2015年十大創(chuàng )新技術(shù)

    《科學(xué)美國人》中文版《環(huán)球科學(xué)》近日遴選出2015年十大創(chuàng )新技術(shù)：用眼睛控制計算機、一滴樣品檢測出所有病毒、小型聚變反應堆……2015年依然不乏能夠改變世界的科技創(chuàng )新，它們不僅會(huì )改善人們的生活，還有望拯救身處危機中的地球。

    眼控機器：軟件把眼動(dòng)轉換為設備的控制命令為癱瘓患者帶來(lái)希望

　很久以前，科學(xué)家就知道眼睛可以透露出人們的目標——他們想去哪里，想干什么，想和誰(shuí)接觸。英國倫敦帝國學(xué)院專(zhuān)攻神經(jīng)技術(shù)的副教授奧爾多·費薩爾希望能用人的眼動(dòng)來(lái)控制輪椅、計算機和電子游戲。費薩爾和同事用電子游戲攝像頭做了一副眼鏡，用來(lái)記錄用戶(hù)的眼動(dòng)，并將眼動(dòng)數據輸入計算機。計算機里的軟件隨后會(huì )把數據轉換成機器命令。幾乎所有人都可以使用這一技術(shù),而系統的搭建成本還不到50美元。在一次科學(xué)展覽上，數千名志愿者試用了這一技術(shù)。大多數人在無(wú)須指導的情況下，只需要15秒就能熟練地用它玩乒乓球游戲。

　費薩爾和同事利用70年來(lái)針對眼動(dòng)的神經(jīng)生物學(xué)研究，開(kāi)發(fā)出了一套能把眼神轉換成控制輪椅的命令的算法，把眨眼轉換成鼠標點(diǎn)擊，把瞳孔的快速移動(dòng)轉換為游戲手柄的搖動(dòng)。為了預測使用者的意圖，這套算法需要用真實(shí)世界中的數據進(jìn)行訓練，研究人員會(huì )收集到他們的眼動(dòng)數據。通過(guò)不斷訓練，軟件系統就可以逐漸識別出用戶(hù)的意圖。（雷切爾·紐爾）

    微波火箭：微波束驅動(dòng)的火箭可以讓人類(lèi)以更低廉的成本進(jìn)入太空

　人類(lèi)搭載火箭進(jìn)入太空已經(jīng)有50多年了。在這50多年中，讓火箭到達預定軌道仍然需要極高的成本?；鸺亓康?0%是燃料和推進(jìn)劑，留給貨物的空間很小。1924年，蘇聯(lián)科學(xué)家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基提出了一種降低成本的方法，建議用地面信號發(fā)送器發(fā)出的微波束作為火箭升空的動(dòng)力。齊奧爾科夫斯基建議，使用拋物面鏡將“短波電磁射線(xiàn)的平行光束”引導至火箭的腹部，加熱推進(jìn)劑產(chǎn)生推力，而無(wú)須在火箭艙內攜帶大量燃料。這個(gè)創(chuàng )意一直無(wú)人問(wèn)津。直到最近，技術(shù)的進(jìn)步才終于跟上了齊奧爾科夫斯基的遠見(jiàn)。20世紀50年代，人們發(fā)明了微波激射，但直到更好更廉價(jià)的發(fā)生裝置——回旋管出現后，才使微波激射器的發(fā)射功率達到太空發(fā)射所需的兆瓦級水平。

　目前，一家私營(yíng)公司正在測試開(kāi)發(fā)一套可反復使用的微波動(dòng)力系統，該系統能夠發(fā)射衛星，最終甚至可以用于載人航天。這引起了NASA的注意。2015年7月，NASA將微波火箭技術(shù)列入未來(lái)技術(shù)開(kāi)發(fā)路線(xiàn)圖。（李·比林斯）

    可注射進(jìn)腦部的柔軟電子探針：導電的高聚物網(wǎng)可以給大腦研究帶來(lái)新希望

　為了解開(kāi)腦部之謎，科學(xué)家需要細致而準確地監測活體動(dòng)物大腦中的神經(jīng)元。不過(guò)，大腦探針一般來(lái)說(shuō)很粗笨。哈佛大學(xué)的化學(xué)家查爾斯·利伯領(lǐng)導的團隊希望用絲般柔軟的網(wǎng)狀高分子聚合物改進(jìn)目前的研究方法?，F在，研究人員已經(jīng)在活體小鼠身上測試了他們的網(wǎng)狀聚合物，其中鑲嵌了電子傳感器。一旦研究確認了網(wǎng)狀聚合物的安全性，可以用于人類(lèi)，研究單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)如何產(chǎn)生認知，以及治療帕金森病等疾病。（賽思·弗萊徹）

