10項有望改變世界的技術
2020年11月30日09:44

  能無痛注射的微針

  肉眼幾乎不可見的“微針”有望讓我們進入一個無痛注射和無痛血檢的新時代。無論是與注射器還是貼片連接,微針都能避免與神經末梢接觸,從而避免產生痛覺。它可以穿透皮膚表層的死細胞,到達由活細胞和間質液組成的表皮。但是微針大多不能到達或只能勉強接觸到真皮層。

  許多微針注射器以及微針貼片已經被應用於疫苗注射,還有更多的被用於糖尿病、癌症以及神經性疼痛療法的臨床試驗。因為微針注射器或者微針貼片會將藥物直接注射進表皮或真皮中,所以它們能夠比常見的依靠皮膚擴散的透皮貼劑更有效地遞送藥物。今年,研究人員推出了一種用於治療皮膚疾病(如牛皮癬、疣和某些皮膚癌)的新技術。

  許多微針產品正朝著商業化的方向發展,這些產品能快速、無痛地抽取血液或間質液,用於疾病診斷或監測健康狀況。如果將針頭連接到生物傳感器上,則該設備可以在幾分鐘之內直接測量指示健康或疾病狀態的生物標誌物。

  有些微針產品能讓使用者在家中抽取樣本,然後郵寄到實驗室或是直接在家進行分析。這種方法可以幫助我們更好地實現個性化醫療。微針還可用於在醫療服務匱乏的地區進行診斷檢測和治療。隨著研究人員設計出將其用於皮膚以外器官的方法,微針技術也會產生新的用途。

  讓二氧化碳變成可用材料

  我們在製造許多化學產品時,都需要消耗化石燃料,這個過程會造成大量二氧化碳排放,導致氣候變化。現在有一種利用陽光將廢棄二氧化碳轉化為化學產品的新方法,它有可能通過以下兩方面減少二氧化碳的排放:將不需要的氣體作為生產原材料;將陽光而不是化石燃料於為生產所需的能源。

  近年來,研究人員開發了能打破二氧化碳中碳氧雙鍵的光催化劑。這是創建“太陽能”精煉廠的關鍵一步,這種精煉廠可利用廢氣生產有用的化合物,包括可用作合成藥品、洗滌劑、化肥和紡織品的原料的各種分子。光催化劑通常是半導體,需要高能紫外線才能產生參與轉化二氧化碳的電子。然而,紫外線不僅稀缺(僅占陽光的5%),而且對健康有害。現在,一些經過改造的催化劑只需要可見光就能生產出廣泛使用的化學物質,例如甲醇、甲醛和甲酸。這些化學原料在粘合劑、泡沫劑、膠合板、櫥櫃、地板和消毒劑的生產中起著重要的作用。

  一些新興企業正在研究另一種將二氧化碳轉化為有用物質的方法,即施加電能以驅動化學反應。如果電力來自化石燃料燃燒,那麼使用電力為反應供電,顯然不如使用陽光對環境友好,而依靠光伏發電可能能夠克服這種缺點。

  將來,化學工業將能夠把廢棄的二氧化碳轉化為有價值的產品,朝著真正無浪費的循環經濟邁進一步,並幫助實現負排放的目標。

  虛擬病人加速醫學研發

  在虛擬的人體器官或人體系統上測試藥物和療法的有效性,進而能夠準確預測真實的人體對疾病治療的反應,這些都是“計算機模擬醫學”的優勢。計算機模擬人體試驗可以降低初步評估的時間與金錢成本,同時大大減少了誌願者的數量。

  虛擬器官的建模過程首先需要得到真實人體器官的非侵入性、高解像度成像圖,當研究者從中獲得人體解剖學數據後,再將數據輸入複雜的數學模型中,就能完成對該人體器官功能的模擬。隨後,強大的計算機得以生成在外觀和行為上與真實人體器官相似度極高的虛擬器官。現在,FDA正在使用計算機模擬代替真實人體,來評估新的乳房攝影術系統。

  此外,在某些特定疾病的診斷或療法設計上,計算機模擬醫學也可以發揮風險干預措施的作用。例如,由FDA批準的基於雲服務的HeartFlow分析,使臨床醫生可以根據患者心臟的CT圖像來判斷病人是否患有冠狀動脈疾病。在特定患者的虛擬數字模型上開展實驗,還可以幫助醫生針對不同患者的不同情況進行個性化精準治療。

