又是一年將盡，到了盤點(diǎn)的時(shí)候，且看《科學(xué)美國(guó)人》評(píng)選出的2015年十大科技成就。
眼控機(jī)器：運(yùn)動(dòng)受損人士的福音
今年早些時(shí)候，當(dāng)艾瑞克·索拓用思維直接指揮機(jī)器手臂將一杯啤酒送入口中，媒體瘋狂了。這是一個(gè)令人印象深刻的壯舉，但背后的技術(shù)，是在他大腦中植入的一種電極芯片，這種芯片既昂貴又具有侵入性，而且還需要幾個(gè)月時(shí)間來(lái)訓(xùn)練使用。更糟糕的是，只有極少數(shù)癱瘓人士能夠適應(yīng)這些心理和生理上的技術(shù)要求。
一種較好的辦法隨后誕生――創(chuàng)建大腦電波活動(dòng)和機(jī)器之間的直接連接。英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院神經(jīng)技術(shù)科學(xué)副教授阿爾多·法賽爾想要用眼球移動(dòng)來(lái)控制輪椅、計(jì)算機(jī)和視頻游戲。利用現(xiàn)成的視頻游戲攝像機(jī)，法賽爾和他的同事建造了一種護(hù)目鏡，能夠記錄用戶的眼球移動(dòng)過(guò)程，并傳輸數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)，軟件將數(shù)據(jù)翻譯成機(jī)器指令。幾乎所有運(yùn)動(dòng)受損人士都能應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)，包括截肢者、四肢麻痹癥患者、帕金森病患者、多發(fā)性硬化癥和肌營(yíng)養(yǎng)不良癥患者。
這套系統(tǒng)的成本只需要50美元。在一個(gè)科技展覽會(huì)上，志愿者不需要更多的指導(dǎo)，在15秒后就很好地掌握了玩游戲的技巧。
長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家就知道眼睛可以透露人們的目的――他們要去哪里，想要做什么，以及想和誰(shuí)交流。自從上世紀(jì)70年代開始研究眼球運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)科學(xué)，法賽爾和同事們就撰寫了能夠?qū)?ldquo;驚鴻一瞥”轉(zhuǎn)化為指揮輪椅行動(dòng)、敲擊鼠標(biāo)或者開展瞳孔游戲的算法。為了預(yù)測(cè)受試者的真實(shí)意圖，算法的設(shè)計(jì)基于志愿者用操縱桿操縱輪椅或者機(jī)器手臂時(shí)眼球運(yùn)動(dòng)的真實(shí)數(shù)據(jù)。漸漸地，軟件學(xué)會(huì)了區(qū)別不同的眼神，比如當(dāng)人們看向一個(gè)杯子時(shí)，軟件能夠猜測(cè)出他們是在猜測(cè)里面的飲料為何物，還是想要端起來(lái)一飲而盡。
法賽爾在將這個(gè)技術(shù)商業(yè)化成醫(yī)療器械之前，必須為臨床試驗(yàn)籌得資金。從歐盟獲得的400萬(wàn)歐元將繼續(xù)支持他開發(fā)機(jī)器人的外骨骼，以便能夠更好地讓殘障人士使用眼球追蹤系統(tǒng)。
“我想看到我們的努力可以幫助人們?cè)俅涡袆?dòng)自如，這就是我的目的。”法賽爾說(shuō)。
微波火箭：低成本訪問(wèn)太空的范式
人類乘火箭遨游太空已50余年，在這么長(zhǎng)的時(shí)間里，到達(dá)軌道的成本一直都是個(gè)天文數(shù)字――根據(jù)火箭種類不同，每公斤載重上天要花費(fèi)5000美元到50000美元不等。
問(wèn)題是，沒(méi)有哪個(gè)火箭是非常有效率的，火箭90%的重量都是燃料和推進(jìn)劑，只為裝載物資留下很小的空間。如果能甩掉一些重量，火箭不僅可以將更多的貨物送往太空，亦能降低成本。
1924年，俄羅斯科學(xué)家康斯坦丁·特斯洛克夫斯基提出一種方案，建議由地基微波發(fā)射器提供火箭上升的動(dòng)力。他建議，利用反射鏡將“一束平行電磁短波射線激光束”瞄準(zhǔn)火箭的腹部，加熱推進(jìn)劑產(chǎn)生推力，從而替代大量燃料的裝載。
這一方法或許是獲得宇宙速度的最有吸引力的方法。但直到最近，這個(gè)想法才被重新提起。微波激光雖然在上世紀(jì)50年代就發(fā)明了出來(lái)，但始終沒(méi)有達(dá)到可以發(fā)射所要求的兆瓦級(jí)功率水平。電池和能源存儲(chǔ)系統(tǒng)的最新進(jìn)展讓能源可以足夠強(qiáng)大，以至于不需要固定電網(wǎng)來(lái)約束電能。
