如果能轻易地从沙漠空气中获取饮用水，而无需从电网获取大量电力，那会怎么样？如果医生可以在不使用任何刀片的情况下对疑似癌症进行活组织检查，那会怎么样？如果我们不必等待太久才能得到结果，那会怎么样？使这些愿景成为现实的技术有望在未来几年变得越来越普遍。这份特别报告由《大众科学》和世界经济论坛专家网络合作编写和制作，重点介绍了 10 项此类新兴技术。
为了选出今年新兴技术报告的入选者，我们召集了一个由世界知名技术专家组成的指导小组。委员会提出了建议，并征求了论坛专家网络和全球未来委员会成员、《大众科学》顾问委员会以及其他关注学术界、商业界和政府部门新兴研发成果的人士的建议。然后，该小组通过关注那些尚未普及但正在吸引更多资金或显示出准备好进入下一阶段迹象的技术，缩小了选择范围。这些技术还必须为社会和经济带来显著效益，并具有改变既有做事方式的力量。——玛丽埃特·迪克里斯蒂娜和伯纳德·S·梅尔森
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1 公共卫生：阳光造水
从空气中提取水分的技术现在由太阳能驱动
作者：唐娜·J·纳尔逊和杰弗里·卡贝克
数十亿人在一年中的全部或部分时间里缺乏清洁用水，或者必须长途跋涉才能取水。直接从空气中提取水将对他们来说是不可估量的福音。但是，现有技术通常需要高湿度气候和大量电力，这既昂贵又常常无法获得。由于正在开发的稳健系统依赖于易于获得的太阳能，这个问题现在变得更容易解决。它们是可扩展的，甚至可以在干旱地区工作——世界三分之一的人口居住在干旱地区，而且常常很贫困。
麻省理工学院和加州大学伯克利分校的合作者测试了一种完全不需要电力的方法。该团队的目标是使其技术克服大多数能够从大气中吸收水分的材料（例如加湿器中的沸石）的一个显著问题：除了需要高湿度外，它们只有在被大幅加热时才会释放出捕获的水，这需要能量。
图片来源：埃里克·彼得森
研究人员围绕一类称为金属有机框架 (MOF) 的多孔晶体设计了他们的系统，这些晶体是化学家奥马尔·M·亚吉在多年前开发的，他现在在加州大学伯克利分校小组工作。通过选择金属和有机物的特定组合，科学家可以选择每种 MOF 的化学性质，从而定制其用途。除了其多功能性外，MOF 的巨大前景还在于其惊人的大孔：其内部表面积几乎是多孔沸石的 10 倍。作为参考，一克 MOF 晶体（大小如方糖）的内部表面积大约等于一个足球场的面积。
今年 4 月，亚吉的小组与麻省理工学院机械工程师伊芙琳·王的小组一起，报告了一种原型设备，该设备采用了 MOF-801 或富马酸锆，它对水具有很高的亲和力。它将空气中的水分吸入其大孔中，并在自然阳光的低等级热量的响应下，轻松地将水输送到收集器中。即使在相对湿度低至 20%（类似于沙漠的湿度）的条件下，该设备每天每公斤 MOF 也能收集 2.8 升水。（据亚吉称，一个人每天至少需要相当于一罐苏打水的水量，即 355 毫升饮用水。）此外，它不需要额外的能量输入。研究人员看到了更大的改进空间。进一步的 MOF 成分实验应使该技术更便宜（锆目前每公斤 150 美元），增加单位材料收集的水量，并使研究人员能够根据不同的微气候定制 MOF。
采取不同策略的亚利桑那州斯科茨代尔市的一家名为 Zero Mass Water 的初创公司已开始销售一种基于太阳能的系统，该系统无需连接到电网或现有供水系统。太阳能电池板提供的能量既驱动空气通过专有的吸水材料，又为提取的水分冷凝成液体提供动力。当阳光不充足时，小型锂离子电池驱动设备运行。该公司表示，一个带有一个太阳能电池板的装置每天可以生产两到五升液体，这些液体存储在 30 升的储水箱中，其中添加了钙和镁，以促进健康和改善口感。
