科學人雜誌
科技創新

10項創意科技走入生活

2021/04/28 Scientific American
Scientific American和專家遴選出具開創性的新興科技,將革新能源與感測產業、推動醫療進展以及落實減碳目標。


如果可以用虛擬病人進行新型冠狀病毒(簡稱新冠病毒)疫苗的測試(參見53頁〈虛擬病人〉),取代成千上萬受試者的一部份,可望加速新冠病毒疫苗開發,進而挽救許多人命。在疫苗及療法的測試上,以虛擬替身進行人體臨床試驗,即將發生。其他即將走入生活的科技還包括:利用電力驅動的飛機;直接把陽光轉化為生產化學工業製品的能源,藉此降低溫室氣體排放;藉由「空間運算」,以複雜度更勝虛擬實境的方式整合數位及實體世界;超靈敏感測器借助物質的量子性質,可用來開發穿戴式腦部掃描儀以及無視覺死角的車輛。

Scientific American與世界經濟論壇(World Economic Forum)共同召集了國際專家組成評選委員會,從超過75項候選科技中遴選出10項創意科技。這些獲得評選委員青睞的科技必須具有開創性,能改變既定工作方法來刺激社會及經濟進步,且必須新穎(即目前尚未廣泛使用)、卻可能在未來三到五年內帶來重大影響。評選委員透過線上會議逐一篩選,再仔細評估名列前茅的技術,確定入選名單。我們希望你從以下報導中獲得啟發,就如我們一樣。(林慧珍譯)


醫學

無痛微針頭
任何人都能透過微針頭自行進行生理檢測,有助於醫療服務普及。
撰文/歐戴(Elizabeth O'Day)


一種幾乎看不見的「微針頭」,開創了無痛注射與無痛驗血的新時代。無論是接上注射器還是藥物貼片,微針頭都能不碰觸神經末梢,而避免造成疼痛。微針頭通常長50~2000微米(約一張紙的厚度)、直徑1~100微米(約人類毛髮直徑),能穿透皮膚最外層死皮,到達由活細胞及組織液組成的第二層組織,即表皮;但它們多半無法觸及或頂多稍微觸及真皮層,那裡佈滿神經末梢、血液、淋巴管和結締組織。

目前已有許多微針頭注射器及貼片可應用於疫苗施打過程,針對糖尿病、癌症及神經性疼痛的治療應用正在進行臨床試驗。由於這類裝置能把藥物直接注入表皮或真皮,因此與仰賴皮膚擴散作用的傳統皮膚貼片相比,遞送藥物的效果更好。研究人員在2020年推出一種用於治療皮膚病(例如牛皮癬、疣和特定癌症)的新技術:把星形微針頭混進具有療效的霜劑或凝膠中,利用微針頭在皮膚上造成短暫、微小的穿孔,可促進藥劑穿透。

不少微針頭產品即將上市,以求快速、無痛抽取血液或組織液,用於診斷檢測或健康監測。這些微針頭造成的微小孔隙能引起表皮或真皮的局部壓力變化,促進血液或組織液流入採集裝置。若把微針頭與生物感測器連接,這些感測器可在數分鐘內直接測量各種能呈現健康或生病狀態的生物標記,例如葡萄糖、膽固醇、酒精、藥物副產物或免疫細胞。

有些產品可以讓人們在自家抽血,當下直接分析,或進一步郵寄到實驗室。目前至少已有一款產品通過法規審查,獲准使用:美國和歐洲最近批准了「第七感生物系統」公司的TAP採血裝置,讓一般人也能自行收集少量血液,用於自我監測或另送往實驗室分析。研究人員還把微針頭與無線通訊裝置加以整合,用以測量生物分子,並傳送測量結果來決定適當的藥物劑量,然後依該劑量注入人體,這種做法有助實現個人化醫療。

