10大創新改變世界

見習記者鄭汝可可以讓手機變得和信用卡一樣薄的"超材料"；將普通腸道菌群變為治病武器的"基因療法"……最新一期的《環球科學》雜誌整理出"10大創新改變世界"，迷你倉它們都是已經被發明出來、即將實現工業化的技術突破。這些創新中的每一項，都有化腐朽為神奇、變不可能為可能的巨大潛力。更驚人的是，這些創新離實際應用並不遙遠。《環球科學》是《科學美國人》的中文版。《科學美國人》（Scientific American）創刊160多年來，一直提供有關科技的前瞻報道與深度解讀，先後有100多位諾貝爾獎得主和數千科技精英為其撰稿。科學家們為何選擇榜單中的10項創新？這些創新將怎樣改變世界？記者採訪到《環球科學》編輯部主任褚波、武漢大學哲學院科學技術哲學教研室主任李宏芳副教授，予以解讀。超級計算機：算出新材料今天的科學家可以利用超級計算機同時模擬、研究成百上千種化合物，快速有效地找出最適合用于電池電極、金屬合金或者新型半導體等器件的基本材料，這一技術被稱為高通量計算材料設計。也就是說，通過超級計算機和經過簡化的量子力學方程，科學家將能在極短時間內，從大量化合物中找到理想的材料，並在虛擬條件下製造、測試新材料的特性。在不久的將來，材料科學家將採用高通量計算來設計幾乎所有材料。這些突破性進展將會改變我們的計算方式，消除汙染，產生豐富的清潔能源，並以今天難以想象的方式提高我們的生活品質。碳儲藏：將二氧化碳變為岩石當前碳儲藏方案（將二氧化碳注入多孔沉積岩，如砂石）的主要症結在於：二氧化碳最終還是可能逃逸出來，返回地面，進入大氣層，使地球變熱。目前，工程師們正試圖找到一種方法，能將煤電廠煙囪釋放的二氧化碳，變成靜臥于地下的岩石。玄武岩成為替代沉積岩的選擇。作為地殼的主要組成部分，玄武岩中的鎂、鈣、鐵等礦物質可與二氧化碳緩慢反應，在岩層孔隙中形成碳酸鹽晶體，從而將碳以固體形態永久封存起來。如果成功，全球變暖的問題或許能夠得到有效緩解。目前的主要問題不是在技術上，而是在經濟上，即缺乏經濟激勵措施，碳封存手段難以推廣。超輕材料：經濟又堅固2012年的一天，麻省理工學院的科學家測試了一種強韌的新型超輕復合材料，它們具有網狀結構，可以像積木一樣拼裝在一起。這些材料與同等重量的現有超輕材料相比，硬度是其10倍。利用這種全新材料，科學家可以製造出很多不可思議的產品，廣泛用于航天、工業及消費品中。此外，這種復合材料還可以克服超輕結構在尺寸上的限制。麻省理工學院復合材料研究團隊的張振威說，終有一天，我們能用它製造出新奇的結構，如擁有可變形機翼的飛機、手臂沒有關節卻很靈活的機器人。軟體機器人：模仿蠕蟲和章魚科學家們正在試圖找到一種可變形聚合物，制成機器人，它可以像蠕蟲一樣把自己拉長。這種"軟體機器人"目前還只存在於實驗室，但材料科學、控制論、能量存儲和柔性電子技術領域的快速發展，可能會改變這個現狀。要不了多久，柔性機器人就會在礦井、工廠甚至人體內完成困難的任務。軟體機器人最大的優勢是其成本：聚合物材料、空氣導管，再加上一個不大的電源，這些東西加起來可能也不到一個移動式金屬機器人造價的零頭。宏基因組學：操控腸道微生物幾年前，研究大規模的微生物群落還是個夢想。如今，多虧宏基因組學（metagenomics）這一新興領域的發展，科學家可以比較一個健康人和一個病人腸道內微生物群落的差異。有這些數據作後盾，科學家或許能通過調控人體內的微生物群落，來治療肥胖、炎性腸道疾病和其他疾病。雲計算：智能芯片防範黑客攻擊雲計算是指將筆記本電腦和智能手機連接到遠程大型計算中心，我們就可以獲得比單獨一台電子設備強大得多的計算能力，還可以從世界任何一個角落獲取我們存儲在計算中心的數據和文件。但雲計算也有致命弱點，這就是數據安全——存儲在雲端的數據容易受到黑客攻擊。日前，麻省理工大學的科學家稱，他們發明瞭一種方法，可以讓服務器免受黑客攻擊。