展示創(chuàng)新力量 改變?nèi)祟惿?/h1>
2016-04-29 00:00:00劉霞
科學(xué)導(dǎo)報(bào) 2016年48期
日前，世界經(jīng)濟(jì)論壇近日在夏季達(dá)沃斯年會(huì)上發(fā)布了2016年度十大新興技術(shù)，這份榜單由該論壇的新興技術(shù)跨界理事會(huì)編纂，與《科學(xué)美國(guó)人》雜志合作發(fā)表。他們相信這十大技術(shù)展示了創(chuàng)新的力量，能夠改變?nèi)祟惖纳睿约白兏锕I(yè)的面貌并保護(hù)我們的星球。
1 自動(dòng)駕駛汽車漸入佳境
汽車的出現(xiàn)改變了現(xiàn)代生活的面貌。我們正處在一個(gè)變革性的交通技術(shù)改變之巔：從有人駕駛的汽車到能夠自動(dòng)駕駛的汽車轉(zhuǎn)變，每個(gè)人都被裹挾其中。盡管目前自動(dòng)汽車對(duì)于社會(huì)的長(zhǎng)期影響很難預(yù)測(cè)，但有一點(diǎn)毋庸置疑：它將給我們的生活帶來(lái)深刻的影響。
谷歌等企業(yè)多年來(lái)一直在測(cè)試自動(dòng)駕駛汽車，并取得了不少成績(jī)。這些智能車會(huì)對(duì)來(lái)自車載雷達(dá)、攝像頭、超聲測(cè)距儀、全球定位系統(tǒng)（GPS）以及存儲(chǔ)地圖的大量傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在沒(méi)有人力干預(yù)的情況下，暢行于日益復(fù)雜且快速變化的交通環(huán)境中。
隨著技術(shù)不斷成熟，法律和監(jiān)管逐漸放開(kāi)，無(wú)人駕駛這一趨勢(shì)可能會(huì)持續(xù)進(jìn)行下去。一旦汽車或卡車實(shí)現(xiàn)常規(guī)性自動(dòng)駕駛，整個(gè)社會(huì)將面臨更深遠(yuǎn)的變革。對(duì)很多人來(lái)說(shuō)，擁有專屬于自己的汽車將不再是現(xiàn)代生活的一項(xiàng)必需品。共享汽車和無(wú)人駕駛出租車以及運(yùn)載服務(wù)可能會(huì)成為常態(tài)。
與其他技術(shù)一樣，自動(dòng)駕駛汽車也有自己的缺點(diǎn)和不足。但自動(dòng)駕駛汽車帶來(lái)的好處如此不可抗拒，因此，它們的廣泛使用只是時(shí)間問(wèn)題，而不是能否成真的問(wèn)題。
2 物聯(lián)網(wǎng)邁向納米化
利用廉價(jià)的微型傳感器以及微型處理器，加上微型供電裝置以及無(wú)線天線搭建起來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)，正在迅速把網(wǎng)絡(luò)世界從計(jì)算機(jī)和移動(dòng)裝置擴(kuò)展至物質(zhì)世界中的常用物品：恒溫調(diào)節(jié)器汽車、門(mén)鎖甚至寵物跟蹤器。分析師們估計(jì)，到2020年，將有300億臺(tái)這樣的裝置。互聯(lián)物品，尤其是這些由人工智能系統(tǒng)監(jiān)控和控制的互聯(lián)物品的爆發(fā)式發(fā)展，可能賦予普通物品令人驚嘆的功能。
科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)始把傳感器的尺寸從毫米或微米級(jí)縮小到納米級(jí)，小到能在生物體內(nèi)循環(huán)，小到能直接混合到建筑材料內(nèi)，這是朝納米物聯(lián)網(wǎng)邁出的關(guān)鍵第一步，而納米物聯(lián)網(wǎng)有望引領(lǐng)醫(yī)學(xué)及其他許多行業(yè)邁入一個(gè)全新的天地。
迄今最先進(jìn)的納米傳感器中，有些通過(guò)使用合成生物學(xué)工具修改單細(xì)胞的有機(jī)體，比如細(xì)菌制成，這些過(guò)程的目標(biāo)是構(gòu)建出簡(jiǎn)單的生物計(jì)算機(jī)。因?yàn)檫@些納米傳感器如此小，其能從數(shù)百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)那兒收集信息，生成詳細(xì)程度不可思議的地圖，揭示光、振動(dòng)、電流、磁場(chǎng)、化學(xué)濃度以及其他環(huán)境最細(xì)微的變化。
當(dāng)納米物聯(lián)網(wǎng)到來(lái)時(shí)，它可能會(huì)為我們提供與城市、房屋、工廠甚至我們身體有關(guān)的更詳細(xì)、更廉價(jià)、更新的圖像。今天，交通燈、可穿戴設(shè)備或監(jiān)控?cái)z像頭幾乎在逐步聯(lián)網(wǎng)。下一步，數(shù)十億納米傳感器可能會(huì)捕獲大量實(shí)時(shí)信息并將其上載到云端。
3 下一代增容的電池
近年來(lái)，太陽(yáng)能和風(fēng)能的容量已取得了兩位數(shù)的增長(zhǎng)，但太陽(yáng)能和風(fēng)能比較反復(fù)無(wú)常。盡管每年風(fēng)力發(fā)電廠的規(guī)模越來(lái)越大，太陽(yáng)能電池的效率由于光伏材料的改進(jìn)而不斷提高，但這些可再生能源仍然只能提供全球總電力需求的5%左右。
