2019 年十大新兴技术

不久的将来，本报告中重点介绍的一项新兴技术将使您能够虚拟地传送到一个遥远的地方，并真正感受到网络旅行伙伴的握手和拥抱。同样即将普及的还有：旨在与人交往的人形（和动物形）机器人；一个可在几秒钟内查明食物中毒爆发源头的系统；将为微型相机和其他设备铺平道路的微小镜头；可以由原本无用的植物废料制成的坚固、可生物降解的塑料；能够可靠地存储海量信息的基于 DNA 的数据存储系统等等。

大众科学》与世界经济论坛一道，召集了一个由顶尖技术专家组成的国际指导小组，并进行了深入的流程，以确定今年的“十大新兴技术”。在向全球其他专家征求提名后，指导小组根据以下多项标准评估了数十项提案：建议的技术是否有可能为社会和经济带来重大利益？它们能否改变既定的做事方式？它们是否仍处于早期发展阶段，但吸引了研究实验室、公司或投资者的极大兴趣？它们是否可能在未来几年取得重大进展？该小组在四次虚拟会议中寻求了更多必要的信息并完善了这份清单。

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1 环境：生物塑料可以解决重大的污染问题

先进的溶剂和酶正在将木质废料转化为更好的可生物降解塑料

作者：哈维尔·加西亚·马丁内斯

我们的文明建立在塑料之上。世界经济论坛的数据显示，仅在 2014 年，工业界就生产了 3.11 亿吨塑料，预计到 2050 年将增加两倍。然而，只有不到 15% 的塑料被回收利用。其余的大部分被焚烧、堆积在垃圾填埋场或被遗弃在环境中——由于它们能抵抗微生物的消化，因此可以在那里持续数百年。积聚在海洋中的塑料碎片会造成各种问题，从误食后杀死野生动物到释放有毒化合物。它甚至可能通过受污染的鱼类进入我们的身体。

可生物降解塑料可以缓解这些问题，有助于实现“循环”塑料经济的目标，在这种经济中，塑料来源于生物质并转化回生物质。与源自石化产品的标准塑料一样，可生物降解塑料也由聚合物（长链分子）组成，这些聚合物在其流体状态下可以模制成各种形状。然而，目前可用的选择——主要由玉米、甘蔗或废油脂制成——通常缺乏标准塑料的机械强度和视觉特性。最近在用纤维素或木质素（植物中的干物质）生产塑料方面的突破有望克服这些缺点。对于环境的额外好处是，纤维素和木质素可以从非食用植物中获得，例如巨型芦苇，生长在不适合粮食作物的边际土地上，或者来自原本无用的废木材和农业副产品。

纤维素是地球上最丰富的有机聚合物，是植物细胞壁的主要成分；木质素填充这些壁中的空间，提供强度和刚性。为了用这些物质制造塑料，制造商必须首先将它们分解成其构建块或单体。研究人员最近找到了分解这两种物质的方法。木质素的研究尤为重要，因为木质素的单体由芳香环组成——这种化学结构赋予了一些标准塑料的机械强度和其他理想特性。木质素不溶于大多数溶剂，但研究人员已经表明，某些环境友好的离子液体（主要由离子组成）可以选择性地将其从木材和木本植物中分离出来。类似于真菌和细菌中的基因工程酶随后可以将溶解的木质素分解成其成分。

各公司正在这些发现的基础上进行发展。例如，伦敦帝国学院的分支机构 Chrysalix Technologies 开发了一种工艺，该工艺使用低成本离子液体从起始材料中分离纤维素和木质素。芬兰生物技术公司 MetGen Oy 生产多种基因工程酶，这些酶将不同来源的木质素裂解成各种应用所需的成分。Mobius（前身为 Grow Bioplastics）正在开发基于木质素的塑料颗粒，用于可生物降解的花盆、农业覆盖物和其他产品。

