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科技動態:2019年十大新興技術改變世界的技術勢必會破壞現狀

2019-11-21 04:43 性質:翻譯 作者:MULAN 來源:無人機網(www.iyfliy.live)
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有一天,本報告中重點介紹的一項新興技術將使您幾乎可以傳送到一個遙遠的站點,并真正感受到網絡旅行者的握手和擁抱。也即將變得司空見慣:旨在與人交往的類人機...

有一天,本報告中重點介紹的一項新興技術將使您幾乎可以傳送到一個遙遠的站點,并真正感受到網絡旅行者的握手和擁抱。也即將變得司空見慣:旨在與人交往的類人機器人(和動物類機器人);一個可以在短短幾秒鐘內查明食物中毒爆發源的系統;小巧的鏡頭,將為小型攝像機和其他設備鋪平道路;堅固,可生物降解的塑料,可以用其他無用的植物廢料制成;基于DNA的數據存儲系統,可以可靠地存儲大量信息;和更多。

《科學美國人》與世界經濟論壇一起召集了一個由領先技術專家組成的國際指導小組,并進行了激烈的過程來確定今年的“十大新興技術”。在征求了全球其他專家的提名后,指導小組評估了數十個符合多個標準的建議書:建議的技術是否有潛力為社會和經濟帶來重大利益?他們會改變行事方式嗎?它們是否仍處于開發的早期階段,但吸引了研究實驗室,公司或投資者的極大興趣?他們是否可能在未來幾年內取得重大進展?該小組在需要的地方尋求更多信息,并在四個虛擬會議中完善了清單。

1、環境:生物塑料可以解決重大污染問題

先進的溶劑和酶正在將木質廢物轉變為更好的可生物降解塑料

作者:哈維爾·加西亞·馬丁內斯(JAVIER GARCIA MARTINEZ)

我們的文明是建立在塑料之上的。根據世界經濟論壇的數據,僅2014年,該行業就產生了3.11億公噸,預計到2050年將增加三倍。但是,只有不到15%的產品得到了回收。其余大部分被焚化,堆放在垃圾場或被丟棄在環境中,在這種環境中,由于抗微生物消化作用,可以持續數百年。積聚在海洋中的塑料碎片會引起各種問題,從誤食時殺死野生生物到釋放有毒化合物等。它甚至可以通過被污染的魚進入我們的身體。

圖片提供:Vanessa Branchi

可生物降解的塑料可以緩解這些問題,有助于實現“循環”塑料經濟的目標,在這種經濟中,塑料源自生物質并轉化為生物質。像衍生自石油化工產品的標準塑料一樣,可生物降解的產品由聚合物(長鏈分子)組成,這些聚合物在流動狀態下可以模制成多種形式。但是,當前可用的選項(主要是玉米,甘蔗或廢油脂)通常都缺乏標準種類的機械強度和視覺特性。用纖維素或木質素(植物中的干物質)生產塑料的最新突破有望克服這些缺點。除了對環境的好處外,纖維素和木質素還可以從非食用植物中獲得,例如巨型蘆葦,

纖維素是地球上最豐富的有機聚合物,是植物細胞壁的主要成分。木質素填充這些壁中的空間,從而提供強度和剛度。要使用這些物質制造塑料,制造商必須首先將其分解為構件或單體。研究人員最近找到了對這兩種物質都這樣做的方法。木質素的工作特別重要,因為木質素的單體是由芳環組成的,這種化學結構賦予某些標準塑料以其機械強度和其他所需的特性。木質素不能溶解在大多數溶劑中,但是研究人員表明,某些對環境友好的離子液體(主要由離子組成)可以選擇性地將其與木材和木本植物分離。

公司正在基于這些發現。例如,Chrysalix Technologies是倫敦帝國理工學院的附屬公司,開發了一種工藝,該工藝使用低成本的離子液體從起始原料中分離纖維素和木質素。芬蘭生物技術公司MetGen Oy生產多種基因工程酶,這些酶將不同來源的木質素裂解為廣泛應用所需的組分。Mobius(以前稱為Grow Bioplastics)正在開發木質素基塑料顆粒,用于可生物降解的花盆,農用覆蓋物和其他產品。

