《科學(xué)美國人》發(fā)布：2018年全球十大新興技術(shù)

●索隆 編

《科學(xué)美國人》與世界經(jīng)濟(jì)論壇聯(lián)合發(fā)布了2018年全球十大新興技術(shù)。這份榜單涵蓋了生物醫(yī)療、化學(xué)、計算機(jī)、人工智能等領(lǐng)域的最新技術(shù)。這些技術(shù)盡管仍處于發(fā)展早期，但它們吸引了眾多研究團(tuán)隊的關(guān)注，并且廣受投資者青睞。在未來3～5年間，它們可能會對社會與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重要影響。

在不久的將來，技術(shù)革新將如何改變我們的生活？人工智能將極大地加快新型藥物、材料的研發(fā)速度；新型診斷工具將打造更先進(jìn)的個性化醫(yī)療；增強(qiáng)現(xiàn)實將變得隨處可見，從日常任務(wù)到工業(yè)生產(chǎn)，現(xiàn)實世界將被大量信息和動畫所覆蓋；一旦你患病，醫(yī)生可以將活細(xì)胞移植到你體內(nèi)，用這些“藥物工廠”為你治??；你吃的牛肉、雞肉、魚肉可能都是用干細(xì)胞在實驗室培育的，這將大幅降低畜牧業(yè)造成的環(huán)境危害。

這些足以改變世界的想法與其他新興技術(shù)一起，組成了2018年的“全球十大新興技術(shù)”。

1.增強(qiáng)現(xiàn)實無處不在： 世界即將被數(shù)據(jù)覆蓋

增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）是一項將計算機(jī)生成的信息實時覆蓋在現(xiàn)實世界之上的技術(shù)。大量面向消費(fèi)者的應(yīng)用軟件都用到了AR功能。將來，這項技術(shù)還會支持博物館制作全息參觀指南；讓患者體內(nèi)組織對外科醫(yī)生三維可視化；幫助初學(xué)者快速學(xué)習(xí)從醫(yī)藥到工廠維修的各類技術(shù)……

在未來幾年內(nèi)，操作簡單，用于設(shè)計應(yīng)用程序的軟件將會滿足消費(fèi)者更多的需求。就目前而言，AR對工業(yè)有著極大的影響，它是“工業(yè)4.0”不可或缺的一部分：通過整合真實系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)來促進(jìn)制造業(yè)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，從而提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本并提高效率。

一些市場分析公司相信，AR正在走向主流市場。他們預(yù)估，現(xiàn)在估值為15億美元的AR市場在2020年能達(dá)到1000億美元。而蘋果、谷歌、微軟等大型科技公司都向AR和VR相關(guān)產(chǎn)品和應(yīng)用程序投入大量資金和人才。

隨著能夠支持的AR技術(shù)且更便宜、更快速的移動芯片問世，功能更豐富的智能眼鏡進(jìn)入市場以及帶寬的增加，該領(lǐng)域?qū)焖侔l(fā)展。隨后，增強(qiáng)現(xiàn)實將加入互聯(lián)網(wǎng)，而實時視頻將成為我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠帧?/p>

2.私人定制的診斷工具： 終結(jié)千人一藥的傳統(tǒng)治療方案

在20世紀(jì)，罹患乳腺癌的女性大多都使用同一種治療方案。但現(xiàn)在治療手段變得更個性化了：乳腺癌被分為不同的亞型，每一種都有自己獨特的治療方法。

得益于診斷工具的進(jìn)步，個性化、精準(zhǔn)化治療的發(fā)展得以加速。這些技術(shù)能幫醫(yī)生識別并量化生物標(biāo)記（人體內(nèi)標(biāo)志著穩(wěn)態(tài)紊亂的分子），從而通過病人對疾病的敏感性、預(yù)后以及對藥物最有可能的反應(yīng)，將病人區(qū)分成不同的亞型。