    轉基因生物的毀滅開(kāi)關(guān)：毀滅開(kāi)關(guān)可以抵御商業(yè)間諜并預防基因污染

　全世界都在培養數目龐大的轉基因大腸桿菌，讓它們分泌有用的物質(zhì)，比如醫用胰島素、塑料高聚物和食品添加劑。當這些轉基因細菌完成使命以后，會(huì )被作為工業(yè)廢物丟棄，或是被當成肥料使用。

　這種做法目前對環(huán)境造成的風(fēng)險很小，因為轉基因大腸桿菌的生存能力比自然界的大腸桿菌弱，在實(shí)驗室外不會(huì )存活很長(cháng)時(shí)間。但是，未來(lái)出現的轉基因細菌則有可能會(huì )出現在不應出現的地方并帶來(lái)風(fēng)險。2009年，加利福尼亞大學(xué)舊金山分校的生物工程師布萊恩·卡里安多開(kāi)始研究，如何在轉基因生物逃逸或被偷竊時(shí)銷(xiāo)毀這些生物體內經(jīng)過(guò)改造的DNA。最近，他了解到了一個(gè)叫作CRISPR的細菌防御機制，細菌用它來(lái)切割和破壞入侵病毒的DNA?？ɡ锇捕嘁庾R到，可以用CRISPR制作一種內置于轉基因細菌中的毀滅開(kāi)關(guān)?？ɡ锇捕鄬|(zhì)粒（自動(dòng)復制的微小環(huán)狀DNA）進(jìn)行了改造，讓它們可以編碼一些RNA堿基和酶，形成毀滅開(kāi)關(guān)。然后，他把這些質(zhì)粒注入轉基因大腸桿菌，然后給細菌裝上致命程序。一旦在轉基因大腸桿菌的培養基里加入阿拉伯糖，毀滅開(kāi)關(guān)就會(huì )打開(kāi)，切割細菌經(jīng)過(guò)改造的DNA。（珍妮弗·阿巴西）

    自己學(xué)習的機器:自我學(xué)習能力讓人工智能變得更加聰明

　谷歌、臉書(shū)等商業(yè)巨頭正在開(kāi)發(fā)可以自我學(xué)習的技術(shù)，并取得了諸多進(jìn)展。他們的工作在很大程度上依賴(lài)一種叫深度學(xué)習的技術(shù)。

　深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò )源于一個(gè)有著(zhù)幾十年歷史的觀(guān)點(diǎn)：如果計算機運行的方式更接近人腦，就會(huì )變得更智能。這樣的深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò )由多個(gè)相互連接的CPU層組成，這些CPU又叫人工神經(jīng)元。每層人工神經(jīng)元都會(huì )對輸入信息做出不同的處理，和傳統的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )相比，深度學(xué)習神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的層數要多得多。網(wǎng)絡(luò )的深度越大（也就是層數越多），它能提取的內容就越抽象。最近，深度學(xué)習開(kāi)始在市場(chǎng)中獲得應用。一個(gè)例子是谷歌在2015年5月上線(xiàn)的Google Photos應用。事實(shí)上，這項技術(shù)標志著(zhù)我們朝著(zhù)真正的人工智能前進(jìn)了一步，這樣的人工智能將擁有幾乎與人類(lèi)一樣的智能行為。2015年2月，DeepMind公司的一組人工智能學(xué)家報告了他們的結果：他們用深度學(xué)習技術(shù)搭建了一臺可以自我訓練的計算機，可以玩一些簡(jiǎn)單的電子游戲，并擊敗人類(lèi)高手玩家。（加里·斯蒂克斯）

