技術(shù)如何在不久的將來改變你的生活?人工智能將大大加快創(chuàng)新藥物和材料的設(shè)計(jì)。先進(jìn)的診斷工具將使醫(yī)療日益?zhèn)�性化。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)將無處不在，把信息和動(dòng)畫疊加在真實(shí)世界的圖像上，以幫助你完成日常任務(wù)，并有助于行業(yè)更有效地運(yùn)營(yíng)。如果你生病了，醫(yī)生將能夠在你的身體內(nèi)植入活細(xì)胞，治療你的病。而你將吃從干細(xì)胞培養(yǎng)而來的牛肉、雞肉和魚肉，大大減少了動(dòng)物養(yǎng)殖對(duì)環(huán)境的影響，并使無數(shù)生物免受非人道待遇。
這些改變世界的想法，由生物學(xué)、無機(jī)化學(xué)、機(jī)器人和人工智能等領(lǐng)域的頂尖專家挑選，構(gòu)成今年“十大新興技術(shù)”名單。
首先，我們?cè)诰W(wǎng)上集思廣益，征求世界經(jīng)濟(jì)論壇全球未來理事會(huì)和專家網(wǎng)絡(luò)社區(qū)創(chuàng)新者，科學(xué)美國人顧問委員會(huì)成員和編輯人員以及其他人的建議。然后，在一系列虛擬會(huì)議中，指導(dǎo)小組評(píng)估了候選技術(shù)滿足幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的程度。這些技術(shù)必須能夠?yàn)樯鐣?huì)和經(jīng)濟(jì)提供重大利益，并在未來三到五年內(nèi)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。它們必須具有潛在的顛覆性，能夠改變行業(yè)或建立做事方式。它們必須處于相對(duì)早期的發(fā)展階段，尚未得到廣泛使用，但正在被許多團(tuán)體研究，引起專家興奮，吸引越來越多的投資，理想情況下，由不止一家公司開發(fā)。指導(dǎo)小組在第一次會(huì)議上刪除了50多份提交的初始名單，然后編制了額外的條件，以評(píng)估剩下的大約20個(gè)候選技術(shù)。在通過進(jìn)一步的討論收集更多信息后，做出了最終決定。
以下就是2018年十大新興技術(shù)，排名不分先后。
無處不在的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)
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圖片來源：世界經(jīng)濟(jì)論壇
虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)讓你沉浸在虛構(gòu)的、孤立的世界中。相比之下，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)實(shí)時(shí)覆蓋了現(xiàn)實(shí)世界中計(jì)算機(jī)生成的信息。當(dāng)你看到或佩戴配備AR軟件和相機(jī)的設(shè)備時(shí)，無論是智能手機(jī)、平板電腦、耳機(jī)還是智能眼鏡，該程序會(huì)分析傳入的視頻流，下載有關(guān)場(chǎng)景的大量信息并在其上疊加相關(guān)數(shù)據(jù)、圖像或動(dòng)畫，通常是三維的。
兩個(gè)例子：幫助汽車安全備份的顯示屏和流行的游戲《精靈夢(mèng)可寶GO》。眾多消費(fèi)者應(yīng)用程序也具有AR功能，包括為外國游客翻譯街道標(biāo)志的應(yīng)用程序，使學(xué)生能夠剖析虛擬青蛙，并允許購物者在將椅子帶回家之前看到它在自家客廳中的樣子。在未來，該技術(shù)將使博物館用戶能夠制作類似全息圖的指南;外科醫(yī)生用三維可視化患者皮膚下的組織;建筑師和設(shè)計(jì)師以新穎的方式合作創(chuàng)作;無人機(jī)操作員通過增強(qiáng)的圖像控制遠(yuǎn)程機(jī)器人;和新手快速學(xué)習(xí)從醫(yī)藥到工廠維護(hù)等領(lǐng)域的新任務(wù)。
易于使用的軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用程序應(yīng)在未來幾年內(nèi)擴(kuò)展至消費(fèi)者產(chǎn)品。然而，目前，AR正在對(duì)工業(yè)產(chǎn)生最大的影響，它是“第四次工業(yè)革命”或“工業(yè)4.0”的一個(gè)組成部分：通過物理和數(shù)字系統(tǒng)的整合來對(duì)制造業(yè)系統(tǒng)性改進(jìn)質(zhì)量、降低成本、提高效率。例如，許多公司正在測(cè)試其在裝配線上的使用。 AR可以在需要時(shí)提供恰當(dāng)?shù)男畔ⅲ瑥亩鴾p少錯(cuò)誤，提高效率并提高生產(chǎn)率。它還能使設(shè)備中的應(yīng)力可視化，并創(chuàng)建問題所在的實(shí)時(shí)圖像。
