展望不久的將來，新興技術(shù)將允許你虛擬地傳送到一個(gè)遙遠(yuǎn)的地方，并真切地感受到網(wǎng)絡(luò)旅行者們的握手和擁抱。此外，類似人類的(和動(dòng)物性的)機(jī)器人也變得越來越普遍，它們被設(shè)計(jì)用來與人交往;一種系統(tǒng)能在幾秒鐘內(nèi)查明食物中毒爆發(fā)源頭;為小型相機(jī)和其他設(shè)備鋪平道路的微型鏡頭;用其他無用的植物廢料制成的堅(jiān)固的、可降解的塑料;基于DNA的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，能可靠地存儲(chǔ)海量信息，以及更多新興技術(shù)……
一個(gè)由領(lǐng)先技術(shù)專家組成的國際指導(dǎo)小組，探討今年的“十大新興技術(shù)”。在征求全球其他專家的提名后，指導(dǎo)小組根據(jù)若干標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估了數(shù)十項(xiàng)提案：提議的技術(shù)是否有可能為社會(huì)和經(jīng)濟(jì)帶來重大利益?它們能改變既定的做事方式嗎?它們是否仍處于開發(fā)的早期階段，但卻引起了研究實(shí)驗(yàn)室、公司或投資者的極大興趣?它們是否有可能在未來幾年內(nèi)取得重大進(jìn)展?
1. 生物降解塑料解決重大污染問題
我們的文明建立在塑料之上。根據(jù)世界經(jīng)濟(jì)論壇的數(shù)據(jù)，僅在2014年，工業(yè)產(chǎn)生了311公噸塑料，預(yù)計(jì)到2050年這一數(shù)字將增加兩倍。然而，只有不到15%的產(chǎn)品被回收利用。其余大部分都被焚燒，躺在垃圾填埋場(chǎng)或被遺棄在環(huán)境中，在那里，由于對(duì)微生物的消化有抵抗力，它可以存活數(shù)百年。積聚在海洋中的塑料碎片會(huì)引起各種各樣的問題，從野生動(dòng)物誤攝入到釋放有毒化合物。它甚至可以通過受污染的魚進(jìn)入我們的身體。
可生物降解塑料可以緩解這些問題，有助于實(shí)現(xiàn)“循環(huán)”塑料經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)，其中塑料來自并轉(zhuǎn)化回生物質(zhì)。與衍生自石化產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)塑料一樣，可生物降解的版本由聚合物(長鏈分子)組成，這些聚合物可以在其流體狀態(tài)下模塑成各種形式。目前可用的選擇 - 主要由玉米、甘蔗或廢油脂和食用油制成 -通常缺乏標(biāo)準(zhǔn)食品的機(jī)械強(qiáng)度和視覺特性。最近從纖維素或木質(zhì)素(植物中的干物質(zhì))生產(chǎn)塑料的突破有望克服這些缺點(diǎn)。對(duì)于環(huán)境的額外好處，纖維素和木質(zhì)素可以從非食用植物獲得，例如生長在食用作物不適宜生長的邊緣土地上的巨型蘆葦，或者從廢棄的木材和農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品中獲得，否則這些植物將不起任何作用。
纖維素是地球上最豐富的有機(jī)聚合物，是植物細(xì)胞壁的主要成分;木質(zhì)素填充了那些墻壁的空間，提供了強(qiáng)度和剛性。為了用這些物質(zhì)制造塑料，制造商必須首先將它們分解成它們的結(jié)構(gòu)單元或單體。研究人員最近找到了這兩種物質(zhì)的方法。木質(zhì)素的作用特別重要，因?yàn)槟举|(zhì)素的單體由芳香環(huán)組成 - 這些化學(xué)結(jié)構(gòu)賦予一些標(biāo)準(zhǔn)塑料機(jī)械強(qiáng)度和其他所需的特征。木質(zhì)素不溶于大多數(shù)溶劑，但研究人員已經(jīng)證明某些環(huán)境友好的離子液體(主要由離子組成)可以選擇性地將其與木材和木本植物分開。與真菌和細(xì)菌相似的基因工程酶可以將溶解的木質(zhì)素分解成其組分。
公司正在以這些發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)。例如，倫敦帝國理工學(xué)院分拆出來的Chrysalix Technologies，開發(fā)了一種工藝，利用低成本離子液體將纖維素和木質(zhì)素與原料分離。芬蘭的一家生物技術(shù)公司MetGen Oy生產(chǎn)了許多基因工程酶，可將不同來源的木質(zhì)素分解成各種應(yīng)用所需的成分。 Mobius(前身為Grow Bioplastics)正在開發(fā)用于生物降解花盆、農(nóng)業(yè)覆蓋物和其他產(chǎn)品的木質(zhì)素塑料顆粒。
