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科技动态:2019年十大新兴技术改变世界的技术势必会破坏现状

2019-11-21 04:43 性质:翻译 作者:MULAN 来源:无人机网(www.youuav.com)
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有一天,本报告中重点介绍的一项新兴技术将使您几乎可以传送到一个遥远的站点,并真正感受到网络旅行者的握手和拥抱。也即将变得司空见惯:旨在与人交往的类人机...

有一天,本报告中重点介绍的一项新兴技术将使您几乎可以传送到一个遥远的站点,并真正感受到网络旅行者的握手和拥抱。也即将变得司空见惯:旨在与人交往的类人机器人(和动物类机器人);一个可以在短短几秒钟内查明食物中毒爆发源的系统;小巧的镜头,将为小型摄像机和其他设备铺平道路;坚固,可生物降解的塑料,可以用其他无用的植物废料制成;基于DNA的数据存储系统,可以可靠地存储大量信息;和更多。

《科学美国人》与世界经济论坛一起召集了一个由领先技术专家组成的国际指导小组,并进行了激烈的过程来确定今年的“十大新兴技术”。在征求了全球其他专家的提名后,指导小组评估了数十个符合多个标准的建议书:建议的技术是否有潜力为社会和经济带来重大利益?他们会改变行事方式吗?它们是否仍处于开发的早期阶段,但吸引了研究实验室,公司或投资者的极大兴趣?他们是否可能在未来几年内取得重大进展?该小组在需要的地方寻求更多信息,并在四个虚拟会议中完善了清单。

1、环境:生物塑料可以解决重大污染问题

先进的溶剂和酶正在将木质废物转变为更好的可生物降解塑料

作者:哈维尔·加西亚·马丁内斯(JAVIER GARCIA MARTINEZ)

我们的文明是建立在塑料之上的。根据世界经济论坛的数据,仅2014年,该行业就产生了3.11亿公吨,预计到2050年将增加三倍。但是,只有不到15%的产品得到了回收。其余大部分被焚化,堆放在垃圾场或被丢弃在环境中,在这种环境中,由于抗微生物消化作用,可以持续数百年。积聚在海洋中的塑料碎片会引起各种问题,从误食时杀死野生生物到释放有毒化合物等。它甚至可以通过被污染的鱼进入我们的身体。

图片提供:Vanessa Branchi

可生物降解的塑料可以缓解这些问题,有助于实现“循环”塑料经济的目标,在这种经济中,塑料源自生物质并转化为生物质。像衍生自石油化工产品的标准塑料一样,可生物降解的产品由聚合物(长链分子)组成,这些聚合物在流动状态下可以模制成多种形式。但是,当前可用的选项(主要是玉米,甘蔗或废油脂)通常都缺乏标准种类的机械强度和视觉特性。用纤维素或木质素(植物中的干物质)生产塑料的最新突破有望克服这些缺点。除了对环境的好处外,纤维素和木质素还可以从非食用植物中获得,例如巨型芦苇,

纤维素是地球上最丰富的有机聚合物,是植物细胞壁的主要成分。木质素填充这些壁中的空间,从而提供强度和刚度。要使用这些物质制造塑料,制造商必须首先将其分解为构件或单体。研究人员最近找到了对这两种物质都这样做的方法。木质素的工作特别重要,因为木质素的单体是由芳环组成的,这种化学结构赋予某些标准塑料以其机械强度和其他所需的特性。木质素不能溶解在大多数溶剂中,但是研究人员表明,某些对环境友好的离子液体(主要由离子组成)可以选择性地将其与木材和木本植物分离。

公司正在基于这些发现。例如,Chrysalix Technologies是伦敦帝国理工学院的附属公司,开发了一种工艺,该工艺使用低成本的离子液体从起始原料中分离纤维素和木质素。芬兰生物技术公司MetGen Oy生产多种基因工程酶,这些酶将不同来源的木质素裂解为广泛应用所需的组分。Mobius(以前称为Grow Bioplastics)正在开发木质素基塑料颗粒,用于可生物降解的花盆,农用覆盖物和其他产品。