在新型塑料得到广泛应用之前，必须克服许多障碍。其中之一是成本。另一个是最大限度地减少生产它们所使用的土地和水——即使木质素仅来自废料，也需要水将其转化为塑料。与任何重大挑战一样，解决方案将需要一系列措施，从法规到社会使用和处置塑料方式的自愿改变。尽管如此，新兴的可生物降解塑料生产方法为更环保的溶剂和更有效的生物催化剂如何为主要行业创造循环经济做出贡献提供了一个完美的例子。

2 工程：社交机器人与他人友好相处

机器人朋友和助手正在更深入地渗透到我们的生活中

作者：科琳娜·E·拉坦和杰弗里·林

在工业和医学领域，机器人经常建造、拆卸和检查物品；它们还在手术中提供协助，并在药房中配发处方药。它们和“社交”机器人——旨在与人互动并引发情感联系——都不像《杰森一家》的女仆罗西或其他受人喜爱的科幻机器人那样行为。即便如此，预计社交机器人将在未来几年变得更加复杂和普及。该领域似乎已经达到了临界点，机器人比以往任何时候都具有更强的交互能力和执行更有用的任务。

与大多数机器人一样，社交机器人使用人工智能来决定如何根据通过摄像头和其他传感器接收到的信息采取行动。以看似逼真的方式做出反应的能力得益于对诸如感知如何形成、什么是社交和情感智能以及人们如何推断他人的思想和感受等问题的研究。人工智能的进步使设计人员能够将此类心理学和神经科学见解转化为算法，使机器人能够识别声音、面孔和情绪；解释言语和手势；对复杂的口头和非语言线索做出适当的反应；进行眼神交流；进行对话式交流；并通过从反馈、奖励和批评中学习来适应人们的需求。

因此，社交机器人正在扮演着越来越多样化的角色。例如，一款名为 Pepper（来自软银机器人公司）的 47 英寸人形机器人可以识别面孔和基本的人类情感，并通过其“胸部”的触摸屏进行对话。全球约有 15,000 台 Pepper 机器人提供酒店入住、机场客户服务、购物协助和快餐结账等服务。Temi（来自 Temi USA）和 Loomo（赛格威机器人公司）是下一代个人助理——类似于亚马逊 Echo 和谷歌 Home，但具有移动性，提供了一个新的功能级别。例如，Loomo 不仅是伴侣，还可以根据命令转变成滑板车以供运输。

社交机器人对帮助世界日益增长的老年人口具有特殊的吸引力。PARO 治疗机器人（由日本国立先进工业科学技术研究所开发），看起来像一只可爱的海豹，旨在刺激和减轻患有阿尔茨海默病和其他护理机构患者的压力：它通过移动头部来回应它的名字，并且它会哭着求抚摸。Mabu（Catalia Health）作为健康助手与患者（尤其是老年人）互动，提醒他们散步、服药和给家人打电话。社交机器人也作为玩具在消费者中越来越受欢迎。早期将社交行为融入玩具的尝试，例如孩之宝的 Baby Alive 和索尼的 AIBO 机器狗，效果有限。但两者都在复苏，最新版本的 AIBO 具有先进的语音和手势识别功能，可以被教导技巧，并根据以前的互动开发新的行为。

2018 年全球消费机器人销量估计达到 56 亿美元，预计到 2025 年底市场将增长到 190 亿美元，每年销售超过 6500 万台机器人。考虑到多家资金充足的消费机器人公司（例如 Jibo 和 Anki）已经失败，这种趋势似乎令人惊讶。但是，大量机器人正在排队取代已倒闭的机器人，包括 BUDDY（Blue Frog Robotics），这是一款大眼睛移动设备，除了充当个人助理和提供家庭自动化和安全功能外，还可以玩游戏。

3 工程：微型镜头将实现微型光学设备的设计

纤薄、扁平的超透镜可以取代笨重的玻璃来控制光线

作者：阿尔贝托·莫斯卡特利

随着手机、电脑和其他电子产品变得越来越小，它们的光学组件却固执地拒绝缩小。值得注意的是，使用传统的玻璃切割和玻璃弯曲技术很难制造微型镜头，而且玻璃镜头中的元件通常需要堆叠才能正确聚焦光线。工程师们最近弄清楚了被称为超透镜的更小、更轻的替代品背后的大部分物理原理。这些镜头可以实现显微镜和其他实验室工具以及消费产品（如相机、虚拟现实头戴设备和物联网光学传感器）的更大程度的微型化。它们还可以增强光纤的功能。

