在不久的將來(lái)，技術(shù)革新將如何改變我們的生活?

人工智能將大幅提升新藥物和新材料的開(kāi)發(fā)速度;新型診斷工具將打造更先進(jìn)的個(gè)性化醫(yī)療;從日常任務(wù)到工業(yè)生產(chǎn)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)將走進(jìn)生活的方方面面，將大量信息和動(dòng)畫(huà)覆蓋于真實(shí)世界之上;如果你生病了，醫(yī)生將可以在你體內(nèi)植入活細(xì)胞，用這些“藥物工廠”為你治病;你將會(huì)吃到用干細(xì)胞在實(shí)驗(yàn)室培育的牛肉、雞肉和魚(yú)肉，這將大幅降低畜牧業(yè)造成的環(huán)境危害，并使無(wú)數(shù)的動(dòng)物免遭不人道待遇。

經(jīng)過(guò)層層遴選，最終由來(lái)自生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)和人工智能等領(lǐng)域的頂尖專(zhuān)家共同評(píng)選，這些足以改變世界的想法和其他新興技術(shù)一起，構(gòu)成了這份“2018年全球十大新興技術(shù)”榜單。

根據(jù)發(fā)布方，世界著名科普雜志《科學(xué)美國(guó)人》的介紹，這些新興技術(shù)能在未來(lái)3~5年間，對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重要影響;具有潛在顛覆性，能夠改變整個(gè)行業(yè)或既定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn);處于相對(duì)早期的發(fā)展階段，尚未得到廣泛應(yīng)用，但已吸引了眾多研究團(tuán)隊(duì)的關(guān)注，并且廣受投資者青睞。

1.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)將無(wú)處不在

虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)讓你沉浸在一個(gè)虛幻、獨(dú)立的世界里，而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)是將計(jì)算機(jī)生成的信息實(shí)時(shí)覆蓋在現(xiàn)實(shí)世界之上。當(dāng)你看到或者佩戴集成了AR程序和攝像頭的設(shè)備(可以是智能手機(jī)、平板電腦、耳機(jī)或智能眼鏡)時(shí)，程序會(huì)分析輸入的視頻流，下載大量與當(dāng)前場(chǎng)景相關(guān)的信息，并在其上疊加相關(guān)數(shù)據(jù)——通常是3D的圖片或動(dòng)畫(huà)。

舉兩個(gè)例子：協(xié)助車(chē)輛安全倒車(chē)的倒車(chē)影像系統(tǒng)和熱門(mén)游戲《精靈寶可夢(mèng)GO》。大量面向消費(fèi)者的應(yīng)用軟件都會(huì)用到AR功能，比如為外國(guó)游客翻譯街道標(biāo)志，醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生開(kāi)展的虛擬解剖，消費(fèi)者在買(mǎi)家具時(shí)可以看到預(yù)想的擺設(shè)效果。將來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)還會(huì)支持博物館制作全息參觀指南;幫助外科醫(yī)生，使得患者體內(nèi)組織三維可視化;允許建筑師和設(shè)計(jì)師以全新的方式合作;幫助無(wú)人機(jī)操作員用增強(qiáng)的圖像遠(yuǎn)程控制機(jī)器;幫助初學(xué)者快速學(xué)習(xí)從醫(yī)藥到工廠維修的各項(xiàng)技術(shù)。在未來(lái)幾年內(nèi)，操作簡(jiǎn)單、用于設(shè)計(jì)應(yīng)用程序的軟件將會(huì)滿(mǎn)足更多消費(fèi)者的需求。

2.電刺激醫(yī)學(xué)將減少藥物使用

神經(jīng)電刺激設(shè)備可以通過(guò)電流脈沖治療疾病，這種設(shè)備在醫(yī)學(xué)界已經(jīng)有很長(zhǎng)的應(yīng)用歷史。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都用到了該設(shè)備。這種電刺激設(shè)備正變得越來(lái)越多功能化，將顯著提升對(duì)大量病癥的治療能力。神經(jīng)電刺激設(shè)備的工作原理是，向迷走神經(jīng)發(fā)送信號(hào)，迷走神經(jīng)將電流從腦干發(fā)送至器官，最后返回腦干。

