如果能輕易地從沙漠空氣中獲取飲用水，而無需從電網獲取大量電力，那會怎麼樣？如果醫生可以在不使用任何刀片的情況下對疑似癌症進行活組織檢查，那會怎麼樣？如果我們不必等待太久才能得到結果，那會怎麼樣？使這些願景成為現實的技術有望在未來幾年變得越來越普遍。這份特別報告由《大眾科學》和世界經濟論壇專家網絡合作編寫和製作，重點介紹了 10 項此類新興技術。
為了選出今年新興技術報告的入選者，我們召集了一個由世界知名技術專家組成的指導小組。委員會提出了建議，並徵求了論壇專家網路和全球未來委員會成員、《大眾科學》顧問委員會以及其他關注學術界、商業界和政府部門新興研發成果的人士的建議。然後，該小組透過關注那些尚未普及但正在吸引更多資金或顯示出準備好進入下一階段跡象的技術，縮小了選擇範圍。這些技術還必須為社會和經濟帶來顯著效益，並具有改變既有做事方式的力量。——瑪麗埃特·迪克里斯蒂娜和伯納德·S·梅爾森
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1 公共衛生：陽光造水
從空氣中提取水分的技術現在由太陽能驅動
作者：唐娜·J·納爾遜和傑弗裡·卡貝克
數十億人在一年中的全部或部分時間裡缺乏清潔用水，或者必須長途跋涉才能取水。直接從空氣中提取水將對他們來說是不可估量的福音。但是，現有技術通常需要高溼度氣候和大量電力，這既昂貴又常常無法獲得。由於正在開發的穩健系統依賴於易於獲得的太陽能，這個問題現在變得更容易解決。它們是可擴充套件的，甚至可以在乾旱地區工作——世界三分之一的人口居住在乾旱地區，而且常常很貧困。
麻省理工學院和加州大學伯克利分校的合作者測試了一種完全不需要電力的方法。該團隊的目標是使其技術克服大多數能夠從大氣中吸收水分的材料（例如加溼器中的沸石）的一個顯著問題：除了需要高溼度外，它們只有在被大幅加熱時才會釋放出捕獲的水，這需要能量。
圖片來源：埃裡克·彼得森
研究人員圍繞一類稱為金屬有機框架 (MOF) 的多孔晶體設計了他們的系統，這些晶體是化學家奧馬爾·M·亞吉在多年前開發的，他現在在加州大學伯克利分校小組工作。透過選擇金屬和有機物的特定組合，科學家可以選擇每種 MOF 的化學性質，從而定製其用途。除了其多功能性外，MOF 的巨大前景還在於其驚人的大孔：其內部表面積幾乎是多孔沸石的 10 倍。作為參考，一克 MOF 晶體（大小如方糖）的內部表面積大約等於一個足球場的面積。
今年 4 月，亞吉的小組與麻省理工學院機械工程師伊芙琳·王的小組一起，報告了一種原型裝置，該裝置採用了 MOF-801 或富馬酸鋯，它對水具有很高的親和力。它將空氣中的水分吸入其大孔中，並在自然陽光的低等級熱量的響應下，輕鬆地將水輸送到收集器中。即使在相對溼度低至 20%（類似於沙漠的溼度）的條件下，該裝置每天每公斤 MOF 也能收集 2.8 升水。（據亞吉稱，一個人每天至少需要相當於一罐蘇打水的水量，即 355 毫升飲用水。）此外，它不需要額外的能量輸入。研究人員看到了更大的改進空間。進一步的 MOF 成分實驗應使該技術更便宜（鋯目前每公斤 150 美元），增加單位材料收集的水量，並使研究人員能夠根據不同的微氣候定製 MOF。
採取不同策略的亞利桑那州斯科茨代爾市的一家名為 Zero Mass Water 的初創公司已開始銷售一種基於太陽能的系統，該系統無需連線到電網或現有供水系統。太陽能電池板提供的能量既驅動空氣透過專有的吸水材料，又為提取的水分冷凝成液體提供動力。當陽光不充足時，小型鋰離子電池驅動裝置執行。該公司表示，一個帶有一個太陽能電池板的裝置每天可以生產兩到五升液體，這些液體儲存在 30 升的儲水箱中，其中添加了鈣和鎂，以促進健康和改善口感。
