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世界经济论坛最新科技榜单:2015年十大新兴科技,基因科技入选

2015年世界经济论坛新兴技术跨界理事会,一个由18位科学家组成的panel,集思广益,选出2015年十大新兴技术榜单。 从无人机到AI兴起,这个榜单让我们一睹快速迈向的科技未来。


1、燃料电池汽车 (很多汽车厂商将2015年视为燃料电池汽车市场化元年——译者)


氢动能的零排放汽车


与电或碳氢化合物等能源驱动汽车相比,燃料电池汽车一直具有颇具潜力的优势。直到最近,汽车制造商们才打算将这项新技术推向市场。 燃料电池汽车的最初价格可能在7万美元左右,但是今后几年,随着销量递增,价格应该会有显著降低。


蓄电池需要接上外部能源,视车辆和充电装置具体情况,需要5到12小时的充电时间,而燃料电池就不同了, 它利用氢或天然气直接生成电能(中间不经过燃烧——译者)。不过,实践中,燃料电池和蓄电池兼而有之,燃料电池生成电能,蓄电池用来储存动能以供驱动之需。因此,燃料电池汽车属于混合动力车,将来也很有可能采用再生制动 ( regenerative braking) ,将制动时产生的动能储存起来,而不是变成无用的热,这是实现能源利用效率、范围最大化的关键。


与电池电动车不同,燃料电池汽车里程很长——每箱燃料 (通常是压缩氢气)可行驶650公里;氢燃料加注时间仅需大约3分钟;氢燃烧干净,仅排放出水蒸汽,因此,氢动能驱动的燃料电池汽车将实现零排放,这是减少空气污染的重要手段。


在不产生碳排放的前提下生产氢能,办法不少。最显而易见的做法就是利用风能、太阳等再生能源产生的电能电解水 ——尽管这一过程中,整体能源使用效率非常低。利用高温核能反应堆,也能将氢从水中分解出来,或者从诸如煤炭、天然气这类化石燃料中生成氢能 ,将过程中生成的二氧化碳捕捉、封存起来,而不是将之排放到大气中。


大规模生产廉价氢的所面临的重大挑战之一,就是缺少能与天然气、柴油加注站并驾齐驱、并最终取代它们的氢能补给基础建设。当下,长距离运输的氢能(甚至需要氢能处于压缩状态),并无经济上的可行性。然而,创新性的氢能存储技术,比如,不需要高压存储运输的有机液体承运商,不久就会降低长途运输成本,缓解气体储存、意外释放的风险。


燃料电池汽车的大众市场,前景诱人,在驱车里程、能源补给方面,它们不仅能与传统柴油、天然气汽车媲美,还能实现私人交通运输上的可持续发展。不过,可持续发展的实现,不仅需要既可靠又经济的、能从完全低碳的能源中提取氢的生产方式,同时,随着今后十年汽车数量的增长(有望增至数以百万),还需要氢能补给基础设施建设,与时俱进。


2、新一代机器人


走下生产线


人们早就预见了一个由机器人全面接管日常繁重工作的未来世界。然而,这个机器人化的未来却顽固地抵制变成现实。机器人仅被限于流水线以及其他可控性工作。尽管我们已经严重依赖机器人(比如,汽车制造业),但由于机器人体型巨大,对与之合作的工人构成威胁,他们不得不被安全设施隔离开。


机器人科技的长足进步使得日常现实中的人——机器人合作成为可能。更好、更便宜的传感器能让机器人更加“理解”环境并对之做出反应。受复杂生物结构超凡灵活性、适应性的启发(比如,人的手),机器人身体也变得更加灵活,适应性也更强。借助云计算革命,机器人能够远距离接收指令、信息,没有必要将之设计成一个完全独立的单元。


机器人新纪元将会让这些机器离开大型制造厂商的生产线,帮助人类完成生活中的一系列任务。借助GPS技术,就像智能 手机一样,人们开始将机器人用于精准化农业,比如杂草控制与收获。在日本,机器人也被用于护理领域,比如,帮助病人起床,加强中风患者肢体控制力。更小但更机巧的机器人,比如 Dexter机器人, Baxter机器人 以及 LBR iiwa ,易于编程,主要用来处理一些繁重或人类不宜完成的工作。


