科学家和工程师梦想着能够改变世界的重大进步，然后他们尝试创造这些进步。在接下来的页面中，《大众科学》揭示了 10 项可能改变游戏规则的创新：DNA 的人工替代品、清洁水体的石油、由我们血液供能的起搏器等等。这些并非异想天开的想法，而是已被证实或制成原型，并准备大规模推广的实用突破。每项创新都具有将现在看似不可能的事情变为可能性的潜力。——编辑部
无需 DNA 的新生命形式 基于人造分子的生物体可以茁壮成长和进化
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
DNA 已经过时了。合成生物学家发明了一系列名为 XNA 的新分子，这些分子拥有脱氧核糖核酸 (DNA) 和核糖核酸 (RNA) 的所有才能，以及一些特殊能力。XNA 可以让科学家在实验室中安全地创造不依赖 DNA 生存和进化的生命形式。
“如果没有遗传信息存储和复制系统，生命是不可想象的，但 DNA 和 RNA 并非独一无二，”英国剑桥医学研究委员会分子生物学实验室的菲利普·霍利格解释说。“相关的聚合物——至少还有六种——可以执行相同的功能。” 他说，地球上的动植物仅依赖 DNA 和 RNA 是“生命起源的偶然事件”。
XNA 代表异种核酸（xeno 意为“外来的”）。与 DNA 类似，XNA 的结构也像一个扭曲的梯子。在 DNA 中，四种不同的核碱基（用字母 A、C、G 和 T 表示）构成梯子的阶梯。磷酸基团和糖构成梯子的侧面，也称为骨架。30 年来，科学家们一直在调整糖的结构以创造人工核酸，这些核酸在医学中用作研究工具，可以与 DNA 结合。
为了制造 XNA，霍利格和他的同事们并没有简单地改变 DNA 骨架中的糖——他们完全替换了不同的分子，例如环己烷和苏糖。同样重要的是，他们创造了与 XNA 协同工作的酶，形成完整的遗传系统。
这些酶使 XNA 能够完成其他人工核酸无法完成的事情：它们能够进化。在活细胞内，称为聚合酶的酶会切割、粘贴和剪接 DNA 以访问遗传信息。如果没有这种相互作用，DNA 就会像书架上积满灰尘的百科全书一样保持惰性。霍利格重新编程了天然聚合酶，使其将 DNA 翻译成 XNA，然后再翻译回来，从而建立了一种用于存储和传输遗传信息的新系统，这是进化的基础。其中一种 XNA，HNA（脱水己糖醇核酸），可靠地保留了对其遗传密码的更改，并进化到以越来越高的精度附着于蛋白质。
一旦霍利格改进了 XNA 及其酶的功能，这组分子就可以在活细胞中取代 DNA 和 RNA。例如，研究人员可能会取出一个简单的细菌，吸出其 DNA，并用 XNA 替换它。
或者，科学家可以将 XNA 包裹在原始细胞内——这是一种新型生命形式的起源，它可以以无人能预测的方式进化。虽然其他合成生物学家，例如 J·克雷格·文特尔，已经在重写现有遗传密码方面取得了显著进展，但没有人创造出真正的合成生命——不依赖于进化已经提供的，而是依赖于人类发明的生命。
霍利格强调，基于 XNA 的生命形式还很遥远，但他已经认识到其一个明显的优势。如果这种生物逃逸到野外，它将因缺乏稳定的 XNA 特异性酶供应而死亡。而且 XNA 无法编织到天然生物体的基因组中，因为它们的天然酶无法识别它。例如，旨在吞噬溢油或将废水转化为电力的基于 XNA 的细菌不会干扰天然生物体。
XNA 与 DNA 互补，但结构独特，这一事实使其立即对医学、生物技术和生物学研究有用。霍利格设想，XNA 可以注射到人体内，以检测当前技术遗漏的疾病早期、细微迹象。
佛罗里达州盖恩斯维尔应用分子进化基金会的研究员史蒂文·本纳也通过用两种新的核碱基 Z 和 P 扩展遗传字母表，推动了这项工作。更大的字母表可以形成更广泛的基因，并最终形成蛋白质。“目标是创造化学控制系统，使其像生物系统一样运行，但又不是生物系统，”本纳说。“我们相信，只要你能在纸上画出来，你就能制造出来。”——费里斯·贾布尔
