即将改变世界的10大科技创新.docx
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即将改变世界的10大科技创新
即将改变世界的10大科技创新
即将改变世界的10大科技创新
时间:
2011-01-1013:
50来源:
《环球科学》2011年第1期
如果我们可以制造出将垃圾变为燃料的机器人，世界将会怎么样？
我们能否利用电子游戏（是的，电子游戏）的力量让人类做正确的事情？
假使我们DNA中的“垃圾”实际上比基因更重要，会如何？
倘若昆虫掌握着拦截网络攻击的秘密将会怎样？
技术无处不在，它们使更多事情变为可能。
但有时候，一些发明或见解有着极大的影响力，它们创造着一个个“节点”，将历史划分为“前”与“后”。
蒸汽机、晶体管、万维网——每一个想法似乎都从天而降，从根本上改变了这个世界。
哪些关键技术将在如今的创新浪潮中脱颖而出，颠覆未来的世界？
下面是10个候选者——10个可能会颠覆世界的新创意和新技术。
如果我们可以制造出将垃圾变为燃料的机器人，世界将会怎么样？
我们能否利用电子游戏（是的，电子游戏）的力量让人类做正确的事情？
假使我们DNA中的“垃圾”实际上比基因更重要，会如何？
倘若昆虫掌握着拦截网络攻击的秘密将会怎样？
欢迎阅读——改变世界的创意之2010版。
即将改变世界的20大科技创新
居民免费享用太阳能电池板，人们能够实时了解世界的一切并非在网络世界，而是在供人类生存的物质世界；医生可以提前数年预测某种疾病的侵袭。
如果这些都成为现实，世界会发生怎样的变化？
《环球科学》2010年第1期
游戏人生
将游戏操纵杆和记分板带入生活，也许是让人生更美好的关键所在。
撰文约翰·帕夫卢斯（JohnPavlus）翻译徐海燕
不久的将来，当你站在浴室镜子前刷牙时，也许会看到在新闻头条的旁边有一个记分板，上面记录着你与邻居目前的“家庭碳足迹”排名。
你的电动牙刷会发出声响并通知你，在过去的6个月中，保证一天刷两次牙，为你赚得足够分数，可以在下一次健康检查中打9折。
你洗完澡（简单的淋浴，否则会影响家庭令人羡慕的能耗分数以及它带来的税捐减免），穿上件衣服，就可以在家庭办公计算机上参加公司晨会，边参与讨论边回复邮件，由于你和同事都以个性化的虚拟形象出现在电脑屏幕上，因此完全不必担心有失礼仪。
另外，自从随意指定的销售目标被个性化的“生活测定计”所取代（屏幕上会实时显示客户的积极反馈），你会感觉生活更有目的性，更能掌控自己每天的任务，这一天也将会变得很顺利。
电子游戏设计师、美国卡内基·梅隆大学研究人员杰西·谢尔（JesseSchell）教授说，在未来，几乎生活的各个方面都会具有游戏一般的体验，这是不可避免的。
他和许多游戏设计师坚信，将游戏带入生活，是使公民更健康、提高工作效率的关键。
“我们通常忽略了游戏的重要性，但实际上它们是一种能快速提高解决问题能力的方式，”谢尔说，“如果游戏设计得足够好，任何问题都可以变成游戏”，从改变饮食结构，到学习一种新的语言，再到理解中东冲突，或是减少碳足迹。
“这些都是很多人不能或者从未考虑过的问题，但是游戏可以改变这些，因为从理论上讲，任何成功的交互系统都会使人们愿意参与其中”。
让实时数据的价值得到体现，是新的游戏生活中必不可少的组成部分。
这些数据来自于支持全球卫星定位系统的移动装置、便宜的网络传感器和其他技术。
“所有这些个性化数据使我们可以开始测量一些在以前只能在游戏或者虚拟世界中测量的行为”，美国麻省理工学院行为经济学家丹·阿里利（DanAriely）说，“我们可以极其详细地看出是什么激发人们参与到各类活动当中，并将这些认识运用于人们不经常做的事中，例如按时吃药或者记录能源消耗等。
