又是一年將盡，到了盤點的時候，且看《科學(xué)美國人》評選出的2015年十大科技成就。
眼控機器：運動受損人士的福音
今年早些時候，當(dāng)艾瑞克·索拓用思維直接指揮機器手臂將一杯啤酒送入口中，媒體瘋狂了。這是一個令人印象深刻的壯舉，但背后的技術(shù)，是在他大腦中植入的一種電極芯片，這種芯片既昂貴又具有侵入性，而且還需要幾個月時間來訓(xùn)練使用。更糟糕的是，只有極少數(shù)癱瘓人士能夠適應(yīng)這些心理和生理上的技術(shù)要求。
一種較好的辦法隨后誕生――創(chuàng)建大腦電波活動和機器之間的直接連接。英國倫敦帝國理工學(xué)院神經(jīng)技術(shù)科學(xué)副教授阿爾多·法賽爾想要用眼球移動來控制輪椅、計算機和視頻游戲。利用現(xiàn)成的視頻游戲攝像機，法賽爾和他的同事建造了一種護(hù)目鏡，能夠記錄用戶的眼球移動過程，并傳輸數(shù)據(jù)給計算機，軟件將數(shù)據(jù)翻譯成機器指令。幾乎所有運動受損人士都能應(yīng)用這項技術(shù)，包括截肢者、四肢麻痹癥患者、帕金森病患者、多發(fā)性硬化癥和肌營養(yǎng)不良癥患者。
這套系統(tǒng)的成本只需要50美元。在一個科技展覽會上，志愿者不需要更多的指導(dǎo)，在15秒后就很好地掌握了玩游戲的技巧。
長期以來，科學(xué)家就知道眼睛可以透露人們的目的――他們要去哪里，想要做什么，以及想和誰交流。自從上世紀(jì)70年代開始研究眼球運動的神經(jīng)科學(xué)，法賽爾和同事們就撰寫了能夠?qū)?ldquo;驚鴻一瞥”轉(zhuǎn)化為指揮輪椅行動、敲擊鼠標(biāo)或者開展瞳孔游戲的算法。為了預(yù)測受試者的真實意圖，算法的設(shè)計基于志愿者用操縱桿操縱輪椅或者機器手臂時眼球運動的真實數(shù)據(jù)。漸漸地，軟件學(xué)會了區(qū)別不同的眼神，比如當(dāng)人們看向一個杯子時，軟件能夠猜測出他們是在猜測里面的飲料為何物，還是想要端起來一飲而盡。
法賽爾在將這個技術(shù)商業(yè)化成醫(yī)療器械之前，必須為臨床試驗籌得資金。從歐盟獲得的400萬歐元將繼續(xù)支持他開發(fā)機器人的外骨骼，以便能夠更好地讓殘障人士使用眼球追蹤系統(tǒng)。
“我想看到我們的努力可以幫助人們再次行動自如，這就是我的目的。”法賽爾說。
微波火箭：低成本訪問太空的范式
人類乘火箭遨游太空已50余年，在這么長的時間里，到達(dá)軌道的成本一直都是個天文數(shù)字――根據(jù)火箭種類不同，每公斤載重上天要花費5000美元到50000美元不等。
問題是，沒有哪個火箭是非常有效率的，火箭90%的重量都是燃料和推進(jìn)劑，只為裝載物資留下很小的空間。如果能甩掉一些重量，火箭不僅可以將更多的貨物送往太空，亦能降低成本。
1924年，俄羅斯科學(xué)家康斯坦丁·特斯洛克夫斯基提出一種方案，建議由地基微波發(fā)射器提供火箭上升的動力。他建議，利用反射鏡將“一束平行電磁短波射線激光束”瞄準(zhǔn)火箭的腹部，加熱推進(jìn)劑產(chǎn)生推力，從而替代大量燃料的裝載。
這一方法或許是獲得宇宙速度的最有吸引力的方法。但直到最近，這個想法才被重新提起。微波激光雖然在上世紀(jì)50年代就發(fā)明了出來，但始終沒有達(dá)到可以發(fā)射所要求的兆瓦級功率水平。電池和能源存儲系統(tǒng)的最新進(jìn)展讓能源可以足夠強大，以至于不需要固定電網(wǎng)來約束電能。
