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·技术支持分类 ·头条 | 2016十大新兴技术: 自动驾驶、人工智能等上榜
常见问题

据《科学美国人》网站近日报道,世界经济论坛近日在夏季达沃斯年会上发布了2016年度十大新兴技术,这份榜单由该论坛的新兴技术跨界理事会编纂,与《科学美国人》杂志合作发表。他们相信这十大技术展示了创新的力量,能够改变人类的生活,以及变革工业的面貌并保护我们的星球。

 

自动驾驶汽车渐入佳境

汽车的出现改变了现代生活的面貌:改变了我们的生活所在地、购买习惯、工作方式等。随着汽车越来越普遍,它们已经成为社会文化和生态不可分割的一部分。

我们正处在一个变革性的交通技术改变之巅:从有人驾驶的汽车到能够自动驾驶的汽车转变,每个人都被裹挟其中。尽管目前自动汽车对于社会的长期影响很难预测,但有一点毋庸置疑:它将给我们的生活带来深刻的影响。

谷歌等企业多年来一直在测试自动驾驶汽车,并取得了不少成绩。这些智能车会对来自车载雷达、摄像头、超声测距仪、全球定位系统(GPS)以及存储地图的大量传感数据进行处理,在没有人力干预的情况下,畅行于日益复杂且快速变化的交通环境中。

不过,消费者才刚刚开始使用具备自动驾驶能力的车辆。自动驾驶的推广将通过稳步实现传统车辆没有的日益智能化、安全和便利功能来逐步进行。例如,某些车型已经提供自动平行泊车、车道自动保持、紧急制动甚至半自动巡航控制等功能。去年10月,特斯拉汽车公司推出了一款供特斯拉车主下载的软件包,可实现有限形式的自动驾驶操作。特斯拉推出的自动驾驶功能可代替驾车人控制并调整方向盘角度和车辆行驶速度,让车辆在原有车道内平稳行驶,并与前车保持安全距离。

随着技术不断成熟,法律和监管逐渐放开,无人驾驶这一趋势可能会持续进行下去。目前,美国已有6个州准许无人驾驶汽车上路,更多州可能会紧随其后。而且汽车保险商和立法机构正在就相关事宜进行讨论,比如,当自动驾驶汽车撞车时,责任和成本如何承担等。尽管自动驾驶汽车被寄予厚望,人们认为它比现在汽车更安全,但难免也会发生事故。

当然,这方面还有很多改善空间。在美国,撞车等事故每年会导致3万人丧命、230万人受伤。自动驾驶汽车可能也有诸多不足之处,比如软件非常复杂,但它们不会出现分神或冒险等行为,而这两者是目前交通事故的“罪魁祸首”。

一旦汽车或卡车实现常规性自动驾驶,整个社会将面临更深远的变革。对很多人来说,拥有专属于自己的汽车将不再是现代生活的一项必需品。共享汽车和无人驾驶出租车以及运载服务可能会成为常态。这种变化将让年老体弱者大大受益,要知道,老龄化已成为很多国家的一种趋势。共享能编程的汽车有望降低对本地停车场的需求;通过预防事故降低拥堵并使安全高速驾驶成为可能。

与其他技术一样,自动驾驶汽车也有自己的缺点和不足。未来,商业驾驶可能不再是一项稳定的职业。同时,共享汽车也提出了一些棘手的隐私和安全问题。另外,越来越多人能买得起汽车,这可能会加剧而非缓解交通拥堵或污染等问题。但自动驾驶汽车带来的好处如此不可抗拒,因此,它们的广泛使用只是时间问题,而不是能否成真的问题。

 

物联网迈向纳米化

利用廉价的微型传感器以及微型处理器,加上微型供电装置以及无线天线搭建起来的物联网,正在迅速把网络世界从计算机和移动装置扩展至物质世界中的常用物品:恒温调节器汽车、门锁甚至宠物跟踪器。人们每天几乎都会宣布推出了新的物联网装置。分析师们估计,到2020年,将有300亿台这样的装置。

互联物品,尤其是这些由人工智能系统监控和控制的互联物品的爆发式发展,可能赋予普通物品令人惊叹的功能:比如在认出自己的主人已经下班,正在回家的路上时,房门会自动打开;或者一款植入体内的心脏检测器能在器官出现异常症状时通知医生。

