又是一年將盡，到了盤(pán)點(diǎn)的時(shí)候，且看《科學(xué)美國人》評選出的2015年十大科技成就。

1，眼控機器：運動(dòng)受損人士的福音

今年早些時(shí)候，當艾瑞克 索拓用思維直接指揮機器手臂將一杯啤酒送入口中，媒體瘋狂了。這是一個(gè)令人印象深刻的壯舉，但背后的技術(shù)，是在他大腦中植入的一種電極芯片，這種芯片既昂貴又具有侵入性，而且還需要幾個(gè)月時(shí)間來(lái)訓練使用。更糟糕的是，只有極少數癱瘓人士能夠適應這些心理和生理上的技術(shù)要求。

一種較好的辦法隨后誕生――創(chuàng )建大腦電波活動(dòng)和機器之間的直接連接。英國倫敦帝國理工學(xué)院神經(jīng)技術(shù)科學(xué)副教授阿爾多 法賽爾想要用眼球移動(dòng)來(lái)控制輪椅、計算機和視頻游戲。利用現成的視頻游戲攝像機，法賽爾和他的同事建造了一種護目鏡，能夠記錄用戶(hù)的眼球移動(dòng)過(guò)程，并傳輸數據給計算機，軟件將數據翻譯成機器指令。幾乎所有運動(dòng)受損人士都能應用這項技術(shù)，包括截肢者、四肢麻痹癥患者、帕金森病患者、多發(fā)性硬化癥和肌營(yíng)養不良癥患者。

這套系統的成本只需要50美元。在一個(gè)科技展覽會(huì )上，志愿者不需要更多的指導，在15秒后就很好地掌握了玩游戲的技巧。

長(cháng)期以來(lái)，科學(xué)家就知道眼睛可以透露人們的目的――他們要去哪里，想要做什么，以及想和誰(shuí)交流。自從上世紀70年代開(kāi)始研究眼球運動(dòng)的神經(jīng)科學(xué)，法賽爾和同事們就撰寫(xiě)了能夠將“驚鴻一瞥”轉化為指揮輪椅行動(dòng)、敲擊鼠標或者開(kāi)展瞳孔游戲的算法。為了預測受試者的真實(shí)意圖，算法的設計基于志愿者用操縱桿操縱輪椅或者機器手臂時(shí)眼球運動(dòng)的真實(shí)數據。漸漸地，軟件學(xué)會(huì )了區別不同的眼神，比如當人們看向一個(gè)杯子時(shí)，軟件能夠猜測出他們是在猜測里面的飲料為何物，還是想要端起來(lái)一飲而盡。

法賽爾在將這個(gè)技術(shù)商業(yè)化成醫療器械之前，必須為臨床試驗籌得資金。從歐盟獲得的400萬(wàn)歐元將繼續支持他開(kāi)發(fā)機器人的外骨骼，以便能夠更好地讓殘障人士使用眼球追蹤系統。

“我想看到我們的努力可以幫助人們再次行動(dòng)自如，這就是我的目的?！狈ㄙ悹栒f(shuō)。

2，微波火箭：低成本訪(fǎng)問(wèn)太空的范式

人類(lèi)乘火箭遨游太空已50余年，在這么長(cháng)的時(shí)間里，到達軌道的成本一直都是個(gè)天文數字――根據火箭種類(lèi)不同，每公斤載重上天要花費5000美元到50000美元不等。

問(wèn)題是，沒(méi)有哪個(gè)火箭是非常有效率的，火箭90%的重量都是燃料和推進(jìn)劑，只為裝載物資留下很小的空間。如果能甩掉一些重量，火箭不僅可以將更多的貨物送往太空，亦能降低成本。

1924年，俄羅斯科學(xué)家康斯坦丁 特斯洛克夫斯基提出一種方案，建議由地基微波發(fā)射器提供火箭上升的動(dòng)力。他建議，利用反射鏡將“一束平行電磁短波射線(xiàn)激光束”瞄準火箭的腹部，加熱推進(jìn)劑產(chǎn)生推力，從而替代大量燃料的裝載。