Zero Mass Water 的创始人、亚利桑那州立大学的材料科学家科迪·弗里森开发该系统的目的是使其在全球任何地方都能可持续且轻松地工作。在美国，安装一个太阳能电池板的系统售价约为 3,700 美元。这个价格标签包括必须捐赠 10% 的款项，用于降低在全球缺乏供水基础设施的地区的安装成本。弗里森指出，在美国减少瓶装水需求的同一装置也可以为缺水的学校提供清洁用水，以便孩子们“能够接受教育，而不是生病”。
他说，在过去一年中，系统已部署在美国西南部和其他几个国家/地区——其中包括墨西哥、约旦和阿拉伯联合酋长国——该公司最近在美国国际开发署的资助下向黎巴嫩运送了面板，为叙利亚难民提供用水。弗里森补充说，当大多数人想到太阳能时，“他们想到的是电力。在未来，人们会想到水的充足供应。”
2 能源：人造叶片燃料
模仿光合作用的技术以可持续的方式将二氧化碳转化为燃料
作者：哈维尔·加西亚·马丁内斯
人造叶片的想法非常有道理。当然，叶片利用太阳的能量将二氧化碳转化为碳水化合物，为植物的细胞活动提供能量。几十年来，科学家们一直在努力设计一种类似于光合作用的过程，以产生可以储存起来供以后使用的燃料。这可以解决太阳能和风能的一个主要挑战——在阳光不充足和空气静止时提供一种储存能量的方法。
多年来，许多研究人员为开发一种人工光合作用形式做出了贡献，在这种形式中，阳光激活的催化剂分解水分子，产生氧气和氢气——后者是一种有价值的化学物质，可用于各种可持续技术。更接近实际光合作用的一步是利用这种氢气进行还原反应，将 CO2 转化为碳氢化合物。像真正的叶片一样，该系统将仅使用 CO2、水和阳光来生产燃料。这一成就可能是革命性的，能够创建一个闭合系统，其中燃烧排放的二氧化碳被转化回燃料，而不是增加大气中的温室气体。
几位研究人员正在追求这个目标。最近，一个小组证明，有可能将水分解和 CO2 转化为燃料结合到一个系统中，并具有很高的效率。在 2016 年 6 月的《科学》杂志上，哈佛大学的丹尼尔·G·诺塞拉和帕梅拉·A·西尔弗及其同事报告了一种制造液体燃料（特别是杂醇油）的方法，该方法远远超过了天然叶片将二氧化碳转化为碳水化合物的效率。植物仅使用从太阳获得的能量的 1% 来制造葡萄糖，而人工系统在将二氧化碳转化为燃料方面的效率约为 10%，相当于每千瓦时发电量从空气中提取 180 克二氧化碳。
研究人员将无机太阳能水分解技术（旨在仅使用生物相容性材料并避免产生有毒化合物）与专门设计用于生产燃料的微生物配对，所有这些都在一个容器中完成。值得注意的是，这些代谢工程细菌即使在低 CO2 浓度下也能产生各种各样的燃料和其他化学产品。该方法已准备好扩大规模，以至于催化剂已经包含廉价、容易获得的金属。但是研究人员仍然需要大大提高燃料产量。诺塞拉说，该团队正在努力制作该技术的原型，并正在与几家公司进行合作讨论。
诺塞拉对这项基础技术有一个更大的愿景。除了以可持续的方式生产富含氢和碳的燃料外，他还证明，为该系统配备另一种代谢改变的细菌可以在土壤中直接生产氮基肥料，这种方法将提高传统肥料不易获得的地区的作物产量。细菌利用氢气和 CO2 形成一种生物塑料，用作燃料供应。一旦微生物含有足够的塑料，它就不再需要阳光，因此可以埋在土壤中。在从空气中吸收氮气后，它利用塑料中的能量和氢气来制造肥料。在含有微生物的土壤中生长的萝卜最终比对照萝卜重 150%。