超透镜由一个比微米还薄的平面组成，该平面覆盖着纳米级物体的阵列，例如突出的柱子或钻孔。当入射光照射到这些元件时，它的许多特性都会发生变化——包括它的偏振、强度、相位和传播方向。研究人员可以精确定位纳米级物体，以确保离开超透镜的光具有选定的特性。更重要的是，超透镜非常薄，以至于几个超透镜可以彼此叠放而不会显着增加尺寸。研究人员已经演示了由这些平面堆叠而成的光学设备，例如光谱仪和偏振计。

在去年的一项重大突破中，研究人员解决了一个称为色差的问题。当白光穿过典型的镜头时，其各种波长的光线会以不同的角度发生偏转，因此焦点与镜头的距离也不同；为了解决这种效应，今天的工程师需要以精细的对准方式分层镜头。现在，单个超透镜可以将白光的所有波长聚焦到同一点上。除了创建这种“消色差”超透镜外，科学家们还开发了可以校正其他像差（例如彗差和散光）的超透镜，这些像差会导致图像失真和模糊。

除了缩小尺寸外，超透镜最终还应降低光学组件的成本，因为可以使用半导体行业已使用的相同设备来制造微型镜头。这一特性引发了制造（例如）微型光传感器的光学和电子组件并排排列的诱人前景。

然而，就目前而言，费用仍然很高，因为很难在厘米级芯片上精确定位纳米级元件。其他局限性也需要解决。到目前为止，超透镜的光传输效率不如传统镜头——对于全彩成像等应用而言，这是一项重要的功能。此外，它们太小而无法捕获大量光线，这意味着，至少目前，它们不适合拍摄高质量的照片。

尽管如此，在未来几年，微型镜头可能会进入更小、更易于制造的传感器、诊断工具（例如内窥镜成像设备）和光纤。这些潜在应用非常具有吸引力，以至于吸引了政府机构以及三星和谷歌等公司的研究支持。至少有一家初创公司 Metalenz 预计将在未来几年内将超透镜推向市场。

4 医学与生物技术：一类特殊的蛋白质为癌症和阿尔茨海默病的药物提供了有希望的靶点

治疗癌症和其他疾病的新可能性

作者：伊丽莎白·奥戴

几十年前，科学家们确定了一类特殊的蛋白质，这些蛋白质驱动着从癌症到神经退行性疾病的疾病。“内在无序蛋白”（IDP）看起来与细胞中更常见的刚性结构的蛋白质不同。IDP 是变形者，表现为不断改变构型的组件集合。事实证明，这种松散的结构使 IDP 能够在关键时刻（例如在细胞对压力的反应期间）将各种各样的分子聚集在一起。不太灵活的蛋白质往往具有更有限数量的结合伙伴。当 IDP 功能不正常时，可能会导致疾病。

然而，医学研究人员一直无法开发出消除或调节功能失调的 IDP 的疗法。事实上，许多 IDP 被称为不可成药的。这是因为目前使用的大多数药物都需要稳定的结构才能靶向，而 IDP 的停留时间不够长。众所周知的可能导致癌症的无序蛋白——包括 c-Myc、p53 和 K-RAS——已被证明过于难以捉摸。但这种情况开始发生变化。

科学家们正在使用生物物理学、计算能力以及对 IDP 功能方式的更好理解的严格组合来识别抑制这些蛋白质的化合物，并且其中一些已经成为真正的候选药物。2017 年，法国和西班牙的研究人员证明，可以瞄准并击中 IDP 可变的“模糊”界面。他们表明，一种 FDA 批准的名为三氟拉嗪（用于治疗精神病和焦虑症）的药物与 NUPR1（一种参与胰腺癌的无序蛋白）结合并抑制了它。评估数千种候选药物的治疗潜力的**规模筛选测试表明，有几种药物可以抑制 c-Myc，其中一些正在向临床开发迈进。已经鉴定出其他分子可以作用于 IDP，例如与阿尔茨海默病等疾病有关的 β-淀粉样蛋白。