更好的電池可能會(huì)解決這一問(wèn)題，使零排放的可再生能源發(fā)展更快，更容易給目前沒(méi)有電就無(wú)法生存的12億人提供可靠的電力。
在過(guò)去幾年里，具有足夠大的容量，可以為整個(gè)工廠、城鎮(zhèn)甚至連接孤立鄉(xiāng)間社區(qū)的“微型電網(wǎng)”供電的新型蓄電池得到了驗(yàn)證。這些蓄電池是以鈉、鋁或者鋅為基本材料。它們不再含有傳統(tǒng)鉛酸電池使用的笨重金屬以及腐蝕性化學(xué)物質(zhì)；而且，與目前電子設(shè)備和電動(dòng)汽車廣泛使用的鋰電池相比，它們更便宜、更容易擴(kuò)大規(guī)模，也更安全。這些新技術(shù)更適用于主要依靠太陽(yáng)能或風(fēng)能的系統(tǒng)。
對(duì)于目前無(wú)法從電網(wǎng)獲得電力供應(yīng)的人來(lái)說(shuō)，可再生能源發(fā)電和電網(wǎng)級(jí)蓄電池的結(jié)合是極具變革性的；而且，對(duì)于致力于節(jié)能減排的發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)說(shuō)，更好的電池也擁有巨大的潛力。
4 開(kāi)放式人工智能系統(tǒng)
蘋(píng)果公司的Siri、谷歌公司的OK Google、微軟公司的Cortana以及亞馬遜公司的Echo等能提供極好的服務(wù)，它們能使用自然語(yǔ)言處理程序從人們的言談中提取出問(wèn)題，接著提供一些有限的幫助，如查找餐廳、獲得汽車的行駛線路等。但我們經(jīng)常會(huì)遇到的情況是，它們對(duì)某個(gè)幫助請(qǐng)求給出的反饋是“對(duì)不起，我不知道”，這與私人助手貼心又溫柔的輔助真是不可同日而語(yǔ)。而且，這些系統(tǒng)都是大公司的專利產(chǎn)品，很難給其添加新功能。
但是，在過(guò)去幾年里，多項(xiàng)新興技術(shù)相互“聯(lián)姻”，讓我們能更容易制造出功能更強(qiáng)大、更類似人的數(shù)字助手——也就是說(shuō)，更容易形成一個(gè)開(kāi)放的人工智能生態(tài)系統(tǒng)。這一生態(tài)系統(tǒng)不僅與我們的移動(dòng)裝置和電腦相連，并且通過(guò)這些移動(dòng)裝置和計(jì)算機(jī)訪問(wèn)我們的信息、通訊錄、財(cái)政狀況、日程安排以及工作文件，而且與臥室中的恒溫調(diào)節(jié)器、浴室中的體重計(jì)甚至馬路上的汽車相連。今后幾年里，互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)以及你自己的個(gè)人數(shù)據(jù)的互相連接，這些連接可以在任何地方通過(guò)與人工智能對(duì)話立即實(shí)現(xiàn)，可以在未來(lái)幾年釋放更高的生產(chǎn)率，讓數(shù)百萬(wàn)人更健康和幸福。
5 光遺傳“照亮”神經(jīng)科學(xué)
大腦，即使相對(duì)來(lái)說(shuō)像老鼠那樣比較簡(jiǎn)單的大腦，其功能都非常復(fù)雜。神經(jīng)科學(xué)家們和心理學(xué)家們能觀測(cè)大腦對(duì)不同刺激的反應(yīng)，他們甚至標(biāo)識(shí)出了大腦的基因如何被表達(dá)，但無(wú)法控制個(gè)體神經(jīng)元和其他類型的大腦細(xì)胞何時(shí)關(guān)閉和打開(kāi)。
那么，神經(jīng)科學(xué)家如何通過(guò)測(cè)量大腦中的信息流來(lái)了解大腦的功能呢？傳統(tǒng)的方法是用電極記錄和測(cè)量神經(jīng)元的活動(dòng)，但電極會(huì)刺激周圍的每個(gè)神經(jīng)元且無(wú)法區(qū)分不同的大腦細(xì)胞，是一個(gè)比較粗糙也不精確的方法。
2005年，神經(jīng)科學(xué)家們展示了一項(xiàng)新技術(shù)，借用遺傳工程方法讓神經(jīng)細(xì)胞對(duì)特定顏色的光做出反應(yīng)，這一技術(shù)就是所謂的光遺傳學(xué)技術(shù)，這一技術(shù)基于科學(xué)家們?cè)?0世紀(jì)70年代對(duì)色素蛋白，也就是所謂的視紫紅質(zhì)進(jìn)行的研究。沒(méi)有眼睛的微生物在視紫紅質(zhì)（由視蛋白編碼）的幫助下從入射光那兒獲取能量和信息。通過(guò)插入一個(gè)或者多個(gè)視蛋白基因進(jìn)入老鼠特定的神經(jīng)元內(nèi)，生物學(xué)家們現(xiàn)在能夠使用可見(jiàn)光來(lái)隨意地將特定神經(jīng)元打開(kāi)或者關(guān)閉。