诺塞拉承认，他最初只是为了看看这个想法是否可行而进行了肥料测试。然而，他设想，未来细菌将“吸入”水分解产生的氢气，并最终利用氢气生产从燃料到肥料、塑料和药物等各种产品，具体取决于为这些细菌设计的特定代谢改变。
3 计算：像人类一样看世界的 AI
用于视觉任务的深度学习工具正在改变医学、安全等领域
作者：阿普夫·米什拉
在过去的 30 年中，计算机视觉技术一直难以表现良好，即使是在像准确识别照片中的人脸这样平凡的任务中也是如此。然而，最近，深度学习（人工智能的一个新兴领域）的突破最终使计算机能够像人类一样成功地，甚至比人类更好地解释许多种类的图像。公司已经开始销售利用该技术的产品，该技术很可能接管或协助人们现在从事的各种工作，从驾驶卡车到解释扫描结果以诊断医疗疾病。
卷积神经网络 (CNN) 这种深度学习方法最近的进展是最新进展的关键。为了举一个简单的例子来说明它的威力，请考虑动物图像。虽然人类可以很容易地区分猫和狗，但 CNN 可以让机器比人类更成功地对特定品种进行分类。它之所以出色，是因为它能够更好地学习，并从图像中微妙的、有说服力的模式中得出推论。
图片来源：埃里克·彼得森
CNN 不需要被编程来识别图像中的特定特征——例如，动物耳朵的形状和大小。相反，它们被教导要自己发现这些特征。例如，为了训练 CNN 将英国激飞猎犬与威尔士激飞猎犬区分开来，您需要从数千张动物图像开始，包括这两个品种的示例。像大多数深度学习网络一样，CNN 以层级结构组织。在较低层，它们从图像中学习简单的形状和边缘。在较高层，它们学习复杂和抽象的概念——在本例中，是耳朵、尾巴、舌头、毛皮纹理等的更详细方面。经过训练后，CNN 可以轻松地判断动物的新图像是否显示了感兴趣的品种。
CNN 的实现得益于过去十年图形处理单元和并行处理的巨大进步。但互联网也通过满足 CNN 对数字化图像的无限需求而产生了深远的影响。
由深度学习驱动的计算机视觉系统正在为各种应用而开发。该技术通过增强识别行人的能力，使自动驾驶汽车更安全。保险公司开始应用这些工具来评估汽车损坏程度。在安防摄像头行业，CNN 使理解人群行为成为可能，这将使公共场所和机场更安全。在农业领域，深度学习应用可用于预测作物产量、监测水位，并帮助在作物疾病蔓延之前检测到它们。
用于视觉任务的深度学习正在医学领域取得最广泛的进展，它可以加快专家对扫描结果和病理切片的解读速度，并在缺乏受过图像解读专业培训人员的地方提供关键信息——无论是用于筛查、诊断、疾病进展监测还是治疗反应。例如，今年，美国食品和药物管理局批准了初创公司 Arterys 的一种深度学习方法，用于可视化心脏中的血流；目的是帮助诊断心脏病。同样在今年，斯坦福大学的塞巴斯蒂安·特伦及其同事在《自然》杂志上描述了一个系统，该系统对皮肤癌的分类与人类皮肤科医生一样出色。研究人员指出，这种安装在智能手机上的程序（智能手机在世界各地无处不在）可以提供“低成本的普及性重要诊断护理”。人们还在开发用于评估糖尿病视网膜病变（一种导致失明的原因）、中风、骨折、阿尔茨海默病和其他疾病的系统。
4 工程：精准农业
传感器、成像和实时数据分析提高了农场产量并减少了浪费
作者：杰弗里·林和布莱克·贝克斯廷
随着世界人口的增长，农民将需要生产越来越多的粮食。然而，耕地面积无法跟上步伐，迫在眉睫的粮食安全威胁很容易演变成区域甚至全球不稳定。为了适应，大型农场越来越多地利用精准农业来提高产量、减少浪费并减轻不可避免地伴随农业不确定性的经济和安全风险。
