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《自然》姐妹刊:2019年十大新兴技术

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 黄琨 • 2019-12-06 09:25:01 来源:前瞻网 E3279G0

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临近年末,各行各业又到了盘点过去12个月成就与遗憾的时候。作为《自然》的姐妹出版物,《科学美国人》近期与世界经济论坛一起,召集了一个由国际顶尖技术专家组成的小组,评选出了2019年的“十大新兴技术”。

相较于专业的科学刊物《自然》,《科学美国人》的定位更偏向于科普刊物,更加大众化。这本杂志并不采用类似《自然》杂志同行评审的方式审查稿件,而是提供一个公开论坛,呈现科学理论和科学新发现,其受众包括企业主、高级经理人、决策者和意见领袖,与《自然》的学术受众形成互补。

因此,这次评选的2019十大新兴技术也并不纯粹是学术领域最先进、最前沿的成果,还注重其与当前产业的结合。本次评选的标准包括以下问题:提名的技术是否有产生巨大社会和经济利益的潜力?他们能改变当前的生产方式吗?它们是否仍处于开发的早期阶段,但吸引了研究实验室、公司或投资者的大量兴趣?他们可能在未来几年取得重大进展吗?

经过4次虚拟会议,技术专家们评选出了以下10项近年内可能会迅猛发展的新兴技术:

1、生物塑料

生态环境是近年来的热点话。其中,塑料垃圾已经成了威胁世界生态的一大因素。根据世界经济论坛的数据,2014年,全球生产了3.11亿吨塑料,预计到2050年这一数字将增长2倍。然而,只有15%的塑料得到回收,剩下的大部分被焚烧、填埋,甚至直接被丢弃在大自然中。

由于传统的塑料难以降解,它们可能在自然环境中存在数百年,如果被投入海中,问题将更加严重——它们可能被海洋生物误食,再通过食物链进入人类体内。根据奥地利维也纳医科大学对志愿者粪便的观察,推测每人每年吃下约7.3万片微塑料。

塑料危机迫在眉睫,可能会推动生物可降解塑料产业的大发展,打造“循环”塑料经济。

所谓生物可降解塑料,就是指以淀粉等天然物质为基础在微生物作用下生成的塑料,其来源和转化的结果都是生物质。和从石化产品中提取的化学塑料一样,生物塑料也由聚合物(长链分子)组成,这些聚合物在液态时可以模压成各种形状。

早前的研究集中在如何用玉米、甘蔗或废油脂、食用油制成塑料,然而,其产物通常难以具备传统塑料的机械强度和视觉特性,因此难以大规模应用。不过,转机已经出现。最近科学家们开始研究如何用纤维素和木质素(植物中的干物质)生产塑料,以克服上述缺点。

纤维素和木质素是地球上最丰富的有机聚合物,是植物细胞壁的主要成分。

其中,木质素单体是由芳香烃环(aromatic rings)组成的,而芳香烃环也是在部分传统塑料提供机械强度的结构。木质素在大多数溶剂中不溶解,但研究人员找到了用离子液体将其与木材和木本植物分离的方法。类似于真菌和细菌的基因工程酶可以将溶解的木质素分解成其成分。

目前,业界已经聚焦这一突破,包括伦敦帝国理工学院旗下公司在内的不少生物技术公司都在这一领域投入了巨大力量。可以预计,只要解决成本和用地用水问题,这一产业将迎来爆发式的增长。

2、社交机器人

在工业、医学等领域,机器人已经在被广泛使用,但是这离人们对机器“人”的设想仍有很大差距。

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不过,近年来人工智能(AI)技术的发展,让人类有机会把千百年来积累的心理学和神经科学知识转化成算法,让机器人不仅能识别声音、面孔和情绪,还能对复杂的语言和非语言线索做出合适反应。除此以外,他们未来还能人类进行“眼神”交流。总体而言,机器人正越来越像“人”,和人交流的能力越来越强。

