物中毒,其中42万人死亡。新技术能够有效缓解这一问题。IBM公司基于区块链技术的云平台IBM Food Trust能够帮助食品行业快速溯源有毒食品,而TimeStrip UK和Vitsab International等企业研制的带有传感器的食物标签,能够帮助人们确定食品是否在适当的温度下储存和是否开始变质。

  人工智能技术使工程师能够将心理和神经科学转化为算法,让机器人能够识别声音、手势、眼神和情绪等以适应人们的需要。Softbank Robotics开发的人形机器人Pepper足以识别人脸和基本情感,并通过“胸部”的触摸屏对话,已经用来提供酒店登记、机场客户服务,担当购物助理等。此外,越来越智能的治疗机器人和玩具机器人,对老年人和孩子也很有吸引力。

  远程协同呈现技术能够使不同地点的人克服空间的隔阂近距离接触。增强现实(AR)、虚拟现实(VR)及5G通信技术的发展使之成为可能。“X大奖”基金会已经发起了1000万美元的“ANA阿凡达”大奖赛,旨在“将人的感觉、行动和存在实时传送到一个遥远的位置,从而带来一个更为紧密的世界”。微软等公司也在进行相关研究。未来3—5年内,远程协同呈现技术将迎来突破。

  以金属为材料的微型透镜和以DNA为载体的数据存储技术是榜单中最具颠覆性的技术创新。

  一想到镜头材料,人们最先想到的就是玻璃,谁能想到金属?但传统的玻璃切割和玻璃弯曲技术很难制造出微型透镜,这限制了光学产品的小型化。现在,科学家使用金属替代玻璃制造透镜,并且发现金属透镜无需分层就能消除色差,在解决散光等导致图像失真和模糊的像差问题上也有所突破。金属透镜使设计、制造微型光学器件成为可能。

  人类正面临严重的数据存储问题。到2020年,全球每年需要4180亿个1TB容量的硬盘才能容纳全部数据。相比之下,一个边长约1米的DNA立方体就足以容纳等量数据。事实上,DNA数据存储技术并不遥远。2017年,哈佛大学的研究人员将一只手的图像记录到了大肠杆菌的基因组中。华盛顿大学和微软研究院的研究人员已经开发出一个完全自动化的系统,用于编写、存储和读取DNA编码的数据。

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  重大意义:机器正在通过自我学习学会应对这个现实世界。如果机器人能学会应对混乱的现实世界,那么它们就可以胜任更多的任务。

  主要研究者:OpenAI(人工智能非营利组织)、卡内基梅隆大学、密歇根大学、加州大学伯克利分校

  尽管人们一直在讨论机器取代人类工作的话题,但目前工业机器人仍然表现得较为笨拙且灵活性欠佳。

  虽然机器人可以在装配线上不厌其烦地重复着同一个动作,同时还能保持超高的精度,但哪怕目标物体被稍微移动了一点,或将其替换成不同的零件,机器人的抓取过程就会变得十分笨拙甚至是直接抓空。

  如今,虽然我们还无法让机器人做到和人一样,在看到物体后就明白如何将其拿起,但现在它可以通过在虚拟空间里进行反复的试验,最终自主学会处理眼前的物体。

  位于旧金山的非盈利组织 OpenAI(人工智能非营利组织)就推出了这样一套 AI 系统 Dactyl,并已成功操控一个机器手让其灵活地翻转一块积木。

  这套神经网络软件能够通过强化学习,让机器人在模拟的环境中学会抓取并转动积木后,再让机器手进行实际操作。

  这套软件开始时会进行随机的尝试,并在不断地接近最终目标的过程中逐渐加强网络内部的连接。

  通常我们无法让机器人将模拟练习中获得的知识应用到现实环境里,因为我们很难模拟出像摩擦力或是材料的不同性质这样的复杂变量。

  而 OpenAI(人工智能非营利组织)团队则通过在虚拟训练中引入随机性来克服了这个问题。

  但如果研究人员能够很好地利用这种学习方法,未来的机器人将有望能够学会组装电子产品、将餐具摆入洗碗机里、甚至是能够将卧床的人从床上扶起。

  重大意义:先进的核聚变和核裂变反应堆正在走进现实。在减少碳排放和限制气候变化的努力方面,核能的作用似乎正变得越来越不可或缺。

  成熟期:新型核裂变反应堆到 2020 年代中期有望实现大规模应用;核聚变反应堆仍需至少十年时间。

  颠覆了传统设计的第四代核裂变反应堆、小型模块化反应堆,以及似乎永远也无法实现的核聚变反应堆。

  第四代核裂变反应堆的开发者,比如加拿大的 Terrestrial Energy 和总部位于华盛顿的泰拉能源(Terra Power),已经开始与电力公司建立研发合作关系,力争在 2020 年代之前实现并网发电(这个估计可能有些乐观)。