恢复呼吸的泡沫 可注射的氧气微泡可以为哮喘和窒息受害者争取宝贵的时间
无论是因为喉咙里卡住了一块肉、严重的哮喘发作还是肺部损伤，一个人停止呼吸后几分钟，大脑就会开始停止工作。心脏骤停和死亡迫在眉睫。急救人员和医院工作人员有一种主要的求助手段：将呼吸管插入患者的嘴中。这个过程可能存在风险且耗时。
一种新的可注射溶液可以让这些人存活 15 分钟或更长时间，从而争取到将受害者送往医院或在手术室进行一些外科手术的关键时间。该溶液含有氧气微泡，血液可以在几秒钟内吸收这些微泡。这些气泡太小，不会引起空气栓塞——一种阻止血液流动的气袋，从而导致中风或心脏病发作。
为了制造这种救生泡沫，波士顿儿童医院的心脏病专家约翰·凯尔和他的同事们改进了现有的医学纳米技术。带有脂膜的微粒已经可以输送药物，以及用于超声成像的染料。凯尔的团队将磷脂推进充氧室，并使用声波刺激成分自组装成微粒。然后，研究人员使用离心机将它们超浓缩成溶液。每个四微米宽的微泡都含有纯氧，周围环绕着一层只有几个纳米厚的脂膜。
由于气泡中氧气的压力高于血液中的压力，气体会在接触时扩散到红细胞中。一旦气泡耗尽，外壳就会塌陷成一个宽度小于一微米的圆盘，很容易通过循环系统。
在一项测试中，研究人员阻塞了麻醉兔子的气道 15 分钟。注射了该溶液的兔子比注射盐溶液的兔子更不容易发生心脏骤停或其他器官损伤——尽管它们没有呼吸过一次。
约翰斯·霍普金斯大学的雷蒙德·科勒说，这种方法“与我们现在拥有的方法相比，是一个相当创新的想法”，他没有参与这项工作，因为大多数紧急供氧程序都要求肺部系统至少在最低水平上发挥作用。
一个缺点是，由于血液吸收氧气非常快，因此需要持续输注，这需要大量的盐水来帮助泡沫顺利地进入血液。患者在 15 分钟后接受的溶液量可能导致水肿，即可能导致心力衰竭的液体超负荷。凯尔的团队正在努力改进配方，使其需要更少的盐水。
另一个担忧是，在没有正常呼吸的情况下，二氧化碳会在体内积聚，这可能是有毒的。然而，正如科勒指出的那样，身体可以比完全缺乏氧气更好地处理少量过量的二氧化碳。如果微泡在进一步的动物（以及随后的人体）试验中被证明是成功的，那么该溶液可以帮助急救人员或手术室技术人员在他们能够实施其他救生治疗之前争取到关键的几分钟。科勒说，在这些情况下，“你希望有一个备用计划。”——凯瑟琳·哈蒙
用油净化水 一种简单的化学技巧可以更经济地清洁废水
阿努拉格·巴杰帕伊最初是为了寻找一种更好的方法来保存深冷冷冻中的人体细胞。这种冷冻保存必须小心避免冻伤——冰晶的形成会使细胞破裂并杀死细胞。2008 年，在马萨诸塞州总医院进行实验时，巴杰帕伊将防冻剂甘油插入细胞中，并加入大豆油，这有助于浓缩甘油。在第二年他在麻省理工学院的博士资格考试中（通常是一件紧张的事情），当他描述大豆油的效果时，与面试官进行了一次有趣的对话。他们建议，为什么不使用大豆油来去除水中的杂质呢？巴杰帕伊说：“我认为这是极少数通过资格考试而获得专利申请的考试之一。”
巴杰帕伊很快创造了一种简单的工艺，该工艺使用一种不寻常的油类来去除水中的污染物。该工艺可能对城市、工业和农业运营（所有这些都产生大量污水）有利，因为它提供了一种清洁水的方法，这种方法可能更节能或更便宜，或两者兼而有之。
大豆油是少数几种似乎可以充当所谓定向溶剂的油类之一。也就是说，它们溶解水，但不溶解水中存在的其他分子，例如盐。当加热到低至 40 摄氏度时，大豆油可以吸收水，留下污染物分子，然后将其撇去。只需冷却混合物即可使净化后的水流回并被收集。因此，溶剂保持不受干扰，随时可以清洁更多的水。
关键是油的碳骨架，即脂肪酸。它的大部分排斥水，但在其中一端是一个分子，称为羧酸基团，它很容易与水形成氢键。