個(gè)性化醫(yī)療的高級(jí)診斷
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在20世紀(jì)的大部分時(shí)間里，所有乳腺癌女性都接受過類似的治療。從那時(shí)起，治療變得更加個(gè)性化：乳腺癌現(xiàn)在被分為亞型并進(jìn)行相應(yīng)的治療。例如，許多腫瘤產(chǎn)生雌激素受體的女性可能會(huì)接受專門針對(duì)這些受體的藥物，以及標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)后化療。今年，研究人員向更加個(gè)性化的治療邁進(jìn)了一步。他們確定了很大一部分患者的腫瘤具有可以安全放棄化療的特征，并避免其經(jīng)常出現(xiàn)嚴(yán)重的副作用。
隨著診斷工具的進(jìn)步，這種面向許多疾病的個(gè)性化或精確醫(yī)學(xué)的邁進(jìn)正在加速。這些技術(shù)可以幫助醫(yī)生檢測(cè)和量化多種生物標(biāo)志物(表明存在疾病的分子)，將患者劃分為對(duì)疾病、預(yù)后或?qū)μ囟ㄖ委熡蟹磻?yīng)的可能性不同的亞組。
早期的分子診斷工具研究了單個(gè)分子，在糖尿病的情況下，例如葡萄糖。然而，在過去十年中，“組學(xué)”技術(shù)取得了巨大進(jìn)步，能夠快速、可靠和廉價(jià)地對(duì)個(gè)體的整個(gè)基因組進(jìn)行測(cè)序或測(cè)量所有蛋白質(zhì)(蛋白質(zhì)組)，代謝副產(chǎn)物(代謝組)的水平，或體液或組織樣品中的微生物(微生物組)。該技術(shù)的常規(guī)使用同時(shí)開始產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)集，人工智能可以挖掘這些數(shù)據(jù)集以發(fā)現(xiàn)對(duì)臨床有用的新生物標(biāo)記。高通量組學(xué)技術(shù)和人工智能的結(jié)合正在引領(lǐng)先進(jìn)診斷的新時(shí)代，這將改變對(duì)許多疾病的理解和治療，允許醫(yī)生根據(jù)個(gè)體患者的分子特征定制治療方案。
幾種先進(jìn)的診斷方法已經(jīng)用于治療癌癥。一個(gè)名為Oncotype DX，檢測(cè)21個(gè)基因;這項(xiàng)測(cè)試顯示，許多乳腺癌女性可以避免化療。另一項(xiàng)稱為FoundationOne CDx測(cè)試，檢測(cè)實(shí)體腫瘤中300多個(gè)基因的基因突變，并指出可能對(duì)特定患者有用的特定基因靶向藥物。
需要注意的是：使用此類私密診斷工具的醫(yī)療機(jī)構(gòu)和研究人員必須嚴(yán)格執(zhí)行保護(hù)患者隱私的保護(hù)措施。此外，需要明確的監(jiān)管指南，以一致的方式評(píng)估生物標(biāo)志物作為診斷工具的價(jià)值。這些指南將加速將新的生物標(biāo)志物引入醫(yī)療實(shí)踐。
即便如此，先進(jìn)的診斷技術(shù)也開始消除診斷和治療疾病的標(biāo)準(zhǔn)方法。通過引導(dǎo)患者進(jìn)行最有效的治療，他們甚至可以減少醫(yī)療保健支出。有一天，我們中的許多人可能擁有個(gè)人生物標(biāo)記數(shù)據(jù)云，這些數(shù)據(jù)會(huì)隨著時(shí)間的推移而累積，無論我們?cè)诤翁帉で笾委煟紩?huì)告知我們治療方法。
人工智能輔助分子設(shè)計(jì)
想要設(shè)計(jì)一種新的太陽能材料，一種抗癌藥物或阻止病毒攻擊作物的化合物?首先，你必須應(yīng)對(duì)兩個(gè)挑戰(zhàn)：找到物質(zhì)的正確化學(xué)結(jié)構(gòu)，并確定哪些化學(xué)反應(yīng)將正確的原子連接到所需的分子或分子組合。
傳統(tǒng)上，答案來自于偶然性所引發(fā)的復(fù)雜猜測(cè)。該過程非常耗時(shí)，并且涉及許多失敗的嘗試。例如，合成計(jì)劃可能有數(shù)百個(gè)單獨(dú)的步驟，其中許多步驟會(huì)產(chǎn)生不想要的副反應(yīng)或副產(chǎn)物或完全根本不起作用。然而，現(xiàn)在，人工智能開始提高設(shè)計(jì)和合成的效率，使企業(yè)更快、更容易、更便宜，同時(shí)減少化學(xué)品浪費(fèi)。
