其他

10大未來科技近在眼前

Scientific American與世界經濟論壇合作,評選出10項正在改變現狀的創新技術。

撰文/Scientific American、繪圖/布蘭奇(Vanessa Branchi)
2020-01

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10大未來科技近在眼前

Scientific American與世界經濟論壇合作,評選出10項正在改變現狀的創新技術。

撰文/Scientific American、繪圖/布蘭奇(Vanessa Branchi)
2020-01


有朝一日,新聞報導中介紹的虛擬遠距溝通將成真,讓你真切感受網友的握手及擁抱。其他即將可以應用的科技還有:與人互動的仿真機器人及機器寵物,在數秒內找出食物中毒源頭的系統,可應用於小型攝影機的微型鏡頭,植物廢料所製成、堅固的生物可分解塑膠,以DNA為基礎、可靠的巨量資料儲存系統等。


Scientific American與世界經濟論壇(World Economic Forum)共同號召頂尖的科技專家組成國際評選委員會,經過激烈的遴選過程,選出2019年10大未來科技。評選委員會徵詢全球其他專家的提名後,依據以下標準評比數十個提案:專家推薦的科技是否具有潛力,能為社會和經濟帶來重大利益?能否改變目前的生活方式?是否在開發初期階段,就已引起實驗室、企業或投資者的高度興趣?能否在未來幾年獲得重大進展?評選委員會也根據需求搜尋更多資訊,經過四次遠距會議確定入選名單。我們希望你喜歡這個結果,也歡迎你不吝回應。
──迪克里斯汀納(Mariette DiChristina)、邁爾森(Bernard S. Meyerson)


1.環境 生質塑膠的循環經濟
利用先進的溶劑及酵素把廢木材轉化為更好的生物可分解塑膠。
撰文/馬蒂內茲(Javier Garcia Martinez)


人類的文明建立在塑膠上,根據世界經濟論壇的資料,光是2014年的塑膠產量就高達3億1100萬公噸,到2050年,預計將增加為三倍。但是,只有不到15%的塑膠製品能回收,其餘多數被焚化、掩埋或丟棄於環境中,由於無法被微生物分解,因此會持續存在數百年。積累在海洋裡的塑膠碎片會引發各種問題,包括野生動物因誤食而死亡、釋出有毒化合物,甚至透過受污染的魚肉進入人體。


生物可分解的塑膠能緩解這些問題,讓源自生物質的塑膠轉化回生物質,達成「循環」塑膠經濟的目標。可生物分解塑膠如同從石化製品做成的標準塑膠一樣,是由聚合物(長鏈分子)組成,這些聚合物在流動狀態下能模製成各種型式。但是目前能選用的材料(主要是來自玉米、甘蔗或廢油)通常缺乏標準塑膠的機械強度和視覺特性。最近,用纖維素或木質素(植物中的乾物質)生產塑膠的技術已有突破,可望克服這些缺點,其優點除了對環境友善之外,纖維素和木質素可取自於原本毫無用處的非食用性植物:不適農耕的畸零地上所長的植物(例如蘆竹)或廢木材、農業副產品。


纖維素是地球上最豐富的有機聚合物,為植物細胞壁的主要成份;木質素是細胞壁之間的填充物,提供足夠的強度及硬度。使用這些物質製造塑膠之前,必須先把它們分解為「單體」(monomer),也就是基本構造單元。研究人員最近找到能分解這兩種物質的方法:分解木質素的難度特別高,因為木質素的單體是由芳香環組成,這種化學結構讓某些標準塑膠具備機械強度及其他功能;能溶解木質素的溶劑相當有限,但是研究人員發現,某些對環境友善的離子液體能從木材及木本植物中分離出木質素,基因工程酵素(作用類似於真菌及細菌分解?)再把溶解的木質素分解成基本構造單元。