  小型模块化反应堆可以产生的电力,通常为数十兆瓦(相比之下,传统核反应堆可以产生约 1000 兆瓦的电力)。

  像俄勒冈州的 NuScale 这样的公司表示,小型化的反应堆可以节约资金成本,并降低环境和金融风险。

  虽然没人指望可控核聚变技术会在 2030 年以前实现交付,但像 General Fusion 和 Commonwealth Fusion Systems 这样的来自麻省理工学院的初创企业,正在取得一些积极进展。

  许多人认为可控核聚变只是黄粱美梦,然而,由于核聚变反应堆不会出现堆芯熔毁,也不会产生衰变期长、放射性高的核废料,它所可能会面临的公众抵制应该会比常规核反应堆少很多。(比尔·盖茨是泰拉能源和 Commonwealth Fusion Systems 的投资方。)

  重大意义:每年有 1500 万婴儿过早出生,这是 5 岁以下儿童死亡的主要原因

  我们的遗传物质主要存在于细胞内,但是少量的“无细胞”DNA 和 RNA(核糖核酸)也漂浮在我们的血液中,通常由垂死细胞释放。

  斯坦福大学的生物工程师 Stephen Quake 已经找到了一种方法来解决医学界最棘手的问题之一:大约十分之一的婴儿过早出生。

  自由漂浮的 DNA(脱氧核糖核酸)和 RNA(核糖核酸)携带者以前需要侵入性细胞抓取细胞的信息,例如对肿瘤进行活组织检查或刺破孕妇的腹部进行羊膜穿刺术。

  在过去几年中,研究人员开始通过从血液中检测肿瘤细胞的 DNA,以及通过血液检测对孕妇进行唐氏综合症等疾病的产前筛查。

  另一方面,RNA(核糖核酸)是调节基因表达的分子物质,能够决定从基因中产生多少蛋白质。

  通过对母亲血液中的自由漂浮的 RNA 进行测序,Quake 筛选出与早产有关的七种基因表达的波动。这让他可以识别可能过早分娩的女性。

  Quake 说,血液检测所运用的技术,快速,简便,每次测量不到 10 美元。

  重大意义:一种小型的、可吞咽的设备,不使用麻醉也可以捕捉到肠道的详细图像,甚至在婴儿和儿童体内也可以。这一设备使肠道疾病的探测和研究变得更为容易,其中包括使贫困地区的数百万儿童发育不良的一种疾病。

  以肠道发炎、肠道泄露和营养吸收不良为特征,这一疾病在贫穷国家广泛传播,这也是这些地区许多人营养不良、发育迟缓、未能达到正常身高的原因之一。

  没有人知道引起环境性肠功能障碍的具体原因是什么,也没有人知道怎样预防或治疗这一疾病。

  在婴儿中已经有了治疗方法,但诊断和研究这些幼儿肠道疾病通常需要麻醉,并将一个称为内窥镜的管子插入喉咙。

  因此,麻省总医院(MGH)的病理学家和工程师 Guillermo Tearney 研发了一种小型设备,这种设备能够检测 EED 的表现症状,甚至可以进行组织活检。

