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      百度熊掌號

      2019年十大新興技術:生物降解塑料、社交機器人、DNA數據存儲……

      2019-07-29 08:55:57來源:前瞻網 Emma Chou 閱讀量:26801

      導讀:DNA條形碼的采用,大大加快化學工程、材料科學和納米技術等領域的研究步伐。例如,在佐治亞理工學院,James E. Dahlman的實驗室正在迅速確定更安全的基因療法。
        展望不久的將來,新興技術將允許你虛擬地傳送到一個遙遠的地方,并真切地感受到網絡旅行者們的握手和擁抱。此外,類似人類的(和動物性的)機器人也變得越來越普遍,它們被設計用來與人交往;一種系統能在幾秒鐘內查明食物中毒爆發源頭;為小型相機和其他設備鋪平道路的微型鏡頭;用其他無用的植物廢料制成的堅固的、可降解的塑料;基于DNA的數據存儲系統,能可靠地存儲海量信息,以及更多新興技術……
       
        一個由領先技術專家組成的國際指導小組,探討今年的“十大新興技術”。在征求全球其他專家的提名后,指導小組根據若干標準評估了數十項提案:提議的技術是否有可能為社會和經濟帶來重大利益?它們能改變既定的做事方式嗎?它們是否仍處于開發的早期階段,但卻引起了研究實驗室、公司或投資者的極大興趣?它們是否有可能在未來幾年內取得重大進展?
       
        1. 生物降解塑料解決重大污染問題
       
        我們的文明建立在塑料之上。根據世界經濟論壇的數據,僅在2014年,工業產生了311公噸塑料,預計到2050年這一數字將增加兩倍。然而,只有不到15%的產品被回收利用。其余大部分都被焚燒,躺在垃圾填埋場或被遺棄在環境中,在那里,由于對微生物的消化有抵抗力,它可以存活數百年。積聚在海洋中的塑料碎片會引起各種各樣的問題,從野生動物誤攝入到釋放有毒化合物。它甚至可以通過受污染的魚進入我們的身體。
       
        可生物降解塑料可以緩解這些問題,有助于實現“循環”塑料經濟的目標,其中塑料來自并轉化回生物質。與衍生自石化產品的標準塑料一樣,可生物降解的版本由聚合物(長鏈分子)組成,這些聚合物可以在其流體狀態下模塑成各種形式。目前可用的選擇 - 主要由玉米、甘蔗或廢油脂和食用油制成 -通常缺乏標準食品的機械強度和視覺特性。最近從纖維素或木質素(植物中的干物質)生產塑料的突破有望克服這些缺點。對于環境的額外好處,纖維素和木質素可以從非食用植物獲得,例如生長在食用作物不適宜生長的邊緣土地上的巨型蘆葦,或者從廢棄的木材和農業副產品中獲得,否則這些植物將不起任何作用。
       
        纖維素是地球上最豐富的有機聚合物,是植物細胞壁的主要成分;木質素填充了那些墻壁的空間,提供了強度和剛性。為了用這些物質制造塑料,制造商必須首先將它們分解成它們的結構單元或單體。研究人員最近找到了這兩種物質的方法。木質素的作用特別重要,因為木質素的單體由芳香環組成 - 這些化學結構賦予一些標準塑料機械強度和其他所需的特征。木質素不溶于大多數溶劑,但研究人員已經證明某些環境友好的離子液體(主要由離子組成)可以選擇性地將其與木材和木本植物分開。與真菌和細菌相似的基因工程酶可以將溶解的木質素分解成其組分。
       
        公司正在以這些發現為基礎。例如,倫敦帝國理工學院分拆出來的Chrysalix Technologies,開發了一種工藝,利用低成本離子液體將纖維素和木質素與原料分離。芬蘭的一家生物技術公司MetGen Oy生產了許多基因工程酶,可將不同來源的木質素分解成各種應用所需的成分。 Mobius(前身為Grow Bioplastics)正在開發用于生物降解花盆、農業覆蓋物和其他產品的木質素塑料顆粒。
       
        要使這種新型塑料得到廣泛應用,必須克服許多障礙。一個是成本。另一種方法是盡量減少用于生產木質素的土地和水的用量——即使木質素只來自廢物,也需要水將其轉化為塑料。與任何重大挑戰一樣,解決辦法將需要采取一系列措施,從法規到社會使用和處置塑料方式的自愿變化。盡管如此,生產可生物降解塑料的新方法提供了一個完美的例子,說明更環保的溶劑和更有效的生物催化劑如何有助于在一個主要行業中產生循環經濟。
       
