能無痛注射的微針
肉眼幾乎不可見的“微針”有望讓我們進(jìn)入一個(gè)無痛注射和無痛血檢的新時(shí)代。無論是與注射器還是貼片連接，微針都能避免與神經(jīng)末梢接觸，從而避免產(chǎn)生痛覺。它可以穿透皮膚表層的死細(xì)胞，到達(dá)由活細(xì)胞和間質(zhì)液組成的表皮。但是微針大多不能到達(dá)或只能勉強(qiáng)接觸到真皮層。
許多微針注射器以及微針貼片已經(jīng)被應(yīng)用于疫苗注射，還有更多的被用于糖尿病、癌癥以及神經(jīng)性疼痛療法的臨床試驗(yàn)。因?yàn)槲⑨樧⑸淦骰蛘呶⑨樫N片會將藥物直接注射進(jìn)表皮或真皮中，所以它們能夠比常見的依靠皮膚擴(kuò)散的透皮貼劑更有效地遞送藥物。今年，研究人員推出了一種用于治療皮膚疾病(如牛皮癬、疣和某些皮膚癌)的新技術(shù)。
許多微針產(chǎn)品正朝著商業(yè)化的方向發(fā)展，這些產(chǎn)品能快速、無痛地抽取血液或間質(zhì)液，用于疾病診斷或監(jiān)測健康狀況。如果將針頭連接到生物傳感器上，則該設(shè)備可以在幾分鐘之內(nèi)直接測量指示健康或疾病狀態(tài)的生物標(biāo)志物。
有些微針產(chǎn)品能讓使用者在家中抽取樣本，然后郵寄到實(shí)驗(yàn)室或是直接在家進(jìn)行分析。這種方法可以幫助我們更好地實(shí)現(xiàn)個(gè)性化醫(yī)療。微針還可用于在醫(yī)療服務(wù)匱乏的地區(qū)進(jìn)行診斷檢測和治療。隨著研究人員設(shè)計(jì)出將其用于皮膚以外器官的方法，微針技術(shù)也會產(chǎn)生新的用途。
讓二氧化碳變成可用材料
我們在制造許多化學(xué)產(chǎn)品時(shí)，都需要消耗化石燃料，這個(gè)過程會造成大量二氧化碳排放，導(dǎo)致氣候變化?，F(xiàn)在有一種利用陽光將廢棄二氧化碳轉(zhuǎn)化為化學(xué)產(chǎn)品的新方法，它有可能通過以下兩方面減少二氧化碳的排放：將不需要的氣體作為生產(chǎn)原材料;將陽光而不是化石燃料于為生產(chǎn)所需的能源。
近年來，研究人員開發(fā)了能打破二氧化碳中碳氧雙鍵的光催化劑。這是創(chuàng)建“太陽能”精煉廠的關(guān)鍵一步，這種精煉廠可利用廢氣生產(chǎn)有用的化合物，包括可用作合成藥品、洗滌劑、化肥和紡織品的原料的各種分子。光催化劑通常是半導(dǎo)體，需要高能紫外線才能產(chǎn)生參與轉(zhuǎn)化二氧化碳的電子。然而，紫外線不僅稀缺(僅占陽光的5%)，而且對健康有害?，F(xiàn)在，一些經(jīng)過改造的催化劑只需要可見光就能生產(chǎn)出廣泛使用的化學(xué)物質(zhì)，例如甲醇、甲醛和甲酸。這些化學(xué)原料在粘合劑、泡沫劑、膠合板、櫥柜、地板和消毒劑的生產(chǎn)中起著重要的作用。
一些新興企業(yè)正在研究另一種將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用物質(zhì)的方法，即施加電能以驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)。如果電力來自化石燃料燃燒，那么使用電力為反應(yīng)供電，顯然不如使用陽光對環(huán)境友好，而依靠光伏發(fā)電可能能夠克服這種缺點(diǎn)。
將來，化學(xué)工業(yè)將能夠把廢棄的二氧化碳轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的產(chǎn)品，朝著真正無浪費(fèi)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)邁進(jìn)一步，并幫助實(shí)現(xiàn)負(fù)排放的目標(biāo)。
虛擬病人加速醫(yī)學(xué)研發(fā)
在虛擬的人體器官或人體系統(tǒng)上測試藥物和療法的有效性，進(jìn)而能夠準(zhǔn)確預(yù)測真實(shí)的人體對疾病治療的反應(yīng)，這些都是“計(jì)算機(jī)模擬醫(yī)學(xué)”的優(yōu)勢。計(jì)算機(jī)模擬人體試驗(yàn)可以降低初步評估的時(shí)間與金錢成本，同時(shí)大大減少了志愿者的數(shù)量。
