2019 年十大新興技術

不久的將來，本報告中重點介紹的一項新興技術將使您能夠虛擬地傳送到一個遙遠的地方，並真正感受到網路旅行夥伴的握手和擁抱。同樣即將普及的還有：旨在與人交往的人形（和動物形）機器人；一個可在幾秒鐘內查明食物中毒爆發源頭的系統；將為微型相機和其他裝置鋪平道路的微小鏡頭；可以由原本無用的植物廢料製成的堅固、可生物降解的塑膠；能夠可靠地儲存海量資訊的基於 DNA 的資料儲存系統等等。

大眾科學》與世界經濟論壇一道，召集了一個由頂尖技術專家組成的國際指導小組，並進行了深入的流程，以確定今年的“十大新興技術”。在向全球其他專家徵求提名後，指導小組根據以下多項標準評估了數十項提案：建議的技術是否有可能為社會和經濟帶來重大利益？它們能否改變既定的做事方式？它們是否仍處於早期發展階段，但吸引了研究實驗室、公司或投資者的極大興趣？它們是否可能在未來幾年取得重大進展？該小組在四次虛擬會議中尋求了更多必要的資訊並完善了這份清單。

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1 環境：生物塑膠可以解決重大的汙染問題

先進的溶劑和酶正在將木質廢料轉化為更好的可生物降解塑膠

作者：哈維爾·加西亞·馬丁內斯

我們的文明建立在塑膠之上。世界經濟論壇的資料顯示，僅在 2014 年，工業界就生產了 3.11 億噸塑膠，預計到 2050 年將增加兩倍。然而，只有不到 15% 的塑膠被回收利用。其餘的大部分被焚燒、堆積在垃圾填埋場或被遺棄在環境中——由於它們能抵抗微生物的消化，因此可以在那裡持續數百年。積聚在海洋中的塑膠碎片會造成各種問題，從誤食後殺死野生動物到釋放有毒化合物。它甚至可能透過受汙染的魚類進入我們的身體。

可生物降解塑膠可以緩解這些問題，有助於實現“迴圈”塑膠經濟的目標，在這種經濟中，塑膠來源於生物質並轉化回生物質。與源自石化產品的標準塑膠一樣，可生物降解塑膠也由聚合物（長鏈分子）組成，這些聚合物在其流體狀態下可以模製成各種形狀。然而，目前可用的選擇——主要由玉米、甘蔗或廢油脂製成——通常缺乏標準塑膠的機械強度和視覺特性。最近在用纖維素或木質素（植物中的幹物質）生產塑膠方面的突破有望克服這些缺點。對於環境的額外好處是，纖維素和木質素可以從非食用植物中獲得，例如巨型蘆葦，生長在不適合糧食作物的邊際土地上，或者來自原本無用的廢木材和農業副產品。

纖維素是地球上最豐富的有機聚合物，是植物細胞壁的主要成分；木質素填充這些壁中的空間，提供強度和剛性。為了用這些物質製造塑膠，製造商必須首先將它們分解成其構建塊或單體。研究人員最近找到了分解這兩種物質的方法。木質素的研究尤為重要，因為木質素的單體由芳香環組成——這種化學結構賦予了一些標準塑膠的機械強度和其他理想特性。木質素不溶於大多數溶劑，但研究人員已經表明，某些環境友好的離子液體（主要由離子組成）可以選擇性地將其從木材和木本植物中分離出來。類似於真菌和細菌中的基因工程酶隨後可以將溶解的木質素分解成其成分。

各公司正在這些發現的基礎上進行發展。例如，倫敦帝國學院的分支機構 Chrysalix Technologies 開發了一種工藝，該工藝使用低成本離子液體從起始材料中分離纖維素和木質素。芬蘭生物技術公司 MetGen Oy 生產多種基因工程酶，這些酶將不同來源的木質素裂解成各種應用所需的成分。Mobius（前身為 Grow Bioplastics）正在開發基於木質素的塑膠顆粒，用於可生物降解的花盆、農業覆蓋物和其他產品。