这份清单将继续增长，尤其是在 IDP 在称为无膜细胞器的关键细胞部分中发挥的作用变得更加清晰之后。这些细胞器通常被称为液滴或冷凝物，它们在特定时间将重要的细胞分子（例如蛋白质和 RNA）紧密结合在一起，同时将其他分子分开。邻近性使某些反应更容易发生；分离阻止各种反应。科学家们设计了强大的新型分子操作工具，名称分别为 Corelets 和 CasDrop，使研究人员能够控制这些液滴的形成方式。利用这些工具和其他工具，研究人员了解到 IDP 可能有助于控制液滴的组装、功能和分解。

这一发现非常重要，因为在液滴形成和分解过程中，IDP 会与各种结合伙伴相互作用，有时会在这样做时保持新的形状片刻。与寻找可以击中其他伪装中的 IDP 的化合物相比，可能更容易找到能够发现并结合这些形状的药物。全球的研究人员正在率先努力揭示这些与液滴相关的机制。

工业界也在押注 IDP 的治疗潜力。生物技术公司 IDP Pharma 正在开发一种蛋白质抑制剂来治疗多发性骨髓瘤和小细胞肺癌。Graffinity Pharmaceuticals（现为 NovAliX 的一部分）已鉴定出靶向无序蛋白 tau 的小分子，tau 与阿尔茨海默病病理学有关。Cantabio Pharmaceuticals 正在寻找稳定参与神经退行性疾病的 IDP 的小分子。一家名为 Dewpoint Therapeutics 的新公司正在探索以下想法：液滴及其无序成分，由于它们将分子聚集在一起以增强反应的方式，可以用作药物靶点。在未来三到五年内，这些曾经“不可成药”的蛋白质很可能最终将成为药物开发的焦点。

5 环境：更智能的肥料可以减少环境污染

新型配方可按需提供营养

作者：杰夫·卡贝克

为了养活世界不断增长的人口，农民需要提高作物产量。施用更多的肥料可能会有所帮助。但是标准肥料的效率低下，并且经常会损害环境。幸运的是，更符合生态的产品——控释肥料——已经上市，并且变得越来越智能。

农民通常通过两种方式给农作物施肥。他们向田地喷洒氨、尿素或其他与水反应时会产生营养物质氮的物质。他们施用钾肥或其他矿物质颗粒以产生磷，这也是与水反应的结果。但是，相对而言，只有少量这些营养物质进入植物体内。相反，大部分氮进入大气层成为温室气体，而磷最终进入流域，经常引发藻类和其他生物的过度生长。相比之下，控释配方可以确保更高水平的营养物质到达农作物，从而在减少肥料用量的情况下提高产量。

一种称为缓释肥料的类别已经销售了一段时间。这些配方通常由装满含有氮、磷和其他所需营养物质的物质的微小胶囊组成。外壳减缓了水进入内部内容物以释放营养物质的速度，也减缓了最终产品从胶囊中逸出的速度。因此，营养物质是逐渐释放出来的，而不是以浪费的、快速爆发的方式释放出来，而这种方式无法被有效吸收。较新的配方包括可以进一步减缓营养物质释放的物质，方法是减缓起始材料（例如尿素）向营养物质的转化。

最近，已经开发出更充分符合“控释”描述的肥料——这要归功于复杂的材料和制造技术，这些技术可以调整外壳，使其在土壤的温度、酸度或湿度变化时以所需的方式改变营养物质的释放速率。通过组合不同类型的调整胶囊，制造商可以制造出具有针对特定作物或生长条件的需求量身定制的特性的肥料。海法集团和 ICL 特种肥料公司等公司都在提供更精确的控制。例如，海法将营养物质的释放速率完全与温度联系起来；随着温度升高，作物生长和营养物质排放速率同步增加。

