科學家和工程師夢想著能夠改變世界的重大進步，然後他們嘗試創造這些進步。在接下來的頁面中，《大眾科學》揭示了 10 項可能改變遊戲規則的創新：DNA 的人工替代品、清潔水體的石油、由我們血液供能的起搏器等等。這些並非異想天開的想法，而是已被證實或製成原型，並準備大規模推廣的實用突破。每項創新都具有將現在看似不可能的事情變為可能性的潛力。——編輯部
無需 DNA 的新生命形式 基於人造分子的生物體可以茁壯成長和進化
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DNA 已經過時了。合成生物學家發明了一系列名為 XNA 的新分子，這些分子擁有脫氧核糖核酸 (DNA) 和核糖核酸 (RNA) 的所有才能，以及一些特殊能力。XNA 可以讓科學家在實驗室中安全地創造不依賴 DNA 生存和進化的生命形式。
“如果沒有遺傳資訊儲存和複製系統，生命是不可想象的，但 DNA 和 RNA 並非獨一無二，”英國劍橋醫學研究委員會分子生物學實驗室的菲利普·霍利格解釋說。“相關的聚合物——至少還有六種——可以執行相同的功能。” 他說，地球上的動植物僅依賴 DNA 和 RNA 是“生命起源的偶然事件”。
XNA 代表異種核酸（xeno 意為“外來的”）。與 DNA 類似，XNA 的結構也像一個扭曲的梯子。在 DNA 中，四種不同的核鹼基（用字母 A、C、G 和 T 表示）構成梯子的階梯。磷酸基團和糖構成梯子的側面，也稱為骨架。30 年來，科學家們一直在調整糖的結構以創造人工核酸，這些核酸在醫學中用作研究工具，可以與 DNA 結合。
為了製造 XNA，霍利格和他的同事們並沒有簡單地改變 DNA 骨架中的糖——他們完全替換了不同的分子，例如環己烷和蘇糖。同樣重要的是，他們創造了與 XNA 協同工作的酶，形成完整的遺傳系統。
這些酶使 XNA 能夠完成其他人工核酸無法完成的事情：它們能夠進化。在活細胞內，稱為聚合酶的酶會切割、貼上和剪接 DNA 以訪問遺傳資訊。如果沒有這種相互作用，DNA 就會像書架上積滿灰塵的百科全書一樣保持惰性。霍利格重新程式設計了天然聚合酶，使其將 DNA 翻譯成 XNA，然後再翻譯回來，從而建立了一種用於儲存和傳輸遺傳資訊的新系統，這是進化的基礎。其中一種 XNA，HNA（脫水己糖醇核酸），可靠地保留了對其遺傳密碼的更改，並進化到以越來越高的精度附著於蛋白質。
一旦霍利格改進了 XNA 及其酶的功能，這組分子就可以在活細胞中取代 DNA 和 RNA。例如，研究人員可能會取出一個簡單的細菌，吸出其 DNA，並用 XNA 替換它。
或者，科學家可以將 XNA 包裹在原始細胞內——這是一種新型生命形式的起源，它可以以無人能預測的方式進化。雖然其他合成生物學家，例如 J·克雷格·文特爾，已經在重寫現有遺傳密碼方面取得了顯著進展，但沒有人創造出真正的合成生命——不依賴於進化已經提供的，而是依賴於人類發明的生命。
霍利格強調，基於 XNA 的生命形式還很遙遠，但他已經認識到其一個明顯的優勢。如果這種生物逃逸到野外，它將因缺乏穩定的 XNA 特異性酶供應而死亡。而且 XNA 無法編織到天然生物體的基因組中，因為它們的天然酶無法識別它。例如，旨在吞噬溢油或將廢水轉化為電力的基於 XNA 的細菌不會干擾天然生物體。
XNA 與 DNA 互補，但結構獨特，這一事實使其立即對醫學、生物技術和生物學研究有用。霍利格設想，XNA 可以注射到人體內，以檢測當前技術遺漏的疾病早期、細微跡象。
佛羅里達州蓋恩斯維爾應用分子進化基金會的研究員史蒂文·本納也透過用兩種新的核鹼基 Z 和 P 擴充套件遺傳字母表，推動了這項工作。更大的字母表可以形成更廣泛的基因，並最終形成蛋白質。“目標是創造化學控制系統，使其像生物系統一樣執行，但又不是生物系統，”本納說。“我們相信，只要你能在紙上畫出來，你就能製造出來。”——費里斯·賈布林