在廣泛使用新塑料之前,必須克服許多障礙。一是成本。另一個方法是將生產土地和水的數量減至最少-即使木質素僅來自廢物,也需要水將其轉化為塑料。與任何重大挑戰一樣,解決方案將需要采取多種措施,從法規到社會使用和處置塑料方式的自愿改變。盡管如此,新興的可生物降解塑料的生產方法還是綠色溶劑和更有效的生物催化劑如何在主要工業中促進循環經濟發展的完美范例。

2、工程:社交機器人與他人玩得很好

Droid的朋友和助手正在深入我們的生活

作者:科琳娜·E·拉森(CORINNA E.LATHAN)和杰弗里·靈(GEOFFREY LING)

在工業和醫學領域,機器人通常會進行構建,分解和檢查。他們還協助手術,并在藥房分配處方藥。它們和旨在與人互動并引起情感聯系的“社交”機器人都沒有像杰特遜一家的女仆,羅茜或其他受人喜愛的小說機器人那樣。即使這樣,也可以期望社交機器人在未來幾年內變得越來越復雜和流行。該領域似乎已經達到了一個臨界點,機器人具有比以往更大的交互功能和執行更多有用的任務。

與大多數機器人一樣,社交機器人使用人工智能來決定如何對通過相機和其他傳感器接收到的信息采取行動。通過研究諸如感知如何形成,什么構成社會和情感智能以及人們如何推斷他人的思想和情感等問題,研究已經賦予了以看起來栩栩如生的方式做出響應的能力。人工智能的進步使設計師能夠將這種心理和神經科學見解轉化為允許機器人識別聲音,面部和情緒的算法。解釋語音和手勢;對復雜的言語和非言語提示做出適當反應;眼神接觸;談話通過從反饋,獎勵和批評中學習來適應人們的需求。

圖片提供:Vanessa Branchi

結果,社交機器人填補了各種各樣的角色。例如,一個47英寸的類人動物,稱為Pepper(來自SoftBank Robotics),可識別臉部和基本的人類情感,并通過觸摸屏在其“胸部”中進行對話。全球約有15,000 Peppers提供諸如酒店入住,機場等服務。客戶服務,購物幫助和快餐結帳。Temi(來自Temi USA)和Loomo(Segway Robotics)是下一代個人助理,例如Amazon Echo和Google Home,但它們具有移動性,提供了新的功能。例如,Loomo不僅是同伴,而且可以根據命令轉換成踏板車進行運輸。

社交機器人對于協助世界上日益增長的老年人口特別有吸引力。PARO治療機器人(由日本國家先進工業科學技術研究院開發),看上去像一個可愛的海豹,旨在刺激和減輕患有阿爾茨海默氏病的人和其他護理機構的患者的壓力:搖頭,哭著撫摸。Mabu(Catalia Health)讓患者(尤其是老人)作為健康助手,提醒他們散步和服藥并打電話給家人。社交機器人作為玩具也受到了消費者的關注。早期嘗試將社會行為納入玩具中,例如孩之寶的Baby Alive和索尼的AIBO機器狗,取得的成功有限。但是兩者都在復蘇

2018年,消費類機器人的全球銷售額估計達到56億美元,到2025年年底,該市場預計將增長到190億美元,每年售出超過6500萬臺機器人。考慮到Jibo和Anki等多家資金雄厚的消費機器人公司已經倒閉,這種趨勢似乎令人驚訝。但是,一大批機器人正在取代已淘汰的機器人,包括BUDDY(藍蛙機器人),這是一種大眼的移動設備,除了充當個人助理之外,還可以玩游戲并提供家庭自動化和安全性。

3、工程:微小的透鏡將使微型光學器件的設計成為可能

薄而扁平的金屬感鏡可以代替笨重的玻璃來操縱光

作者:阿爾貝托·莫斯卡泰利(ALBERTO MOSCATELLI)

隨著電話,計算機和其他電子產品的體積越來越小,它們的光學組件頑固地拒絕收縮。值得注意的是,用傳統的玻璃切割和玻璃彎曲技術很難制造出微小的透鏡,而且玻璃透鏡中的元件通常需要堆疊以正確聚焦光線。工程師們最近發現了很多物理原理,它們背后是更小的,更輕的替代方案,稱為金屬感。這些鏡頭可以使顯微鏡和其他實驗室工具以及消費產品(例如相機,虛擬現實頭戴式耳機和用于物聯網的光學傳感器)的尺寸進一步縮小。而且它們可以增強光纖的功能。