在广泛使用新塑料之前,必须克服许多障碍。一是成本。另一个方法是将生产土地和水的数量减至最少-即使木质素仅来自废物,也需要水将其转化为塑料。与任何重大挑战一样,解决方案将需要采取多种措施,从法规到社会使用和处置塑料方式的自愿改变。尽管如此,新兴的可生物降解塑料的生产方法还是绿色溶剂和更有效的生物催化剂如何在主要工业中促进循环经济发展的完美范例。

2、工程:社交机器人与他人玩得很好

Droid的朋友和助手正在深入我们的生活

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

在工业和医学领域,机器人通常会进行构建,分解和检查。他们还协助手术,并在药房分配处方药。它们和旨在与人互动并引起情感联系的“社交”机器人都没有像杰特逊一家的女仆,罗茜或其他受人喜爱的小说机器人那样。即使这样,也可以期望社交机器人在未来几年内变得越来越复杂和流行。该领域似乎已经达到了一个临界点,机器人具有比以往更大的交互功能和执行更多有用的任务。

与大多数机器人一样,社交机器人使用人工智能来决定如何对通过相机和其他传感器接收到的信息采取行动。通过研究诸如感知如何形成,什么构成社会和情感智能以及人们如何推断他人的思想和情感等问题,研究已经赋予了以看起来栩栩如生的方式做出响应的能力。人工智能的进步使设计师能够将这种心理和神经科学见解转化为允许机器人识别声音,面部和情绪的算法。解释语音和手势;对复杂的言语和非言语提示做出适当反应;眼神接触;谈话通过从反馈,奖励和批评中学习来适应人们的需求。

图片提供:Vanessa Branchi

结果,社交机器人填补了各种各样的角色。例如,一个47英寸的类人动物,称为Pepper(来自SoftBank Robotics),可识别脸部和基本的人类情感,并通过触摸屏在其“胸部”中进行对话。全球约有15,000 Peppers提供诸如酒店入住,机场等服务。客户服务,购物帮助和快餐结帐。Temi(来自Temi USA)和Loomo(Segway Robotics)是下一代个人助理,例如Amazon Echo和Google Home,但它们具有移动性,提供了新的功能。例如,Loomo不仅是同伴,而且可以根据命令转换成踏板车进行运输。

社交机器人对于协助世界上日益增长的老年人口特别有吸引力。PARO治疗机器人(由日本国家先进工业科学技术研究院开发),看上去像一个可爱的海豹,旨在刺激和减轻患有阿尔茨海默氏病的人和其他护理机构的患者的压力:摇头,哭着抚摸。Mabu(Catalia Health)让患者(尤其是老人)作为健康助手,提醒他们散步和服药并打电话给家人。社交机器人作为玩具也受到了消费者的关注。早期尝试将社会行为纳入玩具中,例如孩之宝的Baby Alive和索尼的AIBO机器狗,取得的成功有限。但是两者都在复苏

2018年,消费类机器人的全球销售额估计达到56亿美元,到2025年年底,该市场预计将增长到190亿美元,每年售出超过6500万台机器人。考虑到Jibo和Anki等多家资金雄厚的消费机器人公司已经倒闭,这种趋势似乎令人惊讶。但是,一大批机器人正在取代已淘汰的机器人,包括BUDDY(蓝蛙机器人),这是一种大眼的移动设备,除了充当个人助理之外,还可以玩游戏并提供家庭自动化和安全性。

3、工程:微小的透镜将使微型光学器件的设计成为可能

薄而扁平的金属感镜可以代替笨重的玻璃来操纵光

作者:阿尔贝托·莫斯卡泰利(ALBERTO MOSCATELLI)

随着电话,计算机和其他电子产品的体积越来越小,它们的光学组件顽固地拒绝收缩。值得注意的是,用传统的玻璃切割和玻璃弯曲技术很难制造出微小的透镜,而且玻璃透镜中的元件通常需要堆叠以正确聚焦光线。工程师们最近发现了很多物理原理,它们背后是更小的,更轻的替代方案,称为金属感。这些镜头可以使显微镜和其他实验室工具以及消费产品(例如相机,虚拟现实头戴式耳机和用于物联网的光学传感器)的尺寸进一步缩小。而且它们可以增强光纤的功能。