        2. 社交機器人與人愉快合作
       
        在工業和醫學領域,機器人經常建造、分解和檢查事物;他們還協助手術并在藥房配藥。預計未來幾年社交機器人將變得更加復雜和普及。該領域似乎已達到臨界點,機器人具有更強的交互能力,并執行比以往更多的有用任務。
       
        與大多數機器人一樣,社交機器人使用人工智能來決定如何對通過攝像頭和其他傳感器接收的信息采取行動。通過研究如何形成感知,構成社交和情感智能以及人們如何能夠推斷出他人的思想和感受等問題,從而獲得以栩栩如生的方式做出回應的能力。人工智能的進步使設計師能夠將這些心理學和神經科學的見解轉化為允許機器人識別聲音、面部和情緒的算法;解釋言語和手勢;適當地回應復雜的口頭和非口頭暗示;眼神交流;會話;通過學習反饋,獎勵和批評來適應人們的需求。
       
        因此,社交機器人正在填補越來越多的角色。例如,一個名為Pepper的47英寸人形機器人(來自SoftBank Robotics)識別人臉和基本的人類情感,并通過觸摸屏在其“胸部”進行對話。全球約有15,000名Pepper執行酒店登記、機場等服務客戶服務,購物協助和快餐結賬。 Temi(來自Temi USA)和Loomo(Segway Robotics)是下一代個人助理,像Amazon Echo和Google Home一樣,但是可以移動,提供了更高級別的功能。例如,Loomo不僅是一個伙伴,而且還可以根據命令將其變成一輛用于運輸的踏板車。
       
        社交機器人特別有助于幫助世界上不斷增長的老年人口。 PARO治療機器人(由日本國家先進工業科學與技術研究所開發)看起來像一個可愛的海豹,旨在刺激和減輕阿爾茨海默病患者和護理機構中其他患者的壓力。 Mabu(Catalia Health)作為健康助手,特別是老年人,提醒他們散步和服藥,并打電話給家人。社交機器人作為玩具也越來越多地吸引消費者。早期嘗試將社交行為納入玩具中,例如孩之寶的Baby Alive和索尼的AIBO機器人狗,取得了有限的成功。但兩者都在復蘇,最新版本的AIBO具有復雜的語音和手勢識別功能,可以教授技巧并根據之前的互動開發新的行為。
       
        2018年全球消費機器人銷售額估計達到56億美元,預計到2025年底市場將增長到190億美元,每年銷售超過6500萬臺機器人。鑒于多家資金雄厚的消費者機器人公司(如Jibo和Anki)都失敗了,這種趨勢似乎令人驚訝。但是,一波機器人正在排隊取代已經不復存在的機器人,包括BUDDY(藍蛙機器人),這是一個大眼睛的移動設備,除了扮演個人助理和提供家庭自動化和安全之外還可以玩游戲。
       
        3. 超透鏡將實現微型光學設備的設計
       
        隨著手機、電腦和其他電子產品變得越來越小,它們的光學元件卻頑固地拒絕縮小。值得注意的是,使用傳統的玻璃切割技術和玻璃彎曲技術很難制作出超薄的鏡片,并且玻璃鏡片中的元件通常需要堆疊以正確聚焦光線。工程師們最近發現了更小、更輕的金屬替代品背后的許多物理原理,這些替代品被稱為超透鏡(Metalenses)。這些透鏡可以實現顯微鏡和其他實驗室工具以及消費產品(例如相機、虛擬現實耳機和物聯網光學傳感器)的更加小型化。它們可以增強光纖的功能。
       
        超透鏡由比微米薄的平坦表面組成,其覆蓋有一系列納米尺度的物體,例如突出的柱子或鉆孔。當入射光照射到這些元件時,其許多特性會發生變化 - 包括其偏振,強度,相位和傳播方向。研究人員可以精確定位納米級物體,以確保離開超透鏡的光具有選定的特征。更重要的是,元透鏡是如此之薄,可以彼此重疊而不會顯著增加尺寸。研究人員已經展示了光學器件,如光譜儀和由這些平面堆疊制成的偏光計。
       