在AI中，機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析所有已知的過去實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)試圖發(fā)現(xiàn)和合成感興趣的物質(zhì)，包括那些有效的實(shí)驗(yàn)，更重要的是那些失敗的實(shí)驗(yàn)。基于它們識(shí)別的模式，算法預(yù)測(cè)潛在有用的新分子的結(jié)構(gòu)和制造它們的可能方式。沒有任何一種機(jī)器學(xué)習(xí)工具可以通過按一下按鈕就能完成所有這些工作，但AI技術(shù)正在迅速進(jìn)入藥物分子和材料的真實(shí)設(shè)計(jì)。
例如，德國明斯特大學(xué)的研究人員開發(fā)的AI工具，反復(fù)模擬1240萬個(gè)已知的單步化學(xué)反應(yīng)，提出了多步合成路線 —— 比人類的速度快30倍。
在制藥領(lǐng)域，一種被稱為“生成機(jī)器學(xué)習(xí)”基于人工智能的技術(shù)也令人興奮。大多數(shù)制藥公司儲(chǔ)存了數(shù)百萬種化合物，并篩選它們作為獲取新藥的潛力。但即使使用機(jī)器人技術(shù)和實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化工具，這種篩選過程也很慢，并且產(chǎn)生的命中率相對(duì)較低。此外，所有的“庫”加起來可能只是理論上1030個(gè)分子中的一小部分。使用描述已知藥物(和候選藥物)的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)的數(shù)據(jù)集，機(jī)器學(xué)習(xí)工具可以構(gòu)建具有類似、可能更有用的特征的新化合物虛擬庫。這種能力開始大大加速藥物先導(dǎo)的識(shí)別。
近100家初創(chuàng)企業(yè)已經(jīng)開始探索AI用于藥物發(fā)現(xiàn)。其中包括Insilico Medicine，Kebotix和BenevolentAI;最近一次籌集了1.15億美元，用于將其AI技術(shù)擴(kuò)展到發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病、帕金森病和其他難以治療疾病的藥物。 BenevolentAI正在將人工智能應(yīng)用于整個(gè)藥物開發(fā)過程，從新分子的發(fā)現(xiàn)到臨床試驗(yàn)的設(shè)計(jì)和分析，旨在證明人類的安全性和有效性。
在材料領(lǐng)域，像Citrine Informatics這樣的企業(yè)正在使用類似于制藥商的方法，并與包括巴斯夫和松下在內(nèi)的大公司合作，以加速創(chuàng)新。美國政府也支持對(duì)AI設(shè)計(jì)的研究。自2011年以來，它已在材料基因組計(jì)劃中投入了超過2.5億美元，該計(jì)劃正在建立一個(gè)包括人工智能和其他計(jì)算方法的基礎(chǔ)設(shè)施，以加速先進(jìn)材料的開發(fā)。
過去的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，新材料和化學(xué)品可能會(huì)對(duì)健康和安全造成無法預(yù)料的風(fēng)險(xiǎn)。幸運(yùn)的是，AI方法應(yīng)該能夠預(yù)測(cè)并減少這些不良后果。這些技術(shù)似乎有望顯著提高新型分子和材料被發(fā)現(xiàn)并帶入市場(chǎng)的速度和效率，它們可以提供諸如改善醫(yī)療保健和農(nóng)業(yè)，更好地保護(hù)資源以及增強(qiáng)可再生能源的生產(chǎn)和儲(chǔ)存等益處。
可爭(zhēng)辯和指導(dǎo)的AI
今天的數(shù)字助理有時(shí)會(huì)讓你相信它們就是人類，但更有能力的數(shù)字助手正在路上。在幕后，Siri，Alexa和它們的同類使用先進(jìn)的語音識(shí)別軟件來弄清楚你的要求以及如何提供，并且它們會(huì)產(chǎn)生自然的語音，以提供與你問題相匹配的腳本答案。這些系統(tǒng)必須首先被“訓(xùn)練” —— 置身于人類可能提出的各種請(qǐng)求的無數(shù)案例中 —— 并且合適的反應(yīng)必須是由人類編寫并組織成高度結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)格式。
這項(xiàng)工作非常耗時(shí)，導(dǎo)致數(shù)字助理受限于它們可以執(zhí)行的任務(wù)。系統(tǒng)可以“學(xué)習(xí)”，它們的機(jī)器學(xué)習(xí)能力使其能夠更好地將輸入問題與現(xiàn)有答案相匹配， 但是在有限的范圍內(nèi)。即便如此，它們也令人印象深刻。