今天，來自世界各地的研究人員正在實踐這個概念，包括在2012年美國加州技術(shù)研究所的凱文?帕金領(lǐng)導(dǎo)的一項工程研究。基于他們的工作，一家名為“逃脫動力學(xué)”的私人公司正在測試這種微波動力衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)，美國國家航空航天局（NASA）正在密切關(guān)注此事，今年7月，NASA已經(jīng)將微波動力火箭加入了未來技術(shù)發(fā)展的路線圖中。
病毒捕獲平臺：精確識別病毒的新方法
當(dāng)醫(yī)生想要識別感染背后搗亂的病毒，通常需要求助于聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR），這種方法只有將DNA片段“放大”到足夠大才能進(jìn)行。使用PCR方法的時候，醫(yī)生還必須對要尋找的病毒做到心中有數(shù)，這就難免帶有了猜測的成分。
今年9月，哥倫比亞大學(xué)的研究團(tuán)隊描述了一種能夠消除猜測帶來的盲目性的新方法，該技術(shù)被命名為“脊髓動物病毒捕獲測序平臺（VirCapSeqVERT）”，能在給定的唾液、組織或脊髓液樣本中幾乎完美地找到每種病毒。這種方法可以在48小時內(nèi)同時分析21個樣本，且每個樣本的分析成本只有200美元。它還能檢測新型病毒或突變病毒。
哥倫比亞大學(xué)流行病學(xué)公共衛(wèi)生系教授W·伊恩·李普金說：“當(dāng)一個人被送進(jìn)急診室，單是檢測費就要成千上萬了。這種方法非常便宜，而且能讓醫(yī)生對癥下藥。”
為了開發(fā)這種技術(shù)，李普金和他的同事創(chuàng)建了一個超過1000種脊椎動物病毒的數(shù)據(jù)庫。然后他們用基因探針對每一株病毒進(jìn)行匹配，當(dāng)探頭遇到匹配的病毒時，就會自動與之綁定。為了檢測這些病毒，實驗室工作人員增加了磁珠來測量直徑僅1至3微米的混合物，化學(xué)連接器將基因探測器與磁珠以及捕獲的病毒相連。然后，研究人員插入包含了混合磁鐵支架的細(xì)管，將探針拉向管壁。他們隔離并清洗探針―磁珠―病毒組合后，對病毒進(jìn)行基因測序，以消除誤報風(fēng)險。
李普金和他的同事現(xiàn)正在尋找商業(yè)支持，希望將這項技術(shù)應(yīng)用到全世界的醫(yī)院和診所；他們還計劃增加專門探測感染性細(xì)菌和真菌的探針。
導(dǎo)電聚合物網(wǎng)絡(luò)：軟性的大腦電子探針
為了破解大腦之謎，科學(xué)家需要精確地檢測活動狀態(tài)下的神經(jīng)元。大腦探針的“蠻力介入”已經(jīng)被詬病很久了。哈佛大學(xué)化學(xué)家查爾斯?尼爾博率領(lǐng)的團(tuán)隊希望植入絲般柔滑的聚合物網(wǎng)絡(luò)，從而改變這個窘境。
到目前為止，尼爾博團(tuán)隊測試了活鼠體內(nèi)植入的這種聚合物，它擁有嵌入式電子感應(yīng)器。一旦證明安全可靠，它可能被用于人體，進(jìn)而研究意識如何從單獨神經(jīng)元的活動中產(chǎn)生，以及治療帕金森癥等疾病。
微型核聚變反應(yīng)堆：壓力下改變戰(zhàn)術(shù)的選擇
你可以指責(zé)核聚變擁護(hù)者太過于樂觀。核聚變只會發(fā)生在兩種元素結(jié)合或相融合進(jìn)而形成第三種元素的時候，將物質(zhì)轉(zhuǎn)化成能量。太陽就是典型的核聚變過程。