科学家们已经开始把传感器的尺寸从毫米或微米级缩小到纳米级,小到能在生物体内循环;小到能直接混合到建筑材料内,这是朝纳米物联网迈出的关键第一步,而纳米物联网有望引领医学及其他许多行业迈入一个全新的天地。

迄今最先进的纳米传感器中,有些通过使用合成生物学工具修改单细胞的有机体,比如细菌制成,这些过程的目标是构建出简单的生物计算机,这些计算机使用DNA和蛋白质来识别特定的化学物质;存储几个比特的信息;随后再通过改变颜色或释放出其他容易探测的信号来报告其状态。

而有些纳米传感器由非生物材料,比如碳纳米管等制造而成,其能像无线纳米天线一样,感应并发送信号。

因为这些纳米传感器如此小,其能从数百万个点那儿收集信息。接着,外部设备将这些数据整合在一起,生成详细程度不可思议的地图,揭示光、振动、电流、磁场、化学浓度以及其他环境最细微的变化。

现在看来,从智能传感器过渡到纳米物联网这一趋势似乎已经定局,但仍然有几个问题需要解决。一个技术挑战是将所有需要的元件整合成一个能自我供电的纳米设备,从而探测到变化并将数据上载到互联网;另一个技术障碍则包括麻烦的隐私和安全问题。任何植入体内的纳米设备——不管是有意还是无意植入,都可能有毒,也可能诱发身体的免疫反应。另外,这一技术可能也会使不受欢迎的监控成为可能。因此,在使用时,首先应该将纳米传感器嵌入或植入简单且风险小的生物体内,比如嵌入植物和工业过程中用到的不会感染的微生物体内,以避免这些恼人的问题,并对这一技术进行进一步的验证。

当纳米物联网到来时,它可能会为我们提供与城市、房屋、工厂甚至我们身体有关的更详细、更廉价、更新的图像。今天,交通灯、可穿戴设备或监控摄像头几乎在逐步联网。下一步,数十亿纳米传感器可能会捕获大量实时信息并将其上载到云端。

 

下一代增容的电池

近年来,太阳能和风能的容量已取得了两位数的增长,但太阳能和风能比较反复无常。尽管每年风力发电厂的规模越来越大;太阳能电池的效率由于光伏材料的改进而不断提高,但这些可再生能源仍然只能提供全球总电力需求的5%左右。

更好的电池可能可以解决这一问题,使零排放的可再生能源发展更快,更容易给目前没有电就无法生存的12亿人提供可靠的电力。

在过去几年里,具有足够大的容量,可以为整个工厂、城镇甚至连接孤立乡间社区的“微型电网”供电的新型蓄电池得到了验证。这些蓄电池是以钠、铝或者锌为基本材料。它们不再含有传统铅酸电池使用的笨重金属以及腐蚀性化学物质;而且,与目前电子设备和电动汽车广泛使用的锂电池相比,它们更便宜、更容易扩大规模,也更安全。这些新技术更适用于主要依靠太阳能或风能的系统。

例如,去年10月份,流体能量(Fluidic Energy)公司宣布,与印尼政府签署了一项协议,在500个偏远的乡村布设35兆瓦的太阳能电池板,为170万人提供家庭用电。为了提供可靠的电力,太阳能电池系统将使用该公司的锌-空气电池来存储250兆瓦小时的能量。今年4月份,该公司与马达加斯加签署了同样的协议,为100个偏远村庄布设太阳能电池板。

对于目前无法从电网获得电力供应的人来说,可再生能源发电和电网级蓄电池的结合是极具变革性的;而且,对于致力于节能减排的发达国家来说,更好的电池也拥有巨大的潜力。

 

开放式人工智能生态系统

苹果公司的Siri、谷歌公司的OK Google、微软公司的Cortana以及亚马逊公司的Echo等能提供极好的服务,它们能使用自然语言处理程序从人们的言谈中提取出问题,接着提供一些有限的帮助,比如,查找餐厅、获得汽车的行驶线路、为聚会找一个空旷的场地或仅仅进行一次简答的网页搜索。但我们经常会遇到的情况是,它们对某个帮助请求给出的反馈是“对不起,我不知道”,或者“这就是我在网上找的”,这与私人助手贴心又温柔的辅助真是不可同日而语。而且,这些系统都是大公司的专利产品,对于企业来说,很难给其添加新功能。