恢復呼吸的泡沫 可注射的氧氣微泡可以為哮喘和窒息受害者爭取寶貴的時間
無論是因為喉嚨裡卡住了一塊肉、嚴重的哮喘發作還是肺部損傷，一個人停止呼吸後幾分鐘，大腦就會開始停止工作。心臟驟停和死亡迫在眉睫。急救人員和醫院工作人員有一種主要的求助手段：將呼吸管插入患者的嘴中。這個過程可能存在風險且耗時。
一種新的可注射溶液可以讓這些人存活 15 分鐘或更長時間，從而爭取到將受害者送往醫院或在手術室進行一些外科手術的關鍵時間。該溶液含有氧氣微泡，血液可以在幾秒鐘內吸收這些微泡。這些氣泡太小，不會引起空氣栓塞——一種阻止血液流動的氣袋，從而導致中風或心臟病發作。
為了製造這種救生泡沫，波士頓兒童醫院的心臟病專家約翰·凱爾和他的同事們改進了現有的醫學奈米技術。帶有脂膜的微粒已經可以輸送藥物，以及用於超聲成像的染料。凱爾的團隊將磷脂推進充氧室，並使用聲波刺激成分自組裝成微粒。然後，研究人員使用離心機將它們超濃縮成溶液。每個四微米寬的微泡都含有純氧，周圍環繞著一層只有幾個奈米厚的脂膜。
由於氣泡中氧氣的壓力高於血液中的壓力，氣體會在接觸時擴散到紅細胞中。一旦氣泡耗盡，外殼就會塌陷成一個寬度小於一微米的圓盤，很容易透過迴圈系統。
在一項測試中，研究人員阻塞了麻醉兔子的氣道 15 分鐘。注射了該溶液的兔子比注射鹽溶液的兔子更不容易發生心臟驟停或其他器官損傷——儘管它們沒有呼吸過一次。
約翰斯·霍普金斯大學的雷蒙德·科勒說，這種方法“與我們現在擁有的方法相比，是一個相當創新的想法”，他沒有參與這項工作，因為大多數緊急供氧程式都要求肺部系統至少在最低水平上發揮作用。
一個缺點是，由於血液吸收氧氣非常快，因此需要持續輸注，這需要大量的鹽水來幫助泡沫順利地進入血液。患者在 15 分鐘後接受的溶液量可能導致水腫，即可能導致心力衰竭的液體超負荷。凱爾的團隊正在努力改進配方，使其需要更少的鹽水。
另一個擔憂是，在沒有正常呼吸的情況下，二氧化碳會在體內積聚，這可能是有毒的。然而，正如科勒指出的那樣，身體可以比完全缺乏氧氣更好地處理少量過量的二氧化碳。如果微泡在進一步的動物（以及隨後的人體）試驗中被證明是成功的，那麼該溶液可以幫助急救人員或手術室技術人員在他們能夠實施其他救生治療之前爭取到關鍵的幾分鐘。科勒說，在這些情況下，“你希望有一個備用計劃。”——凱瑟琳·哈蒙
用油淨化水 一種簡單的化學技巧可以更經濟地清潔廢水
阿努拉格·巴傑帕伊最初是為了尋找一種更好的方法來儲存深冷冷凍中的人體細胞。這種冷凍儲存必須小心避免凍傷——冰晶的形成會使細胞破裂並殺死細胞。2008 年，在馬薩諸塞州總醫院進行實驗時，巴傑帕伊將防凍劑甘油插入細胞中，並加入大豆油，這有助於濃縮甘油。在第二年他在麻省理工學院的博士資格考試中（通常是一件緊張的事情），當他描述大豆油的效果時，與面試官進行了一次有趣的對話。他們建議，為什麼不使用大豆油來去除水中的雜質呢？巴傑帕伊說：“我認為這是極少數透過資格考試而獲得專利申請的考試之一。”
巴傑帕伊很快創造了一種簡單的工藝，該工藝使用一種不尋常的油類來去除水中的汙染物。該工藝可能對城市、工業和農業運營（所有這些都產生大量汙水）有利，因為它提供了一種清潔水的方法，這種方法可能更節能或更便宜，或兩者兼而有之。
大豆油是少數幾種似乎可以充當所謂定向溶劑的油類之一。也就是說，它們溶解水，但不溶解水中存在的其他分子，例如鹽。當加熱到低至 40 攝氏度時，大豆油可以吸收水，留下汙染物分子，然後將其撇去。只需冷卻混合物即可使淨化後的水流回並被收集。因此，溶劑保持不受干擾，隨時可以清潔更多的水。