传统农业依赖于管理整个田地——根据区域条件和历史数据做出与种植、收获、灌溉以及施用杀虫剂和肥料相关的决策。相比之下，精准农业结合了传感器、机器人、GPS、地图绘制工具和数据分析软件，以定制植物获得的护理，所有这些都无需增加劳动力。固定或机器人安装的传感器和配备摄像头的无人机无线传输有关单个植物的图像和数据——例如，有关茎的大小、叶片的形状以及植物周围土壤的湿度信息——给计算机，计算机寻找健康和压力的迹象。农民实时接收反馈，然后仅对需要浇水的区域进行校准剂量的水、杀虫剂或肥料。该技术还可以帮助农民决定何时种植和收获作物。
因此，精准农业可以改善时间管理、减少用水和化学品使用量，并生产更健康的作物和更高的产量——所有这些都有利于农民的利润，并在减少化学径流的同时节约资源。
图片来源：埃里克·彼得森
许多初创公司正在开发用于精准农业的新软件、传感器、基于空中的数据和其他工具，孟山都、约翰迪尔、陶氏和杜邦等大型公司也是如此。美国农业部、NASA 和美国国家海洋和大气管理局都支持精准农业，许多大学现在都开设了关于该主题的课程。
在一个相关的发展中，种子生产商正在应用技术来改进植物“表型分析”。通过长期跟踪单个植物并分析哪些植物在不同条件下生长茂盛，公司可以将植物对环境的反应与其基因组联系起来。反过来，这些信息使公司能够生产出在特定土壤和天气条件下茁壮成长的种子品种。先进的表型分析也可能有助于生产营养成分增强的作物。
由于各种原因，种植者并非普遍接受精准农业。前期设备成本——尤其是将技术扩展到大型行栽作物生产系统的成本——构成了一个障碍。在某些地方，缺乏宽带可能是一个障碍，尽管美国农业部正在努力改善这个问题。经验丰富的、计算机知识较少的生产者可能对这项技术持谨慎态度。大型系统将超出发展中国家许多小型农业经营者的承受能力。但价格较低、更简单的系统有可能得到应用。例如，悉尼大学的萨拉赫·苏卡里耶在印度尼西亚演示了一种简化的、低成本的监控系统，该系统依赖于太阳能和手机。然而，对于其他人来说，未来的成本节约可能会抵消财务方面的担忧。无论一些经验丰富的农民可能多么不情愿采用新技术，下一代精通技术的农民都可能会欢迎这种方法。
本文中包含的观点、意见和发现均为作者的观点，不应被解释为代表国防高级研究计划局或国防部的官方观点或政策，无论是明示的还是暗示的.
5 医学和生物技术：绘制每个细胞的图谱
一项全球项目旨在了解所有人类细胞类型的功能
作者：李相烨
要真正、深入地了解人体的工作原理以及疾病的产生方式，您需要大量的信息。您需要知道每种组织中每种细胞类型的身份；每种类型中哪些基因、蛋白质和其他分子处于活跃状态；哪些过程控制着这种活动；细胞的确切位置；细胞之间通常如何相互作用；以及当细胞的遗传或其他方面发生变化时，身体功能会发生什么变化，以及其他细节。建立这样一个丰富、复杂的知识库似乎是不可能的。然而，一个广泛的国际研究小组联盟已经迈出了创建它的第一步。他们称之为人类细胞图谱。
该联盟于 2016 年 10 月举行了首次规划会议，并继续组织。陈·扎克伯格倡议组织也加入了进来。2017 年 6 月，它宣布将提供资金和工程支持，以构建一个开放的数据协调平台来组织研究结果，以便项目内外的研究人员可以轻松共享这些结果。
