且看科学美国人评选出的2015年十大科技新时代
又是一年将尽,到了盘点的时候,且看《科学美国人》评选出的2015年十大科技成就。
眼控机器:运动受损人士的福音
今年早些时候,当艾瑞克 索拓用思维直接指挥机器手臂将一杯啤酒送入口中,媒体疯狂了。这是一个令人印象深刻的壮举,但背后的技术,是在他大脑中植入的一种电极芯片,这种芯片既昂贵又具有侵入性,而且还需要几个月时间来训练使用。更糟糕的是,只有极少数瘫痪人士能够适应这些心理和生理上的技术要求。
一种较好的办法随后诞生――创建大脑电波活动和机器之间的直接连接。英国伦敦帝国理工学院神经技术科学副教授此次检查将进一步要求食品经营者主动向消费者公示临近保质期的产品阿尔多 法赛尔想要用眼球移动来控制轮椅、计算机和视频游戏。利用现成的视频游戏摄像机,法赛尔和他的同事建造了一种护目镜,能够记录用户的眼球移动过程,并传输数据给计算机,软件将数据翻译成机器指令。几乎所有运动受损人士都能应用这项技术,包括截肢者、四肢麻痹症患者、帕金森病患者、多发性硬化症和肌营养不良症患者。
这套系统的成本只需要50美元。在一个科技展览会上,志愿者不需要更多的指导,在15秒后就很好地掌握了玩游戏的技巧。
长期以来,科学家就知道眼睛可以透露人们的目的――他们要去哪里,想要做什么,以及想和谁交流。自从上世纪70年代开始研究眼球运动的神经科学,法赛尔和同事们就撰写了能够将 惊鸿一瞥 转化为指挥轮椅行动、敲击鼠标或者开展瞳孔游戏的算法。为了预测受试者的真实意图,算法的设计基于志愿者用操纵杆操纵轮椅或者机器手臂时眼球运动的真实数据。渐渐地,软件学会了区别不同的眼神,比如当人们看向一个杯子时,软件能够猜测出他们是在猜测里面的饮料为何物,还是想要端起来一饮而尽。
法赛尔在将这个技术商业化成医疗器械之前,必须为临床试验筹得资金。从欧盟获得的400万欧元将继续支持他开发机器人的外骨骼,以便能够更好地让残障人士使用眼球追踪系统。
我想看到我们的努力可以帮助人们再次行动自如,这就是我的目的。 法赛尔说。
微波火箭:低成本访问太空的范式
人类乘火箭遨游太空已50余年,在这么长的时间里,到达轨道的成本一直都是个天文数字――根据火箭种类不同,每公斤载重上天要花费5000美元到50000美元不等。
问题是,没有哪个火箭是非常有效率的,火箭90%的重量都是燃料和推进剂,只为装载物资留下很小的空间。如果能甩掉一些重量,火箭不仅可以将更多的货物送往太空,亦能降低成本。
1924年,俄罗斯科学家康斯坦丁 特斯洛克夫斯基提出一种方案,建议由地基微波发射器提供火箭上升的动力。他建议,利用反射镜将 一束平行电磁短波射线 瞄准火箭的腹部,加热推进剂产生推力,从而替代大量燃料的装载。
这一方法或许是获得宇宙速度的最有吸引力的方法。但直到最近,这个想法才被重新提起。微波虽然在上世纪50年代就发明了出来,但始终没有达到可以发射所要求的兆瓦级功率水平。电池和能源存储系统的最新进展让能源可以足够强大,以至于不需要固定电来约束电能。
今天,来自世界各地的研究人员正在实践这个概念,包括在2012年美国加州技术研究所的凯文?帕金领导的一项工程研究。基于他们的工作,一家名为 逃脱动力学 的私人公司正在测试这种微波动力卫星发射系统,美国国家局(NASA)正在密切关注此事,今年7月,NASA已经将微波动力火箭加入了未来技术发展的路线图中。
病毒捕获平台:精确识别病毒的新方法
当医生想要识别感染背后捣乱的病毒,通常需要求助于聚合酶链式反应(PCR),这种方法只有将DNA片段 放大 到足够大才能进行。使用PCR方法的时候,医生还必须对要寻找的病毒做到心中有数,这就难免带有了猜测的成分。
今年9月,哥伦比亚大学的研究团队描述了一种能够消除猜测带来的盲目性的新方法,该技术被命名为 脊髓动物病毒捕获测序平台(VirCapSeqVERT) ,能在给定的唾液、组织或脊髓液样本中几乎完美地找到每种病毒。这种方法可以在48小时内同时分析21个样本,且每个样本的分析成本只有200美元。它还能检测新型病毒或突变病毒。
哥伦比亚大学流行病学公共卫生系教授W 伊恩 李普金说: 当一个人被送进急诊室同时激励自己每一招、每一路线都要做到最好。给人满满斗志的滑板摄影师,单是检测费就要成千上万了。这种方法非常便宜,而且能让医生对症下药。
为了开发这种技术,李普金和他的同事创建了一个超过1000种脊椎动物病毒的数据库。然后他们用基因探针对每一株病毒进行匹配,当探头遇到匹配的病毒时,就会自动与之绑定。为了检测这些病毒,实验室工作人员增加了磁珠来测量直径仅1至 微米的混合物,化学连接器将基因探测器与磁珠以及捕获的病毒相连。然后,研究人员插入包含了混合磁铁支架的细管,将探针拉向管壁。他们隔离并清洗探针―磁珠―病毒组合后,对病毒进行基因测序,以消除误报风险。
李普金和他的同事现正在寻找商业支持,希望将这项技术应用到全世界的医院和诊所;他们还计划增加专门探测感染性细菌和真菌的探针。
导电聚合物络:软性的大脑电子探针
为了破解大脑之谜,科学家需要精确地检测活动状态下的神经元。大脑探针的 蛮力介入 已经被诟病很久了。哈佛大学化学家查尔斯?尼尔博率领的团队希望植入丝般柔滑的聚合物络,从而改变这个窘境。
到目前为止,尼尔博团队测试了活鼠体内植入的这种聚合物,它拥有嵌入式电子感应器。一旦证明安全可靠,它可能被用于人体,进而研究意识如何从单独神经元的活动中产生,以及治疗帕金森症等疾病。
微型核聚变反应堆:压力下改变战术的选择
你可以指责核聚变拥护者太过于乐观。核聚变只会发生在两种元素结合或相融合进而形成第三种元素的时候,将物质转化成能量。太阳就是典型的核聚变过程。
总部设在法国的国际核聚变反应堆(ITER)集合了七个国家的力量,正在紧锣密鼓筹建中。这个210亿美元的托克马克反应堆将利用超导磁体产生足够热、密度足够大的等离子体来发生核聚变。一旦完成,ITER的总重量将达到2 000吨,是埃菲尔铁塔的 倍。美国国家点火装置(NIF)是其主要的竞争对手,也同样复杂,需要同时将192束激光打在一个燃料球上直到其温度达到5000万摄氏度,压力达到1500亿大气压。
理想很丰满,但现实很骨感。基于ITER和NIF的核聚变工作已经进行了数十年,一批新的研究人员正在寻求不同的策略――让核聚变反应器变小。
今年,美国国防部高级研究计划局在9个小型项目上投资了 000万美元,旨在通过名为 低成本等离子体加热和集成 (ALPHA)的项目,建设可负担得起的核反应设备。一个比较典型的项目是加利福尼亚州次惯性核聚变技术公司的塔斯廷执行的,该项目设计路线是用电流 捏合 等离子体,直到压缩至产生核聚变。
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