在科學(xué)家的努力下，迷走神經(jīng)刺激的全新用途正變得可行。他們發(fā)現(xiàn)，迷走神經(jīng)能釋放調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)的化學(xué)物質(zhì)。例如，在脾臟里釋放的特定神經(jīng)遞質(zhì)對(duì)參與全身炎癥反應(yīng)的免疫細(xì)胞具有鎮(zhèn)靜作用。這些發(fā)現(xiàn)表明，能從迷走神經(jīng)刺激中受益的不僅是與電信號(hào)紊亂有關(guān)的疾病，還包括自身免疫疾病和炎癥反應(yīng)。對(duì)這些疾病的患者來(lái)說(shuō)，這個(gè)發(fā)現(xiàn)無(wú)疑是個(gè)好消息。由于這項(xiàng)技術(shù)只對(duì)特定的神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行刺激，因此相對(duì)于經(jīng)過(guò)全身，會(huì)傷害作用目標(biāo)以外的身體組織的藥物，電刺激療法可能更容易接受。

3.人造肉對(duì)環(huán)境更友好

想象一下，你咬了一口鮮嫩多汁的牛肉漢堡，而這是在不殺死任何動(dòng)物的前提下發(fā)生的。利用實(shí)驗(yàn)室的細(xì)胞培育出的人造肉，正在將這種設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)。多家初創(chuàng)企業(yè)正在開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室培育的牛肉、豬肉、家禽和海鮮。

由于只需為培育和維持人工培養(yǎng)的細(xì)胞(而非完整的生物體)提供資源，人造肉還可以減少肉類(lèi)生產(chǎn)過(guò)程中的高昂環(huán)境代價(jià)。

人造肉是由從動(dòng)物身上提取的肌肉樣本制成的。技術(shù)人員從動(dòng)物組織中收集干細(xì)胞，讓它們迅速增殖，分化成原肌纖維，隨后膨大形成肌肉組織。Mosa Meat公司稱(chēng)，一份從牛身上采集的組織樣本就足以生產(chǎn)出8萬(wàn)個(gè)牛肉漢堡。

一些初創(chuàng)企業(yè)表示，他們預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年內(nèi)正式推出人造肉產(chǎn)品。但在上市之前，人造肉還必須克服重重障礙。

其中兩個(gè)障礙分別是成本和口味。以2013年向各大媒體展示的實(shí)驗(yàn)室人造肉漢堡為例，漢堡中肉餅的制作成本超過(guò)30萬(wàn)美元，而且肉質(zhì)過(guò)于干燥(因?yàn)橹咎?。自那以后，人造肉的制作成本逐年下降。2018年，Memphis Meats公司聲稱(chēng)，四分之一磅(約113克)人造牛肉餡的價(jià)格約為600美元。按照這一趨勢(shì)，在幾年內(nèi)，人造肉就可能成為傳統(tǒng)肉類(lèi)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

4.會(huì)辯論的人工智能

如今的智能助理已經(jīng)能在某些情形下讓你誤以為它們是人類(lèi)，但未來(lái)的智能助理還會(huì)更加先進(jìn)。在手機(jī)屏幕背后，智能助理使用復(fù)雜的語(yǔ)音識(shí)別軟件來(lái)識(shí)別你的需求、為你提供幫助，然后生成聽(tīng)起來(lái)很自然的語(yǔ)音，給出符合你問(wèn)題的預(yù)設(shè)答案。這樣的系統(tǒng)必須預(yù)先經(jīng)過(guò)“訓(xùn)練”：大量學(xué)習(xí)人類(lèi)經(jīng)常提出的請(qǐng)求，而相應(yīng)的回復(fù)必須由人類(lèi)來(lái)編寫(xiě)，并組織成高度結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)格式。

實(shí)際上，這些系統(tǒng)已經(jīng)能夠“學(xué)習(xí)”了——通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，它們能夠改進(jìn)問(wèn)題與現(xiàn)有答案之間的匹配方式，但改進(jìn)程度有限。即便如此，它們?nèi)匀涣钊擞∠笊羁獭?/p>

