盘点2016年十大创新技术

2019-11-30 15:06

  改变世界这个词已经被用滥了,但对晶体管、万维网和手机这类发明,要形容其撼动世界历史的影响力,还有别的合适词语吗?的确有一些创新改变了历史的方向。

图为人类身穿会制冷的衣服

  本文介绍的碳呼吸电池、手术机器人、量子卫星和另外7种创新能否产生相似的效果呢?现在下结论还为时尚早。大多数创新方案最终都失败了,最伟大的创意往往也伴随着最高的风险。但一个创意从引人发笑到变成大势所趋,往往用不了多长时间。

图为量子卫星

1.碳呼吸电池

  电化学电池能够吸收大气中的碳,将其转化为电能。

  单单削减温室气体排量已经不足以阻止全球变暖。现在,我们必须将大气中已经存在的二氧化碳清除一部分。好消息是,做这件事的方法有很多;坏消息是,这些方法基本上都需要消耗大量能源。

  理想的碳封存技术可以产生电能,而不是消耗能量。在2016年7月发表于《科学进展》上的一篇论文中,美国康奈尔大学的研究人员瓦迪阿尔萨达特和林登阿彻描述了一种能捕捉二氧化碳的电化学电池的设计方案。

  电池的阴极材料采用的是铝,这种金属成本低、储量大、易于加工。阳极由多孔碳构成,研究人员向其中注入氧气和二氧化碳的混合物。铝、氧气和二氧化碳在电池内部发生反应,产生电能并生成草酸铝。萨达特和阿彻表示,在一个1.4伏电池的生命周期中,电池所吸收的碳是制造电池时所释放的碳的2.5倍。

  阿彻表示,要想把这个设计转化为实用的技术,他和同事还有很长的路要走。首先,他们需要证明该技术的成本效益足够高,并且规模可以扩展。阿彻预计,如果他们能成功实现这样的转化,将来这种电池会配备在发电站和汽车排气管上。

  2.全新的抗生素

  设计新型化合物的方法可用来对抗耐药菌。

  很难想象一个没有抗生素的世界是什么样的,不过因为大规模滥用抗生素,我们正走近这样的世界。美国国家疾病预防与控制中心表示,仅在美国,每年就有超过23000人因感染抗生素无法对付的病菌而死亡。英国政府资助的一项研究估计,到2050年,全世界每年会有1000万人死于耐药菌。科学家正苦苦寻找能杀死超级病菌的新药,例如大环内酯类抗生素。

  迈尔斯和他的团队找到了合成大环内酯的方法。为了合成这种化合物,研究人员把大环内酯的结构分解成8个基本模块,然后以新的形式把它们组合起来,利用不同的组合方式调节其化学性质。迈尔斯团队在2016年5月发表于《自然》杂志(Nature)的论文中表示,他们已经合成了超过300种新型化合物。研究人员使用了14种致病细菌进行实验,发现大多数化合物可以抑制细菌,而且有很多可以杀死耐药菌株。

  3.量子卫星

  量子密钥的天基传输可能会让不可攻破的互联网变为现实。

  要建立绝对安全的加密方法,并不需要比铅笔和纸更高级的技术:只要选择一串随机的字符和数字,用作加密信息的密钥。把这个密钥写在纸上,用一次之后把纸烧掉就行。关键是要确保没有人能拦截或篡改密钥。而在互联网上,窃取或篡改密钥的事情一直没断过。量子密钥分发可以解决这个问题,该方法会从纠缠光子中生成一个一次性密钥。量子密钥分发的问题是,没人知道如何长距离传输纠缠光子。然而今年8月,中国科学院成功将世界第一颗量子卫星送入轨道,为解决这个问题迈进了一大步。

  中国科学院的项目名为量子科学实验卫星,是与奥地利科学院合作的项目。该项目利用卫星向中国境内相距1200千米的两个观测站传输量子密钥,这一距离是目前最远传输纪录的8倍。如果中国研究人员创造了量子密钥传输距离的新纪录,那么未来的卫星就能提供一个轨道平台,建立起不可攻破的量子互联网,物理定律可以确保加密数据包的绝对安全。