  Tearney 的可吞咽胶囊显微镜附在可弯曲的线型导管上,被连接到一种叫做光学相干断层成像系统( OCT )的设备上。

  在病人将胶囊吞咽后,医疗人员在将纤维胶囊拉回的过程中,能够无死角对整个消化道做纤维断层扫描。

  这种胶囊在消毒后可以重复利用(这听起来有点令人不适,但是 Tearney 的团队已经研发出一种技术,据他们说,这种技术不会造成不适)。

  它还带有以单细胞分辨率拍摄消化道表面的技术,以及捕捉几毫米深度的三维横截面的技术。

  这项技术有几种应用;在麻省总医院, 它被用来检测巴雷特食管,一种食管癌的前身。

  关于环境性肠功能障碍,Tearney 的团队研发出了一种更小的版本,可以给不能吞咽药丸的婴儿使用。

  这已经在盛行这种疾病的巴基斯坦地区的青少年身上验证过了,此外,计划在 2019 年进行婴儿试验。

  这一小型探测仪将帮助研究者们回答关于环境性肠功能障碍进展的相关问题——例如它会影响什么细胞和是否有细菌涉及其中——并评估干预手段和潜在疗法。

  重大意义:通过识别各肿瘤的特异性突变,激发人体的天然防御能力,从而对癌细胞进行针对性破坏。传统化学疗法对健康细胞有很大影响,而且对肿瘤的治疗效果并不总是理想。

  如果其效果真如预期的话,该疫苗就的确能够通过肿瘤独特的突变触发人体免疫系统对其进行识别,从而有效地阻止多种癌症的发生。

  更重要的是,与传统化学疗法不同,疫苗是通过使用人体的天然防御系统来选择性地破坏肿瘤细胞的,对健康细胞的损害较有限。

  在人类基因组计划完成五年后的 2008 年,当遗传学家公布了癌细胞的第一个序列时,这种疫苗的诞生就不再是天方夜谭了。

  此后不久,研究人员开始将癌细胞的 DNA 与健康细胞和其他肿瘤细胞三者的 DNA 进行比较。

  研究证实,所有这些癌细胞都含有数百个甚至数千个特定的突变,其中大多数是这些肿瘤各自特有的。

  几年后,一家名为 BioNTech 的德国初创公司提供了令人信服的证据,证明含有这些突变拷贝的疫苗可以催化机体的免疫系统产生 T 细胞,从而做好发现、攻击和摧毁所有含有这些突变癌细胞的准备。

  目前正在进行的试验针对至少 10 种实体癌症,目标是在全球各地招募 560 名以上的志愿者。

  目前,这两家公司正在设计新的生产技术,以期能廉价快速地生产数千种私人订制疫苗。

  但这会是块“硬骨头”,因为制造疫苗需要对病人的肿瘤进行活检,对其 DNA 进行测序和分析,并将这些信息迅速传递到生产现场。

  重大意义:实验室培育的人造肉和植物制成的素肉,能在不破坏环境的情况下接近真实肉类的味道和营养价值。人造肉的出现,可以缓解畜牧业生产造成的毁灭性的森林砍伐、水污染和温室气体排放。

  成熟期:目前已经有成形的植物性素肉;2020年左右可研制成功实验室人造肉。

  根据联合国的预测,世界人口数量将在 2050 年达到 98 亿,人口富裕水平也会上升。

  但这于对气候变化来说可不是什么好事——人类一旦脱贫致富,就往往要吃掉更多肉。

  根据动物种类的不同,以西方工业化方法生产一磅肉类蛋白要比生产等量植物蛋白多用 4 到 25 倍的水,6 到 17 倍的土地,6 到 20 倍的化石燃料。

  也就是说,实验室培养的人造肉和植物制成的素肉可能是抑制环境恶化的最好办法。

  实验室人造肉的过程,是从动物身上提取肌肉组织,然后放入生物反应器进行培育。

  世界经济论坛最近的一份报告说,生产实验室人造肉的温室气体排放量也只比生产牛肉生产少大概 7%。

  对环境更友好的肉类替代品,就是 Beyond Meat 和 Impossible Foods(比尔·盖茨投资了这两家美国人造肉初创企业)等公司研发的植物制成的“素肉”。

  Beyond Meat 公司在加州新开了一家占地 26000 平方英尺(约 2400 平方米)的工厂,已经在 3 万家商店和餐馆售出了超过 2500 万个汉堡。

  密歇根大学可持续系统中心分析显示,Beyond Meat 制作汉堡产生的温室气体可能比传统牛肉汉堡少 90%。

  重大意义:实用且经济地从空气中直接捕获二氧化碳的方法,可以吸走超量排放的温室气体。从大气中去除CO2可能是阻止灾难性的气候变化最后的可行方法之一。

  即使我们降低目前的二氧化碳排放速度,温室气体造成的变暖效应依然会持续数千年之久。

  去年夏天,哈佛大学气候科学家大卫·凯斯(David Keith)计算之后惊喜地发现,一种叫做直接空气捕获(Direct Air Capture,DAC)的方法,理论上可以将机器捕集二氧化碳的成本降低到每吨 100 美元以下。

  先前估计的成本要比这个数字高出一个数量级,因而许多科学家曾认为这项技术太过昂贵,不具备可行性。

  不过,直接空气捕获仍需至少数年的时间,才有可能将成本降低到接近 100 美元的范围。

  由凯斯在 2009 年参与共同创办的加拿大初创企业碳工程公司(Carbon Engineering),计划扩大其试验工厂的规模,来提高合成燃料的产量。

  这种合成燃料的关键原料之一,就是所捕获的二氧化碳(比尔·盖茨是碳工程公司的投资方)。

  直接从大气中吸取二氧化碳,是一种高难度的应对气候变化的方法,但我们已经没有多少选择了。

  总部位于苏黎世的 Climeworks 在意大利的直接空气捕获工厂,将利用捕集到的二氧化碳和氢气一起生产甲烷,而他们位于瑞士的第二家工厂则会把二氧化碳出售给汽水企业。