德雷塞尔大学的有机化学家让-克劳德·布拉德利说：“它真的能起作用，这让我感到惊讶”，他还指出，这种现象可能在一个世纪前就被发现了。“这是我很久以来在化学领域见过的最酷的事情。”
然而，巴杰帕伊的实验表明，净化一杯水需要足够的大豆油来装满一个游泳池。因此，他寻找另一种效率更高的定向溶剂，并选择了癸酸，癸酸天然存在于牛奶中，并且更容易与水结合。这种脂肪酸可以将海水变成淡水，但它似乎最适合用于盐度更高的盐水，例如采矿残留物或从油气井（包括水力压裂井）流回的含化学物质的水。“如果你认为海水是咸的，那么这种水的盐度是海水的八倍，”巴杰帕伊在谈到美国油气井每天产生的超过 90 亿升污染水时指出。
受到鼓舞，巴杰帕伊已经在测试癸酸对从美国不同地区采集的六种不同油气盐水的效果。用于处理此类废水的传统技术包括反渗透（需要特殊的膜，这些膜容易堵塞和结垢）；蒸馏（消耗大量能源）；以及最常见的，将水倒回处置井。巴杰帕伊还需要找到一种方法来快速连续处理废水，而不是在烧杯和试管中分批处理。
巴杰帕伊承认，为了在石油和天然气钻探领域产生真正的影响，“我们将不得不击败最便宜的替代方案的成本，而目前最便宜的替代方案是倾倒”，尽管越来越多的社区不希望废水被送到地下并以这种方式流失。与此同时，更多的研究将表明，癸酸油或其他某种定向溶剂是否可以比现有工艺更经济地净化脏废水或淡化海水——为水处理提供新的方向。——大卫·比埃洛
阿尔茨海默病的早期治疗 一项针对 300 名哥伦比亚人的药物试验可能会揭示一种预防该疾病发生的方法
阿尔茨海默病仍然几乎无法治疗。100 多种实验性药物未能阻止这种疾病，这种疾病会剥夺人们的记忆、人际关系，并最终剥夺他们的身份。现在，科学家们将测试一种新策略，以从一开始就预防这种可怕的疾病。正如健康人服用他汀类药物来降低胆固醇并避免心脏病一样，有患阿尔茨海默病风险的人可能会服用药丸来控制该疾病。
研究人员将研究一种药物，该药物可以冲走一种称为淀粉样蛋白的侵入性蛋白质，这种蛋白质被怀疑是阿尔茨海默病的主要诱因。直到最近，淀粉样蛋白团块只能在死后解剖大脑才能看到。然而，对活人大脑进行先进的正电子发射断层扫描（最近的一项创新）显示，当症状出现时，淀粉样蛋白已经悄无声息地积累了长达 20 年。也许到那时，大脑已经受到不可逆转的损害，任何药物都无济于事。然而，没有人确定淀粉样蛋白是导致阿尔茨海默病的原因，还是仅仅是该疾病的副产品。这项新研究可能会为这个谜团提供答案。
如果获得所有批准，这项调查将于 2013 年初开始，将涉及哥伦比亚血缘关系较远的家族中的 300 名成员，他们患有罕见的、特别具有破坏性的阿尔茨海默病，这种疾病在盛年时期就会发作。到了五六十岁，许多人就像婴儿一样无助。通常不可能预测谁会患上阿尔茨海默病，但在这个大家族中，一个单一的基因突变（可以通过血液测试检测到）预示着厄运。
凤凰城班纳阿尔茨海默病研究所的执行主任埃里克·雷曼、他的同事皮埃尔·塔里奥特和他们在哥伦比亚的合作者弗朗西斯科·洛佩拉意识到，这个家族为测试早期干预的好处提供了一个独特的机会。他们计划给 100 名即将出现阿尔茨海默病症状的家庭成员服用一种实验性药物 crenezumab，给另外 100 名家庭成员服用安慰剂。第三组不会患上该疾病的成员也将接受安慰剂。
参与者将至少接受五年的双周注射。每隔几个月，他们将接受广泛的测试：磁共振成像以跟踪脑萎缩；脊髓穿刺以测量与脑细胞死亡相关的 tau 蛋白；以及旨在发现细微认知失误的记忆和思维测试，例如忘记几分钟或几小时前记住的单词列表，这是阿尔茨海默病出现的标志。
这项研究还将招募多达 36 名美国患者。美国人将接受相同的治疗，但他们将是一群不太同质的人，他们拥有与早发性阿尔茨海默病相关的三个基因中的任何一个的各种突变。研究人员希望了解是否有可能从哥伦比亚家族推断到其他注定在中年患上痴呆症的人。