微針頭裝置不需昂貴設備,也不需繁雜的保存與操作,缺乏醫療資源的地區因此也能進行檢測及治療。「微米生物醫學」公司已開發出一款易於使用的微針頭裝置:一種OK繃大小的貼片,任何人都能使用。另一家名為Vaxxas的公司正在開發微針頭疫苗貼片,並在動物試驗和早期人體臨床試驗中發現,即使施用劑量遠少於一般用量,也能誘發免疫反應。微針頭還能降低經由血液傳染病毒的風險,且產生的醫療廢棄物比一般針頭來得少。

微針頭並非毫無缺點。需要施用大劑量時,微針頭就顯不足;並不是所有藥物都能通過微針頭遞送,也不是所有生物標記都能透過微針頭採樣。我們還需進行更多研究,來了解患者的年齡和體重、注射部位及藥物遞送方式等因素如何影響微針頭的效果。儘管如此,可以預期,這些無痛針頭將大幅擴展藥物遞送及檢測上的應用,且隨著研究人員發展出用於其他器官的方法,未來將出現更多新用途。(林慧珍 譯)


化學

光催化劑能減碳
借助可見光分解二氧化碳,再生成有用物質,既減碳又有經濟價值。
撰文/馬蒂內茲(Javier Garcia Martinez)


許多與健康和便利生活密切相關的化學物質,製造過程需要化石燃料,石油提煉量與二氧化碳排放量因此增加,進而加劇氣候變遷。現在,一項新技術運用陽光分解無用的二氧化碳,成為人類生活所需的化學物質;一方面以二氧化碳當成原料,另一方面,製造過程的能源來自陽光而非化石燃料,從兩方面減少了二氧化碳排放。

借助陽光觸發催化劑(photocatalyst,稱為光催化劑)技術的最新成果顯示,轉化二氧化碳的可行性越來越高。近年來,研究人員開發出新型光催化劑,可破壞二氧化碳中碳和氧之間異常強韌的雙鍵。這是「太陽能精煉廠」運轉最重要的第一步,跨出之後就能以二氧化碳製造有用的化合物,進而製造出可用於包括合成藥物、清潔劑、肥料和紡織品生產的原料。

光催化劑通常是半導體,需要高能紫外光參與化學反應產生電子,再用於分解二氧化碳。但是紫外光僅佔陽光的5%,而且對生物有害。因此,研究人員的目標是開發出在充沛又無害的可見光中能夠發揮作用的新型光催化劑。目前可達成這項目標的方法,是調整二氧化鈦(TiO2)這類現有光催化劑的成份、結構和形態。雖然這類光催化劑在紫外光照射下才能有效把二氧化碳分解成其他分子,但加入氮可大幅降低化學反應的能量門檻。現在,這類新型光催化劑只需要照射可見光,就能把二氧化碳轉化成甲醇、甲醛和甲酸等常用化學物質。這些物質在黏合劑、泡棉、夾板、櫥櫃、地板和消毒劑的生產過程中相當重要。

目前,光化學研究大多是由學術機構主導,例如美國加州理工學院和勞倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)合設的人造光合作用聯合研究中心(Joint Center for Artificial Photosynthesis)、由大學、產業界和研究機構在荷蘭共同成立的日出(Sunrise)中心,以及位於德國米爾海姆的馬克士普朗克化學能轉換研究所。有些新創公司正研究以電力帶動化學反應的方法,希望把二氧化碳轉化成有用分子。如果透過燃燒化石燃料產生電力,那麼以電力帶動化學反應顯然沒有陽光環保,使用光電能便可克服這個缺點。

未來幾年,新創或其他公司必定會進一步開發以陽光轉化二氧化碳、再生產成化學物質的技術,並且把技術轉移至產業界。化工產業把無用的二氧化碳轉化成有用的產品,將可朝真正無廢棄物的循環經濟邁進,協助實現負排放的目標。(甘錫安 譯)


醫學

虛擬病人
以電腦模型代替真人,可使臨床試驗更快、更安全。
撰文/赫塔多(Daniel E. Hurtado)、 維拉斯特奎(Sophia M. Velastegui)


每天似乎都會出現一些新的演算法,使電腦診斷疾病的準確性更上一層樓,電腦即將取代醫師的預言可能即將實現。假如現在也可以用電腦代替患者本尊,又會如何呢?