  4.替代外科手术的微型机器人

  远程控制的微型机器人可以在体内完成治疗。

  医学干预手段越先进,侵入性就越低。现在,麻省理工学院的研究人员发明了一种机器人,可以在胃里完成简单的手术,且完全不需要切口或连接外部的缆线病人只需把机器人吞下去就行。

  这种微型机器人包裹在用冰做成的口服含片里,被人服下后会进到胃里。冰胶囊融化后,机器人会像折纸一样打开。展开后的机器人看起来像一张有皱褶的纸,材料上的皱褶、缝隙和补丁的位置都是精心设计好的,它们遇热或受磁场作用时会膨胀或收缩,进而借此移动。这种移动方式类似关节和肌肉的运动方式。外科医生通过外部电磁场影响机器人上的磁铁,就可控制机器人的运动。

  机器人的主体由生物相容性材料制成部分材料来自猪的小肠,也是香肠肠衣的材料。这些材料可以向体内伤口给药或是像创可贴那样固定在伤口上。机器人还能用自带的磁铁捕捉并移除异物,比如误吞的纽扣电池。

  5.发现贫困地区的软件

  机器学习软件可以分析卫星图片,找到需要帮助的偏远贫困地区。

  2015年,联合国定下一个目标,希望在2030年前在世界范围内消除极端贫困。这个目标很大胆。要实现目标,第一步就是找到最穷的人都在哪里,而这一步的难度就非常大。在贫困和易发战乱的国家进行经济调查既昂贵又危险。研究人员尝试通过一种间接的办法来解决这一难题:他们在夜间的人造卫星照片中寻找特别暗的区域。一般来说,晚上亮起来的地方经济状况更好,斯坦福大学地球科学系统助理教授马绍尔博克解释说。但这种方法有缺陷,尤其是在区分贫困程度方面。在晚上,从太空中看,轻度贫困和极端贫困的地方是一样的,都是漆黑一片。

  博克和他在斯坦福的团队认为,可以用机器学习的方法来改进人造卫星成像研究。研究人员利用非洲五国的日间和夜间卫星图像来训练图片分析软件。在综合了日间和夜间的图片数据后,计算机学会把日间图片的特征(道路、城市区域和农业用地)与不同水平的夜间亮度关联起来。利用夜间的灯光,可以找出日间照片中有何重要特征,博克说。

  当训练结束后,博克的软件可以仅仅根据白天的卫星图片发现贫困区域的位置。

  6.会制冷的衣服

  纳米多孔纤维让穿着者感到凉快,这可以降低对空调的需求。

  地球变得越热,把空调温度调得更低的人就越多。但是空调制冷需要能源,而获取能源会排放温室气体。

  崔屹是斯坦福大学材料科学与工程学教授,他想用衣服帮助人们解暑降温。即便是最轻薄的棉纤维衣物也会吸收身体发射出的红外线,从而锁住热量。崔屹和他的团队发现,一种用于制造锂离子电池的纳米多孔聚乙烯材料(nanoPE),可以让这些辐射散发出去。

  与棉质衣服相比,nanoPE可以让模拟的人体皮肤多降温2摄氏度。崔屹团队于2016年9月在《科学》(Science)杂志上报告了这一发现。崔屹表示:如果你穿上nanoPE的衣服,只要外部温度比你的体温稍低,你就会感到凉快。如果是大热天,你可能还是想开空调,但可以把温度调高一些。有研究显示,只要把空调温度调高几度,就能让能耗降低近一半。

  7.抗病毒终极方案

  一个罕见的遗传突变也许可以催生出能对抗所有病毒的药物。

  众所周知,病毒很擅长躲避人造药物的攻击,但它们面对罕见基因突变ISG15时却很无力。带有这个突变的人能更好地抵御大多数可以感染人类的病毒但每1000万人里只有不到1人携带这一突变。西奈山伊坎医学院的杜赞博古诺维奇认为,可以模拟这一突变来研发药物。他有可能找到一种可以临时对抗所有病毒的药物,让人不会因感染病毒而生病。

