革命往往源于最简单的想法。当一位名叫史蒂夫·乔布斯的年轻发明家想要为“没有电脑经验，也不特别想获得电脑经验的人”提供计算能力时，他引领我们从笨重的大型机和命令行提示符时代，走向了Macintosh和iPhone的轻松进步时代。他的想法帮助永远改变了我们与技术的联系。
在实验室里，还有哪些其他简单但具有革命性的想法正在等待合适的时机来大放异彩？我们找到了10个，在接下来的几页中，我们将解释它们是什么，以及它们可能如何改变现状：像人脑一样工作的计算机。可以在加油站加满电的电池。用数据制成的水晶球。将此系列视为我们对简单想法的力量的致敬。
永远的健康监测器 您的智能手机可以实时监测您的生命体征，并在出现第一个麻烦迹象时发出警报
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大多数人在胸痛或可疑肿块时会去看医生，但这些迹象往往出现得太晚。更早地发现症状需要持续监测——这正是手机可以做的事情。利用来自手机的持续数据流的健康扫描系统可以帮助消除症状出现和诊断之间的危险延迟时间。移动设备还可以帮助护理提供者在问题变得过于严重且过于昂贵而无法有效解决之前识别和治疗问题。理论上，这种始终在线的预警系统可以大幅削减用于慢性病管理的75%的医疗保健支出，并通过避免数百万潜在的健康危机来延长寿命。
移动市场充斥着华而不实的健康应用程序，但一些出色的系统有望帮助用户管理慢性病或识别危险信号症状。AliveCor的iPhone ECG是一款塑料手机壳，预计将于2012年初获得美国食品和药物管理局的批准，其背面的两个金属电极可以在用户双手握持设备或将其按在胸前时记录心律。这种实时心电图 (ECG) 数据可以无线传输给患者、家人和医生，提醒他们注意任何心律不齐。“它不仅为人们提供了早期预警，而且还提供了没有传统ECG工具相关成本的预警，”该设备的开发者、生物医学工程师大卫·阿尔伯特说。同样，法国公司Withings开发了一种与iPhone配合使用的血压监测设备。用户戴上时尚的白色袖带后，读数会在30秒内在手机屏幕上弹出；如果读数异常，也会出现警告。WellDoc获得FDA批准的糖尿病应用程序DiabetesManager允许患者将各种实时数据输入到他们的手机中，例如血糖水平、摄入的碳水化合物和服用的糖尿病药物。该软件分析所有这些因素，并为患者提供保持血糖水平在健康范围内的建议操作（服用胰岛素、吃东西）。9月份发表的一项试验表明，DiabetesManager用户比非用户具有明显更好的长期血糖控制。
到目前为止，新系统在很大程度上是彼此脱节的，许多系统仍处于开发阶段。然而，无线健康专家表示，它们代表着一个时代的开始，在这个时代，移动健康监测系统将无缝且协调地工作，为消费者及其医生提供全面、数据驱动的整体健康状况图。“从技术上讲，可以按下[手机上的]按钮，然后说，‘我想实时查看我的生命体征，’”斯克里普斯转化科学研究所所长埃里克·托波尔说。
最大的障碍是传感器技术。传统的血糖监测仪必须刺穿皮肤才能工作，很少有人愿意随身携带血压袖带或粘贴式电极。但更方便的替代品即将出现。日本的科学家最近创造了可注射的荧光纤维，用于监测血糖。托波尔说，未来基于纳米颗粒的传感器阵列与智能手机连接，可以实现更可靠的生命体征监测，最吸引人的是，可以更早地检测到疾病标志物，例如抗体。例如，可以检测所谓肿瘤标志物的传感器可以立即向移动设备发送警报，让患者可以选择在癌细胞扎根之前开始预防性化疗。此外，移动健康监测越简单，消费者就越有可能注册。2010年的一项调查发现，40%的美国人愿意每月支付订阅费，以获得可以将血压、血糖或心率数据发送给他们医生的移动设备。
