2016年十大創(chuàng)新技術(shù)

環(huán)宇

全新抗生素化合物

哈佛大學(xué)化學(xué)生物學(xué)教授安德魯·邁爾斯和他的團(tuán)隊，找到了從頭合成大環(huán)內(nèi)酯的方法。

大環(huán)內(nèi)酯是抗生素的一大門類，可以治療一般的細(xì)菌感染，包括肺炎、鏈球菌性咽炎、耳部和皮膚感染，以及性傳播疾病。研究人員嘗試通過修改已有抗生素的化學(xué)性質(zhì)，讓它們更有效地對付耐藥菌株，但多年來一直未取得什么進(jìn)展。

邁爾斯和他的團(tuán)隊在2016年5月發(fā)表于《自然》雜志的論文中表示，他們已經(jīng)合成了超過300種新型化合物。研究人員使用了14種致病細(xì)菌進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)化合物可以抑制細(xì)菌，而且有很多可以殺死耐藥菌株。

量子衛(wèi)星

2016年8月，中國科學(xué)院成功地將世界第一顆量子衛(wèi)星送入軌道，為建立安全的通信加密法邁進(jìn)了一大步。

中國科學(xué)院的這一項目名為“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”（QUESS），是與奧地利科學(xué)院合作的。該項目利用衛(wèi)星向距中國境內(nèi)1200千米的兩個觀測站傳輸量子密鑰，這一距離是目前最遠(yuǎn)傳輸紀(jì)錄的8倍。如果中國研究人員創(chuàng)造了量子密鑰傳輸距離的新紀(jì)錄，那么未來的衛(wèi)星就能提供一個軌道平臺，建立起不可攻破的“量子互聯(lián)網(wǎng)”。

會制冷的衣服

納米多孔纖維讓穿著者感到?jīng)隹欤@可以減少人們對空調(diào)的需求。

斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)教授崔屹和他的團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，一種用于制造鋰離子電池的納米多孔聚乙烯材料（nanoPE），可以讓這些輻射散發(fā)出去。與棉質(zhì)衣服相比，nanoPE可以讓模擬的人體皮膚多降溫2℃。崔屹的團(tuán)隊于2016年9月在《科學(xué)》雜志上報告了這一發(fā)現(xiàn)。崔屹表示：“如果你穿上nanoPE的衣服，只要外部溫度比你的體溫稍低，你就會感到?jīng)隹臁！贝抟傧嘈牛绻@種材料能夠通過這些測試，就可以用于制作制服和護(hù)士服，供工廠和醫(yī)院的工作人員使用。

替代外科手術(shù)的微型機(jī)器人

麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)明了一個原型機(jī)器人，可以在胃里完成簡單的手術(shù)，而且完全不需要切口或連接外部的纜線——病人只需把機(jī)器人口服下去就行了。

盡管這款機(jī)器人還沒在活體動物或人體內(nèi)進(jìn)行測試，但負(fù)責(zé)這一機(jī)器人項目的工程師丹妮拉·魯斯認(rèn)為，這樣的目標(biāo)是可以實(shí)現(xiàn)的。“性能更強(qiáng)的機(jī)器人”也許有一天可以通過自帶的傳感器診斷體內(nèi)出血點(diǎn);而無須外科手術(shù)就能移除體內(nèi)異物，也將是一個巨大的進(jìn)步。

能發(fā)現(xiàn)貧窮地區(qū)的軟件

2015年，聯(lián)合國定下一個目標(biāo)，希望2030年前在世界范圍內(nèi)消除極端貧困。這個目標(biāo)很大膽，但第一步就是要找到最窮的人都在哪里。

美國斯坦福大學(xué)地球科學(xué)系統(tǒng)助理教授馬紹爾·博克和他的團(tuán)隊認(rèn)為，可以用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法來改進(jìn)人造衛(wèi)星成像研究。研究人員利用非洲5國的日間和夜間衛(wèi)星圖像來訓(xùn)練圖片分析軟件。在綜合了日間和夜間的圖片數(shù)據(jù)后，計算機(jī)“學(xué)會”把日間圖片的特征（道路、城市區(qū)域和農(nóng)業(yè)用地）與不同水平的夜間亮度關(guān)聯(lián)起來。

當(dāng)訓(xùn)練結(jié)束后，博克的軟件可以僅僅根據(jù)白天的衛(wèi)星圖片發(fā)現(xiàn)貧困區(qū)域的位置。接下來，博克和他的團(tuán)隊希望可以用他們的新技術(shù)，繪制一張全非洲的貧困狀況地圖。

