其他

放眼10大科技創意

從量子電腦、建立永續社區到人體細胞圖譜計畫,Scientific American與世界經濟論壇合作,評選出最具創意與雄心的10項新科技,即將改變我們的生活。

撰文/Scientific American

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放眼10大科技創意

從量子電腦、建立永續社區到人體細胞圖譜計畫,Scientific American與世界經濟論壇合作,評選出最具創意與雄心的10項新科技,即將改變我們的生活。

撰文/Scientific American


如果不需經由電力網供應大量電力,就能從沙漠的空氣中汲取水;如果不需動手術就能對疑似癌變的組織進行檢查,甚至不必久候就能得知結果,會是什麼樣的新局面?未來幾年內,實現這些夢想的技術將變得普及。Scientific American這次與世界經濟論壇專家網絡(World Economic Forum's Expert Network)共同策劃特別報導,評選出10項這樣的最新科技。


為了評選出這些最新科技,我們號召世界知名科技專家組成評選委員會,由他們提供建議並廣納各方建言,包括世界經濟論壇的全球未來委員會(Global Future Councils)與專家網絡、Scientific American編輯顧問,以及其他關注最新科研發展的產官學界人士。然後,委員會進一步聚焦於那些尚未普及但持續有資金投入、或有跡象顯示即將邁向實用階段的技術。這些入選技術必須能顯著改善社會和經濟,並且足以撼動傳統社會規範。


─迪克里斯汀納(Mariette DiChristina)、邁爾森(Bernard S. Meyerson)


-重點提要-

■針對疾病的預防和治療,能造福公共衛生和個人化醫療的未來技術包括:更先進的組織取樣檢查技術、基因疫苗,以及大規模的人體細胞圖譜。

■由於以太陽能汲取水、以人工光合作用生產可再生燃料等技術的進展,人們更有機會以永續方式供應不斷增長的人口所需的資源。即時回饋技術有助精準農業發展,可成為有效餵養暴增人口的辦法。

■綠色科技唾手可得:從一棟住宅拓展到零碳排放街區;氫燃料電池的新技術可望讓零碳排放汽車更便宜。

■電腦視覺科技和量子計算的進步,將使機器比人類更善於解讀資訊並解決複雜問題。


【公共衛生】缺水太陽能有解

科學家以太陽能做為動力並採用特殊吸水材料,解決飲用水缺乏的問題。

撰文╱納爾遜(Donna J. Nelson)、卡爾貝克(Jeffrey Carbeck)


全球有數十億人每年至少數個月、甚至終年缺乏乾淨飲用水,或必須遠道取水。若能直接從空氣中汲取水份,對這些人來說將是一大福音。但現有技術通常必須在濕度高的氣候下才能運作,而且需要大量電力,代價不斐且常無用武之地。這個問題現在可望解決:功臣是研發中的強大太陽能動力系統,這類系統可以持續擴充,甚至在乾旱地區運作;全世界有1/3人口住在乾旱地區,往往生活貧困。


目前用來吸附大氣水份的材料(例如加濕器中的沸石)多半都有缺點,像是濕度要夠高才能運作,而且必須耗費能量加熱以釋出吸收的水份。美國麻省理工學院(MIT)和加州大學柏克萊分校組成的研究團隊,已測試一項不需要電力的做法,希望能克服上述問題。


研究人員以稱為金屬有機骨架(metal-organic framework, MOF)的多孔晶體來設計系統,這種晶體是加州大學柏克萊分校化學家亞吉(Omar M. Yaghi)的團隊在幾年前開發出的材料。每種MOF的化學性質由其金屬和有機物的特定結構決定,科學家可依需求選擇合適的組合。MOF用途多樣,但最大的優點是孔隙極大:晶體內部表面積幾乎是多孔沸石的10倍;也就是說,一公克的MOF晶體大小約為一塊方糖,內部表面積卻如同一座足球場。