關鍵是油的碳骨架，即脂肪酸。它的大部分排斥水，但在其中一端是一個分子，稱為羧酸基團，它很容易與水形成氫鍵。
德雷塞爾大學的有機化學家讓-克勞德·布拉德利說：“它真的能起作用，這讓我感到驚訝”，他還指出，這種現象可能在一個世紀前就被發現了。“這是我很久以來在化學領域見過的最酷的事情。”
然而，巴傑帕伊的實驗表明，淨化一杯水需要足夠的大豆油來裝滿一個游泳池。因此，他尋找另一種效率更高的定向溶劑，並選擇了癸酸，癸酸天然存在於牛奶中，並且更容易與水結合。這種脂肪酸可以將海水變成淡水，但它似乎最適合用於鹽度更高的鹽水，例如採礦殘留物或從油氣井（包括水力壓裂井）流回的含化學物質的水。“如果你認為海水是鹹的，那麼這種水的鹽度是海水的八倍，”巴傑帕伊在談到美國油氣井每天產生的超過 90 億升汙染水時指出。
受到鼓舞，巴傑帕伊已經在測試癸酸對從美國不同地區採集的六種不同油氣鹽水的效果。用於處理此類廢水的傳統技術包括反滲透（需要特殊的膜，這些膜容易堵塞和結垢）；蒸餾（消耗大量能源）；以及最常見的，將水倒回處置井。巴傑帕伊還需要找到一種方法來快速連續處理廢水，而不是在燒杯和試管中分批處理。
巴傑帕伊承認，為了在石油和天然氣鑽探領域產生真正的影響，“我們將不得不擊敗最便宜的替代方案的成本，而目前最便宜的替代方案是傾倒”，儘管越來越多的社群不希望廢水被送到地下並以這種方式流失。與此同時，更多的研究將表明，癸酸油或其他某種定向溶劑是否可以比現有工藝更經濟地淨化髒廢水或淡化海水——為水處理提供新的方向。——大衛·比埃洛
阿爾茨海默病的早期治療 一項針對 300 名哥倫比亞人的藥物試驗可能會揭示一種預防該疾病發生的方法
阿爾茨海默病仍然幾乎無法治療。100 多種實驗性藥物未能阻止這種疾病，這種疾病會剝奪人們的記憶、人際關係，並最終剝奪他們的身份。現在，科學家們將測試一種新策略，以從一開始就預防這種可怕的疾病。正如健康人服用他汀類藥物來降低膽固醇並避免心臟病一樣，有患阿爾茨海默病風險的人可能會服用藥丸來控制該疾病。
研究人員將研究一種藥物，該藥物可以沖走一種稱為澱粉樣蛋白的侵入性蛋白質，這種蛋白質被懷疑是阿爾茨海默病的主要誘因。直到最近，澱粉樣蛋白團塊只能在死後解剖大腦才能看到。然而，對活人大腦進行先進的正電子發射斷層掃描（最近的一項創新）顯示，當症狀出現時，澱粉樣蛋白已經悄無聲息地積累了長達 20 年。也許到那時，大腦已經受到不可逆轉的損害，任何藥物都無濟於事。然而，沒有人確定澱粉樣蛋白是導致阿爾茨海默病的原因，還是僅僅是該疾病的副產品。這項新研究可能會為這個謎團提供答案。
如果獲得所有批准，這項調查將於 2013 年初開始，將涉及哥倫比亞血緣關係較遠的家族中的 300 名成員，他們患有罕見的、特別具有破壞性的阿爾茨海默病，這種疾病在盛年時期就會發作。到了五六十歲，許多人就像嬰兒一樣無助。通常不可能預測誰會患上阿爾茨海默病，但在這個大家族中，一個單一的基因突變（可以透過血液測試檢測到）預示著厄運。
鳳凰城班納阿爾茨海默病研究所的執行主任埃裡克·雷曼、他的同事皮埃爾·塔里奧特和他們在哥倫比亞的合作者弗朗西斯科·洛佩拉意識到，這個家族為測試早期干預的好處提供了一個獨特的機會。他們計劃給 100 名即將出現阿爾茨海默病症狀的家庭成員服用一種實驗性藥物 crenezumab，給另外 100 名家庭成員服用安慰劑。第三組不會患上該疾病的成員也將接受安慰劑。
參與者將至少接受五年的雙週注射。每隔幾個月，他們將接受廣泛的測試：磁共振成像以跟蹤腦萎縮；脊髓穿刺以測量與腦細胞死亡相關的 tau 蛋白；以及旨在發現細微認知失誤的記憶和思維測試，例如忘記幾分鐘或幾小時前記住的單詞列表，這是阿爾茨海默病出現的標誌。