要使這種新型塑料得到廣泛應(yīng)用，必須克服許多障礙。一個(gè)是成本。另一種方法是盡量減少用于生產(chǎn)木質(zhì)素的土地和水的用量——即使木質(zhì)素只來自廢物，也需要水將其轉(zhuǎn)化為塑料。與任何重大挑戰(zhàn)一樣，解決辦法將需要采取一系列措施，從法規(guī)到社會(huì)使用和處置塑料方式的自愿變化。盡管如此，生產(chǎn)可生物降解塑料的新方法提供了一個(gè)完美的例子，說明更環(huán)保的溶劑和更有效的生物催化劑如何有助于在一個(gè)主要行業(yè)中產(chǎn)生循環(huán)經(jīng)濟(jì)。
2. 社交機(jī)器人與人愉快合作
在工業(yè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，機(jī)器人經(jīng)常建造、分解和檢查事物;他們還協(xié)助手術(shù)并在藥房配藥。預(yù)計(jì)未來幾年社交機(jī)器人將變得更加復(fù)雜和普及。該領(lǐng)域似乎已達(dá)到臨界點(diǎn)，機(jī)器人具有更強(qiáng)的交互能力，并執(zhí)行比以往更多的有用任務(wù)。
與大多數(shù)機(jī)器人一樣，社交機(jī)器人使用人工智能來決定如何對(duì)通過攝像頭和其他傳感器接收的信息采取行動(dòng)。通過研究如何形成感知，構(gòu)成社交和情感智能以及人們?nèi)绾文軌蛲茢喑鏊说乃枷牒透惺艿葐栴}，從而獲得以栩栩如生的方式做出回應(yīng)的能力。人工智能的進(jìn)步使設(shè)計(jì)師能夠?qū)⑦@些心理學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的見解轉(zhuǎn)化為允許機(jī)器人識(shí)別聲音、面部和情緒的算法;解釋言語和手勢(shì);適當(dāng)?shù)鼗貞?yīng)復(fù)雜的口頭和非口頭暗示;眼神交流;會(huì)話;通過學(xué)習(xí)反饋，獎(jiǎng)勵(lì)和批評(píng)來適應(yīng)人們的需求。
因此，社交機(jī)器人正在填補(bǔ)越來越多的角色。例如，一個(gè)名為Pepper的47英寸人形機(jī)器人(來自SoftBank Robotics)識(shí)別人臉和基本的人類情感，并通過觸摸屏在其“胸部”進(jìn)行對(duì)話。全球約有15,000名Pepper執(zhí)行酒店登記、機(jī)場(chǎng)等服務(wù)客戶服務(wù)，購物協(xié)助和快餐結(jié)賬。 Temi(來自Temi USA)和Loomo(Segway Robotics)是下一代個(gè)人助理，像Amazon Echo和Google Home一樣，但是可以移動(dòng)，提供了更高級(jí)別的功能。例如，Loomo不僅是一個(gè)伙伴，而且還可以根據(jù)命令將其變成一輛用于運(yùn)輸?shù)奶ぐ遘嚒?/p>
社交機(jī)器人特別有助于幫助世界上不斷增長的老年人口。 PARO治療機(jī)器人(由日本國家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)與技術(shù)研究所開發(fā))看起來像一個(gè)可愛的海豹，旨在刺激和減輕阿爾茨海默病患者和護(hù)理機(jī)構(gòu)中其他患者的壓力。 Mabu(Catalia Health)作為健康助手，特別是老年人，提醒他們散步和服藥，并打電話給家人。社交機(jī)器人作為玩具也越來越多地吸引消費(fèi)者。早期嘗試將社交行為納入玩具中，例如孩之寶的Baby Alive和索尼的AIBO機(jī)器人狗，取得了有限的成功。但兩者都在復(fù)蘇，最新版本的AIBO具有復(fù)雜的語音和手勢(shì)識(shí)別功能，可以教授技巧并根據(jù)之前的互動(dòng)開發(fā)新的行為。
2018年全球消費(fèi)機(jī)器人銷售額估計(jì)達(dá)到56億美元，預(yù)計(jì)到2025年底市場(chǎng)將增長到190億美元，每年銷售超過6500萬臺(tái)機(jī)器人。鑒于多家資金雄厚的消費(fèi)者機(jī)器人公司(如Jibo和Anki)都失敗了，這種趨勢(shì)似乎令人驚訝。但是，一波機(jī)器人正在排隊(duì)取代已經(jīng)不復(fù)存在的機(jī)器人，包括BUDDY(藍(lán)蛙機(jī)器人)，這是一個(gè)大眼睛的移動(dòng)設(shè)備，除了扮演個(gè)人助理和提供家庭自動(dòng)化和安全之外還可以玩游戲。
3. 超透鏡將實(shí)現(xiàn)微型光學(xué)設(shè)備的設(shè)計(jì)
隨著手機(jī)、電腦和其他電子產(chǎn)品變得越來越小，它們的光學(xué)元件卻頑固地拒絕縮小。值得注意的是，使用傳統(tǒng)的玻璃切割技術(shù)和玻璃彎曲技術(shù)很難制作出超薄的鏡片，并且玻璃鏡片中的元件通常需要堆疊以正確聚焦光線。工程師們最近發(fā)現(xiàn)了更小、更輕的金屬替代品背后的許多物理原理，這些替代品被稱為超透鏡(Metalenses)。這些透鏡可以實(shí)現(xiàn)顯微鏡和其他實(shí)驗(yàn)室工具以及消費(fèi)產(chǎn)品(例如相機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)耳機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)光學(xué)傳感器)的更加小型化。它們可以增強(qiáng)光纖的功能。