例如在新冠病毒疫苗臨床試驗的某些階段當中,用虛擬病人來取代真實人體,將可能加速疫苗開發,進而減緩大流行。同樣地,藉由虛擬病人也可及早淘汰沒有效用的候選疫苗,因而大幅降低臨床試驗成本,並避免在活生生的受試者身上進行測試。

上述所舉例子是所謂「電腦模擬醫學」(in silico medicine,在虛擬的器官或人體系統上測試藥物及療法,以預測真實人體對治療的反應)的部份好處。在可預見的將來,後期臨床試驗還是需要真實的病患,但用電腦模擬將使研究人員得以快速進行初期的安全性及有效性評估,並降低成本,大幅減少臨床試驗所需的受試人數。

建構虛擬器官模型時,必須先把運用非侵入性高解析造影技術取得的個體器官解剖資料輸入到複雜數學模型,此模型涵蓋了主導該器官功能的機制。利用功能強大的電腦能對所獲得的方程式及未知數進行演算,此虛擬器官可模擬真實器官的外觀及活動。

用電腦模擬臨床試驗已有些進展,例如美國食品及藥物管理局(U.S. Food and Drug Administration, FDA)正嘗試利用電腦模擬代替人體試驗,來評估新的乳房攝影系統,此外也針對運用虛擬病人研發的藥物及裝置發佈試驗設計指南。

除了加速取得結果及降低臨床試驗風險之外,電腦模擬醫學可代替一些在診斷某些疾病或規劃治療方式時所需進行的高風險介入措施。例如,經FDA核准的雲端服務HeartFlow Analysis,讓醫師能根據患者心臟的電腦斷層影像來辨識冠狀動脈疾病。HeartFlow系統運用這些影像來建構例如血液流經冠狀血管等流體力學模型,藉此識別異常狀況及嚴重性。假如沒有這項技術,醫師得藉由施行侵入性的血管造影手術,才能確定是否需要採取進一步的介入措施以及如何治療。而在個別病患的虛擬模型上進行試驗,也有助推動各種疾病的個人化醫療,目前在糖尿病患的照護方面已有相關應用。

電腦模擬醫學背後的理論其實並不新奇,數十年來,創建並模擬某種事物在數百種情況下可能展現的功能,這方面的技術一直是工程學的基石,就像設計電路、飛機和建築一樣。電腦模擬醫學目前仍需克服許多挑戰,才能廣泛應用於醫學研究及治療。

首先必須確證這項技術的預測能力及可靠性,目前還有進步空間,包括如何從不同性別、族裔的廣大患者群體獲得高品質的醫學資料庫,能解釋人體中眾多交互作用過程的完善數學模型,並改進人工智慧技術,這些最初主要是為電腦語音及圖像辨識而開發,現在需要引入生物學方面的見解。科學界及產業界的合作夥伴正透過各種方法來解決這些問題,由達梭系統(Dassault Systemes)、虛擬生理人類整合生物醫學研究所(Virtual Physiological Human Institute)及微軟未來保健(Healthcare NExT)共同參與的活體心臟計畫(Living Heart Project)即為一例。

近年美國FDA與歐洲國家已核准某些電腦模擬診斷技術的商業應用,但要符合法規,仍需花費大量時間及金錢。醫療保健體系複雜,開發電腦模擬醫學並不容易。電腦模擬醫學必須能為患者、醫師及衛生保健組織提供具成本效益的價值,才能提高人們對該技術的接受度。(林慧珍 譯)


資訊科學

空間運算
融合虛擬實境和擴增實境後的最新技術。
撰文/拉森(Corinna E. Lathan)、 林恩(Geoffrey Ling)

80多歲的瑪莎坐著輪椅還能自理生活。她家裡的每樣物品都有數位登錄,操控這些物品的感測器和裝置都能連上網際網路,她家的數位平面圖和物品配置圖已整合在一起。當瑪莎從臥室到廚房時,燈會自動打開,室內氣溫也隨之調節。如果她的貓經過她的移動路徑,輪椅會自動減速。一旦她到達廚房,餐桌會自行移開,讓她容易行駛到冰箱和爐子前方。等她準備用餐時,餐桌又會回到原位。接下來,如果她就寢時不慎跌倒,家具會移動到周邊支撐她,警訊也會自動發送給她的兒子和當地照護機構。