光遺傳技術(shù)的出現(xiàn)顯著加快了腦科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步，但由于將光遞送到腦組織內(nèi)部是一件難事，因此，實(shí)驗(yàn)受限。現(xiàn)在，科學(xué)家們正在對(duì)超薄的柔性微芯片（“塊頭”還沒(méi)有一個(gè)神經(jīng)元大）進(jìn)行測(cè)試，此類設(shè)備作為可注射設(shè)備，將神經(jīng)置于無(wú)線控制之下，而對(duì)周圍組織幾乎不造成任何損害。
光遺傳技術(shù)已經(jīng)為帕金森癥震顫、慢性疼痛、視力損傷和抑郁等大腦疾病打開(kāi)了新大門(mén)。在大腦的高速電路同時(shí)受到擾亂的區(qū)域，光遺傳學(xué)研究——尤其是在新興無(wú)線微芯片技術(shù)的支持下——可提供新治療途徑。
6 芯片器官帶來(lái)新視野
很多重要的生物學(xué)研究和實(shí)用藥物測(cè)試只能通過(guò)研究某個(gè)器官在工作時(shí)的“一舉一動(dòng)”才能進(jìn)行，一項(xiàng)新技術(shù)能在微芯片上培育功能性的人類器官模塊，這種“芯片器官”或許可滿足這一需要，使科學(xué)家能以前所未有的方式研究生理學(xué)機(jī)制和行為，為藥物研發(fā)提供機(jī)會(huì)。
2010年，哈佛大學(xué)威斯研究所的唐納德·因格貝爾利用微芯片制造技術(shù)與組織工程技術(shù)，將人類細(xì)胞與真空芯片結(jié)合，制造出“一片”能自由呼吸的“芯片肺臟”，這是第一款芯片器官。私人企業(yè)聞風(fēng)而動(dòng)，現(xiàn)已有多個(gè)組織報(bào)告成功制造出肺、肝、腎、心臟、骨髓以及眼角膜等“芯片器官”。
芯片器官的尺寸大約與USB存儲(chǔ)器相仿，由柔韌、半透明的聚合物制成。在芯片內(nèi)部存在布局復(fù)雜的微流體管道，每根直徑不到1毫米，布滿取自目標(biāo)器官的人類細(xì)胞。當(dāng)營(yíng)養(yǎng)物、血液及實(shí)驗(yàn)藥物等測(cè)試用混合物被泵入管道時(shí)，這些細(xì)胞會(huì)復(fù)制活體器官的某些關(guān)鍵功能。
由于“芯片器官”裝置對(duì)諸如細(xì)菌以及空氣污染產(chǎn)生的反應(yīng)和活體器官相似，在未來(lái)將有可能會(huì)被用來(lái)測(cè)試藥物安全以及人體對(duì)環(huán)境的反應(yīng)。若獲得監(jiān)管部門(mén)批準(zhǔn)，這些裝置能大大減少制藥檢查方面對(duì)活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的依賴，同時(shí)也能減少制藥成本和時(shí)間。
7 系統(tǒng)代謝工程學(xué)變工廠
跟蹤我們每天購(gòu)買(mǎi)和使用的產(chǎn)品，從塑料、衣物到化妝品和燃料，追本溯源，大都由來(lái)自于地下深處的物品制成。制造這些產(chǎn)品的是主要由化石燃料提供能量的工廠。若用活的有機(jī)物代替石油化學(xué)產(chǎn)品、天然氣和煤來(lái)制造我們?nèi)粘Ｉ钪兴玫漠a(chǎn)品不僅對(duì)氣候和環(huán)境有利，對(duì)全球經(jīng)濟(jì)來(lái)說(shuō)也是一件好事。
隨著系統(tǒng)代謝工程學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，這一目標(biāo)目前似乎可以實(shí)現(xiàn)。伴隨著合成生物學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)和進(jìn)化工程學(xué)取得進(jìn)展，代謝工程學(xué)現(xiàn)在能創(chuàng)造出生物系統(tǒng)，制造以常規(guī)手段難以制取（因而十分昂貴）的化學(xué)物質(zhì)，且制造范圍逐年加大。
與化石燃料不同，由微生物制造的化學(xué)物質(zhì)可回收且?guī)缀醪粫?huì)釋放溫室氣體，而且，有些物質(zhì)甚至有潛力通過(guò)吸收二氧化碳或甲烷并將其整合成最終可被作為固體廢物埋掉的產(chǎn)品，從而減少大氣中二氧化碳的含量。
8 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池
目前支配世界市場(chǎng)的硅基太陽(yáng)能電池面臨著三個(gè)瓶頸——造價(jià)高、堅(jiān)硬笨重、能源轉(zhuǎn)化效率不高。利用鈣鈦礦來(lái)替代硅這種新的制造高效太陽(yáng)能電池的方法，或許能一次解決這三個(gè)問(wèn)題并且從陽(yáng)光中獲得更多能量。
鈣鈦礦是一類范圍廣泛的材料，其主要由碳和氫制成的有機(jī)分子結(jié)合鉛等金屬以及氯等鹵族元素采用三位晶體結(jié)構(gòu)制成，其制造成本更加低廉而且溫室氣體排放更少。制造商們可以將很多液態(tài)溶液混合，然后沉積出鈣鈦礦薄膜，不需要電弧爐，薄膜本身也非常輕。
