《科学美国人》：2019年十大突破性技术

不久前，美国著名科普杂志《科学美国人》发布了2019年十大突破性技术，包括可能给人类的垃圾处理带来新的解决办法的“生物塑料降解”技术，有专门用于帮助和陪伴老人的治疗型机器人，还有可能用于治疗癌症的“IDP靶点”医疗法。本文将从清洁环境、AI智能、医疗健康、能源革新几个方面给大家梳理一下这十大突破性技术。

▏清洁环境类技术

由废弃植物制成的生物降解塑料

根据世界经济论坛的数据，2014年工业产生了3.11亿公吨的垃圾，这些垃圾的大部分处理方式都是焚烧，且只有不到15%能够被回收利用。生物降解塑料能够起到塑料包装的作用，并最终又能够被微生物分解掉的大分子。这种生物降解塑料一般可通过玉米、甘蔗等制成，但是性能难以与传统的塑料相比。最新的研究发现，通过一些废弃的植物（如芦苇）中提取的纤维素和木质素可制成一种新型的生物降解塑料。

纤维素和木质素是植物细胞壁的主要成分，具有良好的强度和刚性。目前，伦敦帝国理工学院开发出了一种低成本的离子液体能够将植物中的纤维素和木质素分离出来的工艺。芬兰的一家生物技术公司MetGen Oy生产出来的基因工程酶也可以将木质素从不同的原料中分离出来。这些新型的生物降解塑料，有望帮助解决塑料垃圾问题。

智能肥料减少环境污染

农用肥料中的氮会在大气中形成温室气体，磷则进入河流，引发藻类等生物过度生长。海法集团和ICL特种肥料等公司利用先进的材料和制造技术，改进胶囊类缓释肥料外壳，使其成为“智能肥料”，能根据土壤温度、酸度或养分改变释放率。相比需要人工智能、数据分析和大量传感器的所谓“精细农作”，这种方式更易推广。

▏AI智能类技术

社交机器人

在工业和医学领域，机器人可以做组装、分解和检查的工作。社交机器人则是为了跟人建立更多的情感联系，他们都是通过摄像机和其他传感器接受信号并采取行动。但是与工业机器人不同的是，他们可以将人的思想感受通过面部和情绪的算法转化为自己能够识别的信号和声音，能够适应复杂的口头表达以及暗示、眼神交流等并做出相应的反馈。

目前社交机器人正扮演着越来越多的角色，例如，一个名为Pepper的47英寸人形机器人（来自SoftBank Robotics）能够识别人脸和基本的人类情感，并通过其“胸部”触摸屏对话。

全球约有15,000名Pepper机器人，可以胜任酒店登记，机场客户服务以及购物协助和快餐结账等工作。

还有一种可以用于陪伴和帮助老人的治疗型机器人。PARO治疗机器人（由日本国家先进工业科学与技术研究所开发），他看起来像一个可爱的海豹，旨在减轻阿尔茨海默病患者或其他患者的压力，可以陪伴老人散步，提醒他们服药，并可以打电话给家人。

2018年全球机器人销售额估计达到56亿美元，预计到2025年底市场将增长到190亿美元，每年机器人销售量超过6500万台。

▏基础科学革新类技术

微型透镜将带来更小的照相机

随着手机，电脑和其他电子产品变得越来越小，它们的光学元件需要变得越来越小。值得注意的是，使用传统的玻璃切割技术很难制作出微小的镜片，并且玻璃镜片中的元件通常需要堆叠以正确聚焦光线。最近，工程师们已经找到了更小，更轻的替代物，这些替代品被称为metalenses。

这种透镜表面覆盖有一系列纳米尺度的物体，当入射光照射到这些元件时，光的许多特性会发生变化 ，包括其偏振，强度，相位和传播方向。透镜无需分层就能消除色差，在解决散光等导致图像失真和模糊的像差问题上也有所突破。

