《科學美國人》發布了2019年全球十大新興技術
繪圖：Vanessa Branchi
《科學美國人》與世界經濟論壇聯合發布了 2019 年全球十大新興技術。這份榜單由《科學美國人》、《科學美國人》全球顧問委員會、世界經濟論壇全球專家網絡、世界未來委員會共同選出，涵蓋了生物醫療、農業、物理、人工智能等領域的最新技術。這些技術盡管仍處于發展早期，但它們吸引了眾多研究團隊的關注，并且廣受投資者青睞。在未來3~5 年間，它們可能會對社會與經濟產生重要影響。
該榜單自 2012 年開始評選。在此前的榜單中，3D 打印、CRISPR-Cas9、光遺傳等技術已經成為我們生活、研究中的重要元素。而在今年的榜單中，又有哪些將改變人類的未來？
1、可循環的生物塑料
在現代社會中，人類對塑料的需求量正在迅速增加，但能夠循環使用的塑料不足 15%。生物降解塑料是一種來源于生物質、又能轉化為生物質的新型塑料，但目前的生物塑料仍無法達到標準塑料的強度和視覺特征。
利用纖維素或木質素生產的新型生物塑料有望克服這些缺點。纖維素是植物細胞壁的主要成分，是地球上最豐富的有機聚合物；而木質素也來自植物，其分解產物芳香族環能賦予塑料強度和其他理想特性。目前，研究人員以及開發出從木材和木本植物中分離、提取纖維素和木質素的方法。眾多企業都展現出對這類生物塑料的興趣，而成本、生產過程所需的土地和水將成為現階段的主要挑戰。
2、社交機器人走進生活
作為一類能與人類交流、建立情感聯系的機器人，社交機器人的研究似乎達到了臨界點：它們具有更強的交互能力、能執行比以往更多的任務。隨著人工智能的發展，研究人員能夠將關于認知、社交的心理學和神經科學知識轉化為讓機器人識別聲音、面部和情緒的算法，并且讓機器人能夠理解語言和手勢、進行眼神交流與對話、通過學習反饋來適應人們的需求。
隨著人口老年化的到來，社交機器人將發揮更加重要的作用。具有減輕阿爾茨海默病患者壓力、提醒老年人散布和服藥等功能的社交機器人陸續出現。此外，社交機器人也越來越多地作為玩具吸引消費者。2018 年，全球的社交機器人市值約為 56 億美元；到 2025 年底，這一數字預計將上漲至 190 億美元。
3、超透鏡打造微型光學器件
手機、電腦等電子產品變得越來越小，但傳統的玻璃切割和玻璃彎曲技術卻難以造出更小的光學部件。微型超透鏡使用厚度不足 1 微米的平坦鏡面，通過其中的納米結構聚焦光線，從而替代龐大的傳統曲面透鏡。
近期，科學家陸續解決了超透鏡聚焦光線時存在的色差、圖像扭曲、模糊等問題。盡管目前其傳輸光線的效率尚不及傳統透鏡，但在不久的將來，超透鏡將有望用于制造更小、更加易于操控的傳感器、診斷工具和光纖等器件。超透鏡的潛力已經吸引了眾多政府機構和企業的關注和資助，未來幾年內，超透鏡產品或將進入市場。
4、固有無序蛋白：藥物研發新靶點
數十年前，科學家發現了一類被稱作固有無序蛋白（IDP）的特殊蛋白，這些蛋白與癌癥和神經退行性疾病有密切聯系。普通蛋白擁有固定的結構，但 IDP 的結構會隨著微環境的改變而變化。因此，IDP 擁有更多的結合位點，可以影響更廣泛的細胞功能，這讓 IDP 成為藥物開發的重點關注對象。
2017 年，法國和西班牙的科學家發現，一款用于精神紊亂和焦慮癥的藥物，可以抑制在胰腺癌中起作用的無序蛋白 NUPR1。而 Graffinity 制藥公司發現了一些小分子，可以抑制在阿爾茨海默病有重要作用的無序蛋白。目前，科學家更加關注無膜細胞器中有功能的 IDP。未來3-5 年間，IDP 有望成為藥物研發的新熱點。
5、智能化肥減少環境污染
傳統化肥中的氮、磷化合物被植物吸收的效率很低，未被利用的物質會導致水體富營養化、造成環境污染。最近，研究人員開發出一類智能的控釋化肥。這類化肥被一層用特殊材料制作的膠囊包裹，可以根據土壤的溫度、酸堿度及濕度條件調整釋放營養素的速率。通過結合使用不同的膠囊，可以設計出用于不同作物類型和生長條件的特制化肥。這項技術可以顯著提升化肥吸收效率、降低環境污染。此外，一些科學家正嘗試研制環境友好的氮肥取代氨、尿素，并利用微生物讓植物高效吸收營養元素。未來，智能控釋化肥將推進精細農業的發展，讓糧食生產更加經濟、可持續。
