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2019年十大科技进展

简介想象一下,一项技术可以将你虚拟地传送到一个遥远的地点,并真实地感受到其他网络旅行者的握手和拥抱,那是否将会让你兴奋。此外还有:可...
想象一下,一项技术可以将你虚拟地传送到一个遥远的地点,并真实地感受到其他网络旅行者的握手和拥抱,那是否将会让你兴奋。此外还有:可以与人沟通的类人机器人;在短短几秒钟内确定食物中毒爆发源头的系统;为小型照相机和其他设备铺平道路的微型镜头;由植物废料制成的坚固、可降解的塑料;基于DNA的数据存储系统等。下面,让我们了解一下2019年最让人期待的十大科技进展。

1.生物塑料

塑料是人类的一项伟大发明,小到食品包装、大到建筑材料,甚至包含交通工具、医疗器械等诸多人类必需品都离不开它。

除此之外,海洋中堆积的塑料碎片会导致各种各样的问题,从野生动物误食到释放有毒化合物。它甚至可以通过受污染的鱼进入我们的身体。研究发现:在人体内发现了多达9种不同种类的微塑料。这种微塑料到底会对人类和动物产生多大的危害尚不可知。

生物可降解塑料可以缓解这些问题,有助于实现“循环”塑料经济的目标。与从石化产品中提取的普通塑料一样,可生物降解的塑料也由聚合物(长链分子)组成,这些聚合物在液态时可以模压成各种形状。然而,目前已经量产可再生塑料主要是由玉米、甘蔗或废油脂制成的,这种塑料的机械强度和视觉特征并不是很令人满意。最近,科学家在利用纤维素或木质素生产塑料方面取得的突破有望克服这些缺点。对环境的另一个好处是,纤维素和木质素可以从非食用植物中获得,比如巨型芦苇,或者废弃的木材和农业副产品。

2.食品跟踪技术

据世界卫生组织统计,每年约有6亿人食物中毒,42万人由此死亡。当疫情爆发时,调查人员可能要花几天甚至几周的时间来追踪源头。与此同时,更多的人可能会生病,大量未受污染的食品可能会被丢弃。寻找食物的来源是一项缓慢的工作,因为食物从农田到餐桌要经过一系列复杂的路径,而这些路径的记录被保存在当地的系统中,这些系统彼此之间往往没有通信。

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区块链技术的创新应用正开始解决可跟踪性的问题。与此同时,改进的食品包装提供了新的方法来确定食品是否在适当的温度下储存,以及它们是否已经开始变质。

区块链是一种分散的记账系统,它的内容可以按顺序记录在多个地点的计算机中。这就使得篡改任何一本账簿都是徒劳的,从而创建了一个高度可信的交易记录。在一项使用该技术的测试中,沃尔玛在几秒钟内查出了一件“受污染”商品的来源。如果按传统模式,这需要几天的时间。

3. 社交机器人

在工业和医学领域,机器人经常被用于制造、分解和检查东西;他们还能协助外科手术,在药房分发处方药。然而,对于普通用户而言,我们想要的并不是这种冰冷的机器。

“社交”机器人的设计初衷是与人互动,并引发情感共鸣。预计社交机器人在未来几年将变得更加复杂和普遍。机器人将比以往任何时候都具有更强大的交互能力和执行更有用的任务。

像大多数机器人一样,社交机器人使用人工智能来决定如何根据摄像头和其他传感器接收到的信息采取行动。通过研究感知是如何形成的,什么构成了社会智力和情商,以及人们如何推断他人的想法和感受等问题,我们已经掌握了以栩栩如生的方式做出反应的能力。人工智能的进步使设计师能够将这种心理学和神经科学的见解转化为算法,让机器人能够识别声音、面孔和情绪;翻译讲话和手势;对复杂的语言和非语言线索做出适当的反应;眼神接触;聊起来说;通过学习反馈、奖励和批评来适应人们的需求。

因此,社交机器人正在扮演越来越多的角色。例如,一种名为Pepper的47英寸人形机器人(来自软银机器人公司)可以识别人脸和基本的人类情感,并通过“胸部”的触摸屏进行对话。全球约有1.5万个pepper公司提供酒店入住、机场客户服务、购物协助和快餐结账等服务。Loomo(赛格威机器人)是新一代的个人助理机器人,但Loomo不仅是一个助理,他可以根据命令转换成一辆小型摩托车用于运输。