簡單地說，這個方法就是安裝一種名為"飛升"（Ascend）的芯片，每當有遠程服務器請求訪問數據時，芯片可放出"煙幕彈"，迷惑對方。目前，"飛升"芯片僅在理論上存在。科學家們希望能在2015年初完成芯片原型的製作。藥物檢測：快速發現劣質藥物美國波士頓大學開發了一種名為"藥物檢查"的新型裝置，這個工具盒大小的裝置可以檢測藥物中活性成分的濃度，以及它們從藥物中釋放的速率。使用"藥物檢查"時，首先需要將藥物溶解于幾百毫升水中，然後向水中加入熒光探測劑，它與溶解的藥物會在測試硅片上的微小通道中發生反應，發出熒光。傳感器接收到光信號後，相應的軟件就可以根據信號強度，計算出藥物成分的濃度。監控信號隨時間的變化情況，即可知道相應成分的溶解速率。這樣，幾分鐘內，醫生、監管官員或衛生工作者就可以明確判定藥物是否安全。柔性顯示屏：平板電腦可彎曲近年來，科研人員一直在努力發展柔性電子顯示屏。如果取得成功，我們將擁有可卷曲的平板電腦，以及帶有可拉伸屏幕（嵌入衣料纖維中）的衣服。目前，最大的困難是找到一種延展性良好的超薄底層（或基底，顯示屏構築其上）。超材料：隱身斗篷成為可能超材料由微觀元件（如金屬環或金屬棒）的微小陣列構成。這些微觀元件可以彎曲、散射或傳送電磁輻射（天然材料則無法做到），但它們的尺寸必須小于它們所要操縱的電磁波的波長。因為超材料操縱光波的能力，我們可以用它建造更可靠的無線網絡連接、容量更大的數據存儲設備、更為先進的電子設備，甚至薄如信用卡的智能手機。科研人員也在用超材料設計"隱身斗篷"。當無線電波或微波遇到超材料外殼，它們不會被反射，而是繞過物體繼續前進——這樣，物體就得以在雷達下遁形。不過，目前，要讓超材料在可見光下也能很好發揮作用，還比較困難。一小管抗菌劑：提高新生兒存活率用洗必泰（Chlorhexidine，一種便宜、常見的抗菌劑）處理臍帶殘端，每年可拯救50萬新文件倉兒的生命。洗必泰已經在醫療手術中使用多年，有效、安全、使用簡單，且無需冷藏。它比一般肥皂水的殺菌能力更強，但刺激性比其他抗菌劑要弱。洗必泰也不昂貴：一支一次性管劑僅需23美分。研究人員估計，如果洗必泰在欠發達國家得到廣泛使用，不論是在家中生產，還是在新生兒死亡率較高的醫療機構，夭折的新生兒中大約有1/6可以幸免。（見習記者鄭汝可 摘編自《環球科學》2014年1月號）超級計算機起了什麼作用？粗略地講，愛迪生式的材料設計方法就是去嘗試你能想到的每一種材料，然後將不符合要求的丟棄。通過高通量的材料設計方法，研究人員可以通過電腦模擬，在一個巨大的數據庫中，迅速篩選出候選材料。這無疑會節省大量時間和金錢，並避免了無數的挫折。一旦計算機測試了成百上千種材料，並給出大約前10種候選材料的列表，研究人員就可以通過常規的實驗室方法，制備實體樣品並進行性能測試。多涉及材料變革"隱身斗篷"、將二氧化碳變成岩石的"碳儲藏"技術……此次"10大創新"榜單，涉及材料學、醫學、機器人技術、計算機科學、藥學檢測、電子、生物學等�多領域。記者注意到，榜單中有多項創新來自于材料學領域。褚波解釋，我們日常生活的各種用品，都是由各種材料做成的。材料學帶來的改變往往更為直接，離我們的日常生活更近。比如，柔性顯示屏出現後，我們就能用上更炫酷更方便的手機和平板電腦。"超級計算機算出新材料"排名第一。褚波說，這不是一種實用的產品或技術，而是一種研究工具，材料科學家借此能獲得前所未有的效率和準確度。他舉例說，1878年，愛迪生為了研發適用于室內的小型燈泡，著手試驗了3000多種碳質材料——包括黃楊木、椰子殼，甚至助手的胡須。如今，愛迪生只需要一台超級計算機，就能迅速找到理想材料，並在虛擬條件下製造、測試新材料的特性。"未來出現新材料的速度或許會超乎我們的想象，而這些新材料的湧現，必將改變我們的生活。"褚波說。