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盤點2014年度十大新興技術

技術或許已經成為當代社會推動變革的主要力量。雖然新技術永遠蘊含着風險,但積極的突破能催生創新的解決方案,幫助應對從資源枯竭到全球環境變化等當今世界最為迫切的各項挑戰。然而,由于投資不足、監管體系過時以及公衆對技術的誤解,許多頗具前景的技術未能充分釋放其潛力。

世界經濟論壇新興技術全球議程理事會每年發布一次的十大新興技術介紹了技術變革領域最新的重大趨勢。該理事會通過重點關注最為重要的突破性技術成果,宣傳其發展潛力并緻力于消除投資、監管和公衆認知等方面的差距。2014年,理事會再次發布了可能改變未來社會狀況的十大新興技術。

2014年度的十大新興技術包括:

身體自适應可穿戴電子産品、納米碳複合材料、通過海水淡化提取金屬物質、電網級電力儲存、納米線锂電池、無屏顯示器、微生物藥物、RNA療法、量化自我(預測分析)、腦機接口技術

身體自适應可穿戴産品

身體自适應可穿戴産品

從谷歌眼鏡到Fitbit腕帶,可穿戴技術在過去一年引發了大量的關注。大部分可穿戴設備都是通過監測運動狀況、心率、睡眠模式等體征,幫助用戶了解自身的健康狀況。目前,可穿戴技術行業正在超越腕帶或觸摸感應設備等外部可穿戴産品的範疇,開始發展“身體自适應”電子産品,進一步跨越人類與技術之間的界限。

新一代可穿戴設備旨在适應人體使用部位的形狀。這些産品往往體積很小,内置多種傳感器和反饋系統,并且外觀上無突兀之感,也不會影響用戶的社會交往。這些幾乎無形的設備包括能夠監測心率的耳塞、穿在衣服裡面并能追蹤體态的傳感器、能夠追蹤生命體征的臨時紋身貼,以及通過震動提示、由腳步感知GPS方向的觸覺鞋等。這類産品很多,用于多個領域:觸覺鞋目前被提議用于幫助盲人識别方向;而谷歌眼鏡已經有許多腫瘤學家在使用,主要是通過語音指令獲得病曆信息和其他可視化信息,為外科手術提供協助。

技術分析人士認為,可穿戴産品的成功要素包括設備大小、非侵入性、測量多種參數的能力,以及能否提供實時反饋,幫助改善用戶行為。但是,要讓更多的人使用可穿戴産品,産品對個人隐私的保護必須要獲得社會的認可。比如,已經有人對那種使用攝像機進行面部識别和記憶協助的可穿戴設備提出了質疑。分析人士認為,如果這些挑戰能被克服,預計到2016年将有數億人使用可穿戴設備。

納米碳複合材料

納米碳複合材料

随着世界範圍内汽車數量的快速增加,汽車行業的碳排放對環境的影響已經引起人們的擔憂,而提高交通系統的運營效率有望減少汽車對環境的影響。利用納米碳纖維技術生産的新型複合材料正在汽車制造領域顯示出潛力,有望将汽車重量降低10%甚至更多。輕量化汽車需要的燃料更少,輸送人員和商品的效率更高,并能減少溫室氣體排放。

但是,效率僅是一方面的問題。另一個同樣重要的問題是如何改善乘客安全。為了增強新型複合材料的強度與韌性,業界正在碳纖維和周圍的聚合物基之間構建納米界面,比如會使用碳納米管,以改善錨固性能。在發生意外事故時,這些材料能夠在不發生撕裂的情形下吸收并分散沖擊力,從而更好地保護車内駕乘人員。

第三個挑戰是碳纖維複合材料的可循環利用性。這個問題曾阻礙了該項技術的大規模應用,但目前已快要找到解決方案。相應的技術方案包括将可分解的“釋放點”置入聚合物和纖維之間的界面材料,從而以可控的方式拆解各連接材料,複合材料各成分也可以單獨回收并實現循環再利用。上述三方面如果全部實現,則有望大規模生産輕量化、超級安全和複合材料可再利用的汽車,從而對行業和環境産生重大的影響。

通過海水淡化提取金屬物質

通過海水淡化提取金屬物質

随着世界人口持續增加和發展中國家擺脫貧困,淡水正在成為地球上最為緊張的自然資源之一。除了人類居住區的飲用水、清潔和工業發展用水外,世界上大部分的農業産量來自于幹旱地區生長的灌溉作物。随着科羅拉多河、墨累-達令河和黃河河水長期無法流入大海,通過海水淡化獲取新的淡水資源勢必引發更多的關注。