    讓視線(xiàn)轉個(gè)彎:彈射的光子可以讓攝像頭看到視線(xiàn)外的物體

　如果攝像頭可以看到拐角另一邊的情況，就能警告司機拐彎處隱藏的危險，幫助消防隊員搜索著(zhù)火的大樓，還能讓外科醫生看到體內難以抵達的部位。幾年前，麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗室的研究人員發(fā)明了這樣的攝像頭，但那只是一個(gè)昂貴的早期原型產(chǎn)品。這款設備用激光脈沖把光通過(guò)墻或門(mén)彈射到隔壁房間的靜態(tài)物體上，一個(gè)價(jià)值50萬(wàn)美元的攝像頭隨后會(huì )捕捉反射回的光，最后一個(gè)程序會(huì )記錄下單個(gè)光子的到達時(shí)間，計算出距離，重構出看不見(jiàn)的物體。在那以后，麻省理工學(xué)院的研究團隊大幅改進(jìn)了這一技術(shù)，現在已經(jīng)可以拍到在視線(xiàn)外移動(dòng)的物體，而且還用一個(gè)發(fā)光二極管和100美元的微軟Kinect傳感器取代了激光器和50萬(wàn)美元的攝像頭。（拉里·格林邁耶）

   迅捷排查病毒:新方法可以鑒定出樣本中的每一種病毒，準確度近乎完美

    當醫生想鑒定導致感染的病毒時(shí)，他們通常會(huì )使用聚合酶鏈式反應對零散的DNA片段進(jìn)行“擴增”，以得到足夠多的測試樣本。不過(guò)，醫生必須知道待測病毒的種類(lèi)，這意味著(zhù)需要猜測。2015年9月，哥倫比亞大學(xué)的科研團隊描述了一種可以不靠猜測的新方法。這種技術(shù)有個(gè)拗口的名字：針對脊椎動(dòng)物病毒的病毒組捕捉測序平臺。它可以在一滴唾液、一滴脊髓液或是一小塊組織中找到所有的病毒，準確度近乎完美。這種方法可以在48小時(shí)內同時(shí)分析21個(gè)樣本，每個(gè)樣本的分析成本約為200美元。它還能發(fā)現新病毒或突變的病毒，只要這些病毒和已知病毒的相似度不低于40%。團隊首先搭建了一個(gè)內含1000多種脊椎動(dòng)物病毒的數據庫，然后合成了與所有病毒的所有毒株相匹配的基因探針。他們一共合成了200萬(wàn)種基因探針（一段25至50納米長(cháng)的DNA片段），當探針遇到了匹配的病毒時(shí)，就會(huì )與之結合。為了把病毒分離出來(lái)，研究人員向樣本中添加了直徑為1至3微米的磁珠。通過(guò)一種化學(xué)連接劑，磁珠、探針和捕捉到的病毒會(huì )吸附在一起。然后，裝有磁珠、探針和病毒的試管會(huì )被放在磁力架上，磁珠會(huì )因磁力而附著(zhù)在試管壁上。研究人員分離并清洗完帶有探針和病毒的磁珠后，他們會(huì )對病毒進(jìn)行基因測序，排除假陽(yáng)性的干擾。（雷切爾·紐爾)

    小型聚變反應堆:數十年的緩慢發(fā)展和大規模投資后，聚變反應堆研究者正在改變策略

　當兩種元素結合或者說(shuō)“融合”在一起時(shí)就會(huì )發(fā)生聚變，生成一種新的元素，并將物質(zhì)轉化為能量，太陽(yáng)的能量就是這樣產(chǎn)生的。正在法國建造的國際熱核聚變實(shí)驗堆（ITER）是7個(gè)國家的合作項目。這個(gè)托卡馬克反應堆耗資210億美元，利用超導磁體使等離子達到足夠高的溫度和密度來(lái)實(shí)現聚變反應。ITER建造完成后，總重量將達到23000噸。ITER的主要競爭對手——國家點(diǎn)火裝置（NIF）的構成也很復雜：它會(huì )向燃料芯塊發(fā)射192道激光，使其溫度達到5000攝氏度，壓強達到1500億個(gè)大氣壓。盡管如此，要在此基礎上建成實(shí)用的聚變核電站仍然需要幾十年。新一批研究人員正在尋求不同的策略：縮小規模。2015年，美國高級能源研究計劃局（ARPA-E）通過(guò)名為低成本等離子加熱和裝配促進(jìn)項目向9個(gè)旨在建設廉價(jià)反應堆的小型項目投資3000萬(wàn)美元。此外，通用聚變公司建造了一臺利用在液態(tài)金屬內傳播的沖擊波來(lái)引發(fā)聚變的設備；“三阿爾法能源”公司正在建造對撞束聚變反應堆；軍火巨頭洛克希德·馬丁公司也宣稱(chēng)正在開(kāi)發(fā)一座集裝箱大小的磁約束聚變反應堆。無(wú)論哪種方法能成功輸出清潔充足的電力且不產(chǎn)生放射性廢物，那么僅憑這一項創(chuàng )新，就能解決從能源緊缺到氣候變化等一系列問(wèn)題。（戴維·別洛）