尽管控释技术提高了肥料的效率，但它们并没有消除肥料使用的所有缺点。例如，这些产品仍然包括氨、尿素和钾肥；生产这些物质是能源密集型的，这意味着它们的生产可能会导致温室气体排放和气候变化。然而，通过使用环境更友好的氮源并加入可提高植物对氮和磷吸收效率的微生物，可以减轻这种影响。没有证据表明构成外壳的材料会损害环境，但是每当大量引入任何新物质时，都必须监测这种风险。

控释肥料是可持续农业方法（称为精准农业）的一部分。这种方法通过结合数据分析、人工智能和各种传感器系统来确定植物在任何给定时间需要多少肥料和水，并通过部署自主车辆以规定的量和地点输送养分，从而提高作物产量并最大限度地减少过量营养物质的释放。但是，安装精密系统成本高昂，因此只有大规模运营才倾向于使用它们。相比之下，先进的控释肥料相对便宜，并且可能成为帮助农民可持续地提高作物产量的第一线技术。

6 计算：协作式远程呈现可以使距离（相对）变得毫无意义

虚拟聚会的参与者会感觉他们实际上在一起

作者：科琳娜·E·拉坦和安德鲁·梅纳德

想象一下，一群来自世界各地的人们流畅地互动，就好像他们实际上在一起一样，甚至可以感受到彼此的触摸。将实现这种“协作式远程呈现”的组件可以改变我们一起工作和娱乐的方式，使物理位置变得无关紧要。

正如 Skype 和 FaceTime 等视频通话应用程序已使曾经是商业领域的东西广泛普及到消费者一样，大规模多人在线游戏已彻底改变了人们在互联网上的互动方式，协作式远程呈现可以改变人们在商业及其他领域的虚拟互动方式。例如，医疗服务提供商将能够像在同一个房间一样远程与患者一起工作。朋友和家人将能够享受共同的体验，例如在舒适的房间里或游览新城市，即使他们实际上不在同一个地方。

几个领域的进步使这种前景成为可能。增强现实 (AR) 和虚拟现实 (VR) 技术已经变得足够强大和经济实惠，可以广泛采用。电信公司正在快速推出 5G 网络，以便能够处理来自高级传感器阵列的大量数据，而不会出现延迟。创新者正在完善使人们能够与远程环境进行物理交互的技术，包括触觉传感器，这些传感器使人们能够感受到他们的机器人化身所触摸到的东西。协作式远程呈现设想的完全感官沉浸将需要远小于视频通话可接受的延迟时间——并且它们有时甚至可能使 5G 网络不堪重负——但预测性人工智能算法可以消除用户对时间间隔的感知。

尽管协作式远程呈现仍然非常新兴，但所有组件都已到位，使其在三到五年内变得具有变革性。例如，微软和其他公司已经在投资有望在 2025 年之前支撑起一个价值数十亿美元的产业的技术。XPRIZE 基金会发起了 1000 万美元的 ANA 化身 XPRIZE 竞赛（由全日空航空公司赞助），以启动将“人类的感官、行动和存在实时传输到远程位置，从而实现更紧密联系的世界”的技术。随着各个部分被整合在一起，预计日常生活和工作将发生变化，其戏剧性程度将与智能手机的广泛采用所引发的变化一样。

7 公共卫生：先进的食品追踪和包装将挽救生命并减少浪费

两种技术的结合可以大大提高食品安全

作者：罗娜·钱德拉瓦蒂和伯纳德·S·梅耶森

据世界卫生组织称，每年约有 6 亿人患上食物中毒，其中 42 万人死亡。当疫情爆发时，调查人员可能需要花费数天或数周的时间来追踪其来源。与此同时，更多的人可能会生病，并且大量未受污染的食物可能会与受污染的物品一起被丢弃。寻找来源可能是一项缓慢的工作，因为食物从农场到餐桌的路径复杂，而且这些旅程的记录保存在通常彼此不通信的本地系统中。

两种技术的结合可以减少食物中毒和食物浪费。第一种是区块链技术（以管理虚拟货币而闻名）的创新应用，它开始解决可追溯性问题。与此同时，增强型食品包装正在提供新的方法来确定食品是否已在适当的温度下储存以及它们是否可能已开始变质。