图谱将结合现有和未来研究项目的信息，这要归功于一系列技术成就。这些成就包括用于分离单个细胞的工具、用于分析给定时间单个细胞中蛋白质的工具（蛋白质是人体内的主要主力军）以及用于快速且廉价地对 DNA 和 RNA 进行测序的工具的进步。它将整合探索所有“组学”的研究：基因组（全套基因）、转录组（由基因产生的 RNA）、蛋白质组（蛋白质）、代谢组（小分子，如糖、脂肪酸和氨基酸，参与或由细胞过程产生）和通量组（代谢反应，其速率在不同条件下可能会发生变化）。然后，这些发现将被映射到细胞的不同亚区域。整合的结果应该会产生一个工具，该工具将模拟我们体内所有类型的细胞和状态，并提供对疾病过程的新理解以及干预疾病过程的方法。
细胞图谱最先进的部分之一是不断更新的人类蛋白质图谱。它让人们可以一窥构建伞状项目的全面工作，以及它最终将带来的价值。
人类蛋白质图谱的参与者已经使用基因组学、转录组学、蛋白质组学和基于抗体的谱分析（可识别位置）的组合对人类中绝大多数蛋白质编码基因进行了分类。自该计划于 2003 年启动以来，大约 100 人年的软件开发工作已用于跟踪和组织用于系统级分析的数据。病理学家生成并注释了超过 1000 万张图像。该图谱包括 30 个亚细胞区室或各种细胞的细胞器中超过 12,000 种蛋白质位置的高分辨率图谱。
所有研究结果都免费提供给研究界。用户可以查询数据库以探索任何主要器官或组织中的蛋白质，或者他们可以关注具有特定性质的蛋白质，例如参与基本细胞维护或仅在特定组织中出现的蛋白质。这些数据还可以帮助模拟使生命成为可能的众多动态、相互作用的成分，并可用于探索新疗法的想法。
完成人类细胞图谱并非易事，但它将成为改善和个性化医疗保健的无比宝贵的工具。
6 医学和生物技术：液体活检
超灵敏血液测试有望改善癌症诊断和护理
作者：阿普夫·米什拉
疑似患有癌症的患者通常会接受影像学检查和活组织检查。切除肿瘤样本，在显微镜下检查，并经常进行分析以查明导致恶性肿瘤的基因突变。这些信息共同帮助确定癌症的类型、晚期程度以及最佳治疗方法。然而，有时无法进行活组织检查，例如当肿瘤难以触及时。获取和分析组织也可能既昂贵又缓慢。而且由于活组织检查具有侵入性，因此可能导致感染或其他并发症。
一种称为液体活检的工具——可在简单的血液样本中发现癌症迹象——有望解决这些问题以及更多问题。几十家公司正在开发自己的技术。观察家预测，这些测试的市场价值可能达到数十亿美元。
该技术通常专注于循环肿瘤 DNA (ctDNA)，这是一种从癌细胞中常规进入血液的遗传物质。直到最近，先进技术才使快速且廉价地发现、扩增和测序 DNA 成为可能。
目前，几家公司提供的测试主要用于辅助已确诊患有某种癌症（如前列腺癌或肺癌）的人的治疗决策。但液体测试可以提供组织活检无法提供的额外服务。重复测试可能会在疾病引发症状或出现在影像学检查之前很久就检测到疾病进展或对治疗的耐药性。组织活检仅检查肿瘤的选定部分，因此可能会遗漏那些比邻居更危险的细胞；原则上，液体活检可以检测肿块中的全谱突变，从而指示何时需要更积极的治疗。至关重要的是，液体活检有一天可能会为看似完全健康的人提供一种快速、简便的筛查测试，以检测癌症并确定其类型。
作为该领域日益增长的热情的标志，Illumina 的一家衍生公司 GRAIL 在今年 3 月从包括亚马逊和几家主要制药公司在内的投资者那里筹集了 9 亿美元的资金。GRAIL 计划利用这笔资金进一步开发该技术，并进行大型临床试验（涉及数十万名受试者），以了解筛查是否可行。同样在 3 月，总部位于加利福尼亚州的公司 Freenome 收到了 6500 万美元用于临床试验，预计将与多个研究合作伙伴进行，以确定该测试是否能改善癌症患者的预后。今年 5 月，Guardant Health 宣布，除了早期的资金外，它还从投资者那里筹集了 3.6 亿美元，目标是在未来五年内将其液体活检测试推广到 100 万人。
