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2015年逆天十大突破性技术,被实现的的黑科技(下)

 haosunzhe 2015-05-08

近年来, 数字技术在不断改变人们的生活和习惯,越来越多曾经不可能实现的技术,也正在慢慢走出实验室并走进现实生活中。

2015年十大突破性技术之

纳米结构

加州理工学院一位科学家创建出蕴藏巨大潜力的微晶格。这种材料的结构可进行精确剪裁,因此材料本身十分强健,但又具有柔性且重量极轻。比如说,传统瓷器通常比较强健、沉重,且脆弱(每个摔过盘子的人都知道)、易碎裂。但去年,基于这种材料结构的新型瓷器被发明,这是有史以来最强健、重量最轻的物质之一,且,这种瓷器还不脆弱。



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▲ 图中的陶瓷立方体每侧长约50微米,其中充斥大多为空气,因而很轻




探访加州理工学院材料科学家朱丽娅·格里尔的实验室,就像踏入一方奇特的天地,在这里,所有物理材料科研人员的一般准则都不适用。


格里尔设计、建造的纳米材料,其性质与特点让我们这些习惯于那些寻常很强健的材料的人都大感惊叹,像瓷器和钢等常见材料,一般都很重,而重量较轻的材料通常比较弱。


不过,在格里尔掌控纳米材料的体系结构后,规则开始改变。



传统瓷器通常比较强健、沉重,且脆弱(每个摔过盘子的人都知道)、易碎裂。但去年,格里尔发明了一种新型瓷器,是有史以来最强健、重量最轻的物质之一。而且,这种瓷器还不脆弱。


格里尔制作过一个视频,在桌上放置一块立方体材料,在其上重重压下一个实验室用具,立方体稍微颤动,继而倒塌。移除压力后,立方体又像“一个受伤的士兵”一样恢复原状,格里尔说。


“很不真实,是不是?”,格里尔常常像脚下踩着风火轮一样,在校园里匆匆而行,赶赴大大小小的会议,她说话很快,听者需要集中精神才能领会她的意思。


在凝视着电脑屏幕上这幅外表美观、看起来超凡脱俗的纳米晶格时,她才会暂时放慢自己的节奏。


格里尔所发明的材料如果可大量生产,将取代目前广泛应用的复合材料及其他材料,因为这种新材料尽管很轻,却很强劲。它的另一种可能应用是,大大增加电池的能量密度,即在既定尺寸下电池内所保有的电量。


基于这一目的,研究人员试图开发出比目前人们日常生活所用电池更轻、但储存能量更多的电极材质。而一些很有潜力的电极材料,比如硅等,在压力下很容易破裂。电极表面如果覆盖一层含硅的金属纳米晶格,将可拥有抗破裂的强健结构。



▲ 格里尔在自己位于加利福尼亚理工学院的实验室,手持一款金属原子结构模型





▲ 这些圆盘用来存放纳米晶格





▲ 一台扫描电子显微镜,显微镜上设置有一支臂,可压缩并弯曲纳米结构







▲ 对纳米材料的体系结构稍作调整,即产生与众不同的结构模式,这些结构同时具有特殊性能





创造出如此令人称奇的材料,最关键的一点是拥有一个专用器械库——格里尔为此曾专门构建了许多设备,这样她便可在相对较大的区域内精准地控制纳米级结构。


格里尔通常慢跑下两层楼梯来到其位于地下的实验室,她将所有精密仪器都放在此处,以防受到震动。


在两层厚厚的黑色窗帘后面,放着一台3D打印机,打印机通过激光闪烁可慢慢构建出聚合物整个复杂的结构。格里尔的一个学生分别在聚合物外表涂覆了一层金属、陶瓷或其他材料,然后刮去侧边,这样就能对聚合物内部进行刻蚀。


最终出现的是这样一小块材料:纳米级十字支架结构,像是埃菲尔铁塔上的支架,但每根支架的壁厚仅10纳米。


不适用格里尔的方法,根本不可能构建出类似的东西。她向我展示了一个她早期与其他研究员在加利福尼亚马里布HRL实验室共同合作的一个样品,这些研究员当时正致力于创造构架更大的微尺度材料。




这款样品由镍原料制成,看起来像一种金属清洁海绵。格里尔把它放到我手里的时候,几乎感受不到任何接触,这实在颠覆了我的想象,让我困惑不已。这种金属,毫不夸张的说,甚至比羽毛还轻,可用于超轻型隔热,而这正是她HRL实验室的同事们所孜孜追求的。


上述轻如羽毛的镍材料表明:格里尔在制造拥有奇异特性的新材料时有望实现体系结构控制,它同样提醒我们发问,格里尔能将这种方法扩展到什么程度:到目前为止,格里尔无法生产出足够多的、可大量供给的纳米结构材料。