”
将现实系统“游戏化”需要的不仅仅是提升虚拟人物形象和分数，还需要快速且拟人化的反馈。
临床心理医生理查德·瑞恩（RichardRyan）指出，有效的游戏“能以一种优雅的方式驾驭基本的人类动机倾向”。
实时反馈比分数更能激发人们能力的提高。
“人类是一种充满好奇心的动物，玩弄和掌控周围的环境是与生俱来的本性，”瑞恩评论说，“游戏可以很好地深入了解进化中人类的内在动机。
”根据心理学家所说，了解那些内在动机让我们感觉好像一切尽在掌握，我们的行为会带来可理解的结果。
然而，谢尔教授也承认，理论上有效的游戏很快就会变得令人沮丧并会起到反作用。
他甚至还专门将这种反作用普遍存在的未来命名为“游戏末日”（gamepocalypses）。
在他看来，为了防止这一现象发生，最好的办法是搭建一座桥梁，把有才华的游戏设计师和娱乐界外的技术精英联系起来。
心理学家兼游戏专家拜伦·里夫斯（ByronReeves）对此表示赞同：
“所有在游戏中有效的心理机制都适用于现实生活。
我们只有一个大脑。
就像精心设计的游戏能够激发大脑中的奖赏中枢（rewardcenter）一样，构思巧妙的交互系统同样可以做到这一点。
这样，游戏将变得如同家常便饭，无须额外强调。
”
这就是研究者对把游戏作为一种从根本上改造世界的方式持乐观态度的原因。
微软公司利用一款游戏性软件，使一个部门的员工流失率降低了一半。
一个被称作“要事第一”的实验性数学课程被应用于堪萨斯州和得克萨斯州的5所学校，将高中代数和几何知识划分为101个等级，鼓励学生就像在电子游戏中一样，首先根据自己的速度掌握基本概念，而后再进行升级。
在这一项目实施的4年里，在州数学考试中，所有5个学校的学生的成绩都有了两位数的增长，其中一所学校的学生成绩提高了将近40%。
瑞恩正在与一个叫做“Immersyve”的卫生保健游戏咨询公司合作一个名为“虚拟临床医生”的项目。
此项目利用虚拟人物形象界面，减少患者在问诊时的压力和恐惧。
“一切事物的游戏化，不会因为某个系统的出现而突然发生——这一过程将由数百个方向上出现的上百万项创新构成，每次都有某种新的传感器被发明出来，”谢尔说。
每一项创新都会让我们进步一点点。
灵活收费的公路
修建更多的公路，并不能解决交通拥堵问题，也许灵活的定价可以做到。
撰文汤姆·范德比尔特（TomVanderbilt）翻译王昊明
未来的公路同现在也许没有太大区别，但它们很可能不再免费。
“你可以拥有私人车道，”Skymeter公司创始人贝恩·格鲁什（BernGrush）说，“但如果你想开车来拜访我，就必须交纳公路使用费。
”Skymeter的总部设在加拿大的多伦多，主要生产一种基于GPS技术的测量设备，用于监测公路的使用情况。
得益于GPS等无线定位技术的发展，估量公路的真实价值和驾驶的真正成本现在已经可以做到了。
这里涉及一个概念性术语，叫做“动态交通收费标准”（dynamicroadusecharging），它是指司机按照行驶里程交纳费用，而不是依靠注册费或者燃油税这些传统方式。
虽然目前这种方法只在少数地区试行，但城市规划者认为，新方法能够改善城市交通状况，让驾车者感觉愉悦。
2010年早些时候，美国麻省理工学院和通用汽车公司的研究人员在《“未来车”世纪》（ReinventingtheAutomobile）一书中提到这种构想。
该研究认为，制定明确的道路收费标准，能够优化道路使用情况，减少交通堵塞和意外发生的几率。
将真正的驾驶成本转移到司机身上，应该能够彻底改善现有的交通状况。
如今，在拥挤的道路上行车和在空旷的道路上行车费用相同；一月仅上路一次的司机，同每天都用车的人交纳的保险金相同；停车计时器在繁忙时段和清闲时段的单价相同。
