改变现代世界的15项发明专利

近期，中兴通讯受美国制裁的事件戳中了国人心中的“痛”，也对我们长期受制于人的芯片核心技术与产业敲响了警钟。

我们近乎被动地发现，在科技创新，尤其是技术驱动型创新方面，我们的差距到底有多大。而在沉醉于我们的“新四大发明”的同时，我们需要跳出来重新审视未来的发力点，需要重建真正的创新文化与创新土壤。

换句话来说，我们需要真正引领世界，改变世界的创新成果，而专利是其中至关重要的组成部分，或者说是最直观的表现。

就像无人机、iPhone、蓝牙、全球定位系统（GPS），在它们改变世界之前，这些技术只是图纸上的线条与数字，但却是未来开始的地方。

不同于过去发明家的独自闷头研究，今天，各种发明来自众多发明家对各种技术的聚合，例如iPhone和自动驾驶汽车。

而其它发明，如四轴飞行器无人机和3D打印机，数十年前就有相关设计，但直到核心技术发展成熟后，这些发明才真正火遍全球。

美国《大众机械》杂志的副主编Jay Bennett近期撰文，提出了改变现代世界的15项发明专利。

这些专利及其背后的故事又一次告诉我们：罗马不是一天建成的。一项技术从研发到实现大规模商用，到改变世界，往往需要经年累月，甚至几代探索者不断开拓、承前启后的辛勤付出。

1. 磁悬浮

专利名:"地面车辆电磁感应悬架及稳定系统"

磁悬浮列车的故事始于Eric Laithwaite和他的全尺寸直线感应电动机。Laithwaite发明了一种不需要与铁路轨道接触的直线电动机，可以用于开发基于磁场的运输系统，可以使用磁铁来实现升力和向前的推力。

Laithwaite的工作进一步得到了广泛的研究。1967年，布鲁克海文国家实验室的James Powell和Gordon Danby获得了磁悬浮列车的第一项专利。他们的设计旨在使用超导电磁铁产生“悬浮力，使火车悬浮在地面上”，并用“推进器、喷气发动机或火箭”来实现推力。

当Laithwaite在直线感应电动机方面的研究与Powell和Danby设计的悬浮列车相结合时，第一辆商用磁悬浮列车诞生了。

1995年，磁悬浮列车在英国开通，使英国成为最早将磁悬浮铁路投入商业运营的国家之一。

德国人建造并测试了许多磁悬浮列车的原型，2003年，采用德国技术的上海磁悬浮列车是世界上第一条商业运营的高架磁悬浮专线，设计最高运行速度为每小时430公里。

2015年，日本L0型系列磁浮列车试验运行时以603公里的时速创造了速度纪录。

在未来，hyperloop系统可以使用类似的技术来悬浮和加速位于真空密封管中的乘客舱，速度可能会高达750英里/小时（约合1207公里/小时）。

2.iPhone

专利名: "电子设备"

最初的iPhone专利仅标注为“电子设备”，仅表示它是“电子设备的装饰设计”。

尽管iPhone不是第一款连接互联网的智能手机，但基本设计已经成功改变了许多人每天都在使用的手机的外观和功能。不仅仅是手持式计算机，iPhone和随后的“电子设备”的改进已经影响到人类如何交流、导航甚至思考。

3. 外骨骼装置

专利名: "运动辅助装置和方法"

外骨骼技术历史悠久，可追溯到1890年Nicholas Yagin发明的“促进行走装置”。无动力的外骨骼使用压缩气体来储存能量并帮助运动。

20世纪60年代，美国军方发起了一项由通用电气开发的动力外骨骼项目：Hardiman。这种大型机械套装旨在增强士兵的力量，士兵可以举起1500磅的重物，但外骨骼在全力作战时会因剧烈动作而失控，而且没有进行过人体试用测试。

随着技术不断改进，各公司纷纷投资外骨骼装置，旨在帮助不同程度瘫痪的人，或协助工作现场的工人。人工智能外骨骼公司ReWalk在2014年申请动力外骨骼专利，在康复中心推出一个外骨骼装置，让轻微瘫痪者能够学会坐下、站立、走路甚至爬楼梯。

此外，麻省理工学院和欧洲航天局正在开展其他用途设计，未来的建筑工人、士兵、甚至宇航员都可以使用外骨骼装置。

4. 无人机

专利名: "全方位、垂直升降、无人驾驶飞机"

四旋翼无人驾驶飞机在1962年首次获得专利。

Piasecki飞机公司工程师Edward G. Vanderlip首先设计了一种方法，允许直升机的仪器在电源故障时能继续工作。

Vanderlip想到将飞行员的飞行系统集成到一个小型遥控旋翼飞机上。他的专利“全方位、垂直升降、无人驾驶飞机”概述了一种设计为“非常简单”飞行的无人机。

在他的设计中，有“四个升力装置，在两端成对布置”，使得倾斜的垂直轴线总是垂直于地面。这允许飞机倾斜其升力装置并向任何方向飞行，同时保持水平控制。

一旦飞行控制系统和其他电子系统（例如相机和GPS导航）与Vanderlip的想法相整合，就出现今天的四轴飞行器无人机。

5. 3D打印机

专利名: "通过立体光刻技术制作三维物体的设备"