因此,社交机器人具有良好的发展前景。事实上,相关产业已经初具规模。例如,软银机器人推出的“小辣椒”(Pepper)机器人已经出货超过1.5万。这种机器人已经可以识别人脸和基本的人类情感,能通过“胸部”的触摸屏进行对话,在全球各大酒店、机场、购物场所为客户提供引导和交流服务。

技术专家们对社交机器人产业增长的信心,还来自一个特殊领域——养老。全世界多个地区的老龄化趋势都在加强,这是机器人应用的绝佳领域,不少公司都盯着这块香饽饽。此外,消费领域和育儿领域也都有社交机器人存在的空间。

根据《科学美国人》预计,2018年,全球消费型机器人的销售额估计达到56亿美元,到2025年底,这一市场将增长到190亿美元,每年将售出6500多万台机器人。

3、微型光学设备

作为一个小众领域,光学行业的技术突破似乎没多少人关心,但事实上,相关产品的应用一直和我们生活息息相关。比如说,传统的玻璃切割和玻璃弯曲技术很难造出微小镜片,因此,手机摄像头的镜片为了对焦准确而堆叠起来后,让手机难以继续轻薄化。另外,显微镜等高级光学工具也受到了这种困扰。

工程师们发现了一种用金属取代玻璃,制造光学仪器的神奇方法。这种技术需要用到极薄的金属板,厚度小于1微米,在它的表面,工程师用纳米级别的工艺添加由不同的凸起和凹陷、穿孔。

当入射光线照射到这些位置时,光的偏振、强度、相位、方向等性质就会发生变化。通过精确定位纳米尺度的物体,就能确保金属材料发出的光具有选定的特征。这种“金属镜片”的最突出特点就是很薄,工程师完全可以用几个金属壳堆叠在一起做成小型元器件。

过去1年,科研人员在这一技术上取得了一项重大的技术突破,解决了新镜片的色差问题。这个问题来源于白光通过一个典型透镜成像时,不同波长的光线有不同的折射率,使不同的色光有不同的传播光路,从而呈现出因不同色光的光路差别而引起的像差。

新的金属镜片通过精确射击,可以将白光中所有波长的光线聚焦在同一点上,除了这种金属镜片本身无色差外,类似产品还有帮助其他产品纠正色差的潜力,可以消除图像扭曲、模糊、散光等问题。

更重要的是,除了减小光学元件尺寸外,金属化最终还会降低光学元件的成本。据悉,这种小型金属透镜完全可以用现成的半导体工业设备制造。这无疑是其被选为年度十大新兴技术的一大原因。

目前的问题是,以现有的技术,要精确地将纳米尺度的物件布置在厘米级别的芯片上,成本还是很高。同时,金属镜片暂时还无法做到玻璃透镜那么有效地透光。

在未来几年里,金属镜片可能会先取代玻璃镜片在一些小型简易设备——如内窥镜成像设备和光纤——中使用。这已经足够吸引人,至少谷歌和三星在这方面都已加以研究。

4、无序蛋白质

几十年前,科学家们发现了一类特殊的蛋白质,它可能是从癌症到神经退行性等一系列重疾的重要原因。

这种蛋白叫“固有无序蛋白质”(IDPs),是一种无序蛋白质。所谓无须,是指它与细胞中常见的具有刚性结构的蛋白不同,没有稳定三维结构。因为没有稳定的状态,IDP经常作为“组件”,参与其他的各种生物反应,如DNA转录等。

研究成果表明,这种松散的结构使得IDP具有易结合、空间优越性和高度协调性的生物学优势,能够在关键时刻(如细胞对压力的反应)将各种各样的分子聚集在一起。然而,当它们的错误表达时,也可能造成细胞的变化,各种重疾将接踵而至,包括一些癌症和阿尔茨海默症都被认为与其相关。

尽管发现了相关机理,但在此之前,科学家对此是束手无策的。因为目前使用的大多数药物需要把稳定的蛋白质结构作为标靶,而IDP留给药物发挥作用的时间不够长,一些众所周知的可能致癌的无序蛋白质——包括c-Myc、p53和k-ras——都太难以捉摸了。