无线生命科学联盟副总裁保罗·索尼耶指出，当移动健康监测与基因分析相结合时，尽早解决健康问题将变得更加容易。例如，如果患者携带一种易患糖尿病或早期癌症的基因，她可能会佩戴一种不显眼的传感器，将任何异常情况通知她的手机。“你将拥有一个嵌入式纳米传感器，可以抢在胰腺胰岛细胞的第一次攻击、第一个出现的癌细胞之前，”托波尔说。如果移动健康监测系统发挥其潜力，它们将充当永远存在的哨兵，在人们意识到自己处于危险之中之前保护他们。——伊丽莎白·斯沃博达
像大脑一样思考的芯片 神经计算机将在所有让普通机器束手无策的任务中表现出色
Dharmendra S. Modha可能是地球上唯一一位团队中有一位精神病学家的微芯片架构师——这并不是为了让他的工程师保持理智。相反，他的合作者，一个由五所大学和尽可能多的IBM实验室组成的联盟，正在研究一种模仿神经元的微芯片。
他们称他们的研究为“认知计算”，其首批产品是两款微芯片，每款都由256个人工神经元组成，于8月份发布。现在它们所能做的就是打败Pong游戏的访客或导航简单的迷宫。然而，最终目标是雄心勃勃的：将人脑的神经计算能力放入一个小的硅芯片中。SyNAPSE计划由美国国防高级研究计划局资助，正在构建一个拥有100亿个神经元和100万亿个突触的微处理器，其规模大致相当于人脑的一个半球。他们预计它的体积不会超过两升，并且消耗的电力与10个100瓦灯泡一样多。
尽管看起来如此，Modha坚称他不是在试图创造一个大脑。相反，他的团队正在尝试创造一种替代自计算机发明以来几乎每台计算机都采用的通用架构的方案。普通芯片必须通过一个单一的、狭窄的通道传递指令和数据，这限制了它们的最高速度。在Modha的替代方案中，每个人工神经元都将拥有自己的通道，从一开始就内置了大规模并行处理能力。“我们正在构建的是一个通用基板，一种平台技术，它可以作为各种应用的基础，”Modha说。
佐治亚州立大学的神经科学家唐·爱德华兹说，如果成功，这种方法将是模拟神经网络30年工作的顶峰。即使是IBM的竞争对手也印象深刻。“神经形态处理为解决传统系统设计难以解决的问题提供了潜力——有些人会说是不可能解决的问题，”总部位于西雅图的Cray公司副总裁巴里·博尔丁说。
Modha强调，认知计算架构不会取代传统计算机，而是会补充它们，预处理来自嘈杂现实世界的信息，并将其转换为传统计算机可以处理的符号。例如，Modha的芯片将在模式识别方面表现出色，例如从人群中挑选出一张脸，然后将此人的身份发送到传统计算机。
如果这一切听起来有点像机器的崛起，那么也许令人稍感安慰的是，这些芯片不擅长数学。“正如大脑在今天的计算机上难以表示一样，传统计算机擅长的非常快速的加法和减法在大脑状网络上非常低效。两者都不能取代对方，”Modha说。——克里斯托弗·米姆斯
皮肤里的钱包 忘记手机支付系统吧——只需挥挥手即可付款
当皮内拉斯县学校的学生在自助餐厅装满餐盘并走到收银台时，他们只需挥挥手，然后继续和朋友们一起吃午饭。佛罗里达州这个县的学校在收银台安装了平方英寸大小的传感器，通过每个学生手掌中的静脉图案来识别他们。购买午餐无需卡或现金。他们的手是他们唯一需要的钱包。
他们正在使用的富士通PalmSecure系统使这些年轻人能够快速通过队伍——自该计划启动以来，等待时间缩短了一半——这在午餐时间只有30分钟的学校中是一个重要的考虑因素。卡罗莱纳州医疗保健系统也使用相同的技术来识别180万患者，无论他们是否清醒，该组织运营着30多家医院。它也被用作日本东京三菱日联银行交易的额外身份验证。
许多身体特征可以让机器识别个人，但只有少数特征既独特又足够容易访问，从而可以直接使用。指纹和面部识别不像我们被引导相信的那样独特，并且可能导致误报。它们也很容易伪造。虽然虹膜是独特的，但捕获虹膜需要有人凝视阅读设备并持续几秒钟不眨眼，这很容易出错并且感觉具有侵入性。手掌中静脉的三维配置因人而异，并且易于用无害的近红外光读取。那么，为什么我们仍然用信用卡支付一切费用呢？
