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改变未来的十大新兴技术

技术或许已经成为当代社会推动变革的主要力量。诚然,技术永远蕴含着风险,但积极的技术突破能够催生创新的解决方案,帮助应对当今世界最为迫切的各项挑战,包括从资源枯竭到全球环境变化等各种挑战。然而,由于投资不足、监管体系过时以及公众对技术的误解,许多颇具前景的技术未能充分释放其潜力。

世界经济论坛新兴技术全球议程理事会每年发布一次的十大新兴技术介绍了技术变革领域最新的重大趋势。该理事会通过重点关注最为重要的突破性技术成果,宣传其发展潜力并致力于消除投资、监管和公众认知等方面的差距。2014年,理事会再次发布了可能改变未来社会状况的十大新兴技术。

1、身体自适应可穿戴电子产品

从谷歌眼镜到Fitbit腕带,可穿戴技术在过去一年引发了大量的关注。大部分可穿戴设备都是通过监测运动状况、心率、睡眠模式等体征,帮助用户了解自身的健康状况。目前,可穿戴技术行业正在超越腕带或触摸感应设备等外部可穿戴产品的范畴,开始发展“身体自适应”电子产品,进一步跨越人类与技术之间的界限。

新一代可穿戴设备旨在适应人体使用部位的形状。这些产品往往体积很小,内置多种传感器和反馈系统,并且外观上无突兀之感,也不会影响用户的社会交往。这些几乎无形的设备包括能够监测心率的耳塞、穿在衣服里面并能追踪体态的传感器、能够追踪生命体征的临时纹身贴,以及通过震动提示、由脚步感知GPS方向的触觉鞋等。这类产品很多,用于多个领域:触觉鞋目前被提议用于帮助盲人识别方向:而谷歌眼镜已经有许多肿瘤学家在使用,主要是通过语音指令获得病历信息和其他可视化信息,为外科手术提供协助。

技术分析人士认为,可穿戴产品的成功要素包括设备大小、非侵入性、测量多种参数的能力,以及能否提供实时反馈,帮助改善用户行为。但是,要让更多的人使用可穿戴产品,则产品对个人隐私的保护必须要获得社会的认可。比如,已经有人对那种使用摄像机进行面部识别和记忆协助的可穿戴设备提出了质疑。分析人士认为,如果这些挑战能被克服,则预计到2016年将有数亿人使用可穿戴设备。

2、纳米碳复合材料

随着世界范围内汽车保有量的快速增加,汽车行业的碳排放对环境的影响已经引起人们的担忧,而提高交通系统的运营效率有望减少汽车对环境的影响。利用纳米碳纤维技术生产的新型复合材料正在汽车制造领域显示出潜力,有望将汽车重量降低10%甚至更多。轻量化汽车需要的燃料更少,输送人员和商品的效率更高,并能减少温室气体排放。

但是,效率仅是一方面的问题。另一个同样重要的问题是如何改善乘客安全。为了增强新型复合材料的强度与韧性,业界正在碳纤维和周围的聚合物基之间构建纳米界面,比如会使用碳纳米管,以改善锚固性能。在发生意外事故时,这些材料能够在不发生撕裂的情形下吸收并分散冲击力,从而更好地保护车内驾乘人员。

第三个挑战是碳纤维复合材料的可循环利用性。这个问题曾阻碍了该项技术的大规模应用,但目前已快要找到解决方案。相应的技术方案包括将可分解的“释放点”置入聚合物和纤维之间的界面材料,从而以可控的方式拆解各连接材料,复合材料各成分也可以单独回收并实现循环再利用。上述三方面如果全部实现,则有望大规模生产轻量化、超级安全和复合材料可再利用的汽车,从而对行业和环境产生重大的影响。

3、通过海水淡化提取金属物质

随着世界人口持续增加和发展中国家摆脱贫困,淡水正在成为地球上最为紧张的自然资源之一。除了人类居住区的饮用水、清洁和工业发展用水外,世界上大部分的农业产量来自于干旱地区生长的灌溉作物。随着科罗拉多河、墨累-达令河和黄河河水已长期无法流入大海,通过海水淡化获取新的淡水资源势必引发更多的关注。