今天，來(lái)自世界各地的研究人員正在實(shí)踐這個(gè)概念，包括在2012年美國(guó)加州技術(shù)研究所的凱文?帕金領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)工程研究。基于他們的工作，一家名為“逃脫動(dòng)力學(xué)”的私人公司正在測(cè)試這種微波動(dòng)力衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）正在密切關(guān)注此事，今年7月，NASA已經(jīng)將微波動(dòng)力火箭加入了未來(lái)技術(shù)發(fā)展的路線圖中。
病毒捕獲平臺(tái)：精確識(shí)別病毒的新方法
當(dāng)醫(yī)生想要識(shí)別感染背后搗亂的病毒，通常需要求助于聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR），這種方法只有將DNA片段“放大”到足夠大才能進(jìn)行。使用PCR方法的時(shí)候，醫(yī)生還必須對(duì)要尋找的病毒做到心中有數(shù)，這就難免帶有了猜測(cè)的成分。
今年9月，哥倫比亞大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)描述了一種能夠消除猜測(cè)帶來(lái)的盲目性的新方法，該技術(shù)被命名為“脊髓動(dòng)物病毒捕獲測(cè)序平臺(tái)（VirCapSeqVERT）”，能在給定的唾液、組織或脊髓液樣本中幾乎完美地找到每種病毒。這種方法可以在48小時(shí)內(nèi)同時(shí)分析21個(gè)樣本，且每個(gè)樣本的分析成本只有200美元。它還能檢測(cè)新型病毒或突變病毒。
哥倫比亞大學(xué)流行病學(xué)公共衛(wèi)生系教授W·伊恩·李普金說(shuō)：“當(dāng)一個(gè)人被送進(jìn)急診室，單是檢測(cè)費(fèi)就要成千上萬(wàn)了。這種方法非常便宜，而且能讓醫(yī)生對(duì)癥下藥。”
為了開發(fā)這種技術(shù)，李普金和他的同事創(chuàng)建了一個(gè)超過(guò)1000種脊椎動(dòng)物病毒的數(shù)據(jù)庫(kù)。然后他們用基因探針對(duì)每一株病毒進(jìn)行匹配，當(dāng)探頭遇到匹配的病毒時(shí)，就會(huì)自動(dòng)與之綁定。為了檢測(cè)這些病毒，實(shí)驗(yàn)室工作人員增加了磁珠來(lái)測(cè)量直徑僅1至3微米的混合物，化學(xué)連接器將基因探測(cè)器與磁珠以及捕獲的病毒相連。然后，研究人員插入包含了混合磁鐵支架的細(xì)管，將探針拉向管壁。他們隔離并清洗探針―磁珠―病毒組合后，對(duì)病毒進(jìn)行基因測(cè)序，以消除誤報(bào)風(fēng)險(xiǎn)。
李普金和他的同事現(xiàn)正在尋找商業(yè)支持，希望將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到全世界的醫(yī)院和診所；他們還計(jì)劃增加專門探測(cè)感染性細(xì)菌和真菌的探針。
導(dǎo)電聚合物網(wǎng)絡(luò)：軟性的大腦電子探針
為了破解大腦之謎，科學(xué)家需要精確地檢測(cè)活動(dòng)狀態(tài)下的神經(jīng)元。大腦探針的“蠻力介入”已經(jīng)被詬病很久了。哈佛大學(xué)化學(xué)家查爾斯?尼爾博率領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)希望植入絲般柔滑的聚合物網(wǎng)絡(luò)，從而改變這個(gè)窘境。
到目前為止，尼爾博團(tuán)隊(duì)測(cè)試了活鼠體內(nèi)植入的這種聚合物，它擁有嵌入式電子感應(yīng)器。一旦證明安全可靠，它可能被用于人體，進(jìn)而研究意識(shí)如何從單獨(dú)神經(jīng)元的活動(dòng)中產(chǎn)生，以及治療帕金森癥等疾病。
微型核聚變反應(yīng)堆：壓力下改變戰(zhàn)術(shù)的選擇
你可以指責(zé)核聚變擁護(hù)者太過(guò)于樂(lè)觀。核聚變只會(huì)發(fā)生在兩種元素結(jié)合或相融合進(jìn)而形成第三種元素的時(shí)候，將物質(zhì)轉(zhuǎn)化成能量。太陽(yáng)就是典型的核聚變過(guò)程。