在新型塑膠得到廣泛應用之前，必須克服許多障礙。其中之一是成本。另一個是最大限度地減少生產它們所使用的土地和水——即使木質素僅來自廢料，也需要水將其轉化為塑膠。與任何重大挑戰一樣，解決方案將需要一系列措施，從法規到社會使用和處置塑膠方式的自願改變。儘管如此，新興的可生物降解塑膠生產方法為更環保的溶劑和更有效的生物催化劑如何為主要行業創造迴圈經濟做出貢獻提供了一個完美的例子。

2 工程：社交機器人與他人友好相處

機器人朋友和助手正在更深入地滲透到我們的生活中

作者：科琳娜·E·拉坦和傑弗裡·林

在工業和醫學領域，機器人經常建造、拆卸和檢查物品；它們還在手術中提供協助，並在藥房中配發處方藥。它們和“社交”機器人——旨在與人互動並引發情感聯絡——都不像《傑森一家》的女僕羅西或其他受人喜愛的科幻機器人那樣行為。即便如此，預計社交機器人將在未來幾年變得更加複雜和普及。該領域似乎已經達到了臨界點，機器人比以往任何時候都具有更強的互動能力和執行更有用的任務。

與大多數機器人一樣，社交機器人使用人工智慧來決定如何根據透過攝像頭和其他感測器接收到的資訊採取行動。以看似逼真的方式做出反應的能力得益於對諸如感知如何形成、什麼是社交和情感智慧以及人們如何推斷他人的思想和感受等問題的研究。人工智慧的進步使設計人員能夠將此類心理學和神經科學見解轉化為演算法，使機器人能夠識別聲音、面孔和情緒；解釋言語和手勢；對複雜的口頭和非語言線索做出適當的反應；進行眼神交流；進行對話式交流；並透過從反饋、獎勵和批評中學習來適應人們的需求。

因此，社交機器人正在扮演著越來越多樣化的角色。例如，一款名為 Pepper（來自軟銀機器人公司）的 47 英寸人形機器人可以識別面孔和基本的人類情感，並透過其“胸部”的觸控式螢幕進行對話。全球約有 15,000 臺 Pepper 機器人提供酒店入住、機場客戶服務、購物協助和快餐結賬等服務。Temi（來自 Temi USA）和 Loomo（賽格威機器人公司）是下一代個人助理——類似於亞馬遜 Echo 和谷歌 Home，但具有移動性，提供了一個新的功能級別。例如，Loomo 不僅是伴侶，還可以根據命令轉變成滑板車以供運輸。

社交機器人對幫助世界日益增長的老年人口具有特殊的吸引力。PARO 治療機器人（由日本國立先進工業科學技術研究所開發），看起來像一隻可愛的海豹，旨在刺激和減輕患有阿爾茨海默病和其他護理機構患者的壓力：它透過移動頭部來回應它的名字，並且它會哭著求撫摸。Mabu（Catalia Health）作為健康助手與患者（尤其是老年人）互動，提醒他們散步、服藥和給家人打電話。社交機器人也作為玩具在消費者中越來越受歡迎。早期將社交行為融入玩具的嘗試，例如孩之寶的 Baby Alive 和索尼的 AIBO 機器狗，效果有限。但兩者都在復甦，最新版本的 AIBO 具有先進的語音和手勢識別功能，可以被教導技巧，並根據以前的互動開發新的行為。

2018 年全球消費機器人銷量估計達到 56 億美元，預計到 2025 年底市場將增長到 190 億美元，每年銷售超過 6500 萬臺機器人。考慮到多家資金充足的消費機器人公司（例如 Jibo 和 Anki）已經失敗，這種趨勢似乎令人驚訝。但是，大量機器人正在排隊取代已倒閉的機器人，包括 BUDDY（Blue Frog Robotics），這是一款大眼睛移動裝置，除了充當個人助理和提供家庭自動化和安全功能外，還可以玩遊戲。

3 工程：微型鏡頭將實現微型光學裝置的設計

纖薄、扁平的超透鏡可以取代笨重的玻璃來控制光線

作者：阿爾貝託·莫斯卡特利

隨著手機、電腦和其他電子產品變得越來越小，它們的光學元件卻固執地拒絕縮小。值得注意的是，使用傳統的玻璃切割和玻璃彎曲技術很難製造微型鏡頭，而且玻璃鏡頭中的元件通常需要堆疊才能正確聚焦光線。工程師們最近弄清楚了被稱為超透鏡的更小、更輕的替代品背後的大部分物理原理。這些鏡頭可以實現顯微鏡和其他實驗室工具以及消費產品（如相機、虛擬現實頭戴裝置和物聯網光學感測器）的更大程度的微型化。它們還可以增強光纖的功能。