Zero Mass Water 的創始人、亞利桑那州立大學的材料科學家科迪·弗裡森開發該系統的目的是使其在全球任何地方都能可持續且輕鬆地工作。在美國，安裝一個太陽能電池板的系統售價約為 3,700 美元。這個價格標籤包括必須捐贈 10% 的款項，用於降低在全球缺乏供水基礎設施的地區的安裝成本。弗裡森指出，在美國減少瓶裝水需求的同一裝置也可以為缺水的學校提供清潔用水，以便孩子們“能夠接受教育，而不是生病”。
他說，在過去一年中，系統已部署在美國西南部和其他幾個國家/地區——其中包括墨西哥、約旦和阿拉伯聯合大公國——該公司最近在美國國際開發署的資助下向黎巴嫩運送了面板，為敘利亞難民提供用水。弗裡森補充說，當大多數人想到太陽能時，“他們想到的是電力。在未來，人們會想到水的充足供應。”
2 能源：人造葉片燃料
模仿光合作用的技術以可持續的方式將二氧化碳轉化為燃料
作者：哈維爾·加西亞·馬丁內斯
人造葉片的想法非常有道理。當然，葉片利用太陽的能量將二氧化碳轉化為碳水化合物，為植物的細胞活動提供能量。幾十年來，科學家們一直在努力設計一種類似於光合作用的過程，以產生可以儲存起來供以後使用的燃料。這可以解決太陽能和風能的一個主要挑戰——在陽光不充足和空氣靜止時提供一種儲存能量的方法。
多年來，許多研究人員為開發一種人工光合作用形式做出了貢獻，在這種形式中，陽光啟用的催化劑分解水分子，產生氧氣和氫氣——後者是一種有價值的化學物質，可用於各種可持續技術。更接近實際光合作用的一步是利用這種氫氣進行還原反應，將 CO2 轉化為碳氫化合物。像真正的葉片一樣，該系統將僅使用 CO2、水和陽光來生產燃料。這一成就可能是革命性的，能夠建立一個閉合系統，其中燃燒排放的二氧化碳被轉化回燃料，而不是增加大氣中的溫室氣體。
幾位研究人員正在追求這個目標。最近，一個小組證明，有可能將水分解和 CO2 轉化為燃料結合到一個系統中，並具有很高的效率。在 2016 年 6 月的《科學》雜誌上，哈佛大學的丹尼爾·G·諾塞拉和帕梅拉·A·西爾弗及其同事報告了一種製造液體燃料（特別是雜醇油）的方法，該方法遠遠超過了天然葉片將二氧化碳轉化為碳水化合物的效率。植物僅使用從太陽獲得的能量的 1% 來製造葡萄糖，而人工系統在將二氧化碳轉化為燃料方面的效率約為 10%，相當於每千瓦時發電量從空氣中提取 180 克二氧化碳。
研究人員將無機太陽能水分解技術（旨在僅使用生物相容性材料並避免產生有毒化合物）與專門設計用於生產燃料的微生物配對，所有這些都在一個容器中完成。值得注意的是，這些代謝工程細菌即使在低 CO2 濃度下也能產生各種各樣的燃料和其他化學產品。該方法已準備好擴大規模，以至於催化劑已經包含廉價、容易獲得的金屬。但是研究人員仍然需要大大提高燃料產量。諾塞拉說，該團隊正在努力製作該技術的原型，並正在與幾家公司進行合作討論。
諾塞拉對這項基礎技術有一個更大的願景。除了以可持續的方式生產富含氫和碳的燃料外，他還證明，為該系統配備另一種代謝改變的細菌可以在土壤中直接生產氮基肥料，這種方法將提高傳統肥料不易獲得的地區的作物產量。細菌利用氫氣和 CO2 形成一種生物塑膠，用作燃料供應。一旦微生物含有足夠的塑膠，它就不再需要陽光，因此可以埋在土壤中。在從空氣中吸收氮氣後，它利用塑膠中的能量和氫氣來製造肥料。在含有微生物的土壤中生長的蘿蔔最終比對照蘿蔔重 150%。