總部設(shè)在法國(guó)的國(guó)際核聚變反應(yīng)堆（ITER）集合了七個(gè)國(guó)家的力量，正在緊鑼密鼓籌建中。這個(gè)210億美元的托克馬克反應(yīng)堆將利用超導(dǎo)磁體產(chǎn)生足夠熱、密度足夠大的等離子體來(lái)發(fā)生核聚變。一旦完成，ITER的總重量將達(dá)到23000噸，是埃菲爾鐵塔的3倍。美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）是其主要的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，也同樣復(fù)雜，需要同時(shí)將192束激光打在一個(gè)燃料球上直到其溫度達(dá)到5000萬(wàn)攝氏度，壓力達(dá)到1500億大氣壓。
理想很豐滿，但現(xiàn)實(shí)很骨感。基于ITER和NIF的核聚變工作已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)十年，一批新的研究人員正在尋求不同的策略――讓核聚變反應(yīng)器變小。
今年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局在9個(gè)小型項(xiàng)目上投資了3000萬(wàn)美元，旨在通過(guò)名為“低成本等離子體加熱和集成”（ALPHA）的項(xiàng)目，建設(shè)可負(fù)擔(dān)得起的核反應(yīng)設(shè)備。一個(gè)比較典型的項(xiàng)目是加利福尼亞州次慣性核聚變技術(shù)公司的塔斯廷執(zhí)行的，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)路線是用電流“捏合”等離子體，直到壓縮至產(chǎn)生核聚變。
這一方法不是沒(méi)有先例，1958年洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室曾用這種“捏合”技術(shù)實(shí)現(xiàn)了第一次可持續(xù)的核聚變反應(yīng)。
這一方法不是沒(méi)有先例，1958年洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室曾用這種“捏合”技術(shù)實(shí)現(xiàn)了第一次可持續(xù)的核聚變反應(yīng)。
隸屬ALPHA項(xiàng)目的其他公司也正在尋找可替代的核聚變方案。不列顛哥倫比亞省的通用核聚變公司已經(jīng)建成了一個(gè)設(shè)備，能夠用激波穿透液態(tài)金屬進(jìn)而引發(fā)聚變反應(yīng)。“3阿爾法能源公司”正在建設(shè)一種帶電粒子束核反應(yīng)堆，能夠一個(gè)接一個(gè)點(diǎn)燃帶電粒子。
美國(guó)國(guó)防工業(yè)巨頭洛克希德·馬丁公司則宣稱，其正致力于建造一種磁約束核反應(yīng)堆，用一輛卡車就可以運(yùn)走，希望在10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商用。
追求核聚變的坎坷歷史表明，這些小項(xiàng)目都應(yīng)該受到質(zhì)疑。但是，不論哪一個(gè)方式，只要能夠成功輸送清潔無(wú)限量的核聚變能源，都將解決從能源匱乏到氣候變化的系列問(wèn)題。
殺死轉(zhuǎn)基因開關(guān)：阻斷DNA逃逸的閘門
轉(zhuǎn)基因埃希氏大腸桿菌無(wú)處不在，醫(yī)用胰島素、塑料高分子聚合物以及食品添加劑等都有它的蹤影，它還可以成為工業(yè)廢料或者改變化肥的用途。這些安排目前幾乎沒(méi)什么風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)基因模式下該菌群對(duì)于環(huán)境的適應(yīng)能力較弱，不能在實(shí)驗(yàn)室外長(zhǎng)期生存。但是，經(jīng)過(guò)編輯漏洞缺陷的菌群可能會(huì)對(duì)本來(lái)平衡的生態(tài)系統(tǒng)造成影響，例如抗生素產(chǎn)生耐藥性等。
2009年，美國(guó)加州大學(xué)生物工程學(xué)家布里安·凱利安多開始致力于研究一種確保基因修改生物的編輯DNA在逃逸或者被盜之前被摧毀的技術(shù)。近年來(lái)，他正在借助基因編輯工具CRISPR，剪除并摧毀入侵病毒中的DNA。他還意識(shí)到，可以用該技術(shù)內(nèi)置一個(gè)殺死轉(zhuǎn)基因細(xì)菌的開關(guān)。
