10项有望改变世界的技术

2020-12-01

来源:环球科学

能无痛注射的微针

肉眼几乎不可见的“微针”有望让我们进入一个无痛注射和无痛血检的新时代。无论是与注射器还是贴片连接,微针都能避免与神经末梢接触,从而避免产生痛觉。它可以穿透皮肤表层的死细胞,到达由活细胞和间质液组成的表皮。但是微针大多不能到达或只能勉强接触到真皮层。

许多微针注射器以及微针贴片已经被应用于疫苗注射,还有更多的被用于糖尿病、癌症以及神经性疼痛疗法的临床试验。因为微针注射器或者微针贴片会将药物直接注射进表皮或真皮中,所以它们能够比常见的依靠皮肤扩散的透皮贴剂更有效地递送药物。今年,研究人员推出了一种用于治疗皮肤疾病(如牛皮癣、疣和某些皮肤癌)的新技术。

许多微针产品正朝着商业化的方向发展,这些产品能快速、无痛地抽取血液或间质液,用于疾病诊断或监测健康状况。如果将针头连接到生物传感器上,则该设备可以在几分钟之内直接测量指示健康或疾病状态的生物标志物。

有些微针产品能让使用者在家中抽取样本,然后邮寄到实验室或是直接在家进行分析。这种方法可以帮助我们更好地实现个性化医疗。微针还可用于在医疗服务匮乏的地区进行诊断检测和治疗。随着研究人员设计出将其用于皮肤以外器官的方法,微针技术也会产生新的用途。

让二氧化碳变成可用材料

我们在制造许多化学产品时,都需要消耗化石燃料,这个过程会造成大量二氧化碳排放,导致气候变化。现在有一种利用阳光将废弃二氧化碳转化为化学产品的新方法,它有可能通过以下两方面减少二氧化碳的排放:将不需要的气体作为生产原材料;将阳光而不是化石燃料于为生产所需的能源。

近年来,研究人员开发了能打破二氧化碳中碳氧双键的光催化剂。这是创建“太阳能”精炼厂的关键一步,这种精炼厂可利用废气生产有用的化合物,包括可用作合成药品、洗涤剂、化肥和纺织品的原料的各种分子。光催化剂通常是半导体,需要高能紫外线才能产生参与转化二氧化碳的电子。然而,紫外线不仅稀缺(仅占阳光的5%),而且对健康有害。现在,一些经过改造的催化剂只需要可见光就能生产出广泛使用的化学物质,例如甲醇、甲醛和甲酸。这些化学原料在粘合剂、泡沫剂、胶合板、橱柜、地板和消毒剂的生产中起着重要的作用。

一些新兴企业正在研究另一种将二氧化碳转化为有用物质的方法,即施加电能以驱动化学反应。如果电力来自化石燃料燃烧,那么使用电力为反应供电,显然不如使用阳光对环境友好,而依靠光伏发电可能能够克服这种缺点。

将来,化学工业将能够把废弃的二氧化碳转化为有价值的产品,朝着真正无浪费的循环经济迈进一步,并帮助实现负排放的目标。

虚拟病人加速医学研发

在虚拟的人体器官或人体系统上测试药物和疗法的有效性,进而能够准确预测真实的人体对疾病治疗的反应,这些都是“计算机模拟医学”的优势。计算机模拟人体试验可以降低初步评估的时间与金钱成本,同时大大减少了志愿者的数量。

虚拟器官的建模过程首先需要得到真实人体器官的非侵入性、高分辨率成像图,当研究者从中获得人体解剖学数据后,再将数据输入复杂的数学模型中,就能完成对该人体器官功能的模拟。随后,强大的计算机得以生成在外观和行为上与真实人体器官相似度极高的虚拟器官。现在,FDA正在使用计算机模拟代替真实人体,来评估新的乳房摄影术系统。

此外,在某些特定疾病的诊断或疗法设计上,计算机模拟医学也可以发挥风险干预措施的作用。例如,由FDA批准的基于云服务的HeartFlow分析,使临床医生可以根据患者心脏的CT图像来判断病人是否患有冠状动脉疾病。在特定患者的虚拟数字模型上开展实验,还可以帮助医生针对不同患者的不同情况进行个性化精准治疗。