諾塞拉承認，他最初只是為了看看這個想法是否可行而進行了肥料測試。然而，他設想，未來細菌將“吸入”水分解產生的氫氣，並最終利用氫氣生產從燃料到肥料、塑膠和藥物等各種產品，具體取決於為這些細菌設計的特定代謝改變。
3 計算：像人類一樣看世界的 AI
用於視覺任務的深度學習工具正在改變醫學、安全等領域
作者：阿普夫·米什拉
在過去的 30 年中，計算機視覺技術一直難以表現良好，即使是在像準確識別照片中的人臉這樣平凡的任務中也是如此。然而，最近，深度學習（人工智慧的一個新興領域）的突破最終使計算機能夠像人類一樣成功地，甚至比人類更好地解釋許多種類的影像。公司已經開始銷售利用該技術的產品，該技術很可能接管或協助人們現在從事的各種工作，從駕駛卡車到解釋掃描結果以診斷醫療疾病。
卷積神經網路 (CNN) 這種深度學習方法最近的進展是最新進展的關鍵。為了舉一個簡單的例子來說明它的威力，請考慮動物影像。雖然人類可以很容易地區分貓和狗，但 CNN 可以讓機器比人類更成功地對特定品種進行分類。它之所以出色，是因為它能夠更好地學習，並從影像中微妙的、有說服力的模式中得出推論。
圖片來源：埃裡克·彼得森
CNN 不需要被程式設計來識別影像中的特定特徵——例如，動物耳朵的形狀和大小。相反，它們被教導要自己發現這些特徵。例如，為了訓練 CNN 將英國激飛獵犬與威爾士激飛獵犬區分開來，您需要從數千張動物影像開始，包括這兩個品種的示例。像大多數深度學習網路一樣，CNN 以層級結構組織。在較低層，它們從影像中學習簡單的形狀和邊緣。在較高層，它們學習複雜和抽象的概念——在本例中，是耳朵、尾巴、舌頭、毛皮紋理等的更詳細方面。經過訓練後，CNN 可以輕鬆地判斷動物的新影像是否顯示了感興趣的品種。
CNN 的實現得益於過去十年圖形處理單元和並行處理的巨大進步。但網際網路也透過滿足 CNN 對數字化影像的無限需求而產生了深遠的影響。
由深度學習驅動的計算機視覺系統正在為各種應用而開發。該技術透過增強識別行人的能力，使自動駕駛汽車更安全。保險公司開始應用這些工具來評估汽車損壞程度。在安防攝像頭行業，CNN 使理解人群行為成為可能，這將使公共場所和機場更安全。在農業領域，深度學習應用可用於預測作物產量、監測水位，並幫助在作物疾病蔓延之前檢測到它們。
用於視覺任務的深度學習正在醫學領域取得最廣泛的進展，它可以加快專家對掃描結果和病理切片的解讀速度，並在缺乏受過影像解讀專業培訓人員的地方提供關鍵資訊——無論是用於篩查、診斷、疾病進展監測還是治療反應。例如，今年，美國食品和藥物管理局批准了初創公司 Arterys 的一種深度學習方法，用於視覺化心臟中的血流；目的是幫助診斷心臟病。同樣在今年，斯坦福大學的塞巴斯蒂安·特倫及其同事在《自然》雜誌上描述了一個系統，該系統對皮膚癌的分類與人類皮膚科醫生一樣出色。研究人員指出，這種安裝在智慧手機上的程式（智慧手機在世界各地無處不在）可以提供“低成本的普及性重要診斷護理”。人們還在開發用於評估糖尿病視網膜病變（一種導致失明的原因）、中風、骨折、阿爾茨海默病和其他疾病的系統。
4 工程：精準農業
感測器、成像和即時資料分析提高了農場產量並減少了浪費
作者：傑弗裡·林和布萊克·貝克斯廷
隨著世界人口的增長，農民將需要生產越來越多的糧食。然而，耕地面積無法跟上步伐，迫在眉睫的糧食安全威脅很容易演變成區域甚至全球不穩定。為了適應，大型農場越來越多地利用精準農業來提高產量、減少浪費並減輕不可避免地伴隨農業不確定性的經濟和安全風險。