金屬元素由比微米薄的平坦表面組成,表面覆蓋有一系列納米尺度的物體,例如突出的柱子或鉆孔。當入射光擊中這些元素時,它的許多特性都會發生變化,包括其偏振,強度,相位和傳播方向。研究人員可以精確地定位納米尺度的物體,以確保離開金屬元素的光具有選定的特性。而且,metalenses是如此之薄,以至于幾個可以彼此疊置而不會明顯增加尺寸。研究人員已經證明了光學設備,例如由這些平坦表面的疊層制成的光譜儀和旋光儀。

在去年的一項重大突破中,研究人員解決了一個稱為色差的問題。當白光通過一個典型的透鏡時,其不同波長的光線會以不同的角度偏轉,從而聚焦在距透鏡不同的距離處。為了解決這個問題,當今的工程師需要將鏡片進行精細的對齊。現在,單個金屬元素可以將所有白光波長聚焦到同一點上。除了創建這種“消色差”金屬元素外,科學家還開發了可以糾正其他像差(例如,彗形像差和像散)的金屬像,這些像差會導致圖像失真和模糊。

圖片提供:Vanessa Branchi

除了減小尺寸外,金屬鏡還應最終降低光學組件的成本,因為小型透鏡可以用半導體行業中已經使用的相同設備制造。此功能提高了并排制造微型光傳感器的光學和電子組件的誘人前景。

但是目前,費用仍然很高,因為很難將納米級元素精確地放置在厘米級芯片上。其他限制也需要解決。到目前為止,metalenses不能像傳統鏡頭那樣有效地傳輸光,這對于全色成像等應用來說是一項重要功能。此外,它們太小而無法捕獲大量的光,這意味著至少到目前為止,它們不適合拍攝高質量的照片。

然而,在未來幾年中,這些小透鏡可能會進入更小,更易于制造的傳感器,諸如內窺鏡成像設備之類的診斷工具以及光纖中。這些潛在的應用程序吸引人,足以吸引政府機構以及三星和谷歌等公司的研究支持。至少有一家初創企業Metalenz希望在未來幾年內將Metalenses推向市場。

4、醫療與生物技術:一類特殊的蛋白質為癌癥和老年癡呆癥的藥物提供了有希望的靶標

治療癌癥和其他疾病的新可能性

作者:伊麗莎白·奧戴(ELIZABETH O'DAY)

幾十年前,科學家們發現了一類特殊的蛋白質,可將疾病從癌癥轉變為神經退行性疾病。這些“內在失調的蛋白質”(IDP)看起來與細胞中較為熟悉的具有剛性結構的蛋白質不同。國內流離失所者是變形者,表現為不斷變化的配置的組件的集合。事實證明,這種松散的結構允許IDP在關鍵時刻(例如在細胞對壓力的反應期間)將各種分子聚集在一起。柔韌性較低的蛋白質往往具有數量有限的結合伴侶。當國內流離失所者無法正常工作時,就可能引發疾病。

圖片提供:Vanessa Branchi

然而,醫學研究人員尚未能夠創造出消除或調節有故障的IDP的療法。確實,許多人被稱為不可消費的。這是因為目前使用的大多數藥物都需要穩定的結構來靶向,并且國內流離失所者的放置時間不夠長。事實證明,導致癌癥的眾所周知的無序蛋白(包括c-Myc,p53和K-RAS)太難以捉摸。但是,這種情況正在開始改變。

科學家們將生物物理學,計算能力以及對IDP發揮作用的方式進行了嚴格的結合,從而更好地理解了IDP來識別抑制這些蛋白質的化合物,其中一些已成為真正的候選藥物。2017年,法國西班牙的研究人員證明,有可能瞄準并擊中IDP多變的“模糊”界面。他們表明,FDA批準的一種名為Trifluoperazine(用于治療精神病和焦慮癥)的藥物與NUPR1結合并抑制了它的生長,NUPR1是一種參與胰腺癌形式的失調蛋白。大規模篩選測試評估了數千種候選藥物的治療潛力,發現其中幾種抑制c-Myc,有些正在向臨床發展。已經確定了可用于IDP的其他分子,例如β-淀粉樣蛋白,

