其他

聚焦10大新興科技

認識近年的科技創新和挑戰,思考如何發揮最大效益。

撰文/新興科技評選委員會、繪圖/布蘭奇(Vanessa Branchi)

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聚焦10大新興科技

認識近年的科技創新和挑戰,思考如何發揮最大效益。

撰文/新興科技評選委員會、繪圖/布蘭奇(Vanessa Branchi)


科技會如何改變人類未來的生活?人工智慧將大幅加速創新藥物和材料的開發;先進診斷工具使醫學趨向個人化;擴增實境處處可見,為真實世界添加資訊及動畫,協助我們處理日常工作,也提高產業界的效率;如果人們生病,醫師可把製造藥物的活細胞植入體內,直接治療疾病;我們將吃下由幹細胞培養的牛肉、雞肉和魚肉,大幅降低家畜飼養對環境的衝擊,讓無數動物免於不人道的對待方式。


這些改變世界的創新概念,由生物學、無機化學、機器人、人工智慧等領域的專家學者,經過密集的討論而選出這「10大新興科技」。


我們首先博采眾議,商請世界經濟論壇全球未來委員會(Global Future Councils)和專家網絡(Expert Network)的創新專家、Scientific American顧問與編輯群及其他相關人士提供建議。接著召開一連串線上會議,由評選委員會評估候選科技是否具備以下特質:能在未來三至五年帶來社會和經濟助益;具備開創性,能改變產業界或既定工作方法;處於萌芽階段,尚未普及但有多個團隊正在研究,讓專家們既興奮又期待,投入的資金正在增加,最好已有多家企業著手開發。評選委員會第一次開會時,推薦名單超過50項,彙整進一步資訊後篩選出20項,最後討論兩回合,再蒐集更多資料後,選出這10大新興科技。


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


●【資訊科學】擴增實境無所不在

虛擬影像融入現實,使世界變得更多采多姿。
撰文/拉森(Corinna E. Lathan)、梅納(Andrew Maynard)


虛擬實境(VR)讓我們進入虛構的孤立空間;相對地,擴增實境(AR)把電腦產生的資訊即時投影到真實世界。當我們看著智慧型手機、平板電腦,或是頭戴顯示器或智慧眼鏡,配備AR軟體和攝影機的裝置可分析輸入影像,讀取眼前畫面的大量資訊,以3D方式把相關資料、影像或動畫,疊加到現實場景中。


協助我們安全倒車的顯示器、廣受喜愛的手機遊戲「精靈寶可夢GO」,都是AR的實例。現在已有許多消費性應用程式具備AR功能,可協助外國遊客翻譯路標、讓學生解剖虛擬青蛙、讓客戶把虛擬的椅子放在自家客廳裡看看是否合適;未來,AR技術將可提供博物館的觀眾全像投影導覽畫面、讓外科醫師看見患者皮下組織的3D影像、讓建築師和設計師以全新的方式協同工作、讓無人機操作員借助高品質的影像控制飛行器,以及讓醫學和工廠維修等各領域的新進人員快速上手。


未來幾年,簡易的應用程式設計軟體應會促成更多產品出現,供消費者選擇,但是目前AR對產業界的衝擊更大。它是第四次工業革命(工業4.0)的一部份,藉由實體和數位系統的整合,改良品質、降低成本並提高效率,為製造業帶來系統化的轉變。舉例來說,許多公司已在生產線上測試AR。AR可在需要時提供正確資料(例如工人應該選擇哪個零件)進而減少錯誤、提升效率、提高生產力。此外,AR還能具體呈現設備中的應力,以影像即時指出問題所在位置。


ABI Research、國際數據資訊有限公司(IDC)和Digi-Capital等市場分析也認為,AR即將成為主流科技──目前AR市場總值約為15億美元,預計2020年將成長到1000億美元。蘋果、Google和微軟等科技巨頭也在AR和VR產品與應用方面投入大量財力和人力資源。創投資金也開始流入,2017年約有30億美元投入AR和VR領域,第四季就佔了全年的一半。《哈佛商業評論》日前也把AR列為全面影響未來商業領域的革命性科技。


挑戰依然存在。目前硬體和通訊頻寬的雙重限制,使AR難以拓展到消費者的日常生活──舉例來說,現在許多採用AR強化使用經驗的博物館和旅遊應用程式,必須事先下載資料,而圖形品質依然不符使用者的期望。不過價格更低、速度更快的AR行動晶片即將問世,在功能更強大的智慧型眼鏡進入市場、頻寬也擴充之後,AR領域將大幅成長,未來擴增實境會如同網際網路和即時視訊,成為日常生活中不可或缺的一部份。