这项耗资 1 亿美元的研究由该药物的制造商基因泰克以及慈善家和美国国立卫生研究院资助。即使该药物成功，也不能保证结果会转化为更常见的老年痴呆症。然而，研究人员希望这项试验能够为阿尔茨海默病建立起胆固醇和高血压对心血管疾病的作用——有助于研究、诊断和治疗的中间路标。
他们收集的数据可能意味着，研究人员无需等待数年才能看到实验性药物是否对患者有帮助，而是可以从细微的生物学变化（例如脑容量变小或 tau 或淀粉样蛋白沉积物的变化）中快速评估结果。“我们需要开发更快的方法来测试各种有希望的疗法，并尽快找到有效的疗法，”雷曼说。——艾米丽·拉伯-沃伦
胎儿基因组测序 一种非侵入性手术可能会揭示现在无法辨别的数千种疾病
研究人员最近表明，他们只需从母亲身上采集血液样本，就可以构建胎儿的完整基因图谱——完整的基因组。该手术可能会彻底改变基因筛查，在胎儿出生前很久就揭示出囊性纤维化、泰-萨克斯病或脆性 X 综合征等单基因疾病——让医生有时间开始可能的产前治疗，并让家庭有时间为孩子的需求做好准备。
百分之一的人口患有单基因疾病。自 2011 年以来，医生已经能够从母亲的血液样本中确定她的胎儿是否具有异常染色体，这可能表明唐氏综合征等疾病。然而，这种程度的信息无法揭示大约 3,500 种单基因疾病中的大多数。医生可以抽取胎盘组织或羊水样本来检查这些疾病，但这些侵入性检查会带来流产的风险，女性可能不愿意承担这种风险。
新的非侵入性方法将为母亲提供有关其孩子的空前详细的信息，而不会危及她们的妊娠。它还可以覆盖全球更多的女性，因为该手术不需要训练有素的产科医生。一些研究人员设想了母亲可以寄往实验室的 DIY 套件。
该手术源于 1997 年的一项发现，当时在牛津大学的化学病理学家丹尼斯·洛和他的同事们在孕妇的血浆中检测到胎儿 DNA 的存在。这意味着有可能分离两种 DNA 类型，并使用胎儿部分构建完整的基因组。研究人员开始寻找单倍型——相邻基因序列的簇。不同的搜索方法可以区分血浆样本中单倍型的多样性，并指示哪些来自母亲或胎儿。然后可以将单倍型重新组装成完整的基因组。
这种方法说起来容易做起来难；它需要只有最近才变得实用的复杂技术。在过去一年中，华盛顿大学的遗传学家杰伊·申杜尔开发了一种技术，该技术需要从父亲的唾液和母亲的血液中对完整的父系和母系基因组进行测序，然后使用这些数据来区分母亲血浆中的母系和胎儿单倍型。在这个过程中，申杜尔可以辨别出在胎儿中自发产生的突变，这可能有助于发现罕见疾病。
斯坦福大学生物工程师斯蒂芬·奎克领导的科学家们仅使用母亲的血液样本就重建了胎儿基因组。他们首先寻找胎儿从母亲那里继承的单倍型，这可能是血浆中最常见的，因为母亲和孩子共享它们。然后，奎克使用来自母亲的遗传标记来识别她基因组的其余部分。母亲基因组中未出现的单倍型是胎儿独有的，可能来自父亲或突变。
尽管取得了进展，但挑战仍然存在——特别是降低成本和提高测序的准确性。更大的挑战是如何解释基因组。“我们检测基因组变化的能力已经超过了我们将许多这些变化与人类疾病和特征联系起来的能力，”美国国家遗传咨询学会主席布伦达·菲努坎说。许多医生认为，在为使用设定明确的指南之前就接受筛查还为时过早。
批评人士还担心，该手术可能导致堕胎，因为父母发现他们的胎儿患有不治之症。然而，塔夫茨大学的戴安娜·比安奇等医生认为，好处可能大于担忧——特别是如果筛查能够实现可以改变衰弱性疾病的产前治疗。——黛西·尤哈斯
终极可持续发展指数 一种新的评级系统利用企业压力来清理供应链的所有阶段