虛擬器官的建模過程首先需要得到真實(shí)人體器官的非侵入性、高分辨率成像圖，當(dāng)研究者從中獲得人體解剖學(xué)數(shù)據(jù)后，再將數(shù)據(jù)輸入復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型中，就能完成對該人體器官功能的模擬。隨后，強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)得以生成在外觀和行為上與真實(shí)人體器官相似度極高的虛擬器官?，F(xiàn)在，F(xiàn)DA正在使用計(jì)算機(jī)模擬代替真實(shí)人體，來評估新的乳房攝影術(shù)系統(tǒng)。
此外，在某些特定疾病的診斷或療法設(shè)計(jì)上，計(jì)算機(jī)模擬醫(yī)學(xué)也可以發(fā)揮風(fēng)險(xiǎn)干預(yù)措施的作用。例如，由FDA批準(zhǔn)的基于云服務(wù)的HeartFlow分析，使臨床醫(yī)生可以根據(jù)患者心臟的CT圖像來判斷病人是否患有冠狀動脈疾病。在特定患者的虛擬數(shù)字模型上開展實(shí)驗(yàn)，還可以幫助醫(yī)生針對不同患者的不同情況進(jìn)行個(gè)性化精準(zhǔn)治療。
近年來，F(xiàn)DA和歐洲監(jiān)管機(jī)構(gòu)已經(jīng)批準(zhǔn)了基于計(jì)算機(jī)診斷的一些商業(yè)用途，但是要滿足監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)的要求仍需要花費(fèi)大量的時(shí)間和金錢。計(jì)算機(jī)模擬醫(yī)學(xué)必須為疾病患者、臨床醫(yī)生和醫(yī)療機(jī)構(gòu)提供成本更低的巨大價(jià)值，才能更廣泛和快速地進(jìn)入應(yīng)用階段。
空間計(jì)算提升人機(jī)交互
“空間計(jì)算”(spatial computing)是物理世界和數(shù)字世界不斷融合的下一步。它可以做到虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)所能做到的一切：讓傳感器和馬達(dá)實(shí)現(xiàn)互動;將通過云連接的設(shè)備數(shù)字化;以數(shù)字化方式代表現(xiàn)實(shí)世界。不僅如此，它還需要將這些功能與高保真的空間映射關(guān)系相結(jié)合，確保人在物理世界或者數(shù)字世界中運(yùn)動和交互時(shí)，“協(xié)調(diào)器”能夠有效地導(dǎo)航和追蹤。很快，空間計(jì)算將會使人機(jī)交互和機(jī)器間的交互效率提高到嶄新的水平，其中的應(yīng)用場景包括工業(yè)、醫(yī)療保健、運(yùn)輸和家庭場景等等。
與虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)一樣，空間計(jì)算建立在“數(shù)字孿生”之上。有了空間計(jì)算以后，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的不僅有物體，還可以是人和位置。使用GPS、激光雷達(dá)、視頻和其他地理位置技術(shù)，就可以創(chuàng)建房間、建筑物或城市的數(shù)字地圖。算法可以把數(shù)字地圖和其他信息集成在一起，創(chuàng)建一個(gè)可觀察、可量化和可操縱的數(shù)字世界，當(dāng)然這樣的操作也能同時(shí)觸及現(xiàn)實(shí)世界。
提供醫(yī)療服務(wù)的應(yīng)用程序
在你就醫(yī)時(shí)，醫(yī)生開出的處方上寫著的會是一個(gè)應(yīng)用程序嗎?目前，已經(jīng)有一些應(yīng)用程序可以自主檢測我們的生理和心理疾病了，其中一些甚至可以直接治療相關(guān)疾病。以上這些正處于研發(fā)過程中，或者正在被人們使用的軟件，都被稱為“數(shù)字醫(yī)療”(digital medicines)。