但是,海水淡化有很大的缺点。除了能耗较高(2013年的十大新兴技术曾提到这个问题)外,海水淡化的过程会产生浓盐水,这种盐水一旦流回海洋,便会对海洋生物产生严重的影响。或许解决这一问题最有可能的办法是不要将海水淡化产生的浓盐水视为废弃物,而是将之视作开发宝贵材料(包括锂、镁和铀,以及更为普通的钠、钙和钾元素)的资源来源。锂和镁对于研发高性能电池和轻型铝合金非常重要。此外,这种浓盐水还可以提练出一些电动机和风力发电机中使用的稀土元素,而这些元素的稀缺已经对风电机和电动机的发展造成了战略性威胁。

借助于使用化学催化剂的新型工艺,海水淡化提炼出金属元素的可能性就会增加,且最终的成本与陆地矿石或湖泊沉积物开采的成本相当。这项经济效益可以抵消海水淡化全部的成本,使得大规模推广成为可能,进而缓解人类活动对淡水生态系统的压力。

4、电网级电力储存

由于电力无法直接储存,因此电网管理者必须时刻确保消费者的整体电力需求完全相当于发电站为电网提供的电力供应量。由于煤炭和天然气中的化学能可以进行相对大量的储存,传统的火力发电站可以按照需求进行能源调度,因此相对简化了电网管理工作。但是,化石燃料会产生温室气体,导致气候变化。目前许多国家都计划在发电系统中使用可再生能源、核能或其他非化石燃料等清洁能源,以取代高碳能源。

清洁能源,尤其是风能和太阳能,具有高度的间歇性,无法按照消费者和电网管理机构的意愿生产电力,而只有在天气条件允许的时候才能产生不定量的电力。核能的发展也面临着挑战,因为它要求电站始终满负荷运行。因此,发展电网级电力储存技术早已成为清洁能源行业的目标。截至目前,只有抽水蓄能水力电站发挥了重要作用,但价格昂贵,容易给环境带来挑战并完全依赖于理想的地理环境。

有迹象显示,许多新型技术不断发展,很快便能克服这项挑战。一些技术(比如液流电池)未来将能够像储存煤炭和天然气那样,储存大量的液态化学能。多种固态电池技术也在竞相发展,旨在通过富含能源、价格适中的材料储存电力。新发明的石墨烯超级电容器有望实现超速充电和放电,可使用数万次。其他技术包括大容量飞轮储能器以及压缩空气地下空间存储等动能和势能储存技术。

德国目前正在研发一种更加新型的储能技术,即通过电解制氢实现二氧化碳的甲烷化,用多余的电力将水分解成氢原子和氧原子,然后让氢原子和废弃的二氧化碳发生化学反应,产生可以燃烧的甲烷——在必要的情况下,可以通过这个过程产生电力。这种技术目前处于中等规模研发阶段。虽然这种技术和其他技术的循环效率相对较低,但储能技术无疑将在未来创造巨大的经济价值。判断谁将在这场技术竞赛中胜出还为时尚早,但是据我们估测,这一领域的技术正在经历前所未有的进步,很有可能在不远的将来实现重大突破。

5、纳米线锂电池

作为电力储存工具,电池在现代生活的许多方面都非常重要。能量密度(能量/重量或体积)较高的锂电池一般用于手机、笔记本电脑和电动汽车。但是,撇开手机和笔记本电脑的电池寿命不谈,要想提升电动汽车的续航里程,使之能够与传统的燃油汽车相抗衡,则必须大幅提高电池的能量密度。

电池一般由两个电极组成,正极(阴极)和负极(阳极), 在正极和负极之间是电解质。在电解质的作用下,离子在两个电极之间流动,产生电流。锂离子电池的阳极由化石墨构成,这种材料相对便宜,且更持久。但是,研究人员已经开始试验硅阳极电池,这种电池的容量有望得到大幅提升。

一个工程学的挑战在于,硅阳极电池容易在充电和放电期间发生膨胀和收缩现象。在过去一年中,研究人员已经研发出潜在的解决方案,创造出硅纳米线或纳米粒,有望解决硅在与锂发生反应时容量膨胀的问题。使用纳米粒和纳米线导致表面积增大,进一步提高了电池的电力密度,从而实现快速充电和电流输送。

这种新一代的电池能够更加快速地充电,并能比当前的锂电池多产生30%-40%的电力,有望改变电动汽车市场,并实现太阳能电力在家庭层面的储存。硅阳极电池预计将在未来两年首先用于智能手机。

