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《科学美国人》:2019年十大打破性技能

发布时间:2021-09-08 19:13:16 来源:体育电竞网站 作者:爱体育官网

  日前,闻名科普杂志《科学美国人》发布了2019年十大打破性技能榜单。榜上有名的既有“不可捉摸”的新式核反响堆和DNA存储,也有“和蔼可亲”的新式肥料和食物包装。科技日报记者整理后发现,这十大技能可分为清洁环境、改造动力、促进健康、快捷日子与推翻立异五个大类。

  塑料废物不只能在环境中存在数百年,还会开释有毒化合物。之前以玉米、甘蔗或废油脂为质料出产的可生物降解塑料,功用难以与一般塑料比较。现在,英国伦敦帝国理工学院、芬兰梅特根生物技能公司等正在研讨运用低本钱离子溶剂和生物酶处理纤维素或木质素,出产新式可生物降解塑料,有望助力处理塑料废物问题。

  农用肥猜中的氮会在大气中构成温室气体,磷则进入河流,引发藻类等生物过度生长。海法集团和ICL特种肥料等公司运用先进的资料和制造技能,改善胶囊类缓释肥料外壳,使其成为“智能肥料”,能依据土壤温度、酸度或养分改动开释率。比较需求人工智能、数据剖析和许多传感器的所谓“准确农业”,这种办法更易推行。

  现有的商业核反响堆运用的简直都是将铀芯堆积在锆合金内的核燃料棒。假如锆过热,它会与水反响发生氢气并爆破,这一问题导致了美国三岛和日本福岛的核事故。正在研制的“第四代”核反响堆将用液态钠或熔盐代替水来传递热量,防止发生氢气。美国则提出建造小型模块化反响堆以前进安全性。新式燃料和小型模块化反响堆有望带来核电复兴。

  风能和太阳能是首要的可再生动力,但需求大规划的储能技能存储“备用能量”,以便在晚上或无风的时分运用。之前,抽水蓄能和锂电池是首要的储能办法,别离存在本钱高和储能时刻短的缺陷。美、韩、中、日等国正在研制大型流电池和氢燃料电池,有望处理上述问题。

  近年来,科学家发现了一种名为“实质无序蛋白”(IDP)的特别蛋白质,一旦其不能正常作业,就会导致癌症或神经退行性疾病。跟着科学家对IDP的研讨益发深化,工业界开端重视以IDP为靶点的医治办法。IDP、Graffinity、Cantabio等制药公司都在研讨相关药物,为医治癌症、阿尔茨海默氏症等疾病带来新的手法。

  据国际卫生安排核算,全球每年约有6亿人食物中毒,其间42万人逝世。新技能能够有用缓解这一问题。IBM公司依据区块链技能的云渠道IBM Food Trust能够协助食物行业快速溯源有毒食物,而TimeStrip UK和Vitsab International等企业研制的带有传感器的食物标签,能够协助人们确认食物是否在恰当的温度下贮存和是否开端蜕变。

  人工智能技能使工程师能够将心思和神经科学转化为算法,让机器人能够辨认声响、手势、目光和心情等以习气人们的需求。Softbank Robotics开发的人形机器人Pepper足以辨认人脸和根本情感,并经过“胸部”的触摸屏对话,现已用来供给酒店挂号、机场客户服务,担任购物助理等。此外,越来越智能的医治机器人和玩具机器人,对晚年人和孩子也很有吸引力。

  长途协同呈现技能能够使不同地址的人战胜空间的隔膜近距离触摸。增强实际(AR)、虚拟实际(VR)及5G通讯技能的开展使之成为或许。“X大奖”基金会现已发起了1000万美元的“ANA阿凡达”大奖赛,旨在“将人的感觉、举动和存在实时传送到一个悠远的方位,然后带来一个更为严密的国际”。微软等公司也在进行相关研讨。未来3—5年内,长途协同呈现技能将迎来打破。

  一想到镜头资料,人们最早想到的便是玻璃,谁能想到金属?但传统的玻璃切开和玻璃曲折技能很难制造出微型透镜,这约束了光学产品的小型化。现在,科学家运用金属代替玻璃制造透镜,而且发现金属透镜无需分层就能消除色差,在处理散光等导致图画失真和含糊的像差问题上也有所打破。金属透镜使规划、制造微型光学器材成为或许。