除了充当个人助理、提供家庭自动化和安全之外,游戏功能将会是未来的一大市场。

4. 一类特殊的蛋白质为治疗癌症和老年痴呆症的药物提供了有希望的靶标

几十年前,科学家们发现了一类特殊的蛋白质,它能导致从癌症到神经退行性疾病的各种疾病。这些“内在无序蛋白”(IDPs)与细胞中常见的具有刚性结构的蛋白不同。事实证明,这种松散的结构使得IDPs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,这就导致了癌症的无序蛋白质很难被锁定。

科学家们正在利用生物物理学、计算机技术和对IDPs功能更好的理解来识别抑制这些蛋白质的化合物。2017年,法国和西班牙的研究人员证明了瞄准和打击IDP可变的“模糊”接口是可能的。研究人员还发现,还有一些分子作用于β-淀粉样蛋白等与阿尔茨海默病等疾病有关的IDPs。

IDPs被称为无膜细胞器的关键细胞部分。这些细胞器通常被称为液滴或冷凝物,它们在特定的时间将重要的细胞分子(如蛋白质和RNA)聚集在一起,同时将其他分子分开。靠近时,使某些反应更容易发生;分离时,可以防止各种反应。科学家们设计了强大的新型分子操作工具,这些工具被命名为Corelets和CasDrop,它们允许研究人员控制液滴的形成。通过使用这些工具,研究人员发现,IDPs有助于控制液滴的组装、运行和拆卸。

这一发现很重要,因为在液滴形成和分解的过程中,IDP与各种结合伙伴相互作用,有时还会保持新形状一会儿。发现并结合这些形状的药物可能比找到能以其他形式打击IDPs的化合物更容易。

5. 金属微型透镜

随着手机、电脑和其他电子产品变得越来越小,对微型光学产品的需求也日益增加。用传统的玻璃切割和玻璃弯曲技术很难制造出微小的镜片,而且玻璃镜片通常需要堆叠起来才能正确对焦。最近,研究人员发现了更小、更轻的金属微透镜的物理学原理。这些透镜可以使显微镜和其他实验室工具以及消费产品(如照相机、虚拟现实耳机和物联网光学传感器)更加小型化。

金属微透镜由一个比微米还薄的金属平面组成,表面覆盖着一组纳米级的物质,纳米柱。当光照射到它上面时,许多光学性质都会发生变化——包括偏振、强度、相位和传播方向。研究人员可以精确定位这些纳米柱,以确保金属材料发出的光具有所需的特征。更重要的是,金属壳很薄,几个金属壳可以叠在一起,而不会明显增大。

更让人兴奋的是,利用这些金属透镜,研究人员解决了色差问题。当白光通过一个典型的透镜时,不同波长的光线会以不同的角度发生偏转,从而聚焦在离透镜不同的距离上;为了解决这个问题,一般的光学仪器需要将镜片精确地排列起来。现在,一个金属透镜就可以将所有波长的白光聚焦在同一点上。除此之外,科学家们还开发出了能矫正其他像差的金属微透镜,如导致图像扭曲和模糊的光晕和散光。

虽然金属镜片性能如此优越,其成本却并不会增加,因为这种小型透镜可以用传统的半导体工业设备制造。

6.智能肥料

人们通常用两种方式给作物施肥。在田地里喷洒氨水、尿素或其他物质,这些物质与水发生反应时产生氮肥;用碳酸钾或其他矿物颗粒来生产磷。但是这些营养物质只有很少的一部分进入植物体内。相反,大量的氮以温室气体的形式进入大气。磷最终会进入水域而经常引发藻类和其他生物的过度生长。

一种被称为“缓释肥料“的品种已经出现了一段时间。这些配方通常是由含有氮、磷和其他所需营养物质的小胶囊组成。外壳减缓了水进入内部释放营养物质的速度和最终产物从胶囊中逸出的速度。因此,营养物质是逐渐缓、慢释放的。

最近,更符合“控释”描述的肥料已经被开发出来——通过复杂的材料和制造技术,它们可以调整外壳,从而随着土壤温度、酸度或湿度的变化,以所需的方式改变营养物质的释放速率。通过组合不同类型的调优胶囊,生产商可以生产出适合特定作物或生长条件的肥料。

尽管控释技术提高了肥料的使用效率,但并不能消除肥料使用的所有缺点。例如,这些产品仍然包括氨、尿素和钾肥;生产这些物质是能源密集型的,这意味着它们的生产会导致温室气体的产生和气候变化。然而,通过使用对环境更友好的氮源和利用微生物来提高植物对氮和磷的吸收效率,可以减轻这种影响。