这种纳米级光学器件，可以应用于相机，照明，显示器和可穿戴光学器件并使其更加小型化。然而，目前的安装成本仍然很高，因为难以将纳米级元件精确地放置在厘米级芯片上。

然而，在未来几年内，微型镜头可能会用于更小，更易于制造的传感器、诊断工具，如内窥镜成像设备和光纤。这些潜在的应用程序足以引起政府机构和三星和谷歌等公司的研究支持。目前哈佛大学应用物理学教授费德里科卡帕索的公司Metalenz也在做这方面的研究。

DNA存储技术

人类正面临严重的数据存储问题。到2020年，全球每年需要4180亿个1TB容量的硬盘才能容纳全部数据。相比之下，一个边长约1米的DNA立方体就足以容纳等量数据。事实上，DNA数据存储技术并不遥远。

例如，在2017年，哈佛大学的Church's小组采用了CRISPR DNA编辑技术，将人手的图像记录到大肠杆菌的基因组中，其读出的准确率高于90％。华盛顿大学和微软研究院的研究人员开发了一种全自动系统，用于编写、存储和读取DNA编码的数据。许多公司，包括微软和Twist Bioscience，正在努力推进DNA存储技术。

▏医疗健康类技术

一种先进的食品跟踪技术

据世界卫生组织统计，全球每年约有6亿人食物中毒，其中42万人死亡。

IBM公司基于区块链技术的云平台IBM Food Trust能够帮助食品行业快速溯源有毒食品，而TimeStrip UK和Vitsab International等企业研制的带有传感器的食物标签，能够帮助人们确定食品是否在适当的温度下储存和是否开始变质。

一种治疗癌症和阿尔茨海默氏症的新技术

近年来，科学家发现了一种名为“本质无序蛋白”（IDP）的特殊蛋白质，一旦其不能正常工作，就会导致癌症或神经退行性疾病。随着科学家对IDP的研究愈发深入，工业界开始关注以IDP为靶点的治疗方法。生物技术公司IDP Pharma、制药公司Graffinity、Cantabio等都在研究相关药物，为治疗癌症、阿尔茨海默氏症等疾病带来新的手段。

▏VR技术突破类

远程协同呈现技术

随着视频通话应用程序的广泛应用，大型多人在线游戏已经彻底改变了人们在互联网上的游戏互动方式，协作远程呈现也将带来一种人们在工作中的全新的虚拟协作方式。例如，医疗服务者将能够与患者远程工作，就像他们在同一个房间一样。朋友和家人可以分享他们游览的城市，就像是他们在结伴旅游一样。

远程协同呈现技术能够使不同地点的人克服空间的隔阂近距离接触。增强现实（AR）、虚拟现实（VR）及5G通信技术的发展使之成为可能。“X大奖”基金会已经发起了1000万美元的“ANA阿凡达”大奖赛，旨在“将人的感觉、行动和存在实时传送到一个遥远的位置，从而带来一个更为紧密的世界”。微软等公司也在进行相关研究。未来3—5年内，远程协同呈现技术将迎来突破。

▏能源革新类技术

更安全的核反应堆技术

现有的商业核反应堆使用的几乎都是将铀芯堆积在锆合金内的核燃料棒。如果锆过热，它会与水反应产生氢气并爆炸，这一问题导致了美国三岛和日本福岛的核事故。美国西屋电气公司（Westinghouse Electric Company）和法国的法马通公司（Framatome）正在研制的“第四代”核反应堆将用液态钠或熔盐代替水来传递热量，避免产生氢气。据报道，中国打算今年将示范氦冷却反应堆连接到电网。美国则提出建设小型模块化反应堆以提高安全性。新型燃料和小型模块化反应堆有望带来核电复兴。

新能源的储能技术

据能源情报署（Energy Information Administration）称，在过去十年中，美国可再生能源产生的电力增加了一倍，主要来自风能和太阳能装置。在2019年1月，EIA预测风能，太阳能和其他非水电可再生能源将成为未来两年中增长最快的电力组合。

风能和太阳能是主要的可再生能源，但需要大规模的储能技术存储“备用能量”，以便在晚上或无风的时候使用。之前，抽水蓄能和锂电池是主要的储能方式，分别存在成本高和储能时间短的缺点。美、韩、中、日等国正在研制蓄电能力更高的锂电池和氢燃料电池，有望解决上述问题。