超透鏡由一個比微米還薄的平面組成，該平面覆蓋著奈米級物體的陣列，例如突出的柱子或鑽孔。當入射光照射到這些元件時，它的許多特性都會發生變化——包括它的偏振、強度、相位和傳播方向。研究人員可以精確定位奈米級物體，以確保離開超透鏡的光具有選定的特性。更重要的是，超透鏡非常薄，以至於幾個超透鏡可以彼此疊放而不會顯著增加尺寸。研究人員已經演示了由這些平面堆疊而成的光學裝置，例如光譜儀和偏振計。

在去年的一項重大突破中，研究人員解決了一個稱為色差的問題。當白光穿過典型的鏡頭時，其各種波長的光線會以不同的角度發生偏轉，因此焦點與鏡頭的距離也不同；為了解決這種效應，今天的工程師需要以精細的對準方式分層鏡頭。現在，單個超透鏡可以將白光的所有波長聚焦到同一點上。除了建立這種“消色差”超透鏡外，科學家們還開發了可以校正其他像差（例如彗差和散光）的超透鏡，這些像差會導致影像失真和模糊。

除了縮小尺寸外，超透鏡最終還應降低光學元件的成本，因為可以使用半導體行業已使用的相同裝置來製造微型鏡頭。這一特性引發了製造（例如）微型光感測器的光學和電子元件並排排列的誘人前景。

然而，就目前而言，費用仍然很高，因為很難在釐米級晶片上精確定位奈米級元件。其他侷限性也需要解決。到目前為止，超透鏡的光傳輸效率不如傳統鏡頭——對於全綵成像等應用而言，這是一項重要的功能。此外，它們太小而無法捕獲大量光線，這意味著，至少目前，它們不適合拍攝高質量的照片。

儘管如此，在未來幾年，微型鏡頭可能會進入更小、更易於製造的感測器、診斷工具（例如內窺鏡成像裝置）和光纖。這些潛在應用非常具有吸引力，以至於吸引了政府機構以及三星和谷歌等公司的研究支援。至少有一家初創公司 Metalenz 預計將在未來幾年內將超透鏡推向市場。

4 醫學與生物技術：一類特殊的蛋白質為癌症和阿爾茨海默病的藥物提供了有希望的靶點

治療癌症和其他疾病的新可能性

作者：伊麗莎白·奧戴

幾十年前，科學家們確定了一類特殊的蛋白質，這些蛋白質驅動著從癌症到神經退行性疾病的疾病。“內在無序蛋白”（IDP）看起來與細胞中更常見的剛性結構的蛋白質不同。IDP 是變形者，表現為不斷改變構型的元件集合。事實證明，這種鬆散的結構使 IDP 能夠在關鍵時刻（例如在細胞對壓力的反應期間）將各種各樣的分子聚集在一起。不太靈活的蛋白質往往具有更有限數量的結合夥伴。當 IDP 功能不正常時，可能會導致疾病。

然而，醫學研究人員一直無法開發出消除或調節功能失調的 IDP 的療法。事實上，許多 IDP 被稱為不可成藥的。這是因為目前使用的大多數藥物都需要穩定的結構才能靶向，而 IDP 的停留時間不夠長。眾所周知的可能導致癌症的無序蛋白——包括 c-Myc、p53 和 K-RAS——已被證明過於難以捉摸。但這種情況開始發生變化。

科學家們正在使用生物物理學、計算能力以及對 IDP 功能方式的更好理解的嚴格組合來識別抑制這些蛋白質的化合物，並且其中一些已經成為真正的候選藥物。2017 年，法國和西班牙的研究人員證明，可以瞄準並擊中 IDP 可變的“模糊”介面。他們表明，一種 FDA 批准的名為三氟拉嗪（用於治療精神病和焦慮症）的藥物與 NUPR1（一種參與胰腺癌的無序蛋白）結合並抑制了它。評估數千種候選藥物的治療潛力的**規模篩選測試表明，有幾種藥物可以抑制 c-Myc，其中一些正在向臨床開發邁進。已經鑑定出其他分子可以作用於 IDP，例如與阿爾茨海默病等疾病有關的 β-澱粉樣蛋白。