金属元素由比微米薄的平坦表面组成,表面覆盖有一系列纳米尺度的物体,例如突出的柱子或钻孔。当入射光击中这些元素时,它的许多特性都会发生变化,包括其偏振,强度,相位和传播方向。研究人员可以精确地定位纳米尺度的物体,以确保离开金属元素的光具有选定的特性。而且,metalenses是如此之薄,以至于几个可以彼此叠置而不会明显增加尺寸。研究人员已经证明了光学设备,例如由这些平坦表面的叠层制成的光谱仪和旋光仪。

在去年的一项重大突破中,研究人员解决了一个称为色差的问题。当白光通过一个典型的透镜时,其不同波长的光线会以不同的角度偏转,从而聚焦在距透镜不同的距离处。为了解决这个问题,当今的工程师需要将镜片进行精细的对齐。现在,单个金属元素可以将所有白光波长聚焦到同一点上。除了创建这种“消色差”金属元素外,科学家还开发了可以纠正其他像差(例如,彗形像差和像散)的金属像,这些像差会导致图像失真和模糊。

图片提供:Vanessa Branchi

除了减小尺寸外,金属镜还应最终降低光学组件的成本,因为小型透镜可以用半导体行业中已经使用的相同设备制造。此功能提高了并排制造微型光传感器的光学和电子组件的诱人前景。

但是目前,费用仍然很高,因为很难将纳米级元素精确地放置在厘米级芯片上。其他限制也需要解决。到目前为止,metalenses不能像传统镜头那样有效地传输光,这对于全色成像等应用来说是一项重要功能。此外,它们太小而无法捕获大量的光,这意味着至少到目前为止,它们不适合拍摄高质量的照片。

然而,在未来几年中,这些小透镜可能会进入更小,更易于制造的传感器,诸如内窥镜成像设备之类的诊断工具以及光纤中。这些潜在的应用程序吸引人,足以吸引政府机构以及三星和谷歌等公司的研究支持。至少有一家初创企业Metalenz希望在未来几年内将Metalenses推向市场。

4、医疗与生物技术:一类特殊的蛋白质为癌症和老年痴呆症的药物提供了有希望的靶标

治疗癌症和其他疾病的新可能性

作者:伊丽莎白·奥戴(ELIZABETH O'DAY)

几十年前,科学家们发现了一类特殊的蛋白质,可将疾病从癌症转变为神经退行性疾病。这些“内在失调的蛋白质”(IDP)看起来与细胞中较为熟悉的具有刚性结构的蛋白质不同。国内流离失所者是变形者,表现为不断变化的配置的组件的集合。事实证明,这种松散的结构允许IDP在关键时刻(例如在细胞对压力的反应期间)将各种分子聚集在一起。柔韧性较低的蛋白质往往具有数量有限的结合伴侣。当国内流离失所者无法正常工作时,就可能引发疾病。

图片提供:Vanessa Branchi

然而,医学研究人员尚未能够创造出消除或调节有故障的IDP的疗法。确实,许多人被称为不可消费的。这是因为目前使用的大多数药物都需要稳定的结构来靶向,并且国内流离失所者的放置时间不够长。事实证明,导致癌症的众所周知的无序蛋白(包括c-Myc,p53和K-RAS)太难以捉摸。但是,这种情况正在开始改变。

科学家们将生物物理学,计算能力以及对IDP发挥作用的方式进行了严格的结合,从而更好地理解了IDP来识别抑制这些蛋白质的化合物,其中一些已成为真正的候选药物。2017年,法国西班牙的研究人员证明,有可能瞄准并击中IDP多变的“模糊”界面。他们表明,FDA批准的一种名为Trifluoperazine(用于治疗精神病和焦虑症)的药物与NUPR1结合并抑制了它的生长,NUPR1是一种参与胰腺癌形式的失调蛋白。大规模筛选测试评估了数千种候选药物的治疗潜力,发现其中几种抑制c-Myc,有些正在向临床发展。已经确定了可用于IDP的其他分子,例如β-淀粉样蛋白,