這項研究還將招募多達 36 名美國患者。美國人將接受相同的治療，但他們將是一群不太同質的人，他們擁有與早發性阿爾茨海默病相關的三個基因中的任何一個的各種突變。研究人員希望瞭解是否有可能從哥倫比亞家族推斷到其他註定在中年患上痴呆症的人。
這項耗資 1 億美元的研究由該藥物的製造商基因泰克以及慈善家和美國國立衛生研究院資助。即使該藥物成功，也不能保證結果會轉化為更常見的老年痴呆症。然而，研究人員希望這項試驗能夠為阿爾茨海默病建立起膽固醇和高血壓對心血管疾病的作用——有助於研究、診斷和治療的中間路標。
他們收集的資料可能意味著，研究人員無需等待數年才能看到實驗性藥物是否對患者有幫助，而是可以從細微的生物學變化（例如腦容量變小或 tau 或澱粉樣蛋白沉積物的變化）中快速評估結果。“我們需要開發更快的方法來測試各種有希望的療法，並儘快找到有效的療法，”雷曼說。——艾米麗·拉伯-沃倫
胎兒基因組測序 一種非侵入性手術可能會揭示現在無法辨別的數千種疾病
研究人員最近表明，他們只需從母親身上採集血液樣本，就可以構建胎兒的完整基因圖譜——完整的基因組。該手術可能會徹底改變基因篩查，在胎兒出生前很久就揭示出囊性纖維化、泰-薩克斯病或脆性 X 綜合徵等單基因疾病——讓醫生有時間開始可能的產前治療，並讓家庭有時間為孩子的需求做好準備。
百分之一的人口患有單基因疾病。自 2011 年以來，醫生已經能夠從母親的血液樣本中確定她的胎兒是否具有異常染色體，這可能表明唐氏綜合徵等疾病。然而，這種程度的資訊無法揭示大約 3,500 種單基因疾病中的大多數。醫生可以抽取胎盤組織或羊水樣本來檢查這些疾病，但這些侵入性檢查會帶來流產的風險，女性可能不願意承擔這種風險。
新的非侵入性方法將為母親提供有關其孩子的空前詳細的資訊，而不會危及她們的妊娠。它還可以覆蓋全球更多的女性，因為該手術不需要訓練有素的產科醫生。一些研究人員設想了母親可以寄往實驗室的 DIY 套件。
該手術源於 1997 年的一項發現，當時在牛津大學的化學病理學家丹尼斯·洛和他的同事們在孕婦的血漿中檢測到胎兒 DNA 的存在。這意味著有可能分離兩種 DNA 型別，並使用胎兒部分構建完整的基因組。研究人員開始尋找單倍型——相鄰基因序列的簇。不同的搜尋方法可以區分血漿樣本中單倍型的多樣性，並指示哪些來自母親或胎兒。然後可以將單倍型重新組裝成完整的基因組。
這種方法說起來容易做起來難；它需要只有最近才變得實用的複雜技術。在過去一年中，華盛頓大學的遺傳學家傑伊·申杜爾開發了一種技術，該技術需要從父親的唾液和母親的血液中對完整的父系和母系基因組進行測序，然後使用這些資料來區分母親血漿中的母系和胎兒單倍型。在這個過程中，申杜爾可以辨別出在胎兒中自發產生的突變，這可能有助於發現罕見疾病。
斯坦福大學生物工程師斯蒂芬·奎克領導的科學家們僅使用母親的血液樣本就重建了胎兒基因組。他們首先尋找胎兒從母親那裡繼承的單倍型，這可能是血漿中最常見的，因為母親和孩子共享它們。然後，奎克使用來自母親的遺傳標記來識別她基因組的其餘部分。母親基因組中未出現的單倍型是胎兒獨有的，可能來自父親或突變。
儘管取得了進展，但挑戰仍然存在——特別是降低成本和提高測序的準確性。更大的挑戰是如何解釋基因組。“我們檢測基因組變化的能力已經超過了我們將許多這些變化與人類疾病和特徵聯絡起來的能力，”美國國家遺傳諮詢學會主席布倫達·菲努坎說。許多醫生認為，在為使用設定明確的指南之前就接受篩查還為時過早。
批評人士還擔心，該手術可能導致墮胎，因為父母發現他們的胎兒患有不治之症。然而，塔夫茨大學的戴安娜·比安奇等醫生認為，好處可能大於擔憂——特別是如果篩查能夠實現可以改變衰弱性疾病的產前治療。——黛西·尤哈斯
終極可持續發展指數 一種新的評級系統利用企業壓力來清理供應鏈的所有階段