区块链是一种去中心化的会计系统，其中条目按顺序记录在存储在多个位置的计算机上的多个相同的“账本”中。这种冗余使得篡改任何一个账本都徒劳无功，从而创建了高度可信的交易记录。专为食品行业开发的基于区块链的云平台——IBM Food Trust——已被主要食品销售商采用。（我们中的一位——梅耶森——隶属于 IBM。）

通过在共同的区块链上整合种植者、分销商和零售商，Food Trust 创建了一个给定食品通过端到端供应链的可信记录。在一项使用该技术的测试中，沃尔玛在几秒钟内追踪到了“受污染”商品的来源；使用书面和数字记录的标准组合，这将需要数天时间。借助此功能，零售商和餐馆可以实际上立即将受污染的商品从流通中移除，并且仅销毁来自同一来源（例如，特定长叶莴苣种植者）的库存，而不是浪费整个国家的该商品库存。许多食品行业巨头——沃尔玛、家乐福、山姆会员店、艾伯森公司、史密斯菲尔德食品公司、BeefChain、Wakefern Food（ShopRite 的母公司）和 Topco Associates（一家集团采购组织）——都加入了 IBM Food Trust。其他组织也引入了区块链技术来增强可追溯性。

为了从一开始就预防食物中毒，研究实验室和公司正在开发小型传感器，这些传感器可以监测托盘、箱子或单独包装产品中的食品质量和安全性。例如，Timestrip UK 和 Vitsab International 已独立创建了传感器标签，如果产品暴露于高于建议的温度，这些标签会改变颜色，而 Insignia Technologies 销售一种传感器，该传感器在包装打开后会缓慢改变颜色，并指示何时应该扔掉食物。（如果产品未在适当的温度下储存，则颜色变化更快。）正在开发能够显示腐败气体副产品的传感器。除了预防疾病外，此类传感器还可以通过显示食物可以安全食用来减少浪费。

成本仍然是传感器普及应用的障碍。尽管如此，食品行业确保食品安全和限制浪费的需求正在推动这项技术和区块链向前发展。

8 能源：更安全的核反应堆即将问世

耐用燃料和创新型反应堆可以使核能复兴

作者：马克·菲舍蒂

控制大气中的碳将需要能源技术的组合——可能包括核反应堆，核反应堆不排放碳，但由于发生过几次重大事故而被视为有风险。这种风险可以大大降低。

商业反应堆几十年来一直使用相同的燃料：二氧化铀小球，这些小球堆叠在由锆合金制成的长圆柱形棒中。锆允许小球中裂变产生的 нейтроны 在浸没在反应堆堆芯内部水中的许多棒之间轻松通过，从而支持自持、产热的核反应。

问题在于，如果锆过热，它会与水反应并产生氢气，氢气可能会爆炸。这种情况促成了世界上最严重的两次反应堆事故：1979 年美国三哩岛可能发生的爆炸和部分熔毁，以及 2011 年日本福岛第一核电站的爆炸和辐射泄漏。（1986 年的切尔诺贝利事故是由反应堆设计和运行缺陷引起的。）

西屋电气公司和法马通等制造商正在加速开发所谓的耐事故燃料，这些燃料不太可能过热——即使过热，它们也会产生极少或不产生氢气。在某些变体中，锆包壳经过涂层处理，以最大限度地减少反应。在其他变体中，锆甚至二氧化铀都被不同的材料取代。新的配置可以稍作修改即可滑入现有反应堆，因此它们可以在 2020 年代逐步投入使用。已经开始的彻底的堆芯内测试必须证明是成功的，并且监管机构必须感到满意。作为一项额外的好处，新燃料可以帮助工厂更有效地运行，使核电更具成本竞争力——这对制造商和电力公司来说是一个重要的动力，因为天然气、太阳能和风能的成本较低。