7. 虚拟协同远程呈现技术

想象一下,一群人在世界不同的地方愉快地互动,就像他们真的在一起一样,甚至能够触摸到彼此。就像微信和Skype等视频通话应用,或者多人在线游戏一样,协作式网真传输技术可能会改变人们的虚拟互动方式。

若干领域的进展使这一技术成为可能。增强现实(AR)和虚拟现实(VR)技术已经有了足够的技术能力和成本优势,可以被广泛采用。全世界正以极快的速度推出5G网络,以无延迟地处理来自先进传感器的大量数据。科研人员正在完善技术,使人们能够与远程环境进行物理交互,其中包括触觉传感器,使人们能够感受到他们的化身体触摸到什么。完全感官沉浸技术的实现将需要比视频通话更小的网络延迟时间,有时甚至可能会让5G网络感到压力——但预测性人工智能算法可以消除用户对时间间隔的感知。

8. 更安全的核反应堆正在建设中

近几十年来,商业核反应堆一直使用同一种燃料: 堆积在由锆合金制成的长圆柱棒内的二氧化铀颗粒。

问题是,如果锆过热,它会与水发生反应,产生氢气,氢气会爆炸。这种情况导致了世界上最严重的两起反应堆事故:1979年美国三里岛发生的爆炸和熔毁,以及2011年日本福岛第一核电站发生的爆炸和辐射泄漏。(1986年的切尔诺贝利事故是由于反应堆设计和操作失误造成的。)

西屋电气公司(Westinghouse Electric Company)和法玛托姆(Framatome)等制造商正在加速开发所谓的耐事故燃料,这种燃料不太可能发生过热,即使过热,也只会产生很少或根本不会产生氢气。

俄罗斯还在部署其他安全措施;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。

9. DNA数据存储技术

根据软件公司Domo的数据,在2018年,平均每一分钟里,谷歌进行388万次搜索,人们在YouTube上观看了433万个视频,有159362760封电子邮件被发送,另外还47.3万次推特。据估计,到2020年,全球每人每秒将产生1.7兆字节的数据。假设世界人口为78亿,相当于每年使用4180亿个1T的硬盘,。如果是这样的话,目前存储0和1的磁性或光学数据存储系统将不能持续使用超过一个世纪。简而言之,我们即将面临一个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明显。

一种新的替代硬盘的技术正在发展:基于DNA的数据存储。DNA—由长链的核苷酸A、T、C和G组成——是生命的信息存储材料。数据可以按照这些字母的顺序存储,将DNA转化为一种新的信息技术。这一神奇的技术已经可以很容易地进行常规排序(读)、合成(写)和精确复制。DNA的稳定性也令人难以置信,50多万年前的一匹马化石的基因仍然可以保持完整。

但真正令人惊讶的是存储容量。DNA能够以远远超过电子设备的密度准确地存储大量数据。根据2016年在《自然材料》杂志上发表的计算,简单的大肠杆菌的存储密度约为每立方厘米1019比特。在这样的密度下,一个边长约一米的DNA立方体就可以很好地满足全世界目前一年的存储需求!

10. 储能技术

与传统热电相比,可再生能源的成本竞争力日益增强。据估算,到2019年底,可再生能源发电量将会占全球发电量的26%以上。2019年1月,EIA预测,风能、太阳能和其他非水电可再生能源将成为未来两年电力组合中增长最快的部分。但这些能源的间断性意味着,我们需要一种方法,在没有阳光和风平浪静的时候,将能源储存起来。这种需求使得人们对储能技术——尤其是锂离子电池——的兴趣日益浓厚。

几十年来,抽水蓄能一直是美国主要的大规模蓄能方式。抽水蓄能是一种简单的方法,其特点是在不同的海拔高度上建立水库。当需要能量时,水被释放到较低的水库,并推动涡轮。根据美国能源部的数据,抽水蓄能目前占美国公用事业规模蓄能的95%。但是随着效率和可靠性的提高,以及制造成本的下降,锂离子电池将会得到更大的关注。

专家称,锂离子电池可能会成为未来5到10年的主导技术,持续的改进将会使电池能够储存4到8小时的电能,足够将太阳能白天的发电需求转移到傍晚用电高峰期。

但是,要想让可再生能源和能源储存能够满足发电的基本负荷,需要更长的时间跨度,这意味着我们必须找到比锂离子电池更有效的方法。如用于输送液体电解质的流体电池和氢燃料电池,以及更简单的概念,如所谓的重力蓄能。

参考来源:世界经济论坛及《科学美国人》。