這一方法或許是獲得宇宙速度的最有吸引力的方法。但直到最近，這個(gè)想法才被重新提起。微波激光雖然在上世紀50年代就發(fā)明了出來(lái)，但始終沒(méi)有達到可以發(fā)射所要求的兆瓦級功率水平。電池和能源存儲系統的最新進(jìn)展讓能源可以足夠強大，以至于不需要固定電網(wǎng)來(lái)約束電能。

今天，來(lái)自世界各地的研究人員正在實(shí)踐這個(gè)概念，包括在2012年美國加州技術(shù)研究所的凱文 帕金領(lǐng)導的一項工程研究?；谒麄兊墓ぷ?，一家名為“逃脫動(dòng)力學(xué)”的私人公司正在測試這種微波動(dòng)力衛星發(fā)射系統，美國國家航空航天局（NASA）正在密切關(guān)注此事，今年7月，NASA已經(jīng)將微波動(dòng)力火箭加入了未來(lái)技術(shù)發(fā)展的路線(xiàn)圖中。

3，病毒捕獲平臺：精確識別病毒的新方法

當醫生想要識別感染背后搗亂的病毒，通常需要求助于聚合酶鏈式反應（PCR），這種方法只有將DNA片段“放大”到足夠大才能進(jìn)行。使用PCR方法的時(shí)候，醫生還必須對要尋找的病毒做到心中有數，這就難免帶有了猜測的成分。

今年9月，哥倫比亞大學(xué)的研究團隊描述了一種能夠消除猜測帶來(lái)的盲目性的新方法，該技術(shù)被命名為“脊髓動(dòng)物病毒捕獲測序平臺（VirCapSeqVERT）”，能在給定的唾液、組織或脊髓液樣本中幾乎完美地找到每種病毒。這種方法可以在48小時(shí)內同時(shí)分析21個(gè)樣本，且每個(gè)樣本的分析成本只有200美元。它還能檢測新型病毒或突變病毒。

哥倫比亞大學(xué)流行病學(xué)公共衛生系教授W 伊恩 李普金說(shuō)：“當一個(gè)人被送進(jìn)急診室，單是檢測費就要成千上萬(wàn)了。這種方法非常便宜，而且能讓醫生對癥下藥?！?/p>

為了開(kāi)發(fā)這種技術(shù)，李普金和他的同事創(chuàng )建了一個(gè)超過(guò)1000種脊椎動(dòng)物病毒的數據庫。然后他們用基因探針對每一株病毒進(jìn)行匹配，當探頭遇到匹配的病毒時(shí)，就會(huì )自動(dòng)與之綁定。為了檢測這些病毒，實(shí)驗室工作人員增加了磁珠來(lái)測量直徑僅1至3微米的混合物，化學(xué)連接器將基因探測器與磁珠以及捕獲的病毒相連。然后，研究人員插入包含了混合磁鐵支架的細管，將探針拉向管壁。他們隔離并清洗探針―磁珠―病毒組合后，對病毒進(jìn)行基因測序，以消除誤報風(fēng)險。

李普金和他的同事現正在尋找商業(yè)支持，希望將這項技術(shù)應用到全世界的醫院和診所；他們還計劃增加專(zhuān)門(mén)探測感染性細菌和真菌的探針。

4，導電聚合物網(wǎng)絡(luò )：軟性的大腦電子探針

為了破解大腦之謎，科學(xué)家需要精確地檢測活動(dòng)狀態(tài)下的神經(jīng)元。大腦探針的“蠻力介入”已經(jīng)被詬病很久了。哈佛大學(xué)化學(xué)家查爾斯 尼爾博率領(lǐng)的團隊希望植入絲般柔滑的聚合物網(wǎng)絡(luò )，從而改變這個(gè)窘境。

到目前為止，尼爾博團隊測試了活鼠體內植入的這種聚合物，它擁有嵌入式電子感應器。一旦證明安全可靠，它可能被用于人體，進(jìn)而研究意識如何從單獨神經(jīng)元的活動(dòng)中產(chǎn)生，以及治療帕金森癥等疾病。