新型診斷工具已經(jīng)開始給標(biāo)準(zhǔn)的疾病診斷與治療手段帶來變革了。為病人提供對他們來說最有效的治療方案，甚至可以降低醫(yī)療開支?；蛟S有一天，我們中的許多人都將擁有自己獨特的生物標(biāo)記數(shù)據(jù)云，這些數(shù)據(jù)不斷累積，并能在任何治療我們的地方為醫(yī)生提供信息。

3.會辯論的人工智能： 新算法賦予個人設(shè)備針對話題學(xué)習(xí)、辯論的能力

手機(jī)屏幕背后的智能助手系統(tǒng)必須經(jīng)過預(yù)先“訓(xùn)練”：盡可能多地學(xué)習(xí)人類可能提出的請求，其回復(fù)也是由人類編寫、組織成高度結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)格式。因此，智能助手在回應(yīng)請求時會受到預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)的限制。

現(xiàn)在，人們正在致力于開發(fā)新技術(shù)，使得下一代系統(tǒng)能夠從各個來源吸收和組織非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（例如原始文本、視頻、圖片、音頻、電子郵件等），然后自主地撰寫出有說服力的建議，或者就一個它們從未接受過訓(xùn)練的問題與對手辯論。

2018年6月，IBM展示了一種先進(jìn)的技術(shù)：沒有事先就某一主題進(jìn)行過培訓(xùn)，但可以與人類專家進(jìn)行實時辯論的系統(tǒng)。系統(tǒng)必須使用非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)來確定信息的相關(guān)性和真實性，并將其組織成某種可重復(fù)使用的形式，形成一致的論述來支持它被分配的立場。它還必須回應(yīng)人類對手的論述。該系統(tǒng)演示了兩場辯論，在其中一場辯論中，有許多觀眾認(rèn)為該系統(tǒng)的辯論更具說服力。

這項技術(shù)的開發(fā)用了5年多，它包含的新軟件不僅能理解自然語言，還能檢測語言所包含的情緒是積極還是消極的。目前這一工作仍在進(jìn)行中，但它已經(jīng)為無數(shù)新型應(yīng)用打開了大門，這些應(yīng)用程序可能在未來3～5年甚至更短的時間內(nèi)出現(xiàn)。

4.人工智能輔助化學(xué)分子設(shè)計： 機(jī)器學(xué)習(xí)算法加速新型藥物和材料的研發(fā)

機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以分析所有已知的合成實驗，既包括成功的，也包括那些失敗的實驗。基于所識別的模式，這些算法可以預(yù)測潛在的、有用的新分子結(jié)構(gòu)，以及可能的生成方法。

在制藥領(lǐng)域，一種基于人工智能的新技術(shù)——生成式機(jī)器學(xué)習(xí)同樣令人激動。大多數(shù)制藥公司為了生產(chǎn)新藥，需要對數(shù)以百萬計的化合物進(jìn)行篩選。這種篩選過程十分緩慢，而且產(chǎn)生的有效結(jié)果相對較少。利用描述已知藥物（和候選藥物）化學(xué)結(jié)構(gòu)及特性的數(shù)據(jù)集，機(jī)器學(xué)習(xí)工具可以找到那些特性相似，但可能更加有用的新化合物。

近100家初創(chuàng)企業(yè)已經(jīng)在探索用于研發(fā)新藥的人工智能方法。最近，Benevolent AI籌集了1.15億美元，準(zhǔn)備將其人工智能技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動神經(jīng)元疾病、帕金森病和其他難治疾病的藥物研發(fā)。

5.可植入的制藥細(xì)胞： 直接在病人體內(nèi)釋放藥物

許多糖尿病患者每天需要多次刺破手指、測量血糖水平，并決定他們需要注射多少胰島素。如果能在病人體內(nèi)植入正常制造胰島素的胰島細(xì)胞，那就可以取代這一繁瑣的過程。但是移植細(xì)胞總是會被自體免疫系統(tǒng)干擾，而使用免疫抑制劑則有巨大的副作用。