用超級原子制造超級分子

新方法能夠設(shè)計出超越元素周期表限制的原子、分子和有用材料。

雖然化學(xué)家早在幾十年前就知道如何構(gòu)建超級原子，但一直找不到一種可靠的方法將它們連接成更大型的結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)在，哥倫比亞大學(xué)化學(xué)系教授柯林·納科爾斯的研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了一種方法，即可以用超級原子來制造“設(shè)計分子”。這些合成結(jié)構(gòu)能夠模擬天然分子的特性，同時材料科學(xué)家可以對這些特性進(jìn)行“微調(diào)”，以達(dá)到某些特殊的目標(biāo)。

到目前為止，該團(tuán)隊已經(jīng)制造出了由兩個或三個鈷-硒超級原子組成的分子。研究人員認(rèn)為，利用超級原子的構(gòu)建原理，還可以合成更為特殊的材料，這類材料有潛力應(yīng)用在柔性傳感器、智能衣服和高能效電池等領(lǐng)域。

抗病毒終極方案

一個罕見的遺傳突變也許可以催生出能對抗所有病毒的藥物。

眾所周知，病毒很擅長躲避人造藥物的攻擊，但它們面對罕見基因突變ISG15時卻很無力。帶有這個突變的人能更好地抵御大多數(shù)可以感染人類的病毒——但每1000萬人中只有不到1人攜帶這一突變。美國西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院的杜贊·博古諾維奇和他的研究團(tuán)隊以6個攜帶這種基因突變的人為研究對象，并在2016年5月的《自然——通訊》上發(fā)表了研究結(jié)果。他們發(fā)現(xiàn)，ISG15突變使得細(xì)胞失去了一個調(diào)節(jié)炎癥的功能，而炎癥可以幫助人體抵抗病毒。

博古諾維奇希望找到一種能模擬這一突變的藥物。目前，他和他的團(tuán)隊正從1600萬種化合物中篩選有前景的抗病毒藥物。

新算法讓計算機(jī)學(xué)會橫向思考

人工智能方法可以讓計算機(jī)在視覺模式識別方面勝過人類。

借助“貝葉斯規(guī)劃學(xué)習(xí)”這個機(jī)器學(xué)習(xí)框架，計算機(jī)已經(jīng)離這一飛躍不遠(yuǎn)了。由紐約大學(xué)、麻省理工學(xué)院和多倫多大學(xué)的研究者組成的團(tuán)隊證實(shí)，只需學(xué)習(xí)一個例子，使用了貝葉斯規(guī)劃學(xué)習(xí)方法的計算機(jī)就能比人更好地識別和復(fù)寫陌生的手寫字符。

貝葉斯規(guī)劃學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)有著本質(zhì)上的差別。深度學(xué)習(xí)粗略地模擬了人腦基本的模式識別能力。這種機(jī)器學(xué)習(xí)方法用途廣泛且高效，能用來分解和重構(gòu)未知字母，可以幫助人工智能應(yīng)用推斷復(fù)雜現(xiàn)象（例如河中的水流）的因果模式，并根據(jù)這些模式，在完全不同的系統(tǒng)中解決問題。人類經(jīng)常使用這種抽象的“橫向思考”能力，而貝葉斯規(guī)劃學(xué)習(xí)可以讓計算機(jī)也擁有相似的能力。

廉價診斷試紙

對埃博拉、肺結(jié)核等疾病的廉價、快速的篩查方法，可以挽救偏遠(yuǎn)貧窮地區(qū)病人的生命。

比爾及梅琳達(dá)·蓋茨基金會資助的一家公司，正在研究超敏感瘧疾測試和結(jié)核診斷尿檢工具。華盛頓大學(xué)的生物工程教授保羅·耶格爾，也在研發(fā)一套檢測血液中埃博拉病毒蛋白的工具。這些測試只需幾美元，人們在使用前也不需要接受特殊訓(xùn)練。

耶格爾和哈佛大學(xué)的化學(xué)教授喬治·懷特賽茲等研究者正各自獨(dú)立研究核酸試紙。耶格爾正在申請研究經(jīng)費(fèi)，用來研發(fā)快速廉價的寨卡、登革熱和黃熱病檢測技術(shù)。

碳呼吸電池

電化學(xué)電池能夠吸收大氣中的碳，將其轉(zhuǎn)化為電能。

2016年7月，康奈爾大學(xué)的兩位研究人員在《科學(xué)進(jìn)展》上發(fā)表論文，描繪了一種能捕獲二氧化碳的電化學(xué)電池設(shè)計。該設(shè)計中，電池的正極由金屬鋁制成，這種材料非常便宜、豐富而又易于處理;陰極由多孔碳構(gòu)成。研究人員往電池里注入氧氣和二氧化碳的混合物。鋁、氧氣和二氧化碳在電池內(nèi)部反應(yīng)，產(chǎn)生電能和草酸鋁。

通過碳排放計算可以得出，電池每消耗1千克鋁，可以吸收3.25千克的二氧化碳。