2017年4月,亞吉的團隊和MIT機械工程師王寧怡(Evelyn Wang)發表了一款原型設備,使用稱為MOF-801或反丁烯二酸鋯(zirconium fumarate)的高親水性材料。這種材料可把空氣中的水份吸入巨大孔隙中,並利用陽光的低能量便輕易把水份送進收集器。這種設備只需使用一公斤MOF,就能在相對溼度只有20%、類似沙漠的環境下,每天吸水2.8公升(亞吉表示,每人一天至少要喝355毫升的水,相當於一瓶罐裝飲料);此外該設備也不需其他能量。研究人員認為系統還有更多改進空間,包括試驗不同成份以降低MOF的成本(目前每公斤鋯為150美元)、增加每單位材料吸水量,以及讓科學家為不同微氣候量身訂製MOF。


位於美國亞歷桑那州斯科次達市的新創公司「零質量水」(Zero Mass Water)採取另一種策略,他們開始販售一種不需連接電力網或既有供水系統的太陽能動力系統。該系統以太陽能電池板供應能量,驅動空氣通過專利吸水材料,把汲取的水份冷凝成液體;沒有陽光時,則改由一組小型鋰電池來供電。該公司表示,一個太陽能電池板單元每天能產出2~5公升水,貯存在30公升的儲水槽,並添加鈣和鎂以兼顧口感及健康。


該系統由零質量水創辦人、亞利桑那州立大學的材料科學家福瑞森(Cody Friesen)開發,目標是使該系統在任何地方都能永續且方便運作。一組配備一個太陽能電池板的系統在美國售價約3700美元,定價中10%做為資金,用於降低在缺乏水資源基礎設施的地區安裝的費用。福瑞森指出,這類系統能減少美國人對瓶裝水的需求,也能供水給缺乏乾淨飲用水的學校,使孩子「能夠去上學而不會生病」。


福瑞森說,過去一年他們在美國西南部及墨西哥、約旦和阿拉伯聯合大公國等國裝設了這種系統;最近則在美國國際開發署資助下,把太陽能組件送往黎巴嫩,為敘利亞難民提供飲水。福瑞森補充道,大多數人想到太陽能,「多半只想到電力,但未來人們會想到豐沛的水資源。」(林慧珍 譯)


【能源】人造葉片生產燃料

科學家模仿光合作用,打造把二氧化碳轉換為燃料的科技。

撰文/馬蒂內茲(Javier Garcia Martinez)


人造葉片的想法意義重大。天然的葉片能運用太陽能把二氧化碳轉換為碳水化合物,供植物細胞活動使用。數十年來,科學家一直想設計出類似光合作用的過程,製造可儲備的燃料。該技術能解決太陽能和風力發電的一項主要挑戰,也就是在沒有陽光和風時儲備能源。


許多研究人員花費數年開發人造光合作用裝置:藉由光催化劑分解水分子以產生氫和氧元素,供廣泛的永續科技使用。在天然的光合作用中,氫會參與把二氧化碳轉換成碳氫化合物的還原反應。這套系統就和真正的葉片一樣,以二氧化碳、水和陽光就能製造出燃料。


這將是革命性的成就,研究人員創造出一個封閉系統,可以把燃燒釋出的二氧化碳又轉化回燃料,而不會增加大氣中的溫室氣體。


許多位科學家正朝著這個目標努力。近年一個團隊已證實,可把水的分解以及二氧化碳轉化成燃料這兩個過程,高效率整合在一個系統。2016年6月,美國哈佛大學的諾塞拉(Daniel G. Nocera)和席佛(Pamela A. Silver)等人在《科學》期刊發表了能製造出液態燃料(特別是雜醇油)的方法,效率遠勝於把二氧化碳轉換成碳氫化合物的天然葉片。植物僅能把接收到的陽光1%的能量轉化為葡萄糖,而人造葉片把二氧化碳轉換成燃料的能量使用效率大約為10%,相當於轉換180公克二氧化碳來產生一度(千瓦小時)的電力。


科學家把無機的、利用太陽能的水分解技術(僅使用生物相容性材料,避免製造出有毒化合物)與經基因改造可生產燃料的微生物整合在一個容器。值得一提的是,這些執行特殊代謝功能的細菌,即使在二氧化碳濃度較低的環境,仍可產生各種燃料及化學物質。