數(shù)字醫(yī)療程序可以通過移動設(shè)備記錄用戶的信息，包括聲音、位置、面部表情、運(yùn)動、睡眠和打字的節(jié)奏等。用人工智能技術(shù)分析這些信息后，就能預(yù)測可能出現(xiàn)的病情或癥狀的發(fā)展?fàn)顩r。例如，一些智能手表包含特殊的傳感器，可以自動檢測并提醒用戶是否出現(xiàn)心房纖顫。此外，研發(fā)人員還在研發(fā)其他的方案，包括用于篩查呼吸障礙、抑郁癥、帕金森病、阿爾茨海默病、自閉癥和其他病癥的工具。
輔助檢測工具還可以采用其他的形式，比如可以被人體吞服的帶有傳感器的“藥丸”。這類工具被稱為“生物微電子設(shè)備”。有一些公司正在開發(fā)這類設(shè)備，應(yīng)用的范圍包括檢測癌癥DNA、腸道微生物釋放的氣體、胃出血量、體溫和脈氧水平等等。
當(dāng)然，整個(gè)社會必須以十分謹(jǐn)慎的態(tài)度推動數(shù)字醫(yī)療的發(fā)展，必須確保這些工具經(jīng)過嚴(yán)格的安全性及有效性測試，必須要保護(hù)個(gè)人隱私，必須能順利融入醫(yī)生的工作流程。
給飛機(jī)換上電動推進(jìn)器
2019年，航空業(yè)的碳排放量占全球總碳排放量的2.5%，到2050年，這一數(shù)字可能還會增加兩倍。盡管一些航空公司已經(jīng)開始采取措施減少碳排放，但仍然需要進(jìn)一步減排。電動飛機(jī)或許可以滿足如此大規(guī)模的削減量，因此吸引了許多公司開展研發(fā)工作。電動推進(jìn)器不僅可以消除直接碳排放量，還能降低多達(dá)90%的燃料成本、50%的維護(hù)成本和近70%的噪音。
電動化的不只有發(fā)動機(jī)。在美國正在研發(fā)的X-57麥克斯韋號上，傳統(tǒng)的長機(jī)翼被一對更短的、上面分布有電動推進(jìn)器的機(jī)翼取代。電動推進(jìn)器增加了飛機(jī)起飛時(shí)的升力，因此機(jī)翼可以做得更小，進(jìn)而提高飛機(jī)總體的飛行效率。目前來看，電動飛機(jī)的限制還是在于飛行里程。與傳統(tǒng)飛機(jī)燃料相比，如今最好的電池的容量仍然有限：前者為12 000 瓦時(shí)每千克，后者只有250瓦時(shí)每千克。
新技術(shù)使水泥更低碳
作為使用最為廣泛的一種人造材料，混凝土塑造了今天我們建造的大部分世界。但是，混凝土的關(guān)鍵成分——水泥——的生產(chǎn)也帶來了大量容易被忽略的碳排放。在水泥生產(chǎn)過程中，無論是因?yàn)榧訜岷蛯⑹規(guī)r轉(zhuǎn)化為水泥熟料所化石燃料燃燒過程，還是在磨碎原料與其他物質(zhì)結(jié)合形成水泥的化學(xué)過程中，都會產(chǎn)生碳排放。
科學(xué)家也在開發(fā)新的方案，試圖以更低碳的方式生產(chǎn)水泥。目前已經(jīng)有一些方案得到了應(yīng)用。加拿大公司CarbonCure通過礦化作用將其他化工廠產(chǎn)生的二氧化碳儲存在混凝土中;另一家加拿大公司CarbiCrete完全放棄了在混凝土中使用水泥，轉(zhuǎn)而使用煉鋼行業(yè)的一種副產(chǎn)品——鋼渣?？偛课挥诘聡目鐕竞５卤に嘤?jì)劃將挪威的一處工廠改造為世界首個(gè)實(shí)現(xiàn)零排放的水泥工廠。這家名為Norcem的工廠已經(jīng)開始使用廢物作為替代燃料，并且計(jì)劃通過引入碳捕捉和碳儲存技術(shù)，在2030年前消除工廠的所有碳排放量。
另外，研究人員還嘗試用其他方法提高混凝土的性能。初創(chuàng)公司BioMason就致力于開發(fā)“活性”建筑材料：用細(xì)菌和顆粒物“長出”了類似水泥的材料。此外，受DARPA資助的一個(gè)創(chuàng)新項(xiàng)目，利用一種叫做藍(lán)細(xì)菌的光合作用微生物制作出低碳混凝土。研究人員將這種細(xì)菌接種到沙子-水凝膠支架上，制造出一種能自我修復(fù)裂縫的磚塊。
體積更小的量子傳感器
量子傳感器是一種利用亞原子粒子的行為進(jìn)行超靈敏測量的儀器，能使自動駕駛汽車提前“看見”拐角之后的情況;能讓水下導(dǎo)航系統(tǒng)、火山活動和地震預(yù)警系統(tǒng)更加先進(jìn);還能讓隨時(shí)隨地監(jiān)測大腦活動的便攜式磁共振(MRI)掃描儀成為現(xiàn)實(shí)。