超透鏡由比微米薄的平坦表面組成，其覆蓋有一系列納米尺度的物體，例如突出的柱子或鉆孔。當(dāng)入射光照射到這些元件時(shí)，其許多特性會(huì)發(fā)生變化 - 包括其偏振，強(qiáng)度，相位和傳播方向。研究人員可以精確定位納米級(jí)物體，以確保離開超透鏡的光具有選定的特征。更重要的是，元透鏡是如此之薄，可以彼此重疊而不會(huì)顯著增加尺寸。研究人員已經(jīng)展示了光學(xué)器件，如光譜儀和由這些平面堆疊制成的偏光計(jì)。
在去年的重大突破中，研究人員解決了一個(gè)叫做色差的問題。當(dāng)白光穿過典型的透鏡時(shí)，其不同波長的光線以不同的角度偏轉(zhuǎn)，從而聚焦在距透鏡不同的距離處;為了解決這個(gè)問題，今天的工程師需要將鏡片分層。現(xiàn)在，單個(gè)超透鏡可以將所有白光波長聚焦到同一個(gè)點(diǎn)上。除了創(chuàng)造這種“消除色差”的元透鏡之外，科學(xué)家們還開發(fā)了能夠校正其他像差的變形鏡，例如昏迷和散光，這會(huì)導(dǎo)致圖像失真和模糊。
除了減小尺寸之外，超透鏡最終應(yīng)該降低光學(xué)元件的成本，因?yàn)樾〕叽缤哥R可以用半導(dǎo)體工業(yè)中已在使用的相同設(shè)備制造。這一特性提高了制造光纖傳感器的光學(xué)和電子元件的誘人前景。
然而，目前費(fèi)用仍然很高，因?yàn)殡y以將納米級(jí)元件精確地放置在厘米級(jí)芯片上。其他限制也需要解決。到目前為止，超透鏡不像傳統(tǒng)鏡頭那樣有效地傳輸光 - 這是全彩色成像等應(yīng)用中的一個(gè)重要功能。此外，它們太小而無法捕獲大量光線，這意味著，至少就目前而言，它們不適合拍攝高質(zhì)量的照片。
盡管如此，在未來幾年內(nèi)，超透鏡可能會(huì)用于更小、更易于制造的傳感器、診斷工具，如內(nèi)窺鏡成像設(shè)備和光纖。這些潛在的應(yīng)用程序足以引起政府機(jī)構(gòu)和三星和谷歌等公司的研究支持。至少有一家初創(chuàng)公司Metalenz預(yù)計(jì)將在未來幾年內(nèi)將超透鏡推向市場(chǎng)。
4. 一類特殊的蛋白質(zhì)是有望治愈癌癥和阿爾茨海默氏癥靶向藥
幾十年前，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一類特殊的蛋白質(zhì)，可以將疾病從癌癥轉(zhuǎn)變?yōu)樯窠?jīng)退行性疾病。這些“固有無序蛋白質(zhì)”(IDPs)看起來與具有固定結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)不同，后者在細(xì)胞中更為常見。IDPs是形狀移位者，表現(xiàn)為不斷改變配置的組成部分。這種松散的結(jié)構(gòu)使得IDPs能夠在關(guān)鍵時(shí)刻匯集各種各樣的分子，例如在細(xì)胞對(duì)壓力的反應(yīng)過程中。較不靈活的蛋白質(zhì)傾向于具有更有限數(shù)量的結(jié)合配偶體。當(dāng)IDPs不能正常運(yùn)作時(shí)，就會(huì)引發(fā)疾病。
然而，醫(yī)學(xué)研究人員無法創(chuàng)建消除或調(diào)節(jié)機(jī)能失調(diào)的IDPs的治療方法。事實(shí)上，許多藥物被認(rèn)為是無法下藥的。這是因?yàn)楝F(xiàn)在使用的大多數(shù)藥物需要穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)來定位，而且IDPs無法保持足夠長的時(shí)間。眾所周知的可導(dǎo)致癌癥的無序蛋白質(zhì) - 包括c-Myc，p53和K-RAS--已被證明過于難以捉摸。但這種情況正在開始改變。
科學(xué)家正在利用生物物理學(xué)組合，計(jì)算能力和更好地理解IDPs來識(shí)別抑制這些蛋白質(zhì)的化合物的方式，有些已成為真正的候選藥物。 2017年，法國和西班牙的研究人員發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)DA批準(zhǔn)的一種名為三氟哌啶(用于治療精神疾病和焦慮)的藥物與NUPR1(一種與胰腺癌有關(guān)的紊亂蛋白)結(jié)合并抑制其活性。大規(guī)模的篩選測(cè)試評(píng)估了數(shù)千種藥物的治療潛力，發(fā)現(xiàn)了幾種抑制c-Myc的藥物，其中一些正走向臨床發(fā)展。此外，還發(fā)現(xiàn)了一些分子可以作用于β-淀粉樣蛋白等IDPs，而β-淀粉樣蛋白與阿爾茨海默病等疾病有關(guān)。