空間運算(spatial computing)是這段虛構情節中的核心,即實體和數位世界整合過程的嶄新一步。這項技術具備虛擬實境(VR)和擴增實境(AR)應用程式的所有功能:把透過雲端互相連結的物件數位化、整合感測器和馬達,以及以數位方式反映真實世界。接著再把這些功能和高保真空間映射(high-fidelity spatial mapping)結合,當人們在實體或數位世界中移動時,由電腦負責協調,記錄並操控物件的移動和互動。不久後,空間運算將把許多領域中人與機器以及機器與機器的互動帶到新的層次,包括工業、醫療照護、運輸和家中。微軟和亞馬遜等大公司都大手筆投資這項技術。

空間運算和VR、AR一樣,都立基於電腦輔助設計(CAD)中常見的「數位分身」概念。在CAD中,工程師製作物件的數位分身,這個分身具有多重功用,例如可用3D列印製造此物件、用於設計此物件的新版本、進行虛擬教學,或和其他數位物件整合,創建虛擬世界。除了物件,空間運算也能製作人和地點的數位分身,例如利用全球定位系統(GPS)、雷射雷達(lidar,又稱光達)、影片和其他地理定位技術來繪製房間、大樓甚至整座城市的數位地圖。演算法接著整合數位地圖與感測資料、物件及人的數位分身,建構出可觀察、量化並操控的數位世界,數位世界也可反過來操控真實世界。

在醫療領域中,想像一下這個展現未來感的情節:救護人員要前往城市中的一棟公寓,協助一位可能需要接受緊急手術的患者。系統把患者的病歷和即時狀況傳送到救護人員的行動裝置和急診室,並找出前往患者位置的最快路線。所經路線的交通號誌會擋下車流。當救護車停妥,醫院大門已開啟、電梯已就位;救護人員推著擔架迅速進入大樓,沿途物件立即讓開;系統引導救護人員行經最快路線前往急診室,此時外科團隊使用空間運算和AR擬定整間手術室的行動配置,或規劃要在患者身體上進行的手術步驟。

工業界已著手整合專屬感測器、數位分身和物聯網來提升生產力,而且很可能進一步採用空間運算。這項技術可在單一設備或整座工廠增添定位追蹤功能。AR或全像投影的影像不僅可顯示維修指引,還能呈現機器元件的立體圖,作業人員只要戴上頭戴式顯示器或直接觀看影像,就能迅速修好機器,大幅縮減時間和成本。如果技術人員透過VR,指揮偏遠工地的機器人建造工廠,空間運算演算法也可改善機器人之間的協調性以及分配更適當的任務給機器人,提升工程的安全性、效率和品質。在更貼近日常生活面上,速食業和零售業也可結合空間運算和工時分析等標準工業工程技術,提高工作流程效率。(甘錫安 譯)

醫學

數位醫師
能診斷甚至治療疾病的應用程式,將成為保健新利器。
撰文/多瑞斯瓦米(P. Murali Doraiswamy)

醫師的處方能透過行動裝置的應用程式(App)加以施用嗎?大量正在使用的App已能自動偵測人們的精神及身體疾病,甚至直接施以治療。這類App通稱數位醫療,能提升傳統醫療服務,也可在醫療保健資源受限下支援患者,而嚴重特殊傳染性肺炎(簡稱新冠肺炎)疫情,更使這類需求增加。

許多偵測輔助工具都仰賴行動裝置來記錄使用者特徵,包括聲音、定位、表情、運動、睡眠及簡訊傳送等,並運用人工智慧,在疾病可能發作或惡化時發出警訊。例如某些智慧手錶內建感測器,能自動偵測心房纖維顫動(心律不整的跡象)並發出警訊。其他類似工具也正研發中,用來檢測呼吸系統疾病、憂鬱症、帕金森氏症、阿茲海默症及自閉症等。這些所謂「數位表現型分析」輔助工具短期內無法取代醫師,但可以是人們的數位健康夥伴,協助指出需要追蹤的問題。這些工具也可設計成帶有感測器的口服藥丸,稱為生物電子微裝置;一些研發中的感測器能檢測癌變DNA、腸道微生物釋出的氣體、胃出血、體溫及血氧濃度,並傳送資料到App加以記錄。