    高效吸熱裝置:多用途鏡面能吸收熱量，將熱量傳導至外太空

　在日益變暖的世界里，降低能耗是個(gè)重要問(wèn)題。斯坦福大學(xué)的研究人員表示，有一種材料可以吸收曝曬于太陽(yáng)下的建筑物的熱量，將熱量輻射至外太空，這有望為降溫問(wèn)題貢獻一部分力量。輻射冷卻的概念起源于20世紀80年代，當時(shí)的一些工程師發(fā)現，刷上漆的金屬屋頂可以吸收建筑物的熱量，將熱量轉化為可以穿透地球大氣層的輻射。但在當時(shí)沒(méi)人能夠造出一種既能輻射熱能量，又能反射陽(yáng)光的材料。斯坦福大學(xué)的團隊制造了一臺相當于高效鏡面的裝置，這種以銀、鈦、硅為基材，上面覆蓋數層二氧化鉿和二氧化硅的材料能夠反射97%的陽(yáng)光。二氧化硅中原子的作用就像微型天線(xiàn)，能吸收面板一側空氣中的熱量，并從另一側發(fā)出熱輻射。該材料發(fā)出的熱輻射波長(cháng)主要集中在8至13納米之間，能夠完全暢通無(wú)阻地穿過(guò)地球的大氣層，所以不會(huì )使建筑物附近的空氣溫度上升，熱量會(huì )散發(fā)至太空。即便在陽(yáng)光直射之下，直徑20厘米的冷卻板的溫度也要比空氣溫度低5攝氏度。

    拍攝化學(xué)反應的慢鏡頭攝像機:紅外光譜學(xué)和計算機模擬可以揭示溶劑—溶液反應的秘密

　在細胞內環(huán)境的液體中，氫鍵可以把DNA的堿基對連在一起。在我們的星球上，很多化學(xué)反應發(fā)生在海洋等水體中。大部分藥物也是在溶劑中合成的。然而，化學(xué)家一般只能在氣態(tài)環(huán)境中才能深入到單個(gè)化學(xué)鍵來(lái)研究化學(xué)反應的機制。在液體里，分子更多，它們之間發(fā)生的碰撞也更頻繁，所以反應發(fā)生得更快、更雜亂，也更復雜。你試圖觀(guān)測的化學(xué)過(guò)程很像是連續的糨糊——除非你能為反應拍攝一些“曝光時(shí)間”僅萬(wàn)億分之一秒的照片。

　英國布里斯托大學(xué)的安德魯·奧爾-尤因用激光研究化學(xué)反應。液體中受到熱催化的反應能產(chǎn)生可觀(guān)測的紅外光譜。在2012年到2014年間，奧爾-尤因的團隊用紫外超短脈沖激光照射乙腈溶劑中的二氟化氙分子。激光脈沖就像手術(shù)刀，可以削掉反應活性極高的氟原子。氟原子可以從溶劑分子中“偷”出氘原子，形成氟化氘。他們用標準的紅外光譜學(xué)技術(shù)，在第一個(gè)激光脈沖后觀(guān)察紅外振蕩出現和消失的速度，這代表了原子間化學(xué)鍵形成的速度和反應到達平衡的速度。

    這些實(shí)驗證實(shí)，在液體中觀(guān)測1皮秒內的化學(xué)反應細節是可行的。然而，大多數化學(xué)家沒(méi)有使用昂貴的激光和探測器，而是用計算機模擬的方法對化學(xué)反應進(jìn)行觀(guān)察和改進(jìn)。奧爾-尤因在布里斯托大學(xué)的同事戴維·格洛瓦茨基和杰瑞米·哈維編寫(xiě)了一套模擬軟件，可以預測奧爾-尤因的光譜學(xué)實(shí)驗結果，準確度很高。