這一清單將繼續增長,尤其是隨著IDP在稱為無膜細胞器的關鍵細胞部分中所扮演的角色越來越清晰時。這些細胞器通常被稱為液滴或冷凝物,它們使重要的細胞分子(例如蛋白質和RNA)在特定的時間閉合在一起,而使其他細胞彼此分開。接近使某些反應更容易發生;分離可防止各種反應。科學家設計了功能強大的新型分子操縱工具,命名為Corelets和CasDrop,使研究人員可以控制這些液滴的形成方式。使用這些工具和其他工具,研究人員已經了解到IDP可能有助于控制液滴的組裝,功能和拆卸。

這一發現很重要,因為在液滴形成和分解過程中,IDP與各種結合配偶體相互作用,有時會保持新形狀一會兒。尋找能夠找到并結合這些形狀的藥物可能比發現可以擊中IDP的化合物更容易。全球研究人員正在探索發現這些與液滴相關的力學的開創性工作。

工業也在押注國內流離失所者的治療潛力。生物技術公司IDP Pharma正在開發一種蛋白抑制劑來治療多發性骨髓瘤和小細胞肺癌。Graffinity Pharmaceuticals,現在是NovAliX的一部分,已經確定了靶向靶向無序蛋白tau的小分子,該蛋白tau與阿爾茨海默氏病的病理學有關。Cantabio Pharmaceuticals正在尋找小分子來穩定涉及神經變性的IDP。一家名為Dewpoint Therapeutics的新公司正在探索一種想法,即由于液滴及其無序成分將分子聚集在一起以增強反應的方式,因此可以用作藥物靶標。在未來的三到五年中,這些曾經“不可消費的”蛋白質將越來越有可能成為藥物開發的十字準線。

5、環境:更智能的肥料可以減少環境污染

新配方可按需提供營養

作者:杰夫·卡貝克(JEFF CARBECK)

為了養活世界上不斷增長的人口,農民需要提高作物產量。施更多肥料可能會有幫助。但是標準版本的工作效率低下,經常會損害環境。幸運的是,更環保的產品(控釋肥料)已經上市,并且變得越來越聰明。

農民通常以兩種方式施肥。它們與水反應時,向田間噴灑氨,尿素或其他會產生營養氮的物質。他們使用鉀鹽或其他礦物質的顆粒來產生磷,也會與水反應。但是這些營養中相對較少的進入植物。取而代之的是,大量的氮以溫室氣體的形式進入大氣,而磷最終流域,最終觸發藻類和其他生物的過度生長。相比之下,控釋制劑可以確保作物中營養成分的含量更高,從而以更少的肥料獲得更高的產量。

一類被稱為緩釋肥料的產品已經出售了一段時間。這些配方通常由微小的膠囊組成,里面裝有含有氮,磷和其他所需營養素的物質。外殼既減慢了水可以進入內部內容物釋放養分的速度,也減慢了最終產品從膠囊中逸出的速度。結果,營養素逐漸被吸收,而不是浪費而無法有效吸收的快速爆發。較新的制劑包括通過阻止起始物質(例如尿素)轉化為營養素而進一步減緩營養素傳遞的物質。

圖片提供:Vanessa Branchi

最近,已經開發出更完全符合“控釋”描述的肥料-通過能夠調節外殼的先進材料和制造技術,使肥料成為可能,從而隨著土壤溫度,酸度或濕度的變化,以所需的方式改變養分釋放速率。通過組合不同類型的微調膠囊,制造商可以制造出具有適合特定作物或生長條件需求的肥料。提供更精確控制的公司包括海法集團和ICL特種肥料。例如,海法將養分釋放的速率僅與溫度聯系在一起;隨著溫度的升高,農作物的生長速度和養分的排放量一起增加。

盡管控釋技術使肥料更有效,但并不能消除肥料使用的所有弊端。這些產品仍然包括例如氨,尿素和鉀肥。生產這些物質需要消耗大量能源,這意味著它們的生產可以促進溫室氣體的產生和氣候變化。但是,可以通過使用對環境更友好的氮源并摻入可提高植物吸收氮和磷效率的微生物來減輕這種影響。沒有證據表明構成外殼的材料會損害環境,但是,每當大量引入任何新物質時,都必須監視這種風險。

控釋肥料是被稱為精準農業的可持續農業方法的一部分。該方法通過結合數據分析,人工智能和各種傳感器系統來確定在任何給定時間準確地需要多少肥料和水廠,以及通過部署自動車輛以規定的數量和位置來輸送營養,從而提高了作物的產量并最大程度地減少了過多的養分釋放。但是,安裝精密系統的成本很高,因此只有大規模的操作才能安裝它們。相比之下,先進的控釋肥料相對便宜,可以成為幫助農民持續增加作物產量的一線技術。