尽管核电在美国已经停滞不前，并且正在德国和其他地方逐步淘汰，但俄罗斯和中国正在积极建设核电。这些市场对于这些新型燃料的制造商来说可能有利可图。

俄罗斯还在部署其他安全措施；国营公司俄罗斯原子能公司最近在国内和国外的装置都采用了更新的“被动”安全系统，即使工厂的电力中断且冷却剂无法主动循环，也可以抑制过热。西屋电气和其他公司也已将被动安全功能纳入其更新的设计中。

制造商正在试验“第四代”模型，这些模型使用液态钠或熔盐代替水来传递裂变产生的热量，消除了危险的氢气产生的可能性。据报道，中国计划今年将其示范氦冷反应堆连接到电网。

在美国，长期以来，缺乏对永久性深层地质处置库的政治承诺一直是扩大核工业的障碍。情绪可能正在发生变化。令人惊讶的是，十几位美国立法者最近提出了重启内华达州尤卡山核废料处置库许可证的措施，自 1987 年以来，尤卡山一直被誉为该国主要的储存地点。与此同时，阿拉斯加州参议员丽莎·穆尔科夫斯基正在倡导在爱达荷国家实验室开发非常小的模块化反应堆。（俄罗斯原子能公司也在制造小型反应堆。）一组西部州已与俄勒冈州的 NuScale Power 公司达成了初步协议，购买其十二个模块化反应堆。改进的燃料和小型反应堆的增长可能是核电复兴的重要组成部分。

9 医学与生物技术：DNA 数据存储比您想象的更近了

生命的信息存储系统正在被改造以处理海量信息

作者：李相烨

软件公司 Domo 的数据显示，2018 年，谷歌每分钟进行 388 万次搜索，人们在 YouTube 上观看 433 万个视频，发送 159,362,760 封电子邮件，发布 473,000 条推文，并在 Instagram 上发布 49,000 张照片。据估计，到 2020 年，全球每人每秒将创建 1.7 兆字节的数据，假设世界人口为 78 亿，这意味着一年内将产生约 418 泽字节的数据（相当于 4180 亿个 1TB 硬盘的信息）。目前存储如此大量 0 和 1 的磁性或光学数据存储系统的寿命通常不会超过一个世纪（如果能达到的话）。此外，运行数据中心需要消耗大量能源。简而言之，我们即将面临严重的数据存储问题，而且随着时间的推移，这个问题只会变得更加严重。

硬盘驱动器的替代方案正在取得进展：基于 DNA 的数据存储。DNA——由 A、T、C 和 G 核苷酸的长链组成——是生命的信息存储材料。数据可以存储在这些字母的序列中，从而将 DNA 转变为一种新的信息技术形式。DNA 已经可以轻松地进行常规测序（读取）、合成（写入）和准确复制。DNA 也非常稳定，这一点已通过对 50 多万年前的马化石进行完整基因组测序得到证实。而且存储 DNA 不需要太多能量。

但其真正的优势在于存储容量。DNA 可以精确地存储海量数据，其密度远远超过电子设备。例如，根据哈佛大学乔治·丘奇及其同事 2016 年在《自然·材料》杂志上发表的计算结果，简单的细菌大肠杆菌的存储密度约为每立方厘米 10¹⁹ 比特。按照这个密度，目前全世界一年的存储需求都可以用一个边长约为一米的 DNA 立方体来满足。

DNA 数据存储的前景不仅仅是理论上的。例如，2017 年，丘奇在哈佛的团队采用 CRISPR DNA 编辑技术，将人手的图像记录到大肠杆菌的基因组中，读取准确率高于 90%。华盛顿大学和微软研究院的研究人员已经开发出一种全自动系统，用于写入、存储和读取 DNA 编码的数据。包括微软和 Twist Bioscience 在内的许多公司正在努力推进 DNA 存储技术。

与此同时，DNA 已经在以另一种方式被用于数据管理，研究人员正在努力理解海量数据。下一代测序技术的最新进展使得数十亿个 DNA 序列能够被轻松地同时读取。凭借这种能力，研究人员可以采用条形码技术——使用 DNA 序列作为分子识别“标签”——来跟踪实验结果。DNA 条形码技术现在正被用于显著加快化学工程、材料科学和纳米技术等领域的研究步伐。例如，在佐治亚理工学院，James E. Dahlman 实验室正在快速识别更安全的基因疗法；其他人则在研究如何对抗耐药性和预防癌症转移。