  人类正面对严峻的数据存储问题。到2020年,全球每年需求4180亿个1TB容量的硬盘才干包容悉数数据。比较之下,一个边长约1米的DNA立方体就足以包容等量数据。事实上,DNA数据存储技能并不悠远。2017年,哈佛大学的研讨人员将一只手的图画记载到了大肠杆菌的基因组中。华盛顿大学和微软研讨院的研讨人员现已开宣布一个彻底自动化的体系,用于编写、存储和读取DNA编码的数据。

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  重大意义:机器正在经过自我学习学会应对这个实际国际。假如机器人能学会应对紊乱的实际国际,那么它们就能够担任更多的使命。

  首要研讨者:OpenAI(人工智能非营利安排)、卡内基梅隆大学、密歇根大学、加州大学伯克利分校

  尽管机器人能够在装配线上诲人不倦地重复着同一个动作,一同还能坚持超高的精度,但哪怕方针物体被略微移动了一点,或将其替换成不同的零件,机器人的抓取进程就会变得非常蠢笨乃至是直接抓空。

  现在,尽管咱们还无法让机器人做到和人相同,在看到物体后就了解怎么将其拿起,但现在它能够经过在虚拟空间里进行重复的实验,终究自主学会处理眼前的物体。

  坐落旧金山的非盈利安排 OpenAI(人工智能非营利安排)就推出了这样一套 AI 体系 Dactyl,并已成功控制一个机器手让其灵敏地翻转一块积木。

  这套神经网络软件能够经过强化学习,让机器人在模仿的环境中学会抓取并滚动积木后,再让机器手进行实际操作。

  一般咱们无法让机器人将模仿操练中获得的常识运用到实际环境里,因为咱们很难模仿出像摩擦力或是资料的不同性质这样的杂乱变量。

  但假如研讨人员能够很好地运用这种学习办法,未来的机器人将有望能够学会拼装电子产品、将餐具摆入洗碗机里、乃至是能够将卧床的人从床上扶起。

  重大意义:先进的核聚变和核裂变反响堆正在走进实际。在削减碳排放和约束气候变化的尽力方面,核能的作用好像正变得越来越不可或缺。

  成熟期:新式核裂变反响堆到 2020 时代中期有望完结大规划运用;核聚变反响堆仍需至少十年时刻。

  推翻了传统规划的第四代核裂变反响堆、小型模块化反响堆,以及好像永久也无法完结的核聚变反响堆。

  第四代核裂变反响堆的开发者,比方加拿大的 Terrestrial Energy 和总部坐落华盛顿的泰拉动力(Terra Power),现已开端与电力公司树立研制合作联系,力求在 2020 时代之前完结并网发电(这个估量或许有些达观)。

  小型模块化反响堆能够发生的电力,一般为数十兆瓦(比较之下,传统核反响堆能够发生约 1000 兆瓦的电力)。

  像俄勒冈州的 NuScale 这样的公司表明,小型化的反响堆能够节省资金本钱,并下降环境和金融风险。

  尽管没人盼望可控核聚变技能会在 2030 年曾经完结交给,但像 General Fusion 和 Commonwealth Fusion Systems 这样的来自麻省理工学院的草创企业,正在获得一些活跃发展。

  许多人以为可控核聚变仅仅南柯一梦,可是,因为核聚变反响堆不会呈现堆芯熔毁,也不会发生衰变期长、放射性高的核废料,它所或许会面对的大众抵抗应该会比惯例核反响堆少许多。(比尔·盖茨是泰拉动力和 Commonwealth Fusion Systems 的出资方。)

  咱们的遗传物质首要存在于细胞内,可是少数的“无细胞”DNA 和 RNA(核糖核酸)也漂浮在咱们的血液中,一般由病笃细胞开释。

  斯坦福大学的生物工程师 Stephen Quake 现已找到了一种办法来处理医学界最扎手的问题之一:大约非常之一的婴儿过早出世。

  自在漂浮的 DNA(脱氧核糖核酸)和 RNA(核糖核酸)携带者曾经需求侵入性细胞抓取细胞的信息,例如对肿瘤进行活安排查看或刺破孕妈妈的腹部进行羊膜穿刺术。

  在曩昔几年中,研讨人员开端经过从血液中检测肿瘤细胞的 DNA,以及经过血液检测对孕妈妈进行唐氏综合症等疾病的产前筛查。

  经过对母亲血液中的自在漂浮的 RNA 进行测序,Quake 筛选出与早产有关的七种基因表达的动摇。这让他能够辨认或许过早临产的女人。

  重大意义:一种小型的、可吞咽的设备,不运用麻醉也能够捕捉到肠道的具体图画,乃至在婴儿和儿童体内也能够。这一设备使肠道疾病的勘探和研讨变得更为简略,其间包含使贫困区域的数百万儿童发育不良的一种疾病。