2016年，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊發(fā)布了一種能讓移植細(xì)胞在免疫系統(tǒng)面前隱身的方法。在研發(fā)并篩選了上百種材料之后，研究者們選擇了一種經(jīng)過化學(xué)改造的藻酸鹽凝膠。當(dāng)他們將胰島細(xì)胞密封在這種膠紙中，并植入患糖尿病的小鼠體內(nèi)后，這種細(xì)胞立刻開始應(yīng)對血糖的變化生產(chǎn)胰島素，并在為期六個月的實驗中持續(xù)控制著血糖水平。在此期間也沒有觀測到纖維化。

現(xiàn)在，這些膠囊內(nèi)的細(xì)胞都是從動物或人類尸體上獲取，或是通過人類干細(xì)胞培育而來的。2018年，已經(jīng)有好幾家公司投入研究，來探討如何用這種植入式細(xì)胞來針對各類病癥了，不光是糖尿病，還有青光眼，帕金森癥等等，都在研究范圍里。未來，植入式細(xì)胞療法甚至可以植入經(jīng)過人工改造的細(xì)胞，來達(dá)到更精準(zhǔn)的藥物控制和釋放。即使你生病了，一切也都不用你操心，植入的細(xì)胞會像“管家”一樣，按時按量給你喂藥。你所要做的，只是痊愈而已。

6.人造肉： 人造肉正走向你的餐桌

人造肉是由動物身上提取的肌肉樣本培育成的。技術(shù)人員從動物組織中收集干細(xì)胞，讓它們增殖并分化成原肌纖維，然后再長成肌肉組織。一份從牛身上采集的組織樣本就足以產(chǎn)生8萬個牛肉漢堡。一些初創(chuàng)企業(yè)表示，他們預(yù)計在未來幾年內(nèi)正式推出人造肉產(chǎn)品。

7.電刺激醫(yī)學(xué)： 神經(jīng)刺激療法將替代許多藥物治療慢性病

神經(jīng)電刺激器是一種通過電流脈沖治療疾病的設(shè)備，在藥學(xué)界有著很悠久的歷史，例如心臟起搏器、耳蝸植入裝置和治療帕金森病的深腦電極刺激。這種電刺激器正變得越來越多功能化，將顯著提升對大量病癥的療效。

在范斯坦醫(yī)學(xué)研究所的凱文·特雷西等人的努力下，迷走神經(jīng)刺激（VNS）在部分場合中已經(jīng)變得可行。他們發(fā)現(xiàn)迷走神經(jīng)能釋放化學(xué)物質(zhì)幫助調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)。這對患有免疫性疾病的患者來說是個好消息，因為現(xiàn)有的藥物常常不起作用或者會帶來嚴(yán)重的副作用。由于VNS只對特定的神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行刺激，因此相比要通過全身并會傷害目標(biāo)以外身體組織的藥物來說，這可能是個更容易接受的療法。

8.基因驅(qū)動： 改變甚至消滅整個物種的基因工具技術(shù)

一項正在快速發(fā)展的基因工程技術(shù)，可以永久性地改變一個種群甚至整個物種的性狀。這項技術(shù)通過基因驅(qū)動使得含有某種遺傳因子的子代數(shù)量升高，從而加速該基因在物種中的傳播?；蝌?qū)動可以自然發(fā)生，也可以通過基因工程人為控制，它在眾多方面對人類有益：阻止昆蟲傳播瘧疾和其他傳染病、修改害蟲的基因以提高糧食產(chǎn)量、賦予珊瑚抵抗環(huán)境壓力的能力、防止入侵物種破壞生態(tài)系統(tǒng)。

盡管前景光明，基因驅(qū)動技術(shù)還是引起了人們的擔(dān)憂：經(jīng)過人為改造的基因會無意中擴(kuò)散到其他野外的物種中，并干擾其生長嗎？將現(xiàn)有的物種從生態(tài)系統(tǒng)中消除有什么風(fēng)險？非法組織會不會將基因驅(qū)動用作武器來破壞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)？