实际上,机器人很适合两种工作:不断重复或很危险的工作,它能连续工作24小时,薪水还比人工低。现实生活中,新一代机器人会和人类合作而不是取代他们。即使考虑到未来可能取得的设计进步以及人工智能的发展,人类参与与监管,仍然至关重要。


尽管之前几波自动化风潮均促进了生产力的发展和提高,整体经济也因此受益,机器人有一天接管人类工作的风险,仍然存在。几十年来,人们一直担心失控的网络机器人联合起来,随着新一代机器人与网络的链接,这种恐惧越发明显,不过,与此同时,当人们将家务琐事分派给机器人来完成时,熟悉将会取代恐惧。毫无疑问,新一代机器人会让人们反思人与机器的关系。


3、可循环利用的热固性塑料


一种新的塑料,告别垃圾填埋


塑料分为两种:热塑性塑料和热固性塑料。前者能够反复多次加热成型,从孩子玩具到洗手间马桶,热塑性塑料运用广泛。由于能够融化重新塑形,通常,热塑性塑料也可以回收重新利用。然而,热固性塑料经加热后,只能塑形一次,至此之后,即使遭受高温高压,它依然能够维持原形。


由于这种耐久性,热固性塑料在现代社会中,举足轻重。他们被广泛用于许多产品,从移动手机到电路板以及航空工业。但是,这个特点也使得它们难以回收利用。结果,人们不得不填埋这些热固性聚合物垃圾。考虑到可持续发展,我们迫切需要重新循环利用热固性塑料。


2014年,《科学》杂志发表了一篇具有里程碑意义的论文,热固性塑料的循环利用取得重大进展,论文指出,发现了新的热固性聚合物,能够予以回收。这种叫做 polys或者 PHTs 的物质能够溶于强酸,分解聚合物链条,形成部件似的单体,这些单体能够重新聚合成新产品。如同传统不可回收利用的热固性塑料,这些新结构非常坚固,经得起热和硬物 ,在应用市场上,和它们不可循环利用的前辈们一样,潜力巨大。


尽管无法实现100%回收,这种创新——如果得到广泛适用——将会大大降低塑料垃圾的土地填埋,加快迈入可循环发展经济的步伐。我们期待在未来五年里,可循环热固性塑料能够取代不可循环热固性塑料,并能在2025年广泛应用开来。


4、精准基因工程技术


以更少的争议提供更好的农作物


传统基因工程一直备受争议。最新技术通过直接「修改」植物基因编码,让植物更加营养、更能应对气候变化;我们相信,这些优点和「修改」的精准性,能将当前的担心与质疑化为广泛的接受。


目前,农作物基因工程主要采取根癌土壤杆菌技术( bacterium agrobacterium tumefaciens)将受到青睐的DNA转入目标基因组。尽管公众普遍存在恐惧情绪,但是,这一技术已被证明有效、可靠,科学界的共识是,较之传统杂交技术,从基因层面修改农作物,不会带来更多的风险。

新技术包括 ZFNs, TALENs 以及更新进的 CRISPR–Cas9 系统(这一技术,可参阅2013年1月《科学》相关论文——译者),它们是从细菌入手,逐渐演化成抵抗病毒的防御机制。 CRISPR–Cas9 利用(靶点特异性的 )RNA 将 Cas9 核酸酶带到基因组上的具体靶点,从而对特定基因位点进行切割,将目标基因组变异为已知、使用者挑选过的序列。 这种技术能够让不可欲的基因消失、或者修改它,与自然突变没什么不同。 借由「同源重组」(homologous recombination)技术, CRISPR还能被用于将新DNA序列、甚至整个基因精准地插入基因组。


在基因工程领域,另外一个有望实现重大突破的是对农作物使用RNA 干扰(RNAi,近几年来RNAi研究取得了突破性进展,被《Science》杂志评为2001年的十大科学进展之一,并名列2002年十大科学进展之首。——译者)。RNAi能够有效抵抗病毒和病原真菌,保护农作物远离病虫害,减少化学杀虫剂的使用。比如,病毒基因被用来保护木瓜抵制环斑病,在夏威夷,该技术经过十来年的使用,木瓜自身并未进化出免疫力。RNAi也让绝大部分粮食作物受益匪浅,比如,保护麦子抵制秆锈,谷物、土豆和香蕉抵制枯萎病。