一罐蘇打水或一瓶洗髮水有多“可持續”？越來越多的消費者希望根據答案做出購買決定，但要找到衡量產品製造可能對地球產生的負面影響的綜合指標是很困難的。“可持續發展指數”對供應鏈的不同階段或不同影響（例如產生的垃圾填埋廢物或排放的二氧化碳）進行審查，並使用不同群體支援的不同指標。問題不是缺乏資訊；而是資訊太多。
如果有一套指標來評估環境和社會成本，那麼判斷產品將容易得多。這就是可持續發展聯盟背後的想法，該聯盟由 10 所領先的大學、大型非營利組織和 80 家國際公司（包括沃爾瑪、可口可樂和迪士尼）組成，它們已同意制定涵蓋整個供應鏈的標準指數。該組織最近公佈了其成員將用於評估第一批 100 種產品的措施，這些產品從早餐穀物到洗衣粉再到電視機不等。
沃爾瑪可持續發展主管傑夫·賴斯等倡導者認為，整個供應鏈的可持續實踐不僅可以淨化環境，還可以透過減少需要運走的廢物量等方式來降低成本。沃爾瑪正在將這些指標構建到“記分卡”中，它已開始將這些記分卡分發給大約 400 名採購零售商產品的買家。買家將與供應商制定計劃以減少環境影響，供應商是否採取行動將在買家的績效評估中進行討論。
聯盟成員戴爾已經在要求生產其 LCD 螢幕的承包商弄清楚如何減少螢幕製造過程中產生的全氟碳化合物（強效溫室氣體）的排放。戴爾環境事務主管斯科特·奧康奈爾說，聯盟的資料“為我們提供了確定努力方向的指南”。
該聯盟認為，其指數最終將取代其他評級方案。消費者已經可以走進雜貨店，拿出他們的手機，掃描一瓶洗髮水上的條形碼，並調出 GoodGuide 編制的可持續發展排名。但是該指南僅建立在公開可用的資訊之上。聯盟的評級將考慮密切持有的關於排放、廢物、勞工實踐、用水量和其他敏感因素的資料，這些資料只有在大型企業參與者向供應商施加壓力要求其披露時才會變得可用。這些資料應該使該指數比其他指數更全面。像沃爾瑪、百思買和戴爾這樣規模的公司每年控制著供應商數千億美元的支出。“就其本身而言，這將使可持續發展比以往任何時候都更主流，”賴斯說。
消費者需要幾年時間才能訪問該指數的資料。聯盟領導人希望使其可用，但尚未確定消費者將如何訪問它。與此同時，該指數可能會刺激創新。例如，加州大學伯克利分校的研究人員為該聯盟編寫了一份白皮書，回顧了在筆記型電腦中使用生物基材料而不是塑膠的優勢。阿肯色大學的科學家們正在研究評估各種作物種植方式對缺水影響的最佳方法。——亞當·皮奧雷
挖掘移動生活 來自智慧手機的大量資料正在等待改變我們的生活，只要我們允許
近乎完美的監控的夢想——或噩夢——正在我們身邊，它開始以我們許多人無法想象的方式改變我們的生活。解析我們手機發出的位置資料的公司現在可以準確預測我們每個人在一天中任何時刻的位置。他們還可以從電話記錄中推斷出誰是我們的朋友、家人和同事，我們何時可能患上流感，以及任何主要都市街道拐角處在任何時刻的人口統計資料。
這種資料爆炸的關鍵是智慧手機的普及，今年美國智慧手機的普及率超過了 50%。幾乎所有這些裝置預設情況下都會向中央伺服器傳送穩定的位置資料流，因為很少有使用者費心選擇退出此類資料收集，甚至不知道他們可以退出。科學家和商業研究人員正在研究如何梳理數十億個座標，這些座標足以繪製數百萬人的移動軌跡。
這種現實挖掘是一種經典的“大資料”挑戰，目前仍處於起步階段。公司才剛剛開始向營銷人員出售資料，而手機運營商僅向研究人員釋出有限的資料集，這些資料集經過“匿名化”處理，以保護個人隱私。最大的三個參與者——谷歌、蘋果和波士頓的 Skyhook（最初的位置服務提供商之一）——在處理這些資訊時都小心翼翼，因為擔心侵入性使用可能會引發消費者的強烈反對。
這項技術可以帶來廣泛的好處，例如減少煩人的廣告和控制疾病爆發。然而，對於少數意識到這一點的消費者來說，“這非常可怕——這是普羅米修斯之火，”亞歷克斯“桑迪”彭特蘭說，他在 2000 年代中期和他的學生率先分析智慧手機位置資料時創造了“現實挖掘”一詞。