卡托研究所的分析师兰德尔·奥图尔（RandalO’Toole）在他的著作《交通大拥堵的原因和解决方法》（Gridlock:
WhyWe’reStuckintrafficandWhattoDoaboutIt）中也写道，在过去100年中为美国的公共交通提供了充足资金支持的美国联邦政府的燃气税，已经从最高时的每英里3.9美分（以2007年的美元价格计算），跌至现在的每英里0.9美分。
结果，城市和郊区的交通状况也每况愈下。
哈佛大学的经济学家爱德华·格莱泽（EdwardGlaeser）提到，对于城市交通这样的稀缺资源，可以通过定价的方法实现配给供应，否则只能用排队来解决（就是现在常见的堵车现象）。
事实上目前只有排队这一种解决方法。
一些地区的试行结果非常鼓舞人心。
荷兰政府计划于2016年在全国实施基于GPS技术的动态收费方案，该方案根据行驶里程总数，执行不同的单价（比如在100英里以内，每英里收费0.1美元；行驶100～500英里，每英里0.2美元）。
2009年，在艾恩德霍芬试行了6个月的新定价方案，就改变了约70%驾车者的习惯，他们出行时开始避开高峰时段和拥堵路段。
荷兰政府预计，一旦该方案在全国其他地区实施，交通拥堵将减少58%。
这种动态收费方案不但能缓解交通拥堵，还对环境有益。
在德国，重型货车的收费标准不仅和里程有关，还与车辆尾气相关（排放的污染物越多，费用越高）。
在实行新方案后，低污染货车的比例，从2005年的不足1%，上升至如今的55%。
然而，2010年年初荷兰执政联盟垮台，为动态交通收费标准的前景添加了许多不确定因素。
人们希望看到的，往往是建造更多的公路，而不是更多的收费亭。
该方案在英国试行时，诺威治联合保险公司［norwichunion，就是现在的英杰华集团（Aviva）］使用车辆内置的监测设施来记录司机驾车的时间、地点和速度等信息。
对于那些开车比较“奔放”的司机，保险公司会相应地制订更高的保险费率。
尽管在试行期间，意外事故索赔数量下降了30%，但是考虑到基础硬件设施方面的巨大投入（每辆车一部监测设备），这种方法注定无法持续施行。
动态交通收费标准还能帮助解决城市交通中的另一个问题：
停车难。
以加利福尼亚大学洛杉矶分校的唐纳德·舒普（DonaldShoup）为代表的研究者认为，停车位价格太低，往往会导致交通拥堵。
为避免这种情况，旧金山正在试行“动态计费”。
该方案使用传感器记录车辆停放信息，将数据汇总后可得到城市交通对停车位的需求量。
然后通过调整价格来调整车位的占有率，使之维持在85%左右。
价格可以根据一天中的不同时段、一周中的不同日期来调整。
虽然车位的价格往往都处在一个较高水平，但这也有助于司机作出明智的选择，而不是把时间浪费在交通拥堵上。
DNA晶体管
一种新的DNA测序技术将彻底改变我们对遗传学的理解。
撰文伊丽莎白·斯沃博达（ElizabethSvoboda）翻译禇波
人类基因组首次测序完成已有10年了，但基因与单个疾病间的联系，并未像预期的那样迅速而明显地出现在世人面前（参见《环球科学》2010年第11期《个性化医疗误入歧途》一文）。
现在，很多科学家相信，基因和疾病并不是“X导致Y”这种简单的因果关系，只有对数百万个基因组序列进行统计分析，基因组研究才可能真正突破——这样的大量分析数据会揭示，我们的遗传密码如何与环境发生相互作用，使我们成为现在这个样子。
因此，这就需要一种低成本的测序技术，花费最好能控制在1000美元以内。
目前，测定一个基因组序列需要5000～15000美元，虽然已远远低于最初的27亿美元，但离1000美元还有不短的距离。
IBM和罗氏制药公司的研究人员正在重新设计一种DNA测序设备，试图达到这一目标。