這份清單將繼續增長，尤其是在 IDP 在稱為無膜細胞器的關鍵細胞部分中發揮的作用變得更加清晰之後。這些細胞器通常被稱為液滴或冷凝物，它們在特定時間將重要的細胞分子（例如蛋白質和 RNA）緊密結合在一起，同時將其他分子分開。鄰近性使某些反應更容易發生；分離阻止各種反應。科學家們設計了強大的新型分子操作工具，名稱分別為 Corelets 和 CasDrop，使研究人員能夠控制這些液滴的形成方式。利用這些工具和其他工具，研究人員瞭解到 IDP 可能有助於控制液滴的組裝、功能和分解。

這一發現非常重要，因為在液滴形成和分解過程中，IDP 會與各種結合夥伴相互作用，有時會在這樣做時保持新的形狀片刻。與尋找可以擊中其他偽裝中的 IDP 的化合物相比，可能更容易找到能夠發現並結合這些形狀的藥物。全球的研究人員正在率先努力揭示這些與液滴相關的機制。

工業界也在押注 IDP 的治療潛力。生物技術公司 IDP Pharma 正在開發一種蛋白質抑制劑來治療多發性骨髓瘤和小細胞肺癌。Graffinity Pharmaceuticals（現為 NovAliX 的一部分）已鑑定出靶向無序蛋白 tau 的小分子，tau 與阿爾茨海默病病理學有關。Cantabio Pharmaceuticals 正在尋找穩定參與神經退行性疾病的 IDP 的小分子。一家名為 Dewpoint Therapeutics 的新公司正在探索以下想法：液滴及其無序成分，由於它們將分子聚集在一起以增強反應的方式，可以用作藥物靶點。在未來三到五年內，這些曾經“不可成藥”的蛋白質很可能最終將成為藥物開發的焦點。

5 環境：更智慧的肥料可以減少環境汙染

新型配方可按需提供營養

作者：傑夫·卡貝克

為了養活世界不斷增長的人口，農民需要提高作物產量。施用更多的肥料可能會有所幫助。但是標準肥料的效率低下，並且經常會損害環境。幸運的是，更符合生態的產品——控釋肥料——已經上市，並且變得越來越智慧。

農民通常透過兩種方式給農作物施肥。他們向田地噴灑氨、尿素或其他與水反應時會產生營養物質氮的物質。他們施用鉀肥或其他礦物質顆粒以產生磷，這也是與水反應的結果。但是，相對而言，只有少量這些營養物質進入植物體內。相反，大部分氮進入大氣層成為溫室氣體，而磷最終進入流域，經常引發藻類和其他生物的過度生長。相比之下，控釋配方可以確保更高水平的營養物質到達農作物，從而在減少肥料用量的情況下提高產量。

一種稱為緩釋肥料的類別已經銷售了一段時間。這些配方通常由裝滿含有氮、磷和其他所需營養物質的物質的微小膠囊組成。外殼減緩了水進入內部內容物以釋放營養物質的速度，也減緩了最終產品從膠囊中逸出的速度。因此，營養物質是逐漸釋放出來的，而不是以浪費的、快速爆發的方式釋放出來，而這種方式無法被有效吸收。較新的配方包括可以進一步減緩營養物質釋放的物質，方法是減緩起始材料（例如尿素）向營養物質的轉化。

最近，已經開發出更充分符合“控釋”描述的肥料——這要歸功於複雜的材料和製造技術，這些技術可以調整外殼，使其在土壤的溫度、酸度或溼度變化時以所需的方式改變營養物質的釋放速率。透過組合不同型別的調整膠囊，製造商可以製造出具有針對特定作物或生長條件的需求量身定製的特性的肥料。海法集團和 ICL 特種肥料公司等公司都在提供更精確的控制。例如，海法將營養物質的釋放速率完全與溫度聯絡起來；隨著溫度升高，作物生長和營養物質排放速率同步增加。