這套方法已準備擴大規模,使用便宜且容易取得的金屬做為催化劑,但研究人員仍需大幅增加燃料的產量。諾塞拉表示,他們團隊正努力製作原型產品,也與幾家公司討論合作生產。


諾塞拉對這項基礎技術有更大的願景:除了以永續方式生產富含氫和碳的燃料,他也證實,若搭配採取不同代謝方式的細菌,便可製造出適合土壤的氮基肥料,有助於不易取得傳統肥料的地區提高作物產量。


該系統中的細菌能使用氫和二氧化碳來生成生物塑膠,做為燃料來源。一旦微生物擁有足夠的塑膠,就不需要以日照供應能量,整套系統便可埋入土壤。細菌從空氣中汲取氮之後,會利用塑膠中的能量和氫氣製造肥料。若蘿蔔在含有這類微生物的土壤中生長,重量會比使用化學肥料多出一半。


諾塞拉承認,他進行肥料生產測試,一開始只是想看看這個點子是否可行。然而,他也預期有一天細菌會「呼出從水分解出的氫」,並採取不同代謝方式吸入,利用這些氫製造出燃料、肥料、塑膠和藥物。(宋宜真 譯)


【資訊科學】強化電腦影像辨識


【農業科技】精準農業


【生物科技】人體細胞圖譜


【醫學】從血液偵測腫瘤


【汽車工業】氫燃料汽車大眾化


【生物科技】基因疫苗

傳統預防傳染病的疫苗主要由滅活或減活的病原體或這些微生物的蛋白質構成,作用原理是教導免疫系統識別病原體表面的特定蛋白質片段(稱為抗原)。當免疫系統準備好,下次遇到這些外來抗原時便可殲滅。癌症疫苗也仰賴蛋白質,醫生向患者施予能強化免疫反應的蛋白質,這些蛋白質可能包含免疫系統自身的導彈:抗體。


相較之下,一種由遺傳物質構成的新型疫苗,即將在醫藥領域取得重大進展。基因疫苗有許多優點,包括在病毒(例如茲卡或伊波拉)突然變得更致命或蔓延更廣時能更快產生抗體。這類疫苗研製已數十年,有幾十種進入臨床試驗。基因疫苗採用帶有目標蛋白質編碼的DNA或RNA,注射進入人體後傳遞至細胞,然後生成這些特定的蛋白質。


相較於利用細胞培養或雞蛋來生產疫苗,製造遺傳物質較簡單且成本較低。此外,同一株疫苗還能包含多種蛋白質的編碼序列,一旦病原突變或需增加某些特性時也能輕易改變。例如,公衛專家每年都必須修改流感疫苗,但有時他們選擇的病毒株與流感季節時流行的並不相符。未來,研究人員可針對流行中的流感菌株進行基因組定序,在短短幾星期內製造出更適合的疫苗。基因疫苗傳遞的是抗體而非抗原,因而改變了以往被動免疫轉移的疫苗接種方法。科學家現在可以識別對某種病原體具有抗性的人,分離出其體內提供保護作用的抗體,並據此設計一段基因序列,用來引導人體細胞產生抗體。


美國政府、學界和許多企業都積極開發基因疫苗相關技術,並針對禽流感、伊波拉病毒、C型肝炎、愛滋病毒以及乳癌、肺癌、前列腺癌、胰臟癌等癌症進行臨床試驗,測試疫苗安全性和免疫抗原性。目前至少有一項試驗正在研究療效:美國國家衛生研究院(NIH)已開始進行一種多位點臨床試驗,希望了解DNA疫苗是否可以防治茲卡病毒。


同時,研究人員正在改良技術,例如尋求更有效把基因送進細胞內的方式,以及增進疫苗的熱穩定性。口服疫苗在缺少醫護人員時相當實用,但是短時間內似乎難以問世。鼻腔投藥則是另一選項,相關研究正在進行。研究人員相當樂觀,認為這些障礙終將解決。


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