格里尔决定将自己的纳米制造技术用到多种不同材料上,很多合作者都对这些材料独特的特性表示了兴趣。她可以在发光材料或隔热材料中添加纳米级间隔层,从而准确控制光或热的流动。



目前,格里尔正与两家电池制造商合作,运用她所研制的纳米结构来研究电化学。她还与生物学家合作,研究纳米结构陶瓷是否能用作骨生长支架——比如塞在耳朵内的微小支架,这些支架退化会导致失聪。


格里尔希望这些应用可行,所以她在努力加快自己关于高分辨率激光打印的研制进程。去年,格里尔研制出一种六毫米的方形纳米结构陶瓷片,其厚度就像一张纸,但格里尔整整花费了一周时间才制作出来。


“我们做科学实验用的话,不需要太多,”她说。“现在的问题是:要如何称量?”





2015年全球十大突破技术之

液态切片

跟中国有关的一切似乎都离不开“大”这个形容词,包括癌症问题。在中国北京等一些比较富裕的城市,癌症是目前最常见的人类杀手。空气污染、抽烟率高,以及饱受工业污染、声名狼藉的“癌症村”,使得整个中国的死亡率不断攀升。



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跟中国有关的一切似乎都离不开“大”这个形容词,包括癌症问题。在中国北京等一些比较富裕的城市,癌症是目前最常见的人类杀手。空气污染、抽烟率高,以及饱受工业污染、声名狼藉的“癌症村”,使得整个中国的死亡率不断攀升。


特别是肝癌,罹患率是西方国家的四倍,部分原因是,在中国十四人中即有一人携带乙型肝炎,这些人群很有可能发展成肝癌患者。全球每年癌症死亡人数中,约27%来自中国。

去年12月,我从深圳乘地铁到香港,打算会见丹尼斯·洛博士,博士将近20年专注于一项名为“液态切片”的技术,该技术通过在几滴人体血液中进行DNA排序,可及早检测出肝癌及其他癌症,甚至不等症状出现便能检测出。


我见到洛的时候,他像平常一样一丝不苟地穿着一件颜色鲜亮的运动上衣,这个习惯在他上世纪80年代所就读的牛津大学被称为精神的正式晚宴。


洛是发现胎儿会将部分DNA脱落到母体血流中的第一人,并因此而为人所知。




这一发现首次出现于1997年,近年来随着逐步应用已促使人们找到一种更安全、更简便的唐氏综合症筛选试验方法。到目前为止,已有超过一百万名孕妇接受过该试验。


如今,洛不断往返于世界各地的实验室,为当地带去这一科学与商业的巨大成就——在简单采血的基础上开发筛选试验。这一做法之所以能成功,是因为枯萎的癌症细胞同样会将其本身的DNA脱落到人体血液中。

初期的时候,这一脱落数目很少,几乎为零,因为健康的DNA也在循环,掩盖了病死细胞的DNA脱落。这样一来就很难计量癌细胞的DNA脱落。但洛认为实现这一目的很简单:只需在癌症尚可治愈阶段每年验血一次,即能保证及早发现癌症。


晚期检测出的癌症通常已经扩散,大部分都无法治愈。在美国,癌症之所以能在初期即被发现,最关键在于拥有使用先进抗癌死亡技术的检查机器。结直肠癌死亡人数锐减,一半得益于各种先进的筛选检查技术,比如结肠镜检查。




洛所在的医院参与了两项大型研究,研究旨在证明DNA分析也可作为筛选试验。研究人员对一千名乙型肝炎携带者进行跟踪,以观察DNA试验能否先于超声波发现肝肿瘤。


研究人员还开展了一项规模更大的关于鼻咽癌的研究,鼻咽癌最先发生在人体喉管的上部区域。这种癌症在世界其他国家病例通常很稀少,但在中国南方,一个人一生中罹患鼻咽癌的概率高达1/60。




鼻咽癌似乎与中国南方人群普遍爱吃咸鱼有关,同时也离不开中国人体质的遗传易感性以及埃-巴二氏病毒(一种引起单核细胞增多症的细菌)感染。洛说,埃-巴二氏病毒感染引起的鼻咽癌比较特殊,他开发设计的试验能轻松发现枯萎的癌细胞释放到人体血浆内的病毒性DNA。


研究共在香港招募了20000名健康的中年男性志愿者,平均分成两批试验。在筛选出的第一批10000名男性志愿者中,研究人员挑出17位癌症患者,其中13例为I阶段癌症,属于最初期癌症。


几乎所有挑出来的癌症患者都正在接受放射治疗。患者如在出现最晚期症状时才就医,比如颈部出现肿块,一般存活率低于70%。


“他们正常地走在大街上,根本不知道身上藏着一颗随时会爆发的炸弹,现在我们这个试验正好给了他们警示,”洛说。在他看来,中国南部每个人都应该进行筛选试验,香港有一家私人医院目前已提供该试验。