儘管控釋技術提高了肥料的效率，但它們並沒有消除肥料使用的所有缺點。例如，這些產品仍然包括氨、尿素和鉀肥；生產這些物質是能源密集型的，這意味著它們的生產可能會導致溫室氣體排放和氣候變化。然而，透過使用環境更友好的氮源並加入可提高植物對氮和磷吸收效率的微生物，可以減輕這種影響。沒有證據表明構成外殼的材料會損害環境，但是每當大量引入任何新物質時，都必須監測這種風險。

控釋肥料是可持續農業方法（稱為精準農業）的一部分。這種方法透過結合資料分析、人工智慧和各種感測器系統來確定植物在任何給定時間需要多少肥料和水，並透過部署自主車輛以規定的量和地點輸送養分，從而提高作物產量並最大限度地減少過量營養物質的釋放。但是，安裝精密系統成本高昂，因此只有大規模運營才傾向於使用它們。相比之下，先進的控釋肥料相對便宜，並且可能成為幫助農民可持續地提高作物產量的第一線技術。

6 計算：協作式遠端呈現可以使距離（相對）變得毫無意義

虛擬聚會的參與者會感覺他們實際上在一起

作者：科琳娜·E·拉坦和安德魯·梅納德

想象一下，一群來自世界各地的人們流暢地互動，就好像他們實際上在一起一樣，甚至可以感受到彼此的觸控。將實現這種“協作式遠端呈現”的元件可以改變我們一起工作和娛樂的方式，使物理位置變得無關緊要。

正如 Skype 和 FaceTime 等視訊通話應用程式已使曾經是商業領域的東西廣泛普及到消費者一樣，大規模多人線上遊戲已徹底改變了人們在網際網路上的互動方式，協作式遠端呈現可以改變人們在商業及其他領域的虛擬互動方式。例如，醫療服務提供商將能夠像在同一個房間一樣遠端與患者一起工作。朋友和家人將能夠享受共同的體驗，例如在舒適的房間裡或遊覽新城市，即使他們實際上不在同一個地方。

幾個領域的進步使這種前景成為可能。增強現實 (AR) 和虛擬現實 (VR) 技術已經變得足夠強大和經濟實惠，可以廣泛採用。電信公司正在快速推出 5G 網路，以便能夠處理來自高階感測器陣列的大量資料，而不會出現延遲。創新者正在完善使人們能夠與遠端環境進行物理互動的技術，包括觸覺感測器，這些感測器使人們能夠感受到他們的機器人化身所觸控到的東西。協作式遠端呈現設想的完全感官沉浸將需要遠小於視訊通話可接受的延遲時間——並且它們有時甚至可能使 5G 網路不堪重負——但預測性人工智慧演算法可以消除使用者對時間間隔的感知。

儘管協作式遠端呈現仍然非常新興，但所有元件都已到位，使其在三到五年內變得具有變革性。例如，微軟和其他公司已經在投資有望在 2025 年之前支撐起一個價值數十億美元的產業的技術。XPRIZE 基金會發起了 1000 萬美元的 ANA 化身 XPRIZE 競賽（由全日空航空公司贊助），以啟動將“人類的感官、行動和存在即時傳輸到遠端位置，從而實現更緊密聯絡的世界”的技術。隨著各個部分被整合在一起，預計日常生活和工作將發生變化，其戲劇性程度將與智慧手機的廣泛採用所引發的變化一樣。

7 公共衛生：先進的食品追蹤和包裝將挽救生命並減少浪費

兩種技術的結合可以大大提高食品安全

作者：羅娜·錢德拉瓦蒂和伯納德·S·梅耶森

據世界衛生組織稱，每年約有 6 億人患上食物中毒，其中 42 萬人死亡。當疫情爆發時，調查人員可能需要花費數天或數週的時間來追蹤其來源。與此同時，更多的人可能會生病，並且大量未受汙染的食物可能會與受汙染的物品一起被丟棄。尋找來源可能是一項緩慢的工作，因為食物從農場到餐桌的路徑複雜，而且這些旅程的記錄儲存在通常彼此不通訊的本地系統中。

兩種技術的結合可以減少食物中毒和食物浪費。第一種是區塊鏈技術（以管理虛擬貨幣而聞名）的創新應用，它開始解決可追溯性問題。與此同時，增強型食品包裝正在提供新的方法來確定食品是否已在適當的溫度下儲存以及它們是否可能已開始變質。