6、遠程協作拉近距離
想象一下，世界不同地區的人如同處于同一物理空間，能隨時流暢地互動：醫生為患者提供遠程診斷、身處異地的朋友與家人能共享體驗……這種“遠程協作”技術可以改變我們工作和娛樂的方式，讓物理位置變得無關緊要。
以下幾個領域的進展正使得這一場景變得可行：增強現實（AR）和虛擬現實（VR）技術已經足夠強大且價格合理；通信公司正在迅速推出 5G 網絡，從而無延時地處理海量數據；創新者正在完善技術，使人們能夠遠程進行物理交互。盡管遠程協作技術還處于初級階段，但組成這項技術的部件都已準備就緒，遠程協作在3-5 年內有望實現變革。
7、區塊鏈技術保障食品安全
根據世界衛生組織的數據，每年有 6 億人受食物污染的影響，其中 42 萬人會因此喪命。現代食品鏈環節眾多，從農場到餐桌要經歷包裝、儲藏、轉運等多種過程。但各個部分的數據相對獨立，一旦出現食物污染事件，調查污染源將成為一大難題。
而區塊鏈技術的發展應用，將顯著改善數據追蹤的困境。利用區塊鏈云端系統，食品制造商可以依次在計算機中儲存各類過程的信息，類似沃爾瑪的大型超市可以利用區塊鏈云平臺在數秒內找到污染源頭。
此外，更先進的食品包裝技術，也將加速污染源的考證。科學家正開發一些微型感應設備，用于監測傳送帶、集裝箱或者獨立包裝中食品的質量和安全性。一些廠商在食品包裝中放置溫度感應器，以檢測食品保存溫度是否合規。這兩類方式都將為公眾提供更安全的食品，并更迅速地找到食品污染源。
8、更安全的核反應堆
幾十年來，商業核反應堆一直使用同樣的燃料：小的二氧化鈾芯塊堆積在鋯合金制成的核燃料棒內。鋯能使二氧化鈾芯塊裂變產生的中子很容易地通過反應堆堆芯，實現可持續的熱核反應。但是，如果鋯過熱，它會與水反應并產生氫，引發爆炸。2011 年福島核電站事故就由此引起。
目前，全球科學家正從不同角度入手，以打造更安全的核反應堆：西屋電氣公司和法馬通等企業正在開發“事故耐受燃料”，這種燃料與鋯結合后不容易過熱，也很少產生氫氣；一些人正嘗試用其他材料取代鋯或者二氧化鈾，以提升安全性；另一種思路是用液態鈉或熔鹽代替水來傳遞裂變產生的熱量，消除氫氣爆炸的風險。
9、DNA 儲存技術：突破數據存儲禁錮
到 2020 年，全球每年則將產生 4180 億太字節（TB）數據。現有的數據儲存系統負荷巨大，在一個世紀內就將無法應對爆炸式增長的數據量。為了獲得儲量更大的儲存系統，科學家已經轉向了生物體內的信息儲存方式——DNA。
DNA 依靠堿基的排列方式來儲存個體的生物信息，而科學家也可以通過人工合成的方式，用 DNA 儲存數據。DNA 非常穩定、信息儲存能力遠超電子設備，并且不需要額外消耗能量。根據 2016 年的一項研究，大腸桿菌的信息儲存密度已達每立方厘米 10^19 字節，這意味著，全世界的數據只需 1 千克的 DNA 就能儲存。隨著測序技術的發展，科學家已經可以開始更迅速地讀取 DNA 序列，并且進行數據追蹤。未來，隨著 DNA 存儲技術的難點被一一攻克，其必將在數據存儲應用上大放異彩。
10、大型電站級別的鋰離子電池
隨著對低碳能源體系的需求日益迫切，以及風能、太陽能技術成本的下降，全球電力供應格局正在迅速轉變：通過風能和太陽能生產的電力不斷增加，這也為能源的存儲提出了難題。
在這樣的背景下，效率和可靠性不斷提升、成本持續下降的鋰離子電池受到更多的關注。目前，鋰離子電池占據美國大型電站級別電池儲能的 80%，其最大功率從 10 年前的幾兆瓦提升至目前的 866 兆瓦。一項能源研究估計，與 2018 年相比，2019 年鋰離子電池的市場將翻倍；2020 年更將達到 2018 年的 3 倍。未來5-10 年間，鋰離子電池很可能成為儲存可再生能源的主流技術，屆時其將能夠存儲4-8 小時的能量，使得日間的太陽能發電滿足傍晚的高峰需求。