不过,2017年,这种情况出现了变化,法国和西班牙的科学家发现,经FDA批准的名为三氟哌啶(trifluoperazine,用于治疗精神疾病和焦虑症)的药物,可以抑制在胰腺癌中起作用的无序蛋白NUPR1。这一结果证明,瞄准并攻击处于“模糊”状态的IDP是可能的。

在此后的研究中,科学家大规模筛选评估了数千种药物。他们发现其中有不少可以抑制c-Myc的药物,还有一些分子可以作用于β-淀粉样蛋白等与阿尔茨海默病等疾病有关的IDP。

这一发现引发了产业界的热情。如今,生物技术公司IDP Pharma正在开发一种蛋白抑制剂,用于治疗多发性骨髓瘤和小细胞肺癌;Graffinity Pharmaceuticals公司已经识别出了一种小分子,可以靶向作用于阿尔茨海默病病理相关的tau蛋白;Cantabio制药公司正在寻找小分子来稳定参与神经变性的IDP。

5、控释肥料

为了养活世界上不断增长的人口,全球化肥的使用量势必要加大。但传统化肥不仅效率不高,而且对环境有巨大损害。

过去农民施肥就2种方法,要么是往田地里喷洒氨水、尿素等物质,给作物补充氮元素;要么播撒碳酸钾或其他矿物颗粒,在与水反应时生成磷。但是用这2种方法,效率非常低,只有相对较少的一部分营养物质进入植物体内。剩下大量的氮会以温室气体的形式进入大气,而磷会流入水域,导致藻类等生物过度生长,造成经济损失。

在这种情况下,新型肥料应运而生。

过去,农业科学家们发明了一种被称为缓释肥料。他们把氮、磷和其他所需营养物质按照一定配比做成小胶囊,胶囊外壳的存在,减缓了水和内部营养物质结合的速度和营养物产物从胶囊中逸出的速度,让作物有时间充分吸收。

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今年的新研究更进一步,将“缓释”变成了“控释”,也就是可控释放——通过复杂的材料和制造技术制作调整外壳,使得营养物质可以随土壤温度、酸度或湿度的变化而释放。目前这一技术已经有了初步成果,例如海法集团推出的控释肥料和温度挂钩,当气温升高时,作物生长速度和肥料释放速度同步提升。

业内人士普遍表示,在未来的“精准农业”中,控释肥料是不可或缺的一环。按照设想,控释肥料将结合数据分析、人工智能和新型传感器等技术精确投放,从而提高作物产量,最大限度地减少养分的过度释放。不过,由于其他几项技术需要大量资金投入,需要较长时间,控释肥料可能是未来几年最先兴起的环节。

6、远程呈现(Telepresence)

在电影《王牌特工》中有一个场景,当主角带上高科技眼镜后,原本空荡荡的房间内就坐满了人,而在场的这些“人”实际上都是在远方的人投射的虚拟形象,这就是典型的远程呈现场景。

就像Skype和FaceTime等视频通话应用从商业领域进入大众市场,大规模多人在线游戏从根本上改变了人们在互联网上的互动方式一样,协作式远程呈现技术可能会改变人们在商业内外的虚拟互动方式。

想象一下,一群人在世界不同的地方流畅地互动,甚至能够感受到彼此的触摸。这种协同远程呈现可能会改变未来人们的生活方式,使物理位置变得无关紧要。

若干领域的进展使这一前景成为可能。首先是AR/VR技术渐入佳境,根据前瞻产业研究院整理的数据,高端VR设备市场近年持续增长,VR技术也开始由个人应用向工业、教育、医疗、零售等行业的企业级应用渗透。

其次,全球正飞快建设5G网络,未来的数据传输能力得以保障,而且没有延迟时间。新技术的应用将使VR产品的延迟减少近10倍,网络效率提高100倍,为消费者远程感受场景提供保障。远程传输不可能完成消除延迟,但是预测性AI算法可以弥补这一缺陷。