安全专家布鲁斯·施奈尔说，这种“数字钱包”的唯一障碍是银行和科技公司采用它的速度很慢。“信用卡只是一种指向数据库的指针，”施奈尔说。“它采用方便的矩形形式，但它不必如此。进入壁垒不是基于安全性的，因为安全性只是一个次要考虑因素。”
一旦大型零售商或政府机构实施了这样的系统——想象一下，只需击掌即可进入地铁——它就有可能变得无处不在。金融行业已经处理了大量的欺诈和误报，而转向生物识别技术不太可能改变这种负担。它将使购买变得像挥手一样简单。——克里斯托弗·米姆斯
不会死机的计算机 人们必须管理自己的时间。为什么我们的机器不能做同样的事情呢？新软件将使它们保持流畅运行
吉姆·霍尔特的智能手机并没有那么智能。它有一个他用来查找餐厅的地图应用程序，但当他完成搜索后，该应用程序继续消耗大量电力和内存，以至于他甚至无法做像发送短信这样的简单事情，飞思卡尔半导体公司的工程师霍尔特抱怨道。
霍尔特的手机突显了当今计算系统的一个普遍问题：系统的一部分不知道另一部分在做什么。每个程序都尽可能多地吞噬资源，而操作系统太笨，无法意识到用户此时关心的那个应用程序正在被挤压。这个问题不仅困扰着智能手机，也困扰着个人电脑和超级计算机，而且随着越来越多的机器依赖多核处理器，这个问题会变得越来越糟。除非计算机的各个组件学会相互沟通它们的可用性和需求，否则计算的未来可能无法达到其辉煌的过去。
霍尔特和他在安格斯特朗项目（麻省理工学院领导的研究联盟）的合作者提出了一个答案：“自我感知”计算机。在传统计算机中，硬件、软件和操作系统（硬件和软件之间的中间人）无法轻易知道其他组件在做什么，即使它们都在同一台机器内部运行。例如，操作系统不知道视频播放器应用程序是否运行困难，即使观看视频的人肯定会注意到画面卡顿。
去年，麻省理工学院的一个团队发布了Application Heartbeats，这是一款研究软件，用于监控所有不同应用程序的运行状况。例如，它可以判断视频软件以每秒15帧的速度运行，而不是最佳的30帧。
这个想法最终是让操作系统能够检测到应用程序运行速度慢到无法接受时，并考虑潜在的解决方案。如果计算机有充足的电池电量，也许操作系统会将更多的计算能力导向该应用程序。如果不是，也许操作系统会告诉应用程序使用质量较低但效率更高的一组指令。操作系统会从经验中学习，因此第二次解决问题可能会更快。自我感知计算机将能够处理复杂的任务，例如“运行这三个程序，但优先处理第一个程序”和“尽可能节省能源，只要不干扰我正在尝试观看的这部电影”。
下一步是设计一个后续操作系统，可以调整分配给任何一个程序的资源。如果视频运行缓慢，操作系统会为其分配更多电力。但是，如果它以每秒40帧的速度运行，计算机可能会将电力转移到其他地方，因为对于人眼来说，每秒40帧的电影看起来并不比每秒30帧的电影更好。“我们能够比今天的标准做法节省40%的电力，”麻省理工学院计算机科学博士生亨利·霍夫曼说，他正在研究该软件。
该项目首席科学家阿南特·阿加瓦尔说，自我感知系统不仅会让计算机更智能，而且对于管理未来越来越复杂的计算机也可能至关重要。在过去的十年中，计算机工程师在计算机中添加了越来越多的基本计算单元，称为内核。今天的计算机有两到四个内核，但未来的机器将使用从几十个到数千个内核不等的内核。这将使得在内核之间分配计算任务的任务（程序员现在明确地做这件事）几乎不可能完成。自我感知系统将减轻程序员的负担，自动调整程序的内核使用。
加州大学洛杉矶分校电气工程教授约翰·维拉塞诺尔（他没有参与安格斯特朗项目）说，能够处理如此多的内核可能会带来全新的计算速度水平，为更快机器的持续趋势铺平道路。“当我们拥有非常大量的内核时，我们必须拥有某种程度的自我感知系统，”维拉塞诺尔说。“我认为你会在未来几年看到其中的一些要素。”——弗朗西·迪耶普
