《麻省理工科技评论》2019年“全球十大突破性技术”
时间: 2019-06-12 来源:DeepTech深科技
提要:目前,科学家正处于将首支个性定制疫苗商业化的关键时刻。如果其效果真如预期的话,该疫苗就的确能够通过肿瘤独特的突变触发人体免疫系统对其进行识别,从而有效地阻止多种癌症的发生。

《麻省理工科技评论》2019年“全球十大突破性技术”

 

正如比尔·盖茨先生所说,看过这些突破性技术之后,你会觉得“美好的未来,值得我们为之奋斗”。

一、灵巧机器人 

重大意义:机器正在通过自我学习学会应对这个现实世界。如果机器人能学会应对混乱的现实世界,那么它们就可以胜任更多的任务。

主要研究者:OpenAI(人工智能非营利组织)、卡内基梅隆大学、密歇根大学、加州大学伯克利分校

成熟期:3-5年

尽管人们一直在讨论机器取代人类工作的话题,但目前工业机器人仍然表现得较为笨拙且灵活性欠佳。虽然机器人可以在装配线上不厌其烦地重复着同一个动作,同时还能保持超高的精度,但哪怕目标物体被稍微移动了一点,或将其替换成不同的零件,机器人的抓取过程就会变得十分笨拙甚至是直接抓空。

位于旧金山的非盈利组织OpenAI推出了这样一套AI系统Dactyl,并已成功操控一个机器手让其灵活地翻转一块积木。这套神经网络软件能够通过强化学习,让机器人在模拟的环境中学会抓取并转动积木后,再让机器手进行实际操作。这套软件开始时会进行随机的尝试,并在不断地接近最终目标的过程中逐渐加强网络内部的连接。

通常我们无法让机器人将模拟练习中获得的知识应用到现实环境里,因为我们很难模拟出像摩擦力或是材料的不同性质这样的复杂变量,而OpenAI团队则通过在虚拟训练中引入随机性来克服了这个问题。

现阶段,我们还要取得更多的突破才能让机器人变得更加灵活。但如果研究人员能够很好地利用这种学习方法,未来的机器人将有望能够学会组装电子产品、将餐具摆入洗碗机里、甚至是能够将卧床的人从床上扶起。

二、核能新浪潮 

重大意义:先进的核聚变和核裂变反应堆正在走进现实。在减少碳排放和限制气候变化的努力方面,核能的作用似乎正变得越来越不可或缺。

主要研究者:陆地能源(Terrestrial Energy)、泰拉能源(TerraPower)、纽斯凯尔(NuScale)、General Fusion

成熟期:新型核裂变反应堆到2020年代中期有望实现大规模应用,核聚变反应堆仍需至少10年时间。

在过去的一年中,新型核反应堆发展势头强劲,核能的使用将会变得更安全,成本也更低。新型反应堆的发展包括:颠覆了传统设计的第四代核裂变反应堆、小型模块化反应堆,以及似乎永远也无法实现的核聚变反应堆。第四代核裂变反应堆的开发者,比如加拿大的 Terrestrial Energy和总部位于华盛顿的泰拉能源(TerraPower),已经开始与电力公司建立研发合作关系,力争在2020年代之前实现并网发电。

小型模块化反应堆可以产生的电力,通常为数十兆瓦(相比之下,传统核反应堆可以产生约 1000兆瓦的电力)。像俄勒冈州的NuScale这样的公司表示,小型化的反应堆可以节约资金成本,并降低环境和金融风险。

三、早产预测 

重大意义:每年有1500万婴儿过早出生,这是5岁以下儿童死亡的主要原因。

主要研究者:Akna Dx

成熟期:可在5年内进入临床测试。

简单的验血可以预测孕妇是否有过早分娩的风险。我们的遗传物质主要存在于细胞内。但是少量的“无细胞”DNA和RNA也漂浮在我们的血液中,通常由垂死细胞释放。在孕妇中,这些游离的遗传物质碎片来自胎儿、胎盘和母亲的细胞。斯坦福大学的生物工程师 Stephen Quake已经找到了一种方法来解决医学界最棘手的问题之一:大约十分之一的婴儿过早出生。

在过去几年中,研究人员开始通过从血液中检测肿瘤细胞的DNA,以及通过血液检测对孕妇进行唐氏综合症等疾病的产前筛查。这些检测依赖于寻找DNA中的基因突变。另一方面,RNA是调节基因表达的分子物质,能够决定从基因中产生多少蛋白质。

通过对母亲血液中的自由漂浮的RNA进行测序,Quake筛选出与早产有关的七种基因表达的波动,这让他可以识别可能过早分娩的女性。一旦被警告,医生可以采取措施避免早产,并给予孩子更好的生存机会。

