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【盘点2015】科技界十大新兴技术

生意场 2016-01-11 15:14:58 来源:微信公众号 almosthuman2014

  1、燃料电池汽车:氢动能的零排放汽车

  与电或碳氢化合物等能源驱动汽车相比,燃料电池汽车一直具有颇具潜力的优势。直到最近,汽车制造商们才打算将这项新技术推向市场。燃料电池汽车的最初价格可能在7万美元左右,但是今后几年,随着销量递增,价格应该会有显著降低。

  蓄电池需要接上外部能源,视车辆和充电装置具体情况,需要5到12小时的充电时间,而燃料电池就不同了,它利用氢或天然气直接生成电能(中间不经过燃烧——译者)。不过,实践中,燃料电池和蓄电池兼而有之,燃料电池生成电能,蓄电池用来储存动能以供驱动之需。因此,燃料电池汽车属于混合动力车,将来也很有可能采用再生制动(regenerative braking),将制动时产生的动能储存起来,而不是变成无用的热,这是实现能源利用效率、范围最大化的关键。

  与电池电动车不同,燃料电池汽车里程很长——每箱燃料(通常是压缩氢气)可行驶650公里;氢燃料加注时间仅需大约3分钟;氢燃烧干净,仅排放出水蒸汽,因此,氢动能驱动的燃料电池汽车将实现零排放,这是减少空气污染的重要手段。

  在不产生碳排放的前提下生产氢能,办法不少。最显而易见的做法就是利用风能、太阳等再生能源产生的电能电解水——尽管这一过程中,整体能源使用效率非常低。利用高温核能反应堆,也能将氢从水中分解出来,或者从诸如煤炭、天然气这类化石燃料中生成氢能,将过程中生成的二氧化碳捕捉、封存起来,而不是将之排放到大气中。

  大规模生产廉价氢的所面临的重大挑战之一,就是缺少能与天然气、柴油加注站并驾齐驱、并最终取代它们的氢能补给基础建设。当下,长距离运输的氢能(甚至需要氢能处于压缩状态),并无经济上的可行性。然而,创新性的氢能存储技术,比如,不需要高压存储运输的有机液体承运商,不久就会降低长途运输成本,缓解气体储存、意外释放的风险。

  燃料电池汽车的大众市场,前景诱人,在驱车里程、能源补给方面,它们不仅能与传统柴油、天然气汽车媲美,还能实现私人交通运输上的可持续发展。不过,可持续发展的实现,不仅需要既可靠又经济的、能从完全低碳的能源中提取氢的生产方式,同时,随着今后十年汽车数量的增长(有望增至数以百万),还需要氢能补给基础设施建设,与时俱进。

  2、新一代机器人走下生产线

  人们早就预见了一个由机器人全面接管日常繁重工作的未来世界。然而,这个机器人化的未来却顽固地抵制变成现实。机器人仅被限于流水线以及其他可控性工作。尽管我们已经严重依赖机器人(比如,汽车制造业),但由于机器人体型巨大,对与之合作的工人构成威胁,他们不得不被安全设施隔离开。

  机器人科技的长足进步使得日常现实中的人——机器人合作成为可能。更好、更便宜的传感器能让机器人更加“理解”环境并对之做出反应。受复杂生物结构超凡灵活性、适应性的启发(比如,人的手),机器人身体也变得更加灵活,适应性也更强。借助云计算革命,机器人能够远距离接收指令、信息,没有必要将之设计成一个完全独立的单元。

  机器人新纪元将会让这些机器离开大型制造厂商的生产线,帮助人类完成生活中的一系列任务。借助GPS技术,就像智能手机一样,人们开始将机器人用于精准化农业,比如杂草控制与收获。在日本,机器人也被用于护理领域,比如,帮助病人起床,加强中风患者肢体控制力。更小但更机巧的机器人,比如Dexter机器人, Baxter机器人以及LBR iiwa,易于编程,主要用来处理一些繁重或人类不宜完成的工作。

  实际上,机器人很适合两种工作:不断重复或很危险的工作,它能连续工作24小时,薪水还比人工低。现实生活中,新一代机器人会和人类合作而不是取代他们。即使考虑到未来可能取得的设计进步以及人工智能的发展,人类参与与监管,仍然至关重要。

  尽管之前几波自动化风潮均促进了生产力的发展和提高,整体经济也因此受益,机器人有一天接管人类工作的风险,仍然存在。几十年来,人们一直担心失控的网络机器人联合起来,随着新一代机器人与网络的链接,这种恐惧越发明显,不过,与此同时,当人们将家务琐事分派给机器人来完成时,熟悉将会取代恐惧。毫无疑问,新一代机器人会让人们反思人与机器的关系。

  3、可循环利用的热固性塑:一种新的塑料,告别垃圾填埋

  塑料分为两种:热塑性塑料和热固性塑料。前者能够反复多次加热成型,从孩子玩具到洗手间马桶,热塑性塑料运用广泛。由于能够融化重新塑形,通常,热塑性塑料也可以回收重新利用。然而,热固性塑料经加热后,只能塑形一次,至此之后,即使遭受高温高压,它依然能够维持原形。

  由于这种耐久性,热固性塑料在现代社会中,举足轻重。他们被广泛用于许多产品,从移动手机到电路板以及航空工业。但是,这个特点也使得它们难以回收利用。结果,人们不得不填埋这些热固性聚合物垃圾。考虑到可持续发展,我们迫切需要重新循环利用热固性塑料。