一罐苏打水或一瓶洗发水有多“可持续”？越来越多的消费者希望根据答案做出购买决定，但要找到衡量产品制造可能对地球产生的负面影响的综合指标是很困难的。“可持续发展指数”对供应链的不同阶段或不同影响（例如产生的垃圾填埋废物或排放的二氧化碳）进行审查，并使用不同群体支持的不同指标。问题不是缺乏信息；而是信息太多。
如果有一套指标来评估环境和社会成本，那么判断产品将容易得多。这就是可持续发展联盟背后的想法，该联盟由 10 所领先的大学、大型非营利组织和 80 家国际公司（包括沃尔玛、可口可乐和迪士尼）组成，它们已同意制定涵盖整个供应链的标准指数。该组织最近公布了其成员将用于评估第一批 100 种产品的措施，这些产品从早餐谷物到洗衣粉再到电视机不等。
沃尔玛可持续发展主管杰夫·赖斯等倡导者认为，整个供应链的可持续实践不仅可以净化环境，还可以通过减少需要运走的废物量等方式来降低成本。沃尔玛正在将这些指标构建到“记分卡”中，它已开始将这些记分卡分发给大约 400 名采购零售商产品的买家。买家将与供应商制定计划以减少环境影响，供应商是否采取行动将在买家的绩效评估中进行讨论。
联盟成员戴尔已经在要求生产其 LCD 屏幕的承包商弄清楚如何减少屏幕制造过程中产生的全氟碳化合物（强效温室气体）的排放。戴尔环境事务主管斯科特·奥康奈尔说，联盟的数据“为我们提供了确定努力方向的指南”。
该联盟认为，其指数最终将取代其他评级方案。消费者已经可以走进杂货店，拿出他们的手机，扫描一瓶洗发水上的条形码，并调出 GoodGuide 编制的可持续发展排名。但是该指南仅建立在公开可用的信息之上。联盟的评级将考虑密切持有的关于排放、废物、劳工实践、用水量和其他敏感因素的数据，这些数据只有在大型企业参与者向供应商施加压力要求其披露时才会变得可用。这些数据应该使该指数比其他指数更全面。像沃尔玛、百思买和戴尔这样规模的公司每年控制着供应商数千亿美元的支出。“就其本身而言，这将使可持续发展比以往任何时候都更主流，”赖斯说。
消费者需要几年时间才能访问该指数的数据。联盟领导人希望使其可用，但尚未确定消费者将如何访问它。与此同时，该指数可能会刺激创新。例如，加州大学伯克利分校的研究人员为该联盟编写了一份白皮书，回顾了在笔记本电脑中使用生物基材料而不是塑料的优势。阿肯色大学的科学家们正在研究评估各种作物种植方式对缺水影响的最佳方法。——亚当·皮奥雷
挖掘移动生活 来自智能手机的大量数据正在等待改变我们的生活，只要我们允许
近乎完美的监控的梦想——或噩梦——正在我们身边，它开始以我们许多人无法想象的方式改变我们的生活。解析我们手机发出的位置数据的公司现在可以准确预测我们每个人在一天中任何时刻的位置。他们还可以从电话记录中推断出谁是我们的朋友、家人和同事，我们何时可能患上流感，以及任何主要都市街道拐角处在任何时刻的人口统计数据。
这种数据爆炸的关键是智能手机的普及，今年美国智能手机的普及率超过了 50%。几乎所有这些设备默认情况下都会向中央服务器发送稳定的位置数据流，因为很少有用户费心选择退出此类数据收集，甚至不知道他们可以退出。科学家和商业研究人员正在研究如何梳理数十亿个坐标，这些坐标足以绘制数百万人的移动轨迹。
这种现实挖掘是一种经典的“大数据”挑战，目前仍处于起步阶段。公司才刚刚开始向营销人员出售数据，而手机运营商仅向研究人员发布有限的数据集，这些数据集经过“匿名化”处理，以保护个人隐私。最大的三个参与者——谷歌、苹果和波士顿的 Skyhook（最初的位置服务提供商之一）——在处理这些信息时都小心翼翼，因为担心侵入性使用可能会引发消费者的强烈反对。
这项技术可以带来广泛的好处，例如减少烦人的广告和控制疾病爆发。然而，对于少数意识到这一点的消费者来说，“这非常可怕——这是普罗米修斯之火，”亚历克斯“桑迪”彭特兰说，他在 2000 年代中期和他的学生率先分析智能手机位置数据时创造了“现实挖掘”一词。