這類App也能用於治療不同疾病。第一款獲得美國食品及藥物管理局(FDA)核准的數位醫療處方,是Pear Therapeutics公司針對藥物濫用者開發的reSET技術。reSET在2018年獲准做為醫療保健專家的輔助工具,隨時提供認知行為治療(CBT),並把患者對藥物的渴求及其誘發因素的相關即時數據傳送給醫師。失眠治療App「Somryst」及第一款用於注意力不足/過動症(ADHD)兒童的電玩療法EndeavorRX,也都在2020年初通過FDA審查。

展望未來,新創兒童保健公司Luminopia設計了一款用來治療弱視的虛擬實境(VR)App,能取代傳統的眼罩療法。在未來,智慧手錶將能偵測到大學生的說話及社交方式改變,因而發出警訊,提醒他們尋求幫助來緩解輕度憂鬱症,之後這些學生可能進而向Woebot聊天機器人尋求CBT諮商。

並非所有保健App都可用於數位醫療。某種程度來說,用於診斷或治療疾病的工具都必須通過臨床試驗,證明是安全且有效的,並獲得主管機關核准;有些療法還可能需要醫師處方。(2020年4月,因應新冠肺炎全球大流行,FDA特許使用低風險的精神保健裝置。)

新冠肺炎凸顯了數位醫療的重要性,隨著疫情爆發,已有數十種用於偵測憂鬱症及提供諮商服務的App問世。此外,全球各地的醫院及政府機構都部署了不同型式的微軟保健機器人(Microsoft Healthcare Bot)服務,如此一來,那些因為出現咳嗽及發燒症狀而擔心不已的人們便可與機器人對談,不必等候電話客服中心接應或冒險前往急診室;這些機器人使用自然語言處理程式詢問症狀,並根據人工智慧分析來描述可能病因,或啟動遠距醫療會議讓醫師進行評估。截至2020年4月底,這些機器人已回覆了超過兩億次針對新冠肺炎症狀及治療的相關查詢,而這種介入措施大為減輕了醫療系統的負擔。

當然,社會必須以審慎的態度跨入數位醫療的未來,確保這些工具都經過嚴格測試,能保護隱私並順利融合醫師的工作流程。在這些保障措施到位的情況下,數位表現型分析及治療技術可對人們的不健康行為提出警訊,並協助人們在發病前及早做出改變,藉此節省醫療保健費用。此外,運用人工智慧解讀從數位表現型分析及治療App產生的巨量資料集,應有助於促進個人化醫療。這些新興模式還能提供新穎的點子,幫助研究人員找出培養健康習慣及預防疾病的最佳方式。(林慧珍 譯)

工程學

電動飛機高飛
電動馬達大幅減少碳排放量,並降低航運成本,投資正熱。
撰文/漢密爾頓(Katherine Hamilton)、 馬(Tammy Ma)

2019年,航空業的碳排放量佔全球的2.5%;2050年,這個比率可能提高到三倍。有些航空公司開始降低碳排放量,但仍不足。許多公司爭相開發電動飛機以求補足所需的運輸量,電動推進馬達不僅直接減少碳排放量,還可使燃料成本降低90%、維護成本降低50%、噪音降低近70%。

