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2019年终盘点:热点科技进展

来源:本站原创 2019-12-28 04:22

2019年即将结束,本文将对本年度科技领域的重要进展进行简要盘点,希望读者朋友们能够喜欢!

《麻省理工评论》2019年度10大科技进展

根据《麻省理工科技评论》刊登的相关文章,本年度最引人注目的十大科技进展分别为:1. 灵巧机器人(Robot dexterity); 2. 核能新浪潮(New wave nuclear power); 3. 早产预测(Predicting preemies); 4. 肠道显微胶囊(Gut probe in a pill); 5. 定制癌症疫苗(Custom cancer vaccine); 6. 人造肉汉堡(The cow-free burger); 7. 捕获二氧化碳(Carbon dioxide catcher); 8. 可穿戴心电仪(An ECG on your wrist);9. 无下水道卫生间(Sanitation without sewers);10. 流利对话的AI助手(Smooth-talking assitant)。下面我们就其中比较有意思的进行重点解读。


1.1 灵巧机器人

目前来看,尽管机器人还不能通过编程,获得像人类一样被为仅凭观察就能掌握一项技能的能力,但目前的技术正使得它们可以通过虚拟试验学习如何自己操纵物体。

Dactyl就是这样一个“自学成才”的机器人,可以自己动手指玩积木。 Dactyl来自旧金山的非营利组织OpenAI,由现成的机械手组成,周围环绕着一系列的灯光和摄像头。利用所谓的强化学习神经网络软件,可以学习如何在模拟环境中抓握并旋转方块,然后再进行实际操作。该软件首先随机地进行实验,随着时间的推移,它会逐渐接近网络中的目标,从而加强网络中的连接。

因为诸如摩擦或不同材料的不同属性之类的东西很难模拟,通常无法将这种虚拟场景转移到现实世界中。然而OpenAI团队正在通过在虚拟训练中增加随机性来解决此问题。

1.2 早产预测

根据最新的一项研究成果,通过简单的血液检测就可以预测孕妇是否有早产的风险。

我们的遗传物质主要存在于我们的细胞内。但是少量的“无细胞” DNA和RNA也“漂浮”在我们的血液中,这些物质通常是由濒死的细胞释放的。在孕妇中,这种无细胞核酸分子可能来自胎儿,胎盘和母亲身体等等。


以前需要用侵入性方式捕获细胞的信息,例如对肿瘤进行活检或穿刺孕妇的腹部进行羊膜穿刺术。而斯坦福大学的生物工程师斯蒂芬·奎克(Stephen Quake)找到了一种新的,非侵入性的方法来解决医学上最棘手的问题之一——早产。至此,现在可以更轻松地检测和血液中的少量无细胞遗传物质并对其测序。从而准确判断孕妇早产的风险

这一测试一方面依赖于寻找DNA中的遗传突变。另一方面,RNA是调节基因表达的分子,通过对母亲血液中自由浮动的RNA进行测序,可以发现与早产有关的7个基因的表达波动。这样一来,就可以确定哪些孕妇更加有可能早产。一旦得到预警信息,医生可以采取措施避免早产,并给孩子更好的生存机会。

1.3 肠道显微胶囊

利用这种小型,可吞咽的装置,医护人员可以在不通过麻醉的情况下捕获即婴儿和儿童肠道内的详细图像。

环境性肠功能障碍(EED)是一种罕见疾病。其病症包括肠道发炎,渗漏,吸收营养不良,这一疾病高发于贫穷国家中,也是许多人营养不良,发育迟缓且从未达到正常身高的原因之一。然而,目前没有人确切知道导致EED的原因以及如何预防或治疗它。

进行实际筛查可以及时发现疾病,并且可以帮助医务人员知道何时进行干预以及如何进行干预。,但是要诊断和研究此类年幼儿童的内脏疾病,通常需要对他们进行麻醉,并在喉咙下插入内窥镜。在世界范围内普遍存在EED的地区,这种设备价格昂贵,不舒适且不实用。