目前，纽约市的 Skyhook 和 PlaceIQ 等公司为营销人员重新包装数据，它们小心地使单个设备上的位置轨迹不可用。谷歌表示，它会在大约一周后删除几乎所有位置数据。苹果公司犯了一个错误，将此类数据存储在 iPhone 本身中；该公司此后纠正了这一失误，但对于其如何集中存储此类信息以及计划如何处理这些信息，仍然不太坦诚。
如果能够解决阻碍数据更大规模使用的隐私问题，那么现实挖掘可能会成为我们日常生活中不可或缺的一部分，更不用说对企业和政府非常有用。例如，在海地的工作使救援机构能够向手机用户发送短信，这些用户的位置历史记录表明他们可能接触过霍乱。
为了让现实挖掘真正起飞，消费者将不得不授权使用他们更多的数据。这就是彭特兰推动导致美国《消费者隐私权法案》提案和欧盟《数据保护指令》更新的讨论的原因之一。如果用户感觉自己控制着自己的数据，他们就更有可能让公司、政府和个人有选择地访问信息以提供服务。“社会的任何部分都将使用这些数据，”Skyhook 首席执行官泰德·摩根说。“它从根本上改变了你对人类行为的看法。”
对消费者行为的洞察力可能会因此扩展。研究人员已经发现，最有可能点击智能手机广告的人——因此也是广告商收益最高的人——是那些在电影开始前坐在电影院里的人、任何在周日早上在家的人以及等待鱼上钩的渔民。（PlaceIQ 可以猜测个人正在钓鱼，因为他们的坐标将他们置于湖泊中央，并且他们恰好符合特定的人口统计特征。）
彭特兰认为，一旦有足够的数据可用，现实挖掘将增强公共卫生、交通和电网，这仅仅是开始。“我喜欢社会神经系统这个概念，”彭特兰说。“最终，人类可以感知人类在做什么。”——克里斯托弗·米姆斯
糖动力起搏器 我们血液中的葡萄糖可以驱动医疗植入物
未来的起搏器、胰岛素泵和其他医疗设备可能会在没有电池的情况下运行，而是由为身体提供能量的相同能量：糖提供动力。研究人员在 1960 年代首次梦想实现葡萄糖动力植入物，但 1970 年代后期锂电池的出现提供了一种更简单、更强大的解决方案。* 然而，电池一直存在一个主要缺点：它们必须通过手术更换——起搏器每 5 到 15 年更换一次。可充电电池通过穿透皮肤的电线连接到体外的电子设备，使人容易受到感染。
几项进展促使研究人员再次关注葡萄糖，葡萄糖在血液和沐浴我们细胞的间质液中含量丰富。例如，植入物中更高效的电路降低了功率需求。葡萄糖生物燃料电池正变得更加高效且对身体友好。
在大多数生物燃料电池中，阳极的酶会从葡萄糖分子中剥离电子。电子在流向阴极时提供电流，在那里它们与氧气反应，仅形成少量水。然而，与电池不同，燃料电池需要浸泡在持续的燃料供应中——血液或间质液可以轻松提供。
2003 年，德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员制造出一种从葡萄中发电的微型生物燃料电池，兴奋感开始累积。从那时起，少数几个研究小组已经展示了实用的设备。过去的模型需要体内找不到的酸性条件，但法国格勒诺布尔约瑟夫·傅里叶大学的研究人员将生物相容性酶封装在石墨基底上，从而产生了更温和的化学反应。他们的圆盘形电池直径只有一角硬币的一半，略薄一些。它包裹在用于透析袋的材料中，这种材料允许小葡萄糖分子进入，但阻止酶逸出。在 2010 年的实验室大鼠实验中，该设备从间质液中提取葡萄糖，并在 11 天内产生了 1.8 微瓦的稳定功率输出。
今年，麻省理工学院的研究人员朝着商业化迈出了又一步。工程师拉胡尔·萨佩什卡尔在硅芯片上构建了一个燃料电池作为集成电路，他说，使用了“与半导体相同的易于制造的工艺”。他的团队希望使用脑脊液为脑机接口供电。脑脊液可以缓冲大脑和脊髓，含有大量的葡萄糖，但免疫系统细胞很少，这些细胞可能会排斥植入物。