但是,海水淡化有很大的缺點。除了能耗較高外,海水淡化的過程會産生濃鹽水,這種鹽水一旦流回海洋,便會對海洋生物産生嚴重的影響。或許解決這一問題最有可能的辦法是不要将海水淡化産生的濃鹽水視為廢棄物,而是将之視作開發寶貴材料(包括锂、鎂和鈾,以及更為普通的鈉、鈣和鉀元素)的資源來源。锂和鎂對于研發高性能電池和輕型鋁合金非常重要。此外,這種濃鹽水還可以提練出一些電動機和風力發電機中使用的稀土元素,而這些元素的稀缺已經對風電機和電動機的發展造成了戰略性威脅。

借助于使用化學催化劑的新型工藝,海水淡化提煉出金屬元素的可能性就會增加,且最終的成本與陸地礦石或湖泊沉積物開采的成本相當。這項經濟效益可以抵消海水淡化全部的成本,使得大規模推廣成為可能,進而緩解人類活動對淡水生态系統的壓力。

電網級電力儲存

電網級電力儲存

  由于電力無法直接儲存,因此電網管理者必須時刻确保消費者的整體電力需求完全相當于發電站為電網提供的電力供應量。由于煤炭和天然氣中的化學能可以進行相對大量的儲存,傳統的火力發電站可以按照需求進行能源調度,因此相對簡化了電網管理工作。但是,化石燃料會産生溫室氣體,導緻氣候變化。目前許多國家都計劃在發電系統中使用可再生能源、核能或其他非化石燃料等清潔能源,以取代高碳能源。

清潔能源,尤其是風能和太陽能,具有高度的間歇性,無法按照消費者和電網管理機構的意願生産電力,而隻有在天氣條件允許的時候才能産生不定量的電力。核能的發展也面臨着挑戰,因為它要求電站始終滿負荷運行。因此,發展電網級電力儲存技術早已成為清潔能源行業的目标。截至目前,隻有抽水蓄能水力電站發揮了重要作用,但其價格昂貴,容易給環境帶來挑戰,并完全依賴于理想的地理環境。

有迹象顯示,随着新型技術的不斷發展,我們很快便能克服這項挑戰。一些技術(比如液流電池)未來将能夠像儲存煤炭和天然氣那樣,儲存大量的液态化學能。多種固态電池技術也在競相發展,旨在通過富含能源、價格适中的材料儲存電力。新發明的石墨烯超級電容器有望實現超速充電和放電,可使用數萬次。其他技術包括大容量飛輪儲能器以及壓縮空氣地下空間存儲等動能和勢能儲存技術。

德國目前正在研發一種更加新型的儲能技術,即通過電解制氫實現二氧化碳的甲烷化,用多餘的電力将水分解成氫原子和氧原子,然後讓氫原子和廢棄的二氧化碳發生化學反應,産生可以燃燒的甲烷——在必要的情況下,可以通過這個過程産生電力。這種技術目前處于中等規模研發階段。雖然這種技術和其他技術的循環效率相對較低,但儲能技術無疑将在未來創造巨大的經濟價值。判斷誰将在這場技術競賽中勝出還為時尚早,但是據我們估測,這一領域的技術正在經曆前所未有的進步,很有可能在不遠的将來實現重大突破。

納米線锂電池

納米線锂電池

作為電力儲存工具,電池在現代生活的許多方面都非常重要。能量密度(能量/重量或體積)較高的锂電池一般用于手機、筆記本電腦和電動汽車。但是,撇開手機和筆記本電腦的電池壽命不談,要想提升電動汽車的續航裡程,使之能夠與傳統的燃油汽車相抗衡,則必須大幅提高電池的能量密度。

電池一般由兩個電極組成,正極(陰極)和負極(陽極), 在正極和負極之間是電解質。在電解質的作用下,離子在兩個電極之間流動,産生電流。锂離子電池的陽極由化石墨構成,這種材料相對便宜,且更持久。但是,研究人員已經開始試驗矽陽極電池,這種電池的容量有望得到大幅提升。

一個工程學的挑戰在于,矽陽極電池容易在充電和放電期間發生膨脹和收縮現象。在過去一年中,研究人員已經研發出潛在的解決方案,創造出矽納米線或納米粒,有望解決矽在與锂發生反應時容量膨脹的問題。使用納米粒和納米線導緻表面積增大,進一步提高了電池的電力密度,從而實現快速充電和電流輸送。