主要看中技術"規模化"前景主要看中技術"規模化"前景褚波介紹，每年評選"十大創新"，是《科學美國人》雜誌的一個傳統。《科學美國人》有一個權威的顧問團隊，由40多位著名科學家和科技企業高管組成，如1979年諾貝爾物理學獎得主溫伯格、美國博樂集團CEO博樂等。這些人會為"十大創新"的評選提供專業意見。"榜單看重的，主要是一項技術的應用前景，以及它能給人類社會帶來多大的改變。"褚波說，這裡的應用前景是指，在未來數年，某項技術有可能走進現實，展現出改變人們生活的力量。在前幾年評選的"十大創新"榜單中，有很多上榜項目仍處於實驗室與實際應用的中間階段。如2012年"十大創新"中曾經提出的"人腦一樣思維的芯片"，研究仍然在進行，但美國和歐盟的"大腦計劃"，正在一步步推動這類智能芯片的出現。褚波指出，科技創新要想改變世界，必須"邁出實驗室的大門"，即想法必須"規模化"。以此次的"宏基因組學：治療疾病的新手段，操控腸道的微生物"為例，目前，制藥巨頭強生公司已經投入650萬美元，利用此技術開發新的潰瘍性結腸炎療法。"這10大創新，盡管還很前沿，但已經表現出了改變世界的潛力。"褚波說，對於這些技術，科學家們已經研究很長時間，目前來看，距離最後的實際應用已經不太遙遠了。李宏芳也贊同這一觀點，她認為，這些今天看起來不可思議的科技創新，在將來必會成為平常之物。都源自基礎科學的進步"任何一項實用技術，都得益于基礎科學的進步。"褚波說，相對於科技創新榜單而言，基礎研究或許更能代表科學發展的趨勢。"如果在61年前，克里克和沃森沒有發現DNA雙螺旋結構，今天的'十大創新'中，就不會出現通過調控腸道微生物來治療疾病的假設"，褚波認為，偉大的科技創新，都是源自基礎科學的進步。他解釋，很多人會認為研究基礎科學是"無用功"，這是一種誤解，"實際上，我們今天所用的每一樣產品，每一樣技術，都是源自基礎研究，基礎研究是所有創新的基礎"。李宏芳也引用諾貝爾物理學獎獲得者李政道先生的一個生動比喻來解釋基礎研究的重要作用：基礎研究、應用研究和開發研究之間的關係就好像是水、魚和魚市場。沒有水，不會有魚，沒有魚當然就沒有魚市場。"沒有基礎科學的積累，就沒有科技應用的起飛"，李宏芳說，沒有相對論和量子力學這兩種基礎理論的發展，就不會有20世紀的一切新科技成果，也沒有20世紀的一切科學文明。年度熱詞：科學見習記者鄭汝可在本期《環球科學》的卷首語中，編輯部主任褚波寫道：《韋氏詞典》公佈了2013年的十大熱詞。位列十大之首的，並非媒體天天暴炒、人們常掛在嘴邊的流行詞，而是一個出人意料但卻萬分重要的單詞：科學（Science）。《韋氏詞典》是美國最暢銷的平裝本詞典，頗具權威性。在解讀這次十大熱詞評選時，編輯彼得·索科洛夫斯基說："從氣候變化到教育政策，今年各種各樣的討論都集中在科學上。"褚波說，科學躍居熱詞之首，讓我們看到，科學似乎正在走向全球大�，變得流行。公�擁抱科學的熱情，雖然不能與國家的科技水平完全劃上等號，卻也密切相關。他提到，在雜誌評選的年度"十大科學新聞"中，"嫦娥三號"實現軟著陸、清華大學科學家首次觀測到量子反常霍爾效應，分別名列第三和第七。武漢大學哲學院副教授李宏芳說，今天沒有人會否認科學的重要性，科學對人類生活產生的巨大影響，帶給人類的思想觀念的巨大變革和切身利益，有目共睹。"應對天然自然和人工自然向我們提出的諸多問題時，我們只能從科學里尋求好的解決和應對方案"。她提到，科技的發展與社會的需要密不可分。人類社會的發展從農耕文明形態到工業化、後工業化文明形態，再到智能化、信息化文明形態，層層遞進。科學成果不斷影響、改變我們生活，互聯網乃至現在的物聯網，已把我們的生活智能化、信息化。"如今，科學帶來的現代文明已經跟我們的日常生活完全打成一片。不能想象，沒有半導體，沒有計算機，我們的生活將是什麼樣子。"李宏芳說。存倉