這一名單還將繼續(xù)增加，特別是當(dāng)IDPs在被稱為無膜細(xì)胞器的關(guān)鍵細(xì)胞部分所起的作用變得更加清晰時(shí)。這些細(xì)胞器在特定的時(shí)間將重要的細(xì)胞分子(如蛋白質(zhì)和RNA)聚集在一起，同時(shí)將其他分子分開。接近使某些反應(yīng)更容易發(fā)生;分離可以防止各種反應(yīng)?？茖W(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了一種功能強(qiáng)大的新型分子操縱工具，名為Corelets和CasDrop，可以讓研究人員控制這些細(xì)胞器的形成。通過使用這些工具和其他工具，研究人員了解到IDPs可能有助于控制這種細(xì)胞器的聚合、運(yùn)轉(zhuǎn)和分開。
業(yè)界也在押注IDPs的治療潛力。 生物技術(shù)公司IDP Pharma正在開發(fā)一種治療多發(fā)性骨髓瘤和小細(xì)胞肺癌的蛋白質(zhì)抑制劑。 Graffinity Pharmaceuticals，現(xiàn)在是NovAliX的一部分，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種小分子，可以靶向失調(diào)的tau蛋白，這種蛋白與阿爾茨海默病的病理有關(guān)。Cantabio制藥公司正在尋找小分子來穩(wěn)定參與神經(jīng)變性的IDPs。在未來三到五年內(nèi)，這些曾經(jīng)“無法下藥”的蛋白質(zhì)將越來越有可能成為藥物開發(fā)的目標(biāo)。
5. 智能肥料減少環(huán)境污染
為了養(yǎng)活世界上不斷增長的人口，農(nóng)民需要提高作物產(chǎn)量。施用更多肥料可能有所幫助，但是標(biāo)準(zhǔn)版本效率低下并且經(jīng)常損害環(huán)境。幸運(yùn)的是，生態(tài)控制釋放肥料的產(chǎn)品已經(jīng)可以使用并且變得越來越智能。
農(nóng)民通常以兩種方式施肥。用氨、尿素或其他物質(zhì)噴灑田地，當(dāng)它們與水反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生營養(yǎng)氮?；蛘呤褂免淃}或其他礦物質(zhì)的顆粒來產(chǎn)生磷，也與水反應(yīng)。但是這些營養(yǎng)成分相對(duì)較少進(jìn)入植物。相反，大部分氮以溫室氣體的形式進(jìn)入大氣，磷最終流入流域，經(jīng)常引發(fā)藻類和其他生物的過度生長。相反，控制肥料配方和釋放速度可以確保顯著更高水平的營養(yǎng)物質(zhì)到達(dá)作物，從而導(dǎo)致更高的產(chǎn)量和更少的肥料。
一類被稱為緩釋肥料已經(jīng)銷售了一段時(shí)間。這些配方通常由微小的膠囊組成，膠囊中含有氮，磷和其他所需營養(yǎng)素的物質(zhì)。外殼減慢了水可以進(jìn)入內(nèi)部物質(zhì)以釋放營養(yǎng)物的速率以及最終產(chǎn)物從膠囊中逸出的速率。結(jié)果，營養(yǎng)物質(zhì)逐漸被排出，而不是快速流出去，無法有效吸收。較新的配方包括通過延遲原料(例如尿素)向營養(yǎng)素的轉(zhuǎn)化而進(jìn)一步減緩營養(yǎng)物遞送的物質(zhì)。
最近，通過復(fù)雜的材料和制造技術(shù)開發(fā)了更完全符合“控制釋放”描述的肥料，這些材料和制造技術(shù)可以調(diào)節(jié)殼體，使得它們隨著土壤的溫度、酸度或濕度變化以所需的方式改變營養(yǎng)物釋放速率。通過組合不同類型的調(diào)制膠囊，制造商可以制作具有適合特定作物或生長條件需求的配方的肥料。Haifa Group和ICL Specialty Fertilizers等公司提供更精確的控制。例如，Haifa將養(yǎng)分釋放速率與溫度聯(lián)系起來;隨著氣溫升高，作物生長速度和養(yǎng)分排放量一起增加。
雖然控釋技術(shù)使肥料更有效，但它們并沒有消除肥料使用的所有缺點(diǎn)。例如，產(chǎn)品仍包括氨，尿素和鉀堿;生產(chǎn)這些物質(zhì)是能源密集型的，這意味著它們的生產(chǎn)會(huì)促進(jìn)溫室氣體的產(chǎn)生和氣候變化。然而，通過使用環(huán)境友好的氮源并摻入提高植物吸收氮和磷的效率的微生物，可以減輕這種影響。沒有證據(jù)表明組成殼的材料會(huì)損害環(huán)境，但每當(dāng)大量引入任何新物質(zhì)時(shí)，都必須監(jiān)測(cè)這種風(fēng)險(xiǎn)。
控釋肥料是可持續(xù)農(nóng)業(yè)方法的一部分，稱為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。這種方法通過結(jié)合數(shù)據(jù)分析、人工智能和各種傳感器系統(tǒng)來確定在任何給定時(shí)間內(nèi)植物需要多少肥料和水，并通過部署自動(dòng)車輛在規(guī)定的數(shù)量和地點(diǎn)運(yùn)送養(yǎng)分，從而提高作物產(chǎn)量，并將過量的養(yǎng)分釋放降到最低。然而，安裝精密系統(tǒng)的成本很高，因此只有大規(guī)模的操作才能使用它們。相比之下，先進(jìn)的控釋肥料相對(duì)便宜，可以成為幫助農(nóng)民持續(xù)增加作物產(chǎn)量的一線技術(shù)。