为了使这些测试得到广泛使用，临床试验必须证明该方法能够准确检测癌症，并且通过辅助治疗决策，它可以提高疾病进展率和生存率。
7 汽车：面向大众的氢动力汽车
减少贵金属使燃料电池催化剂价格实惠
作者：唐娜·J·纳尔逊
不排放二氧化碳的电池动力电动汽车即将成为主流。今天，它们在全球道路上的所有车辆中所占比例不到 1%，但电池成本和寿命等功能的多次创新已使价格具有如此竞争力，以至于特斯拉对其 35,000 美元的 Model 3 车型的预订量已超过 40 万辆，该车型预计将于 2018 年年中上市。
不幸的是，另一种不排放碳排放的汽车的伟大希望——氢燃料电池汽车——对于广泛销售来说仍然过于昂贵。（丰田 Mirai 的制造商标价为 57,500 美元。）然而，许多实验室和企业决心通过更换燃料电池中最昂贵的组件之一：催化剂来降低成本。许多商业版本都含有贵金属铂金，除了价格昂贵之外，铂金也太稀有，无法支持在车辆中的普遍使用。
研究人员正在采取多种方法来减少铂金含量：更有效地利用铂金，用钯金（性能相似且价格略低）替代部分或全部铂金，用廉价金属（如镍或铜）替代铂金或钯金，以及完全放弃金属。商业催化剂往往由沉积在碳膜上的铂纳米颗粒薄层组成；研究人员也在测试替代基材。
石溪大学的 Stanislaus S. Wong 与布鲁克海文国家实验室的 Radoslav R. Adzic 密切合作，他是领导这项工作的领导者之一。例如，他和他的同事们将相对少量的铂金或钯金与更便宜的金属（如铁、镍或铜）结合起来，生产出许多合金品种，这些合金品种比商业催化剂活性高得多。Wong 的小组已将金属制成超薄一维纳米线（直径约为 2 纳米）。这些纳米线具有高表面积与体积比，这增加了催化反应的活性位点数量。
当然，不含铂金的催化剂将是理想的选择。对它们的研究更新，但正蓬勃发展。2016 年末，韩国蔚山国家科学技术研究所 (UNIST) 的 Sang Hoon Joo 报告称，掺铁和氮的碳纳米管催化剂的活性与商业催化剂相当。此外，凯斯西储大学的 Liming Dai 及其同事发明了一种完全不使用金属的催化剂；它是一种掺氮和磷的碳泡沫，其活性与标准催化剂一样高。
Wong 指出，发明和制备具有优异催化活性的材料只是挑战的一部分。研究人员还在努力扩大现有实验室生产方法，以确保最佳候选者的活性和耐久性的一致性。在他们努力的各个阶段，实验人员都在获得理论家的帮助，理论家应用复杂的计算机模型来计算各种变量如何影响性能——从金属纳米颗粒的化学成分、尺寸和形状到支撑结构的结构。Wong 说，这种合作应该有一天能够合理设计出用于价格实惠的燃料电池汽车的优质催化剂。
当然，可持续交通系统的目标不仅要求在驾驶过程中实现零碳排放，而且还要求在燃料（无论是电力还是氢气）的生产和分配过程中实现零碳排放。更大的挑战依然存在。
8 医学和生物技术：基因组疫苗
由 DNA 或 RNA 组成的疫苗可以快速开发传染病预防剂
作者：杰弗里·林
预防传染病的标准疫苗由灭活或减弱的病原体或来自这些微生物的蛋白质组成。它们的工作原理是教会免疫系统识别病原体表面某些被称为抗原的蛋白质片段，将其视为敌人。这样，免疫系统就准备好在下次遇到这些外来抗原时立即做出反应。（许多现代疫苗只提供抗原，不包含病原体。）治疗癌症的疫苗也依赖蛋白质，医生可能会将这些蛋白质输送给患者，以增强免疫反应。这些蛋白质可以包括免疫系统自身的制导导弹：抗体。