但是,在过去几年里,多项新兴技术相互“联姻”,让我们能更容易制造出功能更强大、更类似人的数字助手——也就是说,更容易形成一个开放的人工智能生态系统。这一生态系统不仅与我们的移动装置和电脑相连,并且通过这些移动装置和计算机访问我们的信息、通讯录、财政状况、日程安排以及工作文件,而且与卧室中的恒温调节器、浴室中的体重计、手腕上的手环甚至马路上的汽车相连。今后几年里,互联网与物联网以及你自己的个人数据的互相连接——这些连接可以在任何地方通过与人工智能对话立即实现——可以在未来几年释放更高的生产率,让数百万人更健康和幸福。

通过集中使用匿名的健康数据并向个人提供个性化的健康建议,这样的系统应该可以在健康方面取得显著成效并降低医疗保健的成本。人工智能在金融服务领域的应用应该能够减少错误,为上年纪的人提供新的保护。

这一技术的核心机密是情境。直到现在,机器一直不太注意我们的工作、身体以及生活的细节。一名人类私人助理知道你何时能打扰、何时感到压力、何时烦躁、何时感到饥饿、何时觉得累;它也知道什么人、什么事对你很重要;什么人或事你想避开。人工智能系统也在慢慢学习并获得这些技能。尽管刚一开始,它们可能没有人类那么多才多艺,但它们将会变得很有用,至少价格上占据绝对优势地位。

目前,已有数家公司研制出了这样的系统并进行了展示。比如,微软公司的科学家建造了一个系统,能够知道你何时很忙因此没法打电话,并在你合适的时候安排会面。而一些公司能基于简单的英语提问,为你搜寻适合自己偏好的航班信息。

 

光遗传学“照亮”临床神经科学

大脑,即使相对来说像老鼠那样比较简单的大脑,其功能都非常复杂。神经科学家们和心理学家们能观测大脑对不同刺激的反应,他们甚至标识出了大脑的基因如何被表达,但无法控制个体神经元和其他类型的大脑细胞何时关闭和打开。因此,很难解释大脑的工作原理,并最终治愈帕金森症和抑郁等疾病。

那么,神经科学家如何通过测量大脑中的信息流来了解大脑的功能呢?传统的方法是用电极记录和测量神经元的活动,但电极会刺激周围的每个神经元且无法区分不同的大脑细胞,因此,这是一个比较粗糙也不精确的方法。

2005年,神经科学家们展示了一项新技术,借用遗传工程方法让神经细胞对特定颜色的光做出反应,这一技术就是所谓的光遗传学技术,这一技术基于科学家们在上世纪70年代对色素蛋白,也就是所谓的视紫红质进行的研究。没有眼睛的微生物在视紫红质(由视蛋白编码)的帮助下从入射光那儿获取能量和信息。

通过插入一个或者多个视蛋白基因进入老鼠特定的神经元内,生物学家们现在能够使用可见光来随意地将特定神经元打开或者关闭。过去几年,科学家们已经定制了不同版本的这些蛋白,能够对不同的颜色做出反应,从深红色到绿色再到蓝色。通过将不同的基因放入不同的细胞内,他们使用不同颜色的光脉冲,采用精确地时间顺序,激活一个神经元和其几位邻居。

这是一个至关重要的进展,因为在生物体的大脑内,时间就意味着一切。

光遗传技术的出现显著加快了脑科学领域的进步。但由于将光递送到脑组织内部是一件难事,因此,实验受限。现在,科学家们正在对超薄的柔性微芯片(“块头”还没有一个神经元大)进行测试,此类设备作为可注射设备,将神经置于无线控制之下。它们能够被插入脑部深处,而对周围组织几乎不造成任何损害。

光遗传技术已经为帕金森症震颤、慢性疼痛、视力损伤和抑郁等大脑疾病打开了新大门。大脑神经化学显然与某些大脑疾病存在重要关联,这便是药物可在一定程度上帮助改善症状的原因。但在大脑的高速电路同时受到扰乱的区域,光遗传学研究——尤其是在新兴无线微芯片技术的支持下——可提供新治疗途径。例如,最新研究表明,在某些案例中,关闭特定神经元的非侵入性光疗法可以治疗慢性疼痛,从而为现有疼痛疗法提供了一种替代治疗方案。