傳統(tǒng)硅基太陽(yáng)能電池能源轉(zhuǎn)化效率一直卡在25%。起初鈣鈦礦的能效比硅基太陽(yáng)能電池更低。2009年，由鉛、碘化物以及銨制成的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池只能將4%的太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能。但是，其發(fā)展勢(shì)頭非常迅猛，到2016年，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的能效已經(jīng)超過(guò)20%，7年之內(nèi)提高了4倍。它們目前在商業(yè)上與光伏電池展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)，且可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到效率極限。雖然硅基太陽(yáng)能電池技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在不斷優(yōu)化。
不過(guò)，我們想要實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦電池的巨大商業(yè)價(jià)值，還有難題急需解決：鈣鈦礦有毒，其材料含有鉛，不僅有害而且容易氧化揮發(fā)，同時(shí)，其實(shí)用壽命也不夠長(zhǎng)。盡管未來(lái)依舊困難重重，但在能源緊缺的今天，人們不會(huì)放棄任何產(chǎn)生新能源的機(jī)會(huì)。與其他新興的電池技術(shù)攜手，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池或許也能改善缺乏可靠電力的12億人的生活水平。
9 區(qū)塊鏈為數(shù)據(jù)“護(hù)航”
數(shù)字貨幣比特幣背后的區(qū)塊鏈技術(shù)是一種分散式的公共交易分類賬，它不被任何企業(yè)或個(gè)人擁有或控制。任何用戶都可以讀取完整的區(qū)塊鏈。借用編制密碼的數(shù)字手段，資金每次從一個(gè)賬戶轉(zhuǎn)至另一個(gè)賬戶都會(huì)以一種安全和可證實(shí)的方式記錄下來(lái)。由于區(qū)塊鏈的眾多副本散布在全球各地，它被認(rèn)為能夠有效防止篡改。
比特幣對(duì)執(zhí)法和國(guó)際現(xiàn)金控制提出的挑戰(zhàn)已引發(fā)各界人士的廣泛討論，但是，區(qū)塊鏈分類賬的用途已經(jīng)超出簡(jiǎn)單的金錢(qián)交易范疇。與互聯(lián)網(wǎng)一樣，區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)基于其他技術(shù)和應(yīng)用的開(kāi)放式全球基礎(chǔ)設(shè)施；而且，與互聯(lián)網(wǎng)一樣，區(qū)塊鏈?zhǔn)沟媒灰啄軌蜣饤墏鹘y(tǒng)的中間人，降低甚至消除交易成本。
二維材料提供新工具
新材料能改變世界。現(xiàn)在，一類具有巨大潛力的由單層原子構(gòu)成的新材料正如雨后春筍般涌現(xiàn)。這個(gè)被稱為二維材料的新型材料家族在過(guò)去幾年間不斷壯大，現(xiàn)已包括了呈網(wǎng)格狀的碳（石墨烯）、硼（硼墨烯）、六方氮化硼（白色石墨烯）、鍺（鍺烯）、硅（硅烯）、磷（黑磷）以及錫（錫烯）等。更多二維材料已被證明在理論上是可行的，但迄今尚未被合成出來(lái)，比如由碳合成石墨炔等。每一種材料都有令人興奮的特性，而且可以像搭樂(lè)高那樣組合起來(lái)形成更多的新材料。
二維材料領(lǐng)域的革命始于2004年。那一年，英國(guó)曼切斯特大學(xué)的科學(xué)家安德烈·蓋姆和科斯提亞·諾沃謝夫用透明膠帶撕出來(lái)石墨烯，讓全世界的科學(xué)家頂禮膜拜，而這兩位科學(xué)家也因此榮膺2010年諾貝爾獎(jiǎng)。
石墨烯比鋼還堅(jiān)固，比鉆石硬，非常輕、透明、柔軟，且擁有超高的導(dǎo)電性，因此，在量子計(jì)算、生物計(jì)算、光計(jì)算、碳納米管等硅計(jì)算替代者中脫穎而出。其他二維材料可能也將跟隨石墨烯的發(fā)展步伐，隨著成本的不斷降低，用在包括電子設(shè)備在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域。
不管什么新材料進(jìn)入環(huán)境，其是否有毒一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)。當(dāng)然，我們必須非常謹(jǐn)慎。科學(xué)家們已經(jīng)對(duì)石墨烯是否有毒進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)10年的研究，目前為止，還沒(méi)有任何證據(jù)表明其對(duì)人們的健康或者環(huán)境有害，但是，研究仍在持續(xù)進(jìn)行。
二維材料的發(fā)明為技術(shù)專家們制造出了多個(gè)功能強(qiáng)大的工具。科學(xué)家們和工程師們可以將光學(xué)、力學(xué)和電學(xué)屬性各異的材料混合在一起，制造出擁有更多功能的產(chǎn)品。20世紀(jì)的創(chuàng)造基石——鋼鐵和硅與這些新型材料相比也相形見(jiàn)絀。