无国界货币 世界上第一个数字货币切断了中间商，并保持用户匿名
想象一下，如果您走进一家熟食店，点了一份俱乐部三明治，扔下一些美元钞票，收银员对您说：“太好了。我现在只需要您的姓名、账单地址、电话号码、母亲的娘家姓和银行帐号。”大多数顾客会拒绝这些要求，然而，这正是每个人在互联网上支付商品和服务的方式。
网络上没有像美元钞票那样直接和匿名的货币。相反，我们依靠信用卡公司等金融代理来处理我们的交易（他们会从销售额中抽取一部分，以及您的个人信息）。随着比特币的兴起，这种情况可能会发生改变，比特币是一种完全数字化的货币，像现金一样具有流动性和匿名性。比特币网络的领导者之一加文·安德烈森说，这“就像您拿起一张美元钞票，将其压缩到您的计算机中，并通过互联网发送出去一样”。
比特币是比特——可以在对等网络上从一个用户传输到另一个用户的代码字符串。虽然大多数比特字符串可以无限复制（这种属性会使任何货币变得一文不值），但用户只能使用比特币一次。强大的密码学保护比特币免受潜在窃贼的侵害，而对等网络消除了对Visa或PayPal等中央看门人的需求。该系统将权力掌握在用户手中，而不是金融中间商手中。
比特币借鉴了众所周知的密码学程序的概念。该软件为每个比特币用户分配两个唯一的代码：一个隐藏在用户计算机上的私钥和一个每个人都可以看到的公共地址。密钥和地址在数学上是链接的，但从某人的地址中找出他的或她的密钥实际上是不可能的。如果我拥有50个比特币并想将它们转移给一位朋友，该软件会将我的密钥与我朋友的地址结合起来。网络上的其他人使用我的公共地址和私钥之间的关系来验证我拥有我想花费的比特币，然后使用破译算法转移这些比特币。第一个完成计算的计算机会不时获得一些比特币奖励，这吸引了各种各样的用户集体维护系统。
据报道，第一笔比特币购买是在2010年初用10,000个比特币购买披萨。从那时起，比特币和美元之间的汇率就像爵士独奏中的音符一样在整个范围内反弹。由于货币的波动性，只有极少数在线商家会接受比特币付款。目前，比特币社区规模很小，但特别热情——就像互联网的早期采用者一样。——摩根·佩克
微生物矿工 细菌提取金属并在之后清理残局
自青铜时代以来，采矿业并没有发生太大变化：要从矿石中提取有价值的金属，需要施加热量和化学试剂（如木炭）。但是这种技术需要大量能源，这意味着它对于金属浓度较低的矿石来说太昂贵了。
矿工们越来越多地转向细菌，这些细菌可以从这种低品位矿石中廉价地在环境温度下提取金属。通过使用细菌，采矿公司只需将微生物播种到废堆中并用稀酸灌溉，即可从金属浓度低于1%的矿石中提取高达85%的金属。在堆内，Acidithiobacillus或Leptospirillum细菌氧化铁和硫以获取能量。当它们进食时，它们会产生反应性三价铁和硫酸，这会降解岩石材料并释放出有价值的金属。
生物技术也正在被用于清理旧矿山产生的酸性径流，在此过程中提取最后一点珍贵的金属。Desulfovibrio和Desulfotomaculum等细菌会中和酸并产生硫化物，硫化物与铜、镍和其他金属结合，将它们从溶液中拉出来。
由于高品位矿石日益稀缺，生物采矿近年来出现了前所未有的增长。
采矿顾问科拉莱·布里尔利估计，世界上近20%的铜来自生物采矿，自1990年代中期以来，产量翻了一番。“采矿公司过去丢弃的东西就是我们今天所说的矿石，”布里尔利说。
下一步是将细菌清洁工释放到矿山废料中。威尔士班戈大学研究酸性矿山排水生物解决方案的大卫·巴里·约翰逊估计，细菌矿山清理需要20年才能实现收支平衡。“随着世界走向碳依赖程度较低的社会，我们必须寻找以更节能和更自然的方式做事的方法，”约翰逊说。“那是长期目标，事情正在朝着那个方向顺利发展。”——莎拉·费克特