目前，紐約市的 Skyhook 和 PlaceIQ 等公司為營銷人員重新包裝資料，它們小心地使單個裝置上的位置軌跡不可用。谷歌表示，它會在大約一週後刪除幾乎所有位置資料。蘋果公司犯了一個錯誤，將此類資料儲存在 iPhone 本身中；該公司此後糾正了這一失誤，但對於其如何集中儲存此類資訊以及計劃如何處理這些資訊，仍然不太坦誠。
如果能夠解決阻礙資料更大規模使用的隱私問題，那麼現實挖掘可能會成為我們日常生活中不可或缺的一部分，更不用說對企業和政府非常有用。例如，在海地的工作使救援機構能夠向手機使用者傳送簡訊，這些使用者的位置歷史記錄表明他們可能接觸過霍亂。
為了讓現實挖掘真正起飛，消費者將不得不授權使用他們更多的資料。這就是彭特蘭推動導致美國《消費者隱私權法案》提案和歐盟《資料保護指令》更新的討論的原因之一。如果使用者感覺自己控制著自己的資料，他們就更有可能讓公司、政府和個人有選擇地訪問資訊以提供服務。“社會的任何部分都將使用這些資料，”Skyhook 執行長泰德·摩根說。“它從根本上改變了你對人類行為的看法。”
對消費者行為的洞察力可能會因此擴充套件。研究人員已經發現，最有可能點選智慧手機廣告的人——因此也是廣告商收益最高的人——是那些在電影開始前坐在電影院裡的人、任何在週日早上在家的人以及等待魚上鉤的漁民。（PlaceIQ 可以猜測個人正在釣魚，因為他們的座標將他們置於湖泊中央，並且他們恰好符合特定的人口統計特徵。）
彭特蘭認為，一旦有足夠的資料可用，現實挖掘將增強公共衛生、交通和電網，這僅僅是開始。“我喜歡社會神經系統這個概念，”彭特蘭說。“最終，人類可以感知人類在做什麼。”——克里斯托弗·米姆斯
糖動力起搏器 我們血液中的葡萄糖可以驅動醫療植入物
未來的起搏器、胰島素泵和其他醫療裝置可能會在沒有電池的情況下執行，而是由為身體提供能量的相同能量：糖提供動力。研究人員在 1960 年代首次夢想實現葡萄糖動力植入物，但 1970 年代後期鋰電池的出現提供了一種更簡單、更強大的解決方案。* 然而，電池一直存在一個主要缺點：它們必須透過手術更換——起搏器每 5 到 15 年更換一次。可充電電池透過穿透皮膚的電線連線到體外的電子裝置，使人容易受到感染。
幾項進展促使研究人員再次關注葡萄糖，葡萄糖在血液和沐浴我們細胞的間質液中含量豐富。例如，植入物中更高效的電路降低了功率需求。葡萄糖生物燃料電池正變得更加高效且對身體友好。
在大多數生物燃料電池中，陽極的酶會從葡萄糖分子中剝離電子。電子在流向陰極時提供電流，在那裡它們與氧氣反應，僅形成少量水。然而，與電池不同，燃料電池需要浸泡在持續的燃料供應中——血液或間質液可以輕鬆提供。
2003 年，德克薩斯大學奧斯汀分校的研究人員製造出一種從葡萄中發電的微型生物燃料電池，興奮感開始累積。從那時起，少數幾個研究小組已經展示了實用的裝置。過去的模型需要體內找不到的酸性條件，但法國格勒諾布林約瑟夫·傅立葉大學的研究人員將生物相容性酶封裝在石墨基底上，從而產生了更溫和的化學反應。他們的圓盤形電池直徑只有一角硬幣的一半，略薄一些。它包裹在用於透析袋的材料中，這種材料允許小葡萄糖分子進入，但阻止酶逸出。在 2010 年的實驗室大鼠實驗中，該裝置從間質液中提取葡萄糖，並在 11 天內產生了 1.8 微瓦的穩定功率輸出。
今年，麻省理工學院的研究人員朝著商業化邁出了又一步。工程師拉胡爾·薩佩什卡爾在矽晶片上構建了一個燃料電池作為積體電路，他說，使用了“與半導體相同的易於製造的工藝”。他的團隊希望使用腦脊液為腦機介面供電。腦脊液可以緩衝大腦和脊髓，含有大量的葡萄糖，但免疫系統細胞很少，這些細胞可能會排斥植入物。