        在去年的重大突破中,研究人員解決了一個叫做色差的問題。當白光穿過典型的透鏡時,其不同波長的光線以不同的角度偏轉,從而聚焦在距透鏡不同的距離處;為了解決這個問題,今天的工程師需要將鏡片分層。現在,單個超透鏡可以將所有白光波長聚焦到同一個點上。除了創造這種“消除色差”的元透鏡之外,科學家們還開發了能夠校正其他像差的變形鏡,例如昏迷和散光,這會導致圖像失真和模糊。
       
        除了減小尺寸之外,超透鏡最終應該降低光學元件的成本,因為小尺寸透鏡可以用半導體工業中已在使用的相同設備制造。這一特性提高了制造光纖傳感器的光學和電子元件的誘人前景。
       
        然而,目前費用仍然很高,因為難以將納米級元件精確地放置在厘米級芯片上。其他限制也需要解決。到目前為止,超透鏡不像傳統鏡頭那樣有效地傳輸光 - 這是全彩色成像等應用中的一個重要功能。此外,它們太小而無法捕獲大量光線,這意味著,至少就目前而言,它們不適合拍攝高質量的照片。
       
        盡管如此,在未來幾年內,超透鏡可能會用于更小、更易于制造的傳感器、診斷工具,如內窺鏡成像設備和光纖。這些潛在的應用程序足以引起政府機構和三星和谷歌等公司的研究支持。至少有一家初創公司Metalenz預計將在未來幾年內將超透鏡推向市場。
       
        4. 一類特殊的蛋白質是有望治愈癌癥和阿爾茨海默氏癥靶向藥
       
        幾十年前,科學家們發現了一類特殊的蛋白質,可以將疾病從癌癥轉變為神經退行性疾病。這些“固有無序蛋白質”(IDPs)看起來與具有固定結構的蛋白質不同,后者在細胞中更為常見。IDPs是形狀移位者,表現為不斷改變配置的組成部分。這種松散的結構使得IDPs能夠在關鍵時刻匯集各種各樣的分子,例如在細胞對壓力的反應過程中。較不靈活的蛋白質傾向于具有更有限數量的結合配偶體。當IDPs不能正常運作時,就會引發疾病。
       
        然而,醫學研究人員無法創建消除或調節機能失調的IDPs的治療方法。事實上,許多藥物被認為是無法下藥的。這是因為現在使用的大多數藥物需要穩定的結構來定位,而且IDPs無法保持足夠長的時間。眾所周知的可導致癌癥的無序蛋白質 - 包括c-Myc,p53和K-RAS--已被證明過于難以捉摸。但這種情況正在開始改變。
       
        科學家正在利用生物物理學組合,計算能力和更好地理解IDPs來識別抑制這些蛋白質的化合物的方式,有些已成為真正的候選藥物。 2017年,法國和西班牙的研究人員發現,FDA批準的一種名為三氟哌啶(用于治療精神疾病和焦慮)的藥物與NUPR1(一種與胰腺癌有關的紊亂蛋白)結合并抑制其活性。大規模的篩選測試評估了數千種藥物的治療潛力,發現了幾種抑制c-Myc的藥物,其中一些正走向臨床發展。此外,還發現了一些分子可以作用于β-淀粉樣蛋白等IDPs,而β-淀粉樣蛋白與阿爾茨海默病等疾病有關。
       
        這一名單還將繼續增加,特別是當IDPs在被稱為無膜細胞器的關鍵細胞部分所起的作用變得更加清晰時。這些細胞器在特定的時間將重要的細胞分子(如蛋白質和RNA)聚集在一起,同時將其他分子分開。接近使某些反應更容易發生;分離可以防止各種反應。科學家們設計了一種功能強大的新型分子操縱工具,名為Corelets和CasDrop,可以讓研究人員控制這些細胞器的形成。通過使用這些工具和其他工具,研究人員了解到IDPs可能有助于控制這種細胞器的聚合、運轉和分開。
       
        業界也在押注IDPs的治療潛力。 生物技術公司IDP Pharma正在開發一種治療多發性骨髓瘤和小細胞肺癌的蛋白質抑制劑。 Graffinity Pharmaceuticals,現在是NovAliX的一部分,已經發現了一種小分子,可以靶向失調的tau蛋白,這種蛋白與阿爾茨海默病的病理有關。Cantabio制藥公司正在尋找小分子來穩定參與神經變性的IDPs。在未來三到五年內,這些曾經“無法下藥”的蛋白質將越來越有可能成為藥物開發的目標。
       