因此,波士顿马萨诸塞州总医院(MGH)的病理学家兼工程师Guillermo Tearney正在开发小型设备,该设备可用于检查肠道是否有EED病症,甚至可以进行组织活检。与内窥镜不同,它们使用起来十分简单。

Tearney开发的可吞服胶囊包含微型显微镜。它们连接到柔性的绳状绳索上,该绳索可提供电源和照明,同时将图像发送到带有监视器的公文包式控制台。这使医护人员可以在感兴趣的位置暂停胶囊移动,并在完成后将其拉出,以便对其进行消毒和重复使用。它还可以携带以单个细胞的分辨率对整个消化道表面成像的图像,或者捕获三维图像,截面深达几毫米。

该技术有多种应用。在MGH,它被用于筛查Barrett食道(食道癌的先兆)症状。对于EED,Tearney的团队开发了一种更小的胶囊,用于无法吞服药丸的婴儿。

1.4 定制癌症疫苗

所谓“定制癌症疫苗”,是指通过识别每种肿瘤特有的突变,激发人体的自然防御能力来破坏癌细胞。目前,科学家们正在努力商业化第一个个性化癌症疫苗。如果能如期发挥作用,这种疫苗可以触发人的免疫系统通过其独特的突变来识别肿瘤,从而可以有效地杀伤多种癌症。

通过利用人体的自然防御能力,“定制肿瘤疫苗”可以仅选择性地破坏肿瘤细胞,与传统的化学疗法不同,该疫苗可限制对健康细胞的损害。初始治疗后,激发产生的癌症特异性免疫细胞还可以在体内停留,以警惕发现任何散落的癌细胞。


当人类基因组计划完成五年后,遗传学家发表了癌细胞的第一个序列,使得这种疫苗的开发计划在2008年开始成形。不久之后,研究人员开始比较肿瘤细胞与健康细胞以及其他肿瘤细胞的DNA。这些研究证实,所有癌细胞都包含数百个甚至数千个特定的突变,其中大多数对于每个肿瘤都是独特的。几年后,一家名为BioNTech的德国初创公司提供了令人信服的证据,证明含有这些突变拷贝的疫苗可以催化人体的免疫系统产生寻找、攻击和摧毁所有携带它们的癌细胞的T细胞。直到2017年12月,BioNTech与生物技术巨头Genentech合作,开始在癌症患者中对该疫苗进行大规模测试。正在进行的试验针对至少10种实体癌,旨在在全球各地招募560名以上的患者。

1.5 人造肉汉堡

联合国预计,到2050年,全球将有98亿人口。而且人们的平均生活状况将会得到普遍改善。这两种趋势都会对气候变化带来负面影响,特别是因为随着人们摆脱贫困,他们倾向于吃更多的肉。根据预测,到那时,人类将消耗比2005年多70%的肉。此外,事实证明,饲养动物供人类食用是我们对环境所做的最糟糕的事情之一。

根据动物的不同,用西方工业化方法生产一磅的肉类蛋白比生产一磅的植物蛋白需要的水多4到25倍,土地需要6到17倍,化石燃料要多6到20倍。

然而,人们不太可能很快停止摄入肉类食物。这意味着实验室种植和基于植物的替代品可能是限制破坏的最佳方法。研究表明,实验室种植和植物种植的替代品均能在不造成环境破坏的情况下近似真实肉的味道和营养价值。


制作实验室生产的肉涉及从动物中提取肌肉组织,然后在生物反应器中进行生长。尽管研究人员仍在对“人造肉”的味道进行优化,但最终产品看起来很像从动物身上得到的“天然”肉制品。荷兰马斯特里赫特大学(Maastricht University)的研究人员正在努力大规模生产实验室环境下生产的肉类,并且他们认为明年将有基于这种肉制品的汉堡诞生。实验室生产的肉类的一个缺点是,其对环境效益改善有限。世界经济论坛最近的一份报告说,实验室生产的肉类的排放量仅比牛肉生产的排放量少7%左右。