这一清单将继续增长,尤其是随着IDP在称为无膜细胞器的关键细胞部分中所扮演的角色越来越清晰时。这些细胞器通常被称为液滴或冷凝物,它们使重要的细胞分子(例如蛋白质和RNA)在特定的时间闭合在一起,而使其他细胞彼此分开。接近使某些反应更容易发生;分离可防止各种反应。科学家设计了功能强大的新型分子操纵工具,命名为Corelets和CasDrop,使研究人员可以控制这些液滴的形成方式。使用这些工具和其他工具,研究人员已经了解到IDP可能有助于控制液滴的组装,功能和拆卸。

这一发现很重要,因为在液滴形成和分解过程中,IDP与各种结合配偶体相互作用,有时会保持新形状一会儿。寻找能够找到并结合这些形状的药物可能比发现可以击中IDP的化合物更容易。全球研究人员正在探索发现这些与液滴相关的力学的开创性工作。

工业也在押注国内流离失所者的治疗潜力。生物技术公司IDP Pharma正在开发一种蛋白抑制剂来治疗多发性骨髓瘤和小细胞肺癌。Graffinity Pharmaceuticals,现在是NovAliX的一部分,已经确定了靶向靶向无序蛋白tau的小分子,该蛋白tau与阿尔茨海默氏病的病理学有关。Cantabio Pharmaceuticals正在寻找小分子来稳定涉及神经变性的IDP。一家名为Dewpoint Therapeutics的新公司正在探索一种想法,即由于液滴及其无序成分将分子聚集在一起以增强反应的方式,因此可以用作药物靶标。在未来的三到五年中,这些曾经“不可消费的”蛋白质将越来越有可能成为药物开发的十字准线。

5、环境:更智能的肥料可以减少环境污染

新配方可按需提供营养

作者:杰夫·卡贝克(JEFF CARBECK)

为了养活世界上不断增长的人口,农民需要提高作物产量。施更多肥料可能会有帮助。但是标准版本的工作效率低下,经常会损害环境。幸运的是,更环保的产品(控释肥料)已经上市,并且变得越来越聪明。

农民通常以两种方式施肥。它们与水反应时,向田间喷洒氨,尿素或其他会产生营养氮的物质。他们使用钾盐或其他矿物质的颗粒来产生磷,也会与水反应。但是这些营养中相对较少的进入植物。取而代之的是,大量的氮以温室气体的形式进入大气,而磷最终流域,最终触发藻类和其他生物的过度生长。相比之下,控释制剂可以确保作物中营养成分的含量更高,从而以更少的肥料获得更高的产量。

一类被称为缓释肥料的产品已经出售了一段时间。这些配方通常由微小的胶囊组成,里面装有含有氮,磷和其他所需营养素的物质。外壳既减慢了水可以进入内部内容物释放养分的速度,也减慢了最终产品从胶囊中逸出的速度。结果,营养素逐渐被吸收,而不是浪费而无法有效吸收的快速爆发。较新的制剂包括通过阻止起始物质(例如尿素)转化为营养素而进一步减缓营养素传递的物质。

图片提供:Vanessa Branchi

最近,已经开发出更完全符合“控释”描述的肥料-通过能够调节外壳的先进材料和制造技术,使肥料成为可能,从而随着土壤温度,酸度或湿度的变化,以所需的方式改变养分释放速率。通过组合不同类型的微调胶囊,制造商可以制造出具有适合特定作物或生长条件需求的肥料。提供更精确控制的公司包括海法集团和ICL特种肥料。例如,海法将养分释放的速率仅与温度联系在一起;随着温度的升高,农作物的生长速度和养分的排放量一起增加。

尽管控释技术使肥料更有效,但并不能消除肥料使用的所有弊端。这些产品仍然包括例如氨,尿素和钾肥。生产这些物质需要消耗大量能源,这意味着它们的生产可以促进温室气体的产生和气候变化。但是,可以通过使用对环境更友好的氮源并掺入可提高植物吸收氮和磷效率的微生物来减轻这种影响。没有证据表明构成外壳的材料会损害环境,但是,每当大量引入任何新物质时,都必须监视这种风险。

控释肥料是被称为精准农业的可持续农业方法的一部分。该方法通过结合数据分析,人工智能和各种传感器系统来确定在任何给定时间准确地需要多少肥料和水厂,以及通过部署自动车辆以规定的数量和位置来输送营养,从而提高了作物的产量并最大程度地减少了过多的养分释放。但是,安装精密系统的成本很高,因此只有大规模的操作才能安装它们。相比之下,先进的控释肥料相对便宜,可以成为帮助农民持续增加作物产量的一线技术。