        5. 智能肥料減少環境污染
       
        為了養活世界上不斷增長的人口,農民需要提高作物產量。施用更多肥料可能有所幫助,但是標準版本效率低下并且經常損害環境。幸運的是,生態控制釋放肥料的產品已經可以使用并且變得越來越智能。
       
        農民通常以兩種方式施肥。用氨、尿素或其他物質噴灑田地,當它們與水反應時產生營養氮。或者使用鉀鹽或其他礦物質的顆粒來產生磷,也與水反應。但是這些營養成分相對較少進入植物。相反,大部分氮以溫室氣體的形式進入大氣,磷最終流入流域,經常引發藻類和其他生物的過度生長。相反,控制肥料配方和釋放速度可以確保顯著更高水平的營養物質到達作物,從而導致更高的產量和更少的肥料。
       
        一類被稱為緩釋肥料已經銷售了一段時間。這些配方通常由微小的膠囊組成,膠囊中含有氮,磷和其他所需營養素的物質。外殼減慢了水可以進入內部物質以釋放營養物的速率以及最終產物從膠囊中逸出的速率。結果,營養物質逐漸被排出,而不是快速流出去,無法有效吸收。較新的配方包括通過延遲原料(例如尿素)向營養素的轉化而進一步減緩營養物遞送的物質。
       
        最近,通過復雜的材料和制造技術開發了更完全符合“控制釋放”描述的肥料,這些材料和制造技術可以調節殼體,使得它們隨著土壤的溫度、酸度或濕度變化以所需的方式改變營養物釋放速率。通過組合不同類型的調制膠囊,制造商可以制作具有適合特定作物或生長條件需求的配方的肥料。Haifa Group和ICL Specialty Fertilizers等公司提供更精確的控制。例如,Haifa將養分釋放速率與溫度聯系起來;隨著氣溫升高,作物生長速度和養分排放量一起增加。
       
        雖然控釋技術使肥料更有效,但它們并沒有消除肥料使用的所有缺點。例如,產品仍包括氨,尿素和鉀堿;生產這些物質是能源密集型的,這意味著它們的生產會促進溫室氣體的產生和氣候變化。然而,通過使用環境友好的氮源并摻入提高植物吸收氮和磷的效率的微生物,可以減輕這種影響。沒有證據表明組成殼的材料會損害環境,但每當大量引入任何新物質時,都必須監測這種風險。
       
        控釋肥料是可持續農業方法的一部分,稱為精準農業。這種方法通過結合數據分析、人工智能和各種傳感器系統來確定在任何給定時間內植物需要多少肥料和水,并通過部署自動車輛在規定的數量和地點運送養分,從而提高作物產量,并將過量的養分釋放降到最低。然而,安裝精密系統的成本很高,因此只有大規模的操作才能使用它們。相比之下,先進的控釋肥料相對便宜,可以成為幫助農民持續增加作物產量的一線技術。
       
        6. 協作遠程呈現使距離(相對而言)變得無關緊要
       
        想象一下,世界各地的一群人順利地互動,好像他們本人在一起意愿,甚至能夠感受到彼此的觸摸。能夠實現這種“協作遠程呈現”的組件可以改變我們一起工作和玩耍的方式,使物理位置無關緊要。
       
        正如視頻通話應用程序(如Skype和FaceTime)已經成為消費者可以廣泛使用的商業領域,大型多人在線游戲已經徹底改變了人們在互聯網上的互動方式,協作遠程呈現可以改變人們在商業中虛擬協作的方式。例如,醫療服務提供者將能夠與患者遠程工作,就像他們在同一個房間一樣。朋友和家人將能夠享受共同的經歷,比如一起呆在一個舒適的房間里或游覽一個新的城市,即使他們實際上不在同一個地方。
       
        幾個領域的進展使這一前景變得可行。增強現實(AR)和虛擬現實(VR)技術已經變得足夠強大且價格合理,可以廣泛采用。電信公司正在以足夠快的速度推出5G網絡,以處理來自高級傳感器陣列的大量數據,而無需延遲時間。創新者正在完善技術,使人們能夠與遠程環境進行物理交互,包括觸覺傳感器,使人們可以感受到機器人頭像的觸摸。設想用于協作遠程呈現的完全感官沉浸將需要比視頻通話低得多的延遲時間——有時甚至可能要占用5G網絡——但預測人工智能算法可以消除用戶對時間間隔的感知。
       