“我们相信这个试验能挽救生命”,他说。




洛的实验室目前正专注于和其他研究机构(包括美国约翰霍普金斯大学)的科学家们展开技术竞赛, 研究上述技术概念能否转化为可用于几乎所有癌症的通用型试验,而非仅仅专用于病毒性癌症。


这一研究主要依赖于基因测序设备,基因测序设备可迅速解码上百万个散落在血液中的DNA短碎片。研究人员将试验结果与人类基因组参考图谱相比较,可发现重新排序后的DNA模式特别,而这些特别之处正是肿瘤存在的迹象。


在一次拜访洛位于香港中文大学的实验室时,他向我展示了几款比较早的测序机器。他说,下一代DNA测序仪体积大小不会超过一部手机,这样常规的癌症筛查试验价格可能有所降低,也能得到更广泛的应用。




目前,患者接受DNA测试以检查肝癌时,通常承受风险且太过昂贵,无法大规模用于常规检查。洛注意到,很多胎儿检查也是一开始十分昂贵,但目前为止,其价格已大大降低,最低仅需800美元。这样一来,检查应用更为广泛。“癌症检查也应做到这样”,他说。


在这方面,像洛等许多相关博士已奠定了坚实基础,最近几年,市场对液态切片技术的商业兴趣越来越浓。埃里克·托普是美国斯克利普斯研究所一名基因组学教授,他在今年一月份预言说,这项用于癌症和其他疾病治疗的技术会成为“接下来20年内的疾病诊断听诊器。”


Illumina圣迭戈分公司(成功构建出最快的基因测序设备)首席执行官杰伊·弗拉特利告诉今年的投资者称,基因试验的市场价值至少可达400亿美元。他认为这项技术“可能是癌症诊断领域最振奋人心的重大突破”,并称自己的公司将向研究者提供液态切片试剂盒,来帮助检查发现癌症征兆。




除用于癌症筛选检查外,液态切片还可帮助正在与病魔作斗争的患者。


医生能根据加速癌症恶化的具体DNA突变模式开药。有时,医生会提取肿瘤组织进行突变识别试验,但更多情况下,无创血液测试更适合患者情况。洛告诉我,40%的中国肺癌患者会出现EGFR基因突变,此时,患者需要服用新的靶向药物。


癌症类型多种多样。洛说,研究者必须开展系统研究,尽量保证液态切片能切实、有效地应用于每种癌症类型。他本人更倾向于以鼻咽癌为研究代表。


“如果能筛选并预测出非常常见的癌症类型,那这种技术应用就会普遍开来”,他说。



2015年十大突破性技术之

车对车通讯

每年,全世界超过一百万人在道路车祸中死亡,而一种简单的无线技术使得车辆可互相交流以避免撞车,承诺使行车更加安全。



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哈里哈兰·克瑞希南看起来几乎不像是一名接头赛车手。他带着一副薄框眼镜,胡须整洁,使我想起了一个数学老师。然而,去年九月,在一个阳光明媚的日子里,在密歇根沃伦的一个通用汽车研究中心的四周,他正驾驶着一辆凯迪拉克DTS超速前进,看似很鲁莽。


当克瑞希南在一个拐角处调头踩油门时,我坐在乘客座上。片刻之后,汽车仪表盘上的灯光突然亮起来了,紧接着是一阵哔哔声,我们的座位开始猛烈地嗡嗡叫。克瑞希南紧急刹车,我们突然倾侧停止,就像另一辆汽车飕地从左边驶过,他的路线已经被一个巨大的树篱遮盖。“你可以看到我当时完全什么都看不见”,他平静地说道。


在短短几年内,这种可提醒即将发生的撞车的技术,将开始在汽车中使用。这种技术被称为汽车对汽车或车辆对车辆通讯,这种技术可使车辆在几百米内,向其他车辆播报自己的位置、速度、方向盘位置、制动器状态和其他数据。其他车辆可利用这些信息构建一幅关于其周围正在发生的事情的详细图片,这些图片可反映一些即使是最谨慎警觉的驾驶员或最好的传感器系统也会错过或未能预料到的麻烦。


许多车辆已经配备了一些可利用雷达或超声波探测障碍物或车辆的仪器。但是,这些传感器的范围被限制在几辆车的范围,且这些仪器无法查看最近的障碍物。


虽然先进的车辆自动化技术已经拥有更加广泛的预警性,但车对车通讯也应该有更大的影响力。虽然自动驾驶车辆最终可提高安全性,但自动驾驶车辆仍有缺陷,且未经检验,其传感器与软件太易于受恶劣天气、意料之外的障碍或状况,或复杂的城市驾驶影响。简单的网络化与无线车辆有可能会对道路安全产生更大且更即时的效应。

创建一个车对车网络仍然是一个复杂的挑战。每辆车上的计算机每秒钟处理10次其他车辆播报的各种数据,每次计算即将发生撞车的几率。信号发送器利用一部分专用的无线频谱,以及一个新的无线标准802.11p验证每条消息。


克瑞希南载我到通用公司停车场的一些其他车对车安全情境中。当他开始慢慢把车开进一个被另一辆车占用的停车位时,一个简单的警报响起。当他试图进行一个危险的超车操作时,一个报警信号灯亮起,且有一种声音告知:“车辆迎面而来!”