相比之下，一种新型疫苗由基因组成，有望在医学领域取得重大进展。基因组疫苗有望提供许多优势，包括在寨卡病毒或埃博拉病毒等病毒突然变得更具毒性或更广泛传播时，能够更快地生产。它们已经酝酿了几十年，但现在已有数十种进入临床试验阶段。
基因组疫苗以 DNA 或 RNA 的形式存在，这些 DNA 或 RNA 编码所需的蛋白质。注射后，基因进入细胞，然后细胞大量生产选定的蛋白质。
与在细胞培养物或鸡蛋中生产蛋白质相比，生产遗传物质应该更简单且成本更低。此外，单个疫苗可以包含多种蛋白质的编码序列，并且如果病原体发生突变或需要添加新特性，可以很容易地进行更改。例如，公共卫生专家每年都会修订流感疫苗，但有时他们选择的疫苗与流感季节到来时流行的毒株不匹配。未来，研究人员可以对流行毒株的基因组进行测序，并在短短几周内生产出更匹配的疫苗。
基因组学还为一种称为被动免疫转移的疫苗接种方法带来了一种新的变化，在这种方法中，输送的是抗体而不是抗原。科学家现在可以识别对某种病原体具有抵抗力的人，分离出提供保护的抗体，并设计一个基因序列，诱导人体细胞产生这些抗体。
考虑到这些目标，美国政府、学术实验室以及大大小小的公司都在积极研究这项技术。一系列用于测试安全性和免疫原性的临床试验正在进行中，包括禽流感、埃博拉病毒、丙型肝炎、艾滋病以及乳腺癌、肺癌、前列腺癌、胰腺癌和其他癌症。至少有一项试验正在研究有效性：美国国立卫生研究院已启动一项多中心临床试验，以观察 DNA 疫苗是否可以预防寨卡病毒。
与此同时，研究人员正在努力改进这项技术——例如，寻找更有效的方法将基因导入细胞，以及提高疫苗在高温下的稳定性。口服给药在医疗人员稀缺的地方将非常有价值，但在短期内不太可能实现，鼻腔给药正在作为一种替代方案进行研究。人们对任何剩余的障碍（如这些障碍）都能得到解决持乐观态度。
9 能源：可持续社区
不是“绿化”单栋房屋，而是将整个街区的房屋改造成一个高效的整体
作者：丹尼尔·M·卡门
在过去的十年中，为减少能源和用水量而建造和改造单户住宅的做法呈爆炸式增长。然而，一次性对多栋建筑物应用绿色建筑理念可能是一个更好的主意。共享资源和基础设施可以减少浪费，而改造贫困或中等收入社区也可以为通常缺乏这种机会的人们带来成本节约和现代技术。在社区层面开展工作确实增加了规划的复杂性，但这些社区努力提供的回报是即使是绿色独栋住宅也无法提供的。
其中一个例子是奥克兰生态街区项目，该项目由我和我的同事哈里森·弗雷克（一位建筑和城市设计教授）在加州大学伯克利分校领导。这是一个多学科的努力，涉及来自城市、州和联邦政府、学术界、私营企业、非营利组织和基层组织的城市设计师、工程师、社会科学家和政策专家。
该计划已经过详细规划，但尚未开始建设，它将在加州著名的金门大桥附近的中低收入社区改造 30 至 40 栋相连的旧房屋。其目标是应用现有技术，大幅减少化石燃料和水的消耗以及温室气体排放。我们预计，通过节省运营费用，可以迅速收回基础设施上的支出，同时确保居民的长期舒适和安全。
图片来源：埃里克·彼得森
为了引入可再生能源，我们将在整个区域的建筑物上安装太阳能电池板，并将能量输送到智能微电网。多余的太阳能将通过安置在公共建筑中的飞轮储存起来。居民还将共享电动汽车，这些汽车可以使用二十多个本地充电站。这些措施应将年度用电量减少一半以上，并将碳排放量降至零——考虑到美国超过四分之一的温室气体排放来自住宅，这是一项有价值的成就。