 

芯片器官带来生物学新视野

很多重要的生物学研究和实用药物测试只能通过研究某个器官在工作时的“一举一动”才能进行,一项新技术能在微芯片上培育功能性的人类器官模块,这种“芯片器官”或许可满足这一需要,使科学家能以前所未有的方式研究生理学机制和行为,为药物研发提供机会。

2010年,哈佛大学威斯研究所的唐纳德·因格贝尔利用微芯片制造技术与组织工程技术,将人类细胞与真空芯片结合,制造出“一片”能自由呼吸的“芯片肺脏”,这是第一款芯片器官。

私人企业闻风而动。由因格贝尔和威斯研究所其他同事领导的“模拟(Emulate)”公司与研究机构、业内公司和包括美国国防部先进研究计划局(DAPRA)在内的政府部门缔结了合作关系。迄今为止,已有多个组织报告成功制造出肺、肝、肾、心脏、骨髓以及眼角膜等“芯片器官”。此外,源自英国牛津大学的CN Bio机构研制出名为量子-B的肝脏芯片,可帮助科研人员找到治愈乙肝的方法。

每个芯片器官的尺寸大约与USB存储器相仿。它由柔韧、半透明的聚合物制成。在芯片内部存在布局复杂的微流体管道,每根微流体管道的直径不到1毫米,布满取自目标器官的人类细胞。当营养物、血液及实验药物等测试用混合物被泵入管道时,这些细胞会复制活体器官的某些关键功能。

芯片内部的小室可以模拟某一器官组织的特殊结构,例如肺部微小的气囊;然后非常精确地模拟人类的呼吸,让空气通过气道。与此同时,可以将混合着细菌的血液泵入其他管道,科学家就可以观察细胞如何对感染做出反应。这项技术将使科学家看到以前从未看到过的生物机制和生理行为。

由于“芯片器官”装置对诸如细菌以及空气污染产生的反应和活体器官相似,在未来将有可能会被用来测试药物安全以及人体对环境的反应。若获得监管部门批准,这些装置能大大减少制药检查方面对活体动物实验的依赖,同时也能减少制药成本、缩短药物推向市场的时间。

军队和生物防御研究人员也看到了芯片器官以不同方式挽救生命的潜力。模拟肺脏和其他类似的设备或许可以用于测试器官对生物、化学或放射武器的反应。但因为伦理问题,目前还无法进行类似的测试。

 

钙钛矿太阳能电池效率大增

目前支配世界市场的硅基太阳能电池面临着三个瓶颈。利用钙钛矿来替代硅这种新的制造高效太阳能电池的方法,或许能一次解决这三个问题并且从阳光中获得更多能量。

硅基光伏电池的第一个局限性在于:它们由一种很少在自然界中找到纯净成分的元素制成,尽管氧化硅并不短缺,但是,将其中的氧气去除从而获得纯净的硅会耗费大量能量。一般来说,制造商们在一个电弧炉内将氧化硅在1500到2000摄氏度融化,此过程会排放不少温室气体,因此,制造硅基光伏电池的成本相对来说就比较高。

钙钛矿是一类范围广泛的材料,其主要由碳和氢制成的有机分子结合铅等金属以及氯等卤族元素采用三位晶体结构制成,其制造成本更加低廉而且温室气体排放更少。制造商们可以将很多液态溶液混合,然后沉积出钙钛矿薄膜,不需要电弧炉,薄膜本身也非常轻。

这些属性因此消除了硅太阳能电池的第二个限制:坚硬且笨重。平的以及大块板状的硅基光伏电池表现最出色,但是,这些太阳能电池板使得大规模安装非常昂贵。

传统硅基太阳能电池的第三个主要限制在于其能源转化效率,15年来,其能效一直卡在25%。当钙钛矿首次问世时,其能效比硅基太阳能电池更低。2009年,由铅、碘化物以及铵制成的钙钛矿太阳能电池只能将4%的太阳光转化为电能,但是,钙钛矿太阳能电池的发展势头非常迅猛,部分原因在于钙钛矿有数千种不同的组成。