无需重新种植的作物 全年作物可以稳定土壤并提高产量。它们甚至可以对抗气候变化
在农业出现之前，地球上大部分地区都覆盖着多年生植物，这些植物年复一年地生长。这些多年生植物逐渐被每年都需要重新种植的粮食作物所取代。现在，科学家们正在考虑通过创造熟悉的作物（如玉米和小麦）的多年生品种来逆转这种转变。如果他们成功了，世界上一些最贫困地区的农田产量可能会飙升。这些植物也可能吸收地球大气中一些过量的碳。
农业科学家们几十年来一直梦想着用同等的多年生植物取代一年生植物，但实现这一目标所需的基因技术只是在过去的10或15年中才出现，农业生态学家杰里·格洛弗说。多年生植物比每年必须重新种植的作物具有许多优势：它们深厚的根系可以防止侵蚀，这有助于土壤保持磷等关键矿物质，而且它们比一年生植物需要更少的肥料和水。传统种植的单一作物是大气碳的来源，而种植多年生植物的土地不需要耕作，使其成为碳汇。
马拉维的农民已经通过在他们通常的主食玉米行之间种植多年生木豆行，获得了大幅提高的产量。木豆是自给自足农民非常需要的蛋白质来源，但豆类也增加了土壤的保水性，并在不降低给定土地上的主要作物产量的情况下使土壤碳和氮含量翻倍。
然而，要将多年生植物提升到下一个水平——在传统作物的规模上采用它们——将需要大量的科学努力。康奈尔大学的植物遗传学家埃德·巴克勒计划开发一种多年生玉米品种，他认为需要五年时间才能确定负责该性状的基因，还需要十年时间才能培育出可行的品系。“即使使用可用的最高技术方法，多年生玉米也几乎肯定需要20年才能问世，”格洛弗说。
科学家们一直在通过使用先进的基因分型技术来加速多年生植物的开发。他们现在可以快速分析具有理想性状的植物基因组，以寻找基因与这些性状之间的关联。当第一代植物产生种子时，研究人员直接对幼苗进行测序，以找出数千株幼苗中保留这些性状的少数幼苗（而不是等待它们长成成虫，这可能需要数年时间）。
一旦一年生作物的多年生替代品可用，推广它们可能会对碳排放产生重大影响。关键在于它们的根系，根系会在每立方米表土中固存相当于该土壤质量1%的碳量。英国生物技术和生物科学研究委员会首席执行官道格拉斯·凯尔计算出，每年用多年生植物取代世界上2%的一年生作物，就可以消除足够的碳来阻止大气中二氧化碳的增加。将地球上所有农田都改为多年生植物将固存相当于百万分之118的二氧化碳——换句话说，足以将大气温室气体的浓度拉回到工业化前的水平。——克里斯托弗·米姆斯
电动汽车的液体燃料 一种新型电池可以用纳米技术原油取代化石燃料
更好的电池是电动汽车能够一次充电行驶数百英里的关键，但现有技术的进步令人恼火地缓慢，而突破性进展还遥遥无期。然而，一种组织现代电池内部结构的新方法有可能使此类电池的储能能力翻倍。
麻省理工学院教授Yet-Ming Chiang在他在2001年共同创立的电池公司A123 Systems休假期间想到了这个想法。如果有一种方法可以将所谓的液流电池（将液体电解质推过电池）的最佳特性与当今最好的锂离子电池（我们消费电子产品中已有的那种电池）的能量密度结合起来，会怎么样呢？
液流电池将能量存储在液体电解质罐中，能量密度较差，能量密度是衡量它们可以存储多少能量的指标。它们的唯一优点是扩大规模很简单：您只需构建一个更大的能量存储材料罐即可。
蒋和他的同事们构建了一个工作原型电池，该电池的能量密度与传统的锂离子电池一样，但其存储介质本质上是液体，就像液流电池一样。蒋称之为“剑桥原油”——一种黑色浆液，由纳米级颗粒和储能金属颗粒组成。
如果您可以在电子显微镜下可视化剑桥原油，您会看到由相同材料制成的粉尘大小的颗粒，这些材料构成了许多锂离子电池中的负极和正极，例如钴酸锂（用于正极）和石墨（用于负极）。
