2019年全球十大突破性技术

自 2001 年起，《麻省理工学院技术评论》每年都会发布“全球十大突破性技术”，关注技术的商业应用潜力以及对人类社会和生活的重大影响，实用型量子计算机、可回收火箭、对抗性神经网络、石墨烯晶体管、精确编辑植物基因等技术曾出现在近几年的榜单中——也因此，这个榜单被认为是投资和技术应用领域的风向标。今年，比尔·盖茨则受邀发表了他的技术选择。“我希望我选择的这些技术不仅会在2019年成为热点，也会在技术史上成为非常重要的里程碑。”

当麻省理工学院技术评论邀请我成为其10个突破性技术的第一位客座策展人时，我感到非常荣幸。我希望我选择的这些技术不仅会在2019年成为热点，也会在技术史上成为非常重要的里程碑。

灵巧的机器人

机器人正在教自己认知并接触物质世界。

目前关于机器人的讨论大多是批判工业机器人笨拙且缺乏灵活性：机器人可以以惊人的精度重复拾取装配线上的部件而不会感到厌倦，但是如果将物体移动半英寸或者用略微不同的东西替换它，机器将变得手足无措。

虽然机器人还不能通过编程来确定如何抓住任何物体，但是它现在可以像人们一样通过虚拟试验和修正错误，学会自己操纵物体。

比如Dactyl，它是一个机器人，它教会自己用手指翻转玩具积木。Dactyl来自非营利组织OpenAI，它由一个现成的机器人手组成，周围环绕着一系列灯光和照相机。它使用所谓的强化学习、神经网络来学习如何模拟用手抓住并转动模拟环境中的物体。

通常这种类型的虚拟实践不可能转移到现实世界，因为诸如摩擦或不同材料的不同属性之类的东西很难模拟。OpenAI团队也在试图通过向虚拟训练中添加随机性来解决这个问题。

核能发电

BOB MUMGAARD/等离子体科学与融合中心/麻省理工学院

先进的聚变和裂变反应堆正在接近现实。

在过去一年中被重新设计的核能发电装置有望使这种电源更安全，更便宜。其中包括第四代裂变反应堆、小型模块化反应堆，而聚变反应堆这种技术仍然没有办法实现。第四代裂变反应堆的设计开发商有很多，如加拿大的Terrestrial Energy和华盛顿的TerraPower，他们已经与公用事业单位建立了联合研发的伙伴关系，目标是在2020年之前实现电网供应。

小型模块化反应堆通常可以产生数十兆瓦的电力（传统的核反应堆产生约1,000兆瓦的电力）。俄勒冈州的NuScale公司表示，小型化反应堆可以节省资金并降低环境污染和金融风险。

预测早产儿

简单的验血可以预测孕妇是否有过早分娩的风险。

我们的遗传物质主要存在于细胞内，但是少量的“无细胞”DNA和RNA也漂浮在我们的血液中，通常由垂死细胞释放出来的。在孕妇的血液中，无细胞DNA是来自胎儿、胎盘和羊水。

斯坦福大学的生物工程师斯蒂芬雷克斯已经找到了一种方法来解决医学界最棘手的问题之一：婴儿过早出生！——你要知道大约十分之一的婴儿都会出现这样的问题。

自由浮动的DNA和RNA可以提供以前需要侵入细胞才能抓取的细胞信息，例如对肿瘤进行活组织检查或刺穿孕妇的腹部以进行羊膜穿刺术。但是现在检测和测序血液中的少量无细胞遗传物质变得更容易了。在过去的几年里，研究人员已经开始开展癌症血液检测（通过从肿瘤细胞中发现明显的DNA）以及产前筛查唐氏综合症等疾病。

这些测试都依赖于DNA中的基因突变，同时RNA是调节基因表达的分子。通过对母亲血液中自由漂浮的RNA进行测序，Quake发现了七个基因表达的波动，而这些基因与早产相关，这让他可以提前识别可能有早产症状的女性。一旦被警告，医生可以采取措施避免早产，以给予孩子更多的生存机会。

药丸状的肠道探针

一个小型的、可吞咽的设备可以捕获肠道的详细图像，无需麻醉，即使对婴儿和儿童也有奇效。

环境肠道功能障碍（EED）可能是你从未听说过的疾病之一，但它极其昂贵。这种疾病主要是由发炎的肠道所导致的营养不良，在贫穷国家普遍存在，这也是许多人营养不良、发育迟缓、从未达到正常身高的原因之一——没有人确切知道导致EED的原因以及如何预防或治疗EED。