6、計算:協作網真可以使距離(相對)無意義

虛擬聚會的參與者會覺得自己像在物理上一樣

作者:科琳娜·E·拉森和安德魯·梅納德

想象一下,世界不同地區的一群人像在身體上一樣在一起時,會流暢地互動,直到能夠感覺到彼此的觸摸。啟用這種“協作網真”的組件可能會改變我們一起工作和娛樂的方式,從而使實際位置無關緊要。

圖片提供:Vanessa Branchi

就像Skype和FaceTime等視頻通話應用程序使曾經成為消費者廣泛使用的業務領域,以及大型多人在線游戲從根本上改變了人們在Internet上的交互方式一樣,協作網真可以改變人們在業務中的虛擬交互方式超越。例如,醫療服務提供者將能夠像在同一個房間一樣與患者進行遠程合作。即使他們實際上不在同一個地方,朋友和家人也將能夠享受共享的經驗,例如在舒適的房間里一起旅行或游覽新城市。

在幾個領域的進展使這一前景可行。增強現實(AR)和虛擬現實(VR)技術已經變得足夠強大且負擔得起,可以被廣泛采用。電信公司正在以足夠快的速度推出5G網絡,以處理來自高級傳感器陣列的大量數據,而不會出現滯后時間。創新者正在完善使人們能夠與遠程環境進行物理交互的技術,包括使人們能夠感覺到他們的機器人化身所觸摸的觸覺傳感器。協作遠程呈現所設想的完全感官沉浸將需要比視頻通話可接受的滯后時間短得多的時間,并且有時可能甚至會給5G網絡增加負擔,但是預測性AI算法可以消除用戶對時空的感知。

盡管協作網真仍在不斷涌現,但要在三到五年內實現變革,一切都應有盡有。例如,微軟和其他公司已經在技術上進行了投資,這些技術有望在2025年之前支撐數十億美元的產業。XPRIZE基金會發起了一項耗資1000萬美元的ANA Avatar XPRIZE競賽(由全日空航空公司贊助),以啟動這些技術將“將人類的感覺,行動和存在實時地傳輸到偏遠地區,從而建立一個更加互聯的世界。”隨著零件的相互編織,人們期望看到日常生活和工作中的變化會像戲劇性的這些都是由智能手機的廣泛采用引發的。

7、公共衛生:先進的食品跟蹤和包裝將挽救生命并減少浪費

兩種技術的結合可以大大提高食品安全性

作者:RONA CHANDRAWATI和BERNARD S. MEYERSON

根據世界衛生組織的數據,每年約有6億人食物中毒,有42萬人死亡。爆發時,調查人員可以花費數天或數周的時間來追蹤其來源。同時,更多的人可能會生病,大量未受污染的食物可能會與受污染的物品一起丟棄。尋找食物來源可能是一項緩慢的工作,因為食物從農場到餐桌走的路很復雜,而且這些旅行的記錄都保存在本地系統中,而這些本地系統通常不會相互通信。

兩項技術共同可以減少食物中毒和食物浪費。第一個是區塊鏈技術的創新應用(以管理虛擬貨幣而著稱),開始解決可追溯性問題。同時,增強型食品包裝正在提供新的方法來確定食品是否已在適當的溫度下存儲以及它們是否開始變質。

區塊鏈是一種去中心化的會計系統,其中條目按順序記錄在存儲在多個位置的計算機上的多個相同“分類帳”中。這種冗余使得篡改任何一個分類帳都是徒勞的,從而創建了高度受信任的交易記錄。為食品行業開發的基于區塊鏈的云平臺IBM Food Trust已被主要食品銷售商采用。(我們中的一個人Meyerson隸屬于IBM。)

圖片提供:Vanessa Branchi

通過將種植者,分銷商和零售商整合在一個通用的區塊鏈上,Food Trust可以創建給定食品通過端到端供應鏈的可信記錄。在一項使用該技術的測試中,沃爾瑪以秒為單位追蹤了“被污染”物品的來源。加上書面記錄和數字記錄的標準組合,這將需要幾天的時間。有了這種功能,零售商和飯店幾乎可以立即從流通中清除受污染的物品,并且只銷毀來自同一來源(例如,生菜的特定種植者)的庫存,而不用浪費該物品的全部國家庫存。許多食品商業巨頭-沃爾瑪,家樂福,山姆俱樂部,阿爾伯森公司,史密斯菲爾德食品,BeefChain,Wakefern Food(ShopRite'的母公司)和Topco Associates(一個團體采購組織)—已加入IBM Food Trust。其他組織也引入了區塊鏈技術以增強可追溯性。