  博古诺维奇希望找到一种药物,可以通过相同方式把ISG15突变作为目标。只要稍稍调整一下我们的系统,就可以压住感染的第一波爆发,他解释道。博古诺维奇的团队正从1600万种化合物中筛选有前景的抗病毒药物。当他们发现候选化合物以后,就需要精细地调整化合物的化学性质,完成毒理学和动物试验,并最终进行人体临床试验。这项研究并不是必定能获得成功的。有些携带ISG15突变的人会偶发癫痫,出现类似红斑狼疮的自体免疫疾病症状。研究人员开发的药物需要避免出现副作用。

  8.新算法让计算机学会横向思考

  人工智能方法可以让计算机在视觉模式识别方面胜过人类。

  如果有人给看你一个陌生字母表里的字母,再让你把它写到一张纸上,也许你能做到,但计算机却做不到即使它有最先进的深度学习算法也不行。哪怕只是做一些基本的图片区分工作,机器学习系统也需要用大量的数据进行训练。

  借助贝叶斯规划这个机器学习框架,计算机已离这一飞跃不远了。纽约大学、麻省理工学院和多伦多大学的研究者组成的团队证实,只需学习一个例子,使用了贝叶斯规划学习方法的计算机就能比人更好地识别和复写陌生的手写字符。

  贝叶斯规划学习方法和深度学习有本质上的差别。深度学习粗略地模拟了人脑基本的模式识别能力。而贝叶斯规划学习的灵感来自人脑的另一种能力:推断出可以生成某种模式的一系列动作。这种机器学习方法既全能又高效。

  9.廉价诊断试纸

  对埃博拉、肺结核等疾病的廉价快速的筛查方法,可以挽救偏远贫穷地区病人的生命。

  一个发着高烧的病人来到了非洲农村的一家诊所。诊断结果可能是从轻度伤寒到埃博拉的任何一种疾病。即使这家诊所有验血设施,也需要几天时间才能获得结果。那么医生该怎么办呢?是开抗生素处方还是要求隔离病人?

  过去十年里,研究人员一直在寻找一种快捷、廉价的试纸诊断方法(类似验孕棒或验孕试纸),以便在这种场合拯救生命。

  第一代诊断试纸一般只能发现入侵物产生的分子或致病微生物,从而检测疾病。但接下来有可能出现直接检测病原体DNA的诊断工具。这些工具叫核酸测试,可以让医生在疾病最早期就能准确地诊断出疾病。耶格尔和哈佛大学的化学教授乔治怀特赛兹等研究者正各自独立研究核酸试纸。

  10.用超级原子制造的超级分子

  新方法能够设计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许多元素,但对于化学家和材料科学家来说还不够多。要设计具备某种非同寻常的特性的合成材料,比如设计像木头一样可降解的硅类半导体,大自然的配方往往存在局限。哥伦比亚大学化学系教授柯林纳科尔斯表示:很多时候,你想要的是一种并不存在的原子。用所谓超级原子组成的超级分子可以满足这个需要。超级原子是行为如同单个原子的原子团,研究者可以设法使其具备特别的电磁特性,这是元素的自然组合很难或不可能获得的性质。虽然化学家早在几十年前就知道如何构建超级原子,但一直找不到一种可靠的方法将它们连接成更大型的结构。

  现在,纳科尔斯的研究团队发现了一种方法,可以用超级原子来制造设计分子。这些合成结构能够模拟天然分子的特性,同时材料科学家可以对这些特性进行微调,以达到某些特殊的目标。纳科尔斯表示:你可以很容易地改变由超级原子构成的分子的化学性质或磁性,而单凭原子结构是做不到这一点的。这就像给元素周期表增加了一个维度。

分享到:
收藏
相关阅读