这些创新中,不少特别有利于发展中国家的小型农场主。随着人们日益认识到这些技术能够有效增加收入、改善百万人口的膳食质量时,伴随基因工程的争议也会越来越少。不仅如此,更为精准的基因组修改也会消除大众恐惧,特别是,由于并没有引入外部基因物质,最终也就是没有所谓的「转基因」动植物。


总而言之,这些技术都能通过大大增强种植物的耐受性,降低对外部资源的依赖,比如水源、土地以及化肥。同时它们也更加易用适应天气变化。


5、积材制造(也被译为积层制造,主要是指3D打印。2012年奥巴马国情咨文已经提及,创新制造业是振兴美国制造业的重要手段。其中,积层制造就是奥巴马政府创新突破口。——译者)


制造业的未来,从打印器官到智能服装


如名称所示,积材制造是减材制造(subtractive manufacturing)的反面。后者指的是传统制造方式:为了想要的形状,要从一块更大的材料(木料、金属、石头及其他)消减或去除若干层 。相反,积材制造利用数字模板( a digital template),以松散材料(液体或粉状)为基础,逐层叠加成三维造型。


与批量生产产品不同,三维打印能够根据最终用户需求,高度量身定制。隐适美公司( Invisalign)就是个例子,i根据电脑制图中用户牙齿形状,定制合乎嘴型、近乎透明的牙齿矫正器。其他3D打印的医学应用,多见于生物学方面: 直接打印人类细胞,借此制作活体组织,在药物安全筛查方面,这些活体组织具有广阔的应用前景,最终帮助人类实现组织修护、再生。生物打印的最早例子是打印出的肝脏细胞层,它被用于药物测试,最终可能会被用于制造移植器官。如今,生物打印已经被用于生成皮肤、骨头,以及心脏和血管组织,这些都使得个性化施药,前景广阔。


积材打印的下一个重要发展阶段将是集成电子部件的3D打印,比如电路板。纳米级电脑部件,比如处理器,很难采用3D打印方式,因为将电子部件与其他多种不同材料制作的部件拼接起来,非常困难。在其他领域,如今的4D打印有望带来新一代产品,它能随周围环境的变化(比如,热和空气湿度)而发生变化。这种技术在服装或鞋类产品以及保健品,比如,能够随着人体环境变化而变化的人体移植物,等方面,会很有作为。


和分布式制造一样,积材制造正对传统加工、供应链构成颠覆性破坏。如今,这项技术仍处于初期阶段,主要用于汽车、航空和医学领域。随着更多商机的不断涌现,技术创新不断拉近它与大众市场的距离,这项技术有望在今后十年里获得迅猛发展。


6、自然人工智能


当计算机能够学习的话会发生些什么呢?


人工智能(AI),简单来说,就是用计算机来做人类能够做的事的科学。过去几年,AI发展显著:现在我们大部分都是用可以识别语音的智能手机,或者利用图像识别技术快速通过机场入境处。自动驾驶的汽车和自动无人机正处于大规模应用前的测试阶段,在某些特定的学习和记忆任务方面,机器的表现超越人类。人工智能计算机系统Watson在问答游戏Jeopardy中打败了人类的最佳选手。


对比普通的软硬件,人工智能允许一台机器感知并对变化的环境做出回应。自然AI更进一步,通过吸取大量的信息,机器可以自主学习,自主的发展。以NELL(Never-Ending Language Learning)为例,这个永不结束的语言学习项目来自卡耐基梅隆大学,该系统不仅通过浏览上亿网页以获取真实的信息,还试图在该过程中提高阅读理解能力,使得自身在未来做的更好。


就像下一代机器人技术,AI会促使生产力显著地提高,就像机器取代了人工那样,甚至更有过之。大量证据表明,自动驾驶汽车会减少撞车频率,避免道路交通带来的死亡和伤害,因为机器不会犯人类犯的错误,如注意力不集中,视力缺陷以及其他的缺点。智能的机器能够快速访问大容量存储的信息,能够没有感情偏见的做出回应,也能够在诊断疾病时比专业医师表现的更好。Watson系统正被应用于肿瘤科以协助诊断,并为癌症患者提供个性化的,以事实为依据的治疗方案以供选择。