5，微型核聚變反應堆：壓力下改變戰術(shù)的選擇

你可以指責核聚變擁護者太過(guò)于樂(lè )觀(guān)。核聚變只會(huì )發(fā)生在兩種元素結合或相融合進(jìn)而形成第三種元素的時(shí)候，將物質(zhì)轉化成能量。太陽(yáng)就是典型的核聚變過(guò)程。

總部設在法國的國際核聚變反應堆（ITER）集合了七個(gè)國家的力量，正在緊鑼密鼓籌建中。這個(gè)210億美元的托克馬克反應堆將利用超導磁體產(chǎn)生足夠熱、密度足夠大的等離子體來(lái)發(fā)生核聚變。一旦完成，ITER的總重量將達到23000噸，是埃菲爾鐵塔的3倍。美國國家點(diǎn)火裝置（NIF）是其主要的競爭對手，也同樣復雜，需要同時(shí)將192束激光打在一個(gè)燃料球上直到其溫度達到5000萬(wàn)攝氏度，壓力達到1500億大氣壓。

理想很豐滿(mǎn)，但現實(shí)很骨感?；贗TER和NIF的核聚變工作已經(jīng)進(jìn)行了數十年，一批新的研究人員正在尋求不同的策略――讓核聚變反應器變小。

今年，美國國防部高級研究計劃局在9個(gè)小型項目上投資了3000萬(wàn)美元，旨在通過(guò)名為“低成本等離子體加熱和集成”（ALPHA）的項目，建設可負擔得起的核反應設備。一個(gè)比較典型的項目是加利福尼亞州次慣性核聚變技術(shù)公司的塔斯廷執行的，該項目設計路線(xiàn)是用電流“捏合”等離子體，直到壓縮至產(chǎn)生核聚變。

這一方法不是沒(méi)有先例，1958年洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗室曾用這種“捏合”技術(shù)實(shí)現了第一次可持續的核聚變反應。

隸屬ALPHA項目的其他公司也正在尋找可替代的核聚變方案。不列顛哥倫比亞省的通用核聚變公司已經(jīng)建成了一個(gè)設備，能夠用激波穿透液態(tài)金屬進(jìn)而引發(fā)聚變反應?！?阿爾法能源公司”正在建設一種帶電粒子束核反應堆，能夠一個(gè)接一個(gè)點(diǎn)燃帶電粒子。

美國國防工業(yè)巨頭洛克希德 馬丁公司則宣稱(chēng)，其正致力于建造一種磁約束核反應堆，用一輛卡車(chē)就可以運走，希望在10年內實(shí)現商用。

追求核聚變的坎坷歷史表明，這些小項目都應該受到質(zhì)疑。但是，不論哪一個(gè)方式，只要能夠成功輸送清潔無(wú)限量的核聚變能源，都將解決從能源匱乏到氣候變化的系列問(wèn)題。

6，殺死轉基因開(kāi)關(guān)：阻斷DNA逃逸的閘門(mén)

轉基因埃希氏大腸桿菌無(wú)處不在，醫用胰島素、塑料高分子聚合物以及食品添加劑等都有它的蹤影，它還可以成為工業(yè)廢料或者改變化肥的用途。這些安排目前幾乎沒(méi)什么風(fēng)險，因為在轉基因模式下該菌群對于環(huán)境的適應能力較弱，不能在實(shí)驗室外長(cháng)期生存。但是，經(jīng)過(guò)編輯漏洞缺陷的菌群可能會(huì )對本來(lái)平衡的生態(tài)系統造成影響，例如抗生素產(chǎn)生耐藥性等。

2009年，美國加州大學(xué)生物工程學(xué)家布里安 凱利安多開(kāi)始致力于研究一種確?；蛐薷纳锏木庉婦NA在逃逸或者被盜之前被摧毀的技術(shù)。近年來(lái)，他正在借助基因編輯工具CRISPR，剪除并摧毀入侵病毒中的DNA。他還意識到，可以用該技術(shù)內置一個(gè)殺死轉基因細菌的開(kāi)關(guān)。