6、计算:协作网真可以使距离(相对)无意义

虚拟聚会的参与者会觉得自己像在物理上一样

作者:科琳娜·E·拉森和安德鲁·梅纳德

想象一下,世界不同地区的一群人像在身体上一样在一起时,会流畅地互动,直到能够感觉到彼此的触摸。启用这种“协作网真”的组件可能会改变我们一起工作和娱乐的方式,从而使实际位置无关紧要。

图片提供:Vanessa Branchi

就像Skype和FaceTime等视频通话应用程序使曾经成为消费者广泛使用的业务领域,以及大型多人在线游戏从根本上改变了人们在Internet上的交互方式一样,协作网真可以改变人们在业务中的虚拟交互方式超越。例如,医疗服务提供者将能够像在同一个房间一样与患者进行远程合作。即使他们实际上不在同一个地方,朋友和家人也将能够享受共享的经验,例如在舒适的房间里一起旅行或游览新城市。

在几个领域的进展使这一前景可行。增强现实(AR)和虚拟现实(VR)技术已经变得足够强大且负担得起,可以被广泛采用。电信公司正在以足够快的速度推出5G网络,以处理来自高级传感器阵列的大量数据,而不会出现滞后时间。创新者正在完善使人们能够与远程环境进行物理交互的技术,包括使人们能够感觉到他们的机器人化身所触摸的触觉传感器。协作远程呈现所设想的完全感官沉浸将需要比视频通话可接受的滞后时间短得多的时间,并且有时可能甚至会给5G网络增加负担,但是预测性AI算法可以消除用户对时空的感知。

尽管协作网真仍在不断涌现,但要在三到五年内实现变革,一切都应有尽有。例如,微软和其他公司已经在技术上进行了投资,这些技术有望在2025年之前支撑数十亿美元的产业。XPRIZE基金会发起了一项耗资1000万美元的ANA Avatar XPRIZE竞赛(由全日空航空公司赞助),以启动这些技术将“将人类的感觉,行动和存在实时地传输到偏远地区,从而建立一个更加互联的世界。”随着零件的相互编织,人们期望看到日常生活和工作中的变化会像戏剧性的这些都是由智能手机的广泛采用引发的。

7、公共卫生:先进的食品跟踪和包装将挽救生命并减少浪费

两种技术的结合可以大大提高食品安全性

作者:RONA CHANDRAWATI和BERNARD S. MEYERSON

根据世界卫生组织的数据,每年约有6亿人食物中毒,有42万人死亡。爆发时,调查人员可以花费数天或数周的时间来追踪其来源。同时,更多的人可能会生病,大量未受污染的食物可能会与受污染的物品一起丢弃。寻找食物来源可能是一项缓慢的工作,因为食物从农场到餐桌走的路很复杂,而且这些旅行的记录都保存在本地系统中,而这些本地系统通常不会相互通信。

两项技术共同可以减少食物中毒和食物浪费。第一个是区块链技术的创新应用(以管理虚拟货币而著称),开始解决可追溯性问题。同时,增强型食品包装正在提供新的方法来确定食品是否已在适当的温度下存储以及它们是否开始变质。

区块链是一种去中心化的会计系统,其中条目按顺序记录在存储在多个位置的计算机上的多个相同“分类帐”中。这种冗余使得篡改任何一个分类帐都是徒劳的,从而创建了高度受信任的交易记录。为食品行业开发的基于区块链的云平台IBM Food Trust已被主要食品销售商采用。(我们中的一个人Meyerson隶属于IBM。)

图片提供:Vanessa Branchi

通过将种植者,分销商和零售商整合在一个通用的区块链上,Food Trust可以创建给定食品通过端到端供应链的可信记录。在一项使用该技术的测试中,沃尔玛以秒为单位追踪了“被污染”物品的来源。加上书面记录和数字记录的标准组合,这将需要几天的时间。有了这种功能,零售商和饭店几乎可以立即从流通中清除受污染的物品,并且只销毁来自同一来源(例如,生菜的特定种植者)的库存,而不用浪费该物品的全部国家库存。许多食品商业巨头-沃尔玛,家乐福,山姆俱乐部,阿尔伯森公司,史密斯菲尔德食品,BeefChain,Wakefern Food(ShopRite'的母公司)和Topco Associates(一个团体采购组织)—已加入IBM Food Trust。其他组织也引入了区块链技术以增强可追溯性。