薩佩什卡爾製造了鉑電極，這種電極不會刺激組織或腐蝕，德國弗萊堡大學的化學工程師斯文·克爾岑馬赫指出，他也正在他的設計中使用這種材料。儘管如此，身體可能會反對這種入侵；克爾岑馬赫說，生物相容性是最大的障礙。他說，他的原型燃料電池在實驗室的緩衝溶液中效果良好，但在體液測試中，血液或血清中的氨基酸導致裝置失去動力。
雖然克拉克森大學的一個研究小組已經將生物燃料電池植入蝸牛體內，但格勒諾布林研究小組仍然是唯一一個成功地在脊椎動物體內執行葡萄糖燃料電池的小組。麻省理工學院的設計尚未在腦脊液中進行測試，而是在近似體液化學性質的緩衝液中進行了測試。然而，薩佩什卡爾樂觀地認為，生物燃料電池可能會在 10 年內進入市場。他的矽器件每平方釐米產生 3.4 微瓦的可靠功率輸出。目前的起搏器需要 8 到 10 微瓦，這是一個可行的目標。人工耳蝸植入物需要幾毫瓦，而人造器官則需要更多。
隨著糖動力植入物的進步，它們正在開啟微型醫療裝置的可能性。也許有一天，依靠葡萄糖執行並投放靶向藥物的奈米級機器人將從科幻小說走向現實。——瑪麗莎·費森登
電子紋身 超薄、柔性感測器可以裝飾包裝、配件，甚至我們的身體
工程師們已經在柔性塑膠上構建了電路，但電子產品可能很快就會達到更柔韌的領域：我們可以像紋身一樣佩戴在身上的電路，以監測我們的生命體徵。這些電路也可以編織到衣服中，為我們的智慧手機供電，並編織到食品包裝中，以提醒我們注意汙染。
約翰·羅傑斯是伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的材料科學家，他沒有尋找可以導電的柔性物質，而是想到了將常見的矽電路變得可彎曲。他和馬薩諸塞州劍橋市的mc10公司的工程師們，使用成熟的製造工藝，將通常幾毫米厚的矽微晶片打磨到10或20微米。他們還設計了超薄導線，將這些晶片相互連線，並連線到傳統的輸入輸出埠——這些導線可以彎曲、摺疊和拉伸到其原始尺寸的兩倍。
mc10公司研發副總裁凱文·道林將這種結構比作“島嶼[晶片]被錨定，而它們之間是互連的海洋”，這些互連可以拉伸或彎曲。“如果你拿一個彈簧鋼製成的Slinky玩具，鋼本身並不能拉伸太多，”道林解釋說。“但是Slinky玩具可以拉伸到其原始長度的40到50倍，而不會超過鋼的塑性極限。同樣地，我們可以製造金屬或矽互連線。”
羅傑斯是mc10公司的聯合創始人，他的實驗室是該公司事實上的研發部門。他說，在未來5到10年內，可拉伸電子產品將以不超過創可貼的厚度出現。這些感測器可以監測人的身體，並無線傳輸結果。mc10公司已經與銳步公司簽訂了服裝健康監測器的合同。該公司還與美國陸軍簽訂了合同，以確定是否可以生產可以整合到士兵服裝和揹包中的柔性太陽能電池。今年4月，NASCAR賽車手保利·哈拉卡在比賽中測試了一種透明的皮膚貼片。該貼片測量了哈拉卡的補水水平，這在可能將車手烘烤數小時的駕駛艙中是一個重要的考慮因素。其他工程師也在追求柔性生物醫學紋身，包括德克薩斯大學奧斯汀分校的南舒·盧和首爾高麗大學的一個團隊。
類似創可貼的感測器可以在身體上停留長達一週，充當“生物郵票”或醫療紋身，可以測量心率和排汗量。該電路非常薄且透明，看起來就像皮膚上的一小塊透明薄膜。
有一天，這種電路可能會嵌入心臟或大腦內部。羅傑斯設想，患有心律失常的心臟可以包裹在人造囊中，該人造囊可以電子地感知並糾正器官的缺陷節律。這種囊可以向心髒的任何位置傳遞可變的電刺激，從而比起搏器更細緻地塑造心臟的跳動。羅傑斯還設想了“燒傷部位的人造皮膚，以提供人造血管系統，同時提供藥物輸送和刺激，以加速傷口癒合。”
如果mc10公司的技術能夠擴大規模，一種產品可能是成卷的貼紙，每個貼紙都是一個感測器。一個人可以用微型貼紙給房間裝上竊聽器，以拾取聲音。矽晶片可以感知的任何東西——應變、振動、電場——都可以透過紙一樣薄的小型感測器來測量。這些裝置可以佩戴在身上或衣服上，可以由微弱的電磁場供電，然後可以使用相同的磁場透過人們的智慧手機報告資訊。