傳統農業依賴於管理整個田地——根據區域條件和歷史資料做出與種植、收穫、灌溉以及施用殺蟲劑和肥料相關的決策。相比之下，精準農業結合了感測器、機器人、GPS、地圖繪製工具和資料分析軟體，以定製植物獲得的護理，所有這些都無需增加勞動力。固定或機器人安裝的感測器和配備攝像頭的無人機無線傳輸有關單個植物的影像和資料——例如，有關莖的大小、葉片的形狀以及植物周圍土壤的溼度資訊——給計算機，計算機尋找健康和壓力的跡象。農民即時接收反饋，然後僅對需要澆水的區域進行校準劑量的水、殺蟲劑或肥料。該技術還可以幫助農民決定何時種植和收穫作物。
因此，精準農業可以改善時間管理、減少用水和化學品使用量，並生產更健康的作物和更高的產量——所有這些都有利於農民的利潤，並在減少化學徑流的同時節約資源。
圖片來源：埃裡克·彼得森
許多初創公司正在開發用於精準農業的新軟體、感測器、基於空中的資料和其他工具，孟山都、約翰迪爾、陶氏和杜邦等大型公司也是如此。美國農業部、NASA 和美國國家海洋和大氣管理局都支援精準農業，許多大學現在都開設了關於該主題的課程。
在一個相關的發展中，種子生產商正在應用技術來改進植物“表型分析”。透過長期跟蹤單個植物並分析哪些植物在不同條件下生長茂盛，公司可以將植物對環境的反應與其基因組聯絡起來。反過來，這些資訊使公司能夠生產出在特定土壤和天氣條件下茁壯成長的種子品種。先進的表型分析也可能有助於生產營養成分增強的作物。
由於各種原因，種植者並非普遍接受精準農業。前期裝置成本——尤其是將技術擴充套件到大型行栽作物生產系統的成本——構成了一個障礙。在某些地方，缺乏寬頻可能是一個障礙，儘管美國農業部正在努力改善這個問題。經驗豐富的、計算機知識較少的生產者可能對這項技術持謹慎態度。大型系統將超出發展中國家許多小型農業經營者的承受能力。但價格較低、更簡單的系統有可能得到應用。例如，悉尼大學的薩拉赫·蘇卡里耶在印度尼西亞演示了一種簡化的、低成本的監控系統，該系統依賴於太陽能和手機。然而，對於其他人來說，未來的成本節約可能會抵消財務方面的擔憂。無論一些經驗豐富的農民可能多麼不情願採用新技術，下一代精通技術的農民都可能會歡迎這種方法。
本文中包含的觀點、意見和發現均為作者的觀點，不應被解釋為代表國防高階研究計劃局或國防部的官方觀點或政策，無論是明示的還是暗示的.
5 醫學和生物技術：繪製每個細胞的圖譜
一項全球專案旨在瞭解所有人類細胞型別的功能
作者：李相燁
要真正、深入地瞭解人體的工作原理以及疾病的產生方式，您需要大量的資訊。您需要知道每種組織中每種細胞型別的身份；每種型別中哪些基因、蛋白質和其他分子處於活躍狀態；哪些過程控制著這種活動；細胞的確切位置；細胞之間通常如何相互作用；以及當細胞的遺傳或其他方面發生變化時，身體功能會發生什麼變化，以及其他細節。建立這樣一個豐富、複雜的知識庫似乎是不可能的。然而，一個廣泛的國際研究小組聯盟已經邁出了建立它的第一步。他們稱之為人類細胞圖譜。
該聯盟於 2016 年 10 月舉行了首次規劃會議，並繼續組織。陳·扎克伯格倡議組織也加入了進來。2017 年 6 月，它宣佈將提供資金和工程支援，以構建一個開放的資料協調平臺來組織研究結果，以便專案內外的研究人員可以輕鬆共享這些結果。