首先,为了防止食物中毒,研究实验室和公司正在开发小型传感器,可以监视托盘,箱子或单独包装的产品中食品的质量和安全性。例如,Timestrip UK和Vitsab International分别创建了传感器标签,如果产品暴露于上述推荐温度下,该标签会变色; Insignia Technologies销售的传感器在打开包装后会缓慢变色,并指示时间已到。来扔食物。(如果产品未在适当的温度下存储,则颜色变化更快。)还正在开发可显示出气态副产物的传感器。除了预防疾病之外,此类传感器还可以通过证明食物可以安全食用来减少浪费。

成本仍然是普遍使用传感器的障碍。尽管如此,食品行业对确保食品安全和限制浪费的需求推动了这项技术和区块链的发展。

8、能源:更安全的核反应堆即将到来

弹性燃料和创新性反应堆可使核电复兴

作者:马克·费斯切蒂(MARK FISCHETTI)

控制大气中的碳将需要多种能源技术,其中可能包括核反应堆,该反应堆不排放碳,但由于几次重大事故而被认为具有风险。该风险可以大大降低。

商用反应堆使用相同的燃料已有几十年了:将二氧化铀的小颗粒堆积在由锆合金制成的长圆柱棒中。锆使小球中的裂变产生的中子易于通过浸没在反应堆堆芯内部水中的许多棒中,从而支持自持的发热核反应。

问题是,如果锆过热,它会与水反应并产生氢,氢会爆炸。这种情况引发了世界上最严重的两次反应堆事故:1979年美国三哩岛的潜在爆炸和部分融化,以及2011年日本福岛第一核电站的爆炸和辐射释放。(1986年的切尔诺贝利事故是由错误的反应堆设计和运行引起的。)

图片提供:Vanessa Branchi

西屋电气公司(Westinghouse Electric Company)和Framatome之类的制造商正在加快所谓的耐事故性燃料的开发,这些燃料不太可能过热,如果发生这种情况,它们将产生很少的氢气或不产生氢气。在某些变型中,对锆包层进行了涂层处理以最大程度地减少反应。在其他情况下,锆甚至二氧化铀都用不同的材料代替。新配置可以在不做任何改动的情况下滑入现有反应堆,因此可以在2020年代逐步使用。已经开始的全面的核心测试必须证明是成功的,并且监管机构也必须对此感到满意。另外,新燃料还可以帮助工厂更高效地运转,从而使核电更具成本竞争力。这对制造商和电力公司来说是巨大的动力,因为天然气,

尽管核电在美国停滞不前,在德国和其他地方正在逐步淘汰,但俄罗斯和中国正在积极建设。这些市场对于这些新燃料的制造商而言可能是有利可图的。

俄罗斯也在部署其他安全措施;国营公司Rosatom最近在国内外安装的装置具有较新的“被动”安全系统,即使工厂电力中断且冷却液无法有效循环,也可以抑制过热。西屋公司和其他公司也将被动安全功能纳入其更新设计中。

制造商正在试验“第四代”模型,该模型使用液态钠或熔融盐代替水来传递裂变热,从而消除了危险的氢气产生的可能性。据报道,中国打算今年将一个示范氦冷却反应堆连接到其电网。

在美国,缺乏对永久性,深层乏核燃料地质库的政治承诺长期以来一直阻碍着该行业的发展。情绪可能正在改变。令人惊讶的是,最近有十几位美国立法者提议采取措施,重新启动内华达州尤卡山核废料处置库的许可,该核查自1987年以来一直是该国的主要储存地点。同时,阿拉斯加的参议员丽莎·默科夫斯基(Lisa Murkowski)提倡在爱达荷州国家实验室开发非常小的模块化反应堆。(Rosatom也正在制造小型反应堆。)一些西方国家已与俄勒冈州的NuScale Power就其十二个模块化反应堆达成了一项临时协议。改进的燃料和小型反应堆的增长可能是核电复兴的重要组成部分。