對于任何測量儀器來說，測量單位越小，測量的精度也就越高。量子傳感器可以通過測量亞原子粒子的行為，使設(shè)備達(dá)到極高的分辨率。原子鐘就利用了這一原理：我們這個(gè)世界的時(shí)間是建立在銫133原子的電子在一秒內(nèi)完成9 192 631 770次特定躍遷的基礎(chǔ)上的。
英國伯明翰大學(xué)的研究人員正在開發(fā)一種量子傳感器，用自由落體的過冷原子來檢測局部重力的微小變化。這種量子重力計(jì)能夠用于檢測埋入地下的管道、電纜和其他物體，使我們不必挖開地面就能進(jìn)行測量。航海的船只也可以采用類似的技術(shù)來探測水下物體。
雖然大多數(shù)量子傳感系統(tǒng)仍然過于昂貴，而且擁有龐大的體積和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，但更小、更便宜的新一代量子傳感器很快就會開辟出一條新的道路。去年，美國麻省理工學(xué)院的研究人員成功地將一個(gè)用鉆石做成的量子傳感器放在了硅片上。這樣的原型產(chǎn)品是我們實(shí)現(xiàn)低成本、批量化生產(chǎn)量子傳感器的第一步。
電解的綠色氫能
“綠氫”是通過電解產(chǎn)生的氫氣。在電解過程中，水被分解為氫氣和氧氣，沒有任何其他副產(chǎn)物。從歷史上看，電解需要消耗大量能量，因此用這種方式生產(chǎn)氫氣幾乎沒有意義。但這種情況正在發(fā)生改變。原因有兩個(gè)，首先，在目前的電網(wǎng)中經(jīng)常會出現(xiàn)大量沒有被消耗的可再生電力。與其將這些過量的電力用電池組儲存起來，還不如用它來電解水，以氫能的方式存儲。其次，電解器的效率也提高了。
最近，Advanced Ionics等公司新開發(fā)了新型電解器，產(chǎn)生1千克氫氣只需要消耗不到40千瓦時(shí)的能量。能源公司正在將這些電解器直接集成到可再生能源項(xiàng)目中，以此實(shí)現(xiàn)綠氫的規(guī)?；a(chǎn)。
雖然綠氫仍處于起步階段，但一些國家正在加緊投資這項(xiàng)技術(shù)。澳大利亞希望利用豐富的太陽能和風(fēng)能生產(chǎn)氫氣并出口。智利計(jì)劃在該國干旱但是擁有大量太陽能電力的北部生產(chǎn)氫能。中國的目標(biāo)則是在2030年以前讓上百萬輛氫燃料電池汽車上路。
全基因組合成技術(shù)
全基因組合成是正在蓬勃發(fā)展的合成生物學(xué)的又一次延伸。研究人員可以使用軟件設(shè)計(jì)基因序列，合成后再導(dǎo)入微生物體內(nèi)。也就是說，研究人員可以對微生物編程，實(shí)現(xiàn)某些特定的功能，比如讓細(xì)菌合成某種新型藥物。
設(shè)計(jì)包含數(shù)百萬個(gè)核苷酸的基因組(比如細(xì)菌和酵母菌的基因組)已經(jīng)變得越來越容易。合成這樣大小的基因組能把微生物變成工廠，這座工廠不僅能夠生產(chǎn)藥物，還能生產(chǎn)其他產(chǎn)品。比如，它們可以被設(shè)計(jì)為持續(xù)生產(chǎn)某些化學(xué)物質(zhì)、燃料和新型建筑材料的工廠。而生產(chǎn)原材料也只是非食物類的生物質(zhì)，甚至是被看作廢氣的二氧化碳。
很多科學(xué)家還希望能夠合成更大的基因組，比如來自植物、動物和人類的基因組。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，我們還需要加大對設(shè)計(jì)軟件、合成設(shè)備和組裝設(shè)備的投入。如果資金充足，在近10年內(nèi)就有可能實(shí)現(xiàn)合成包含數(shù)十億個(gè)核苷酸的基因組。
對此，科學(xué)家已經(jīng)設(shè)想出了很多值得期待的應(yīng)用場景，比如設(shè)計(jì)能抵抗病原體的植物，極其安全的人類細(xì)胞系(可以不受病毒、癌癥和輻射的影響，因此可以用于開發(fā)細(xì)胞療法)。在未來，隨著技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家一定會掌握合成人類自身基因組的能力，這或許可以讓醫(yī)生治療幾乎所有的遺傳疾病。
（轉(zhuǎn)載）