美国环境保护署估计，加州高达 50% 的家庭用水量用于草坪和花园。我们将处理和再利用来自厕所的废水以及从排水沟和洗衣机排出的灰水。循环利用的液体将用于园艺和灌溉。我们将收集雨水并将其输送到厕所和洗衣机，并安装高效的固定装置和水龙头。同时，处理后的固体废物将纳入堆肥。我们的估计表明，生态街区的系统级重新设计将使饮用水需求减少高达 70%。
奥克兰生态街区项目将提供当地建筑工作，并帮助振兴社区。如果它像我们预测的那样成功，它可能会成为可持续发展的典范，可以在美国及其他地区复制。迄今为止，我们已收到来自欧洲、北非和亚洲的咨询，证实人们对针对和重新设计整个社区而不仅仅是单栋住宅的广泛兴趣。
10 计算：量子计算
新的算法和技术为创新应用打开了大门
作者：达里奥·吉尔
量子计算已经吸引了人们近 50 年的想象力。原因很简单：它为解决经典计算机永远无法解决的问题提供了一条途径。示例包括精确模拟化学过程以开发新分子和材料，以及解决复杂的优化问题，这些问题旨在从许多可能的替代方案中找到最佳解决方案。每个行业都需要优化，这也是这项技术具有如此巨大颠覆性潜力的原因之一。
量子计算机通过利用量子力学的力量来解决问题。它们不是像经典计算机那样一次考虑每个可能的解决方案，而是以经典类比无法解释的方式运行。它们从所有可能解决方案的量子叠加开始，然后利用量子纠缠和量子干涉来逼近正确答案——这些过程我们在日常生活中观察不到。
它们提供的希望是以难以构建为代价的。一种流行的设计需要超导材料，这些材料必须保持比外太空冷 100 倍的温度，对精细量子态的精确控制，以及适当的屏蔽，以防止一丝杂散光线照射到处理器。直到最近，访问新兴量子计算机的权限仅限于世界各地少数设施的专家。但过去几年的进步使得世界上首批原型系统的构建成为可能，这些系统最终可以测试迄今为止纯粹是理论的想法、算法和其他技术。
现有机器仍然太小，无法完全解决比当今超级计算机能够处理的更复杂的问题。尽管如此，已经取得了巨大的进步。已经开发出在量子计算机上运行速度更快的算法。现在存在一些技术，与 10 年前相比，这些技术可以将超导量子比特中的相干性（量子信息的寿命）延长 100 倍以上。我们现在可以测量最重要类型的量子误差。2016 年，IBM 向公众开放了云端首台量子计算机——IBM Q 体验——它具有用于对其进行编程的图形界面，现在又具有基于流行的编程语言 Python 的界面。开放这个系统推动了对这项技术进步至关重要的创新，并且已经有 20 多篇学术论文使用该工具发表。该领域正在迅速扩展。全球学术研究小组和 50 多家初创企业和大型公司都在致力于使量子计算成为现实。
凭借这些技术进步和任何人都可以触手可及的机器，现在是“量子就绪”的时候了。人们可以开始思考，如果今天存在可以解决复杂问题的机器，他们会做什么。网上有很多量子计算指南可以帮助他们入门。
仍然存在许多障碍。相干时间必须延长；量子错误率必须降低，最终我们必须减轻或纠正确实发生的错误。研究人员将继续推动硬件和软件方面的创新。然而，研究人员对哪些标准应决定量子计算何时实现技术成熟存在分歧。有些人提出了一个标准，该标准由执行一项如此晦涩的科学测量能力来定义，以至于很难向普通大众解释清楚。我和其他人不同意，认为量子计算只有在能够解决具有商业、智力和社会重要性的问题时，才能真正作为一项技术出现。好消息是，那一天终于指日可待了。