為了避免出現(xiàn)這種極端情況，有研究團(tuán)隊發(fā)明了一個驅(qū)動開關(guān)：必須通過傳遞一種特殊的物質(zhì)才能打開，使基因驅(qū)動起作用。與此同時，許多科學(xué)家團(tuán)體正致力于擬定條款，來指導(dǎo)基因驅(qū)動實驗在各階段的進(jìn)展。2016年，美國國家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院審查了基因驅(qū)動的研究并對相關(guān)研究提出了建議。2018年，一個大型的國際工作小組為從實驗室研究到野外試驗的研究操作制定了流程。該組織提出了將基因驅(qū)動用在非洲控制瘧疾的建議。

9.等離子激元材料： 傳感器科技因光控納米材料正興起一場革命

2007年，加州理工學(xué)院的哈里·A·阿特沃特在《科學(xué)美國人》上撰文預(yù)測：“等離激元光子學(xué)”最終會通向一系列應(yīng)用，從高靈敏度的生物探測器到隱形覆蓋物。之后的十年里，各種等離子體技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化，另有一些技術(shù)正由實驗室向市場過渡。

這些技術(shù)都依賴于對電磁場和金屬（通常是金或銀）中自由電子之間相互作用的控制，自由電子決定了材料的導(dǎo)電性和光學(xué)性能。當(dāng)有光照射金屬時，金屬表面的自由電子產(chǎn)生共振，形成表面等離激元。如果金屬材料體積較大，自由電子反射照射到它們的光后，材料可以發(fā)光；但如果金屬只是直徑幾納米的顆粒，它的自由電子就被限制在一個很小的空間里，電子的振動頻率因而受到了限制。電子特定的振蕩頻率將取決于金屬納米顆粒的大小。

在等離激元材料領(lǐng)域，研究最透徹的應(yīng)用之一，是用于檢測化學(xué)和生物試劑的傳感器；其他應(yīng)用還包括可監(jiān)測電池活動的電池內(nèi)部傳感器、能區(qū)分病毒和細(xì)菌感染的設(shè)備等。此外，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，研究者正在臨床試驗中測試光敏納米顆粒在癌癥治療中的應(yīng)用。根據(jù)市場研究公司的分析預(yù)測，等離激元傳感器的應(yīng)用在北美的市值，將會從2017年的近2.5億美元上漲到2027年的近4.7億美元。

10.為量子計算機(jī)而生的算法：開發(fā)者在不斷修改程序以適應(yīng)量子計算機(jī)

量子計算機(jī)特有的疊加、糾纏特性，使其在解決特定問題時比任何傳統(tǒng)計算機(jī)更高效。然而，實現(xiàn)量子計算的條件卻是眾所周知的挑剔。例如，量子退相干過程會破壞其功能。研究人員已經(jīng)證實，通過量子糾錯，可以使具有數(shù)千量子比特的量子計算機(jī)受到嚴(yán)格控制，維持在量子態(tài)。但是到目前為止，實驗室中的量子計算機(jī)都只是包含數(shù)十個量子比特、尚未進(jìn)行糾錯的嘈雜中型量子（NISQ）計算機(jī)。

然而，隨著專門為NISQ計算機(jī)編寫算法的研究興起，量子計算領(lǐng)域可能將迎來突破。在研究人員看來，NISQ算法在模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域具有廣闊前景。許多研究人員已經(jīng)開發(fā)出在NISQ設(shè)備（以及未來進(jìn)行糾錯后的量子計算機(jī)）上模擬分子和材料的算法。這些算法可以提高從能源到健康科學(xué)領(lǐng)域新材料的設(shè)計效率。

開發(fā)人員還在評估量子計算機(jī)是否會在機(jī)器學(xué)習(xí)方面更勝一籌。