在更高級(jí)別的復(fù)雜性，現(xiàn)在正在開發(fā)技術(shù)，以允許下一代此類系統(tǒng)從無數(shù)來源吸收和組織非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)(原始文本，視頻，圖片，音頻，電子郵件等)，然后自主地在它們從未接受過訓(xùn)練的情況下，給出有說服力的建議或進(jìn)行辯論。
我們已經(jīng)在提供聊天機(jī)器人的網(wǎng)站上看到了這種能力，這些聊天機(jī)器人可以回答自然語言問題，這些問題涵蓋了他們所訓(xùn)練的各種數(shù)據(jù)集。聊天機(jī)器人在特定問題或要求方面需要相對(duì)較少或不需要培訓(xùn);它們使用預(yù)先配置的數(shù)據(jù)和“讀取”相關(guān)背景材料的緊急能力。然而，它們確實(shí)需要進(jìn)行一些識(shí)別單詞和意圖的培訓(xùn)才能給出高度準(zhǔn)確的答案。
6月份， IBM展示了該技術(shù)的更高級(jí)版本：一個(gè)與人類專家進(jìn)行實(shí)時(shí)辯論的系統(tǒng)，沒有事先就該主題進(jìn)行培訓(xùn)或有待論證的立場(chǎng)。使用非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)(包括來自維基百科的內(nèi)容)，系統(tǒng)必須確定信息的相關(guān)性和準(zhǔn)確性，并將其組織成一個(gè)可重復(fù)使用的資產(chǎn)，它可以調(diào)用它來形成一致的參數(shù)，支持它所指定的立場(chǎng)。它還必須回應(yīng)其人類對(duì)手的論點(diǎn)。該系統(tǒng)在演示期間進(jìn)行了兩次辯論，并且一大群觀眾認(rèn)為其更有說服力。
支持技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了五年多，包括不僅能夠理解自然語言，而且能夠應(yīng)對(duì)檢測(cè)正面和負(fù)面情緒的更難挑戰(zhàn)的軟件，仍然是一項(xiàng)正在進(jìn)行中的工作。盡管如此，未經(jīng)編寫的人工智能系統(tǒng)贏了一位公認(rèn)的人類專家，打開了無數(shù)相關(guān)應(yīng)用程序的大門，這些應(yīng)用程序可能會(huì)在未來三到五年內(nèi)出現(xiàn)。例如，這樣的系統(tǒng)可以幫助醫(yī)生快速找到與復(fù)雜病例相關(guān)的研究，然后討論給定治療方案的優(yōu)點(diǎn)。
這些智能系統(tǒng)僅用于組裝現(xiàn)有知識(shí)，而不是像科研科學(xué)家或?qū)＜夷菢觿?chuàng)建它。盡管如此，隨著機(jī)器變得越來越聰明，它們也是增加失業(yè)的幽靈。
植入式制藥細(xì)胞
許多糖尿病患者每天多次刺破手指以測(cè)量血糖水平，并決定他們需要的胰島素劑量。胰島細(xì)胞植入物通常在體內(nèi)產(chǎn)生胰島素，可以使這種麻煩的過程變得不必要。同樣，細(xì)胞植入物可以改變其他疾病的治療，包括癌癥，心力衰竭，血友病，青光眼和帕金森病。但細(xì)胞植入物有一個(gè)主要缺點(diǎn)：接受者必須無限期地服用免疫抑制劑以防止免疫系統(tǒng)的排斥。此類藥物可導(dǎo)致嚴(yán)重的副作用，包括感染或惡性腫瘤的風(fēng)險(xiǎn)增加。
幾十年來，科學(xué)家們發(fā)明了將細(xì)胞封閉在半透性保護(hù)膜中的方法，這種保護(hù)膜可以防止免疫系統(tǒng)攻擊植入的細(xì)胞。這些膠囊仍然允許營(yíng)養(yǎng)物和其他小分子流入，并將需要的激素或其他治療性蛋白質(zhì)流出。然而，讓細(xì)胞遠(yuǎn)離傷害是不夠的：如果免疫系統(tǒng)將保護(hù)性材料看作是外來的，它將導(dǎo)致疤痕組織在膠囊上生長(zhǎng)。這種“纖維化”將阻止?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)到達(dá)細(xì)胞，從而殺死它們。
現(xiàn)在，研究人員開始解決纖維化挑戰(zhàn)。例如，2016年，麻省理工學(xué)院的一個(gè)團(tuán)隊(duì)發(fā)布了一種方法，使植入物對(duì)免疫系統(tǒng)不可見。在生產(chǎn)和篩選了數(shù)百種材料后，研究人員確定了一種名為藻酸鹽的化學(xué)改性凝膠，這種凝膠在人體內(nèi)安全使用的歷史悠久。
已經(jīng)有幾家公司開發(fā)了封裝細(xì)胞療法。其中之一，Sigilon Therapeutics，正在推進(jìn)MIT開發(fā)的技術(shù)。為糖尿病、血友病和一種叫做溶酶體貯積病的代謝疾病設(shè)計(jì)治療方法。制藥公司Eli Lilly與Sigilon合作開展糖尿病工作。在其他例子中，Semma Therapeutics也使用自己的技術(shù)專注于糖尿病; Neurotech Pharmaceuticals在青光眼和以視網(wǎng)膜退化為特征的各種眼部疾病的臨床試驗(yàn)中植入細(xì)胞; Living Cell Technologies正在進(jìn)行帕金森氏植入物的臨床試驗(yàn)，并正在開發(fā)其他神經(jīng)退行性疾病的治療方法。