日前，世界經(jīng)濟(jì)論壇近日在夏季達(dá)沃斯年會(huì)上發(fā)布了2016年度十大新興技術(shù)，這份榜單由該論壇的新興技術(shù)跨界理事會(huì)編纂，與《科學(xué)美國(guó)人》雜志合作發(fā)表。他們相信這十大技術(shù)展示了創(chuàng)新的力量，能夠改變?nèi)祟惖纳睿约白兏锕I(yè)的面貌并保護(hù)我們的星球。
1 自動(dòng)駕駛汽車漸入佳境
汽車的出現(xiàn)改變了現(xiàn)代生活的面貌。我們正處在一個(gè)變革性的交通技術(shù)改變之巔：從有人駕駛的汽車到能夠自動(dòng)駕駛的汽車轉(zhuǎn)變，每個(gè)人都被裹挾其中。盡管目前自動(dòng)汽車對(duì)于社會(huì)的長(zhǎng)期影響很難預(yù)測(cè)，但有一點(diǎn)毋庸置疑：它將給我們的生活帶來(lái)深刻的影響。
谷歌等企業(yè)多年來(lái)一直在測(cè)試自動(dòng)駕駛汽車，并取得了不少成績(jī)。這些智能車會(huì)對(duì)來(lái)自車載雷達(dá)、攝像頭、超聲測(cè)距儀、全球定位系統(tǒng)（GPS）以及存儲(chǔ)地圖的大量傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在沒(méi)有人力干預(yù)的情況下，暢行于日益復(fù)雜且快速變化的交通環(huán)境中。
隨著技術(shù)不斷成熟，法律和監(jiān)管逐漸放開(kāi)，無(wú)人駕駛這一趨勢(shì)可能會(huì)持續(xù)進(jìn)行下去。一旦汽車或卡車實(shí)現(xiàn)常規(guī)性自動(dòng)駕駛，整個(gè)社會(huì)將面臨更深遠(yuǎn)的變革。對(duì)很多人來(lái)說(shuō)，擁有專屬于自己的汽車將不再是現(xiàn)代生活的一項(xiàng)必需品。共享汽車和無(wú)人駕駛出租車以及運(yùn)載服務(wù)可能會(huì)成為常態(tài)。
與其他技術(shù)一樣，自動(dòng)駕駛汽車也有自己的缺點(diǎn)和不足。但自動(dòng)駕駛汽車帶來(lái)的好處如此不可抗拒，因此，它們的廣泛使用只是時(shí)間問(wèn)題，而不是能否成真的問(wèn)題。
2 物聯(lián)網(wǎng)邁向納米化
利用廉價(jià)的微型傳感器以及微型處理器，加上微型供電裝置以及無(wú)線天線搭建起來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)，正在迅速把網(wǎng)絡(luò)世界從計(jì)算機(jī)和移動(dòng)裝置擴(kuò)展至物質(zhì)世界中的常用物品：恒溫調(diào)節(jié)器汽車、門(mén)鎖甚至寵物跟蹤器。分析師們估計(jì)，到2020年，將有300億臺(tái)這樣的裝置。互聯(lián)物品，尤其是這些由人工智能系統(tǒng)監(jiān)控和控制的互聯(lián)物品的爆發(fā)式發(fā)展，可能賦予普通物品令人驚嘆的功能。
科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)始把傳感器的尺寸從毫米或微米級(jí)縮小到納米級(jí)，小到能在生物體內(nèi)循環(huán)，小到能直接混合到建筑材料內(nèi)，這是朝納米物聯(lián)網(wǎng)邁出的關(guān)鍵第一步，而納米物聯(lián)網(wǎng)有望引領(lǐng)醫(yī)學(xué)及其他許多行業(yè)邁入一個(gè)全新的天地。
迄今最先進(jìn)的納米傳感器中，有些通過(guò)使用合成生物學(xué)工具修改單細(xì)胞的有機(jī)體，比如細(xì)菌制成，這些過(guò)程的目標(biāo)是構(gòu)建出簡(jiǎn)單的生物計(jì)算機(jī)。因?yàn)檫@些納米傳感器如此小，其能從數(shù)百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)那兒收集信息，生成詳細(xì)程度不可思議的地圖，揭示光、振動(dòng)、電流、磁場(chǎng)、化學(xué)濃度以及其他環(huán)境最細(xì)微的變化。
當(dāng)納米物聯(lián)網(wǎng)到來(lái)時(shí)，它可能會(huì)為我們提供與城市、房屋、工廠甚至我們身體有關(guān)的更詳細(xì)、更廉價(jià)、更新的圖像。今天，交通燈、可穿戴設(shè)備或監(jiān)控?cái)z像頭幾乎在逐步聯(lián)網(wǎng)。下一步，數(shù)十億納米傳感器可能會(huì)捕獲大量實(shí)時(shí)信息并將其上載到云端。
3 下一代增容的電池
近年來(lái)，太陽(yáng)能和風(fēng)能的容量已取得了兩位數(shù)的增長(zhǎng)，但太陽(yáng)能和風(fēng)能比較反復(fù)無(wú)常。盡管每年風(fēng)力發(fā)電廠的規(guī)模越來(lái)越大，太陽(yáng)能電池的效率由于光伏材料的改進(jìn)而不斷提高，但這些可再生能源仍然只能提供全球總電力需求的5%左右。