6. 協(xié)作遠(yuǎn)程呈現(xiàn)使距離(相對(duì)而言)變得無關(guān)緊要
想象一下，世界各地的一群人順利地互動(dòng)，好像他們本人在一起意愿，甚至能夠感受到彼此的觸摸。能夠?qū)崿F(xiàn)這種“協(xié)作遠(yuǎn)程呈現(xiàn)”的組件可以改變我們一起工作和玩耍的方式，使物理位置無關(guān)緊要。
正如視頻通話應(yīng)用程序(如Skype和FaceTime)已經(jīng)成為消費(fèi)者可以廣泛使用的商業(yè)領(lǐng)域，大型多人在線游戲已經(jīng)徹底改變了人們?cè)诨ヂ?lián)網(wǎng)上的互動(dòng)方式，協(xié)作遠(yuǎn)程呈現(xiàn)可以改變?nèi)藗冊(cè)谏虡I(yè)中虛擬協(xié)作的方式。例如，醫(yī)療服務(wù)提供者將能夠與患者遠(yuǎn)程工作，就像他們?cè)谕粋€(gè)房間一樣。朋友和家人將能夠享受共同的經(jīng)歷，比如一起呆在一個(gè)舒適的房間里或游覽一個(gè)新的城市，即使他們實(shí)際上不在同一個(gè)地方。
幾個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)展使這一前景變得可行。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)和虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)已經(jīng)變得足夠強(qiáng)大且價(jià)格合理，可以廣泛采用。電信公司正在以足夠快的速度推出5G網(wǎng)絡(luò)，以處理來自高級(jí)傳感器陣列的大量數(shù)據(jù)，而無需延遲時(shí)間。創(chuàng)新者正在完善技術(shù)，使人們能夠與遠(yuǎn)程環(huán)境進(jìn)行物理交互，包括觸覺傳感器，使人們可以感受到機(jī)器人頭像的觸摸。設(shè)想用于協(xié)作遠(yuǎn)程呈現(xiàn)的完全感官沉浸將需要比視頻通話低得多的延遲時(shí)間——有時(shí)甚至可能要占用5G網(wǎng)絡(luò)——但預(yù)測(cè)人工智能算法可以消除用戶對(duì)時(shí)間間隔的感知。
盡管協(xié)作遠(yuǎn)程呈現(xiàn)仍然處于新興階段，但所有技術(shù)都已準(zhǔn)備就緒，以便在三到五年內(nèi)實(shí)現(xiàn)變革。例如，微軟和其他公司已經(jīng)投資了預(yù)計(jì)將在2025年支撐數(shù)十億美元產(chǎn)業(yè)的技術(shù)。而XPRIZE基金會(huì)已經(jīng)啟動(dòng)了1000萬美元的ANA Avatar XPRIZE競(jìng)賽(由全日空航空公司贊助)，旨在啟動(dòng)這些技術(shù)，將“人類的感覺，行動(dòng)和存在實(shí)時(shí)傳遞到遠(yuǎn)程位置，從而形成一個(gè)更加互聯(lián)的世界。” 隨著智能手機(jī)的普及，人們的日常生活和工作也將發(fā)生翻天覆地的變化。
7. 先進(jìn)的食品跟蹤和包裝將挽救生命并減少浪費(fèi)
據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，每年約有6億人食物中毒，有42萬人死亡。當(dāng)疫情爆發(fā)時(shí)，調(diào)查人員可能需要數(shù)天或數(shù)周來跟蹤其來源。與此同時(shí)，更多人可能患病，大量未受污染的食物可能會(huì)跟著污染的食品一起被丟棄。尋找來源可能是一項(xiàng)緩慢的工作，因?yàn)槭澄飶囊粋€(gè)農(nóng)場(chǎng)到另一個(gè)餐館的路徑復(fù)雜，而這些旅程的記錄保存在本地系統(tǒng)中，系統(tǒng)通常不會(huì)相互通信。
聯(lián)合使用兩種技術(shù)可以減少食物中毒和食物浪費(fèi)。第一個(gè)是區(qū)塊鏈技術(shù)(以管理虛擬貨幣而聞名)的創(chuàng)新應(yīng)用，正在開始解決可追溯性問題。其次，增強(qiáng)的食品包裝正在提供新的方法來確定食品是否在適當(dāng)?shù)臏囟认麓娣乓约八鼈兪欠褚呀?jīng)開始變質(zhì)。
區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N分散的會(huì)計(jì)系統(tǒng)，其中條目按順序記錄在多個(gè)相同的“分類賬”中，這些“分類賬”存儲(chǔ)在多個(gè)位置的計(jì)算機(jī)上。這種冗余使得篡改任何一個(gè)分類帳都是徒勞的，由此創(chuàng)建了一個(gè)高度可信的交易記錄。為食品行業(yè)開發(fā)的基于區(qū)塊鏈的云平臺(tái)IBM Food Trust已經(jīng)被主要的食品銷售商所采用。