现有测序仪大小与洗碗机相当，在测定基因组序列时，不仅需要研究人员提前把基因切成数千个小片段，还得使用昂贵的化学试剂。
而名为“DNA晶体管”（DNAtransistor）的全新测序设备，采用了一种简单得近乎天真的测序方式：
一个完整的DNA分子穿过硅芯片上一个直径为3纳米的小孔，与此同时，电子传感器将一个一个地识别DNA分子的组成单元——碱基。
其他实验室已经试验过类似的纳米孔测序法，但研究人员发现，DNA链通过纳米孔的速度很难控制。
IBM的研究小组突然想到，可以利用DNA天然带有负电荷的性质来控制它们穿过纳米孔的速度。
参与该项目的科学家古斯塔沃·A·斯托洛维茨基（GustavoA.Stolovitzky）说：
“我们是这样想的，如果测序仪的纳米孔本身就带有电极——层与层之间被绝缘材料隔开的金属薄层，那么电场就会与DNA发生相互作用。
”电场会“抓住”DNA，使它在纳米孔中保持不动。
当电场关闭，DNA会继续通过纳米孔，但当下一个碱基到达测序位置时，电场又会自动出现。
这个过程会不断重复，直到整个DNA链穿过纳米孔。
这种技术也不是绝对可靠。
要想使DNA保持不动，纳米孔就必须产生很强的电场。
这需要在电极上施加很高的电压，但高电压会引起介电击穿（dielectricbreakdown），导致火花四溅和电场短路。
由于纳米孔中的电极相互隔得很近，这种现象特别容易发生。
斯托洛维茨基说：
“就好像你头顶的云层离地面很近时，你更容易被闪电击中一样。
”目前，科学家正在寻找能承受足够电压的电极材料。
尽管还存在问题，一些产业观察家仍认为，DNA晶体管会成为一种快速、高效、成本低廉的基因组测序技术。
“这种技术大大简化了测序步骤——就好像直接盯着DNA读取序列信息，”专门评估新型生物技术商业潜力的顾问布鲁斯·斯基安伯格（BruceSchiamberg）说，“昂贵的化学试剂和识别荧光标记的光学设备都可以丢一边了。
测序速度将变得更快。
”在未来几年内，DNA晶体管测出一个完整基因组序列的成本就能降到1000美元以内。
斯托洛维茨基认为，借助这种设备，科学家更容易在基因、疾病易感性和理想药物疗法间建立起联系。
如果通过统计分析弄清楚了基因与疾病间的关系，制药厂商就可以更精确地寻找目标药物，因为到了那时，他们应该就已经清楚新型药物的作用目标是什么了。
斯托洛维茨基列举了一个早前的成功案例——赫赛汀（herceptin）：
这是一种治疗乳腺癌的药物，能使过度表达癌基因HER2的病人体内的肿瘤停止生长。
“这样的例子现在还不多，”斯托洛维茨基说，“我们很乐意看到赫赛汀的例子能成为普遍现象。
”
借用自然密码
算法源于母亲，大自然启迪我们在庞大的数字生物圈中生活下去。
撰文约翰·帕夫卢斯（JohnPavlus）翻译徐海燕
当计算机科学家尝试着弄明白如何管理越来越复杂的数字化世界时，他们开始越来越多地从大自然寻找灵感。
美国蒙大拿州密苏拉市的仿生学研究所所长珍妮·班耶斯（JanineBenyus）说：
“生命依靠阳光和信息维系。
”物种总是在不断进化中寻找在某一特定栖息地存活的最佳方式。
“有机体确确实实能够协助人类寻找新颖的方法，以解决信息处理问题，”班耶斯说。
以树突细胞（dendriticcell）为例，乍一看它似乎与计算机安全毫无关系，但实际上这些细胞就像是哺乳动物免疫系统中的保罗·里维尔（PaulRevere，美国独立战争期间，英国殖民者计划发动突袭，里维尔得知后星夜兼程骑马将消息告知起义军，因此他又被称为星夜骑士），当病原体入侵时拉响警报。
英国诺丁汉大学的计算机科学家朱莉·格林史密斯（JulieGreensmith）设计了树突细胞算法，这一算法能够检测出计算机病毒和其他恶意代码，就像我们的免疫系统能够感知真正的病毒一样。