长期以来人来都对AI怀有科幻噩梦,AI确实会带来风险----最显著的就是超智能机器有一天也许会超越并且奴役人类。虽然几十年过去了,专家们越发重视这个问题了,很多专家签署了一封公开信以引导AI远离潜在的陷阱,刊登于2015年一月刊的FLI(未来生命研究)上。更简单的说,由智能计算机替代人工引起经济变化,可能会加剧社会不平等,威胁到现有的工作机会。例如,无人机会代替大部分人工运输机,而自动驾驶短期出租车辆会使的士越来越无用。


另一方面,自然AI可能会使那些只限于人类的属性---创造性,情感,私人关系---更加有价值。随着机器在智力方面的成长,技术也在不断的挑战我们的观念:人与机器之间的差距在快速缩小,风险与机遇共存,作为人类该如何是好?


7、分布式制造


未来的工厂将是在线式的--也在你的门口。


分布式制造正在我们制造和运输产品的路上打开局面。在传统的制造业中,原材料送到大型中央工厂里,在那里组装加工成相同的成品,接下来送到客户手上。在分布式工厂里,原材料和制作方式事分开的,制造出的成品非常接近最终客户。


从本质上,这个想法是用数字信息尽可能多的替代材料供应链。例如,想要制造一把椅子,不再把采购木头和制造椅子都放在工厂里,而是将组成椅子的各部件的切割数字计划发布到使用电脑切割工具如CNC路由的本地制造企业。消费者或者本地制作工坊可以自行组装这些部件,变成成品。已经在使用这种模式的公司是美国的一家家具公司AtFAB。


目前分布式制造的利用严重依赖于DIY玩家的活动,爱好者们用他们自己的3-D打印机和本地材料制造产品。这体现了部分开源思想,如此一来,消费者们可以个性化定制满足他们需求和喜好的产品。与集中生产不同,创造性的设计元素更加众包,当更多人参与到可视化和生产,产品会演变出更多的性质。


分布式生产被赋予期望能够对资源更有效的使用,减少集中式工厂内的容量浪费。通过减少建立第一个原型和产品所需的资本,它同样降低了进入市场的门槛。重要的是,它会减少制造业对整体环境的影响:数字信息通过Web传送,而不是实物产品通过道路、铁路货水路传送;原材料来源于当地,进一步减少了运输所需的能源。


如果分布式制造应用更加普遍,将会打乱传统的劳动力市场,及传统制造业的经济。这的确构成风险;调节和控制远程人造医疗设备可能会变得更加困难,而枪械类的产品既不合法又危险。并不是所有东西都能用分布式生产方式来制作,而传统制造业和供应链仍会存在以保证大部分非常重要而又复杂的消费品的生产。


分布式生产会鼓励现今标准化的产品如智能手机和汽车更加多样化。应用规模无限:一家英国公司Facit Homes利用个性化设计和3-D打印为消费者建立了一幢自定义的房子。产品功能不断发展,服务于不同的市场和地理位置,货物及服务将迅速扩散至世界那些现今传统制造业无法覆盖的区域。


8、能够「感知与避让」的无人机


用会飞的机器人(众所周知的无人驾驶汽车,或者无人机)检查电缆或运输紧急物资在近年已经成为军事能力重要又具有争议的部分。该技术还被应用于农业,拍摄和许多其他应用,这些地方都需要廉价和广泛的空中侦察。但目前为止,这些无人机都需要人类驾驶员;区别在于这些飞行员都在地面上,远程控制着这些飞行器。


无人机技术的下一步是开发机器自行飞行,将它们带到更广的应用领域。为了这一目的,无人机必须能够感知和对周边环境做出回应,调整高度和飞行轨迹以避免在它们的飞行轨道上与其他物体相撞。在自然界,鸟,鱼和昆虫都能聚结成群,而每一只都能够瞬间对周边做出回应,得以让整个群体如同单个单元一般飞翔或游动。无人机可以效仿这一点。