萨佩什卡尔制造了铂电极，这种电极不会刺激组织或腐蚀，德国弗莱堡大学的化学工程师斯文·克尔岑马赫指出，他也正在他的设计中使用这种材料。尽管如此，身体可能会反对这种入侵；克尔岑马赫说，生物相容性是最大的障碍。他说，他的原型燃料电池在实验室的缓冲溶液中效果良好，但在体液测试中，血液或血清中的氨基酸导致设备失去动力。
虽然克拉克森大学的一个研究小组已经将生物燃料电池植入蜗牛体内，但格勒诺布尔研究小组仍然是唯一一个成功地在脊椎动物体内运行葡萄糖燃料电池的小组。麻省理工学院的设计尚未在脑脊液中进行测试，而是在近似体液化学性质的缓冲液中进行了测试。然而，萨佩什卡尔乐观地认为，生物燃料电池可能会在 10 年内进入市场。他的硅器件每平方厘米产生 3.4 微瓦的可靠功率输出。目前的起搏器需要 8 到 10 微瓦，这是一个可行的目标。人工耳蜗植入物需要几毫瓦，而人造器官则需要更多。
随着糖动力植入物的进步，它们正在开启微型医疗设备的可能性。也许有一天，依靠葡萄糖运行并投放靶向药物的纳米级机器人将从科幻小说走向现实。——玛丽莎·费森登
电子纹身 超薄、柔性传感器可以装饰包装、配件，甚至我们的身体
工程师们已经在柔性塑料上构建了电路，但电子产品可能很快就会达到更柔韧的领域：我们可以像纹身一样佩戴在身上的电路，以监测我们的生命体征。这些电路也可以编织到衣服中，为我们的智能手机供电，并编织到食品包装中，以提醒我们注意污染。
约翰·罗杰斯是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的材料科学家，他没有寻找可以导电的柔性物质，而是想到了将常见的硅电路变得可弯曲。他和马萨诸塞州剑桥市的mc10公司的工程师们，使用成熟的制造工艺，将通常几毫米厚的硅微芯片打磨到10或20微米。他们还设计了超薄导线，将这些芯片相互连接，并连接到传统的输入输出端口——这些导线可以弯曲、折叠和拉伸到其原始尺寸的两倍。
mc10公司研发副总裁凯文·道林将这种结构比作“岛屿[芯片]被锚定，而它们之间是互连的海洋”，这些互连可以拉伸或弯曲。“如果你拿一个弹簧钢制成的Slinky玩具，钢本身并不能拉伸太多，”道林解释说。“但是Slinky玩具可以拉伸到其原始长度的40到50倍，而不会超过钢的塑性极限。同样地，我们可以制造金属或硅互连线。”
罗杰斯是mc10公司的联合创始人，他的实验室是该公司事实上的研发部门。他说，在未来5到10年内，可拉伸电子产品将以不超过创可贴的厚度出现。这些传感器可以监测人的身体，并无线传输结果。mc10公司已经与锐步公司签订了服装健康监测器的合同。该公司还与美国陆军签订了合同，以确定是否可以生产可以集成到士兵服装和背包中的柔性太阳能电池。今年4月，NASCAR赛车手保利·哈拉卡在比赛中测试了一种透明的皮肤贴片。该贴片测量了哈拉卡的补水水平，这在可能将车手烘烤数小时的驾驶舱中是一个重要的考虑因素。其他工程师也在追求柔性生物医学纹身，包括德克萨斯大学奥斯汀分校的南舒·卢和首尔高丽大学的一个团队。
类似创可贴的传感器可以在身体上停留长达一周，充当“生物邮票”或医疗纹身，可以测量心率和排汗量。该电路非常薄且透明，看起来就像皮肤上的一小块透明薄膜。
有一天，这种电路可能会嵌入心脏或大脑内部。罗杰斯设想，患有心律失常的心脏可以包裹在人造囊中，该人造囊可以电子地感知并纠正器官的缺陷节律。这种囊可以向心脏的任何位置传递可变的电刺激，从而比起搏器更细致地塑造心脏的跳动。罗杰斯还设想了“烧伤部位的人造皮肤，以提供人造血管系统，同时提供药物输送和刺激，以加速伤口愈合。”
如果mc10公司的技术能够扩大规模，一种产品可能是成卷的贴纸，每个贴纸都是一个传感器。一个人可以用微型贴纸给房间装上窃听器，以拾取声音。硅芯片可以感知的任何东西——应变、振动、电场——都可以通过纸一样薄的小型传感器来测量。这些设备可以佩戴在身上或衣服上，可以由微弱的电磁场供电，然后可以使用相同的磁场通过人们的智能手机报告信息。