近年来,FDA和欧洲监管机构已经批准了基于计算机诊断的一些商业用途,但是要满足监管标准的要求仍需要花费大量的时间和金钱。计算机模拟医学必须为疾病患者、临床医生和医疗机构提供成本更低的巨大价值,才能更广泛和快速地进入应用阶段。

空间计算提升人机交互

“空间计算”(spatial computing)是物理世界和数字世界不断融合的下一步。它可以做到虚拟现实和增强现实技术所能做到的一切:让传感器和马达实现互动;将通过云连接的设备数字化;以数字化方式代表现实世界。不仅如此,它还需要将这些功能与高保真的空间映射关系相结合,确保人在物理世界或者数字世界中运动和交互时,“协调器”能够有效地导航和追踪。很快,空间计算将会使人机交互和机器间的交互效率提高到崭新的水平,其中的应用场景包括工业、医疗保健、运输和家庭场景等等。

与虚拟现实和增强现实一样,空间计算建立在“数字孪生”之上。有了空间计算以后,能实现数字孪生的不仅有物体,还可以是人和位置。使用GPS、激光雷达、视频和其他地理位置技术,就可以创建房间、建筑物或城市的数字地图。算法可以把数字地图和其他信息集成在一起,创建一个可观察、可量化和可操纵的数字世界,当然这样的操作也能同时触及现实世界。

提供医疗服务的应用程序

在你就医时,医生开出的处方上写着的会是一个应用程序吗?目前,已经有一些应用程序可以自主检测我们的生理和心理疾病了,其中一些甚至可以直接治疗相关疾病。以上这些正处于研发过程中,或者正在被人们使用的软件,都被称为“数字医疗”(digital medicines)。

数字医疗程序可以通过移动设备记录用户的信息,包括声音、位置、面部表情、运动、睡眠和打字的节奏等。用人工智能技术分析这些信息后,就能预测可能出现的病情或症状的发展状况。例如,一些智能手表包含特殊的传感器,可以自动检测并提醒用户是否出现心房纤颤。此外,研发人员还在研发其他的方案,包括用于筛查呼吸障碍、抑郁症、帕金森病、阿尔茨海默病、自闭症和其他病症的工具。

辅助检测工具还可以采用其他的形式,比如可以被人体吞服的带有传感器的“药丸”。这类工具被称为“生物微电子设备”。有一些公司正在开发这类设备,应用的范围包括检测癌症DNA、肠道微生物释放的气体、胃出血量、体温和脉氧水平等等。

当然,整个社会必须以十分谨慎的态度推动数字医疗的发展,必须确保这些工具经过严格的安全性及有效性测试,必须要保护个人隐私,必须能顺利融入医生的工作流程。

给飞机换上电动推进器

2019年,航空业的碳排放量占全球总碳排放量的2.5%,到2050年,这一数字可能还会增加两倍。尽管一些航空公司已经开始采取措施减少碳排放,但仍然需要进一步减排。电动飞机或许可以满足如此大规模的削减量,因此吸引了许多公司开展研发工作。电动推进器不仅可以消除直接碳排放量,还能降低多达90%的燃料成本、50%的维护成本和近70%的噪音。

电动化的不只有发动机。在美国正在研发的X-57麦克斯韦号上,传统的长机翼被一对更短的、上面分布有电动推进器的机翼取代。电动推进器增加了飞机起飞时的升力,因此机翼可以做得更小,进而提高飞机总体的飞行效率。目前来看,电动飞机的限制还是在于飞行里程。与传统飞机燃料相比,如今最好的电池的容量仍然有限:前者为12 000 瓦时每千克,后者只有250瓦时每千克。

新技术使水泥更低碳

作为使用最为广泛的一种人造材料,混凝土塑造了今天我们建造的大部分世界。但是,混凝土的关键成分——水泥——的生产也带来了大量容易被忽略的碳排放。在水泥生产过程中,无论是因为加热和将石灰岩转化为水泥熟料所化石燃料燃烧过程,还是在磨碎原料与其他物质结合形成水泥的化学过程中,都会产生碳排放。

科学家也在开发新的方案,试图以更低碳的方式生产水泥。目前已经有一些方案得到了应用。加拿大公司CarbonCure通过矿化作用将其他化工厂产生的二氧化碳储存在混凝土中;另一家加拿大公司CarbiCrete完全放弃了在混凝土中使用水泥,转而使用炼钢行业的一种副产品——钢渣。总部位于德国的跨国公司海德堡水泥计划将挪威的一处工厂改造为世界首个实现零排放的水泥工厂。这家名为Norcem的工厂已经开始使用废物作为替代燃料,并且计划通过引入碳捕捉和碳储存技术,在2030年前消除工厂的所有碳排放量。