圖譜將結合現有和未來研究專案的資訊，這要歸功於一系列技術成就。這些成就包括用於分離單個細胞的工具、用於分析給定時間單個細胞中蛋白質的工具（蛋白質是人體內的主要主力軍）以及用於快速且廉價地對 DNA 和 RNA 進行測序的工具的進步。它將整合探索所有“組學”的研究：基因組（全套基因）、轉錄組（由基因產生的 RNA）、蛋白質組（蛋白質）、代謝組（小分子，如糖、脂肪酸和氨基酸，參與或由細胞過程產生）和通量組（代謝反應，其速率在不同條件下可能會發生變化）。然後，這些發現將被對映到細胞的不同亞區域。整合的結果應該會產生一個工具，該工具將模擬我們體內所有型別的細胞和狀態，並提供對疾病過程的新理解以及干預疾病過程的方法。
細胞圖譜最先進的部分之一是不斷更新的人類蛋白質圖譜。它讓人們可以一窺構建傘狀專案的全面工作，以及它最終將帶來的價值。
人類蛋白質圖譜的參與者已經使用基因組學、轉錄組學、蛋白質組學和基於抗體的譜分析（可識別位置）的組合對人類中絕大多數蛋白質編碼基因進行了分類。自該計劃於 2003 年啟動以來，大約 100 人年的軟體開發工作已用於跟蹤和組織用於系統級分析的資料。病理學家生成並註釋了超過 1000 萬張影像。該圖譜包括 30 個亞細胞區室或各種細胞的細胞器中超過 12,000 種蛋白質位置的高解析度圖譜。
所有研究結果都免費提供給研究界。使用者可以查詢資料庫以探索任何主要器官或組織中的蛋白質，或者他們可以關注具有特定性質的蛋白質，例如參與基本細胞維護或僅在特定組織中出現的蛋白質。這些資料還可以幫助模擬使生命成為可能的眾多動態、相互作用的成分，並可用於探索新療法的想法。
完成人類細胞圖譜並非易事，但它將成為改善和個性化醫療保健的無比寶貴的工具。
6 醫學和生物技術：液體活檢
超靈敏血液測試有望改善癌症診斷和護理
作者：阿普夫·米什拉
疑似患有癌症的患者通常會接受影像學檢查和活組織檢查。切除腫瘤樣本，在顯微鏡下檢查，並經常進行分析以查明導致惡性腫瘤的基因突變。這些資訊共同幫助確定癌症的型別、晚期程度以及最佳治療方法。然而，有時無法進行活組織檢查，例如當腫瘤難以觸及時。獲取和分析組織也可能既昂貴又緩慢。而且由於活組織檢查具有侵入性，因此可能導致感染或其他併發症。
一種稱為液體活檢的工具——可在簡單的血液樣本中發現癌症跡象——有望解決這些問題以及更多問題。幾十家公司正在開發自己的技術。觀察家預測，這些測試的市場價值可能達到數十億美元。
該技術通常專注於迴圈腫瘤 DNA (ctDNA)，這是一種從癌細胞中常規進入血液的遺傳物質。直到最近，先進技術才使快速且廉價地發現、擴增和測序 DNA 成為可能。
目前，幾家公司提供的測試主要用於輔助已確診患有某種癌症（如前列腺癌或肺癌）的人的治療決策。但液體測試可以提供組織活檢無法提供的額外服務。重複測試可能會在疾病引發症狀或出現在影像學檢查之前很久就檢測到疾病進展或對治療的耐藥性。組織活檢僅檢查腫瘤的選定部分，因此可能會遺漏那些比鄰居更危險的細胞；原則上，液體活檢可以檢測腫塊中的全譜突變，從而指示何時需要更積極的治療。至關重要的是，液體活檢有一天可能會為看似完全健康的人提供一種快速、簡便的篩查測試，以檢測癌症並確定其型別。
作為該領域日益增長的熱情的標誌，Illumina 的一家衍生公司 GRAIL 在今年 3 月從包括亞馬遜和幾家主要製藥公司在內的投資者那裡籌集了 9 億美元的資金。GRAIL 計劃利用這筆資金進一步開發該技術，並進行大型臨床試驗（涉及數十萬名受試者），以瞭解篩查是否可行。同樣在 3 月，總部位於加利福尼亞州的公司 Freenome 收到了 6500 萬美元用於臨床試驗，預計將與多個研究合作伙伴進行，以確定該測試是否能改善癌症患者的預後。今年 5 月，Guardant Health 宣佈，除了早期的資金外，它還從投資者那裡籌集了 3.6 億美元，目標是在未來五年內將其液體活檢測試推廣到 100 萬人。