3D打印机的专利最早出现在1986年，该文档描述了大多数3D打印机所使用的基本技术：立体光刻或树脂的光固化。

移动平台从计算机输入并将底座定位在喷嘴下面。从喷嘴中喷出的液体树脂逐层形成物体，并通过紫外光将之固化。

随着计算技术的进步，3D打印的真正价值变得显而易见。随着金属打印，如激光金属烧结技术的发展，现代制造商利用3D打印机科技进行更多制造活动，如桥梁和火箭发动机。

6. 仿生眼

专利名: "视网膜假体和制造视网膜假体的方法"

1968年，医生G. S. Brindley和W. S. Lewin第一次尝试恢复视力的方法，并通过手术将一种装置植入52岁的患者体内。事实上，电子设备没有植入患者的眼睛，而是植入他大脑的视叶上。通过刺激大脑的神经元，使病人可以在视野中看到光点。

如今，正如2013年的一项专利中所描述的，使用更小的电子设备，视觉恢复装置可以直接植入视网膜。

一种通常安装在太阳镜上的照相机已经被用来采集周围区域的数据，并向视网膜植入物发送信号，然后刺激眼睛中的感光细胞。

完全失明的患者已经能够使用该技术恢复部分视力，包括看到形状和光线的能力。随着电极不断缩小，允许更多特定的感光细胞受到刺激，这项技术只会变得更好。

7. 全球定位系统GPS

专利名: "使用卫星与被动测距技术的导航系统"

GPS卫星是由美国海军发明的，今天由空军运营。Roger L. Easton是全球定位系统的幕后策划者，在20世纪50年代，为海军研究实验室（NRL）开发技术来跟踪美国在轨卫星和苏联卫星。

1959年，Easton开发了海军空间监视系统，这是第一个用来追踪绕美国运转的每一个物体的雷达网络。

在接下来的几十年里，Easton把他的技术转向了从太空跟踪地面上的物体。授予他的1974年专利描述了使用卫星进行导航的方法。

在TIMATION I和TIMATION II等任务中发射的高精度时钟改进了该技术并修正了由狭义相对论引起的误差。1977年，第一个GPS数据由2号导航技术卫星发送。

这项技术多年来一直在军队中使用，美国在第一次海湾战争期间使用GPS卫星在科威特和伊拉克的沙漠进行导航，被称为“第一次太空战争”。GPS在1995年全面使用24颗卫星运行。

8. CRISPR基因编辑

专利名: "用于改变基因产物表达的CRISPR-Cas系统和方法"

CRISPR-Cas9是加州大学伯克利分校开发的一种基因编辑工具，用于修改单细胞生物。这项技术随后在与哈佛和麻省理工学院合作的非盈利研究所（Buld Institute）进行了改进，正如2014年专利所概述的那样，专注于研究多细胞生物体。

今天，CRISPR用于修改作物和牲畜基因，以及治疗诸如白血病等人类疾病。

CRISPR-Cas9工具的运用分为三个部分：一个定位于生物体DNA正确部分的RNA链，切割DNA片段的Cas9酶，一个可选的DNA链用于替换被删除的部分。

CRISPR可以注射到胚胎或被引入细胞，如免疫系统细胞，然后注射到病人体内。基因工程的可能性刚刚开始形成，更多新药物和新的治疗方法即将出现。

9. 大脑植入

专利名: "三维电极装置"

在19世纪后期，医生发现对大脑的电刺激可能会导致人体和动物的身体活动。到了20世纪，涉及大脑刺激的一些实验成功地改变了患者的情绪和行为。

1993年，犹他大学的一项专利概述了所谓的“犹他阵列”，在后来的专利中被描述为“可植入的、集成的装置，其用大量金属针与大脑接触以检测电信号或向大脑发送信号。”

以后，大脑植入物已经发展到让患者可以移动机器假肢或在计算机上输入文本的地步。未来，像“神经织网”这样覆盖大量神经元的技术可以用于让人们用大脑与电脑进行交互。

10. 石墨烯

专利名: "纳米級石墨烯薄片"

我们可能正在进入石墨烯时代。由单层碳分子排列成蜂窝状结构的复合材料非常轻便，强度是相同钢层的200倍，具有高耐热性和高导电性。

这些特性使石墨烯和类似的碳复合材料非常适合于电脑芯片、客机机翼和其他用途。

目前，国内的恒力盛泰公司拥有第7071258B1号美国专利《Nano-scaled Graphene Plates（纳米級石墨烯薄片）》授权。

石墨烯由石墨块制成，然而，隔离只有一个原子厚的单层碳分子，是非常具有挑战性的。

直到2004年，曼彻斯特大学的Andre Geim和Konstantin Novoselov才用一种称为“Scotch胶带法”的方式，用胶带提取出单层原子厚的石墨烯晶体。这项工作为他们赢得了2010年诺贝尔物理学奖。