1.6 捕获二氧化碳


即使我们放慢二氧化碳的排放速度,温室气体的效应也将持续数千年。为了防止温度急剧上升,联合国气候小组得出结论,本世纪全世界将需要从大气中清除多达1万亿吨的二氧化碳。对此,实用且负担得起的,从空气中捕获二氧化碳的方法可以吸收过量的温室气体。

去年夏天,哈佛大学的气候科学家戴维·基思(David Keith)计算出,从理论上讲,机器可以通过一种称为直接空气捕获的方法以每吨不到100美元的价格实现从大气中“捕获”二氧化碳的目标。这比早先的估计的成本便宜了一个数量级,早些时候的估计导致许多科学家认为这项技术过于昂贵,尽管要花费很多年才能使成本降至这一水平附近。

但是,一旦捕获了气体之后,仍然需要弄清楚该如何处理。

对此,很多科技公司正跃跃欲试:加拿大初创公司Keith于2009年共同创立了Carbon Engineering,该公司计划扩大其试验工厂,以利用捕获的二氧化碳作为关键成分来提高其合成燃料的产量。 此外,位于苏黎世的Climeworks在意大利的空气捕集工厂将利用捕集的二氧化碳和氢气生产甲烷,而在瑞士的第二家工厂将向软饮料行业出售二氧化碳。

1.7 可穿戴心电仪

法规的批准和技术的进步使人们更容易使用可穿戴设备连续监控自己的心脏状况。

市场上售卖的健身追踪器不是真正的医疗设备。 因为剧烈的锻炼或带子松紧度的不同可能会使脉搏的读值发生上下浮动。因此,如果想确切地了解自己的心脏健康情况,应当去正规医院接受心电图检测(心电图是医生在怀疑患者可能有中风或心脏病风险时进行诊断的检测方法)。这这往往会给患者造成较大的负担。通过新法规和硬件和软件创新,具有ECG功能的智能手表成为可能,它为可穿戴设备带来了便利,而且精度接近医疗设备。

硅谷创业公司AliveCor的apple Watch兼容表带可以检测心房颤动,这是血液凝块和中风的常见原因,该表带于2017年获得了FDA的批准。去年,apple发布了FDA许可的,嵌入ECG功能的新型手表。


《世界经济论坛》2019年度10大科技进展

除了上述科技创新之外,世界经济论坛也发布了2019年度的新兴科技。下面我们就一起来回顾一下吧!

2.1 “可循环”的生物塑料


世界上只有不到15%的塑料能够被回收,其余的则被焚化,丢弃或送到垃圾掩埋场。可生物降解的塑料为这一“资源浪费以及环境污染”的问题提供了解决方案。一个突破性的想法是通过使用植物废料中的纤维素或木质素来促进材料的循环利用,这一方面可以提高材料强度,而且也无需使用原本可以用作食品的农作物,从而避免了浪费。


2.2 社交机器人


如今的机器人可以识别声音,面部表情和情绪,解释语音模式和手势,甚至可以进行眼神交流。 Droid的朋友和助手正在成为日常生活的一部分,并且越来越多地用于照顾老人,教育孩子并在两者之间执行各种任务。
2.3 金属镜片

目前的科技进步使得我们希望手机,计算机和其他电子设备使用的镜头越来越小,但这已经超出了传统的玻璃切割和玻璃弯曲技术的范围。然而,物理技术的进步导致人们可以使用金属镜片来替代现有镜片。这些纤巧,薄而扁平的金属透镜可以代替现有的笨重的玻璃透镜,并可以进一步缩小传感器和医学成像设备的尺寸。

2.4 紊乱的蛋白质作为药物靶标


“固有紊乱的蛋白质”是可能导致癌症和其他疾病的蛋白质。与常规蛋白质不同,它们缺乏刚性结构,因此会改变形状,使其难以治疗。现在,科学家们已经找到了一种防止形状变形足够长的时间以使治疗生效的方法,为患者提供了新的可能性。