為了使這些測試得到廣泛使用，臨床試驗必須證明該方法能夠準確檢測癌症，並且透過輔助治療決策，它可以提高疾病進展率和生存率。
7 汽車：面向大眾的氫動力汽車
減少貴金屬使燃料電池催化劑價格實惠
作者：唐娜·J·納爾遜
不排放二氧化碳的電池動力電動汽車即將成為主流。今天，它們在全球道路上的所有車輛中所佔比例不到 1%，但電池成本和壽命等功能的多次創新已使價格具有如此競爭力，以至於特斯拉對其 35,000 美元的 Model 3 車型的預訂量已超過 40 萬輛，該車型預計將於 2018 年年中上市。
不幸的是，另一種不排放碳排放的汽車的偉大希望——氫燃料電池汽車——對於廣泛銷售來說仍然過於昂貴。（豐田 Mirai 的製造商標價為 57,500 美元。）然而，許多實驗室和企業決心透過更換燃料電池中最昂貴的元件之一：催化劑來降低成本。許多商業版本都含有貴金屬鉑金，除了價格昂貴之外，鉑金也太稀有，無法支援在車輛中的普遍使用。
研究人員正在採取多種方法來減少鉑金含量：更有效地利用鉑金，用鈀金（效能相似且價格略低）替代部分或全部鉑金，用廉價金屬（如鎳或銅）替代鉑金或鈀金，以及完全放棄金屬。商業催化劑往往由沉積在碳膜上的鉑奈米顆粒薄層組成；研究人員也在測試替代基材。
石溪大學的 Stanislaus S. Wong 與布魯克海文國家實驗室的 Radoslav R. Adzic 密切合作，他是領導這項工作的領導者之一。例如，他和他的同事們將相對少量的鉑金或鈀金與更便宜的金屬（如鐵、鎳或銅）結合起來，生產出許多合金品種，這些合金品種比商業催化劑活性高得多。Wong 的小組已將金屬製成超薄一維奈米線（直徑約為 2 奈米）。這些奈米線具有高表面積與體積比，這增加了催化反應的活性位點數量。
當然，不含鉑金的催化劑將是理想的選擇。對它們的研究更新，但正蓬勃發展。2016 年末，韓國蔚山國家科學技術研究所 (UNIST) 的 Sang Hoon Joo 報告稱，摻鐵和氮的碳奈米管催化劑的活性與商業催化劑相當。此外，凱斯西儲大學的 Liming Dai 及其同事發明了一種完全不使用金屬的催化劑；它是一種摻氮和磷的碳泡沫，其活性與標準催化劑一樣高。
Wong 指出，發明和製備具有優異催化活性的材料只是挑戰的一部分。研究人員還在努力擴大現有實驗室生產方法，以確保最佳候選者的活性和耐久性的一致性。在他們努力的各個階段，實驗人員都在獲得理論家的幫助，理論家應用複雜的計算機模型來計算各種變數如何影響效能——從金屬奈米顆粒的化學成分、尺寸和形狀到支撐結構的結構。Wong 說，這種合作應該有一天能夠合理設計出用於價格實惠的燃料電池汽車的優質催化劑。
當然，可持續交通系統的目標不僅要求在駕駛過程中實現零碳排放，而且還要求在燃料（無論是電力還是氫氣）的生產和分配過程中實現零碳排放。更大的挑戰依然存在。
8 醫學和生物技術：基因組疫苗
由 DNA 或 RNA 組成的疫苗可以快速開發傳染病預防劑
作者：傑弗裡·林
預防傳染病的標準疫苗由滅活或減弱的病原體或來自這些微生物的蛋白質組成。它們的工作原理是教會免疫系統識別病原體表面某些被稱為抗原的蛋白質片段，將其視為敵人。這樣，免疫系統就準備好在下次遇到這些外來抗原時立即做出反應。（許多現代疫苗只提供抗原，不包含病原體。）治療癌症的疫苗也依賴蛋白質，醫生可能會將這些蛋白質輸送給患者，以增強免疫反應。這些蛋白質可以包括免疫系統自身的制導導彈：抗體。