總部設(shè)在法國的國際核聚變反應(yīng)堆（ITER）集合了七個國家的力量，正在緊鑼密鼓籌建中。這個210億美元的托克馬克反應(yīng)堆將利用超導(dǎo)磁體產(chǎn)生足夠熱、密度足夠大的等離子體來發(fā)生核聚變。一旦完成，ITER的總重量將達(dá)到23000噸，是埃菲爾鐵塔的3倍。美國國家點火裝置（NIF）是其主要的競爭對手，也同樣復(fù)雜，需要同時將192束激光打在一個燃料球上直到其溫度達(dá)到5000萬攝氏度，壓力達(dá)到1500億大氣壓。
理想很豐滿，但現(xiàn)實很骨感?；贗TER和NIF的核聚變工作已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)十年，一批新的研究人員正在尋求不同的策略――讓核聚變反應(yīng)器變小。
今年，美國國防部高級研究計劃局在9個小型項目上投資了3000萬美元，旨在通過名為“低成本等離子體加熱和集成”（ALPHA）的項目，建設(shè)可負(fù)擔(dān)得起的核反應(yīng)設(shè)備。一個比較典型的項目是加利福尼亞州次慣性核聚變技術(shù)公司的塔斯廷執(zhí)行的，該項目設(shè)計路線是用電流“捏合”等離子體，直到壓縮至產(chǎn)生核聚變。
這一方法不是沒有先例，1958年洛斯阿拉莫斯國家實驗室曾用這種“捏合”技術(shù)實現(xiàn)了第一次可持續(xù)的核聚變反應(yīng)。
這一方法不是沒有先例，1958年洛斯阿拉莫斯國家實驗室曾用這種“捏合”技術(shù)實現(xiàn)了第一次可持續(xù)的核聚變反應(yīng)。
隸屬ALPHA項目的其他公司也正在尋找可替代的核聚變方案。不列顛哥倫比亞省的通用核聚變公司已經(jīng)建成了一個設(shè)備，能夠用激波穿透液態(tài)金屬進(jìn)而引發(fā)聚變反應(yīng)。“3阿爾法能源公司”正在建設(shè)一種帶電粒子束核反應(yīng)堆，能夠一個接一個點燃帶電粒子。
美國國防工業(yè)巨頭洛克希德·馬丁公司則宣稱，其正致力于建造一種磁約束核反應(yīng)堆，用一輛卡車就可以運走，希望在10年內(nèi)實現(xiàn)商用。
追求核聚變的坎坷歷史表明，這些小項目都應(yīng)該受到質(zhì)疑。但是，不論哪一個方式，只要能夠成功輸送清潔無限量的核聚變能源，都將解決從能源匱乏到氣候變化的系列問題。
殺死轉(zhuǎn)基因開關(guān)：阻斷DNA逃逸的閘門
轉(zhuǎn)基因埃希氏大腸桿菌無處不在，醫(yī)用胰島素、塑料高分子聚合物以及食品添加劑等都有它的蹤影，它還可以成為工業(yè)廢料或者改變化肥的用途。這些安排目前幾乎沒什么風(fēng)險，因為在轉(zhuǎn)基因模式下該菌群對于環(huán)境的適應(yīng)能力較弱，不能在實驗室外長期生存。但是，經(jīng)過編輯漏洞缺陷的菌群可能會對本來平衡的生態(tài)系統(tǒng)造成影響，例如抗生素產(chǎn)生耐藥性等。
2009年，美國加州大學(xué)生物工程學(xué)家布里安·凱利安多開始致力于研究一種確?；蛐薷纳锏木庉婦NA在逃逸或者被盜之前被摧毀的技術(shù)。近年來，他正在借助基因編輯工具CRISPR，剪除并摧毀入侵病毒中的DNA。他還意識到，可以用該技術(shù)內(nèi)置一個殺死轉(zhuǎn)基因細(xì)菌的開關(guān)。