更好的電池可能會(huì)解決這一問(wèn)題，使零排放的可再生能源發(fā)展更快，更容易給目前沒(méi)有電就無(wú)法生存的12億人提供可靠的電力。
在過(guò)去幾年里，具有足夠大的容量，可以為整個(gè)工廠、城鎮(zhèn)甚至連接孤立鄉(xiāng)間社區(qū)的“微型電網(wǎng)”供電的新型蓄電池得到了驗(yàn)證。這些蓄電池是以鈉、鋁或者鋅為基本材料。它們不再含有傳統(tǒng)鉛酸電池使用的笨重金屬以及腐蝕性化學(xué)物質(zhì)；而且，與目前電子設(shè)備和電動(dòng)汽車廣泛使用的鋰電池相比，它們更便宜、更容易擴(kuò)大規(guī)模，也更安全。這些新技術(shù)更適用于主要依靠太陽(yáng)能或風(fēng)能的系統(tǒng)。
對(duì)于目前無(wú)法從電網(wǎng)獲得電力供應(yīng)的人來(lái)說(shuō)，可再生能源發(fā)電和電網(wǎng)級(jí)蓄電池的結(jié)合是極具變革性的；而且，對(duì)于致力于節(jié)能減排的發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)說(shuō)，更好的電池也擁有巨大的潛力。
4 開(kāi)放式人工智能系統(tǒng)
蘋(píng)果公司的Siri、谷歌公司的OK Google、微軟公司的Cortana以及亞馬遜公司的Echo等能提供極好的服務(wù)，它們能使用自然語(yǔ)言處理程序從人們的言談中提取出問(wèn)題，接著提供一些有限的幫助，如查找餐廳、獲得汽車的行駛線路等。但我們經(jīng)常會(huì)遇到的情況是，它們對(duì)某個(gè)幫助請(qǐng)求給出的反饋是“對(duì)不起，我不知道”，這與私人助手貼心又溫柔的輔助真是不可同日而語(yǔ)。而且，這些系統(tǒng)都是大公司的專利產(chǎn)品，很難給其添加新功能。
但是，在過(guò)去幾年里，多項(xiàng)新興技術(shù)相互“聯(lián)姻”，讓我們能更容易制造出功能更強(qiáng)大、更類似人的數(shù)字助手——也就是說(shuō)，更容易形成一個(gè)開(kāi)放的人工智能生態(tài)系統(tǒng)。這一生態(tài)系統(tǒng)不僅與我們的移動(dòng)裝置和電腦相連，并且通過(guò)這些移動(dòng)裝置和計(jì)算機(jī)訪問(wèn)我們的信息、通訊錄、財(cái)政狀況、日程安排以及工作文件，而且與臥室中的恒溫調(diào)節(jié)器、浴室中的體重計(jì)甚至馬路上的汽車相連。今后幾年里，互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)以及你自己的個(gè)人數(shù)據(jù)的互相連接，這些連接可以在任何地方通過(guò)與人工智能對(duì)話立即實(shí)現(xiàn)，可以在未來(lái)幾年釋放更高的生產(chǎn)率，讓數(shù)百萬(wàn)人更健康和幸福。
5 光遺傳“照亮”神經(jīng)科學(xué)
大腦，即使相對(duì)來(lái)說(shuō)像老鼠那樣比較簡(jiǎn)單的大腦，其功能都非常復(fù)雜。神經(jīng)科學(xué)家們和心理學(xué)家們能觀測(cè)大腦對(duì)不同刺激的反應(yīng)，他們甚至標(biāo)識(shí)出了大腦的基因如何被表達(dá)，但無(wú)法控制個(gè)體神經(jīng)元和其他類型的大腦細(xì)胞何時(shí)關(guān)閉和打開(kāi)。
那么，神經(jīng)科學(xué)家如何通過(guò)測(cè)量大腦中的信息流來(lái)了解大腦的功能呢？傳統(tǒng)的方法是用電極記錄和測(cè)量神經(jīng)元的活動(dòng)，但電極會(huì)刺激周圍的每個(gè)神經(jīng)元且無(wú)法區(qū)分不同的大腦細(xì)胞，是一個(gè)比較粗糙也不精確的方法。
2005年，神經(jīng)科學(xué)家們展示了一項(xiàng)新技術(shù)，借用遺傳工程方法讓神經(jīng)細(xì)胞對(duì)特定顏色的光做出反應(yīng)，這一技術(shù)就是所謂的光遺傳學(xué)技術(shù)，這一技術(shù)基于科學(xué)家們?cè)?0世紀(jì)70年代對(duì)色素蛋白，也就是所謂的視紫紅質(zhì)進(jìn)行的研究。沒(méi)有眼睛的微生物在視紫紅質(zhì)（由視蛋白編碼）的幫助下從入射光那兒獲取能量和信息。通過(guò)插入一個(gè)或者多個(gè)視蛋白基因進(jìn)入老鼠特定的神經(jīng)元內(nèi)，生物學(xué)家們現(xiàn)在能夠使用可見(jiàn)光來(lái)隨意地將特定神經(jīng)元打開(kāi)或者關(guān)閉。
光遺傳技術(shù)的出現(xiàn)顯著加快了腦科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步，但由于將光遞送到腦組織內(nèi)部是一件難事，因此，實(shí)驗(yàn)受限。現(xiàn)在，科學(xué)家們正在對(duì)超薄的柔性微芯片（“塊頭”還沒(méi)有一個(gè)神經(jīng)元大）進(jìn)行測(cè)試，此類設(shè)備作為可注射設(shè)備，將神經(jīng)置于無(wú)線控制之下，而對(duì)周圍組織幾乎不造成任何損害。