現(xiàn)工作于麻省理工學(xué)院技術(shù)研究院的凱利安多發(fā)明了DNAi，這是一種基于CRISPR的系統(tǒng)，能夠迫使細(xì)菌剪除自行修改過(guò)的DNA。利用CRISPR，凱利安多成功將經(jīng)過(guò)編輯形成了殺死開關(guān)的酶插入到轉(zhuǎn)基因大腸桿菌中。相關(guān)研究發(fā)表在《自然·通訊》上。
輻射冷卻材料：未來(lái)地球建筑的防熱外衣
空調(diào)耗能占到了美國(guó)建筑物能源消耗的15%左右；創(chuàng)紀(jì)錄的高溫日數(shù)還會(huì)在未來(lái)幾十年繼續(xù)上升。這兩個(gè)事實(shí)指向一個(gè)難題：在逐漸變暖的世界，我們?nèi)绾卧跍p少能源消耗的同時(shí)還能冷卻工作和生活環(huán)境？
美國(guó)斯坦福大學(xué)的研究人員認(rèn)為，部分解決方案是讓吸熱建筑材料能吸收陽(yáng)光并將熱能發(fā)散到外層空間。這一輻射冷卻概念起源于上世紀(jì)80年代，工程師發(fā)現(xiàn)擁有金屬涂層的材料可以從建筑物上吸熱，并暢通無(wú)阻地將熱量輻射至地球大氣層外。
但輻射冷卻從來(lái)沒(méi)有真正應(yīng)用過(guò)，沒(méi)有人能制造出這樣一種材料。為了解決這個(gè)問(wèn)題，斯坦福大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一種非常有效的“鏡面”。這種材料由二氧化鉿和二氧化硅以及一層銀、鈦和硅構(gòu)成的基層組成，能夠反射97%的太陽(yáng)光。二氧化硅原子表現(xiàn)得像個(gè)小天線，在帆板一側(cè)吸收空氣中的熱，另一側(cè)則釋放出熱量。這種材料的輻射波長(zhǎng)在8納米到13納米之間。對(duì)這些波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，地球大氣層簡(jiǎn)直就是透明的，所以熱量可以耗散到太空中，而非加熱建筑物周圍的空氣。即使陽(yáng)光直射，直徑20厘米的硅片冷卻器也能將溫度降低到比周圍空氣低5攝氏度。
范珊輝（音譯）是斯坦福大學(xué)的電氣工程師，他想用這種材料覆蓋建筑物的屋頂，這樣可以讓建筑空調(diào)系統(tǒng)稍作休整，同時(shí)又減少了能源消耗。
范珊輝認(rèn)為：“利用太陽(yáng)這個(gè)巨大熱源，并將地球看做宇宙中巨大散熱器的想法非常有趣，而這只是探索可再生能源的開始。”
機(jī)器自學(xué)：高級(jí)智能快速發(fā)展的助力
谷歌、臉書等公司正在推進(jìn)能讓機(jī)器自學(xué)的技術(shù)，這很大程度上依賴于一種名為深度學(xué)習(xí)技術(shù)的進(jìn)步。
源于幾十年之久的舊觀念――計(jì)算機(jī)如果能像人腦那樣操作包含了多層電腦程序單元人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的話，它將更加聰明。傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間的區(qū)別在于，后者有更多的層次。網(wǎng)絡(luò)越深，層次越多，學(xué)習(xí)和操作的事物就越抽象。
深度學(xué)習(xí)技術(shù)研究領(lǐng)域在本世紀(jì)初有3個(gè)代表人物――多倫多大學(xué)的杰弗里·辛頓、蒙特利爾大學(xué)的·碩·本杰奧以及紐約大學(xué)的閆樂(lè)存（音譯）。而直到最近，這一技術(shù)才開始商業(yè)化之路。
最典型的代表是今年5月才面世的谷歌照片APP。這款軟件能夠從你的iPhone上下載所有的圖片，正確識(shí)別你的妻子、兒子和孫子等不同家人，然后分別放入不同的電子文件夾中并做好標(biāo)記。
它之所以如此“聰明”，是因?yàn)樗呀?jīng)從數(shù)百萬(wàn)張照片中學(xué)會(huì)了如何識(shí)別臉孔。當(dāng)通過(guò)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)層次掃描一張圖片的時(shí)候，軟件會(huì)以更抽象的水平識(shí)別圖片中的元素，直到最終能夠指認(rèn)圖片中的整張臉孔。一旦經(jīng)過(guò)足夠的訓(xùn)練，看過(guò)足夠多的臉孔，它就能成功定位從未見過(guò)的人的鼻子和嘴巴。