在更高復(fù)雜度的層面上，目前科學(xué)家正在致力于開(kāi)發(fā)新技術(shù)，以使下一代的系統(tǒng)能夠從各個(gè)來(lái)源吸納、組織非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，然后自主撰寫(xiě)出有說(shuō)服力的建議，或者就一個(gè)它們從未接受過(guò)訓(xùn)練的問(wèn)題與對(duì)手辯論。

2018年6月，IBM展示了一項(xiàng)更加先進(jìn)的技術(shù)：一套沒(méi)有事先就某一主題或立場(chǎng)進(jìn)行過(guò)培訓(xùn)，就能與人類(lèi)專(zhuān)家實(shí)時(shí)辯論的系統(tǒng)。系統(tǒng)必須使用非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)來(lái)確定信息的相關(guān)性和真實(shí)性，并將之組織成某種可重復(fù)使用的形式，然后根據(jù)它所處的立場(chǎng)，來(lái)調(diào)取相關(guān)的論據(jù)。系統(tǒng)還必須對(duì)人類(lèi)對(duì)手的論述作出回應(yīng)。在演示時(shí)，這套系統(tǒng)參加了兩場(chǎng)與人類(lèi)的辯論，在其中一場(chǎng)辯論中，有許多觀眾認(rèn)為，該系統(tǒng)的辯論更具說(shuō)服力。

5.可植入人體的制藥細(xì)胞

許多糖尿病患者每天都要多次刺破手指，測(cè)量血糖水平，從而決定需要多少胰島素。如果能在病人體內(nèi)植入制造胰島素的胰島細(xì)胞，就能取代這一煩瑣的過(guò)程。除了糖尿病，細(xì)胞植入技術(shù)還能改變癌癥、心力衰竭、血友病、青光眼、帕金森病等多種疾病的療法。但細(xì)胞植入存在一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)：患者必須持續(xù)使用免疫抑制劑以防止免疫系統(tǒng)的排異。這種藥物可能帶來(lái)嚴(yán)重的副作用，包括增加感染或惡性腫瘤的風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)在，研究者開(kāi)始應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。2016年，一支來(lái)自麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)發(fā)布了一種能讓移植的細(xì)胞在免疫系統(tǒng)面前隱形的方法。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(guò)化學(xué)修飾的藻酸鹽凝膠。藻酸鹽已經(jīng)被證實(shí)可在人體中安全使用。當(dāng)他們?cè)诨继悄虿〉男∈篌w內(nèi)植入密封在藻酸鹽凝膠內(nèi)的胰島細(xì)胞后，這些細(xì)胞立刻開(kāi)始根據(jù)血糖的變化生產(chǎn)胰島素，并在為期6個(gè)月的試驗(yàn)中持續(xù)控制血糖水平。研究者沒(méi)有觀測(cè)到任何纖維癥的出現(xiàn)。這個(gè)團(tuán)隊(duì)還在另一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，抑制一種在纖維化過(guò)程中起重要作用的免疫分子(集落刺激因子I受體)，可以有效抑制疤痕的產(chǎn)生。加入這種受體抑制劑將進(jìn)一步提高植入細(xì)胞的存活率。

6.用人工智能設(shè)計(jì)化學(xué)分子

想設(shè)計(jì)新型太陽(yáng)能材料、抗癌藥物或是用于農(nóng)作物的抗病毒化合物?首先，你必須解決兩個(gè)難題：找到正確的化學(xué)結(jié)構(gòu)，并確定哪些化學(xué)反應(yīng)能將合適的原子連接到所需的分子上。

如果使用傳統(tǒng)方法，以上問(wèn)題的答案往往來(lái)自于復(fù)雜的猜測(cè)和意外的發(fā)現(xiàn)。這一過(guò)程非常耗時(shí)，并且需要經(jīng)歷許多次失敗的嘗試。例如，一份完整的合成計(jì)劃包含數(shù)百個(gè)獨(dú)立的步驟，其中很多步驟都會(huì)產(chǎn)生不需要的副反應(yīng)或副產(chǎn)品，或者根本不起作用?，F(xiàn)在，人工智能正在提高設(shè)計(jì)和合成化學(xué)分子的效率，幫助企業(yè)在減少化學(xué)廢料的同時(shí)，更快、更容易、更經(jīng)濟(jì)地解決合成問(wèn)題。在人工智能領(lǐng)域，機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以分析所有已知的合成實(shí)驗(yàn)，包括那些成功的和失敗的實(shí)驗(yàn)——后者可能更加重要?；谒R(shí)別的模式，這些算法可以預(yù)測(cè)具有潛在用途的新分子結(jié)構(gòu)，以及可能的制造方法?，F(xiàn)在還沒(méi)有哪種機(jī)器學(xué)習(xí)工具可以簡(jiǎn)單到按下按鈕就能完成所有工作，但不可否認(rèn)的是，人工智能技術(shù)正在藥物分子和材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域迅速發(fā)展。