通過將種植者、分銷商和零售商整合到一個(gè)共同的區(qū)塊鏈上，F(xiàn)ood Trust創(chuàng)建了一個(gè)關(guān)于給定食品在端到端供應(yīng)鏈中路徑的可信記錄。在對(duì)該技術(shù)的一項(xiàng)測(cè)試中，沃爾瑪幾秒鐘內(nèi)就追蹤了“受污染”商品的來源;而如果靠文字和數(shù)字記錄的傳統(tǒng)方法，可能需要數(shù)天時(shí)間。有了這一功能，零售商和餐館幾乎可以立即將受污染的產(chǎn)品從流通中移除，只銷毀同一來源的庫存，而不是浪費(fèi)該產(chǎn)品的全國庫存。許多食品企業(yè)巨頭 - 沃爾瑪，家樂福，山姆會(huì)員店，艾伯森公司，史密斯菲爾德食品公司，BeefChain，Wakefern Food(ShopRite的母公司)和Topco Associates(集團(tuán)采購組織) - 都加入了IBM Food Trust。其他組織也引入了區(qū)塊鏈技術(shù)來增強(qiáng)可追溯性。
為了從一開始就預(yù)防食物中毒，研究實(shí)驗(yàn)室和公司正在開發(fā)小型傳感器，可以監(jiān)測(cè)托盤、包裝盒或單獨(dú)包裝的產(chǎn)品的質(zhì)量和安全。例如，Timestrip UK和Vitsab International獨(dú)立創(chuàng)建了一種傳感器標(biāo)簽，如果一個(gè)產(chǎn)品被暴露在超過推薦的溫度，顏色就會(huì)改變;Insignia Technologies銷售的一種傳感器，包裝打開后，會(huì)慢慢改變顏色，顯示何時(shí)可以扔掉食物。(如果產(chǎn)品沒有儲(chǔ)存在適當(dāng)?shù)臏囟认?，顏色變化?huì)更快。)此外，科學(xué)家們還在研制一種傳感器，用以探測(cè)變質(zhì)過程中產(chǎn)生的氣體副產(chǎn)品。除了預(yù)防疾病，這種傳感器還可以通過顯示食物可以安全食用來減少浪費(fèi)。
不過，成本仍然是大規(guī)模使用這種傳感器的障礙。盡管如此，食品行業(yè)對(duì)確保食品安全和限制浪費(fèi)的需求，正推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)和區(qū)塊鏈向前發(fā)展。
8. 更安全的核反應(yīng)堆正在建設(shè)中
控制大氣中的碳需要多種能源技術(shù)的結(jié)合——可能包括核反應(yīng)堆。雖然核反應(yīng)堆不排放碳，但由于發(fā)生了幾起重大事故，被認(rèn)為是有風(fēng)險(xiǎn)的。而這種風(fēng)險(xiǎn)可以大大降低。
幾十年來，商業(yè)反應(yīng)堆使用相同的燃料：小顆粒的二氧化鈾堆積在由鋯合金制成的長圓柱形棒內(nèi)。鋯允許粒子中裂變產(chǎn)生的中子輕松地穿過反應(yīng)堆堆芯內(nèi)浸在水中的許多棒，從而發(fā)生一種自我維持的、產(chǎn)生熱量的核反應(yīng)。
麻煩的是，如果鋯過熱，它會(huì)與水反應(yīng)并產(chǎn)生氫，氫氣不穩(wěn)定會(huì)爆炸。這種情況導(dǎo)致了世界上兩起最嚴(yán)重的反應(yīng)堆事故：1979年美國三哩島的潛在爆炸和部分熔毀;2011年日本福島第一核電站爆炸和輻射泄露。(1986年切爾諾貝利事故是由于反應(yīng)堆設(shè)計(jì)和運(yùn)行故障造成的。)
像西屋電氣公司和Framatome這樣的制造商正在加速開發(fā)所謂的事故耐受性燃料，這種燃料不太可能過熱，即使過熱，產(chǎn)生的氫氣也很少，甚至不產(chǎn)生氫氣。在一些變型中，涂覆鋯包層以使反應(yīng)最小化。在其他情況下，鋯和甚至二氧化鈾都用不同的材料代替。
盡管核電在美國停滯不前，并且正在德國和其他地方逐步淘汰，但俄羅斯和中國正在積極發(fā)展。對(duì)于這些新燃料的制造商而言，這些市場(chǎng)可能是有利可圖的。
俄羅斯也在采取其他安全措施;國營公司Rosatom最近在國內(nèi)外安裝了更新的“被動(dòng)”安全系統(tǒng)，即使工廠的電力丟失，冷卻液無法主動(dòng)循環(huán)，也能抑制過熱。西屋公司和其他公司也將被動(dòng)安全功能納入其更新設(shè)計(jì)中。
制造商也正在試驗(yàn)“第四代”型號(hào)，它們使用液態(tài)鈉或熔鹽代替水來轉(zhuǎn)移裂變產(chǎn)生的熱量，從而消除了產(chǎn)生危險(xiǎn)氫氣的可能性。