2.5 更智能的肥料

在肥料的研发方面,主流的改进措施集中在能够缓慢释放养分的能力。但是,它们仍然含有氨,尿素和钾盐,会破坏环境。对此,一种新型的新肥料使用了更加生态友好的氮源和改善植物吸收的微生物。因此会对保护环境起到积极的作用。

2.6 虚拟现实协作


想象一下,在一个视频会议中,我们不仅可以感觉自己和其他与会者在同一个房间,而且可以真正感受到彼此的触摸。增强现实(AR),虚拟现实(AR),5G网络和高级传感器的结合,意味着不同位置的生意人可以以“物理”的方式握手,并且医生可以像在“亲临现场”一样与患者进行远程交流。


2.7 先进的食品跟踪和包装

据估计,每年大约有6亿人食用受污染的食物,因此必须立即找到食物的爆发源头。如今,通过使用区块链技术监视食品在整个供应链中的每个步骤,只需几分钟即可成功跟踪目标,这在过去往往需要几天甚至几周的时间。同时,包装中的传感器可以指示食物何时变质,从而减少了过期后浪费整批食物的需要。

2.8 更安全的核反应堆

尽管核能不会排放二氧化碳,但反应堆仍存在安全隐患,即燃料棒可能会过热,当与水混合时会产生氢,然后氢会爆炸。目前正在开发的新型燃料能够降低过热的风险,此外,即使出现温度过高的情况,也几乎不会产生氢气。这些新配置几乎无需改动即可取代现有的燃料棒。

2.9 DNA数据存储

我们的数据存储系统已经消耗大量能量,已经无法跟上我们产生的海量数据(且不断增加)的数量。据估计,在不到一个世纪的时间里,数据的存储量将达到极限。对此,一项研究试图使用基于DNA的数据存储系统,它是目前计算机硬盘驱动器的低能耗替代品,而且具有巨大的容量:一项估计表明,一年中世界上产生所有的数据都可以存储在一个仅1平方米的DNA立方体中。


2.10 大规模可再生能源储存

在没有阳光或风的情况下存储可再生能源产生的能量时,一直以来存在吸收效率不高的障碍。随着锂离子电池将在未来十年内主导存储技术,而持续的进步将使电池能够存储多达8个小时的能量。这足够长的时间足以使太阳能发电来满足夜间的高峰需求。


生物医学领域2019年度科技进展

最后,让我们再回顾一下生物医学领域的最新科技进展吧!

3.1 智能吸入器

吸入器是哮喘的主要治疗手段,如果正确服用,将对90%的患者有效。但是,实际上,研究表明,只有大约50%的患者的病情得到了控制,多达94%的患者未正确使用吸入器。


为了帮助哮喘患者更好地控制病情,已开发了支持蓝牙的智能吸入器。吸入器上装有一个小型装置,可以记录每次剂量的日期和时间,以及是否正确使用。然后将这些数据发送到患者的智能手机,以便他们跟踪并控制他们的病情。临床试验表明,使用智能吸入器设备使用的止泻药较少,并且使用的日子更长。

3.2 机器人手术

机器人手术用于微创手术中,有助于提高精确度,控制力和灵活性。在机器人手术期间,外科医生可以执行非常复杂的程序。随着技术的进步,它可以与增强现实技术相结合,使外科医生可以在仍在操作的同时实时查看有关患者的重要附加信息。尽管本发明引起了人们对其最终将替代人类外科医生的担忧,但它很可能仅在将来用于协助和增强外科医生的工作。

3.3 无线大脑传感器

根据塑料网站Plasticstoday.com的报道,由于塑料的发展,医学上的进步使科学家和医生得以合作,创造出了可生物吸收的电子产品,这些电子产品可以放置在大脑中并在不再需要时溶解。这种医疗设备将帮助医生测量大脑内的温度和压力。由于传感器能够溶解,因此减少了对手术取出的需求。