●【醫學】電脈衝治百病


●【化學】幹細胞長成人造肉

享用美味肉品也可以不殺生、不破壞環境。
撰文╱雪佛(G. Owen Schaefer)


如果享用鮮嫩多汁的牛肉漢堡不必殺生,那該有多好!在實驗室用幹細胞培養「人造肉」的技術,將能實現這個夢想。包括莫沙肉品(Mosa Meat)、曼菲斯肉品(Memphis Meats)、超級肉品(SuperMeat)及無鰭食品(Finless Foods)在內的幾家新創公司正在研發實驗室生產牛肉、豬肉、禽肉及海鮮的技術。已經有數百萬美元的資金投入相關領域;曼菲斯肉品在2017年募得資金1700萬美元,金主包括比爾蓋茲及知名農業公司嘉吉(Cargill)。


人造肉又稱為潔淨肉,如果人們廣泛接受,就可能讓經濟動物免於在飼養過程中受到殘忍、不人道的對待。人造肉還能降低產製肉品的龐大環境成本;資源只需用於培育細胞、維持培養系統,而不必供應整個生物體生長。


製作人造肉的第一步,是取得動物身上的肌肉樣本;接著收集肌肉組織中的幹細胞,讓幹細胞大量增生,分化成初級肌纖維,再擴增構成肌肉組織。莫沙肉品表示,只需要一個取自乳牛的組織樣本,就能製造八萬份四盎司牛肉。


不少新創公司預期,在未來幾年內就可販售人造肉產品,但要商業化還必須克服許多障礙。


成本及風味是人造肉的兩大障礙。2013年,廠商讓記者試吃實驗室培養的人造肉製成的漢堡,裡頭那塊肉餅的成本超過30萬美元,但因為脂肪太少,口感還是太乾。不過人造肉的成本逐年下降,根據曼菲斯肉品公司2018年的報告,四盎司人造碎牛肉的成本約600美元;在這個趨勢之下,人造肉的成本可望在幾年內與傳統肉類相當。至於風味問題,則能藉由留意肉質、巧妙添加其他成份來解決。


人造肉要獲得市場認可,必須證明安全無虞。人們其實並不需要擔心實驗室生產的肉會危害健康,不過美國食品及藥物管理局(FDA)現在已經開始研擬監管措施。同時,傳統肉品生產商對此相當排拒,認為實驗室製造的產品根本不是真的肉,不該標記為肉品;市場調查也顯示,大眾對人造肉興趣缺缺。儘管面臨這些挑戰,生產人造肉的公司進展仍相當驚人,一旦成功研發出價格合理且風味純正的產品,人造肉將使我們的日常飲食更符合人道及環境永續的精神。


●【資訊科學】數位助理會辯論


●【生物科技】細胞療法即將成真


●【資訊科學】AI加速分子設計


●【醫學】先進診斷讓醫療更精準

新一代診斷工具有助於個人化醫療的發展。
撰文╱歐戴(Elizabeth O’Day)、歐薩法爾(Habiba Alsafar)


20世紀大部份時間,罹患乳癌的女性全都只能接受類似的治療;後來的治療才比較個人化──醫界已把乳癌區分為不同亞型,據此訂定治療方式,例如有些女性的腫瘤具有雌性素受體,除了標準術後化療之外,也可以接受針對這些受體的藥物治療。時至今日,研究人員又向個人化治療邁進一步,他們發現具有某些特徵的腫瘤不需要化療,大部份患者因此免於化療的嚴重副作用。


診斷工具進步加速許多疾病治療的個人化進程,也就是所謂的精準醫療。這些技術能協助檢測、量化各種生物標記(標誌某種疾病存在的分子),依照患者對疾病的敏感程度、預後(prognosis)、對特定治療可能產生的反應差異,把疾病區分為不同亞群。


早期的分子診斷工具只能檢視單一分子,例如糖尿病診斷以葡萄糖做為依據。過去10年中「組學」(omics)技術有極大進展,能更快速、更可靠且更便宜地定序個體的全基因組,測量體液或組織採樣中所有蛋白質(蛋白組)、代謝副產物(代謝組)或微生物(微生物群系)含量。隨著這些技術成為醫院日常工具,龐大的資料陸續產出,能供人工智慧(AI)進行資料探勘,找出在臨床上有應用價值的新的生物標記。高通量(high-throughput)組學技術與AI的結合,正引領人類進入先進診斷的新時代,它將轉變人類對許多疾病的了解與治療,讓醫生得以根據個別患者的分子特徵,量身訂做個人化治療方案。