每年,仅发生在美国道路上的撞车事故就超过五百万起,且其中超过3万起事故为致命性事故。预防多种类似事故的愿望,将成为联网技术的重要动力。


仅在密歇根安阿伯市的沃伦西部行车一个小时,已经足够表现出车对车通讯的重要性了。2012至2014年间,国家道路交通安全管理局与密歇根大学在这里为将近3000辆汽车安装了实验性信号传送器。


研究那些车辆的通讯记录后,国家道路交通安全管理局的研究人员得出结论,这种技术每年可预防美国超过50万起交通事故及超过1000件伤亡事故。这种技术致力于变革驾驶方式,约翰·马多克斯说道。他是密歇根大学交通研究所的项目主管。


安阿伯试验结束不久后,美国交通部宣布,交通部将开始制定条例,以便最终授权在新车中使用车对车通讯。目前,欧洲和日本也正在对这种技术进行试验。

当然,行车还将有一些障碍物。通用汽车公司已经决定在2017-模型卡迪拉克轿车上使用车对车通讯,但这些第一批卡迪拉克轿车将没有什么车辆可与之通讯,而这将严重限制这项技术的价值。


车对车通讯的普及很可能还需要十年多的时间。



2015年十大突破性技术之

大脑类器官

一种培养人脑细胞的新方法可能揭开痴呆症、精神病和其他神经障碍的神秘面纱,也可能揭开最大的奥秘:我们的大脑内部发生了什么,使得我们与其他动物不同,以及找到我们之所以成为人类的真相。



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▲ 麦德林·兰卡斯特找到了一种方法,可使神经细胞在培养皿中发育,直至这些细胞发展出活人脑特征




当麦德林·兰卡斯特将一个透明塑料培养皿举至灯光下,大约有十二个小异形珍珠大小的组织块进入培养皿的桃色液体中。这些组织块就是大脑类器官,在发育的头三个月里,这些类器官就拥有人类大脑的某些特征——包括皮层中的脑叶。


虽然人类组织束有时被称为“培养皿中培育的大脑”,但它们不全是“培养皿中培育的大脑”。但它们确实能够使我们了解神经细胞的发育及活动方式,而且它们能够改变我们对所有事情(从基础的大脑活动到精神分裂症与孤独症病因)的理解。


在兰卡斯特的培养皿中培养大脑类器官之前,先从成年人身上取下单个皮肤细胞,然后开始培养。在正确的生物化学刺激之下,皮肤细胞可转化为一个诱导多能干细胞(这种细胞可发育成为几种类型的细胞),然后变成神经细胞。这就使得我们能够做一些以前不能够做的事。


现在,科学家可直接观看活人脑细胞发育及活动的方式,及这些细胞是如何受各种药物混合物或基因改造的影响。而且因为这些微型脑可由一种特定的人类细胞发育成,所有类器官可作为各种疾病的非常精确的模型。


比如,直接来源于阿兹海默症患者的神经细胞有何问题?对找到这些问题的答案的期望,指引着医药公司和学术研究人员去寻求与兰卡斯特和尤尔根·克诺布利希的合作,兰卡斯特作为一名博士后,在她们位于奥地利维也纳的分子生物技术研究所(IMBA)的实验室内培育了类器官。

这些合作中的第一个是与爱丁堡大学的安德鲁·杰克逊合作的一项头小畸型调查,头小畸型是一种大脑偏小疾病。他们的团队利用来自头小畸型患者身上的细胞,培养具有头小畸型患者的大脑特征的类器官。


然后,研究人员不仅替换了一种与这种疾病有关的缺陷蛋白,且能够培养出似乎局部痊愈的类器官。





▲ 兰卡斯特举起培养皿中的类器官






▲ 兰卡斯特实验室的研究生玛格达莱娜·雷纳,在显微镜下检查类细胞





▲ 各种各样的类器官在保温箱的振动器上维持生命



2015年十大突破性技术之

Magic Leap

并非所有技术都生来平等。有些技术更具实用性,有些则只是为后来出现的技术创新奠定基础,而我们需要估计这样的创新什么时候会来临。不过肯定的是,我们接下来公布的每项里程碑式技术,在未来数年都值得后来者遵循。



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