另外一个由华盛顿州里奇兰市西北太平洋国家实验室网络安全研发人员组成的团队从蚂蚁和其他群居昆虫那里获得了灵感。
他们发明了“数码蚂蚁”，可以在计算机网络中漫游，就像真正的蚂蚁那样在巢穴中巡视，并在察觉到威胁时能够迅速将它们围住。
美国州立波特兰大学的计算机科学家梅拉尼·米切尔（MelanieMitchell）介绍说，这样的“仿生学”算法与图灵机和其他经典的计算模型一样历史悠久。
但是在这样一个每年都有无数信息生成、信息量越来越饱和的网络互连时代，基于大自然的编码或许是处理这些信息最好的办法。
“由于人们越来越意识到计算再也不仅仅是计算机的事，对在生物科学和计算机科学之间开展合作具有浓厚的兴趣，”米切尔解释说，“这些生物系统全都擅长于一件事情，就是模式识别，甚至能够在信息泛滥的情况下将有用信号从噪音中分离出来。
人脑可以，单个细胞可以，昆虫的巢群同样可以——这是所有生物系统赖以生存的能力。
现在我们想让计算机也可以完成这件事情。
”
杀菌性净水器
新型材料让我们更容易喝到真正干净的水。
撰文梅琳达·温纳·莫耶（MelindaWennerMoyer）翻译禇波
世界上有1/6的人无法喝到干净的饮用水，致使痢疾成为全球的一个主要致死因素，这种疾病是卫生条件恶劣的直接后果。
净水器本来可以改善人们的饮用水质量，但这类设备价格一般很高，难以大范围推广。
不过，科学家最近利用纳米技术，以棉布、茶叶袋等廉价物资为原料，开发出了一种移动型净水器，成本可低于1美分。
大部分传统净水器都用一些微孔来滤除细菌，但这些孔有可能被堵，因此需要付出不菲的代价定期维护。
美国斯坦福大学的材料科学家崔屹（YiCui）发明了一种方法，可以用银离子和电流杀死细菌，免除了后期维护的麻烦。
他把从沃尔玛买来的棉布浸入导电性碳纳米管和银纳米线的混合材料中，做成一个简单高效的杀菌性净水器：
银纳米线相当于一种高效杀菌剂，因为银离子可以破坏细菌的遗传物质；另一种杀菌功效则来自微电流（由两节9伏电池供电），因为它可以破坏细菌的细胞膜。
在实验室中，这种净水器能杀死水中98%的大肠杆菌，而且由于棉布中小孔的直径较大，净水效率可达滤菌性净水器的8000倍。
另一种新型净水器的成本甚至更低——一个“茶叶袋”，里面装满了表面覆盖着一种杀菌剂的碳颗粒。
南非斯坦陵布什大学（StellenboschUniversity）的科学家找到了一种方法，把杀菌性碳颗粒封装在纳米纤维中，以增大表面积，提高它们吸附有毒物质和细菌的效率。
这种净水器的造价约为0.5美分，可以装在普通瓶子的瓶颈处，每个“茶叶袋”能净化1升污水。
目前，南非国家标准局（SouthAfricanBureauofStandards）正在测试这种技术。
完成测试后，科学家打算先尝试性地把少量“茶叶袋”送往需要它们的社区。
人类数字处理工具
当研究像电子游戏一样的时候，计算机将退居次席。
撰文约翰·帕夫卢斯（JohnPavlus）翻译徐海燕
传统观念认为，人类比机器更擅长人脸识别和其他模式匹配，而计算机在数字运算上胜人类一筹。
事实也许会发生改变。
美国华盛顿大学（UniversityOfWashington）的生物学家和计算机科学家创造了一个名为“蛋白质折叠游戏”（Foldit）的在线小游戏，它的大获成功证明，在处理复杂的科学问题上，人类直觉优于计算机算法。
Foldit在屏幕上向玩家（全都不是科学家）呈现半折叠的蛋白质，让他们根据一些简单的规则扭曲蛋白质，使它形成理想的形状。
玩家预测出正确蛋白质结构的速度不仅比任何算法都更快（用“暴力破解法”找出所有可能性会花数百年的时间），还能凭直觉解决计算机或许永远也不可能解决的问题。