        盡管協作遠程呈現仍然處于新興階段,但所有技術都已準備就緒,以便在三到五年內實現變革。例如,微軟和其他公司已經投資了預計將在2025年支撐數十億美元產業的技術。而XPRIZE基金會已經啟動了1000萬美元的ANA Avatar XPRIZE競賽(由全日空航空公司贊助),旨在啟動這些技術,將“人類的感覺,行動和存在實時傳遞到遠程位置,從而形成一個更加互聯的世界。” 隨著智能手機的普及,人們的日常生活和工作也將發生翻天覆地的變化。
       
        7. 先進的食品跟蹤和包裝將挽救生命并減少浪費
       
        據世界衛生組織統計,每年約有6億人食物中毒,有42萬人死亡。當疫情爆發時,調查人員可能需要數天或數周來跟蹤其來源。與此同時,更多人可能患病,大量未受污染的食物可能會跟著污染的食品一起被丟棄。尋找來源可能是一項緩慢的工作,因為食物從一個農場到另一個餐館的路徑復雜,而這些旅程的記錄保存在本地系統中,系統通常不會相互通信。
       
        聯合使用兩種技術可以減少食物中毒和食物浪費。第一個是區塊鏈技術(以管理虛擬貨幣而聞名)的創新應用,正在開始解決可追溯性問題。其次,增強的食品包裝正在提供新的方法來確定食品是否在適當的溫度下存放以及它們是否已經開始變質。
       
        區塊鏈是一種分散的會計系統,其中條目按順序記錄在多個相同的“分類賬”中,這些“分類賬”存儲在多個位置的計算機上。這種冗余使得篡改任何一個分類帳都是徒勞的,由此創建了一個高度可信的交易記錄。為食品行業開發的基于區塊鏈的云平臺IBM Food Trust已經被主要的食品銷售商所采用。
       
        通過將種植者、分銷商和零售商整合到一個共同的區塊鏈上,Food Trust創建了一個關于給定食品在端到端供應鏈中路徑的可信記錄。在對該技術的一項測試中,沃爾瑪幾秒鐘內就追蹤了“受污染”商品的來源;而如果靠文字和數字記錄的傳統方法,可能需要數天時間。有了這一功能,零售商和餐館幾乎可以立即將受污染的產品從流通中移除,只銷毀同一來源的庫存,而不是浪費該產品的全國庫存。許多食品企業巨頭 - 沃爾瑪,家樂福,山姆會員店,艾伯森公司,史密斯菲爾德食品公司,BeefChain,Wakefern Food(ShopRite的母公司)和Topco Associates(集團采購組織) - 都加入了IBM Food Trust。其他組織也引入了區塊鏈技術來增強可追溯性。
       
        為了從一開始就預防食物中毒,研究實驗室和公司正在開發小型傳感器,可以監測托盤、包裝盒或單獨包裝的產品的質量和安全。例如,Timestrip UK和Vitsab International獨立創建了一種傳感器標簽,如果一個產品被暴露在超過推薦的溫度,顏色就會改變;Insignia Technologies銷售的一種傳感器,包裝打開后,會慢慢改變顏色,顯示何時可以扔掉食物。(如果產品沒有儲存在適當的溫度下,顏色變化會更快。)此外,科學家們還在研制一種傳感器,用以探測變質過程中產生的氣體副產品。除了預防疾病,這種傳感器還可以通過顯示食物可以安全食用來減少浪費。
       
        不過,成本仍然是大規模使用這種傳感器的障礙。盡管如此,食品行業對確保食品安全和限制浪費的需求,正推動這項技術和區塊鏈向前發展。
       
        8. 更安全的核反應堆正在建設中
       
        控制大氣中的碳需要多種能源技術的結合——可能包括核反應堆。雖然核反應堆不排放碳,但由于發生了幾起重大事故,被認為是有風險的。而這種風險可以大大降低。
       
        幾十年來,商業反應堆使用相同的燃料:小顆粒的二氧化鈾堆積在由鋯合金制成的長圓柱形棒內。鋯允許粒子中裂變產生的中子輕松地穿過反應堆堆芯內浸在水中的許多棒,從而發生一種自我維持的、產生熱量的核反應。
       