空中巴士、Ampaire、MagniX和Eviation公司已投入開發電動飛機,供私人、企業或通勤使用的機種正在試飛,同時申請美國聯邦航空總署(FAA)驗證。空中巴士公司表示,將在2030年前開發百人座的電動飛機。美國最大的國內航空公司海角航空(Cape Air)則可能率先採用電動飛機:該公司預計採購Eviation的愛麗絲九人座電動飛機。海角航空執行長沃爾夫(Dan Wolf)表示,這不只對環境有益,也降低營運成本。電動馬達的壽命通常比目前飛機使用的化石燃料引擎長;電動馬達運轉達兩萬小時才需全面檢修,燃料引擎則是2000小時。美國航太總署(NASA)正開發X-57馬克士威電動飛機,以較短機翼取代傳統機翼並加裝一排電動螺旋槳。傳統噴射機的機翼必須夠大,使飛機低速飛行時獲得足夠升力,表面積大反而增加高速飛行時的阻力。電動螺旋槳可在起飛時增加升力,機翼因此縮小,提高整體效率。

短時間內,電動飛機的缺點仍是航程。目前最先進電池的比能(每公斤輸出功率0.25千瓦小時)遠低於傳統燃料(每公斤1.2千瓦小時),因此每次飛行所需的電池重量遠大於傳統燃料,且較佔空間。目前全球約半數航班的航程少於800公里,目標是在2025年前以電動飛機取代這些班機。目前電動飛機仍有成本和法規的障礙,但受這項技術激勵的投資人、開發人員、企業界和政府都大手筆投資。2017~2019年新創公司投入電動航空的資金多達2億5000萬美元。目前電動飛機開發計畫約有170項。(甘錫安 譯)

基礎建設

低碳水泥
最常用的建材將變得更環保。
撰文/迪克里斯汀納(Mariette DiChristina)

混凝土(concrete)是最常用的人工材料,是許多建築的主要建材。水泥(cement)是混凝土的主要成份之一,製造過程中產生的二氧化碳相當可觀。位於倫敦的智庫英國皇家國際事務研究所(Chatham House)資料顯示,在人類生產的二氧化碳中,來自水泥的佔比高達8%,令人苦惱;據說如果把水泥製造業的碳排放量當成一個國家的碳排放量,將是僅次於中國和美國的第三大排放國。此機構指出,目前全球水泥的年生產量是40億公噸,由於全球都市化程度逐漸提高,這個數字在未來30年內應該會提高到50億公噸。水泥生產的碳排放來自在製程中加熱化石燃料,以及把石灰岩高溫鍛燒成熟料(clinker),接著磨碎熟料,與其他材料混合成為水泥。

建築業雖然一直以安全性和可靠度等各種理由拒絕改變,但減緩氣候變遷的壓力或許真的促進了改變。2018年,佔全世界水泥產量約30%的全球水泥與混凝土協會公佈水泥業第一份永續性準則,當中包含碳排放和用水等重要項目,用於評估改善程度以及讓這些數據透明化。

在此同時,許多減碳方法陸續問世,其中幾項已開始實行。美國紐澤西州的新創公司Solidia運用由羅格斯大學授權的化學製程,把生產水泥的二氧化碳排放量降低30%;和傳統製程相比,這種方法使用的黏土較多、石灰岩較少,所需的熱也較少。加拿大新斯科細亞的CarbonCure則從其他工業製程捕集二氧化碳,並製成礦物融入混凝土中,避免成為副產物逸入大氣。加拿大蒙特婁的CarbiCrete開發的混凝土完全不使用水泥,而以煉鋼的副產物爐渣代替。挪威的水泥主要生產廠商Norcem計畫把一座工廠變成全世界第一座零排碳水泥廠;這座工廠目前已經使用來自廢棄物的替代能源,並準備引進碳捕集與封存技術,計畫於2030年達成零排碳的目標。

此外,研究人員在混凝土配方中加入細菌,吸收二氧化碳,同時改良混凝土性質。美國北卡羅來納州的新創公司BioMason正在開發「活建材」,以細菌和粒料(aggregate)「培育」出類似混凝土的磚塊。一項由美國國防高等研究計畫署(DARPA)提供經費的創新發明,2020年2月在《物質》(Matter)期刊上發表成果,科羅拉多大學波爾德分校的研究人員運用可行光合作用的微生物藍綠菌(cyanobacteria)生產低碳混凝土;他們在沙和水膠構成的支架中接種細菌,製造出能自行修復裂縫的磚塊。這類磚塊無法取代目前所有的水泥和混凝土,但有朝一日應該能取代負載較輕的建材,例如鋪面、立面和用於建造臨時構造的材料。(甘錫安 譯)