現(xiàn)工作于麻省理工學(xué)院技術(shù)研究院的凱利安多發(fā)明了DNAi，這是一種基于CRISPR的系統(tǒng)，能夠迫使細(xì)菌剪除自行修改過的DNA。利用CRISPR，凱利安多成功將經(jīng)過編輯形成了殺死開關(guān)的酶插入到轉(zhuǎn)基因大腸桿菌中。相關(guān)研究發(fā)表在《自然·通訊》上。
輻射冷卻材料：未來地球建筑的防熱外衣
空調(diào)耗能占到了美國建筑物能源消耗的15%左右；創(chuàng)紀(jì)錄的高溫日數(shù)還會在未來幾十年繼續(xù)上升。這兩個事實指向一個難題：在逐漸變暖的世界，我們?nèi)绾卧跍p少能源消耗的同時還能冷卻工作和生活環(huán)境？
美國斯坦福大學(xué)的研究人員認(rèn)為，部分解決方案是讓吸熱建筑材料能吸收陽光并將熱能發(fā)散到外層空間。這一輻射冷卻概念起源于上世紀(jì)80年代，工程師發(fā)現(xiàn)擁有金屬涂層的材料可以從建筑物上吸熱，并暢通無阻地將熱量輻射至地球大氣層外。
但輻射冷卻從來沒有真正應(yīng)用過，沒有人能制造出這樣一種材料。為了解決這個問題，斯坦福大學(xué)研究團(tuán)隊創(chuàng)建了一種非常有效的“鏡面”。這種材料由二氧化鉿和二氧化硅以及一層銀、鈦和硅構(gòu)成的基層組成，能夠反射97%的太陽光。二氧化硅原子表現(xiàn)得像個小天線，在帆板一側(cè)吸收空氣中的熱，另一側(cè)則釋放出熱量。這種材料的輻射波長在8納米到13納米之間。對這些波長來說，地球大氣層簡直就是透明的，所以熱量可以耗散到太空中，而非加熱建筑物周圍的空氣。即使陽光直射，直徑20厘米的硅片冷卻器也能將溫度降低到比周圍空氣低5攝氏度。
范珊輝（音譯）是斯坦福大學(xué)的電氣工程師，他想用這種材料覆蓋建筑物的屋頂，這樣可以讓建筑空調(diào)系統(tǒng)稍作休整，同時又減少了能源消耗。
范珊輝認(rèn)為：“利用太陽這個巨大熱源，并將地球看做宇宙中巨大散熱器的想法非常有趣，而這只是探索可再生能源的開始。”
機器自學(xué)：高級智能快速發(fā)展的助力
谷歌、臉書等公司正在推進(jìn)能讓機器自學(xué)的技術(shù)，這很大程度上依賴于一種名為深度學(xué)習(xí)技術(shù)的進(jìn)步。
源于幾十年之久的舊觀念――計算機如果能像人腦那樣操作包含了多層電腦程序單元人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的話，它將更加聰明。傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間的區(qū)別在于，后者有更多的層次。網(wǎng)絡(luò)越深，層次越多，學(xué)習(xí)和操作的事物就越抽象。
深度學(xué)習(xí)技術(shù)研究領(lǐng)域在本世紀(jì)初有3個代表人物――多倫多大學(xué)的杰弗里·辛頓、蒙特利爾大學(xué)的·碩·本杰奧以及紐約大學(xué)的閆樂存（音譯）。而直到最近，這一技術(shù)才開始商業(yè)化之路。
最典型的代表是今年5月才面世的谷歌照片APP。這款軟件能夠從你的iPhone上下載所有的圖片，正確識別你的妻子、兒子和孫子等不同家人，然后分別放入不同的電子文件夾中并做好標(biāo)記。
它之所以如此“聰明”，是因為它已經(jīng)從數(shù)百萬張照片中學(xué)會了如何識別臉孔。當(dāng)通過每個網(wǎng)絡(luò)層次掃描一張圖片的時候，軟件會以更抽象的水平識別圖片中的元素，直到最終能夠指認(rèn)圖片中的整張臉孔。一旦經(jīng)過足夠的訓(xùn)練，看過足夠多的臉孔，它就能成功定位從未見過的人的鼻子和嘴巴。