相比之下，一種新型疫苗由基因組成，有望在醫學領域取得重大進展。基因組疫苗有望提供許多優勢，包括在寨卡病毒或埃博拉病毒等病毒突然變得更具毒性或更廣泛傳播時，能夠更快地生產。它們已經醞釀了幾十年，但現在已有數十種進入臨床試驗階段。
基因組疫苗以 DNA 或 RNA 的形式存在，這些 DNA 或 RNA 編碼所需的蛋白質。注射後，基因進入細胞，然後細胞大量生產選定的蛋白質。
與在細胞培養物或雞蛋中生產蛋白質相比，生產遺傳物質應該更簡單且成本更低。此外，單個疫苗可以包含多種蛋白質的編碼序列，並且如果病原體發生突變或需要新增新特性，可以很容易地進行更改。例如，公共衛生專家每年都會修訂流感疫苗，但有時他們選擇的疫苗與流感季節到來時流行的毒株不匹配。未來，研究人員可以對流行毒株的基因組進行測序，並在短短幾周內生產出更匹配的疫苗。
基因組學還為一種稱為被動免疫轉移的疫苗接種方法帶來了一種新的變化，在這種方法中，輸送的是抗體而不是抗原。科學家現在可以識別對某種病原體具有抵抗力的人，分離出提供保護的抗體，並設計一個基因序列，誘導人體細胞產生這些抗體。
考慮到這些目標，美國政府、學術實驗室以及大大小小的公司都在積極研究這項技術。一系列用於測試安全性和免疫原性的臨床試驗正在進行中，包括禽流感、埃博拉病毒、丙型肝炎、艾滋病以及乳腺癌、肺癌、前列腺癌、胰腺癌和其他癌症。至少有一項試驗正在研究有效性：美國國立衛生研究院已啟動一項多中心臨床試驗，以觀察 DNA 疫苗是否可以預防寨卡病毒。
與此同時，研究人員正在努力改進這項技術——例如，尋找更有效的方法將基因匯入細胞，以及提高疫苗在高溫下的穩定性。口服給藥在醫療人員稀缺的地方將非常有價值，但在短期內不太可能實現，鼻腔給藥正在作為一種替代方案進行研究。人們對任何剩餘的障礙（如這些障礙）都能得到解決持樂觀態度。
9 能源：可持續社群
不是“綠化”單棟房屋，而是將整個街區的房屋改造成一個高效的整體
作者：丹尼爾·M·卡門
在過去的十年中，為減少能源和用水量而建造和改造單戶住宅的做法呈爆炸式增長。然而，一次性對多棟建築物應用綠色建築理念可能是一個更好的主意。共享資源和基礎設施可以減少浪費，而改造貧困或中等收入社群也可以為通常缺乏這種機會的人們帶來成本節約和現代技術。在社群層面開展工作確實增加了規劃的複雜性，但這些社群努力提供的回報是即使是綠色獨棟住宅也無法提供的。
其中一個例子是奧克蘭生態街區專案，該專案由我和我的同事哈里森·弗雷克（一位建築和城市設計教授）在加州大學伯克利分校領導。這是一個多學科的努力，涉及來自城市、州和聯邦政府、學術界、私營企業、非營利組織和基層組織的城市設計師、工程師、社會科學家和政策專家。
該計劃已經過詳細規劃，但尚未開始建設，它將在加州著名的金門大橋附近的中低收入社群改造 30 至 40 棟相連的舊房屋。其目標是應用現有技術，大幅減少化石燃料和水的消耗以及溫室氣體排放。我們預計，透過節省運營費用，可以迅速收回基礎設施上的支出，同時確保居民的長期舒適和安全。
圖片來源：埃裡克·彼得森
為了引入可再生能源，我們將在整個區域的建築物上安裝太陽能電池板，並將能量輸送到智慧微電網。多餘的太陽能將透過安置在公共建築中的飛輪儲存起來。居民還將共享電動汽車，這些汽車可以使用二十多個本地充電站。這些措施應將年度用電量減少一半以上，並將碳排放量降至零——考慮到美國超過四分之一的溫室氣體排放來自住宅，這是一項有價值的成就。
