能無痛注射的微針
肉眼幾乎不可見的“微針”有望讓我們進入一個無痛注射和無痛血檢的新時代。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胞，到達由活細胞和間質(zhì)液組成的表皮。但是微針大多不能到達或只能勉強接觸到真皮層。
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。因為微針注射器或者微針貼片會將藥物直接注射進表皮或真皮中，所以它們能夠比常見的依靠皮膚擴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，然后郵寄到實驗室或是直接在家進行分析。這種方法可以幫助我們更好地實現(xiàn)個性化醫(yī)療。微針還可用于在醫(yī)療服務(wù)匱乏的地區(qū)進行診斷檢測和治療。隨著研究人員設(shè)計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，都需要消耗化石燃料，這個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。
將來，化學(xué)工業(yè)將能夠把廢棄的二氧化碳轉(zhuǎn)化為有價值的產(chǎn)品，朝著真正無浪費的循環(huán)經(jīng)濟邁進一步，并幫助實現(xiàn)負排放的目標。
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，進而能夠準確預(yù)測真實的人體對疾病治療的反應(yīng)，這些都是“計算機模擬醫(yī)學(xué)”的優(yōu)勢。計算機模擬人體試驗可以降低初步評估的時間與金錢成本，同時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人體器官的非侵入性、高分辨率成像圖，當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，強大的計算機得以生成在外觀和行為上與真實人體器官相似度極高的虛擬器官?，F(xiàn)在，F(xiàn)DA正在使用計算機模擬代替真實人體，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)計上，計算機模擬醫(yī)學(xué)也可以發(fā)揮風(fēng)險干預(yù)措施的作用。例如，由FDA批準的基于云服務(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)字模型上開展實驗，還可以幫助醫(yī)生針對不同患者的不同情況進行個性化精準治療。
近年來，F(xiàn)DA和歐洲監(jiān)管機構(gòu)已經(jīng)批準了基于計算機診斷的一些商業(yè)用途，但是要滿足監(jiān)管標準的要求仍需要花費大量的時間和金錢。計算機模擬醫(yī)學(xué)必須為疾病患者、臨床醫(yī)生和醫(yī)療機構(gòu)提供成本更低的巨大價值，才能更廣泛和快速地進入應(yīng)用階段。
空間計算提升人機交互
“空間計算”(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)實和增強現(xiàn)實技術(shù)所能做到的一切：讓傳感器和馬達實現(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)字世界中運動和交互時，“協(xié)調(diào)器”能夠有效地導(dǎo)航和追蹤。很快，空間計算將會使人機交互和機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、運輸和家庭場景等等。
與虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實一樣，空間計算建立在“數(shù)字孿生”之上。有了空間計算以后，能實現(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、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)建一個可觀察、可量化和可操縱的數(shù)字世界，當然這樣的操作也能同時觸及現(xiàn)實世界。
提供醫(yī)療服務(wù)的應(yīng)用程序
在你就醫(yī)時，醫(yī)生開出的處方上寫著的會是一個應(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)展狀況。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。
當然，整個社會必須以十分謹慎的態(tài)度推動數(shù)字醫(yī)療的發(fā)展，必須確保這些工具經(jīng)過嚴格的安全性及有效性測試，必須要保護個人隱私，必須能順利融入醫(yī)生的工作流程。
給飛機換上電動推進器
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，但仍然需要進一步減排。電動飛機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。電動推進器不僅可以消除直接碳排放量，還能降低多達90%的燃料成本、50%的維護成本和近70%的噪音。
電動化的不只有發(fā)動機。在美國正在研發(fā)的X-57麥克斯韋號上，傳統(tǒng)的長機翼被一對更短的、上面分布有電動推進器的機翼取代。電動推進器增加了飛機起飛時的升力，因此機翼可以做得更小，進而提高飛機總體的飛行效率。目前來看，電動飛機的限制還是在于飛行里程。與傳統(tǒng)飛機燃料相比，如今最好的電池的容量仍然有限：前者為12 000 瓦時每千克，后者只有250瓦時每千克。
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，無論是因為加熱和將石灰?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。總部位于德國的跨國公司海德堡水泥計劃將挪威的一處工廠改造為世界首個實現(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：用細菌和顆粒物“長出”了類似水泥的材料。此外，受DARPA資助的一個創(chuàng)新項目，利用一種叫做藍細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;還能讓隨時隨地監(jiān)測大腦活動的便攜式磁共振(MRI)掃描儀成為現(xiàn)實。
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)備達到極高的分辨率。原子鐘就利用了這一原理：我們這個世界的時間是建立在銫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，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目中，以此實現(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，實現(xiàn)某些特定的功能，比如讓細菌合成某種新型藥物。
設(shè)計包含數(shù)百萬個核苷酸的基因組(比如細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。要實現(xiàn)這一點，我們還需要加大對設(shè)計軟件、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)就有可能實現(xiàn)合成包含數(shù)十億個核苷酸的基因組。
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)計能抵抗病原體的植物，極其安全的人類細胞系(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）