今天，摻入膠囊中的細(xì)胞是從動(dòng)物或人體尸體中提取的，或者來自人類干細(xì)胞。有一天植入式細(xì)胞療法可能包括更廣泛的細(xì)胞類型，包括一些通過合成生物學(xué)改造的細(xì)胞，它重新編程細(xì)胞的遺傳學(xué)，使其發(fā)揮新的功能，如控制，按需釋放指定的藥物分子進(jìn)入組織。這些仍處于早期階段。在大型臨床試驗(yàn)中，封裝細(xì)胞療法的安全性和功效均未得到證實(shí)，但這些跡象令人鼓舞。
人造肉
想象一下，咬著一個(gè)多汁的牛肉漢堡，而它是在沒有殺死動(dòng)物的情況下生產(chǎn)的。在培養(yǎng)細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)室中人造肉正在將這一愿景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。幾家初創(chuàng)企業(yè)正在開發(fā)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)牛肉、豬肉、家禽和海鮮，其中包括Mosa Meat，Memphis Meats，SuperMeat和Finless Foods。該領(lǐng)域吸引了數(shù)百萬美元的資金。例如，在2017年，Memphis Meats從比爾·蓋茨和農(nóng)業(yè)公司嘉吉等獲得了1700萬美元投資。
如果被廣泛采用，實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的肉，也稱為清潔肉，可以消除對(duì)飼養(yǎng)動(dòng)物的大部分殘忍、不人道的待遇。它還可以減少肉類生產(chǎn)的相當(dāng)大的環(huán)境成本;僅需要資源來產(chǎn)生和維持培養(yǎng)的細(xì)胞，而不是從出生開始養(yǎng)大整個(gè)生物體。
許多初創(chuàng)企業(yè)表示，他們希望在未來幾年內(nèi)銷售產(chǎn)品。但如果要在商業(yè)上可行，人造肉必須克服許多障礙。
成本和味道就是其中之二。 2013年，當(dāng)一個(gè)用人造肉制成的漢堡送給記者時(shí)，生產(chǎn)的餡餅花費(fèi)超過30萬美元，并且口感很干(因?yàn)橹咎?。此后費(fèi)用下降。Memphis Meats今年報(bào)道，其四分之一磅的碎牛肉價(jià)格約為600美元。鑒于這種趨勢(shì)，人造肉可以在幾年內(nèi)與傳統(tǒng)肉類競(jìng)爭(zhēng)。仔細(xì)注意紋理和明智地補(bǔ)充其他成分可以解決味道問題。
要獲得市場(chǎng)認(rèn)可，必須證明人造肉是安全的。雖然沒有理由認(rèn)為實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的肉會(huì)對(duì)健康造成危害，但FDA現(xiàn)在才開始考慮如何對(duì)其進(jìn)行監(jiān)管。與此同時(shí)，傳統(tǒng)的肉類生產(chǎn)商正展開反擊，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的根本不是肉類，不應(yīng)該這樣標(biāo)記，調(diào)查顯示公眾吃人造肉的興趣并不高。盡管面臨這些挑戰(zhàn)，清潔肉類公司仍在不斷前進(jìn)。如果他們能夠成功創(chuàng)造出價(jià)格合理且味道正宗的產(chǎn)品，清潔肉類可以使我們的日常飲食習(xí)慣更具道德和環(huán)境可持續(xù)性。
電子療法
電子療法(Electroceuticals)——用電脈沖治療疾病的設(shè)備 —— 在醫(yī)學(xué)上有悠久的歷史。想想心臟起搏器、人工耳蝸植入和帕金森病的深部腦刺激。其中一種方法有望變得更加通用，大大改善對(duì)一系列疾病的護(hù)理。它涉及向迷走神經(jīng)傳遞信號(hào)，迷走神經(jīng)將腦干的脈沖發(fā)送到大多數(shù)器官并再次返回。