區塊鏈是一種去中心化的會計系統，其中條目按順序記錄在儲存在多個位置的計算機上的多個相同的“賬本”中。這種冗餘使得篡改任何一個賬本都徒勞無功，從而建立了高度可信的交易記錄。專為食品行業開發的基於區塊鏈的雲平臺——IBM Food Trust——已被主要食品銷售商採用。（我們中的一位——梅耶森——隸屬於 IBM。）

透過在共同的區塊鏈上整合種植者、分銷商和零售商，Food Trust 建立了一個給定食品透過端到端供應鏈的可信記錄。在一項使用該技術的測試中，沃爾瑪在幾秒鐘內追蹤到了“受汙染”商品的來源；使用書面和數字記錄的標準組合，這將需要數天時間。藉助此功能，零售商和餐館可以實際上立即將受汙染的商品從流通中移除，並且僅銷燬來自同一來源（例如，特定長葉萵苣種植者）的庫存，而不是浪費整個國家的該商品庫存。許多食品行業巨頭——沃爾瑪、家樂福、山姆會員店、艾伯森公司、史密斯菲爾德食品公司、BeefChain、Wakefern Food（ShopRite 的母公司）和 Topco Associates（一家集團採購組織）——都加入了 IBM Food Trust。其他組織也引入了區塊鏈技術來增強可追溯性。

為了從一開始就預防食物中毒，研究實驗室和公司正在開發小型感測器，這些感測器可以監測托盤、箱子或單獨包裝產品中的食品質量和安全性。例如，Timestrip UK 和 Vitsab International 已獨立建立了感測器標籤，如果產品暴露於高於建議的溫度，這些標籤會改變顏色，而 Insignia Technologies 銷售一種感測器，該感測器在包裝開啟後會緩慢改變顏色，並指示何時應該扔掉食物。（如果產品未在適當的溫度下儲存，則顏色變化更快。）正在開發能夠顯示腐敗氣體副產品的感測器。除了預防疾病外，此類感測器還可以透過顯示食物可以安全食用來減少浪費。

成本仍然是感測器普及應用的障礙。儘管如此，食品行業確保食品安全和限制浪費的需求正在推動這項技術和區塊鏈向前發展。

8 能源：更安全的核反應堆即將問世

耐用燃料和創新型反應堆可以使核能復興

作者：馬克·菲舍蒂

控制大氣中的碳將需要能源技術的組合——可能包括核反應堆，核反應堆不排放碳，但由於發生過幾次重大事故而被視為有風險。這種風險可以大大降低。

商業反應堆幾十年來一直使用相同的燃料：二氧化鈾小球，這些小球堆疊在由鋯合金製成的長圓柱形棒中。鋯允許小球中裂變產生的 нейтроны 在浸沒在反應堆堆芯內部水中的許多棒之間輕鬆透過，從而支援自持、產熱的核反應。

問題在於，如果鋯過熱，它會與水反應併產生氫氣，氫氣可能會爆炸。這種情況促成了世界上最嚴重的兩次反應堆事故：1979 年美國三哩島可能發生的爆炸和部分熔燬，以及 2011 年日本福島第一核電站的爆炸和輻射洩漏。（1986 年的切爾諾貝利事故是由反應堆設計和執行缺陷引起的。）

西屋電氣公司和法馬通等製造商正在加速開發所謂的耐事故燃料，這些燃料不太可能過熱——即使過熱，它們也會產生極少或不產生氫氣。在某些變體中，鋯包殼經過塗層處理，以最大限度地減少反應。在其他變體中，鋯甚至二氧化鈾都被不同的材料取代。新的配置可以稍作修改即可滑入現有反應堆，因此它們可以在 2020 年代逐步投入使用。已經開始的徹底的堆芯內測試必須證明是成功的，並且監管機構必須感到滿意。作為一項額外的好處，新燃料可以幫助工廠更有效地執行，使核電更具成本競爭力——這對製造商和電力公司來說是一個重要的動力，因為天然氣、太陽能和風能的成本較低。

儘管核電在美國已經停滯不前，並且正在德國和其他地方逐步淘汰，但俄羅斯和中國正在積極建設核電。這些市場對於這些新型燃料的製造商來說可能有利可圖。

俄羅斯還在部署其他安全措施；國營公司俄羅斯原子能公司最近在國內和國外的裝置都採用了更新的“被動”安全系統，即使工廠的電力中斷且冷卻劑無法主動迴圈，也可以抑制過熱。西屋電氣和其他公司也已將被動安全功能納入其更新的設計中。