四、肠道显微胶囊  

重大意义:一种小型的、可吞咽的设备,不使用麻醉也可以捕捉到肠道的详细图像,甚至在婴儿和儿童体内也可以。这一设备使肠道疾病的探测和研究变得更为容易,其中包括使贫困地区的数百万儿童发育不良的一种疾病。

主要研究者:麻省总医院

成熟期:目前在成人体内使用,婴儿试验将于2019年进行。

环境性肠功能障碍(EED)可能是你从未听说过的花费最高昂的疾病之一。以肠道发炎、肠道泄露和营养吸收不良为特征,这一疾病在贫穷国家广泛传播,这也是这些地区许多人营养不良、发育迟缓、未能达到正常身高的原因之一。

没有人知道引起EED的具体原因是什么,也没有人知道怎样预防或治疗这一疾病。切实可行的检测手段可以帮助医务工作者了解何时应该干预及怎样治疗。在婴儿中已经有了治疗方法,但诊断和研究这些幼儿肠道疾病通常需要麻醉,并将一个称为内窥镜的管子插入喉咙。这种方法昂贵、不舒服、且在EED盛行地区难以开展。

因此,麻省总医院(MGH)的病理学家和工程师Guillermo Tearney研发了一种小型设备,这种设备能够检测EED的表现症状,甚至可以进行组织活检。与内窥镜不同,它在基础保健检测过程中应用简单。

Tearney的可吞咽胶囊显微镜附在可弯曲的线型导管上,被连接到一种叫做光学相干断层成像系统( OCT )的设备上。在病人将胶囊吞咽后,医疗人员在将纤维胶囊拉回的过程中,能够无死角对整个消化道做纤维断层扫描,这种胶囊在消毒后可以重复利用。它还带有以单细胞分辨率拍摄消化道表面的技术,以及捕捉几毫米深度的三维横截面的技术。

五、定制癌症疫苗

重大意义:通过识别各肿瘤的特异性突变,激发人体的天然防御能力,从而对癌细胞进行针对性破坏。传统化学疗法对健康细胞有很大影响,而且对肿瘤的治疗效果并不总是理想。

主要研究者:BioNTech 、Genentech

成熟期:已在临床试验

目前,科学家正处于将首支个性定制疫苗商业化的关键时刻。如果其效果真如预期的话,该疫苗就的确能够通过肿瘤独特的突变触发人体免疫系统对其进行识别,从而有效地阻止多种癌症的发生。

更重要的是,与传统化学疗法不同,疫苗是通过使用人体的天然防御系统来选择性地破坏肿瘤细胞的,对健康细胞的损害较有限。

此外,在初始治疗后,攻击性免疫细胞将也会对游离的癌细胞保持警惕。在人类基因组计划完成五年后的2008年,当遗传学家公布了癌细胞的第一个序列时,这种疫苗的诞生就不再是天方夜谭了。

此后不久,研究人员开始将癌细胞的DNA与健康细胞和其他肿瘤细胞三者的DNA进行比较。研究证实,所有这些癌细胞都含有数百个甚至数千个特定的突变,其中大多数是这些肿瘤各自特有的。几年后,一家名为BioNTech的德国初创公司提供了令人信服的证据,证明含有这些突变拷贝的疫苗可以催化机体的免疫系统产生T细胞,从而做好发现、攻击和摧毁所有含有这些突变癌细胞的准备。

目前正在进行的试验针对至少10种实体癌症,目标是在全球各地招募560名以上的志愿者。目前,这两家公司正在设计新的生产技术,以期能廉价快速地生产数千种私人订制疫苗。

但这会是块“硬骨头”,因为制造疫苗需要对病人的肿瘤进行活检,对其DNA进行测序和分析,并将这些信息迅速传递到生产现场。一旦生产出来,疫苗就必须及时送到医院,而任何延误都可能是致命的。

六、人造肉汉堡 

重大意义:实验室培育的人造肉和植物制成的素肉,能在不破坏环境的情况下接近真实肉类的味道和营养价值。人造肉的出现,可以缓解畜牧业生产造成的毁灭性的森林砍伐、水污染和温室气体排放。

主要研究者:美国人造肉企业Beyond Meat

成熟期:目前已经有成形的植物性素肉;2020年左右可研制成功实验室人造肉。

据预测,到2050年,人类吃掉的肉会比2005年多70%。事实证明,饲养供人类食用的动物,是对环境的最大伤害之一。根据动物种类的不同,以西方工业化方法生产一磅肉类蛋白要比生产等量植物蛋白多用4到25倍的水,6到17倍的土地,6到20倍的化石燃料。