华盛顿大学的计算机科学家、Foldit的发明者之一赛斯·库珀（SethCooper）说：
“为了将蛋白质折叠成正确的形状，首先你可能需要从看似完全错误的几个方向进行弯曲。
人类在把玩虚拟物体时能够看清全貌，并且找出那些巧妙的解决方法。
”
在华盛顿大学的游戏科学中心里，库珀和他的同事正在开发一系列新游戏，以加快生物信息学、药物发现甚至纳米工程等方面的研究。
华盛顿大学计算机科学家佐兰·波波维奇（ZoranPopovic）说：
“现在世界上只有15个人知道怎样从DNA中设计出一台分子机器。
”库珀认为：
“这些游戏可以将这一数字提高两个数量级，会有数以千计的人做出新的发现。
”会不会有一天游戏玩家也能获得诺贝尔奖？
“那将是我们最大的期望，”库珀说。
四处游荡的食草机器人
它可以大口吞下木屑、树叶以及其他类型的生物质，产生电能。
撰文约翰·帕夫卢斯（JohnPavlus）翻译申宁馨
要不了多久，能够自主行动的机器人就会在地球上四处走动，寻找生物质（biomass）原料，并将它们转换为能量。
强动力自动战术机器人（EnergeticallyAutonomoustacticalRobot，EAtR）就是这样一种机器人。
罗伯特·芬克尔斯坦（RobertFinkelstein）说：
“还记得电影《机器人总动员》（WALL-E）里的机器人‘瓦力’吗？
想象一下，要是它不再仅仅收集垃圾，而且还能通过燃烧垃圾来发电，那会是怎样一幅景象吧。
”芬克尔斯坦是美国马里兰大学克拉克工程学院智能系统实验室主任，也是负责开发EAtR的美国机器人技术公司的董事长。
EAtR能通过智能软件从外表上分辨出它需要的“食物”——木屑、干树叶以及其他植物生物质，以及岩石、动物粪便和金属等废弃物等对它们无用的东西，然后利用基于激光的近距离制导系统（closerangelaserbasedguidancesystem），控制自己的机器手抓取这些植物，并把它们送入一个通向外燃机（externalcombustionengine）的漏斗中，外燃机以此为燃料，给机载电池充电。
芬克尔斯坦说，这种能自主工作的发电机会给军队、老百姓，甚至科学实验带来一场革命。
“在未来几年里，每名美国士兵每天给通讯和其他必备装置充电，将消耗相当于120节5号电池（AAbattery）的电量，”芬克尔斯坦说，“但如果使用EAtR，为偏远地区的士兵们提供电能的后勤压力就会大幅减轻，因为（机器人）可以在部队休息时通过消耗植物获取能量。
”美国国防部高级研究计划局（DARPA）为EAtR项目提供了研究经费。
这种素食机器人还能用于环境保护领域。
美国林业局（U.S.ForestryService）希望EAtR能自己爬上山去，而不是乘坐悍马（Humvee）。
这样它就可以在乡间漫步，在不留下脚印的情况下清理入侵植物物种。
芬克尔斯坦说：
“它的腿应该可以让它在凹凸不平的地势上自由移动，而不会像轮胎或踩踏那样破坏植被。
”
EAtR目前还只能在马里兰大学内静止的试验台上工作，但是，芬克尔斯坦希望在2012年推出一个能完全自主移动、觅食的模型。
尽管听起来让人毛骨悚然，但是他相信，地球上出现可以自给自足的机器人绝不仅仅是人们的幻想，而且那一天迟早会来到。
“我们已经有了可以自己用插头充电的家用机器人，”芬克尔斯坦说，“其实基本想法是一样的，只是更进了一步。
”
以一当百的遗传病检测
更便宜的检测手段可以使父母免于让后代患上罕见的遗传病。
撰文玛丽·卡迈克尔（MaryCarmichael）翻译王冬
为了不让孩子患上致残甚至致死的隐性遗传病，你愿意付出多大代价？
毫无
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