此外,创新者还在完善远程交互的相关技术,比如触觉传感器,让人们能够感受到他们控制的机器人触摸到什么。

《科学美国人》表示,远程呈现技术所需的一切都已准备就绪,相关产业将在3到5年内迎来变革式发展。例如,微软等公司在技术上下功夫,预计到2025年,这些技术将支撑一个价值数十亿美元的产业。

7、区块链追踪技术

据世界卫生组织统计,每年约有6亿人食物中毒,42万人死亡。而疫情爆发后,调查人员还要花几天到几周的时间来追踪源头。在此期间,更多的人可能会因此受害,许多食物可能会被不加分辨地处理掉。

要减少乃至杜绝食物中毒和食物浪费现象,区块链技术的应用至关重要。

区块链是一种分布式记账系统,它的分录按顺序记录在存储在多个地点的计算机上多个相同的“分类账”中,这种冗余布置使得篡改任何一本“账簿”,都不会对整个系统的记录造成影响,从而创建了一个高度可信的交易记录。

通过将种植者、分销商和零售商集成在一个公共链上,就能创建一套关于给定食品在端到端供应链中的可信路径记录。有了这项记录,零售商、餐馆等可以立即将受污染的食品从流通中移除,精准销毁有问题的库存商品。

早前,IBM已经研发出了基于区块链的云平台——IBM Food Trust,而且已经有大型销售商采用,比如家乐福、沃尔玛、山姆会员店、艾伯森公司、史密斯菲尔德食品公司等。在一项测试中,沃尔玛在几秒钟内查出了一件“受污染”商品的来源,这在过去可能要花几天时间。

8、新型核反应堆

福岛之后,全世界的人对核能闻之色变,许多国家的核电项目下马,核能技术发展陷入低谷。但是,随着近年来碳排放之类的问题热度渐起,核能作为清洁能源的典型,其发展重新被提上了议程。

过去几十年,主流轻水反应堆的原理是将二氧化铀的小颗粒堆积在由锆合金包裹的长圆柱棒内。锆可以让芯块中裂变释放的中子穿过,从而维持核裂变反应的延续。

问题是,如果控制失效导致锆过热,它会与水发生反应产生氢气,而氢气会爆炸。这种情况导致了世界上最严重的2起反应堆事故——1979年美国三里岛发生的爆炸和部分熔毁,以及2011年日本福岛第一核电站发生的爆炸和辐射泄漏都是因为这个原因。

目前,核能巨头西屋电气和法玛托姆都在开发所谓的耐事故燃料,降低燃料过热的几率,即使过热也只会产生很少,甚至不会产生氢气。有一种方向是改进锆合金包裹层,减少反应。还有的企业试图用不同材料取代锆和二氧化铀。

据报道,这种新技术并不需要对现有的反应堆做大幅改动,因此可以从现在开始逐步投入使用。不过,《科学美国人》提到,美国的核电已经被叫停,德国等许多发达国家也有重重限制。要让新一代核电技术开花结果,可能要靠俄罗斯和中国做表率。

俄罗斯还在部署其他安全措施;国有企业俄罗斯国家原子能公司(Rosatom)最近在国内外安装了较新的“被动”安全系统,即使核电站断电、冷却剂无法有效循环,这些系统也能抑制过热现象。西屋电气和其他公司也在其最新设计中加入了被动安全特性。

还有制造商在试验“第四代”反应堆模型,该模型使用液态钠或熔融盐代替水来转移裂变产生的热量,从而消除了产生危险氢气的可能性。据报道,中国计划在今年将一座示范性氦冷反应堆接入电网。

9、DNA数据存储

根据软件公司Domo的数据,2018年,全世界人每分钟会在谷歌进行388万次搜索、在YouTube上观看433万个视频、发送159362760封电子邮件、发布47.3万条推特、在Instagram发布4.9万张照片。

据估计,到2020年,全球每人每秒将产生1.7MB的数据,全年就是418MB。以世界人口78亿计算,这么下去,目前存储0和1的磁性或光学数据存储资源将在1个世纪内耗尽。此外,运行数据中心需要消耗大量的能量。简而言之,我们将面临严重的数据存储问题,随着时间的推移,这个问题只会变得更加严重。