而问题在于,人肯定不会马上就戒掉肉类。也就是说,实验室培养的人造肉和植物制成的素肉可能是抑制环境恶化的最好办法。实验室进行人造肉的过程,是从动物身上提取肌肉组织,然后放入生物反应器进行培育。虽然最终成品的口感可能有待提高,但外形上已经与我们正常吃的肉差不多了。荷兰马斯特里赫大学的研究人员已在为实验室人造肉的量产而努力。

世界经济论坛最近的一份报告说,生产实验室人造肉的温室气体排放量也只比生产牛肉生产少大概7%。对环境更友好的肉类替代品,就是Beyond Meat和Impossible Foods等公司研发的植物制成的“素肉”。

他们用豌豆蛋白、大豆、小麦、马铃薯和植物油来还原动物肉的质地和口感。Beyond Meat公司在加州新开了一家占地26000平方英尺(约2400平方米)的工厂,已经在3万家商店和餐馆售出了超过2500万个汉堡。密歇根大学可持续系统中心分析显示,Beyond Meat制作汉堡产生的温室气体可能比传统牛肉汉堡少90%。

七、捕获二氧化碳 

重大意义:实用且经济地从空气中直接捕获二氧化碳的方法,可以吸走超量排放的温室气体。从大气中去除CO2可能是阻止灾难性的气候变化最后的可行方法之一。

主要研究者:Carbon Engineering、Climeworks、Global Thermostat

成熟期:5到10年

即使我们降低目前的二氧化碳排放速度,温室气体造成的变暖效应依然会持续数千年之久。为防止气温攀升至危险范围,联合国气候变化委员会当前得出的结论是,在本世纪,全世界将需要从大气中去除高达1万亿吨的二氧化碳。

去年夏天,哈佛大学气候科学家大卫·凯斯(David Keith)计算之后惊喜地发现,一种叫做直接空气捕获(Direct Air Capture,DAC)的方法,理论上可以将机器捕集二氧化碳的成本降低到每吨100美元以下。先前估计的成本要比这个数字高出一个数量级,因而许多科学家曾认为这项技术太过昂贵,不具备可行性。不过,直接空气捕获仍需至少数年的时间,才有可能将成本降低到接近100美元的范围。

然而,一旦成功实现了二氧化碳的捕集,还要想办法处理。由凯斯在2009年参与共同创办的加拿大初创企业碳工程公司(Carbon Engineering),计划扩大其试验工厂的规模,来提高合成燃料的产量。这种合成燃料的关键原料之一,就是所捕获的二氧化碳。

直接从大气中吸取CO2,是一种高难度的应对气候变化的方法,但我们已经没有多少选择了。

总部位于苏黎世的Climeworks在意大利的直接空气捕获工厂,将利用捕集到的二氧化碳和氢气一起生产甲烷,而他们位于瑞士的第二家工厂则会把二氧化碳出售给汽水企业。纽约的Global Thermostat也是如此,该公司于去年在阿拉巴马州完成了第一家商业化碳捕集工厂的建设。

不过,如果二氧化碳被用于合成燃料或生产汽水,那么它们中的大部分最后还是会回到大气中去。我们的终极目标,是实现温室气体的永久封存。其中的一些会被封存在类似于碳纤维、聚合物或混凝土这样的产品中去,但更多的需要深埋于地下。目前还没有可行的商业模式来支持这项成本高昂的工作。

事实上,从工程学的角度来看,从空气中吸取CO2是应对气候变化最困难、也是最昂贵的方法之一。但鉴于目前我们降低排放的进程太过缓慢,我们并没有多少别的选择。

八、可穿戴心电仪 

重大意义:随着监管机构的批准和相关技术的进步,人们可以轻松通过可穿戴设备持续监测自己的心脏健康。可检测心电图的智能手表可以预警如心房颤动等潜在的危及生命的心脏疾病。

主要研究者:苹果、AliveCor、Withings

成熟期:现在

健康监测装置并不是真正的医疗设备,剧烈的运动或表带没系紧都会干扰传感器读取脉搏。而心电图则是在病人中风或心脏病发作之前,医生就可以用其来诊断心脏异常,但需要去正规诊所才能检查,因此人们经常不能及时就诊。

随着监管部门新法规的出台和软、硬件的相关创新,心电监测智能手表已经问世,它具有可穿戴设备的便利性,并且能够提供接近医疗设备的精度。硅谷初创公司AliveCor推出了一款与苹果手表兼容的腕带,该腕带可以检测出心房颤动,这是导致血栓和中风的常见原因。