        麻煩的是,如果鋯過熱,它會與水反應并產生氫,氫氣不穩定會爆炸。這種情況導致了世界上兩起最嚴重的反應堆事故:1979年美國三哩島的潛在爆炸和部分熔毀;2011年日本福島第一核電站爆炸和輻射泄露。(1986年切爾諾貝利事故是由于反應堆設計和運行故障造成的。)
       
        像西屋電氣公司和Framatome這樣的制造商正在加速開發所謂的事故耐受性燃料,這種燃料不太可能過熱,即使過熱,產生的氫氣也很少,甚至不產生氫氣。在一些變型中,涂覆鋯包層以使反應最小化。在其他情況下,鋯和甚至二氧化鈾都用不同的材料代替。
       
        盡管核電在美國停滯不前,并且正在德國和其他地方逐步淘汰,但俄羅斯和中國正在積極發展。對于這些新燃料的制造商而言,這些市場可能是有利可圖的。
       
        俄羅斯也在采取其他安全措施;國營公司Rosatom最近在國內外安裝了更新的“被動”安全系統,即使工廠的電力丟失,冷卻液無法主動循環,也能抑制過熱。西屋公司和其他公司也將被動安全功能納入其更新設計中。
       
        制造商也正在試驗“第四代”型號,它們使用液態鈉或熔鹽代替水來轉移裂變產生的熱量,從而消除了產生危險氫氣的可能性。
       
        在美國,長期以來,缺乏一個永久性的、深層的乏燃料地質儲存庫,阻礙了該行業的擴張。政治情緒可能正在發生變化。令人驚訝的是,今年春天,十多位美國國會議員提出了重新發放內華達州尤卡山核廢料儲存庫許可證的措施。自1987年以來,尤卡山一直被吹捧為美國領先的核廢料儲存庫。與此同時,阿拉斯加州參議員麗莎·穆爾科斯基主張在愛達荷州國家實驗室開發非常小的模塊化反應堆。一些西部州與俄勒岡州的NuScale Power公司就其12個模塊化反應堆達成了一項初步協議。改進燃料和小型反應堆的發展可能是核能再生的重要組成部分。
       
        9. DNA數據存儲比你想象中更快到來
       
        根據軟件公司Domo的說法,2018年,人們每分鐘在谷歌上進行388萬次搜索,在YouTube上觀看了433萬個視頻,發送了159,362,760封電子郵件,發送了473,000次推文,并在Instagram上發布49,000張照片。假設世界人口達到78億,到2020年,全球每人每秒可創建1.7兆字節的數據,相當于每年約418萬億億兆。
       
        如果是這樣的話,目前存儲0和1容量的磁性或光學數據存儲系統無法持續超過一個世紀。此外,運行數據中心需要大量的能量。簡而言之,我們即將面臨一個嚴重的數據存儲問題,隨著時間的推移,這個問題只會變得更加嚴重。
       
        硬盤驅動器的替代方案正在取得進展:基于DNA的數據存儲。由核苷酸A,T,C和G的長鏈組成的DNA是生命的信息存儲材料。數據可以按照這些字母的順序存儲,從而將DNA轉變為一種新的信息技術形式。它已經過常規排序(讀取),合成(寫入)并且可以輕松準確地復制。 DNA也是非常穩定的,就像50多萬年前的一匹化石馬的完整基因組測序所證明的那樣。而且儲存它不需要太多的能量。
       
        但最引人注目的是存儲容量。DNA能夠以遠遠超過電子設備的密度準確地存儲大量數據。例如,根據哈佛大學George Church及其同事2016年在《自然材料》雜志上發表的計算,簡單的大腸桿菌的存儲密度約為1019位/立方厘米。在這樣的密度下,世界上目前一年的存儲需求通過一個邊長約一米的DNA立方體就能得到滿足了。
       
        DNA數據存儲的前景不僅僅是理論上的。例如,在2017年,哈佛大學Church團隊采用了CRISPR DNA編輯技術,將人類手的圖像記錄到大腸桿菌的基因組中,其讀取準確率超過90%。華盛頓大學和微軟研究院的研究人員開發了一種全自動系統,用于編寫、存儲和讀取DNA編碼的數據。許多公司,包括微軟和Twist Bioscience,正在努力推進DNA存儲技術。
       