深度學(xué)習(xí)能夠做的當(dāng)然不僅是識別圖片的工作。實際上，通向人工智能之路的標(biāo)志性一步，就是展示其區(qū)別于人類掌控者的智能行為。今年2月，倫敦一家被谷歌以6.17億美元收購的公司DeepMind的人工智能專家宣稱，已經(jīng)利用深度學(xué)習(xí)生產(chǎn)了一個能夠自學(xué)玩很多視頻游戲的計算機。實踐證明，這款軟件能夠在游戲進(jìn)行到一半的時候，就擊敗多數(shù)專業(yè)玩家。
紅外光譜+計算機模擬：捕捉化學(xué)反應(yīng)慢動作的攝像機
在細(xì)胞液內(nèi)，氫鍵能維系分子DNA基本配對形式。很多藥物就是在溶劑中合成的。然而，化學(xué)家一般只能在氣態(tài)階段研究化學(xué)反應(yīng)的綁定機制，因為在這種狀態(tài)下的分子相對稀疏，容易追蹤。
在液體中，分子數(shù)量更多，碰撞也更頻繁，所以化學(xué)反應(yīng)發(fā)生得也更快且更復(fù)雜。如果想看清這個過程，需要幾百億分之一秒的快照才能實現(xiàn)。
英國布里斯托爾大學(xué)的化學(xué)家安德魯·尤文利用激光來研究化學(xué)反應(yīng)。他知道，可以用紅外光譜觀察到液體催化熱反應(yīng)中的振動。在2012年到2014年進(jìn)行的實驗中，他將超快紫外激光束打在乙腈溶劑中的氘氟化分子上，激光束如同手術(shù)刀一樣，雕刻出了高活性的氟原子，反過來從溶劑分子中“偷”走了氘原子，形成了氟化氘。
觀察使用的是一種標(biāo)準(zhǔn)的被稱作紅外光譜的技術(shù)，揭示了原子之間如何綁定以及反應(yīng)達(dá)到平衡有多快。這個實驗觀察到了液體中反應(yīng)的皮秒級細(xì)節(jié)。大多數(shù)化學(xué)家希望使用計算機模擬替代昂貴的激光和探測器來觀測化學(xué)反應(yīng)。尤文等編寫了模擬軟件，能夠非常精確地預(yù)測光譜實驗的結(jié)果。
“我們能用這些模擬來深入探討究竟發(fā)生了什么。”尤文說，“因為模擬會提供比實驗更精確的信息。”
實驗和模擬信息結(jié)合，能提供迄今為止最佳的液體中真實化學(xué)反應(yīng)的信息。研究人員已經(jīng)開始將這種方法納入到計算機模擬產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中，讓疾病研究、藥物開發(fā)和生態(tài)研究人員大受裨益。
彈跳光子記錄儀：可看到隱秘角落的照相機
如果照相機能看到角落另一邊，就能警告司機在危險處停下、幫助消防員搜尋燃燒的建筑物，以及讓外科醫(yī)生看到身體內(nèi)部難以直視的區(qū)域。
幾年前，麻省理工學(xué)院媒體實驗室的研究人員就在探討，如何創(chuàng)造這樣一個照相機。它的原型非常昂貴。這個設(shè)備利用激光束來發(fā)射光線，光線從墻壁或者地板彈跳到另一個房間的物體上。一個價值50萬美元的照相機能記錄彈射回來的光線，軟件記錄了單獨光子到達(dá)時間、計算距離并重新構(gòu)建看不見的物體。
此后，該團(tuán)隊一直在盡力改進(jìn)這個技術(shù)。現(xiàn)在，他們已經(jīng)能夠記錄移動物體的反射光線，而在價格上，便宜的LED燈和價值僅100美元的微軟傳感器就可以達(dá)到同樣的效果。
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