带有可靠地自主性和防碰撞系统的无人机可以开始执行对于人类来说太过危险或太远的任务:比如检查电力线缆,或者紧急情况下提供医疗用品。无人运输机会考虑其他飞行器或障碍并找到前往目的地的最佳路径。在农业中,无人机会收集处理大量的来源于空气的可视化数据,根据这些数据可以精确有效的利用化肥和灌溉。


在2014年1月,Intel和Ascending技术公司展示了多动力无人原型机,该无人机可以定位障碍物,并且自动避让走在它们设定的航行路线上的人类。无人机使用了Intel的实时感知摄像头,摄像头仅重8克,厚度不超过4mm。这个级别的防碰撞系统将会迎来共享领空的未来,将有很多无人机在接近人类的地方飞行,在被建立的环境里或附近操作执行各种任务。无人机本质上就是在3个而不是2个维度上进行操作的机器人;下一代机器人技术的进步将会加速这种趋势。


飞行器永远都有风险,不管是人操作的,还是作为智能机器。为了得到广泛接纳,感知-避免无人机必须能够在更加困难的条件下可靠地操作:在夜里,在暴风雪或沙尘暴里。不像我们现今的数字移动设备(实际上并不移动,因为我们得把它们呆在身边),无人机将转型,因为它们是自行移动并且有能力在这个三维世界里飞到超越人类极限的地方。一旦无处不在,它们将会极大的扩展我们的存在,生产率及人类体验。


9、神经形态技术


模仿人类大脑的计算机芯片


即使是当今最好的超级计算机也无法匹敌人类大脑的复杂性。计算机是线性的,通过高速主干网,在内存芯片与中央处理器间来回移动数据。而大脑,则是完全相互关联的,逻辑与记忆紧密交叉,其密度与多样性数十亿倍于现代电脑。神经芯片试图用一种与传统硬件完全不同的方式来处理信息,即模拟大脑体系结构,试图大幅度提高计算机思维响应能力。


多年来,小型化已在传统计算能力领域大幅度发展,但在中央处理器与存储中不断转移数据的瓶颈在于这样会耗费大量的能量并且造成热量流失,从而限制了长远的发展。相反,神经芯片将数据存储于数据处理部分放在同一个相互关联的模块里,可以更有效的利用能源,并且更加强大。在这个意义上来说,系统复制了数十亿的网络神经元,从而弥补了人类的大脑。


神经形态技术将是强大计算的下一阶段,将大大提高数据处理速度,提高机器学习能力。2014年8月,IBM透露了百万神经元TrueNorth芯片的原型,该芯片在一些特定任务中的电源效率数百倍优于传统CPU(中央处理器),第一次更加接近人类的大脑皮层。拥有更强大的计算能力,消耗更少的能量,占用更小的体积,拥有这些优点的神经芯片将会带来更加智能的小规模机器,从而将小型化与人工智能带入下一阶段。


潜在的应用包括:无人机能够更好的对视觉线索做出处理和响应,相机和智能手机能够更加强大和智能,大规模数据运算能够帮助解密金融市场或者天气预报。计算机将会预测和学习,而不仅仅只是以预编程方式做出回应。


10、数字基因组


当你的遗传密码存储在一个U盘时代的卫生保健


第一次对组成人类基因组的32亿对碱基对的DNA测序花费了多年的时间与上亿美元的资金,今天,只要花上几分钟和几百美元就能对你的基因组进行测序并数字化。结果可以保存到U盘上,甚至轻易地通过Internet进行分享。这种迅速廉价的确定我们独特,个体的基因组的能力带来了更加个性化和更有效率的保健改革。


很多我们棘手的健康问题,从心脏病到癌症都与基因有关。事实上,癌症是基因引起的疾病中最好描述的。随着数字化,医生将能够通过肿瘤基因组来决定患者的癌症治疗方式。这项技术也使精密医学成为现实,开启了高度靶向治疗的发展,可以提供改进后治疗方式的潜在效果,特别是针对那些正在对抗癌症的患者们。


跟其它个人信息一样,因为隐私原因,人的数字基因也需要保护好。个人的基因组分析已经面临了挑战,人类对遗传类疾病风险的更加了解会如何回应,与此同时其他人如雇主或保险公司会想要获取并利用这些信息。但,利益很可能超出了风险,因为个性化治疗和靶向治疗可以发展出更多的潜力,可以应用于许多因为DNA病变导致或引起的疾病。


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