3.4 3D打印

3D打印目前是医学工程领域上最热门的技术之一。这些打印机可以用于创建植入物,甚至制作人工关节。 3D打印的假肢由于是完全定制的,因此越来越受欢迎,其数字功能使他们能够将个人的尺寸匹配到毫米,带来前所未有的舒适度和移动性。



打印机的使用可以产生持久且可溶的物品。例如,3D打印可用于“打印”包含多种药物的药丸,这将有助于患者组织,定时和监测多种药物。

3.5 人工器官

为了使3D打印更上一层楼,生物打印也是一种新兴的医疗技术。最初能够为烧伤受害者的皮肤再生皮肤细胞,到如今科学家已经能够制造出血管,人造卵巢甚至胰腺。这些人造器官随后会在患者体内生长,以取代原始的有缺陷的器官。由于可以提供不受人体免疫系统排斥的人造器官,因此每年可以挽救数以百万计依赖救生移植的患者。

3.6 健康可穿戴设备

自从2000年蓝牙技术的诞生以来,对可穿戴设备的需求在过去几年中不断增长。如今,人们使用手机来跟踪从步伐,身体健康和心跳到睡眠方式的所有信息。这些可穿戴技术的发展与诸如糖尿病和心血管疾病等日益严重的慢性疾病相结合,旨在通过帮助患者监测和改善其健康状况来对抗这些疾病。


在2018年末,Apple凭借其突破性的apple Series 4 Watch成为头条新闻,该系列具有集成的ECG,可监控佩戴者的心律。在其发布的几天之内,客户就对救生技术产生了极大的兴趣,该技术能够比平时更早地发现潜在的危险心脏病。到2024年,可穿戴设备市场预计将达到670亿美元。

3.7 精密医学

随着医疗技术的进步,患者的治疗方案正在变得越来越个性化。例如,精密医学允许医生根据个人的基因组成选择治疗癌症等疾病的药物和疗法。这种个性化药物远比其他类型的治疗有效,因为它可以根据患者的特定基因和蛋白质攻击肿瘤,引起基因突变,使其更容易被癌症药物破坏。

精密医学也可以用于治疗类风湿关节炎。它使用一种类似的机制来攻击该疾病的易感基因,从而使其减弱并减轻症状和关节损伤。

3.8 虚拟现实

虚拟现实(VR)技术的诞生距今已经有一段时间。然而,随着医学和技术的进步,医学生已经能够使用VR技术获得接近现实生活的经验。先进的工具可通过排练程序并直观地了解人体解剖结构的连接方式,帮助他们获得所需的知识与技能。 VR设备还将为患者提供极大的帮助,帮助他们进行诊断,制定治疗计划并为他们面对的程序做准备。事实证明,它对患者的康复和康复非常有用。

3.9 远程医疗


远程医疗是一项快速发展的技术,该技术使患者可以通过其数字设备获得医疗服务,而不必等待与医生面对面的交流。例如,高度个性化的移动应用程序,使患者可以与医生和其他医疗专业人员进行虚拟交谈,从而获得即时诊断和医疗建议。


远程医疗为患者提供了随时随地就诊的便利服务,这对于慢性病患者的病情管理特别有用。

3.10 CRISPR基因编辑

CRISPR是迄今为止最先进的基因编辑技术。它利用了入侵病毒细菌细胞后,细菌免疫系统的天然机制,开发了基因组的编辑功能。 DNA的编辑可能改变我们治疗疾病的方式。通过修饰基因,可能会在几年内克服某些对我们健康的最大威胁,例如癌症和艾滋病毒等。


但是,与所有功能强大的工具一样,围绕它的广泛使用也存在一些争议,主要是因为人类拥有“扮演上帝”的权利,并且担心基因编辑被用来“生产”人造婴儿。

以上就是本年度科技领域的相关盘点。随着时间的推移,人类科学技术也将获得更长足的进步,2020年又会有哪些新的科技创新呢,让我们拭目以待吧!


参考资料:

1. 10 Breakthrough Technologies 2019. MIT technology review

2. These are the top 10 emerging technologies of 2019

3. Top 10 new medical technologies of 2019




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