展示創新力量 改變人類生活（下）

聶雙

近日，據《科學美國人》網站報道，世界經濟論壇在夏季達沃斯年會上發布了2016年度十大新興技術，這份榜單由該論壇的新興技術跨界理事會編纂，與《科學美國人》雜志合作發表。他們相信這十大技術展示了創新的力量，能夠改變人類的生活，以及變革工業的面貌并保護我們的星球。

入選技術集中在可以改善人們生活、推動行業變革和維護地球生態等領域。理事會在遴選榜單時，非常看重一個標準： 某項技術的發展是否以2016年為重要轉折點。 因此，榜單上可以看到一些已經知名多年，但現在才達到成熟水平、產生重要影響的技術。

芯片器官帶來人類生物學新視野

很多重要的生物學研究和實用藥物測試只能通過研究某個器官在工作時的“一舉一動”才能進行，一項新技術能在微芯片上培育功能性的人類器官塊，這種所謂的“芯片器官”或許可滿足這一需要，使科學家能以前所未有的方式研究生理學機制和行為，為藥物研發提供機會。

2010年，哈佛大學威斯研究所的唐納德·因格貝爾利用微型品制造技術與組織工程技術，將人類細胞與真空芯片結合，制造出了“一片”能自由呼吸的“芯片肺臟”，這是第一款芯片器官。

私人企業聞風而動，例如由因格貝爾和威斯研究所的其他同事領導的“模擬（Emulate）”公司與研究機構、業內公司和包括美國國防部先進研究計劃局（DAPRA）在內的政府部門締結了合作關系。迄今為止，已經有多個組織報告成功制造出了肺、肝、腎、心臟、骨髓以及眼角膜等的“芯片器官”。比如，源自英國牛津大學的CN Bio研制的名為量子-B的肝臟芯片可以幫助科研人員找到治愈乙肝這種肝臟病毒性感染的方法。而其他人表示會緊隨其后。

每個芯片器官的尺寸大約與USB存儲器相仿。它由柔韌、半透明的聚合物制成。在芯片內部存在布局復雜的微流體管道，每根微流體管道的直徑不到1毫米，布滿取自目標器官的人類細胞。當營養物、血液及實驗藥物等測試用混合物被泵入管道時，這些細胞會復制活體器官的某些關鍵功能。

芯片內部的小室經過安排可以模擬某一器官組織的特殊結構，例如肺部微小的氣囊。然后，空氣通過氣道可以非常精確地模擬人類的呼吸。與此同時，可以將混合著細菌的血液泵入其他管道，然后科學家就可以觀察細胞如何對感染做出反應。這項技術將使科學家看到以前從未看到過的生物機制和生理行為。

由于一些“芯片器官”裝置對諸如細菌以及空氣污染產生的反應和活體器官相似，在未來將有可能會被用來測試藥物安全以及人體對環境的反應。若獲得監管部門批準，這些裝置能大大減少制藥檢查方面對活體動物實驗的依賴，同時也能減少制藥成本、縮短藥物推向市場的時間。

而軍隊和生物防御研究人員看到了芯片器官以不同方式挽救生命的潛力。模擬肺臟和其他類似的設備或許可以用于測試人體器官對生物、化學或放射武器的反應。因為倫理原因，目前還無法進行類似的測試。

鈣鈦礦太陽能電池效率大增

目前支配世界市場的硅基太陽能電池面臨著三個瓶頸。一種新的制造高效太陽能電池的方法——利用鈣鈦礦來替代硅或許能一次解決這三個問題并且從太陽光那里獲得更多電。

硅基光伏電池的第一個局限性在于，它們由一種很少在自然界中能夠找到純凈成分的元素制成，盡管氧化硅并不短缺，但是，將其中的氧氣去除從而獲得純凈的硅會耗費大量能量。一般來說，制造商們在一個電弧爐內將氧化硅在1500到2000攝氏度融化，在此過程中會排放不少溫室氣體，因此，制造硅基光伏電池的成本相對來說就比較高。

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分子結合鉛等金屬以及氯等鹵族元素采用三位晶體結構制成，其制造成本更加低廉而且排放更少。制造商們可以將很多液態溶液混合，然后沉積出鈣鈦礦薄膜，不需要電弧爐，薄膜本身也非常輕。

這些屬性因此消除了硅太陽能電池的第二個限制：堅硬且笨重。平的以及大塊板狀的硅基光伏電池表現最出色，但是，這些太陽能電池板使得大規模安裝非常昂貴。

傳統硅基太陽能電池的第三個主要限制在于其能源轉化效率，15年來，其能效一直卡在25%。當鈣鈦礦首次問世時，其能效比硅基太陽能電池更低。2009年，由鉛、碘化物以及銨制成的鈣鈦礦太陽能電池只能將4%的太陽光轉化為電力，但是，鈣鈦礦太陽能電池的發展勢頭非常迅猛，部分原因在于鈣鈦礦由數千種不同的組成。