一些新創公司使用這些成果研發新產品:英國倫敦帝國學院(Imperial College London)下設的公司Chrysalix Technologies開發一種製程,運用低成本離子液體把纖維素和木質素從初始原料中分離出來;芬蘭生技公司MetGen Oy生產多種基因工程酵素,把不同來源的木質素分解為各種成份,以供多種用途之需。美國的Mobius(前身為Grow Bioplastics)正在開發以木質素製成的塑膠顆粒,用於製作生物可分解花盆、農用覆蓋物等產品。


在新塑膠材料普及應用之前,還必須克服許多障礙:一是成本,二是盡可能減少製程所需的土地及水(雖然木質素完全取自於廢物,仍需要水才能轉化為塑膠)。如同所有重大挑戰一樣,這些解決方案需要多重配套措施,包括法規制定、社會大眾願意改變使用及處置塑膠的方式。儘管如此,用於製造生物可分解塑膠的新興技術提供了完美的範例,說明綠色溶劑及更有效的生物催化劑有助於催生重大產業的循環經濟。(林慧珍 譯)


2.工程 機器人能社交
社交機器人即將成為人類的朋友和助理。
撰文/拉森(Corinna E. Lathan)、林恩(Geoffrey Ling)


3.工程 輕薄短小微鏡片
超穎透鏡極為輕薄,可以取代厚重的玻璃光學元件。
撰文/莫斯卡蒂里(Alberto Moscatelli)


4.醫學 無序蛋白成為藥物靶標
治療癌症及其他疾病將有新方向。
撰文/歐戴(Elizabeth O’Day)


5.農業科技 智能肥料減緩污染
肥料的新配方能依實際需求提供作物養份。
撰文/卡爾貝克(Jeff Carbeck)


人類必須提高作物產量,才能養活不斷增加的人口。施放更多肥料可能有助於增加產量,但是常規做法效率不彰,也時常造成環境傷害。所幸,對生態更友善的控釋型肥料已經上市,而且越來越聰明。


一般的施肥方式有兩種:一是對田地噴灑氨、尿素或其他與水作用後能產生氮營養素的物質;另一是使用鉀鹽或其他礦物質顆粒來提供磷,這些肥料同樣會與水作用。但是這些養份能真正被植物吸收利用的比例相當低,過剩的氮反而會進入大氣成為溫室氣體,而磷最後流入水域,使藻類及其他生物過度增生。相較之下,控釋型肥料配方能確保更多養份被作物利用,施用較少肥料就能獲得較高產量。


控釋型肥料已經上市一段時間,這類配方通常由微膠囊組成,填裝含有氮、磷及其他營養素。膠囊能減緩水進入而釋出內含物養份的速度,也減慢了最終產物從膠囊逸出的速度。如此一來,養份能逐漸被作物吸收,而不會因為瞬間大量釋出而白白浪費。新的配方加入了一些成份,能阻礙初始物質(例如尿素)轉化為營養素的成份,進一步減緩養份釋出。


新開發的肥料更符合「控釋」的理想,精密材料及製造技術能精細調控膠囊外殼,隨著土壤溫度、酸度或濕度的變化,依照所需來改變養份釋出速度。製造商可以依照特定作物或生長環境所需,組合不同類型的微調膠囊,客製化不同特性的肥料,以色列的海法集團及以色列特種肥料公司都已製造出能更精準調控的配方,隨著溫度升高,農作物的生長速度及養份排出量也跟著增加。海法公司可以依溫度改變釋出養份的速度 。


控釋技術固然能提高肥料效率,卻不能消除施用肥料造成的所有問題,這些產品仍然含有氨、尿素和鉀肥,生產過程消耗大量能源,也產生造成氣候變遷的溫室氣體。不過使用對環境更友善的氮素來源、加入微生物來提高植物的氮、磷吸收效率,能減緩其影響。目前沒有證據顯示,膠囊外殼的材料會損害環境,但是只要大量引入任何新物質,都必須監控這種風險。


控釋型肥料是精準農業的一環,這種永續農業做法結合資料分析、人工智慧及各種感測系統,測定作物在特定時間需要的肥料及水量,使用自動化農具精準控制施放的份量和位置,以提高作物產量並把過度釋出養份的問題減至最低。然而,裝設精密系統所費不貲,且只適用於大規模施作;相較之下,先進的控釋型肥料相對便宜,可望成為第一線技術,幫助農民永續經營並提高作物產量。(林慧珍 譯)