6、无屏显示器

现代通信技术更加令人沮丧的一个方面在于,设备在日益小型化的过程中,也愈发难以与之进行互动——比如,没有人会在智能手机上输入一本小说。屏幕的显示器空间不足,这无疑为无屏显示器提供了填补空白的机会。全尺寸键盘已经可以投射在屏幕上,方便用户与设备进行互动,且不用担心设备能否装进口袋。我们现在已经可以制作出3D全息图像,这或许能将我们带回早期星球大战系列电影的回忆;2013年,麻省理工学院媒体实验室声称,他们已经研发了一种价格不高的全息彩色视频显示器原型产品,其分辨率相当于普通的电视机。

无屏显示还可以通过直接将图像投射到人的视网膜来实现,这种方法不仅无需使用笨重的硬件设施,而且用户在与电脑互动的过程中也无需和别人共用图像,从而保护了用户的隐私。截至2014年1月,一家初创企业通过Kickstarter平台筹集了一大笔资金,旨在对一款使用视网膜显示技术的个人游戏和影院设备进行商业化。从长期来看,技术的发展或许可以催生绕开眼睛的突触界面,直接将“可视”信息传送给大脑。

无屏显示技术在2013年发展迅速,并很快会实现突破,为大规模推广应用做好准备。多家企业已经在此领域实现了重大成果,包括虚拟现实头戴式耳机、仿生学隐形眼镜、为老人和弱视人群专门开发的手机以及无需移动部件或眼镜的全息视频。

7、微生物药物

将人体称为一个生态系统也许要比称之为单一有机体更为恰当,人体中微生物细胞的数量是人体细胞的10倍之多。近年来,以人体微生物组为题的研究方兴未艾。2012年,“人体微生物组计划”(Human Microbiome Project)公布了80家科研机构的联合研究成果。研究发现,人体生态系统中有1万余种微生物,其细胞总数多达数万亿之众,占人体体重的1%-3%。

通过利用先进的脱氧核糖核酸(DNA)排序技术、生物信息学和培育技术,寄居在人体中的各类微生物的身份及其特性不断得以确认。研究发现,人体的疾病和健康与这些微生物富集量的多寡存在着关联。

人们越来越清楚地认识到,这些数之不尽的微生物在我们的生命中发挥着重要的作用。例如,肠道内细菌有助于人体消化食物,吸收原本无法获取的重要营养物。另一方面,人体内无所不在的病原体有时会变得极为危险,可以导致人体发病甚至死亡。

目前,肠道微生物组及其在疾病感染、肥胖、糖尿病和炎性肠病中所起的作用成为了研究的重点。人们逐渐发现,抗生素治疗在摧毁肠菌群之后,会导致出现难辨梭菌感染等并发症,在某些极端情况下甚至会危及生命。另一方面,为完善医疗手段,临床上正在开发新一代疗法,其中包含在健康肠道中发现的一组微生物子集。人体微生物组技术进步为开发重大疾病新疗法、提高我们人类医疗的总体疗效开辟了一条前所未有的道路。

8、RNA疗法

核糖核酸(RNA)在细胞生物学中是一种十分重要的分子,它将脱氧核糖核酸中编码的基因指令翻译为蛋白质的生成,从而使得细胞发挥正常功能。由于蛋白质生成也是人体大部分疾病和紊乱症状所涉及的一个核心要素,基于核糖核酸的治疗法长期以来被认为有望解决许多传统药物治疗无能为力的问题。不过,该领域发展一直较为缓慢。因为研究工作十分复杂,细胞基因表达变化多端,所以对其理解有待加强,由此导致人们原先寄予的厚望受挫。

过去一年来,这一生物医疗技术领域重获关注。截至2014年,共有2项基于核糖核酸的治疗法获准用于人体治疗。研究人员正通过可抑制缺陷基因和表达过度基因的核糖核酸干扰机理,开发适用于基因紊乱、癌症和传染性疾病等各类症状的核糖核酸相关药物。