幾種先進的診斷技術已運用於癌症治療,其中安可待乳癌腫瘤基因檢測(Oncotype DX)能檢測21個基因,找出不需化療的乳癌患者。另一種檢測稱為全方位癌症基因分析-伴隨式診斷(FoundationOne CDx),能夠從固態腫瘤的300多個基因中偵測突變,並找出可能對某一患者有效的特定基因標靶藥物。


不只癌症,一種應用於子宮內膜異位的診斷工具前景看好。子宮內膜異位是子宮內膜細胞生長在不該生長的部位,經常使患者疼痛不已。診斷子宮內膜異位通常需要動手術;Dot-Labs開發一項新的非侵入性唾液檢測技術,能測量一組微RNA(microRNA),來檢測子宮內膜異位。還有一些研發中的血液檢測技術可用於識別大腦疾病,例如自閉症、帕金森氏症及阿茲海默症;目前診斷這些疾病都只能靠醫生對症狀的主觀評估。


研究人員甚至正在探討是否能透過對健康的人做全基因組定序、微生物群系分析,以及體內數百種蛋白質與代謝產物的濃度測量,提供預防疾病的個人化指導。


要注意的是:此類診斷工具牽涉個人隱私,醫療機構及研究人員必須嚴格執行相關保護措施,還必須制定明確的管制規範,以統一評估做為診斷工具的生物標記,讓新的生物標記更快引入醫療現場。


先進診斷技術逐步取代現行的標準疾病診治方法,引導患者採取最有效的療法,還能減少醫療照護支出。或許有朝一日,許多人將擁有個人生物標記資料雲,無論在何處就醫,都能得到有效的治療資料。


●【生物科技】基因驅動安全把關


●【材料科學】電漿子找毒素

電漿子材料可用於偵測毒素、消滅癌細胞,以及監控電池活動。
撰文/馬蒂內茲(Javier Garcia Martinez)


2007年,美國加州理工學院的艾華特(Harry A. Atwater)在〈電漿子光明之路〉這篇文章中,預測一項叫做「電漿子光學」(plasmonics)的科技將帶來高靈敏的生物探測器和隱形斗蓬等各式各樣的應用。10年後,電漿子技術已經步入商業化,其他應用也從實驗室進入市場。


電漿子技術藉由電磁場和金屬(通常是金或銀)中自由電子之間的交互作用,調控金屬的導電性和光學性質。金屬表面的自由電子受光照射後會集體振動,形成表面電漿子(surface plasmon)。金屬片較大時,自由電子反射照在金屬表面的光,使金屬發亮;但金屬只有幾奈米大時,自由電子局限在極小的空間,限制了振動頻率,此時振動頻率取決於金屬奈米粒子的大小。在共振之下,電漿子只會吸收與本身振動頻率相同的光(並反射其他頻率的光)。科學家運用表面電漿子的共振製作奈米天線、高效率太陽能電池和其他裝置。


在電漿子材料的眾多用途中,最受注目的是探測化學和生物物質。其中一種方法是,在電漿子奈米材料表面塗佈可讓目標分子(例如細菌性毒素)附著的物質──當毒素不存在,照射在電漿子材料上的光會以特定角度反射;如果毒素存在,表面電漿子的振動頻率就會改變,進而改變反射光的角度。利用電漿子效應的偵測十分精確,即使只有少量毒素也能量測。現在已有數家新創公司運用相關技術開發產品,其中之一是電池內部的感測器,供我們監控電池活動,以提高功率密度和充電率;另一種則是分辨病毒和細菌感染。電漿子材料也可用於磁碟的磁性記憶體,舉例來說,熱輔助磁記錄裝置可在寫入時短暫加熱磁碟上的小點,以擴大記憶容量。


在醫療領域,光活化奈米粒子治療癌症的技術已進入臨床試驗:把奈米粒子注入血液,集中在腫瘤內部;接著以與表面電漿子振動頻率相同的光照射腫瘤,藉由共振使粒子溫度升高,即可消滅腫瘤內的癌細胞,但不傷害周圍的健康組織。


新創公司在研發電漿子材料時,必須確定產品價格合理,品質可靠耐用,容易大量生產,且能與其他技術整合。儘管有這些挑戰,電漿子材料的前景依然相當看好。超材料(可產生特殊電漿子光學效果的奈米材料)問世,讓電漿子研究人員除了金銀以外,又有石墨烯和半導體等其他材料可以運用。未來市場洞察(Future Market Insights)的分析報告預測,2017年北美地區電漿子感測器市場總值接近2億5000萬美元,2027年將成長到4億7000萬美元。


●【資訊科學】量子電腦專用演算法