在这些相对较大的颗粒之间，悬浮在液体中的将是由碳制成的纳米级颗粒，这是这项创新的秘诀。它们聚集在一起形成海绵状网络，形成“液体导线”，将电池的较大颗粒连接起来，离子和电子存储在其中。结果是，即使其纳米级组件不断保持电子在其储能介质颗粒之间传输的通道，液体也能够流动。
“这真是一种独特的电气复合材料，”蒋说。“我不知道还有什么东西像它一样。”
电池的工作材料可以流动这一事实引发了一些有趣的可能，包括配备这些电池的汽车可以驶入服务站并加满剑桥原油以补充电量的想法。蒋在项目上的合作者、麻省理工学院的W.克雷格·卡特建议，用户或许可以更换类似装满电解质的丙烷罐的东西，而不是在插座上充电。
然而，将带电电解质移入和移出他的电池并不是蒋正在追求的第一个商业应用。他已经与卡特和企业家特鲁普·怀尔德共同创立了一家名为24M Technologies的新公司，以将团队的工作推向市场。卡特和蒋对该公司将首先发布什么产品守口如瓶，但他们强调了这些电池在电网存储应用中的适用性。蒋说，即使是相对少量的存储也可以对风能和太阳能等间歇性能源的性能产生重大影响。基于他的设计的公用事业规模电池的能量密度至少是传统液流电池的10倍，使其更紧凑，并且可能更便宜。
然而，剑桥原油在商业上可行之前还有很长的路要走。“一位怀疑论者可能会说，这种新设计提供的挑战性问题比潜在解决方案可能提供的好处要多得多，”一所主要研究型大学的储能项目负责人说，他匿名发言，以免冒犯同事。泵送流体通过电池单元所需的所有额外机械装置都会给系统增加不必要的质量。“泵、储罐、管道以及额外所需的电解质和碳添加剂的重量和体积可能会使[该技术比]最先进的技术更重。”这些电池在时间和多次充放电循环中的稳定性也可能不如传统的锂离子电池。
一个更根本的问题是，这些新电池的充电时间会更慢——卡特说，比传统电池慢两到四倍。这给需要快速电力传输的汽车带来了问题。一种解决方法可能是将其与传统电池或超级电容器配对，超级电容器可以在几秒钟内释放能量，以缓冲制动和加速期间的传输。
然而，新设计很有前景。德雷塞尔大学的材料工程师尤里·戈戈齐说，在“颗粒流体”中存储能量的系统应该与几乎任何电池化学物质兼容，使其成为该领域未来创新的倍增器。“它开辟了一种设计电池的新方法，”戈戈齐说。——克里斯托弗·米姆斯
纳米级杀菌剂 微小的刀具可能是对抗超级细菌的重要武器，耐药性结核病正在猖獗
据世界卫生组织称，耐药性结核病正在欧洲肆虐。治疗方案很少——抗生素对这些高度进化的菌株不起作用——大约50%的感染者会死于该疾病。严峻的形势反映了对抗其他耐药性疾病（如MRSA）的斗争，MRSA是一种葡萄球菌感染，每年在美国夺走19,000人的生命。
希望来自纳米技术刀具。IBM Research–Almaden的科学家们设计了一种能够通过刺穿细菌膜彻底破坏细菌细胞的纳米颗粒。
纳米颗粒的外壳带正电荷，这使它们与带负电荷的细菌膜结合。“颗粒进入，附着，然后翻转过来并钻入膜中，”IBM材料科学家吉姆·海德里克说，他与新加坡生物工程与纳米技术研究所的合作者一起从事该项目。如果没有完整的膜，细菌就会像被刺破的气球一样萎缩。纳米颗粒对人类无害——例如，它们不会接触红细胞——因为人类细胞膜不具有与细菌膜相同的电荷。在纳米结构完成其工作后，酶会分解它们，身体会将它们冲洗出去。
海德里克希望在未来几年内看到纳米颗粒的人体试验。如果这种方法成立，医生可以将注入纳米颗粒的凝胶和乳液喷洒到住院患者的皮肤上，以预防MRSA感染。或者，工人可以将颗粒注射到血液中，以阻止全身耐药性生物，例如链球菌，链球菌会导致败血症和死亡。即使它成功了，这种治疗也必须克服对血液中纳米技术钻孔的想法的任何不安。但是地球上最顽固的细菌不会轻易屈服。——伊丽莎白·斯沃博达