  以肠道发炎、肠道走漏和养分吸收不良为特征,这一疾病在赤贫国家广泛传达,这也是这些区域许多人养分不良、发育缓慢、未能到达正常身高的原因之一。

  在婴儿中现已有了医治办法,但确诊和研讨这些幼儿肠道疾病一般需求麻醉,并将一个称为内窥镜的管子刺进嗓子。

  因而,麻省总医院(MGH)的病理学家和工程师 Guillermo Tearney 研制了一种小型设备,这种设备能够检测 EED 的体现症状,乃至能够进行安排活检。

  Tearney 的可吞咽胶囊显微镜附在可曲折的线型导管上,被连接到一种叫做光学相干断层成像体系( OCT )的设备上。

  在患者将胶囊吞咽后,医疗人员在将纤维胶囊拉回的进程中,能够无死角对整个消化道做纤维断层扫描。

  这种胶囊在消毒后能够重复运用(这听起来有点令人不适,可是 Tearney 的团队现已研宣布一种技能,据他们说,这种技能不会形成不适)。

  关于环境性肠功用障碍,Tearney 的团队研宣布了一种更小的版别,能够给不能吞咽药丸的婴儿运用。

  这现已在盛行这种疾病的巴基斯坦区域的青少年身上验证过了,此外,方案在 2019 年进行婴儿实验。

  这一小型勘探仪将协助研讨者们答复关于环境性肠功用障碍发展的相关问题——例如它会影响什么细胞和是否有细菌触及其间——并评价干涉手法和潜在疗法。

  重大意义:经过辨认各肿瘤的特异性骤变,激起人体的天然防护能力,然后对癌细胞进行针对性损坏。传统化学疗法对健康细胞有很大影响,而且对肿瘤的医治作用并不总是抱负。

  假如其作用真如预期的话,该疫苗就确实能够经过肿瘤一同的骤变触发人体免疫体系对其进行辨认,然后有用地阻挠多种癌症的发生。

  更重要的是,与传统化学疗法不同,疫苗是经过运用人体的天然防护体系来挑选性地损坏肿瘤细胞的,对健康细胞的危害较有限。

  在人类基因组方案完结五年后的 2008 年,当遗传学家发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。

  尔后不久,研讨人员开端将癌细胞的 DNA 与健康细胞和其他肿瘤细胞三者的 DNA 进行比较。

  几年后,一家名为 BioNTech 的德国草创公司供给了令人信服的依据,证明含有这些骤变复制的疫苗能够催化机体的免疫体系发生 T 细胞,然后做好发现、进犯和炸毁一切含有这些骤变癌细胞的预备。

  现在正在进行的实验针对至少 10 种实体癌症,方针是在全球各地招募 560 名以上的志愿者。

  但这会是块“硬骨头”,因为制造疫苗需求对患者的肿瘤进行活检,对其 DNA 进行测序和剖析,并将这些信息敏捷传递到出产现场。

  重大意义:实验室培养的人造肉和植物制成的素肉,能在不损坏环境的情况下挨近实在肉类的滋味和养分价值。人造肉的呈现,能够缓解畜牧业出产形成的毁灭性的森林采伐、水污染和温室气体排放。

  依据动物品种的不同,以西方工业化办法出产一磅肉类蛋白要比出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。

  国际经济论坛最近的一份陈述说,出产实验室人造肉的温室气体排放量也只比出产牛肉出产少大约 7%。

  对环境更友爱的肉类代替品,便是 Beyond Meat 和 Impossible Foods(比尔·盖茨出资了这两家美国人造肉草创企业)等公司研制的植物制成的“素肉”。

  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,现已在 3 万家商铺和饭馆售出了超越 2500 万个汉堡。

  密歇根大学可继续体系中心剖析显现,Beyond Meat 制造汉堡发生的温室气体或许比传统牛肉汉堡少 90%。

  重大意义:有用且经济地从空气中直接捕获二氧化碳的办法,能够吸走过量排放的温室气体。从大气中去除CO2或许是阻挠灾难性的气候变化最终的可行办法之一。

  上一年夏天,哈佛大学气候科学家大卫·凯斯(David Keith)核算之后惊喜地发现,一种叫做直接空气捕获(Direct Air Capture,DAC)的办法,理论上能够将机器捕集二氧化碳的本钱下降到每吨 100 美元以下。