這種新一代的電池能夠更加快速地充電,并能比當前的锂電池多産生30%-40%的電力,有望改變電動汽車市場,并實現太陽能電力在家庭層面的儲存。矽陽極電池預計将在未來兩年首先用于智能手機。

無屏顯示器

無屏顯示器

現代通信技術更加令人沮喪的一個方面在于,設備在日益小型化的過程中,也愈發難以與之進行互動——比如,沒有人會在智能手機上輸入一本小說。屏幕的顯示器空間不足,這無疑為無屏顯示器提供了填補空白的機會。全尺寸鍵盤已經可以投射在屏幕上,方便用戶與設備進行互動,且不用擔心設備能否裝進口袋。我們現在已經可以制作出3D全息圖像,這或許能将我們帶回早期星球大戰系列電影的回憶;2013年,麻省理工學院媒體實驗室聲稱,他們已經研發了一種價格不高的全息彩色視頻顯示器原型産品,其分辨率相當于普通的電視機。

無屏顯示還可以通過直接将圖像投射到人的視網膜來實現,這種方法不僅無需使用笨重的硬件設施,而且用戶在與電腦互動的過程中也無需和别人共用圖像,從而保護了用戶的隐私。截至2014年1月,一家初創企業通過Kickstarter平台籌集了一大筆資金,旨在對一款使用視網膜顯示技術的個人遊戲和影院設備進行商業化。從長期來看,技術的發展或許可以催生繞開眼睛的突觸界面,直接将“可視”信息傳送給大腦。

無屏顯示技術在2013年發展迅速,并很快會實現突破,為大規模推廣應用做好準備。多家企業已經在此領域實現了重大成果,包括虛拟現實頭戴式耳機、仿生學隐形眼鏡、為老人和弱視人群專門開發的手機以及無需移動部件或眼鏡的全息視頻。

微生物藥物

微生物藥物

将人體稱為一個生态系統也許要比稱之為單一有機體更為恰當,人體中微生物細胞的數量是人體細胞的10倍之多。近年來,以人體微生物組為題的研究方興未艾。2012年,“人體微生物組計劃”(Human Microbiome Project)公布了80家科研機構的聯合研究成果。研究發現,人體生态系統中有1萬餘種微生物,其細胞總數多達數萬億之衆,占人體體重的1%-3%。

通過利用先進的脫氧核糖核酸(DNA)排序技術、生物信息學和培育技術,寄居在人體中的各類微生物的身份及其特性不斷得以确認。研究發現,人體的疾病和健康與這些微生物富集量的多寡存在着關聯。

人們越來越清楚地認識到,這些數之不盡的微生物在我們的生命中發揮着重要的作用。例如,腸道内細菌有助于人體消化食物,吸收原本無法獲取的重要營養物。另一方面,人體内無所不在的病原體有時會變得極為危險,可以導緻人體發病甚至死亡。

目前,腸道微生物組及其在疾病感染、肥胖、糖尿病和炎性腸病中所起的作用成為了研究的重點。人們逐漸發現,抗生素治療在摧毀腸菌群之後,會導緻出現難辨梭菌感染等并發症,在某些極端情況下甚至會危及生命。另一方面,為完善醫療手段,臨床上正在開發新一代療法,其中包含在健康腸道中發現的一組微生物子集。人體微生物組技術進步為開發重大疾病新療法、提高我們人類醫療的總體療效開辟了一條前所未有的道路。

RNA療法

RNA療法

核糖核酸(RNA)在細胞生物學中是一種十分重要的分子,它将脫氧核糖核酸中編碼的基因指令翻譯為蛋白質的生成,從而使得細胞發揮正常功能。由于蛋白質生成也是人體大部分疾病和紊亂症狀所涉及的一個核心要素,基于核糖核酸的治療法長期以來被認為有望解決許多傳統藥物治療無能為力的問題。不過,該領域發展一直較為緩慢。因為研究工作十分複雜,細胞基因表達變化多端,所以對其理解有待加強,由此導緻人們原先寄予的厚望受挫。

過去一年來,這一生物醫療技術領域重獲關注。截至2014年,共有2項基于核糖核酸的治療法獲準用于人體治療。研究人員正通過可抑制缺陷基因和表達過度基因的核糖核酸幹擾機理,開發适用于基因紊亂、癌症和傳染性疾病等各類症狀的核糖核酸相關藥物。