首先,為了防止食物中毒,研究實驗室和公司正在開發小型傳感器,可以監視托盤,箱子或單獨包裝的產品中食品的質量和安全性。例如,Timestrip UK和Vitsab International分別創建了傳感器標簽,如果產品暴露于上述推薦溫度下,該標簽會變色; Insignia Technologies銷售的傳感器在打開包裝后會緩慢變色,并指示時間已到。來扔食物。(如果產品未在適當的溫度下存儲,則顏色變化更快。)還正在開發可顯示出氣態副產物的傳感器。除了預防疾病之外,此類傳感器還可以通過證明食物可以安全食用來減少浪費。

成本仍然是普遍使用傳感器的障礙。盡管如此,食品行業對確保食品安全和限制浪費的需求推動了這項技術和區塊鏈的發展。

8、能源:更安全的核反應堆即將到來

彈性燃料和創新性反應堆可使核電復興

作者:馬克·費斯切蒂(MARK FISCHETTI)

控制大氣中的碳將需要多種能源技術,其中可能包括核反應堆,該反應堆不排放碳,但由于幾次重大事故而被認為具有風險。該風險可以大大降低。

商用反應堆使用相同的燃料已有幾十年了:將二氧化鈾的小顆粒堆積在由鋯合金制成的長圓柱棒中。鋯使小球中的裂變產生的中子易于通過浸沒在反應堆堆芯內部水中的許多棒中,從而支持自持的發熱核反應。

問題是,如果鋯過熱,它會與水反應并產生氫,氫會爆炸。這種情況引發了世界上最嚴重的兩次反應堆事故:1979年美國三哩島的潛在爆炸和部分融化,以及2011年日本福島第一核電站的爆炸和輻射釋放。(1986年的切爾諾貝利事故是由錯誤的反應堆設計和運行引起的。)

圖片提供:Vanessa Branchi

西屋電氣公司(Westinghouse Electric Company)和Framatome之類的制造商正在加快所謂的耐事故性燃料的開發,這些燃料不太可能過熱,如果發生這種情況,它們將產生很少的氫氣或不產生氫氣。在某些變型中,對鋯包層進行了涂層處理以最大程度地減少反應。在其他情況下,鋯甚至二氧化鈾都用不同的材料代替。新配置可以在不做任何改動的情況下滑入現有反應堆,因此可以在2020年代逐步使用。已經開始的全面的核心測試必須證明是成功的,并且監管機構也必須對此感到滿意。另外,新燃料還可以幫助工廠更高效地運轉,從而使核電更具成本競爭力。這對制造商和電力公司來說是巨大的動力,因為天然氣,

盡管核電在美國停滯不前,在德國和其他地方正在逐步淘汰,但俄羅斯和中國正在積極建設。這些市場對于這些新燃料的制造商而言可能是有利可圖的。

俄羅斯也在部署其他安全措施;國營公司Rosatom最近在國內外安裝的裝置具有較新的“被動”安全系統,即使工廠電力中斷且冷卻液無法有效循環,也可以抑制過熱。西屋公司和其他公司也將被動安全功能納入其更新設計中。

制造商正在試驗“第四代”模型,該模型使用液態鈉或熔融鹽代替水來傳遞裂變熱,從而消除了危險的氫氣產生的可能性。據報道,中國打算今年將一個示范氦冷卻反應堆連接到其電網。

在美國,缺乏對永久性,深層乏核燃料地質庫的政治承諾長期以來一直阻礙著該行業的發展。情緒可能正在改變。令人驚訝的是,最近有十幾位美國立法者提議采取措施,重新啟動內華達州尤卡山核廢料處置庫的許可,該核查自1987年以來一直是該國的主要儲存地點。同時,阿拉斯加的參議員麗莎·默科夫斯基(Lisa Murkowski)提倡在愛達荷州國家實驗室開發非常小的模塊化反應堆。(Rosatom也正在制造小型反應堆。)一些西方國家已與俄勒岡州的NuScale Power就其十二個模塊化反應堆達成了一項臨時協議。改進的燃料和小型反應堆的增長可能是核電復興的重要組成部分。