有一种听上去很神奇的存储技术正在发展:基于DNA的数据存储。

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DNA是生命信息存储的材料,它由长链的核苷酸A、T、C和g组成,按照不同排序存储数据。无论是对其进行常规排序(读)、合成(写)和精确复制,都相当简单。另外,DNA的稳定性也足够高,比如说,现在的人还能对50多万年前的化石进行完整基因组测序。

真正值得关注的是DNA的存储容量。DNA能以远超过电子设备的密度,精确、大量地存储数据。例如,根据哈佛大学学者早前发布在《自然材料》杂志的计算结果,大肠杆菌的存储密度约为每立方厘米1019字节。也就是说,一个边长约1米的DNA立方体就可以很好地满足全世界目前1年的存储需求。

这一设想不只停留在理论上,2017年,丘奇在哈佛大学的团队采用了CRISPR技术,将人类手的图像记录到大肠杆菌的基因组中,之后又成功读取,准确率超过90%。近期,华盛顿大学和微软研究院联合开发了一套系统,可以自动书写、存储和读取DNA编码的数据。

当前,如果要与传统电子存储方法竞争,读写DNA的成本需要进一步降低。不过,即使DNA存储无法快速普及,它也几乎肯定会被用于某些特定行业。

10、可再生能源储存

过去几年间,风能、太阳能设备成本直线下降,全球对降碳的重视程度日益提高,促使全球发电结构发生了巨大变化。据美国能源情报署(EIA)的数据,10年间,美国可再生能源发电量翻了1番。而在未来2年,风能、太阳能和其他可再生能源仍是电力组合中增长最快的部分。

现在人们面临的问题是,没有与之相适应的储能方法。

当前主流的清洁能源发电手段,都相当不稳定。以年为尺度,风电春秋冬发电多,夏季发电少,太阳能夏秋发电多,春冬发电少;以天为尺度,风电早晨傍晚发电多,中午午夜发电少,太阳能白天发电多傍晚和晚上不发电。

这样的特性,如果不经处理接入电网,就给电网带来巨大的不稳定性,夏季用电多,风电跟不上,晚上用电多,太阳能发电亦无法满足需求。

因此,必须先把不稳定不持续的一次能源先通过积累存储送进储能系统,再通过适合电网运行的方式接入电网。

几十年来,抽水蓄能是世界主要的大规模蓄能方式之一。其原理非常简单,就是造水库。当发电量较高,电力充足时,开动抽水机把水抽到处于较高位置的水库。等到需要发电时开闸放水,水流经过沿途的涡轮,带动涡轮旋转发电。这种方法原理简单,而且行之有效,但是有大问题,一是造水坝很贵,二是对地形依赖大,很难普及。

因此最近一两年,朝电池技术攻关成为业界新热点。EIA称,到2019年2月,美国公用事业规模的蓄电池储能规模已经从10年前的区区几兆瓦跃升至866兆瓦。据伍德麦肯锡估计,从2018年到2019年,储能市场增长了1倍,而从2019年到2020年将增长2倍。

锂电池技术将成为未来5-10年能源行业新风口,这是业内的共识。届时,我们或许可以看到,锂电池系统能够储存4-8个小时的能量,足够将白天太阳能发的电供应给傍晚的用电高峰期。

问题在于,这可能就是锂离子电池的极限了。要让可再生能源在发电系统中真正扛大梁,必须有更好的储能系统和更强的调动能力,科学家必须实现对锂离子电池技术的超越。

目前可能的方向包括液流电池和氢燃料电池。目前业界有不少公司正在攻关,还有一些已经拿到了投资,但遗憾的是,暂时没有可以大规模量产使用的成品呈现出来。EIA称,到2017年底,美国只部署了3套大规模的流电池储能系统,而公用事业规模的氢动力系统仍处于示范阶段。

不过,随着全球减排的压力越来越大,在可再生能源市场发展的推动下,储能技术进步和火热是板上钉钉的事。

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