9、医疗与生物技术:DNA数据存储比您想象的要紧密

Life的信息存储系统正在适应处理大量信息

作者:李相佑

根据软件公司Domo的数据,2018年每一分钟,Google进行了388万次搜索,人们在YouTube上观看了433万个视频,发送了159,362,760封电子邮件,发布了473,000次,并在Instagram上发布了49,000张照片。到2020年,假设全球人口为78亿,那么全球每人每秒将创建约1.7兆字节的数据,这相当于每年约418 ZB(4180亿个1 TB硬盘的信息价值)。如果当前的磁或光数据存储系统的容量为0和1,则通常不能持续超过一个世纪。此外,运行数据中心会消耗大量能源。简而言之,我们将面临一个严重的数据存储问题,随着时间的推移,这个问题只会变得更加严重。

图片提供:Vanessa Branchi

硬盘驱动器的替代方案正在发展:基于DNA的数据存储。DNA由核苷酸A,T,C和G的长链组成,是生命的信息存储材料。数据可以按这些字母的顺序存储,从而使DNA成为信息技术的一种新形式。它已经被常规地排序(读取),合成(写入)并轻松地精确复制。DNA的稳定性也令人难以置信,正如生活在500,000年前的化石马的完整基因组测序所证明的那样。并且存储它不需要太多能量。

但是,闪耀的是存储容量。DNA可以以远远超过电子设备密度的密度准确地存储大量数据。例如,根据哈佛大学乔治教堂(George Church)及其同事在2016年发表在《自然材料》(Nature Materials)上的计算结果,例如,简单细菌大肠埃希氏菌的存储密度约为1019位/立方厘米。在这样的密度下,一个侧面约一米长的DNA立方体可以很好地满足全世界一年的当前存储需求。

DNA数据存储的前景不仅仅是理论上的。例如,2017年,哈佛大学Church小组采用CRISPR DNA编辑技术将人类手的图像记录到大肠杆菌基因组中,并以90%以上的准确率读取了该图像。华盛顿大学和微软研究院的研究人员已经开发出了一种全自动系统,用于写入,存储和读取以DNA编码的数据。包括Microsoft和Twist Bioscience在内的许多公司正在努力发展DNA存储技术。

与此同时,研究人员正在努力地利用DNA来以不同的方式管理数据,他们正在努力理解大量数据的意义。下一代测序技术的最新进展使数十亿条DNA序列易于同时读取。凭借这种能力,研究人员可以采用条形码(将DNA序列用作分子识别“标签”)来跟踪实验结果。现在,DNA条码已被用于大大加快化学工程,材料科学和纳米技术等领域的研究速度。例如,在佐治亚理工学院,詹姆斯·达曼(James E. Dahlman)的实验室正在迅速确定更安全的基因疗法。其他人正在研究如何抗药性和预防癌症转移。

使DNA数据存储变得司空见惯的挑战之一是读写DNA的成本和速度,如果要与电子存储竞争,则需要进一步降低成本。即使DNA并没有成为普遍存在的存储材料,它也几乎肯定会被用于以全新的规模生成信息并长期保存某些类型的数据。

10、能源:公用事业规模的储能将实现可再生电网

可持续能源解决方案的障碍尚未解决

作者:安德烈·汤普森(ANDREA THOMPSON)

在能源系统脱碳的紧迫性以及风能和太阳能技术成本暴跌的推动下,世界上的电力获取方式正在经历快速转变。根据美国能源情报署(Energy Information Administration)的数据,在过去十年中,美国可再生能源产生的电力翻了一番,主要来自风能和太阳能装置。在2019年1月,EIA预测风能,太阳能和其他非水电可再生能源将成为未来两年电力组合中增长最快的部分。但是这些能源的间歇性意味着电力公司需要一种方法来将能量保持在后兜中,以防止太阳不发光且风很平静。需求日益增长,人们对储能技术(尤其是锂离子电池