  从前估量的本钱要比这个数字高出一个数量级,因而许多科学家曾以为这项技能过分贵重,不具备可行性。

  由凯斯在 2009 年参加一同兴办的加拿大草创企业碳工程公司(Carbon Engineering),方案扩展其实验工厂的规划,来前进组成燃料的产值。

  总部坐落苏黎世的 Climeworks 在意大利的直接空气捕获工厂,将运用捕集到的二氧化碳和氢气一同出产甲烷,而他们坐落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,该公司于上一年在阿拉巴马州完结了第一家商业化碳捕集工厂的建造。

  不过,假如二氧化碳被用于组成燃料或出产汽水,那么它们中的大部分最终仍是会回到大气中去。咱们的终极方针,是完结温室气体的永久封存。

  其间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,但更多的需求深埋于地下。现在还没有可行的商业模式来支撑这项本钱昂扬的作业。

  事实上,从工程学的视点来看,从空气中汲取 CO2 是应对气候变化最困难、也是最贵重的办法之一。

  重大意义:跟着监管组织的同意和相关技能的前进,人们能够轻松经过可穿戴设备继续监测自己的心脏健康。可检测心电图的智能手表能够预警如心房颤动等潜在的危及生命的心脏疾病。

  而心电图则是在患者中风或心脏病发生之前,医师就能够用其来确诊心脏反常,但需求去正规诊所才干查看,因而人们常常不能及时就诊。

  跟着监管部门新法规的出台和软、硬件的相关立异,心电监测智能手体现已问世,它具有可穿戴设备的便利性,而且能够供给挨近医疗设备的精度。

  硅谷草创公司 AliveCor 推出了一款与苹果手表兼容的腕带,该腕带能够检测出心房颤动,这是导致血栓和中风的常见原因。

  上一年,苹果发布了带有心电图(ECG)功用的Apple Watch,而且该功用现现已过 FDA 认证。

  上一年秋天,AliveCor 就一款运用程序和双传感器体系向美国心脏协会(American Heart Association)提交了开端检查,据称该体系能够检测到某品种型的心脏病。

  重大意义:节能厕所能够在没有下水道体系的情况下运用,而且能够就地分化粪便。23亿人缺少安全的卫生设施,并许多人因而逝世

  全球大约有 23 亿人没有杰出的卫生条件。因为缺少卫生的厕所,人们将粪便倾倒在邻近的池塘和溪水中,这会传达细菌、病毒和寄生虫,然后导致腹泻和霍乱。

  现在,研讨人员正在尽力开发一种新式厕所,这种厕所对开展我国家来说也满足廉价,不只能够处理粪便,还能够对其进行分化。

  自从应战开端以来,有几个团队现已将规划的厕所原型投入运用。一切的粪便都是就地处理的,不需求用许多的水把它们送到悠远的处理厂。

  大多数的厕所原型都是独立的,不需求下水道,但他们看起来像传统的厕所,装在一个小隔间里而且有马桶。

  由南佛罗里达大学规划的 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巨细的炼油厂,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。

  例如,Biomass Controls 的产品每天能为不计其数的用户供给方便,因而它不太合适较小的村庄。

  重大意义:捕捉单词之间语义联系的新技能正在使机器更好地了解自然语言。人工智能帮手现在能够履行依据对话的使命,如预定餐厅或和谐行李邮寄,而不只仅是遵守简略指令。

  咱们现已习气了人工智能帮手——Alexa 在客厅里播映音乐,Siri 在你的手机上为你定闹钟——但它们并没有真实做到所谓的智能。

  2018 年 6 月,OpenAI 的研讨人员开发了一种技能,能够在未符号的文本上练习人工智能,以削减人工对数据进行分类符号时花费的本钱和时刻。

  该体系在研讨了数百万个语句后学会了怎么猜测漏掉的单词。在一个多项挑选测验中,它在填空方面的体现和人类相同好。

  这样的人工智能帮手现已问世,如谷歌帮手的逆天升级版谷歌 Duplex,能够帮你接听电话,乃至过滤掉废物邮件及电话推销。它还能够打电话帮你预定餐厅或沙龙。

  在我国,顾客正在习气阿里巴巴的 AliMe,AliMe 经过电话和谐包裹投递,还能够与顾客讨价还价。

  一旦咱们处理了这个难题,咱们或许会看到人工智能的另一种进化:从物流和谐员到保姆、教师,乃至朋友。