光遺傳技術(shù)已經(jīng)為帕金森癥震顫、慢性疼痛、視力損傷和抑郁等大腦疾病打開(kāi)了新大門(mén)。在大腦的高速電路同時(shí)受到擾亂的區(qū)域，光遺傳學(xué)研究——尤其是在新興無(wú)線微芯片技術(shù)的支持下——可提供新治療途徑。
6 芯片器官帶來(lái)新視野
很多重要的生物學(xué)研究和實(shí)用藥物測(cè)試只能通過(guò)研究某個(gè)器官在工作時(shí)的“一舉一動(dòng)”才能進(jìn)行，一項(xiàng)新技術(shù)能在微芯片上培育功能性的人類器官模塊，這種“芯片器官”或許可滿足這一需要，使科學(xué)家能以前所未有的方式研究生理學(xué)機(jī)制和行為，為藥物研發(fā)提供機(jī)會(huì)。
2010年，哈佛大學(xué)威斯研究所的唐納德·因格貝爾利用微芯片制造技術(shù)與組織工程技術(shù)，將人類細(xì)胞與真空芯片結(jié)合，制造出“一片”能自由呼吸的“芯片肺臟”，這是第一款芯片器官。私人企業(yè)聞風(fēng)而動(dòng)，現(xiàn)已有多個(gè)組織報(bào)告成功制造出肺、肝、腎、心臟、骨髓以及眼角膜等“芯片器官”。
芯片器官的尺寸大約與USB存儲(chǔ)器相仿，由柔韌、半透明的聚合物制成。在芯片內(nèi)部存在布局復(fù)雜的微流體管道，每根直徑不到1毫米，布滿取自目標(biāo)器官的人類細(xì)胞。當(dāng)營(yíng)養(yǎng)物、血液及實(shí)驗(yàn)藥物等測(cè)試用混合物被泵入管道時(shí)，這些細(xì)胞會(huì)復(fù)制活體器官的某些關(guān)鍵功能。
由于“芯片器官”裝置對(duì)諸如細(xì)菌以及空氣污染產(chǎn)生的反應(yīng)和活體器官相似，在未來(lái)將有可能會(huì)被用來(lái)測(cè)試藥物安全以及人體對(duì)環(huán)境的反應(yīng)。若獲得監(jiān)管部門(mén)批準(zhǔn)，這些裝置能大大減少制藥檢查方面對(duì)活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的依賴，同時(shí)也能減少制藥成本和時(shí)間。
7 系統(tǒng)代謝工程學(xué)變工廠
跟蹤我們每天購(gòu)買(mǎi)和使用的產(chǎn)品，從塑料、衣物到化妝品和燃料，追本溯源，大都由來(lái)自于地下深處的物品制成。制造這些產(chǎn)品的是主要由化石燃料提供能量的工廠。若用活的有機(jī)物代替石油化學(xué)產(chǎn)品、天然氣和煤來(lái)制造我們?nèi)粘Ｉ钪兴玫漠a(chǎn)品不僅對(duì)氣候和環(huán)境有利，對(duì)全球經(jīng)濟(jì)來(lái)說(shuō)也是一件好事。
隨著系統(tǒng)代謝工程學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，這一目標(biāo)目前似乎可以實(shí)現(xiàn)。伴隨著合成生物學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)和進(jìn)化工程學(xué)取得進(jìn)展，代謝工程學(xué)現(xiàn)在能創(chuàng)造出生物系統(tǒng)，制造以常規(guī)手段難以制取（因而十分昂貴）的化學(xué)物質(zhì)，且制造范圍逐年加大。
與化石燃料不同，由微生物制造的化學(xué)物質(zhì)可回收且?guī)缀醪粫?huì)釋放溫室氣體，而且，有些物質(zhì)甚至有潛力通過(guò)吸收二氧化碳或甲烷并將其整合成最終可被作為固體廢物埋掉的產(chǎn)品，從而減少大氣中二氧化碳的含量。
8 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池
目前支配世界市場(chǎng)的硅基太陽(yáng)能電池面臨著三個(gè)瓶頸——造價(jià)高、堅(jiān)硬笨重、能源轉(zhuǎn)化效率不高。利用鈣鈦礦來(lái)替代硅這種新的制造高效太陽(yáng)能電池的方法，或許能一次解決這三個(gè)問(wèn)題并且從陽(yáng)光中獲得更多能量。
鈣鈦礦是一類范圍廣泛的材料，其主要由碳和氫制成的有機(jī)分子結(jié)合鉛等金屬以及氯等鹵族元素采用三位晶體結(jié)構(gòu)制成，其制造成本更加低廉而且溫室氣體排放更少。制造商們可以將很多液態(tài)溶液混合，然后沉積出鈣鈦礦薄膜，不需要電弧爐，薄膜本身也非常輕。