  纽约的 Global Thermostat 也是如此,该公司于去年在阿拉巴马州完成了第一家商业化碳捕集工厂的建设。

  不过,澳门永利娱乐如果二氧化碳被用于合成燃料或生产汽水,那么它们中的大部分最后还是会回到大气中去。我们的终极目标,是实现温室气体的永久封存。

  其中的一些会被封存在类似于碳纤维、聚合物或混凝土这样的产品中去,但更多的需要深埋于地下。目前还没有可行的商业模式来支持这项成本高昂的工作。

  事实上,从工程学的角度来看,从空气中吸取 CO2 是应对气候变化最困难、也是最昂贵的方法之一。

  重大意义:随着监管机构的批准和相关技术的进步,人们可以轻松通过可穿戴设备持续监测自己的心脏健康。可检测心电图的智能手表可以预警如心房颤动等潜在的危及生命的心脏疾病。

  健康监测装置并不是真正的医疗设备,剧烈的运动或表带没系紧都会干扰传感器读取脉搏。

  而心电图则是在病人中风或心脏病发作之前,医生就可以用其来诊断心脏异常,但需要去正规诊所才能检查,因此人们经常不能及时就诊。

  随着监管部门新法规的出台和软、硬件的相关创新,心电监测智能手表已经问世,它具有可穿戴设备的便利性,并且能够提供接近医疗设备的精度。

  硅谷初创公司 AliveCor 推出了一款与苹果手表兼容的腕带,该腕带可以检测出心房颤动,这是导致血栓和中风的常见原因。

  去年,苹果发布了带有心电图(ECG)功能的Apple Watch,并且该功能已经通过 FDA 认证。

  随后,健康设备公司 Withings 也宣布计划发布一款配有心电图功能的手表。

  去年秋天,AliveCor 就一款应用程序和双传感器系统向美国心脏协会(American Heart Association)提交了初步审查,据称该系统可以检测到某种类型的心脏病。

  重大意义:节能厕所可以在没有下水道系统的情况下使用,并且可以就地分解粪便。23亿人缺乏安全的卫生设施,并许多人因此死亡

  主要研究者:杜克大学、南佛罗里达大学、Biomass Controls、加州理工学院

  全球大约有 23 亿人没有良好的卫生条件。由于缺乏卫生的厕所,人们将粪便倾倒在附近的池塘和溪流中,这会传播细菌、病毒和寄生虫,从而导致腹泻和霍乱。

  现在,研究人员正在努力开发一种新型厕所,这种厕所对发展中国家来说也足够便宜,不仅可以处理粪便,还可以对其进行分解。

  自从挑战开始以来,有几个团队已经将设计的厕所原型投入使用。所有的粪便都是就地处理的,不需要用大量的水把它们送到遥远的处理厂。

  大多数的厕所原型都是独立的,不需要下水道,但他们看起来像传统的厕所,装在一个小隔间里并且有马桶。

  由南佛罗里达大学设计的 NEW generator 马桶用一种厌氧膜过滤污染物,这种厌氧膜的孔径比细菌和病毒都小。

  另一个来自康涅狄格州 Biomass Controls 的项目则像是一个海运集装箱大小的炼油厂,它能加热粪便,使其转化成一种富含碳的物质,用作土壤肥料。

  例如,Biomass Controls 的产品每天能为成千上万的用户提供方便,因此它不太适合较小的村庄。

  建造一两个原型厕所非常棒,但要真正让技术影响世界,唯一的办法就是让这些设备进行大规模生产。

  重大意义:捕捉单词之间语义关系的新技术正在使机器更好地理解自然语言。人工智能助手现在可以执行基于对话的任务,如预订餐厅或协调行李托运,而不仅仅是服从简单命令。

  我们已经习惯了人工智能助手——Alexa 在客厅里播放音乐,Siri 在你的手机上为你定闹钟——但它们并没有真正做到所谓的智能。

  它们本应简化我们的生活,但却收效甚微——它们只识别很小范围的指令,稍遇偏差就很容易出错。

  2018 年 6 月,OpenAI 的研究人员开发了一种技术,可以在未标记的文本上训练人工智能,以减少人工对数据进行分类标记时花费的成本和时间。

  该系统在研究了数百万个句子后学会了如何预测漏掉的单词。在一个多项选择测试中,它在填空方面的表现和人类一样好。

  这些改进加上更好的语音合成系统,让我们从简单的向人工智能助手下指令转向与它们交谈。

  这样的人工智能助手已经面世,如谷歌助手的逆天升级版谷歌 Duplex,可以帮你接听电话,甚至过滤掉垃圾邮件及电话推销。它还可以打电话帮你预约餐厅或沙龙。

  在中国,消费者正在习惯阿里巴巴的 AliMe,AliMe 通过电话协调包裹递送,还可以与顾客讨价还价。

  一旦我们解决了这个难题,我们也许会看到人工智能的另一种进化:从物流协调员到保姆、老师,甚至朋友。

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