資訊科技

量子感測器
新型感測器運用量子性質,提高測量的精確度。
撰文/拉提(Carlo Ratti)

近來,量子電腦十分熱門,量子感測器同樣潛力無窮:可使自動駕駛車輛「看見」轉角的另一邊,或用來開發水下導航系統、火山活動和地震的早期預警系統,以及監測人類日常大腦活動的攜帶式掃描儀。

量子感測器借助物質的量子性質,可達到極高精確度,例如利用電子不同能態的差異做為測量基本單位。原子鐘即是一例:全球時間標準是以銫133原子在其基態的兩個超精細能階之間躍遷時,所放出輻射週期的91億9263萬1770倍的持續時間做為秒的定義。其他量子感測器也是運用原子躍遷,偵測微小的運動改變和重力、電場和磁場的細微差異。

不過量子感測器有其他製造方式。例如英國伯明罕大學(University of Birmingham)的研究人員正在研發以自由墜落的超冷原子,偵測局部重力改變。這類量子重力計可偵測地下管道、纜線和目前只能靠挖掘才能發現的物體。在海上航行的船隻也能以類似技術偵測水下物體。

現在的量子感測系統仍然昂貴、體積龐大又複雜,但新一代感測器將更小、價格更低廉,可拓展新用途。2019年,美國麻省理工學院研究人員以傳統方法把鑽石量子感測器裝在矽晶片上,並把原本相當龐大的多個元件裝進邊長不到一公釐的空間中。這個原型產品朝成本低廉、大量製造、室溫運作的感測器邁進一步,且適用於需要精密測定微弱磁場的場合。

目前量子系統仍然極易受干擾,可能僅限於在特定環境下使用。而各國政府和私人投資者投入大筆資金研發,並試圖克服成本、規模和複雜性的挑戰。舉例來說,英國在國家量子運算計畫第二階段(2019~2024年)投入3億1500萬英鎊。產業分析專家推測,量子感測器將在三到五年內進入市場,初期應以醫療和國防用途為主。(甘錫安 譯)

能源

綠氫
以電解製氫,零碳排放能源近在眼前。
撰文/卡爾貝克(Jeff Carbeck)

氫燃燒時的副產物只有水;數十年來,氫一直是許多人夢寐以求的零碳排放能源。但傳統製氫程序中,必須使用化石燃料混合蒸汽,遠稱不上零碳排放。以這種方式製造的氫,稱為「灰氫」,如果把製程中產生的二氧化碳捕集並儲存,則稱為「藍氫」。

以電解方式製造的「綠氫」不一樣:機器把水分解成氫和氧,沒有其他副產物。以往電解過程必須消耗大量電力,因此電解製氫很不實際。現在的狀況已經改善,有兩個理由:第一,電網中有大量多餘的再生電力,與其把這些多餘電力儲存在電池中,不如用於電解水,用電生產氫並加以「儲存」;第二,電解裝置效率越來越高。

現在有些公司正在開發的電解裝置,可生產和灰氫或藍氫一樣便宜的綠氫。分析專家預測,這些公司將在10年內達成目標,能源公司也著手把電解裝置納入再生電力計畫中。舉例來說,由數家公司組成的集團提出Gigastack計畫,將在沃旭能源(Orsted)的角海二號(Hornsea Two)離岸風電場建設一億瓦電解裝置,大量生產綠氫。

目前,太陽能和風力這些再生能源技術以潔淨電力取代天然氣和燃煤發電,可使能源相關領域的碳排放量降低85%。運輸和製造相關領域需要能量密度較高的燃料或溫度較高的熱能,較難利用電力。在這些領域中,綠氫相當有發展潛力。產業界組織「能源過渡委員會」(Energy Transitions Commission)表示,若要在礦業、建築和化學這些最具挑戰性的領域達到巴黎氣候協定的目標,也就是每年減少100億公噸碳排放量,綠氫是四項重要技術之一。