到2016年,钙钛矿太阳能电池的能效已经超过20%,7年之内提高了4倍,而且,过去两年更是令人惊叹地翻了一番。它们目前在商业上与光伏电池展开竞争,且可能远远没有达到效率极限。虽然硅基太阳能电池技术已经非常成熟,但钙钛矿太阳能电池在不断优化。

不过,我们也不能急着向它“托付终身”,想要实现钙钛矿电池的巨大商业价值,目前还有3个难题急需解决:首先钙钛矿有毒。钙钛矿电池材料含有铅,这是一种对人体和环境有极大危害的元素。美国西北大学已研发出一种用锡代替铅的钙钛矿太阳能电池,但转换效率还只有6%。这种电池还处于研发初级阶段,效率在未来还有提升空间;第二,钙钛矿电池中的铅容易氧化挥发,而当晶体遇水时则易分解。如果我们使用钙钛矿电池发电,它很有可能渗出流到屋顶或土壤中,对环境产生威胁;第三,钙钛矿电池寿命不长。目前,寿命最长的钙钛矿太阳能电池可达到1000小时,而传统晶硅电池寿命一般可达到25年。

尽管钙钛矿的未来依旧困难重重,但在能源紧缺的今天,人们不会放弃任何产生新能源的机会。与其他新兴的电池技术携手,钙钛矿太阳能电池或许也能改善缺乏可靠电力的12亿人的生活水平。

 

系统代谢工程学变微生物为工厂

跟踪我们每天购买和使用的产品,从塑料、衣物到化妆品和燃料,追本溯源,你将发现它们大都由来自于地下深处的物品制成。制造这些产品的工厂也或多或少由各种化学物质组成。而且,这些化学物质来自于主要由化石燃料提供能量的工厂,这些工厂能将石化产品变成其他各种化学物品。

用活的有机物代替石油化学产品、天然气和煤来制造我们日常生活中所用的产品不仅对气候和环境有利;对全球经济来说也是一件好事。我们已经在农业领域使用这种方式。从长期来说,在制造拥有很多属性的廉价材料方面,微生物拥有很大的潜力。我们可以摒弃目前从地下挖取原材料的方式,代之以在充满了活体微生物的巨大生物反应器内“孵化”出这些材料。

要想基于生物的化学产品真正成为主流,它必须能在价格与性能方面,与传统的化学产品相媲美。随着系统代谢工程学技术的不断进步,这一目标目前似乎可以实现。代谢工程学的基本宗旨是改变微生物的生物化学属性,使其大部分能量和资源能被合成有用的化学产品。有时候,修改包括改变有机物的遗传组成;有时候,修改包括改变微生物的代谢机制,这一点相比前者更加复杂。

随着合成生物学、系统生物学和进化工程学取得进展,代谢工程学现在能创造出生物系统,制造以常规手段难以制取(因而十分昂贵)的化学物质。在最近一次成功的演示活动中,经特殊设定的微生物生成了一种可植入、能生物降解的聚合物PLGA,可用于外科缝合、移植和修复,也可以用作治疗癌症和感染的药物输送材料。此外,系统代谢工程学也被用来制造酵母菌株。

使用新陈代谢工程学能够制造的化学物质范围逐年加大。尽管这一技术目前还不能制造出所有石化产品制造的产品,但它有可能制造出无法用石油廉价制造的新奇化学物质,尤其是复杂的有机化合物,这些材料目前必须从植物或者动物中提取,因此“身价”很高、产量很小。

与化石燃料不同,由微生物制造的化学物质可回收且几乎不会释放温室气体,而且,有些物质甚至有潜力通过吸收二氧化碳或甲烷并将其整合成最终可被作为固体废物埋掉的产品,从而减少大气中二氧化碳的含量。

 

区块链为数据“保驾护航”

数字货币比特币背后的区块链技术是一种分散式的公共交易分类账,它不被任何企业或个人拥有或控制。任何用户都可以读取完整的区块链。借用编制密码的数字手段,资金每次从一个账户转至另一个账户都会以一种安全和可证实的方式记录下来。由于区块链的众多副本散布在全球各地,它被认为能够有效防止篡改。