傳統(tǒng)硅基太陽(yáng)能電池能源轉(zhuǎn)化效率一直卡在25%。起初鈣鈦礦的能效比硅基太陽(yáng)能電池更低。2009年，由鉛、碘化物以及銨制成的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池只能將4%的太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能。但是，其發(fā)展勢(shì)頭非常迅猛，到2016年，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的能效已經(jīng)超過(guò)20%，7年之內(nèi)提高了4倍。它們目前在商業(yè)上與光伏電池展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)，且可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到效率極限。雖然硅基太陽(yáng)能電池技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在不斷優(yōu)化。
不過(guò)，我們想要實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦電池的巨大商業(yè)價(jià)值，還有難題急需解決：鈣鈦礦有毒，其材料含有鉛，不僅有害而且容易氧化揮發(fā)，同時(shí)，其實(shí)用壽命也不夠長(zhǎng)。盡管未來(lái)依舊困難重重，但在能源緊缺的今天，人們不會(huì)放棄任何產(chǎn)生新能源的機(jī)會(huì)。與其他新興的電池技術(shù)攜手，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池或許也能改善缺乏可靠電力的12億人的生活水平。
9 區(qū)塊鏈為數(shù)據(jù)“護(hù)航”
數(shù)字貨幣比特幣背后的區(qū)塊鏈技術(shù)是一種分散式的公共交易分類賬，它不被任何企業(yè)或個(gè)人擁有或控制。任何用戶都可以讀取完整的區(qū)塊鏈。借用編制密碼的數(shù)字手段，資金每次從一個(gè)賬戶轉(zhuǎn)至另一個(gè)賬戶都會(huì)以一種安全和可證實(shí)的方式記錄下來(lái)。由于區(qū)塊鏈的眾多副本散布在全球各地，它被認(rèn)為能夠有效防止篡改。
比特幣對(duì)執(zhí)法和國(guó)際現(xiàn)金控制提出的挑戰(zhàn)已引發(fā)各界人士的廣泛討論，但是，區(qū)塊鏈分類賬的用途已經(jīng)超出簡(jiǎn)單的金錢(qián)交易范疇。與互聯(lián)網(wǎng)一樣，區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)基于其他技術(shù)和應(yīng)用的開(kāi)放式全球基礎(chǔ)設(shè)施；而且，與互聯(lián)網(wǎng)一樣，區(qū)塊鏈?zhǔn)沟媒灰啄軌蜣饤墏鹘y(tǒng)的中間人，降低甚至消除交易成本。
二維材料提供新工具
新材料能改變世界。現(xiàn)在，一類具有巨大潛力的由單層原子構(gòu)成的新材料正如雨后春筍般涌現(xiàn)。這個(gè)被稱為二維材料的新型材料家族在過(guò)去幾年間不斷壯大，現(xiàn)已包括了呈網(wǎng)格狀的碳（石墨烯）、硼（硼墨烯）、六方氮化硼（白色石墨烯）、鍺（鍺烯）、硅（硅烯）、磷（黑磷）以及錫（錫烯）等。更多二維材料已被證明在理論上是可行的，但迄今尚未被合成出來(lái)，比如由碳合成石墨炔等。每一種材料都有令人興奮的特性，而且可以像搭樂(lè)高那樣組合起來(lái)形成更多的新材料。
二維材料領(lǐng)域的革命始于2004年。那一年，英國(guó)曼切斯特大學(xué)的科學(xué)家安德烈·蓋姆和科斯提亞·諾沃謝夫用透明膠帶撕出來(lái)石墨烯，讓全世界的科學(xué)家頂禮膜拜，而這兩位科學(xué)家也因此榮膺2010年諾貝爾獎(jiǎng)。
石墨烯比鋼還堅(jiān)固，比鉆石硬，非常輕、透明、柔軟，且擁有超高的導(dǎo)電性，因此，在量子計(jì)算、生物計(jì)算、光計(jì)算、碳納米管等硅計(jì)算替代者中脫穎而出。其他二維材料可能也將跟隨石墨烯的發(fā)展步伐，隨著成本的不斷降低，用在包括電子設(shè)備在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域。
不管什么新材料進(jìn)入環(huán)境，其是否有毒一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)。當(dāng)然，我們必須非常謹(jǐn)慎。科學(xué)家們已經(jīng)對(duì)石墨烯是否有毒進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)10年的研究，目前為止，還沒(méi)有任何證據(jù)表明其對(duì)人們的健康或者環(huán)境有害，但是，研究仍在持續(xù)進(jìn)行。
二維材料的發(fā)明為技術(shù)專家們制造出了多個(gè)功能強(qiáng)大的工具。科學(xué)家們和工程師們可以將光學(xué)、力學(xué)和電學(xué)屬性各異的材料混合在一起，制造出擁有更多功能的產(chǎn)品。20世紀(jì)的創(chuàng)造基石——鋼鐵和硅與這些新型材料相比也相形見(jiàn)絀。