現工作于麻省理工學(xué)院技術(shù)研究院的凱利安多發(fā)明了DNAi，這是一種基于CRISPR的系統，能夠迫使細菌剪除自行修改過(guò)的DNA。利用CRISPR，凱利安多成功將經(jīng)過(guò)編輯形成了殺死開(kāi)關(guān)的酶插入到轉基因大腸桿菌中。相關(guān)研究發(fā)表在《自然 通訊》上。

7，輻射冷卻材料：未來(lái)地球建筑的防熱外衣

空調耗能占到了美國建筑物能源消耗的15%左右；創(chuàng )紀錄的高溫日數還會(huì )在未來(lái)幾十年繼續上升。這兩個(gè)事實(shí)指向一個(gè)難題：在逐漸變暖的世界，我們如何在減少能源消耗的同時(shí)還能冷卻工作和生活環(huán)境？

美國斯坦福大學(xué)的研究人員認為，部分解決方案是讓吸熱建筑材料能吸收陽(yáng)光并將熱能發(fā)散到外層空間。這一輻射冷卻概念起源于上世紀80年代，工程師發(fā)現擁有金屬涂層的材料可以從建筑物上吸熱，并暢通無(wú)阻地將熱量輻射至地球大氣層外。

但輻射冷卻從來(lái)沒(méi)有真正應用過(guò)，沒(méi)有人能制造出這樣一種材料。為了解決這個(gè)問(wèn)題，斯坦福大學(xué)研究團隊創(chuàng )建了一種非常有效的“鏡面”。這種材料由二氧化鉿和二氧化硅以及一層銀、鈦和硅構成的基層組成，能夠反射97%的太陽(yáng)光。二氧化硅原子表現得像個(gè)小天線(xiàn)，在帆板一側吸收空氣中的熱，另一側則釋放出熱量。這種材料的輻射波長(cháng)在8納米到13納米之間。對這些波長(cháng)來(lái)說(shuō)，地球大氣層簡(jiǎn)直就是透明的，所以熱量可以耗散到太空中，而非加熱建筑物周?chē)目諝?。即使?yáng)光直射，直徑20厘米的硅片冷卻器也能將溫度降低到比周?chē)諝獾?攝氏度。

范珊輝（音譯）是斯坦福大學(xué)的電氣工程師，他想用這種材料覆蓋建筑物的屋頂，這樣可以讓建筑空調系統稍作休整，同時(shí)又減少了能源消耗。

范珊輝認為：“利用太陽(yáng)這個(gè)巨大熱源，并將地球看做宇宙中巨大散熱器的想法非常有趣，而這只是探索可再生能源的開(kāi)始?！?/p>

8，機器自學(xué)：高級智能快速發(fā)展的助力

谷歌、臉書(shū)等公司正在推進(jìn)能讓機器自學(xué)的技術(shù)，這很大程度上依賴(lài)于一種名為深度學(xué)習技術(shù)的進(jìn)步。

源于幾十年之久的舊觀(guān)念――計算機如果能像人腦那樣操作包含了多層電腦程序單元人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò )的話(huà)，它將更加聰明。傳統的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和深度學(xué)習神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )之間的區別在于，后者有更多的層次。網(wǎng)絡(luò )越深，層次越多，學(xué)習和操作的事物就越抽象。

深度學(xué)習技術(shù)研究領(lǐng)域在本世紀初有3個(gè)代表人物――多倫多大學(xué)的杰弗里 辛頓、蒙特利爾大學(xué)的?碩 本杰奧以及紐約大學(xué)的閆樂(lè )存（音譯）。而直到最近，這一技術(shù)才開(kāi)始商業(yè)化之路。

最典型的代表是今年5月才面世的谷歌照片APP。這款軟件能夠從你的iPhone上下載所有的圖片，正確識別你的妻子、兒子和孫子等不同家人，然后分別放入不同的電子文件夾中并做好標記。

它之所以如此“聰明”，是因為它已經(jīng)從數百萬(wàn)張照片中學(xué)會(huì )了如何識別臉孔。當通過(guò)每個(gè)網(wǎng)絡(luò )層次掃描一張圖片的時(shí)候，軟件會(huì )以更抽象的水平識別圖片中的元素，直到最終能夠指認圖片中的整張臉孔。一旦經(jīng)過(guò)足夠的訓練，看過(guò)足夠多的臉孔，它就能成功定位從未見(jiàn)過(guò)的人的鼻子和嘴巴。