  近年來,FDA和歐洲監管機構已經批準了基於計算機診斷的一些商業用途,但是要滿足監管標準的要求仍需要花費大量的時間和金錢。計算機模擬醫學必須為疾病患者、臨床醫生和醫療機構提供成本更低的巨大價值,才能更廣泛和快速地進入應用階段。

  空間計算提升人機交互

  “空間計算”(spatial computing)是物理世界和數字世界不斷融合的下一步。它可以做到虛擬現實和增強現實技術所能做到的一切:讓傳感器和馬達實現互動;將通過雲連接的設備數字化;以數字化方式代表現實世界。不僅如此,它還需要將這些功能與高保真的空間映射關係相結合,確保人在物理世界或者數字世界中運動和交互時,“協調器”能夠有效地導航和追蹤。很快,空間計算將會使人機交互和機器間的交互效率提高到嶄新的水平,其中的應用場景包括工業、醫療保健、運輸和家庭場景等等。

  與虛擬現實和增強現實一樣,空間計算建立在“數字孿生”之上。有了空間計算以後,能實現數字孿生的不僅有物體,還可以是人和位置。使用GPS、激光雷達、視頻和其他地理位置技術,就可以創建房間、建築物或城市的數字地圖。算法可以把數字地圖和其他信息集成在一起,創建一個可觀察、可量化和可操縱的數字世界,當然這樣的操作也能同時觸及現實世界。

  提供醫療服務的應用程式

  在你就醫時,醫生開出的處方上寫著的會是一個應用程式嗎?目前,已經有一些應用程式可以自主檢測我們的生理和心理疾病了,其中一些甚至可以直接治療相關疾病。以上這些正處於研發過程中,或者正在被人們使用的軟件,都被稱為“數字醫療”(digital medicines)。

  數字醫療程式可以通過移動設備記錄用戶的信息,包括聲音、位置、面部表情、運動、睡眠和打字的節奏等。用人工智能技術分析這些信息後,就能預測可能出現的病情或症狀的發展狀況。例如,一些智能手錶包含特殊的傳感器,可以自動檢測並提醒用戶是否出現心房纖顫。此外,研發人員還在研發其他的方案,包括用於篩查呼吸障礙、抑鬱症、帕金森病、阿爾茨海默病、自閉症和其他病症的工具。

  輔助檢測工具還可以採用其他的形式,比如可以被人體吞服的帶有傳感器的“藥丸”。這類工具被稱為“生物微電子設備”。有一些公司正在開發這類設備,應用的範圍包括檢測癌症DNA、腸道微生物釋放的氣體、胃出血量、體溫和脈氧水平等等。

  當然,整個社會必須以十分謹慎的態度推動數字醫療的發展,必須確保這些工具經過嚴格的安全性及有效性測試,必須要保護個人隱私,必須能順利融入醫生的工作流程。

  給飛機換上電動推進器

  2019年,航空業的碳排放量占全球總碳排放量的2.5%,到2050年,這一數字可能還會增加兩倍。儘管一些航空公司已經開始採取措施減少碳排放,但仍然需要進一步減排。電動飛機或許可以滿足如此大規模的削減量,因此吸引了許多公司開展研發工作。電動推進器不僅可以消除直接碳排放量,還能降低多達90%的燃料成本、50%的維護成本和近70%的噪音。

  電動化的不只有發動機。在美國正在研發的X-57麥克斯韋號上,傳統的長機翼被一對更短的、上面分佈有電動推進器的機翼取代。電動推進器增加了飛機起飛時的升力,因此機翼可以做得更小,進而提高飛機總體的飛行效率。目前來看,電動飛機的限製還是在於飛行里程。與傳統飛機燃料相比,如今最好的電池的容量仍然有限:前者為12 000 瓦時每千克,後者只有250瓦時每千克。

  新技術使水泥更低碳

  作為使用最為廣泛的一種人造材料,混凝土塑造了今天我們建造的大部分世界。但是,混凝土的關鍵成分——水泥——的生產也帶來了大量容易被忽略的碳排放。在水泥生產過程中,無論是因為加熱和將石灰岩轉化為水泥熟料所化石燃料燃燒過程,還是在磨碎原料與其他物質結合形成水泥的化學過程中,都會產生碳排放。

  科學家也在開發新的方案,試圖以更低碳的方式生產水泥。目前已經有一些方案得到了應用。加拿大公司CarbonCure通過礦化作用將其他化工廠產生的二氧化碳儲存在混凝土中;另一家加拿大公司CarbiCrete完全放棄了在混凝土中使用水泥,轉而使用煉鋼行業的一種副產品——鋼渣。總部位於德國的跨國公司海德堡水泥計劃將挪威的一處工廠改造為世界首個實現零排放的水泥工廠。這家名為Norcem的工廠已經開始使用廢物作為替代燃料,並且計劃通過引入碳捕捉和碳儲存技術,在2030年前消除工廠的所有碳排放量。