9、醫療與生物技術:DNA數據存儲比您想象的要緊密

Life的信息存儲系統正在適應處理大量信息

作者:李相佑

根據軟件公司Domo的數據,2018年每一分鐘,Google進行了388萬次搜索,人們在YouTube上觀看了433萬個視頻,發送了159,362,760封電子郵件,發布了473,000次,并在Instagram上發布了49,000張照片。到2020年,假設全球人口為78億,那么全球每人每秒將創建約1.7兆字節的數據,這相當于每年約418 ZB(4180億個1 TB硬盤的信息價值)。如果當前的磁或光數據存儲系統的容量為0和1,則通常不能持續超過一個世紀。此外,運行數據中心會消耗大量能源。簡而言之,我們將面臨一個嚴重的數據存儲問題,隨著時間的推移,這個問題只會變得更加嚴重。

圖片提供:Vanessa Branchi

硬盤驅動器的替代方案正在發展:基于DNA的數據存儲。DNA由核苷酸A,T,C和G的長鏈組成,是生命的信息存儲材料。數據可以按這些字母的順序存儲,從而使DNA成為信息技術的一種新形式。它已經被常規地排序(讀取),合成(寫入)并輕松地精確復制。DNA的穩定性也令人難以置信,正如生活在500,000年前的化石馬的完整基因組測序所證明的那樣。并且存儲它不需要太多能量。

但是,閃耀的是存儲容量。DNA可以以遠遠超過電子設備密度的密度準確地存儲大量數據。例如,根據哈佛大學喬治教堂(George Church)及其同事在2016年發表在《自然材料》(Nature Materials)上的計算結果,例如,簡單細菌大腸埃希氏菌的存儲密度約為1019位/立方厘米。在這樣的密度下,一個側面約一米長的DNA立方體可以很好地滿足全世界一年的當前存儲需求。

DNA數據存儲的前景不僅僅是理論上的。例如,2017年,哈佛大學Church小組采用CRISPR DNA編輯技術將人類手的圖像記錄到大腸桿菌基因組中,并以90%以上的準確率讀取了該圖像。華盛頓大學和微軟研究院的研究人員已經開發出了一種全自動系統,用于寫入,存儲和讀取以DNA編碼的數據。包括Microsoft和Twist Bioscience在內的許多公司正在努力發展DNA存儲技術。

與此同時,研究人員正在努力地利用DNA來以不同的方式管理數據,他們正在努力理解大量數據的意義。下一代測序技術的最新進展使數十億條DNA序列易于同時讀取。憑借這種能力,研究人員可以采用條形碼(將DNA序列用作分子識別“標簽”)來跟蹤實驗結果。現在,DNA條碼已被用于大大加快化學工程,材料科學和納米技術等領域的研究速度。例如,在佐治亞理工學院,詹姆斯·達曼(James E. Dahlman)的實驗室正在迅速確定更安全的基因療法。其他人正在研究如何抗藥性和預防癌癥轉移。

使DNA數據存儲變得司空見慣的挑戰之一是讀寫DNA的成本和速度,如果要與電子存儲競爭,則需要進一步降低成本。即使DNA并沒有成為普遍存在的存儲材料,它也幾乎肯定會被用于以全新的規模生成信息并長期保存某些類型的數據。

10、能源:公用事業規模的儲能將實現可再生電網

可持續能源解決方案的障礙尚未解決

作者:安德烈·湯普森(ANDREA THOMPSON)

在能源系統脫碳的緊迫性以及風能和太陽能技術成本暴跌的推動下,世界上的電力獲取方式正在經歷快速轉變。根據美國能源情報署(Energy Information Administration)的數據,在過去十年中,美國可再生能源產生的電力翻了一番,主要來自風能和太陽能裝置。在2019年1月,EIA預測風能,太陽能和其他非水電可再生能源將成為未來兩年電力組合中增長最快的部分。但是這些能源的間歇性意味著電力公司需要一種方法來將能量保持在后兜中,以防止太陽不發光且風很平靜。需求日益增長,人們對儲能技術(尤其是鋰離子電池