几十年来,抽水蓄能是一种简单的过程,具有不同高度的水库,是美国主要的大规模储能方法。为储存能量,水被抽入较高的水库。当需要该能量时,水被释放到下部水库,并沿途流经涡轮机。能源部称,抽水蓄能水力发电目前占美国公用事业规模储能的95%。但是,随着效率和可靠性的提高以及制造成本的下降,锂离子电池也激增了。EIA称,它们占美国公用事业规模电池存储电力容量的80%以上,从十年前的几兆瓦跃升至2019年2月的866兆瓦。彭博新能源财经(Bloomberg New Energy Finance)在2019年3月的一份分析报告中称,自2012年以来,此类电池的电力成本下降了76%,这使其与那些通常由天然气供电,在高电时间开启的电厂的竞争力接近需求。迄今为止,尽管电池已被广泛用于进行简短,快速的调整以维持功率水平,但包括佛罗里达州和加利福尼亚州在内的多个州的公用事业公司都在添加锂离子电池,该电池能够使用两到四个小时。早期的能源研究公司Wood Mackenzie估计,从2018年到2019年,储能市场将翻一番,从2019年到2020年将增长三倍。通常由天然气供电,在高电力需求时会打开。迄今为止,尽管电池已被广泛用于进行简短,快速的调整以维持功率水平,但包括佛罗里达州和加利福尼亚州在内的多个州的公用事业公司都在添加锂离子电池,该电池能够使用两到四个小时。早期的能源研究公司Wood Mackenzie估计,从2018年到2019年,储能市场将翻一番,从2019年到2020年将增长三倍。通常由天然气供电,在高电力需求时会打开。迄今为止,尽管电池已被广泛用于进行简短,快速的调整以维持功率水平,但包括佛罗里达州和加利福尼亚州在内的多个州的公用事业公司都在添加锂离子电池,该电池能够使用两到四个小时。早期的能源研究公司Wood Mackenzie估计,从2018年到2019年,储能市场将翻一番,从2019年到2020年将增长三倍。

图片提供:Vanessa Branchi

专家称,锂离子电池将在未来五到十年内成为主导技术,并且持续的改进将导致电池可以存储四到八小时的能量,例如足够长的时间来移动太阳能电池电力需求达到高峰。

但是,达到可再生能源和能源存储可以处理基准发电负荷的地步,将需要更长的时间存储能量,这将意味着要超越锂离子电池。潜在的候选人包括其他高科技选择,例如液流电池,它可以输送液体电解质和氢燃料电池;也可以是更简单的概念,例如,抽水蓄能水力发电和所谓的重力存储。抽水蓄能水电一旦安装便很便宜,但建造起来很昂贵,只能在某些地区使用。同样,重力存储的概念也很简单,它的目的是利用多余的电力来举起笨重的积木,然后将其降低以驱动涡轮发电。尽管有几家公司正在进行示范并吸引了投资,这个想法还没有开始。仍在开发其他选择,以使其与锂离子电池充分可靠,高效且具有成本竞争力。根据EIA的数据,到2017年底,美国仅部署了三个大型液流电池存储系统,而公用事业规模的氢气系统仍处于示范阶段。美国政府正在为此领域的一些工作提供资金,特别是通过能源高级研究计划署(ARPA-E),但是这些技术的投资(以及一般而言的能源存储)大部分发生在中国和韩国,这也加快了存储研究的速度。根据EIA的数据,到2017年底,美国仅部署了三个大型液流电池存储系统,而公用事业规模的氢气系统仍处于示范阶段。美国政府正在为此领域的一些工作提供资金,特别是通过能源高级研究计划署(ARPA-E),但是这些技术的投资(以及一般而言的能源存储)大部分发生在中国和韩国,这也加快了存储研究的速度。根据EIA的数据,到2017年底,美国仅部署了三个大型液流电池存储系统,而公用事业规模的氢气系统仍处于示范阶段。美国政府正在为此领域的一些工作提供资金,特别是通过能源高级研究计划署(ARPA-E),但是这些技术的投资(以及一般而言的能源存储)大部分发生在中国和韩国,这也加快了存储研究的速度。

储能成本是否会继续下降以及下降的幅度尚不确定。但是,各国政府(包括美国各州和地方政府)为实现无碳电力生产而不断做出的承诺,将继续推动使越来越多的储能上网。

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