美國環境保護署估計，加州高達 50% 的家庭用水量用於草坪和花園。我們將處理和再利用來自廁所的廢水以及從排水溝和洗衣機排出的灰水。迴圈利用的液體將用於園藝和灌溉。我們將收集雨水並將其輸送到廁所和洗衣機，並安裝高效的固定裝置和水龍頭。同時，處理後的固體廢物將納入堆肥。我們的估計表明，生態街區的系統級重新設計將使飲用水需求減少高達 70%。
奧克蘭生態街區專案將提供當地建築工作，並幫助振興社群。如果它像我們預測的那樣成功，它可能會成為可持續發展的典範，可以在美國及其他地區複製。迄今為止，我們已收到來自歐洲、北非和亞洲的諮詢，證實人們對針對和重新設計整個社群而不僅僅是單棟住宅的廣泛興趣。
10 計算：量子計算
新的演算法和技術為創新應用打開了大門
作者：達里奧·吉爾
量子計算已經吸引了人們近 50 年的想象力。原因很簡單：它為解決經典計算機永遠無法解決的問題提供了一條途徑。示例包括精確模擬化學過程以開發新分子和材料，以及解決複雜的最佳化問題，這些問題旨在從許多可能的替代方案中找到最佳解決方案。每個行業都需要最佳化，這也是這項技術具有如此巨大顛覆性潛力的原因之一。
量子計算機透過利用量子力學的力量來解決問題。它們不是像經典計算機那樣一次考慮每個可能的解決方案，而是以經典類比無法解釋的方式執行。它們從所有可能解決方案的量子疊加開始，然後利用量子糾纏和量子干涉來逼近正確答案——這些過程我們在日常生活中觀察不到。
它們提供的希望是以難以構建為代價的。一種流行的設計需要超導材料，這些材料必須保持比外太空冷 100 倍的溫度，對精細量子態的精確控制，以及適當的遮蔽，以防止一絲雜散光線照射到處理器。直到最近，訪問新興量子計算機的許可權僅限於世界各地少數設施的專家。但過去幾年的進步使得世界上首批原型系統的構建成為可能，這些系統最終可以測試迄今為止純粹是理論的想法、演算法和其他技術。
現有機器仍然太小，無法完全解決比當今超級計算機能夠處理的更復雜的問題。儘管如此，已經取得了巨大的進步。已經開發出在量子計算機上執行速度更快的演算法。現在存在一些技術，與 10 年前相比，這些技術可以將超導量子位元中的相干性（量子資訊的壽命）延長 100 倍以上。我們現在可以測量最重要型別的量子誤差。2016 年，IBM 向公眾開放了雲端首臺量子計算機——IBM Q 體驗——它具有用於對其進行程式設計的圖形介面，現在又具有基於流行的程式語言 Python 的介面。開放這個系統推動了對這項技術進步至關重要的創新，並且已經有 20 多篇學術論文使用該工具發表。該領域正在迅速擴充套件。全球學術研究小組和 50 多家初創企業和大型公司都在致力於使量子計算成為現實。
憑藉這些技術進步和任何人都可以觸手可及的機器，現在是“量子就緒”的時候了。人們可以開始思考，如果今天存在可以解決複雜問題的機器，他們會做什麼。網上有很多量子計算指南可以幫助他們入門。
仍然存在許多障礙。相干時間必須延長；量子錯誤率必須降低，最終我們必須減輕或糾正確實發生的錯誤。研究人員將繼續推動硬體和軟體方面的創新。然而，研究人員對哪些標準應決定量子計算何時實現技術成熟存在分歧。有些人提出了一個標準，該標準由執行一項如此晦澀的科學測量能力來定義，以至於很難向普通大眾解釋清楚。我和其他人不同意，認為量子計算只有在能夠解決具有商業、智力和社會重要性的問題時，才能真正作為一項技術出現。好訊息是，那一天終於指日可待了。