6.資訊科學 如臨現場的遠距溝通
協同遙現技術將改變虛擬聚會。
撰文/拉森(Corinna E. Lathan)、梅納(Andrew Maynard)


7.公共衛生 食品安全再升級
區塊鏈技術及食品感測器聯手促進食品安全。
撰文/詹德拉瓦地(Rona Chandrawati)、邁爾森(Bernard S. Meyerson)


世界衛生組織(WHO)的資料顯示,每年約有六億人發生食物中毒,42萬人因此死亡。食物中毒事件爆發後,調查人員可能要耗費數天甚至數星期追蹤污染源,此外考量到可能有更多人受到波及,大量未受污染的食物也必須與遭污染的食物一併銷毀。從農場到餐桌的運送途徑相當複雜,運送記錄往往個別保存在當地系統,並不互通,因此尋找污染源曠日廢時。


結合兩種技術可能減少食物中毒及浪費。首先,以創新方式應用區塊鏈(該技術較為人知的應用是管理虛擬貨幣)解決追溯不易的問題;同時,以創新的食品包裝技術來確保食品儲藏在適當溫度、辨識食物是否變質。


區塊鏈是去中心化的會計系統,各項帳目依序記錄在多個完全相同的「帳本」,儲存於各處的電腦主機。因為有這些額外副本,就算任一帳本遭到竄改也無須擔心,成為受到高度信任的交易記錄。IBM Food Trust是以區塊鏈技術為食品業開發的基礎雲端平台,目前已有一些大型食品銷售商採用(作者邁爾森正在和IBM合作)。


IBM Food Trust把耕種者、經銷商及零售商整合在共同的區塊鏈上,藉此為特定食品建立可信賴的通路記錄,串接最前端到最末端的所有過程。在一項使用該技術的測試當中,美國零售商沃爾瑪在短短幾秒內就追蹤到「受污染」食品的來源;如果混用書面記錄及數字記錄的常規方式進行追蹤,則需要好幾天。使用區塊鏈技術之後,零售商及餐廳可以立即下架受污染食品,只銷毀同一來源(例如某一蘿蔓萵苣農場)的庫存,不需丟棄該品項的所有庫存。許多食品商業巨頭都已加入IBM Food Trust,包括沃爾瑪、家樂福、山姆超市、艾爾伯森公司、史密斯菲爾德食品公司、牛肉鏈公司、ShopRite的母公司維克芬食品公司以及零售食品集團Topco,其他組織也開始引入區塊鏈技術,讓追溯源頭變得更容易。


為了從源頭防範食物中毒,一些實驗室及企業正在開發小型感測器,監測托盤上、箱子裡或單獨包裝的食品品質。例如英國的Timestrip和瑞典的威薩國際公司各自開發感測標籤,當食品儲放環境的溫度高過建議溫度時,標籤會變色;Insignia科技公司開始販賣一種感測器,包裝打開後會緩慢變色,能指示該丟棄此食品的時機(如果食物沒有儲放在適當的溫度下,感測器的變色速度會更快),尚在開發的產品還有能夠顯示食物腐敗氣體副產物的感測器,這類感測器除了防範食物中毒之外,也可以確保食物安全以減少浪費。


成本過高是感測器無法普及的一大障礙,儘管如此,食品產業仍須確保食品安全並減少浪費,這些需求推動著感測器及區塊鏈技術的發展。(林慧珍 譯)


8.能源 新型核反應器更安全
更具適應性的燃料和創新的核反應器,使核能重返市場。
撰文/菲謝蒂(Mark Fischetti)


9.生物科技 DNA儲存技術
用生命儲存資訊的系統可以處理超大量資訊。
撰文/李相燁(Sang Yup Lee)


10.能源 儲能技術新選項
鋰離子電池技術成熟,將突破永續能源的困境。
撰文/湯普森(Andrea Thompson)