到2016年，鈣鈦礦太陽能電池的能效已經超過20%，7年之內提高了4倍，而且，過去兩年更是令人驚嘆地翻了一番。它們目前在商業上與光伏電池展開競爭，且可能遠遠沒有達到效率極限。盡管硅基太陽能電池技術已經非常成熟，但是，鈣鈦礦太陽能電池處在不斷地優化過程中。

盡管鈣鈦礦的未來依舊困難重重，但在能源緊缺的今天，人們不會放棄任何產生新能源的機會。與其他新興的電池技術攜手，鈣鈦礦太陽能電池或許也能改變缺乏可靠電力的12億人的生活水平。

系統代謝工程學將微生物變成工廠

跟蹤我們每天購買和使用的產品，從塑料、衣物到化妝品和燃料，追本溯源，你將發現大量物體都由來自于地下深處的物品制成。制造這些產品的工廠也或多或少由這些由各種化學物質組成。而且，這些化學物質來自于主要由化石燃料提供能量的工廠，這些工廠能將石油化學產品變成其他各種化學物品。

用活的有機物代替石油化學產品、天然氣和煤來制造我們日常生活中所用的產品不僅對氣候和環境有利，對全球經濟來說也是一件好事。我們已經在農業領域使用這種方式。從長期角度來說，在制造擁有很多屬性的廉價材料方面，微生物擁有很大的潛力。我們可以摒棄目前從地下挖取原材料的方式，代之以在巨大的充滿了活體微生物的生物反應器內“孵化”出這些材料。

要想基于生物的化學產品真正成為主流，它必須能在價格與性能方面，與傳統的化學產品相媲美。因為系統代謝工程學技術的不斷進步，這一目標目前似乎可以實現。代謝工程學的基本宗旨是改變微生物的生物化學屬性，使其大部分能量和資源能夠被合成有用的化學產品。有時候，修改包括改變有機物的遺傳組成；有時候，修改包括改變微生物的代謝機制進行，這一點相比前者更加復雜。

隨著合成生物學、系統生物學和進化工程學最近取得進展，代謝工程學現在能創造出可以制造以常規手段難以制取（因而十分昂貴）的化學物質的生物系統。在最近一次成功的演示活動中，經特殊設定的微生物生成了PlGA，這是一種可植入、能夠生物降解的聚合物，可用于外科縫合、移植和修復，也可以用作治療癌癥和感染的藥物輸送材料。

系統代謝工程學也被用來制造酵母菌株，這些酵母菌株能夠為疼痛治療制造阿片。全世界都需要這些藥物，尤其是發展中國家，因為這些國家目前還不能高效地管理疼痛。

區塊鏈為數據“保駕護航”

數字貨幣比特幣背后的區塊鏈技術是一種分散式的公共交易分類賬，它不被任何企業或個人擁有或控制。任何用戶都可以讀取完整的區塊鏈。借用編制密碼的數字手段，資金每次從一個賬戶轉至另一個賬戶都被以一種安全和可證實的方式記錄下來。由于區塊鏈的眾多副本散步在全球各地，它被認為能夠有效防止篡改。

比特幣對執法和國際現金控制提出的挑戰已經引發了各界人士的廣泛討論，但是，區塊鏈分類賬的用途已經超出了簡單的金錢交易范疇。

與互聯網一樣，區塊鏈是一個基于其他技術和應用的開放的全球基礎設施；而且，與互聯網一樣，區塊鏈使得人們在彼此之間交易時，能夠摒棄傳統的中間人，因此能降低甚至消除交易成本。

通過使用區塊鏈，個人不需要銀行賬號就能安全地交換金錢或者購買保險，甚至能跨越國境。區塊鏈技術也讓陌生人能夠不通過律師就簽署簡單且可實施的合同。它使得人們可以直接出售房產、票務、股票以及其他資產而不需要任何中間商。

專業中間商，比如銀行、律師和股票經紀人面臨的長期后果可能非常嚴重，當然，并非完全是不好的影響，因為他們的產業本身在做生意的時候也付出了高額的交易費。例如，桑坦德創新風投資（Santander旗下1億美元金融科技風險投資基金會）的分析師們估計，到2022年，區塊鏈技術每年可以為銀行節約200多億美元的成本。

二維材料為科學家提供新工具

新材料能改變世界。我們現在所謂的“青銅時代”和“鐵器時代”都與材料有關，而且，水泥、不銹鋼以及硅使得現代世紀成為可能。

現在，一類具有巨大潛力的新材料（每種材料都由單層原子構成）正如雨后春筍般涌現。這個被稱為二維材料的新型材料家族在過去幾年間不斷壯大，現已包括了呈網格狀的碳（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，比如由碳合成石墨炔（Graphynes）等。每一種材料都有令人興奮的特性，而且可以像搭樂高那樣把各種二維物質組合起來形成更多的新材料。

二維材料領域的革命始于2004年。那一年，英國曼切斯特大學的科學家安德烈·蓋姆和科斯提亞·諾沃謝夫用透明膠帶撕出來的石墨烯，讓全世界的科學家毫無保留地獻出了他們的膝蓋，而這兩位科學家也因此榮膺2010年諾貝爾獎。