綠氫仍在萌芽階段,許多國家卻已開始投資這項技術,尤其是擁有低成本再生能源的國家。澳洲希望以豐沛的太陽能和風力製造氫,並且出口給其他國家。智利計畫在有充沛太陽能的乾燥北部生產氫。中國準備在2030年讓100萬輛氫燃料電池車上路。南韓、馬來西亞和美國也有類似計畫。美國加州預計在2040年停止使用化石燃料公車。最近歐盟執行委員會公佈2030年氫能計畫,準備在2050年把氫電容量從0.1吉瓦增加到500吉瓦。根據這些目標,高盛集團(Goldman Sachs)2020年初預測,2050年綠氫市場規模將發展到12兆美元。(甘錫安 譯)

合成生物學

全基因組列印
新一代基因工程讓編寫大型基因組變得更快速且便宜。
撰文/赫瑟(Andrew Hessel)、 李相燁(Sang Yup Lee)

在新冠肺炎疫情大流行初期,中國科學家把新冠病毒的遺傳序列上傳到遺傳資料庫中。之後,瑞士一個研究團隊合成了整個基因組,並據以製造出病毒,這就像是遠距傳物,把病毒傳遞到科學家的實驗室中進行研究,而不必等待實體樣本。速度之快,說明了全基因組列印(whole-genome printing)何以能促進醫學及其他方面的研究。

合成生物學領域正蓬勃發展,全基因組合成是其中之一,研究人員運用軟體來設計想要合成的遺傳序列,然後將其引入微生物的基因組,藉此改造微生物,好讓微生物幫忙做事,例如生產新的藥物。到目前為止,研究人員多半只把基因組稍加編輯,但是合成技術及軟體的改善,促使更大範圍的遺傳材料合成、進而更廣泛改變基因組。

病毒的基因組相當小,病毒基因組的產製最初是在2002年從包含大約7500個核?酸的小兒麻痺病毒開始。如同合成的冠狀病毒基因組,這些合成的病毒基因組已協助科學家深入了解病毒如何傳播並致病,有些還設計用來生產疫苗並進行免疫治療。細菌及酵母菌的基因組帶有數百萬個核?酸,現在要編寫這麼長的基因組也變得容易。2019年一個研究團隊列印了一種大腸桿菌的基因組,從中插入其他基因序列,協助科學家製造所需物質。另一團隊則合成出一種啤酒酵母菌的基因組,包含近1100萬個核?酸序列。如此大片段基因組的設計及合成,把微生物變成了工廠,可產製藥物及生產許多物質;經過設計,這類工廠能利用非食用的生質材料或像二氧化碳之類的廢氣來生產各種化學物質、燃料及新型建材。

許多科學家希望能編輯更大的基因組,例如來自動植物及人類的基因組。要達到這目標,還需更多投資以進行軟體設計(可能要納入人工智慧),以及發展能更快且便宜地合成並組裝至少數百萬核?酸的DNA序列的方法。有了足夠資金,編輯數十億核?酸規模的基因組應能在10年內實現。研究人員已構思多種應用,包括設計抗病原體的植物以及超安全的人類細胞株(cell line),例如不受病毒感染、癌症及輻射侵害的細胞株,做為發展細胞療法或生物製造(biomanufacturing)的基礎。編輯人類基因組的技術勢必會發展出來,醫師得以治癒許多(即使不是全部)遺傳疾病。

當然,全基因組工程可能遭濫用,主要疑慮是病原體或其用以產生毒素的組成變成武器。科學家和工程師將需要設計周全的生物安全過濾機制:融合既有及新穎技術,能即時偵測並監控新威脅的傳播。研究人員將需要發明出可快速擴大規模的測試策略,關鍵在於,世界各國政府必須比現在更團結合作。

2016年發起的基因組編寫計畫(Genome Project-write)就是為了建構這個安全網絡。該計畫召集來自10幾個國家的數百名科學家、工程師及倫理學家,他們開發技術、分享最佳做法、推動先驅計畫並探索相關道德、法律及社會意涵。(林慧珍 譯)


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