广泛应用将取决于电子产品制造商的技术创新，这些制造商获得了mc10公司的技术许可。与其他变革性电子创新一样——想想现在照亮从家用灯泡到杂货店一切事物的LED——最终取决于成千上万的消费设备制造商如何最好地应用这项基础技术。——克里斯托弗·米姆斯
家用无人机 微型无人飞机已准备好警告您交通状况或在您的后院监视您
从天空向下看的空中眼睛已经在改变科学的完成方式和战争的进行方式，而商业化的无人机队注定将彻底改变我们的生活方式。
瑞士联邦理工学院的连品阁和英国利物浦约翰摩尔斯大学的塞尔吉·维奇等科学家正在帮助创造这个有趣且可能令人不安的未来。在花费两年半时间和25万美元在苏门答腊岛徒步追踪猩猩之后，科和维奇设计了一种更快、更便宜的方法。他们购买了一架电池驱动的模型飞机，并添加了一个廉价的开源自动驾驶仪和高分辨率摄像头。他们花费不到2000美元，就创建了一架保护无人机——一架翼展4.5英尺的自主飞机，它使用GPS信号飞行预先编程的路线，并带回关于猩猩巢穴和新的森林砍伐区域的非常详细的图片和数据。“我们仍然对从现成的组件组装起来如此容易感到惊讶，”科说。
2012年初的首次测试非常成功，以至于其他自然资源保护主义者一直在 clamoring 想要他们自己的飞机。科和维奇与一家瑞士初创公司合作，现在已经制造了20多架无人机。
军方已经依赖于大型无人机，如捕食者无人机来打击敌人，以及小型自主飞机和直升机来侦察车队的路径或找出伏击。官员们使用它们来发现美国-墨西哥边境沿线的非法活动。但平民爱好者也加入了进来；他们定制了无人机来抓捕污染者、检查钻井平台，并为电影和房地产列表拍摄令人惊叹的照片。“无人机将以深刻的方式改变世界，”内布拉斯加大学林肯分校的记者出身的教授马修·韦特说，他正在探索无人机在新闻业中的应用。
这场革命正在快速的技术进步的推动下进行。凭借强大的智能手机芯片和 Arduino 等开源硬件平台，DIY爱好者和 DIY Drones 等社区已经开始构建廉价但精密的自动驾驶仪，将无线电控制飞机转变为自主飞机。为军方制造无人机的公司正在向警察部门和政府机构推销他们的产品。美国内政部已经从航空先驱 AeroVironment 公司获得了60架 Raven 飞机，每架重4.8磅，用于观察栖息的沙丘鹤，测量溪流温度和沉积物流量等任务。未来的可能性似乎是无穷无尽的：凭借精密的摄像头和传感器，小型无人机可以告知作物何时需要水，绘制石油泄漏图并报告交通拥堵情况。“我们才刚刚触及可能性的冰山一角，”美国地质调查局国家无人驾驶飞机系统项目办公室经理迈克·赫特说。
然而，完整的冰山将在几年后才会出现，因为联邦航空管理局已经禁止无人机的商业用途，担心如果数千架无人驾驶飞机进入已经拥挤的天空，可能会发生混乱和事故。美国联邦航空局基本上允许业余爱好者、政府机构和研究人员飞行，并且通常将飞行高度限制在几百英尺以内。但奥巴马总统在2月份签署的《2012年联邦航空管理局现代化和改革法案》要求该机构制定规则，允许更多的民用用途。美国联邦航空局正在与各公司合作开发关键技术：允许无人机感知和避开其他飞行物体的系统。最终规则预计将在2015年之前出台，这将为商业应用的爆发打开大门。
韦特认为，目前在爆发前的暂停是一个福音。“无人机引发了关于安全、伦理、法律和隐私的巨大问题，”他说。“但现在我们有一个难得的机会，在我们实际使用一项技术之前，先思考我们将如何使用它。”
——约翰·凯里
有关更多改变世界的想法，包括机器人救生员，请参阅 ScientificAmerican.com/dec2012/world-changing-ideas