  2014年,《科学》杂志发表了一篇具有里程碑意义的论文,热固性塑料的循环利用取得重大进展,论文指出,发现了新的热固性聚合物,能够予以回收。这种叫做polys或者PHTs的物质能够溶于强酸,分解聚合物链条,形成部件似的单体,这些单体能够重新聚合成新产品。如同传统不可回收利用的热固性塑料,这些新结构非常坚固,经得起热和硬物,在应用市场上,和它们不可循环利用的前辈们一样,潜力巨大。

  尽管无法实现100%回收,这种创新——如果得到广泛适用——将会大大降低塑料垃圾的土地填埋,加快迈入可循环发展经济的步伐。我们期待在未来五年里,可循环热固性塑料能够取代不可循环热固性塑料,并能在2025年广泛应用开来。

  4、精准基因工程技术以更少的争议提供更好的农作物

  传统基因工程一直备受争议。最新技术通过直接“修改”植物基因编码,让植物更加营养、更能应对气候变化;我们相信,这些优点和“修改”的精准性,能将当前的担心与质疑化为广泛的接受。

  目前,农作物基因工程主要采取根癌土壤杆菌技术(bacterium agrobacterium tumefaciens)

  将受到青睐的DNA转入目标基因组。尽管公众普遍存在恐惧情绪,但是,这一技术已被证明有效、可靠,科学界的共识是,较之传统杂交技术,从基因层面修改农作物,不会带来更多的风险。

  新技术包括ZFNs, TALENs以及更新进的CRISPR–Cas9系统(这一技术,可参阅2013年1月《科学》相关论文——译者),它们是从细菌入手,逐渐演化成抵抗病毒的防御机制。CRISPR–Cas9利用(靶点特异性的)RNA将Cas9核酸酶带到基因组上的具体靶点,从而对特定基因位点进行切割,将目标基因组变异为已知、使用者挑选过的序列。这种技术能够让不可欲的基因消失、或者修改它,与自然突变没什么不同。借由“同源重组”(homologous recombination)技术, CRISPR还能被用于将新DNA序列、甚至整个基因精准地插入基因组。

  在基因工程领域,另外一个有望实现重大突破的是对农作物使用RNA干扰(RNAi,近几年来RNAi研究取得了突破性进展,被《Science》杂志评为2001年的十大科学进展之一,并名列2002年十大科学进展之首。——译者)。RNAi能够有效抵抗病毒和病原真菌,保护农作物远离病虫害,减少化学杀虫剂的使用。比如,病毒基因被用来保护木瓜抵制环斑病,在夏威夷,该技术经过十来年的使用,木瓜自身并未进化出免疫力。RNAi也让绝大部分粮食作物受益匪浅,比如,保护麦子抵制秆锈,谷物、土豆和香蕉抵制枯萎病。

  这些创新中,不少特别有利于发展中国家的小型农场主。随着人们日益认识到这些技术能够有效增加收入、改善百万人口的膳食质量时,伴随基因工程的争议也会越来越少。不仅如此,更为精准的基因组修改也会消除大众恐惧,特别是,由于并没有引入外部基因物质,最终也就是没有所谓的“转基因”动植物。

  总而言之,这些技术都能通过大大增强种植物的耐受性,降低对外部资源的依赖,比如水源、土地以及化肥。同时它们也更加易用适应天气变化。

  5、积材制造(也被译为积层制造,主要是指3D打印。2012年奥巴马国情咨文已经提及,创新制造业是振兴美国制造业的重要手段。其中,积层制造就是奥巴马政府创新突破口。《经济学人》相关报道——译者)

  如名称所示,积材制造是减材制造(subtractive manufacturing)的反面。后者指的是传统制造方式:为了想要的形状,要从一块更大的材料(木料、金属、石头及其他)消减或去除若干层。相反,积材制造利用数字模板(a digital template),以松散材料(液体或粉状)为基础,逐层叠加成三维造型。

  与批量生产产品不同,三维打印能够根据最终用户需求,高度量身定制。隐适美公司(Invisalign)就是个例子,i根据电脑制图中用户牙齿形状,定制合乎嘴型、近乎透明的牙齿矫正器。其他3D打印的医学应用,多见于生物学方面:直接打印人类细胞,借此制作活体组织,在药物安全筛查方面,这些活体组织具有广阔的应用前景,最终帮助人类实现组织修护、再生。生物打印的最早例子是打印出的肝脏细胞层,它被用于药物测试,最终可能会被用于制造移植器官。如今,生物打印已经被用于生成皮肤、骨头,以及心脏和血管组织,这些都使得个性化施药,前景广阔。

  积材打印的下一个重要发展阶段将是集成电子部件的3D打印,比如电路板。纳米级电脑部件,比如处理器,很难采用3D打印方式,因为将电子部件与其他多种不同材料制作的部件拼接起来,非常困难。在其他领域,如今的4D打印有望带来新一代产品,它能随周围环境的变化(比如,热和空气湿度)而发生变化。这种技术在服装或鞋类产品以及保健品,比如,能够随着人体环境变化而变化的人体移植物,等方面,会很有作为。

  和分布式制造一样,积材制造正对传统加工、供应链构成颠覆性破坏。如今,这项技术仍处于初期阶段,主要用于汽车、航空和医学领域。随着更多商机的不断涌现,技术创新不断拉近它与大众市场的距离,这项技术有望在今后十年里获得迅猛发展。

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