随后，采用新的创新方法提取材料的技术不断出现，例如2006年使用“剥落”技术制造石墨烯的专利。

11. 蓝牙

专利名: "移动通信设备的点对点信息交换"

Jaap Haartsen于1994年发明了蓝牙，允许靠近的电子设备使用低功率、超高频无线电波互相连接。Haartsen还起草了多项与蓝牙有关的专利，但它们受到专利诉讼和专利钓饵的阻挠。这份2013年的专利描述了该技术如何用于传输GPS数据。

该系统使用小型计算机芯片植入微型无线电设备中，运行相互连接所需的软件。这些设备通过名为微微网（piconet）的短程网络“配对”。这项技术在当今几乎所有手持设备中都有使用，包括耳机、摄像机和智能恒温器。

12. 自动驾驶汽车

专利名: "自主车辆视觉系统"

自动驾驶汽车的历史可以追溯到近一百年前。1925年，Hodina用无线电控制一辆无人驾驶的1926年钱德勒（Chandler）汽车，在曼哈顿的交通拥挤的道路上行驶。

70年后，在卡内基梅隆大学的Navlab项目“No Hands Across America”无人驾驶汽车测试中，一辆半自主式汽车中行驶了3100英里，除了驾驶员完成加速和刹车外，其它动作完全由汽车自主完成。

自动驾驶汽车技术拥有数百项专利，但突破障碍的公司是一家名为VisLab的意大利机器视觉公司。

2013年7月，VisLab的自动驾驶汽车BRAiVE在意大利帕尔马市中心自主驾驶通过双向街道、人行横道、红绿灯、环形交叉路口和其他障碍物。该公司在自动驾驶汽车技术方面拥有的第一项专利是用于摄像机和传感器系统，以获取有关车辆周围环境的信息并向计算机输入命令。

今天，许多大型科技公司和汽车公司正在开发自动驾驶汽车，如谷歌，亚马逊和特斯拉。未来，自动驾驶汽车将取代城市中的传统公共交通和传统汽车，将城市交通向互联交通网络转变，从而有效消除交通拥堵。

13. 太阳能电池板

专利名: "太阳辐射能利用装置"

19世纪初，法国物理学家Edmund Bequerel发现，某些材料在暴露于光照时会产生微小的电流，即光伏效应。1839年，他将氯化银置于酸性溶液中，并与铂电极连接，创造了第一个光伏电池。

大约五十年后，第一个美国太阳能电池专利被授予给Edward Weston。该专利描述了一种“热电元件”，其在一端连接两个“异种金属”体，并在其他地方绝缘，以便暴露在阳光时，“在电路中产生电流”。

Weston甚至有先见之明地描绘出一个能量储存系统，以便“在夜间或阴天时，可以利用日照时积累的能量”，这是当今大规模太阳能发电面临的主要挑战。

几十年来，太阳能电池板技术不断改进，今天它们主要由硅制成。

1968年，先锋1号卫星成为第一艘使用太阳能电池板的航天器。目前，世界上最大的太阳能发电厂——印度Kamuthi太阳能发电项目占地约3.9平方英里，发电能力接近650兆瓦。

14. 第三代无线移动通信（3G）

专利名: "移动互联网接入"

第一代无线移动电信技术使模拟蜂窝电话成为可能，第二代技术则支持数字手机。但是直到3G或通用移动通信系统（UMTS），才改变了我们每天随身携带的设备。

如2003年专利中所述，手机通过3G连接到GPS和互联网。它使手持设备上的视频通话和流媒体传输成为可能。10年后，随着4G基础设施的发展，对网络改进使手机变成了钱包、个人助理和娱乐设备。

技术发展如此之快，短短数年间，我们又即将进入一个全新的5G时代。

15. 虚拟现实

专利名: "用于显示抽象信息的虚拟现实生成器"

最初的VR头戴设备不是用于玩电子游戏或观看体育比赛，而是帮助用户分析财务数据。

2000年，发明家Paul Marshall的“虚拟现实发生器”专利描述了一个计算机生成的世界，用户可以通过“使用控制设备，如轨迹球或太空球、电子数据手套、磁头位置跟踪器、键盘、操纵杆或方向盘。”

Paul Marshall继续致力于这些技术，以创建一个“三维信息场景”，仍然旨在帮助“理财经理或金融分析师”筛选数据。

该技术曾长期处于研究阶段，直到2016年Oculus Rift发布娱乐头戴设备，以及HTC随后发布HTC Vive设备。

其他虚拟现实系统，如三星VR和谷歌Cardboard，使用智能手机来显示虚拟世界。

像微软HoloLens这样的增强现实技术可以在将来通过现实世界数据的叠加，用于帮助从施工人员到科学家的每个人。