使 DNA 数据存储普及面临的挑战包括读取和写入 DNA 的成本和速度，如果要与电子存储竞争，这些成本和速度还需要进一步降低。即使 DNA 不会成为一种普遍的存储材料，它几乎肯定会被用于产生全新规模的信息，并在长期内保存某些类型的数据。

10 能源：公用事业规模储能将实现可再生能源电网

可持续能源解决方案的障碍正在被消除

作者：安德烈亚·汤普森

世界获取电力的方式正在经历快速转型，这既是由于能源系统脱碳的紧迫性日益增加，也是由于风能和太阳能技术的成本直线下降。美国能源信息署的数据显示，过去十年，美国可再生能源发电量翻了一番，主要来自风能和太阳能装置。2019 年 1 月，EIA 预测，风能、太阳能和其他非水力可再生能源将成为未来两年电力组合中增长最快的部分。但是，这些能源的间歇性意味着电力公司需要一种方式来储备能源，以备在阳光不充足和风力平静时使用。这种需求正在增加人们对储能技术的兴趣，特别是锂离子电池，它最终有望不仅仅是电网中的一个小角色。

几十年来，抽水蓄能水电一直是美国主要的公用事业规模储能方法，这是一种简单的过程，具有不同海拔高度的水库。为了存储能量，水被抽到较高的水库中；当需要能量时，水被释放到较低的水库中，并沿途流经涡轮机。美国能源部的数据显示，抽水蓄能水电目前占美国公用事业规模储能的 95%。但是，随着效率和可靠性的提高，以及制造成本的下降，锂离子电池迅速崛起。EIA 表示，锂离子电池占美国公用事业规模电池储能功率容量的 80% 以上，该容量从十年前的几兆瓦跃升至 2019 年 2 月的 866 兆瓦。彭博新能源财经 2019 年 3 月的一项分析报告称，自 2012 年以来，此类电池的电力成本下降了 76%，使其接近与通常由天然气驱动的电厂竞争，这些电厂在电力需求高峰时段开启。迄今为止，电池主要用于进行短暂、快速的调整以维持电力水平，但在包括佛罗里达州和加利福尼亚州在内的几个州，公用事业公司正在增加能够持续两到四个小时的锂离子电池。早期能源研究公司 Wood Mackenzie 估计，储能市场将从 2018 年到 2019 年翻一番，从 2019 年到 2020 年翻两番。

专家表示，锂离子电池很可能在未来 5 到 10 年内成为主导技术，并且持续的改进将使电池能够存储 4 到 8 小时的能量——例如，足够将太阳能发电转移到晚间用电高峰期。

但是，要达到可再生能源和储能能够承担基本负荷发电的程度，将需要更长时间尺度的储能，这将意味着超越锂离子电池。潜在的候选者包括其他高科技选择，例如液流电池（泵送液体电解质）和氢燃料电池，以及更简单的概念，例如抽水蓄能水电和所谓的重力储能。抽水蓄能水电一旦安装完成就很便宜，但建造费用昂贵，并且只能在特定的地形中使用。同样简单的是重力储能的概念，它旨在利用多余的电力来提升一个重物，该重物随后可以被降低以驱动涡轮机发电。尽管一些公司正在进行演示并吸引了投资，但这个想法尚未起飞。其他选择仍在开发中，以使其具有足够的可靠性、效率和成本竞争力，与锂离子电池竞争。EIA 的数据显示，截至 2017 年底，美国仅部署了三个大型液流电池储能系统，而公用事业规模的氢系统仍处于示范阶段。美国政府正在资助该领域的一些工作，特别是通过高级研究计划署-能源部 (ARPA-E)，但对这些技术以及对储能的总体投资，大部分发生在已经加大储能研究力度的中国和韩国。

储能成本是否以及在多大程度上会继续下降尚不确定。然而，包括美国州和地方政府在内的各国政府累积的实现无碳电力生产的承诺，将继续推动更多储能上线。

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