製造商正在試驗“第四代”模型，這些模型使用液態鈉或熔鹽代替水來傳遞裂變產生的熱量，消除了危險的氫氣產生的可能性。據報道，中國計劃今年將其示範氦冷反應堆連線到電網。

在美國，長期以來，缺乏對永久性深層地質處置庫的政治承諾一直是擴大核工業的障礙。情緒可能正在發生變化。令人驚訝的是，十幾位美國立法者最近提出了重啟內華達州尤卡山核廢料處置庫許可證的措施，自 1987 年以來，尤卡山一直被譽為該國主要的儲存地點。與此同時，阿拉斯加州參議員麗莎·穆爾科夫斯基正在倡導在愛達荷國家實驗室開發非常小的模組化反應堆。（俄羅斯原子能公司也在製造小型反應堆。）一組西部州已與俄勒岡州的 NuScale Power 公司達成了初步協議，購買其十二個模組化反應堆。改進的燃料和小型反應堆的增長可能是核電復興的重要組成部分。

9 醫學與生物技術：DNA 資料儲存比您想象的更近了

生命的資訊儲存系統正在被改造以處理海量資訊

作者：李相燁

軟體公司 Domo 的資料顯示，2018 年，谷歌每分鐘進行 388 萬次搜尋，人們在 YouTube 上觀看 433 萬個影片，傳送 159,362,760 封電子郵件，釋出 473,000 條推文，並在 Instagram 上釋出 49,000 張照片。據估計，到 2020 年，全球每人每秒將建立 1.7 兆位元組的資料，假設世界人口為 78 億，這意味著一年內將產生約 418 澤位元組的資料（相當於 4180 億個 1TB 硬碟的資訊）。目前儲存如此大量 0 和 1 的磁性或光學資料儲存系統的壽命通常不會超過一個世紀（如果能達到的話）。此外，執行資料中心需要消耗大量能源。簡而言之，我們即將面臨嚴重的資料儲存問題，而且隨著時間的推移，這個問題只會變得更加嚴重。

硬碟驅動器的替代方案正在取得進展：基於 DNA 的資料儲存。DNA——由 A、T、C 和 G 核苷酸的長鏈組成——是生命的資訊儲存材料。資料可以儲存在這些字母的序列中，從而將 DNA 轉變為一種新的資訊科技形式。DNA 已經可以輕鬆地進行常規測序（讀取）、合成（寫入）和準確複製。DNA 也非常穩定，這一點已透過對 50 多萬年前的馬化石進行完整基因組測序得到證實。而且儲存 DNA 不需要太多能量。

但其真正的優勢在於儲存容量。DNA 可以精確地儲存海量資料，其密度遠遠超過電子裝置。例如，根據哈佛大學喬治·丘奇及其同事 2016 年在《自然·材料》雜誌上發表的計算結果，簡單的細菌大腸桿菌的儲存密度約為每立方厘米 10¹⁹ 位元。按照這個密度，目前全世界一年的儲存需求都可以用一個邊長約為一米的 DNA 立方體來滿足。

DNA 資料儲存的前景不僅僅是理論上的。例如，2017 年，丘奇在哈佛的團隊採用 CRISPR DNA 編輯技術，將人手的影像記錄到大腸桿菌的基因組中，讀取準確率高於 90%。華盛頓大學和微軟研究院的研究人員已經開發出一種全自動系統，用於寫入、儲存和讀取 DNA 編碼的資料。包括微軟和 Twist Bioscience 在內的許多公司正在努力推進 DNA 儲存技術。

與此同時，DNA 已經在以另一種方式被用於資料管理，研究人員正在努力理解海量資料。下一代測序技術的最新進展使得數十億個 DNA 序列能夠被輕鬆地同時讀取。憑藉這種能力，研究人員可以採用條形碼技術——使用 DNA 序列作為分子識別“標籤”——來跟蹤實驗結果。DNA 條形碼技術現在正被用於顯著加快化學工程、材料科學和奈米技術等領域的研究步伐。例如，在佐治亞理工學院，James E. Dahlman 實驗室正在快速識別更安全的基因療法；其他人則在研究如何對抗耐藥性和預防癌症轉移。