        與此同時,DNA已經被用于以不同的方式管理數據,研究人員正在努力解決大量數據。新一代測序技術的最新進展使得數十億個DNA序列同時輕松讀取。有了這種能力,研究人員可以使用條形碼 – 利用DNA序列作為分子識別“標簽” - 以跟蹤實驗結果。 DNA條形碼的采用,大大加快化學工程、材料科學和納米技術等領域的研究步伐。例如,在佐治亞理工學院,James E. Dahlman的實驗室正在迅速確定更安全的基因療法;其他人正在研究如何對抗耐藥性和預防癌癥轉移。
       
        讓DNA數據存儲變得普遍面臨的挑戰之一是讀寫DNA的成本和速度,如果要與電子存儲競爭,讀寫DNA的成本和速度需要進一步降低。即使DNA沒有成為一種無處不在的存儲材料,它也幾乎肯定會被用于以全新的規模生成信息,并長期保存某些類型的數據。
       
        10. 公用事業規模的能源儲存將實現可再生電網
       
        由于能源系統脫碳的日益緊迫性以及風能和太陽能技術成本急劇下降,世界電力供應方式正在快速轉變。據美國能源情報署稱,在過去十年中,美國可再生能源發電量增加了一倍,主要來自風能和太陽能裝置。在2019年1月,EIA預測風能、太陽能和其他非水電可再生能源將成為未來兩年中增長最快的電力組合。但這些能源的間斷性意味著,電力公司需要一種方法,在沒有陽光和沒有大風的時候,還能獲取能源。這種需求使得人們對儲能技術的興趣日益濃厚,尤其是鋰離子電池,它最終將不再只是電網中的一個小角色。
       
        幾十年來,抽水蓄能一直是美國主要的大規模蓄能方式。為了儲存能量,水被泵入更高的水庫;當需要這種能量時,水被釋放到下部水庫中,沿途一直流過水輪機。美國能源部的數據顯示,抽水蓄能目前占美國公用事業規模蓄能的95%。但隨著效率和可靠性的提高,以及制造成本的大幅下降,鋰離子電池的存在感也在上升。美國能源情報署(EIA)表示,它們占美國公用事業規模電池存儲容量的80%以上,到2019年2月,美國公用事業規模的電池儲能能力將從10年前的區區幾兆瓦躍升至866兆瓦。
       
        彭博新能源財經在2019年3月的一份分析報告中指出,自2012年以來,鋰離子電池的發電成本下降了76%,使其與通常以天然氣為動力的發電廠(在用電需求高的時候,這些發電廠就會啟動)的競爭力接近。到目前為止,雖然電池主要用于進行簡單、快速的調整來維持電力水平,但包括佛羅里達州和加利福尼亞州在內的幾個州的公用事業公司正在增加鋰離子電池,這種電池可以使用兩到四個小時。能源研究公司Wood Mackenzie預計,2018年至2019年,儲能市場將增長一倍,2019年至2020年將增長兩倍。
       
        據專家介紹,鋰離子電池很可能成為未來5到10年的主導技術,并且持續改進將導致電池能夠存儲4至8小時的能量。
       
        但是,要達到可再生能源和能源儲存能夠滿足發電基本負荷的水平,將需要更長時間跨度的能源儲存,這意味著要超越鋰離子電池。潛在的備選方案包括其他高科技選項,如用于泵送液體電解質的流電池和氫燃料電池,以及更簡單的概念,如抽水蓄能水電和所謂的重力蓄能。
       
        抽水蓄能水電一旦安裝就很便宜,但建造成本很高,而且只能在特定的地形上使用。類似地,重力存儲的概念也很簡單,它的目的是利用剩余的電力來抬起一個重塊,然后再放下來驅動渦輪機發電。盡管有幾家公司正在進行演示,并吸引了投資,但這個想法尚未實現。其他的替代方案仍在開發之中,以使它們與鋰離子電池相比,具有足夠的可靠性、效率和成本競爭力。
       
        美國能源情報署(EIA)的數據顯示,到2017年底,美國只部署了三套大規模的流電池存儲系統,而公用事業規模的氫系統仍處于示范階段。美國政府正在資助這一領域的一些工作,特別是通過高級研究項目機構,但這些技術和能源儲存方面的大部分投資都發生在中國和韓國,它們正加大對儲存研究的投入。
       
        目前尚不確定能源儲存成本是否會繼續下降以及將會持續下降多少。然而,各國政府(包括美國州和地方一級)實現無碳電力生產的持續承諾將繼續推動提供越來越多的存儲方案。
       
        (原標題:2019年十大新興技術:生物降解塑料、社交機器人、DNA數據存儲……)

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