当前,一个基于信使核糖核酸(mRNA)分子的全新平台正在逐渐浮现,它进一步丰富了核糖核酸治疗法的治疗手段。通过以肌内注射或静脉注射方式注入特定的信使核糖核酸序列,便可通过患者自身的细胞,作为治疗剂将细胞翻译为用以传递疗效的相应蛋白质。与旨在直接改变脱氧核糖核酸的治疗方式不同,基于核糖核酸的治疗法并不会使细胞基因组发生永久性改变,因而可以视情进行加量或停用。

核糖核酸基础科学、合成技术和体内传递技术的进步,正共同催生出基于核糖核酸的新一代药物,可以用来减少天然蛋白质的富集量,使体内生成优化过的、带有治疗功效的蛋白质。通过与大型制药公司和科研机构的合作,目前已成立了多家旨在提供基于核糖核酸疗法的私营企业。我们希望未来几年内,这一医疗技术能越来越多地挑战传统制药行业,并研发出可治疗疑难杂症的新疗法。

9、量化自我(预测分析)

其实,量化自我运动早已存在多年,主要配合人们对自身日常活动数据进行连续采集,从而让人们对自身健康和行为方式作出更好的选择。然而,如今随着物联网的出现,这一运动终于开始真正显现其价值,形成更为广泛的影响。

智能手机中有着对人们各类活动的丰富记录,包括机主认识的人(联络人名单、社交网络应用)、交往的人(通话记录、短信记录、电子邮件)、所到之处(GPS、Wi-Fi和具有地理标记的照片)以及所做之事(使用的应用软件和加速计数据)等等。通过利用此类数据和专门的机器学习算法,我们可以为人及人的行为建立起详尽的、具有预测性的模型,从而为城市规划、个性化医疗、可持续发展以及医疗诊断助一臂之力。

例如,卡内基梅隆大学的研究团队正通过针对人们一段时间内的睡眠方式和社会关系变化进行建模,研究如何利用智能手机数据来预测抑郁症的发端。在另外一个名为“邻里” (Livehoods)的计划中,研究人员利用智能手机生成的大量地理标记数据(使用Instagram和Foursquare等软件)和从网页所抓取的数据,以了解人们在城市空间中的移动规律。

近年来,越来越多的制造商将传感器嵌入产品当中,以研究消费者行为,省却成本高昂的市场调研。在此背景下,传感器价格日益走低并日渐普及。例如,汽车可以记录驾驶人的各类驾驶习惯,所得信息既可以显示在智能手机应用上,也可以在城市规划和交通管理中当做大数据使用。随着采集大量数据追踪人们生活百态的做法蔚然成风,如何一方面优化利用信息,另一方面又调和好与个人隐私以及其他社会关切之间的关系,已成为一道难题。

10、脑机接口技术

仅靠思维便可以控制一台计算机,这样一种能力可能要比你我想象的还要更早成为现实。脑机界面,即计算机直接从大脑中读取并解译信号,已在临床上取得了成功。利用这一技术,患有闭锁综合症、中风的四肢瘫痪患者可以用脑电波控制机械臂活动,移动轮椅甚至拿杯子喝咖啡。此外,脑部直接植入也已经帮助失明患者恢复了部分视力。

近来,这方面的研究重点在于能否利用脑机界面将不同大脑直接联结起来。去年,杜克大学研究人员宣布,他们成功在互联网上将两只老鼠的大脑连接到了一起(称为“大脑网络”),让身处不同国家的老鼠在互联网上合作完成了一些简单任务来换取奖励。此外,2013年,哈佛大学科学家宣布成功利用一个无创脑机界面,在老鼠与人的大脑之间建立起了功能联系。

另外一些研究项目则把重点放在了通过计算机操纵大脑记忆或直接植入记忆上。2013年年中,麻省理工学院研究人员宣布,他们成功将一段虚假记忆植入一只老鼠的脑中。就人类而言,我们也许可以通过直接操纵记忆,治疗创伤后应激障碍。长远来看,信息也许可以以电脑文件的形式上传到人脑之中。当然,这一领域快速发展显然也引发了许多有关伦理道德方面的问题。

Noubar Afeyan是旗舰风险投资公司(Flagship Ventures)管理合伙人及新兴技术全球议程理事会主席;Mark Lynas是科学、技术和气候变化领域的自由撰稿人、新兴技术全球议程理事会副主席;David King爵士是英国气候变化、外交及联邦事务特别代表、新兴技术全球议程理事会副主席。