迷走神經(jīng)刺激(VNS)的新用途已經(jīng)成為可能，部分原因是Feinstein醫(yī)學(xué)研究所的Kevin Tracey和其他研究顯示，迷走神經(jīng)發(fā)出的化學(xué)物質(zhì)有助于調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)。例如，脾臟中特定神經(jīng)遞質(zhì)的釋放使整個(gè)身體炎癥中涉及的免疫細(xì)胞平靜下來。這些研究結(jié)果表明，VNS可能對(duì)除了自身免疫和炎癥等干擾電信號(hào)傳導(dǎo)的疾病有益。對(duì)于患有這些疾病的患者來說，這可能是一個(gè)福音，因?yàn)楝F(xiàn)有藥物經(jīng)常會(huì)失敗或引起嚴(yán)重的副作用。 VNS可能更容易忍受，因?yàn)樗饔糜谔囟ǖ纳窠?jīng)，而藥物通常在整個(gè)身體中傳播，可能會(huì)破壞超出治療目標(biāo)的組織。
迄今為止，與炎癥相關(guān)的應(yīng)用研究令人鼓舞。由SetPoint Medical(由Tracey共同創(chuàng)立)開發(fā)的VNS裝置在類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的早期人體試驗(yàn)中被證明是安全的，類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎引起關(guān)節(jié)的疼痛，毀容性炎癥，以及涉及腸道炎癥的克羅恩病。目前正在對(duì)兩者進(jìn)行額外的試驗(yàn)。對(duì)于具有炎癥成分的其他疾病，例如心血管疾病，代謝失調(diào)和癡呆，以及對(duì)于諸如狼瘡的自身免疫疾病，其中迷走神經(jīng)本身變得不活躍，也正在考慮電子療法。防止移植組織的免疫排斥是另一種潛在的應(yīng)用。
旨在緩解叢集性頭痛和偏頭痛的無創(chuàng)手持迷走神經(jīng)刺激器最近也獲得了FDA批準(zhǔn)，盡管迷走神經(jīng)刺激究竟是如何幫助這些病癥尚不清楚的。手持設(shè)備通過頸部或耳朵上的皮膚對(duì)神經(jīng)提供溫和的電刺激。
迷走神經(jīng)不是唯一一個(gè)被新的電子療法作為目標(biāo)的神經(jīng)。 2017年底，F(xiàn)DA批準(zhǔn)了一種非植入式裝置，通過耳后皮膚向顱神經(jīng)和枕神經(jīng)的分支發(fā)送信號(hào)，從而減輕阿片類藥物的戒斷癥狀。在73例服用阿片類藥物的患者戒斷癥的嚴(yán)重程度降低31%或更高后，該裝置獲得了FDA的批準(zhǔn)。
植入物和手術(shù)的費(fèi)用可能會(huì)妨礙VNS治療的廣泛采用，盡管隨著技術(shù)的侵入性越來越小，這個(gè)問題應(yīng)該會(huì)緩解。但成本并不是唯一的挑戰(zhàn)。研究人員仍需要更多地了解VNS如何在每種情況下產(chǎn)生其效果，以及如何最好地確定個(gè)體患者的最佳刺激模式。靶向迷走神經(jīng)的脈沖也可能以不受歡迎的方式影響周圍的神經(jīng)。
然而，隨著越來越多的研究和試驗(yàn)檢查其機(jī)制和作用，VNS和其他電子藥物最終可能能夠更好地管理各種慢性疾病，從而可能減少為數(shù)百萬患者服用藥物的需求。
基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)
對(duì)能夠永久改變?nèi)丝谏踔琳麄�(gè)物種特征的基因工程技術(shù)的研究正在迅速發(fā)展。該方法使用基因驅(qū)動(dòng)技術(shù) - 遺傳因素從父母?jìng)鬟f到無數(shù)后代，從而在種群中相當(dāng)快地傳播�；蝌�(qū)動(dòng)是自然發(fā)生的，但也可以設(shè)計(jì)，這樣做可以在很多方面為人類帶來福音。該技術(shù)有可能阻止昆蟲傳播瘧疾和其他可怕的感染，通過改變侵襲植物的害蟲，使珊瑚抵抗環(huán)境壓力，并防止入侵植物和動(dòng)物破壞生態(tài)系統(tǒng)來提高作物產(chǎn)量。然而，調(diào)查人員深知，改變甚至消滅一個(gè)物種可能會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。作為回應(yīng)，他們正在制定規(guī)則，來管理基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到未來的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和更廣泛的使用。
幾十年來，調(diào)查人員一直在考慮利用基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)來對(duì)抗疾病和其他問題。近年來，由于CRISPR基因編輯的引入，這項(xiàng)努力得到了推動(dòng)，這使得將遺傳物質(zhì)插入染色體上的特定位點(diǎn)變得容易。 2015年，有幾篇論文報(bào)道了基于CRISPR的基因驅(qū)動(dòng)在酵母、果蠅和蚊子中的成功傳播。