在美國，長期以來，缺乏一個(gè)永久性的、深層的乏燃料地質(zhì)儲(chǔ)存庫，阻礙了該行業(yè)的擴(kuò)張。政治情緒可能正在發(fā)生變化。令人驚訝的是，今年春天，十多位美國國會(huì)議員提出了重新發(fā)放內(nèi)華達(dá)州尤卡山核廢料儲(chǔ)存庫許可證的措施。自1987年以來，尤卡山一直被吹捧為美國領(lǐng)先的核廢料儲(chǔ)存庫。與此同時(shí)，阿拉斯加州參議員麗莎·穆爾科斯基主張?jiān)趷圻_(dá)荷州國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)非常小的模塊化反應(yīng)堆。一些西部州與俄勒岡州的NuScale Power公司就其12個(gè)模塊化反應(yīng)堆達(dá)成了一項(xiàng)初步協(xié)議。改進(jìn)燃料和小型反應(yīng)堆的發(fā)展可能是核能再生的重要組成部分。
9. DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)比你想象中更快到來
根據(jù)軟件公司Domo的說法，2018年，人們每分鐘在谷歌上進(jìn)行388萬次搜索，在YouTube上觀看了433萬個(gè)視頻，發(fā)送了159,362,760封電子郵件，發(fā)送了473,000次推文，并在Instagram上發(fā)布49,000張照片。假設(shè)世界人口達(dá)到78億，到2020年，全球每人每秒可創(chuàng)建1.7兆字節(jié)的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于每年約418萬億億兆。
如果是這樣的話，目前存儲(chǔ)0和1容量的磁性或光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)無法持續(xù)超過一個(gè)世紀(jì)。此外，運(yùn)行數(shù)據(jù)中心需要大量的能量。簡(jiǎn)而言之，我們即將面臨一個(gè)嚴(yán)重的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問題，隨著時(shí)間的推移，這個(gè)問題只會(huì)變得更加嚴(yán)重。
硬盤驅(qū)動(dòng)器的替代方案正在取得進(jìn)展：基于DNA的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。由核苷酸A，T，C和G的長鏈組成的DNA是生命的信息存儲(chǔ)材料。數(shù)據(jù)可以按照這些字母的順序存儲(chǔ)，從而將DNA轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N新的信息技術(shù)形式。它已經(jīng)過常規(guī)排序(讀取)，合成(寫入)并且可以輕松準(zhǔn)確地復(fù)制。 DNA也是非常穩(wěn)定的，就像50多萬年前的一匹化石馬的完整基因組測(cè)序所證明的那樣。而且儲(chǔ)存它不需要太多的能量。
但最引人注目的是存儲(chǔ)容量。DNA能夠以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電子設(shè)備的密度準(zhǔn)確地存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)。例如，根據(jù)哈佛大學(xué)George Church及其同事2016年在《自然材料》雜志上發(fā)表的計(jì)算，簡(jiǎn)單的大腸桿菌的存儲(chǔ)密度約為1019位/立方厘米。在這樣的密度下，世界上目前一年的存儲(chǔ)需求通過一個(gè)邊長約一米的DNA立方體就能得到滿足了。
DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的前景不僅僅是理論上的。例如，在2017年，哈佛大學(xué)Church團(tuán)隊(duì)采用了CRISPR DNA編輯技術(shù)，將人類手的圖像記錄到大腸桿菌的基因組中，其讀取準(zhǔn)確率超過90%。華盛頓大學(xué)和微軟研究院的研究人員開發(fā)了一種全自動(dòng)系統(tǒng)，用于編寫、存儲(chǔ)和讀取DNA編碼的數(shù)據(jù)。許多公司，包括微軟和Twist Bioscience，正在努力推進(jìn)DNA存儲(chǔ)技術(shù)。
與此同時(shí)，DNA已經(jīng)被用于以不同的方式管理數(shù)據(jù)，研究人員正在努力解決大量數(shù)據(jù)。新一代測(cè)序技術(shù)的最新進(jìn)展使得數(shù)十億個(gè)DNA序列同時(shí)輕松讀取。有了這種能力，研究人員可以使用條形碼 – 利用DNA序列作為分子識(shí)別“標(biāo)簽” - 以跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 DNA條形碼的采用，大大加快化學(xué)工程、材料科學(xué)和納米技術(shù)等領(lǐng)域的研究步伐。例如，在佐治亞理工學(xué)院，James E. Dahlman的實(shí)驗(yàn)室正在迅速確定更安全的基因療法;其他人正在研究如何對(duì)抗耐藥性和預(yù)防癌癥轉(zhuǎn)移。