深度學(xué)習(xí)能夠做的當(dāng)然不僅是識(shí)別圖片的工作。實(shí)際上，通向人工智能之路的標(biāo)志性一步，就是展示其區(qū)別于人類掌控者的智能行為。今年2月，倫敦一家被谷歌以6.17億美元收購(gòu)的公司DeepMind的人工智能專家宣稱，已經(jīng)利用深度學(xué)習(xí)生產(chǎn)了一個(gè)能夠自學(xué)玩很多視頻游戲的計(jì)算機(jī)。實(shí)踐證明，這款軟件能夠在游戲進(jìn)行到一半的時(shí)候，就擊敗多數(shù)專業(yè)玩家。
紅外光譜+計(jì)算機(jī)模擬：捕捉化學(xué)反應(yīng)慢動(dòng)作的攝像機(jī)
在細(xì)胞液內(nèi)，氫鍵能維系分子DNA基本配對(duì)形式。很多藥物就是在溶劑中合成的。然而，化學(xué)家一般只能在氣態(tài)階段研究化學(xué)反應(yīng)的綁定機(jī)制，因?yàn)樵谶@種狀態(tài)下的分子相對(duì)稀疏，容易追蹤。
在液體中，分子數(shù)量更多，碰撞也更頻繁，所以化學(xué)反應(yīng)發(fā)生得也更快且更復(fù)雜。如果想看清這個(gè)過(guò)程，需要幾百億分之一秒的快照才能實(shí)現(xiàn)。
英國(guó)布里斯托爾大學(xué)的化學(xué)家安德魯·尤文利用激光來(lái)研究化學(xué)反應(yīng)。他知道，可以用紅外光譜觀察到液體催化熱反應(yīng)中的振動(dòng)。在2012年到2014年進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，他將超快紫外激光束打在乙腈溶劑中的氘氟化分子上，激光束如同手術(shù)刀一樣，雕刻出了高活性的氟原子，反過(guò)來(lái)從溶劑分子中“偷”走了氘原子，形成了氟化氘。
觀察使用的是一種標(biāo)準(zhǔn)的被稱作紅外光譜的技術(shù)，揭示了原子之間如何綁定以及反應(yīng)達(dá)到平衡有多快。這個(gè)實(shí)驗(yàn)觀察到了液體中反應(yīng)的皮秒級(jí)細(xì)節(jié)。大多數(shù)化學(xué)家希望使用計(jì)算機(jī)模擬替代昂貴的激光和探測(cè)器來(lái)觀測(cè)化學(xué)反應(yīng)。尤文等編寫了模擬軟件，能夠非常精確地預(yù)測(cè)光譜實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。
“我們能用這些模擬來(lái)深入探討究竟發(fā)生了什么。”尤文說(shuō)，“因?yàn)槟M會(huì)提供比實(shí)驗(yàn)更精確的信息。”
實(shí)驗(yàn)和模擬信息結(jié)合，能提供迄今為止最佳的液體中真實(shí)化學(xué)反應(yīng)的信息。研究人員已經(jīng)開始將這種方法納入到計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中，讓疾病研究、藥物開發(fā)和生態(tài)研究人員大受裨益。
彈跳光子記錄儀：可看到隱秘角落的照相機(jī)
如果照相機(jī)能看到角落另一邊，就能警告司機(jī)在危險(xiǎn)處停下、幫助消防員搜尋燃燒的建筑物，以及讓外科醫(yī)生看到身體內(nèi)部難以直視的區(qū)域。
幾年前，麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室的研究人員就在探討，如何創(chuàng)造這樣一個(gè)照相機(jī)。它的原型非常昂貴。這個(gè)設(shè)備利用激光束來(lái)發(fā)射光線，光線從墻壁或者地板彈跳到另一個(gè)房間的物體上。一個(gè)價(jià)值50萬(wàn)美元的照相機(jī)能記錄彈射回來(lái)的光線，軟件記錄了單獨(dú)光子到達(dá)時(shí)間、計(jì)算距離并重新構(gòu)建看不見的物體。
此后，該團(tuán)隊(duì)一直在盡力改進(jìn)這個(gè)技術(shù)。現(xiàn)在，他們已經(jīng)能夠記錄移動(dòng)物體的反射光線，而在價(jià)格上，便宜的LED燈和價(jià)值僅100美元的微軟傳感器就可以達(dá)到同樣的效果。
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