比特币对执法和国际现金控制提出的挑战已引发各界人士的广泛讨论,但是,区块链分类账的用途已经超出简单的金钱交易范畴。

与互联网一样,区块链是一个基于其他技术和应用的开放式全球基础设施;而且,与互联网一样,区块链使得交易能够摒弃传统的中间人,降低甚至消除交易成本。

通过使用区块链,个人不需要银行账号就能安全地交换金钱或者购买保险,甚至能跨越国境。区块链技术也让陌生人能够不通过律师就签署简单且可实施的合同。它使得人们可以直接出售房产、票务、股票以及其他资产而无需任何中间商。据估计,到2022年,区块链技术每年可为银行节约200多亿美元的成本。

大约50家银行已经宣布了区块链项目。去年,投资人向那些利用区块链做生意的初创公司砸下了10亿美金。包括微软、IBM以及谷歌在内的技术巨头们都有各自在进行的区块链项目。很多公司着迷于区块链技术在解决互联网商业中的两大顽疾——隐私和安全问题等方面的潜能。

因为区块链交易被公钥和私钥记录,这些密钥都是一些普通人难以理解的长字符,当允许第三方核验他们的数字交易时,人们能选择保持匿名。而且,除了个人,机构也能使用区块链存储公共记录以及有约束力的承诺。例如,英国剑桥大学的研究人员已经证明,如何要求制药公司将临床药物测试中必要而详细的描述添加到区块链上。这将阻止该公司在测试没有获得预期效果的情况下改变条件,这是制药公司的一个常用伎俩。

 

二维材料能提供科研新工具

新材料能改变世界。现在,一类具有巨大潜力的由单层原子构成的新材料正如雨后春笋般涌现。这个被称为二维材料的新型材料家族在过去几年间不断壮大,现已包括了呈网格状的碳(石墨烯)、硼(硼墨烯)、六方氮化硼(白色石墨烯)、锗(锗烯)、硅(硅烯)、磷(黑磷)以及锡(锡烯)等。更多二维材料已被证明在理论上是可行的,但迄今尚未被合成出来,比如由碳合成石墨炔(Graphynes)等。每一种材料都有令人兴奋的特性,而且可以像搭乐高那样组合起来形成更多的新材料。

二维材料领域的革命始于2004年。那一年,英国曼切斯特大学的科学家安德烈·盖姆和科斯提亚·诺沃谢夫用透明胶带撕出来石墨烯,让全世界的科学家顶礼膜拜,而这两位科学家也因此荣膺2010年诺贝尔奖。

石墨烯比钢还坚固,比钻石硬,非常轻、透明、柔软,且拥有超高的导电性,因此,在量子计算、生物计算、光计算、碳纳米管等硅计算替代者中脱颖而出。

尽管刚开始石墨烯比黄金还贵,但由于生产技术的不断改进,石墨烯的价格已大幅下降。石墨烯现在非常便宜,可以将其整合到滤水设备内,从而使水脱盐和污水处理更便宜。随着成本不断降低,石墨烯能被添加到用于铺路的混合物或水泥内来清理城市,除了其坚固耐用之外,它也能从大气中吸收一氧化碳和氧化氮。

其他二维材料可能也将跟随石墨烯的发展步伐,随着成本的不断降低,用在包括电子设备在内的多个领域。例如,石墨烯已被用来制造能被缝入服装内的柔性传感器。当被添加到聚合物内时,石墨烯能够提供更轻质的机翼以及汽车轮胎。

六方氮化硼已与石墨烯和氮化硼“联姻”来改善锂电池和超级电容的性能。通过将更多能量包裹于更小的空间内,这一材料能够降低充电时间;延长电池的寿命并且降低智能手机和电动汽车的重量。

不管什么新材料进入环境,其是否有毒一直是人们关注的重点。当然,我们必须非常谨慎。科学家们已经对石墨烯是否有毒进行了长达10年的研究,目前为止,还没有任何证据表明其对人们的健康或者环境有害,但是,研究仍在持续进行。

二维材料的发明为技术专家们制造出了多个功能强大的工具。科学家们和工程师们可以将光学、力学和电学属性各异的材料混合在一起,制造出拥有更多功能的产品。20世纪的创造基石—钢铁和硅与这些新型材料相比也相形见绌。

 

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