  另外,研究人員還嚐試用其他方法提高混凝土的性能。初創公司BioMason就致力於開發“活性”建築材料:用細菌和顆粒物“長出”了類似水泥的材料。此外,受DARPA資助的一個創新項目,利用一種叫做藍細菌的光合作用微生物製作出低碳混凝土。研究人員將這種細菌接種到沙子-水凝膠支架上,製造出一種能自我修復裂縫的磚塊。

  體積更小的量子傳感器

  量子傳感器是一種利用亞原子粒子的行為進行超靈敏測量的儀器,能使自動駕駛汽車提前“看見”拐角之後的情況;能讓水下導航系統、火山活動和地震預警系統更加先進;還能讓隨時隨地監測大腦活動的便攜式磁共振(MRI)掃瞄儀成為現實。

  對於任何測量儀器來說,測量單位越小,測量的精度也就越高。量子傳感器可以通過測量亞原子粒子的行為,使設備達到極高的解像度。原子鐘就利用了這一原理:我們這個世界的時間是建立在銫133原子的電子在一秒內完成9 192 631 770次特定躍遷的基礎上的。

  英國伯明翰大學的研究人員正在開發一種量子傳感器,用自由落體的過冷原子來檢測局部重力的微小變化。這種量子重力計能夠用於檢測埋入地下的管道、電纜和其他物體,使我們不必挖開地面就能進行測量。航海的船隻也可以採用類似的技術來探測水下物體。

  雖然大多數量子傳感系統仍然過於昂貴,而且擁有龐大的體積和複雜的結構,但更小、更便宜的新一代量子傳感器很快就會開闢出一條新的道路。去年,美國麻省理工學院的研究人員成功地將一個用鑽石做成的量子傳感器放在了矽片上。這樣的原型產品是我們實現低成本、批量化生產量子傳感器的第一步。

  電解的綠色氫能

  “綠氫”是通過電解產生的氫氣。在電解過程中,水被分解為氫氣和氧氣,沒有任何其他副產物。從歷史上看,電解需要消耗大量能量,因此用這種方式生產氫氣幾乎沒有意義。但這種情況正在發生改變。原因有兩個,首先,在目前的電網中經常會出現大量沒有被消耗的可再生電力。與其將這些過量的電力用電池組儲存起來,還不如用它來電解水,以氫能的方式存儲。其次,電解器的效率也提高了。

  最近,Advanced Ionics等公司新開發了新型電解器,產生1千克氫氣只需要消耗不到40千瓦時的能量。能源公司正在將這些電解器直接集成到可再生能源項目中,以此實現綠氫的規模化生產。

  雖然綠氫仍處於起步階段,但一些國家正在加緊投資這項技術。澳州希望利用豐富的太陽能和風能生產氫氣並出口。智利計劃在該國乾旱但是擁有大量太陽能電力的北部生產氫能。中國的目標則是在2030年以前讓上百萬輛氫燃料電池汽車上路。

  全基因組合成技術

  全基因組合成是正在蓬勃發展的合成生物學的又一次延伸。研究人員可以使用軟件設計基因序列,合成後再導入微生物體內。也就是說,研究人員可以對微生物編程,實現某些特定的功能,比如讓細菌合成某種新型藥物。

  設計包含數百萬個核苷酸的基因組(比如細菌和酵母菌的基因組)已經變得越來越容易。合成這樣大小的基因組能把微生物變成工廠,這座工廠不僅能夠生產藥物,還能生產其他產品。比如,它們可以被設計為持續生產某些化學物質、燃料和新型建築材料的工廠。而生產原材料也只是非食物類的生物質,甚至是被看作廢氣的二氧化碳。

  很多科學家還希望能夠合成更大的基因組,比如來自植物、動物和人類的基因組。要實現這一點,我們還需要加大對設計軟件、合成設備和組裝設備的投入。如果資金充足,在近10年內就有可能實現合成包含數十億個核苷酸的基因組。

  對此,科學家已經設想出了很多值得期待的應用場景,比如設計能抵抗病原體的植物,極其安全的人類細胞系(可以不受病毒、癌症和輻射的影響,因此可以用於開發細胞療法)。在未來,隨著技術的發展,科學家一定會掌握合成人類自身基因組的能力,這或許可以讓醫生治療幾乎所有的遺傳疾病。

  來源:環球科學

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