7.私人定制的診斷工具

在20世紀(jì)的絕大部分時(shí)間里，患乳腺癌的女性都在使用同一種治療方案?，F(xiàn)在，治療手段變得更具個(gè)性化了：乳腺癌被分為不同的亞型，每一種都有獨(dú)特的治療方法。例如，許多乳腺癌患者的腫瘤會(huì)產(chǎn)生雌激素受體，她們可以在標(biāo)準(zhǔn)術(shù)后化療的同時(shí)，配合使用專(zhuān)門(mén)攻擊這些受體的藥物。2018年，研究者朝著個(gè)性化治療又邁進(jìn)了一步。他們發(fā)現(xiàn)很大一部分腫瘤病人其實(shí)不需要接受化療，從而避免了嚴(yán)重的副作用。

診斷工具的進(jìn)步加速了個(gè)性化、精準(zhǔn)化藥物的發(fā)展。這些技術(shù)能幫助醫(yī)生識(shí)別并量化多種生物標(biāo)志物(這些分子的出現(xiàn)，往往意味著人體患有某種疾病)，從而通過(guò)病人對(duì)疾病的敏感性、預(yù)后情況，以及對(duì)特定治療的反應(yīng)，將病人劃分成不同的亞型。

在過(guò)去的十年里，生物組學(xué)技術(shù)取得了突破性進(jìn)展。新技術(shù)的使用能產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以供人工智能挖掘，從而找到用于臨床的全新生物標(biāo)志物。在新時(shí)代，結(jié)合高產(chǎn)能的生物組學(xué)技術(shù)和人工智能，診斷技術(shù)將重塑我們對(duì)很多疾病的認(rèn)知，改變傳統(tǒng)治療方法，讓醫(yī)生能根據(jù)病人的個(gè)人分子檔案制定治療計(jì)劃。

8.基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)

一項(xiàng)正在快速發(fā)展的基因工程技術(shù)可以永久改變一個(gè)種群甚至整個(gè)物種的特征。這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)基因驅(qū)動(dòng)使含有父母某種遺傳特征的子代數(shù)量異常增多，從而加速該性狀在物種中的傳播?；蝌?qū)動(dòng)可以自然地發(fā)生，也可以通過(guò)基因工程技術(shù)人為控制。這項(xiàng)技術(shù)可以通過(guò)多種方式幫助人類(lèi)：可以阻止昆蟲(chóng)傳播瘧疾和其他可怕的傳染病;修改害蟲(chóng)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)……雖然受益巨大，但研究者深刻地意識(shí)到，改變甚至消滅一個(gè)物種可能會(huì)帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。為了應(yīng)對(duì)潛在的風(fēng)險(xiǎn)，他們正在制定規(guī)則，在基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到野外試驗(yàn)，以及走向更廣泛的應(yīng)用時(shí)，給予恰當(dāng)?shù)墓芾怼?/p>

幾十年來(lái)，研究者一直在思考如何利用基因驅(qū)動(dòng)對(duì)抗疾病和其他問(wèn)題。最近幾年，CRISPR基因編輯技術(shù)的應(yīng)用，讓我們能夠輕易地在染色體的特殊位點(diǎn)插入特定基因，極大地推動(dòng)了基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。

盡管前景光明，基因驅(qū)動(dòng)還是引起了眾多擔(dān)憂：經(jīng)過(guò)人為改造的基因會(huì)在無(wú)意中傳播給野生物種，會(huì)干擾其生長(zhǎng)嗎?從生態(tài)系統(tǒng)中消除現(xiàn)有的物種有什么風(fēng)險(xiǎn)?非法組織是否會(huì)將基因驅(qū)動(dòng)用作破壞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的武器?