另外,研究人员还尝试用其他方法提高混凝土的性能。初创公司BioMason就致力于开发“活性”建筑材料:用细菌和颗粒物“长出”了类似水泥的材料。此外,受DARPA资助的一个创新项目,利用一种叫做蓝细菌的光合作用微生物制作出低碳混凝土。研究人员将这种细菌接种到沙子-水凝胶支架上,制造出一种能自我修复裂缝的砖块。

体积更小的量子传感器

量子传感器是一种利用亚原子粒子的行为进行超灵敏测量的仪器,能使自动驾驶汽车提前“看见”拐角之后的情况;能让水下导航系统、火山活动和地震预警系统更加先进;还能让随时随地监测大脑活动的便携式磁共振(MRI)扫描仪成为现实。

对于任何测量仪器来说,测量单位越小,测量的精度也就越高。量子传感器可以通过测量亚原子粒子的行为,使设备达到极高的分辨率。原子钟就利用了这一原理:我们这个世界的时间是建立在铯133原子的电子在一秒内完成9 192 631 770次特定跃迁的基础上的。

英国伯明翰大学的研究人员正在开发一种量子传感器,用自由落体的过冷原子来检测局部重力的微小变化。这种量子重力计能够用于检测埋入地下的管道、电缆和其他物体,使我们不必挖开地面就能进行测量。航海的船只也可以采用类似的技术来探测水下物体。

虽然大多数量子传感系统仍然过于昂贵,而且拥有庞大的体积和复杂的结构,但更小、更便宜的新一代量子传感器很快就会开辟出一条新的道路。去年,美国麻省理工学院的研究人员成功地将一个用钻石做成的量子传感器放在了硅片上。这样的原型产品是我们实现低成本、批量化生产量子传感器的第一步。

电解的绿色氢能

“绿氢”是通过电解产生的氢气。在电解过程中,水被分解为氢气和氧气,没有任何其他副产物。从历史上看,电解需要消耗大量能量,因此用这种方式生产氢气几乎没有意义。但这种情况正在发生改变。原因有两个,首先,在目前的电网中经常会出现大量没有被消耗的可再生电力。与其将这些过量的电力用电池组储存起来,还不如用它来电解水,以氢能的方式存储。其次,电解器的效率也提高了。

最近,Advanced Ionics等公司新开发了新型电解器,产生1千克氢气只需要消耗不到40千瓦时的能量。能源公司正在将这些电解器直接集成到可再生能源项目中,以此实现绿氢的规模化生产。

虽然绿氢仍处于起步阶段,但一些国家正在加紧投资这项技术。澳大利亚希望利用丰富的太阳能和风能生产氢气并出口。智利计划在该国干旱但是拥有大量太阳能电力的北部生产氢能。中国的目标则是在2030年以前让上百万辆氢燃料电池汽车上路。

全基因组合成技术

全基因组合成是正在蓬勃发展的合成生物学的又一次延伸。研究人员可以使用软件设计基因序列,合成后再导入微生物体内。也就是说,研究人员可以对微生物编程,实现某些特定的功能,比如让细菌合成某种新型药物。

设计包含数百万个核苷酸的基因组(比如细菌和酵母菌的基因组)已经变得越来越容易。合成这样大小的基因组能把微生物变成工厂,这座工厂不仅能够生产药物,还能生产其他产品。比如,它们可以被设计为持续生产某些化学物质、燃料和新型建筑材料的工厂。而生产原材料也只是非食物类的生物质,甚至是被看作废气的二氧化碳。

很多科学家还希望能够合成更大的基因组,比如来自植物、动物和人类的基因组。要实现这一点,我们还需要加大对设计软件、合成设备和组装设备的投入。如果资金充足,在近10年内就有可能实现合成包含数十亿个核苷酸的基因组。

对此,科学家已经设想出了很多值得期待的应用场景,比如设计能抵抗病原体的植物,极其安全的人类细胞系(可以不受病毒、癌症和辐射的影响,因此可以用于开发细胞疗法)。在未来,随着技术的发展,科学家一定会掌握合成人类自身基因组的能力,这或许可以让医生治疗几乎所有的遗传疾病。

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