今年，一個(gè)CRISPR基因驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在老鼠身上進(jìn)行了測(cè)試，試圖操縱皮毛顏色。這個(gè)過程只對(duì)女性有效。即便如此，研究結(jié)果還是支持這種技術(shù)帶來的可能性，即可以幫助消除或改變?nèi)肭中∈蠡蚱渌溉閯?dòng)物種群，對(duì)作物或野生動(dòng)物的威脅或疾病傳播。
美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)是對(duì)該技術(shù)充滿熱情的投資者之一。它已投入1億美元用于基因驅(qū)動(dòng)研究，旨在對(duì)抗蚊媒疾病和侵入性嚙齒動(dòng)物。比爾和梅林達(dá)蓋茨基金會(huì)已投資7500萬美元建立了一個(gè)致力于抗擊瘧疾的基因驅(qū)動(dòng)研究聯(lián)盟。
等離子體材料
加利福尼亞理工學(xué)院的哈里·阿特沃特曾表示，“等離子體”技術(shù)最終會(huì)導(dǎo)致一系列應(yīng)用，從高靈敏度的生物探測(cè)器到隱形斗篷。十年后，各種等離子體技術(shù)已經(jīng)成為商業(yè)現(xiàn)實(shí)，其他技術(shù)正在從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)向市場(chǎng)。
這些技術(shù)都依賴于控制電磁場(chǎng)與金屬(通常是金或銀)中的自由電子之間的相互作用，這是金屬的導(dǎo)電性和光學(xué)性質(zhì)的原因。當(dāng)被光擊中時(shí)，金屬表面上的自由電子共同振蕩，形成所謂的表面等離子體。當(dāng)一塊金屬很大時(shí)，自由電子反射撞擊它們的光線，使材料發(fā)光。但是當(dāng)金屬僅為幾納米時(shí)，其自由電子被限制在非常小的空間內(nèi)，限制了它們振動(dòng)的頻率。振蕩的具體頻率取決于金屬納米顆粒的尺寸。在一種稱為共振的現(xiàn)象中，等離子體僅吸收入射光的一部分，其以與等離子體本身相同的頻率振蕩(反射其余的光)。可利用該表面等離子體共振來產(chǎn)生納米天線、高效太陽能電池和其他有用的裝置。
等離子體材料的最佳研究應(yīng)用之一是用于檢測(cè)化學(xué)和生物制劑的傳感器。在一種方法中，研究人員在等離子體納米材料上涂覆一種與感興趣的分子結(jié)合的物質(zhì) - 比如細(xì)菌毒素。在沒有毒素的情況下，照射在材料上的光以特定角度重新發(fā)射。但是如果存在毒素，它將改變表面等離子體的頻率，并因此改變反射光的角度。可以非常準(zhǔn)確地測(cè)量該效果，甚至可以檢測(cè)和測(cè)量毒素的數(shù)量。一些初創(chuàng)公司正在開發(fā)基于這種和相關(guān)方法的產(chǎn)品 - 其中包括用于電池的內(nèi)部傳感器，可以監(jiān)測(cè)其活動(dòng)以幫助增加功率密度和充電速率，以及可以區(qū)分病毒和細(xì)菌感染的裝置。 等離子體也正在進(jìn)入磁盤上的磁存儲(chǔ)器。例如，熱輔助磁記錄裝置通過在寫入期間暫時(shí)加熱盤上的微小點(diǎn)來增加存儲(chǔ)器存儲(chǔ)。
在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，光活化納米粒子正在臨床試驗(yàn)中測(cè)試其治療癌癥的能力。將納米顆粒注入血液中，之后它們集中在腫瘤內(nèi)。然后，與表面等離子體相同頻率的光照射到質(zhì)量中，導(dǎo)致粒子通過共振加熱。熱量選擇性地殺死腫瘤中的癌細(xì)胞而不傷害周圍的健康組織。
隨著新公司開始充分利用等離子體，他們需要確保其產(chǎn)品價(jià)格合理、可靠、堅(jiān)固、易于大規(guī)模制造并與其他組件集成。盡管存在這些挑戰(zhàn)，但前景仍然光明。超材料 —— 合成納米材料的出現(xiàn)使等離子體產(chǎn)生不尋常的光學(xué)效應(yīng) —— 使等離子體學(xué)研究人員能夠使用除金和銀之外的材料，如石墨烯和半導(dǎo)體。 Future Market Insights的分析預(yù)測(cè)，北美等離子體傳感器應(yīng)用市場(chǎng)的價(jià)值將從2017年的近2.5億美元增長(zhǎng)到2027年的近4.7億美元。
量子計(jì)算機(jī)的專門算法
在幾年之內(nèi)，量子計(jì)算機(jī)可以趕上甚至超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)，這要?dú)w功于硬件和運(yùn)行算法的重要工作。
量子計(jì)算機(jī)利用量子力學(xué)來執(zhí)行計(jì)算。它們的基本計(jì)算單位，即量子位，類似于標(biāo)準(zhǔn)位(0或1)，但它處于兩個(gè)計(jì)算量子態(tài)之間的量子疊加：它可以同時(shí)是0和1。該屬性以及另一種稱為糾纏的獨(dú)特量子特征，可以使量子計(jì)算機(jī)比任何傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更有效地解決某些類別的問題。