深度學(xué)習能夠做的當然不僅是識別圖片的工作。實(shí)際上，通向人工智能之路的標志性一步，就是展示其區別于人類(lèi)掌控者的智能行為。今年2月，倫敦一家被谷歌以6.17億美元收購的公司DeepMind的人工智能專(zhuān)家宣稱(chēng)，已經(jīng)利用深度學(xué)習生產(chǎn)了一個(gè)能夠自學(xué)玩很多視頻游戲的計算機。實(shí)踐證明，這款軟件能夠在游戲進(jìn)行到一半的時(shí)候，就擊敗多數專(zhuān)業(yè)玩家。

9，紅外光譜+計算機模擬：捕捉化學(xué)反應慢動(dòng)作的攝像機

在細胞液內，氫鍵能維系分子DNA基本配對形式。很多藥物就是在溶劑中合成的。然而，化學(xué)家一般只能在氣態(tài)階段研究化學(xué)反應的綁定機制，因為在這種狀態(tài)下的分子相對稀疏，容易追蹤。

在液體中，分子數量更多，碰撞也更頻繁，所以化學(xué)反應發(fā)生得也更快且更復雜。如果想看清這個(gè)過(guò)程，需要幾百億分之一秒的快照才能實(shí)現。

英國布里斯托爾大學(xué)的化學(xué)家安德魯 尤文利用激光來(lái)研究化學(xué)反應。他知道，可以用紅外光譜觀(guān)察到液體催化熱反應中的振動(dòng)。在2012年到2014年進(jìn)行的實(shí)驗中，他將超快紫外激光束打在乙腈溶劑中的氘氟化分子上，激光束如同手術(shù)刀一樣，雕刻出了高活性的氟原子，反過(guò)來(lái)從溶劑分子中“偷”走了氘原子，形成了氟化氘。

觀(guān)察使用的是一種標準的被稱(chēng)作紅外光譜的技術(shù)，揭示了原子之間如何綁定以及反應達到平衡有多快。這個(gè)實(shí)驗觀(guān)察到了液體中反應的皮秒級細節。大多數化學(xué)家希望使用計算機模擬替代昂貴的激光和探測器來(lái)觀(guān)測化學(xué)反應。尤文等編寫(xiě)了模擬軟件，能夠非常精確地預測光譜實(shí)驗的結果。

“我們能用這些模擬來(lái)深入探討究竟發(fā)生了什么?！庇任恼f(shuō)，“因為模擬會(huì )提供比實(shí)驗更精確的信息?！?/p>

實(shí)驗和模擬信息結合，能提供迄今為止最佳的液體中真實(shí)化學(xué)反應的信息。研究人員已經(jīng)開(kāi)始將這種方法納入到計算機模擬產(chǎn)業(yè)應用中，讓疾病研究、藥物開(kāi)發(fā)和生態(tài)研究人員大受裨益。

10，彈跳光子記錄儀：可看到隱秘角落的照相機

如果照相機能看到角落另一邊，就能警告司機在危險處停下、幫助消防員搜尋燃燒的建筑物，以及讓外科醫生看到身體內部難以直視的區域。

幾年前，麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗室的研究人員就在探討，如何創(chuàng )造這樣一個(gè)照相機。它的原型非常昂貴。這個(gè)設備利用激光束來(lái)發(fā)射光線(xiàn)，光線(xiàn)從墻壁或者地板彈跳到另一個(gè)房間的物體上。一個(gè)價(jià)值50萬(wàn)美元的照相機能記錄彈射回來(lái)的光線(xiàn)，軟件記錄了單獨光子到達時(shí)間、計算距離并重新構建看不見(jiàn)的物體。

此后，該團隊一直在盡力改進(jìn)這個(gè)技術(shù)?，F在，他們已經(jīng)能夠記錄移動(dòng)物體的反射光線(xiàn)，而在價(jià)格上，便宜的LED燈和價(jià)值僅100美元的微軟傳感器就可以達到同樣的效果。

摘自 中國科技網(wǎng)