去年,苹果发布了带有心电图(ECG)功能的Apple Watch,并且该功能已经通过FDA认证。随后,健康设备公司Withings也宣布计划发布一款配有心电图功能的手表。现阶段的可穿戴心电图监测设备仍然只有一个传感器,而真正的心电图设备则有12个传感器。目前还没有任何一种可穿戴设备能够诊断心脏病。

但这种情况可能很快就会改变。去年秋天,AliveCor就一款应用程序和双传感器系统向美国心脏协会(American Heart Association)提交了初步审查,据称该系统可以检测到某种类型的心脏病。

九、无下水道卫生间

重大意义:节能厕所可以在没有下水道系统的情况下使用,并且可以就地分解粪便。23亿人缺乏安全的卫生设施,并许多人因此死亡。

主要研究者:杜克大学、南佛罗里达大学、Biomass Controls、加州理工学院

成熟期:1-2年

全球大约有23亿人没有良好的卫生条件。由于缺乏卫生的厕所,人们将粪便倾倒在附近的池塘和溪流中,这会传播细菌、病毒和寄生虫,从而导致腹泻和霍乱。全世界每9名儿童中就有1名死于腹泻。

现在,研究人员正在努力开发一种新型厕所,这种厕所对发展中国家来说也足够便宜,不仅可以处理粪便,还可以对其进行分解。2011年,比尔·盖茨提出重新发明厕所挑战,并设立了X大奖。

自从挑战开始以来,有几个团队已经将设计的厕所原型投入使用。所有的粪便都是就地处理的,不需要用大量的水把它们送到遥远的处理厂。

大多数的厕所原型都是独立的,不需要下水道,但他们看起来像传统的厕所,装在一个小隔间里并且有马桶。由南佛罗里达大学设计的NEW generator马桶用一种厌氧膜过滤污染物,这种厌氧膜的孔径比细菌和病毒都小。另一个来自康涅狄格州Biomass Controls的项目则像是一个海运集装箱大小的炼油厂,它能加热粪便,使其转化成一种富含碳的物质,用作土壤肥料。但是这些厕所有一个缺点,它们并不是在所有场合都能使用。

例如,Biomass Controls的产品每天能为成千上万的用户提供方便,因此它不太适合较小的村庄。相反,杜克大学开发的另一套系统则只能供少数家庭使用。所以,现在的挑战是如何让这些厕所更便宜,更能适应不同规模的社区。

来自南佛罗里达大学、领导NEW generator小组的Daniel Yeh副教授表示:“建造一两个原型厕所非常棒,但要真正让技术影响世界,唯一的办法就是让这些设备进行大规模生产。”

十、流利对话的AI助手 

重大意义:捕捉单词之间语义关系的新技术正在使机器更好地理解自然语言。人工智能助手现在可以执行基于对话的任务,如预订餐厅或协调行李托运,而不仅仅是服从简单命令。

主要研究者:谷歌、阿里巴巴、亚马逊

成熟期:1-2 年后

我们已经习惯了人工智能助手——Alexa在客厅里播放音乐,Siri在你的手机上为你定闹钟——但它们并没有真正做到所谓的智能。它们本应简化我们的生活,但却收效甚微。它们只识别很小范围的指令,稍遇偏差就很容易出错。

2018年6月,OpenAI的研究人员开发了一种技术,可以在未标记的文本上训练人工智能,以减少人工对数据进行分类标记时花费的成本和时间。几个月后,谷歌的一个团队推出了一个名为BERT的系统。该系统在研究了数百万个句子后学会了如何预测漏掉的单词。在一个多项选择测试中,它在填空方面的表现和人类一样好。

这些改进加上更好的语音合成系统,让我们从简单的向人工智能助手下指令转向与它们交谈。它们将能够处理日常琐事,如做会议记录、查找信息或网上购物。这样的人工智能助手已经面世,如谷歌助手的逆天升级版谷歌Duplex,可以帮你接听电话,甚至过滤掉垃圾邮件及电话推销。它还可以打电话帮你预约餐厅或沙龙。

在中国,消费者正在习惯阿里巴巴的AliMe。AliMe通过电话协调包裹递送,还可以与顾客讨价还价。

尽管人工智能程序能更好地找出你的需求,它们仍然不能理解一个完整的句子。脚本化或由统计生成的回答反映了向机器灌输真正的语言理解是多么困难。一旦我们解决了这个难题,我们也许会看到人工智能的另一种进化:从物流协调员到保姆、老师,甚至朋友。(DeepTech深科技,有删减)


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