這項(xiàng)技術(shù)雖然令人興奮，但卻是眾所周知的苛刻。例如，一個(gè)稱為退相干的過程可能會(huì)破壞其功能。調(diào)查人員已經(jīng)確定，通過稱為量子誤差校正的技術(shù)，可以使具有幾千量子位的嚴(yán)格控制的量子計(jì)算機(jī)能夠承受退相干。但到目前為止，實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)證明的最大量子計(jì)算機(jī) —— IBM，谷歌，Rigetti Computing和IonQ——只包含數(shù)十個(gè)量子比特。這些版本，加州理工學(xué)院的約翰普雷斯基爾命名為噪聲中等規(guī)模量子(NISQ)計(jì)算機(jī)，尚未執(zhí)行糾錯(cuò)。盡管如此，針對(duì)NISQ專門編寫的算法研究，可能使這些設(shè)備能夠比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更有效地執(zhí)行某些計(jì)算。
為全球用戶增加NISQ機(jī)器的訪問，極大地促進(jìn)了這一進(jìn)展，，使越來越多的學(xué)術(shù)研究人員能夠?yàn)闄C(jī)器開發(fā)和測(cè)試小規(guī)模的程序版本。一個(gè)專注于量子軟件不同方面的初創(chuàng)公司生態(tài)系統(tǒng)也正在蓬勃發(fā)展。
研究人員看到了兩種NISQ算法的特殊前景，分別為用于模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)的算法。 1982年，傳奇理論物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼提出，量子計(jì)算機(jī)最強(qiáng)大的應(yīng)用之一就是模擬自然本身：原子、分子和材料。許多研究人員已經(jīng)開發(fā)出算法來模擬NISQ設(shè)備上的分子和材料(以及未來完全糾錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī))。這些算法可以增強(qiáng)新材料的設(shè)計(jì)，應(yīng)用于從能源到健康科學(xué)的領(lǐng)域。
開發(fā)人員還在評(píng)估量子計(jì)算機(jī)是否在機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)方面更勝一籌，在這些任務(wù)中，計(jì)算機(jī)可以從大型數(shù)據(jù)集或經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)。針對(duì)NISQ設(shè)備快速增長(zhǎng)的算法集的測(cè)試表明，量子計(jì)算機(jī)確實(shí)可以促進(jìn)這樣的機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)，例如按類別對(duì)信息進(jìn)行分類，將類似的項(xiàng)目或特征聚類在一起，以及從現(xiàn)有的統(tǒng)計(jì)樣本生成新的統(tǒng)計(jì)樣本。至少有三個(gè)研究小組獨(dú)立報(bào)告了開發(fā)機(jī)器學(xué)習(xí)方法(稱為生成性對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)(GAN))的量子版本的進(jìn)展，該方法在過去幾年中風(fēng)靡機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域。
雖然許多算法似乎在現(xiàn)有的NISQ機(jī)器上運(yùn)行良好，但還沒有人提供正式的證據(jù)，能證明它們比在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上執(zhí)行的算法更強(qiáng)大。這些證明很難，可能需要數(shù)年才能完成。
在接下來的幾年里，研究人員很可能會(huì)開發(fā)出更大，更可控的NISQ設(shè)備，其次是具有數(shù)千個(gè)物理量子比特的完全糾錯(cuò)的機(jī)器。從事算法工作的人都樂觀地認(rèn)為，NISQ的算法將非常有效，比最先進(jìn)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更有優(yōu)勢(shì)，盡管我們可能要等到完全糾錯(cuò)的機(jī)器可用的時(shí)候。
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