检测它的实际状况有助于医务人员知道何时进行干预以及如何进行干预，治疗方法已经可用于婴儿。以往，诊断这些幼儿的内脏疾病往往需要麻醉并将一个称为内窥镜的管插入喉咙。它不仅昂贵，不舒服，而且还不实用。

因此波士顿马萨诸塞州综合医院（MGH）的病理学家和工程师Guillermo Tearney正在开发小型设备，可用于检查肠道是否有EED迹象，甚至可以进行组织活检。与内窥镜不同，它们在初级护理访问时使用简单。

Tearney的可吞咽胶囊包含微型显微镜，它们附着在一个灵活的绳状绳索上，提供电源和光线，同时将图像发送到带监视器的公文包式控制台。这使得医务人员可以将胶囊暂停在感兴趣的点并在完成后将其拉出，从而使其可以进行消毒和重复使用。它还可以呈现在单个细胞的分辨率下，对消化道的整个表面成像或捕获三维的技术横截面。

该项技术有多种应用场景，在MGH，它被用于筛查Barrett食道，这是食道癌的前兆。对于EED，Tearney的团队开发了一种更小的版本，用于无法吞服药丸的婴儿，并在EED很普遍的巴基斯坦青少年中进行了测试。

定制癌症疫苗

科学家正处于第一个个性化癌症疫苗商业化的冲刺阶段。如果按预期完成工作，疫苗可以通过其独特的突变触发人体免疫系统识别肿瘤，可以有效地治愈多种类型的癌症。

通过使用身体的天然防御来选择性地仅破坏肿瘤细胞，这充分利用了疫苗与传统的化学疗法的不同，疫苗可以限制对健康细胞的损害。在初始治疗后，攻击性免疫细胞也可以发现任何杂散癌细胞。

在人类基因组计划完成的五年后，当时遗传学家发现了第一个癌细胞序列。不久之后，研究人员开始将肿瘤细胞的DNA与健康细胞和其他肿瘤细胞的DNA进行比较。这些研究证实，所有癌细胞都含有数百种或者千种的特定突变，其中大部分都是特定肿瘤所独有的。

几年后，一家名为BioNTech的德国初创公司提供了令人信服的证据，证明含有这些特定的疫苗可以催化机体免疫系统产生T细胞，这些T细胞可以寻找、攻击和摧毁所有携带它们的癌细胞。

2017年12月，BioNTech与生物技术巨头Genentech合作，开始对癌症患者的疫苗进行大规模测试。正在进行的试验针对至少10种实体癌症，目标是在全球各地招募560名患者。

有肉味的蔬菜汉堡

实验室种植的植物替代品都接近真实肉类的味道，并具有相同的营养价值，而且没有遭遇过任何的环境破坏。联合国预计到2050年世界将有98亿人口，而且这些人越来越富裕。这两种趋势都不利于气候变化——特别是因为人们变富有时往往会吃很多的肉。

到那时为止，根据预测，人类会比2005年消耗多70％的肉。而且事实证明，饲养动物供人类消费是我们对环境做的最糟糕的事情。

根据测算，用西方工业化方法生产一磅肉蛋白质需要比生产一磅植物蛋白质多4到25倍的水、6到17倍的土地和6到20倍的化石燃料。目前最主要的问题是人们不太可能很快停止吃肉，这也意味着实验室种植的植物替代品可能是解决目前问题的最佳方式。

荷兰马斯特里赫特大学（Maastricht University）的研究人员正在努力大规模生产实验室种植的“肉类”，这些肉类里面包含从动物身上提取的肌肉组织，并且在明年将会有一个实验室种植的“肉类”汉堡。实验室种植肉类的一个缺点是，环境效益仍然是较差的。最近世界经济论坛的一份报告称，实验室生产“肉类”的碳排放量仅比牛肉生产的碳排放量降低了7％左右。

二氧化碳“捕手”

如何经济实惠地从空气中捕获二氧化碳？——吸收过多的温室气体排放。

即使我们减缓二氧化碳排放，温室气体的变暖效应也会持续数千年。为了防止气温升高，联合国气候小组现在得出结论，我们需要在本世纪内从大气中清除多达1万亿吨的二氧化碳。

去年夏天，哈佛大学气候科学家大卫凯斯（David Keith）在一项意外发现中计算出，通过称为直接空气捕获的方法，理论上可以将吸收每吨二氧化碳的成本降低到不到100美元，这比先前的估计几乎便宜了一个数量级。