使 DNA 資料儲存普及面臨的挑戰包括讀取和寫入 DNA 的成本和速度，如果要與電子儲存競爭，這些成本和速度還需要進一步降低。即使 DNA 不會成為一種普遍的儲存材料，它幾乎肯定會被用於產生全新規模的資訊，並在長期內儲存某些型別的資料。

10 能源：公用事業規模儲能將實現可再生能源電網

可持續能源解決方案的障礙正在被消除

作者：安德烈亞·湯普森

世界獲取電力的方式正在經歷快速轉型，這既是由於能源系統脫碳的緊迫性日益增加，也是由於風能和太陽能技術的成本直線下降。美國能源資訊署的資料顯示，過去十年，美國可再生能源發電量翻了一番，主要來自風能和太陽能裝置。2019 年 1 月，EIA 預測，風能、太陽能和其他非水力可再生能源將成為未來兩年電力組合中增長最快的部分。但是，這些能源的間歇性意味著電力公司需要一種方式來儲備能源，以備在陽光不充足和風力平靜時使用。這種需求正在增加人們對儲能技術的興趣，特別是鋰離子電池，它最終有望不僅僅是電網中的一個小角色。

幾十年來，抽水蓄能水電一直是美國主要的公用事業規模儲能方法，這是一種簡單的過程，具有不同海拔高度的水庫。為了儲存能量，水被抽到較高的水庫中；當需要能量時，水被釋放到較低的水庫中，並沿途流經渦輪機。美國能源部的資料顯示，抽水蓄能水電目前佔美國公用事業規模儲能的 95%。但是，隨著效率和可靠性的提高，以及製造成本的下降，鋰離子電池迅速崛起。EIA 表示，鋰離子電池佔美國公用事業規模電池儲能功率容量的 80% 以上，該容量從十年前的幾兆瓦躍升至 2019 年 2 月的 866 兆瓦。彭博新能源財經 2019 年 3 月的一項分析報告稱，自 2012 年以來，此類電池的電力成本下降了 76%，使其接近與通常由天然氣驅動的電廠競爭，這些電廠在電力需求高峰時段開啟。迄今為止，電池主要用於進行短暫、快速的調整以維持電力水平，但在包括佛羅里達州和加利福尼亞州在內的幾個州，公用事業公司正在增加能夠持續兩到四個小時的鋰離子電池。早期能源研究公司 Wood Mackenzie 估計，儲能市場將從 2018 年到 2019 年翻一番，從 2019 年到 2020 年翻兩番。

專家表示，鋰離子電池很可能在未來 5 到 10 年內成為主導技術，並且持續的改進將使電池能夠儲存 4 到 8 小時的能量——例如，足夠將太陽能發電轉移到晚間用電高峰期。

但是，要達到可再生能源和儲能能夠承擔基本負荷發電的程度，將需要更長時間尺度的儲能，這將意味著超越鋰離子電池。潛在的候選者包括其他高科技選擇，例如液流電池（泵送液體電解質）和氫燃料電池，以及更簡單的概念，例如抽水蓄能水電和所謂的重力儲能。抽水蓄能水電一旦安裝完成就很便宜，但建造費用昂貴，並且只能在特定的地形中使用。同樣簡單的是重力儲能的概念，它旨在利用多餘的電力來提升一個重物，該重物隨後可以被降低以驅動渦輪機發電。儘管一些公司正在進行演示並吸引了投資，但這個想法尚未起飛。其他選擇仍在開發中，以使其具有足夠的可靠性、效率和成本競爭力，與鋰離子電池競爭。EIA 的資料顯示，截至 2017 年底，美國僅部署了三個大型液流電池儲能系統，而公用事業規模的氫系統仍處於示範階段。美國政府正在資助該領域的一些工作，特別是透過高階研究計劃署-能源部 (ARPA-E)，但對這些技術以及對儲能的總體投資，大部分發生在已經加大儲能研究力度的中國和韓國。

儲能成本是否以及在多大程度上會繼續下降尚不確定。然而，包括美國州和地方政府在內的各國政府累積的實現無碳電力生產的承諾，將繼續推動更多儲能上線。

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