為了避免此類(lèi)極端情形的出現(xiàn)，一支研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一個(gè)開(kāi)關(guān)：只有傳遞一種特殊的物質(zhì)，才能打開(kāi)開(kāi)關(guān)，從而使基因驅(qū)動(dòng)起作用。與此同時(shí)，許多科學(xué)家團(tuán)體正致力于擬定條款，以指導(dǎo)基因驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)在各個(gè)階段的進(jìn)展。

9.等離激元材料

2007年，加州理工學(xué)院的哈里·阿特沃特在《科學(xué)美國(guó)人》上撰文預(yù)測(cè)：“等離激元光子學(xué)”(plasmonics)技術(shù)最終會(huì)通向從高靈敏度的生物探測(cè)器到隱形斗篷的一系列應(yīng)用。10年后，多種等離子體技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，而另一些技術(shù)正由實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)。

在表面等離激元材料的諸多應(yīng)用中，研究得最深入的一種是用于檢測(cè)化學(xué)和生物試劑的傳感器。研究者在等離激元納米材料表面覆蓋了一種能與特定分子(比如細(xì)菌毒素)結(jié)合的物質(zhì)。正常情況下，照射在材料上的光會(huì)以特定的角度反射出來(lái)。但如果有毒素存在，表面等離激元的振動(dòng)頻率會(huì)發(fā)生改變，從而改變光的反射角度。我們可以非常精確地測(cè)出這種變化，從而檢測(cè)到微量的毒素。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，研究者正在臨床試驗(yàn)中測(cè)試光敏納米顆粒治療癌癥的能力。治療方法是將納米顆粒注入血液中，等它們聚集到腫瘤內(nèi)部后，用與表面等離激元振動(dòng)頻率相同的光照射腫瘤，使納米顆粒通過(guò)共振產(chǎn)生熱量。這種熱量能在不傷害周?chē)】到M織的情況下，選擇性地殺死腫瘤細(xì)胞。

10.為量子計(jì)算機(jī)而生的算法

量子計(jì)算機(jī)利用量子邏輯來(lái)執(zhí)行計(jì)算，基本單位量子比特(qubit)與傳統(tǒng)比特(0或1)相似，但不同的是，量子比特可處于兩個(gè)量子態(tài)之間的疊加態(tài)：它可以同時(shí)是0和1。這種屬性以及另一種稱(chēng)為糾纏的量子特性，使得量子計(jì)算機(jī)在特定問(wèn)題上比任何傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)都高效。

盡管這項(xiàng)技術(shù)激動(dòng)人心，但其實(shí)現(xiàn)條件卻是眾所周知的苛刻。研究人員已經(jīng)確定，通過(guò)量子糾錯(cuò)，可以使具有數(shù)千量子比特的量子計(jì)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(shí)驗(yàn)室造出的量子計(jì)算機(jī)最多只包含數(shù)十個(gè)量子比特。這些被加州理工學(xué)院的約翰·普雷斯基爾稱(chēng)作“嘈雜中型量子”(NISQ)計(jì)算機(jī)，都是尚未進(jìn)行糾錯(cuò)的。然而，隨著專(zhuān)門(mén)為NISQ計(jì)算機(jī)編寫(xiě)算法的研究興起，這些設(shè)備在特定問(wèn)題上的計(jì)算能力可能會(huì)強(qiáng)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

隨著越來(lái)越多的NISQ設(shè)備向全球用戶(hù)開(kāi)放，大量研究人員開(kāi)始為這類(lèi)設(shè)備開(kāi)發(fā)、測(cè)試小規(guī)模程序，這極大地促進(jìn)了該領(lǐng)域的發(fā)展。與此同時(shí)，開(kāi)發(fā)不同方向的量子軟件的初創(chuàng)公司也呈百花齊放之勢(shì)。

在研究人員看來(lái)，NISQ算法在模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域具有廣闊前景。因?yàn)橛?jì)算機(jī)可以從大數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)中進(jìn)行學(xué)習(xí)。對(duì)一套正在迅速發(fā)展的算法所做的測(cè)試表明，量子計(jì)算機(jī)確實(shí)可以加快機(jī)器學(xué)習(xí)。

(由《環(huán)球科學(xué)》雜志社供稿)

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