但是一旦你捕获了，你仍然需要弄清楚如何处理它。加拿大创业公司Keith于2009年创办的碳工程公司计划扩大其试验工厂，以捕获二氧化碳作为关键成分来提高其合成燃料的产量。

位于苏黎世的Climeworks在意大利的直接空气捕获工厂将捕获的二氧化碳和氢气中产生甲烷，而瑞士的第二家工厂将向软饮料行业销售二氧化碳。

手腕上的心电图

技术进步使人们更容易通过可穿戴设备监控他们的心脏。健身追踪器不是精密的医疗设备，剧烈的锻炼可能会弄乱读取脉搏的传感器。但对于心电图——医生用于诊断中风或心脏病发作之前的材料则需要去诊所就诊，而且人们经常无法及时接受检查。

通过硬件及软件创新支持的心电图智能手表为可穿戴设备提供了更接近医疗设备精度的便利。来自硅谷创业公司AliveCor的Apple Watch可以检测房颤，这是血栓和中风的常见原因，并于2017年获得了FDA批准。去年，Apple发布了自己的FDA清除ECG功能，并嵌入到了设备里面。

目前的可穿戴设备仍然只使用一个传感器，而真正的心电图有12个。而且目前并没有可穿戴设备可以检测到心脏病发作，但这可能会很快改变。

去年秋天，AliveCor向美国心脏协会提交了一个应用程序和双传感器系统的初步结果，该系统可以检测到某种类型的心脏病发作。

没有下水道的卫生设施

节能厕所可以在没有下水道系统的情况下运行，并在现场处理废物。

全球大约有23亿人没有良好的卫生条件。缺乏废物处理的厕所鼓励人们将粪便排放到附近的池塘和溪流中，传播可导致腹泻和霍乱的细菌、病毒和寄生虫——要知道腹泻导致全世界九分之一的儿童死亡。

现在，研究人员正致力于为发展中国家建造一种价格低廉的新型厕所，支持现场处理废物。2011年，比尔盖茨在这个领域创造了X奖——重塑厕所挑战赛。自比赛开始以来，一些团队已将原型投入现场。所有这些都在当地处理废物，因此不需要用大量的水将其运送到远处的处理厂。

大多数的厕所原型都是独立的，不需要下水道，但它们看起来像传统的厕所，安置在小型建筑物或储存容器中。南佛罗里达大学设计的NEWgenerator马桶用厌氧膜过滤掉污染物，其中厌氧膜的孔隙小于细菌和病毒。另一个来自康涅狄格州生物质控制公司的厕所是一个大小与集装箱相当的“炼油厂”：它加热废物产生富含碳的物质，这些物质可以使土壤肥沃。

一个缺点是厕所不能在各种通用场景下工作。例如，生物质控制公司的产品主要是为数万用户设计的，这使得它不太适合小型村庄，杜克大学开发的另一个系统仅供附近的几个家庭使用。因此，现在的挑战是使这些厕所更便宜，更适应不同规模的社区。

流畅的AI助手

捕获单词之间语义关系的新技术可以使机器更好地理解自然语言。我们已经习惯了AI助手——Alexa在起居室里播放音乐，Siri在你的手机上设置闹钟，但他们并没有真正实现所谓的“聪明才智”。他们原本应该简化我们的生活，但现在他们只能识别一系列狭窄的指令，且很容易被偏差绊倒。

但最近的一些进展即将扩展你的数字助理的功能。在2018年6月，OpenAI的研究人员开发了一种技术，可以在未标记的文本上训练AI，以避免手动分类和标记所有数据的费用和时间。几个月后，Google的一个团队推出了一个名为BERT的系统，该系统通过研究数百万个句子来学习如何预测遗失的单词。在多项选择测试中，它在填补空白方面与人类一样好。

这些改进加上更好的语音合成，可以让简单的AI助手转变为真正的智能助手，他们将能够处理每日细节，例如记笔记、查找信息或在线购物。

有些企业可以开始将它们应用于生产，谷歌双工（Google Duplex）是谷歌助手（Google Assistant）的类似于人类的升级版，它可以接听你的垃圾邮件和电话推销，它还可以打电话安排餐厅预订或沙龙预约。在中国，阿里巴巴的AliMe已经被广大消费者接受，它通过电话协调包裹递送，并讨论商品价格。

虽然人工智能程序在弄清楚你想要什么方面变得更好了，但他们仍然无法理解句子。但是，一旦我们跨过这个障碍，我们将看到另一个演变，可能从后勤协调员到保姆、老师甚至朋友？