讓DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)變得普遍面臨的挑戰(zhàn)之一是讀寫DNA的成本和速度，如果要與電子存儲(chǔ)競(jìng)爭(zhēng)，讀寫DNA的成本和速度需要進(jìn)一步降低。即使DNA沒有成為一種無處不在的存儲(chǔ)材料，它也幾乎肯定會(huì)被用于以全新的規(guī)模生成信息，并長期保存某些類型的數(shù)據(jù)。
10. 公用事業(yè)規(guī)模的能源儲(chǔ)存將實(shí)現(xiàn)可再生電網(wǎng)
由于能源系統(tǒng)脫碳的日益緊迫性以及風(fēng)能和太陽能技術(shù)成本急劇下降，世界電力供應(yīng)方式正在快速轉(zhuǎn)變。據(jù)美國能源情報(bào)署稱，在過去十年中，美國可再生能源發(fā)電量增加了一倍，主要來自風(fēng)能和太陽能裝置。在2019年1月，EIA預(yù)測(cè)風(fēng)能、太陽能和其他非水電可再生能源將成為未來兩年中增長最快的電力組合。但這些能源的間斷性意味著，電力公司需要一種方法，在沒有陽光和沒有大風(fēng)的時(shí)候，還能獲取能源。這種需求使得人們對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的興趣日益濃厚，尤其是鋰離子電池，它最終將不再只是電網(wǎng)中的一個(gè)小角色。
幾十年來，抽水蓄能一直是美國主要的大規(guī)模蓄能方式。為了儲(chǔ)存能量，水被泵入更高的水庫;當(dāng)需要這種能量時(shí)，水被釋放到下部水庫中，沿途一直流過水輪機(jī)。美國能源部的數(shù)據(jù)顯示，抽水蓄能目前占美國公用事業(yè)規(guī)模蓄能的95%。但隨著效率和可靠性的提高，以及制造成本的大幅下降，鋰離子電池的存在感也在上升。美國能源情報(bào)署(EIA)表示，它們占美國公用事業(yè)規(guī)模電池存儲(chǔ)容量的80%以上，到2019年2月，美國公用事業(yè)規(guī)模的電池儲(chǔ)能能力將從10年前的區(qū)區(qū)幾兆瓦躍升至866兆瓦。
彭博新能源財(cái)經(jīng)在2019年3月的一份分析報(bào)告中指出，自2012年以來，鋰離子電池的發(fā)電成本下降了76%，使其與通常以天然氣為動(dòng)力的發(fā)電廠(在用電需求高的時(shí)候，這些發(fā)電廠就會(huì)啟動(dòng))的競(jìng)爭(zhēng)力接近。到目前為止，雖然電池主要用于進(jìn)行簡(jiǎn)單、快速的調(diào)整來維持電力水平，但包括佛羅里達(dá)州和加利福尼亞州在內(nèi)的幾個(gè)州的公用事業(yè)公司正在增加鋰離子電池，這種電池可以使用兩到四個(gè)小時(shí)。能源研究公司W(wǎng)ood Mackenzie預(yù)計(jì)，2018年至2019年，儲(chǔ)能市場(chǎng)將增長一倍，2019年至2020年將增長兩倍。
據(jù)專家介紹，鋰離子電池很可能成為未來5到10年的主導(dǎo)技術(shù)，并且持續(xù)改進(jìn)將導(dǎo)致電池能夠存儲(chǔ)4至8小時(shí)的能量。
但是，要達(dá)到可再生能源和能源儲(chǔ)存能夠滿足發(fā)電基本負(fù)荷的水平，將需要更長時(shí)間跨度的能源儲(chǔ)存，這意味著要超越鋰離子電池。潛在的備選方案包括其他高科技選項(xiàng)，如用于泵送液體電解質(zhì)的流電池和氫燃料電池，以及更簡(jiǎn)單的概念，如抽水蓄能水電和所謂的重力蓄能。
抽水蓄能水電一旦安裝就很便宜，但建造成本很高，而且只能在特定的地形上使用。類似地，重力存儲(chǔ)的概念也很簡(jiǎn)單，它的目的是利用剩余的電力來抬起一個(gè)重塊，然后再放下來驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。盡管有幾家公司正在進(jìn)行演示，并吸引了投資，但這個(gè)想法尚未實(shí)現(xiàn)。其他的替代方案仍在開發(fā)之中，以使它們與鋰離子電池相比，具有足夠的可靠性、效率和成本競(jìng)爭(zhēng)力。
美國能源情報(bào)署(EIA)的數(shù)據(jù)顯示，到2017年底，美國只部署了三套大規(guī)模的流電池存儲(chǔ)系統(tǒng)，而公用事業(yè)規(guī)模的氫系統(tǒng)仍處于示范階段。美國政府正在資助這一領(lǐng)域的一些工作，特別是通過高級(jí)研究項(xiàng)目機(jī)構(gòu)，但這些技術(shù)和能源儲(chǔ)存方面的大部分投資都發(fā)生在中國和韓國，它們正加大對(duì)儲(chǔ)存研究的投入。
目前尚不確定能源儲(chǔ)存成本是否會(huì)繼續(xù)下降以及將會(huì)持續(xù)下降多少。然而，各國政府(包括美國州和地方一級(jí))實(shí)現(xiàn)無碳電力生產(chǎn)的持續(xù)承諾將繼續(xù)推動(dòng)提供越來越多的存儲(chǔ)方案。