廣泛應用將取決於電子產品製造商的技術創新，這些製造商獲得了mc10公司的技術許可。與其他變革性電子創新一樣——想想現在照亮從家用燈泡到雜貨店一切事物的LED——最終取決於成千上萬的消費裝置製造商如何最好地應用這項基礎技術。——克里斯托弗·米姆斯
家用無人機 微型無人飛機已準備好警告您交通狀況或在您的後院監視您
從天空向下看的空中眼睛已經在改變科學的完成方式和戰爭的進行方式，而商業化的無人機隊註定將徹底改變我們的生活方式。
瑞士聯邦理工學院的連品閣和英國利物浦約翰摩爾斯大學的塞爾吉·維奇等科學家正在幫助創造這個有趣且可能令人不安的未來。在花費兩年半時間和25萬美元在蘇門答臘島徒步追蹤猩猩之後，科和維奇設計了一種更快、更便宜的方法。他們購買了一架電池驅動的模型飛機，並添加了一個廉價的開源自動駕駛儀和高解析度攝像頭。他們花費不到2000美元，就建立了一架保護無人機——一架翼展4.5英尺的自主飛機，它使用GPS訊號飛行預先程式設計的路線，並帶回關於猩猩巢穴和新的森林砍伐區域的非常詳細的圖片和資料。“我們仍然對從現成的元件組裝起來如此容易感到驚訝，”科說。
2012年初的首次測試非常成功，以至於其他自然資源保護主義者一直在 clamoring 想要他們自己的飛機。科和維奇與一家瑞士初創公司合作，現在已經制造了20多架無人機。
軍方已經依賴於大型無人機，如捕食者無人機來打擊敵人，以及小型自主飛機和直升機來偵察車隊的路徑或找出伏擊。官員們使用它們來發現美國-墨西哥邊境沿線的非法活動。但平民愛好者也加入了進來；他們定製了無人機來抓捕汙染者、檢查鑽井平臺，併為電影和房地產列表拍攝令人驚歎的照片。“無人機將以深刻的方式改變世界，”內布拉斯加大學林肯分校的記者出身的教授馬修·韋特說，他正在探索無人機在新聞業中的應用。
這場革命正在快速的技術進步的推動下進行。憑藉強大的智慧手機晶片和 Arduino 等開源硬體平臺，DIY愛好者和 DIY Drones 等社群已經開始構建廉價但精密的自動駕駛儀，將無線電控制飛機轉變為自主飛機。為軍方製造無人機的公司正在向警察部門和政府機構推銷他們的產品。美國內政部已經從航空先驅 AeroVironment 公司獲得了60架 Raven 飛機，每架重4.8磅，用於觀察棲息的沙丘鶴，測量溪流溫度和沉積物流量等任務。未來的可能性似乎是無窮無盡的：憑藉精密的攝像頭和感測器，小型無人機可以告知作物何時需要水，繪製石油洩漏圖並報告交通擁堵情況。“我們才剛剛觸及可能性的冰山一角，”美國地質調查局國家無人駕駛飛機系統專案辦公室經理邁克·赫特說。
然而，完整的冰山將在幾年後才會出現，因為聯邦航空管理局已經禁止無人機的商業用途，擔心如果數千架無人駕駛飛機進入已經擁擠的天空，可能會發生混亂和事故。美國聯邦航空局基本上允許業餘愛好者、政府機構和研究人員飛行，並且通常將飛行高度限制在幾百英尺以內。但奧巴馬總統在2月份簽署的《2012年聯邦航空管理局現代化和改革法案》要求該機構制定規則，允許更多的民用用途。美國聯邦航空局正在與各公司合作開發關鍵技術：允許無人機感知和避開其他飛行物體的系統。最終規則預計將在2015年之前出臺，這將為商業應用的爆發開啟大門。
韋特認為，目前在爆發前的暫停是一個福音。“無人機引發了關於安全、倫理、法律和隱私的巨大問題，”他說。“但現在我們有一個難得的機會，在我們實際使用一項技術之前，先思考我們將如何使用它。”
——約翰·凱里
有關更多改變世界的想法，包括機器人救生員，請參閱 ScientificAmerican.com/dec2012/world-changing-ideas