幾十年來,抽水蓄能是一種簡單的過程,具有不同高度的水庫,是美國主要的大規模儲能方法。為儲存能量,水被抽入較高的水庫。當需要該能量時,水被釋放到下部水庫,并沿途流經渦輪機。能源部稱,抽水蓄能水力發電目前占美國公用事業規模儲能的95%。但是,隨著效率和可靠性的提高以及制造成本的下降,鋰離子電池也激增了。EIA稱,它們占美國公用事業規模電池存儲電力容量的80%以上,從十年前的幾兆瓦躍升至2019年2月的866兆瓦。彭博新能源財經(Bloomberg New Energy Finance)在2019年3月的一份分析報告中稱,自2012年以來,此類電池的電力成本下降了76%,這使其與那些通常由天然氣供電,在高電時間開啟的電廠的競爭力接近需求。迄今為止,盡管電池已被廣泛用于進行簡短,快速的調整以維持功率水平,但包括佛羅里達州和加利福尼亞州在內的多個州的公用事業公司都在添加鋰離子電池,該電池能夠使用兩到四個小時。早期的能源研究公司Wood Mackenzie估計,從2018年到2019年,儲能市場將翻一番,從2019年到2020年將增長三倍。通常由天然氣供電,在高電力需求時會打開。迄今為止,盡管電池已被廣泛用于進行簡短,快速的調整以維持功率水平,但包括佛羅里達州和加利福尼亞州在內的多個州的公用事業公司都在添加鋰離子電池,該電池能夠使用兩到四個小時。早期的能源研究公司Wood Mackenzie估計,從2018年到2019年,儲能市場將翻一番,從2019年到2020年將增長三倍。通常由天然氣供電,在高電力需求時會打開。迄今為止,盡管電池已被廣泛用于進行簡短,快速的調整以維持功率水平,但包括佛羅里達州和加利福尼亞州在內的多個州的公用事業公司都在添加鋰離子電池,該電池能夠使用兩到四個小時。早期的能源研究公司Wood Mackenzie估計,從2018年到2019年,儲能市場將翻一番,從2019年到2020年將增長三倍。

圖片提供:Vanessa Branchi

專家稱,鋰離子電池將在未來五到十年內成為主導技術,并且持續的改進將導致電池可以存儲四到八小時的能量,例如足夠長的時間來移動太陽能電池電力需求達到高峰。

但是,達到可再生能源和能源存儲可以處理基準發電負荷的地步,將需要更長的時間存儲能量,這將意味著要超越鋰離子電池。潛在的候選人包括其他高科技選擇,例如液流電池,它可以輸送液體電解質和氫燃料電池;也可以是更簡單的概念,例如,抽水蓄能水力發電和所謂的重力存儲。抽水蓄能水電一旦安裝便很便宜,但建造起來很昂貴,只能在某些地區使用。同樣,重力存儲的概念也很簡單,它的目的是利用多余的電力來舉起笨重的積木,然后將其降低以驅動渦輪發電。盡管有幾家公司正在進行示范并吸引了投資,這個想法還沒有開始。仍在開發其他選擇,以使其與鋰離子電池充分可靠,高效且具有成本競爭力。根據EIA的數據,到2017年底,美國僅部署了三個大型液流電池存儲系統,而公用事業規模的氫氣系統仍處于示范階段。美國政府正在為此領域的一些工作提供資金,特別是通過能源高級研究計劃署(ARPA-E),但是這些技術的投資(以及一般而言的能源存儲)大部分發生在中國和韓國,這也加快了存儲研究的速度。根據EIA的數據,到2017年底,美國僅部署了三個大型液流電池存儲系統,而公用事業規模的氫氣系統仍處于示范階段。美國政府正在為此領域的一些工作提供資金,特別是通過能源高級研究計劃署(ARPA-E),但是這些技術的投資(以及一般而言的能源存儲)大部分發生在中國和韓國,這也加快了存儲研究的速度。根據EIA的數據,到2017年底,美國僅部署了三個大型液流電池存儲系統,而公用事業規模的氫氣系統仍處于示范階段。美國政府正在為此領域的一些工作提供資金,特別是通過能源高級研究計劃署(ARPA-E),但是這些技術的投資(以及一般而言的能源存儲)大部分發生在中國和韓國,這也加快了存儲研究的速度。

儲能成本是否會繼續下降以及下降的幅度尚不確定。但是,各國政府(包括美國各州和地方政府)為實現無碳電力生產而不斷做出的承諾,將繼續推動使越來越多的儲能上網。

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