當前,一個基于信使核糖核酸(mRNA)分子的全新平台正在逐漸浮現,它進一步豐富了核糖核酸治療法的治療手段。通過以肌内注射或靜脈注射方式注入特定的信使核糖核酸序列,便可通過患者自身的細胞,作為治療劑将細胞翻譯為用以傳遞療效的相應蛋白質。與旨在直接改變脫氧核糖核酸的治療方式不同,基于核糖核酸的治療法并不會使細胞基因組發生永久性改變,因而可以視情進行加量或停用。

核糖核酸基礎科學、合成技術和體内傳遞技術的進步,正共同催生出基于核糖核酸的新一代藥物,可以用來減少天然蛋白質的富集量,使體内生成優化過的、帶有治療功效的蛋白質。通過與大型制藥公司和科研機構的合作,目前已成立了多家旨在提供基于核糖核酸療法的私營企業。我們希望未來幾年内,這一醫療技術能越來越多地挑戰傳統制藥行業,并研發出可治療疑難雜症的新療法。

量化自我(預測分析)

量化自我(預測分析)

其實,量化自我運動早已存在多年,主要配合人們對自身日常活動數據進行連續采集,從而讓人們對自身健康和行為方式作出更好的選擇。然而,如今随着物聯網的出現,這一運動終于開始真正顯現其價值,形成更為廣泛的影響。

智能手機中有着對人們各類活動的豐富記錄,包括機主認識的人(聯絡人名單、社交網絡應用)、交往的人(通話記錄、短信記錄、電子郵件)、所到之處 (GPS、Wi-Fi和具有地理标記的照片)以及所做之事(使用的應用軟件和加速計數據)等等。通過利用此類數據和專門的機器學習算法,我們可以為人及人的行為建立起詳盡的、具有預測性的模型,從而為城市規劃、個性化醫療、可持續發展以及醫療診斷助一臂之力。

例如,卡内基梅隆大學的研究團隊正通過針對人們一段時間内的睡眠方式和社會關系變化進行建模,研究如何利用智能手機數據來預測抑郁症的發端。在另外一個名為“鄰裡”(Livehoods)的計劃中,研究人員利用智能手機生成的大量地理标記數據(使用Instagram和Foursquare等軟件)和從網頁所抓取的數據,以了解人們在城市空間中的移動規律。

近年來,越來越多的制造商将傳感器嵌入産品當中,以研究消費者行為,省卻成本高昂的市場調研。在此背景下,傳感器價格日益走低并日漸普及。例如,汽車可以記錄駕駛人的各類駕駛習慣,所得信息既可以顯示在智能手機應用上,也可以在城市規劃和交通管理中當做大數據使用。随着采集大量數據追蹤人們生活百态的做法蔚然成風,如何一方面優化利用信息,另一方面又調和好與個人隐私以及其他社會關切之間的關系,已成為一道難題。

腦機接口技術

腦機接口技術

僅靠思維便可以控制一台計算機,這樣一種能力可能要比你我想象的還要更早成為現實。腦機界面,即計算機直接從大腦中讀取并解譯信号,已在臨床上取得了成功。利用這一技術,患有閉鎖綜合症、中風的四肢癱瘓患者可以用腦電波控制機械臂活動,移動輪椅甚至拿杯子喝咖啡。此外,腦部直接植入也已經幫助失明患者恢複了部分視力。

近來,這方面的研究重點在于能否利用腦機界面将不同大腦直接聯結起來。去年,杜克大學研究人員宣布,他們成功在互聯網上将兩隻老鼠的大腦連接到了一起 (稱為“大腦網絡”),讓身處不同國家的老鼠在互聯網上合作完成了一些簡單任務來換取獎勵。此外,2013年,哈佛大學科學家宣布成功利用一個無創腦機界面,在老鼠與人的大腦之間建立起了功能聯系。

另外一些研究項目則把重點放在了通過計算機操縱大腦記憶或直接植入記憶上。2013年年中,麻省理工學院研究人員宣布,他們成功将一段虛假記憶植入一隻老鼠的腦中。就人類而言,我們也許可以通過直接操縱記憶,治療創傷後應激障礙。長遠來看,信息也許可以以電腦文件的形式上傳到人腦之中。當然,這一領域快速發展顯然也引發了許多有關倫理道德方面的問題。

上述十大技術列表由世界經濟論壇新興技術全球議程理事會編制。

作者:Noubar Afeyan,旗艦風險投資公司(Flagship Ventures)管理合夥人及新興技術全球議程理事會主席;Mark Lynas,科學、技術和氣候變化領域的自由撰稿人、新興技術全球議程理事會副主席;David King爵士,英國氣候變化、外交及聯邦事務特别代表、新興技術全球議程理事會副主席。

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