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       “改變世界”這個(gè)詞已經(jīng)被用濫了，但對(duì)晶體管、萬(wàn)維網(wǎng)和手機(jī)這類(lèi)發(fā)明，要形容其撼動(dòng)世界歷史的影響力，還有別的合適詞語(yǔ)嗎？的確有一些創(chuàng)新改變了歷史的方向。本文介紹的碳呼吸電池、手術(shù)機(jī)器人、量子衛(wèi)星和另外七種創(chuàng)新能否產(chǎn)生相似的效果呢？現(xiàn)在下結(jié)論還為時(shí)尚早。大多數(shù)創(chuàng)新方案最終都失敗了，最偉大的創(chuàng)意往往也伴隨著最高的風(fēng)險(xiǎn)。但一個(gè)創(chuàng)意從引人發(fā)笑到變成大勢(shì)所趨，往往用不了多長(zhǎng)時(shí)間。而其中有一些，顯然會(huì)帶來(lái)變革。

——《科學(xué)美國(guó)人》編輯部

     1 碳呼吸電池

電化學(xué)電池能夠吸收大氣中的碳，將其轉(zhuǎn)化為電能。

單單削減溫室氣體排放量已經(jīng)不足以阻止全球變暖。現(xiàn)在，我們必須將大氣中已經(jīng)存在的二氧化碳清除一部分。好消息是，做這件事的方法有很多；壞消息是，這些方法基本上都需要消耗大量能源。

理想的碳封存技術(shù)應(yīng)該可以產(chǎn)生電能，而不是消耗能量。在2016年7月發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上的一篇論文中，美國(guó)康奈爾大學(xué)的研究人員瓦迪·阿爾· 薩達(dá)特（Wajdi Al Sadat）和林登·阿徹（Lynden Archer）描述了一種能夠捕捉二氧化碳的電化學(xué)電池的設(shè)計(jì)方案。

電池的陰極材料采用的是鋁，這種金屬成本低、儲(chǔ)量大、易于加工。陽(yáng)極由多孔碳構(gòu)成，研究人員向其中注入氧氣和二氧化碳的混合物。鋁、氧氣和二氧化碳在電池內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生電能并生成草酸鋁。薩達(dá)特和阿徹表示，在一個(gè)1.4伏電池的生命周期中，電池所吸收的碳是制造電池時(shí)所釋放的碳的2.5倍。阿徹解釋說(shuō)：“即使你把二氧化碳的主要來(lái)源都考慮進(jìn)來(lái)，我們的電池的碳排放量也是負(fù)的。”

而碳吸收過(guò)程的化學(xué)副產(chǎn)品──草酸鋁也很有價(jià)值。草酸鹽可作為清潔劑和漂白劑，全球每年需求量大約為23萬(wàn)噸。電化學(xué)電池每多產(chǎn)出一噸草酸鹽，會(huì)排放二氧化碳的草酸鹽工廠就可以少生產(chǎn)一噸。如果把這些減排因素考慮進(jìn)去，用來(lái)制造電池的每千克鋁可以吸收3.52千克二氧化碳。

阿徹表示，要想把這個(gè)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)用的技術(shù)，他和同事還有很長(zhǎng)的路要走。首先，他們需要證明該技術(shù)的成本效益足夠高，并且規(guī)模可以擴(kuò)展。阿徹預(yù)計(jì)，如果他們能成功實(shí)現(xiàn)這樣的轉(zhuǎn)化，將來(lái)這種電池會(huì)配備在發(fā)電站和汽車(chē)排氣管上。“這樣你不只是減少了二氧化碳，而且在利用二氧化碳。”

2 全新的抗生素

設(shè)計(jì)新型化合物的方法可用來(lái)對(duì)抗耐藥菌。

很難想象一個(gè)沒(méi)有抗生素的世界是什么樣的，不過(guò)因?yàn)榇笠?guī)模地濫用抗生素，我們正走近這樣的世界。美國(guó)疾病控制與預(yù)防中心（Centers for Disease Control and  Prevention）表示，僅在美國(guó)，每年就有超過(guò)23000人因感染抗生素?zé)o法對(duì)付的病菌而死亡。英國(guó)政府資助的一項(xiàng)研究估計(jì)，到2050年，全世界每年會(huì)有1000萬(wàn)人死于耐藥菌。科學(xué)家正苦苦尋找能殺死超級(jí)病菌的新藥，例如大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)抗生素（macrolide）。大環(huán)內(nèi)酯是抗生素的一大門(mén)類(lèi)，可以治療一般的細(xì)菌感染，包括肺炎、鏈球菌性咽炎、耳部和皮膚感染，以及性傳播疾病。

研究人員已經(jīng)嘗試過(guò)修改已有抗生素的化學(xué)性質(zhì)，讓它們更有效地治療耐藥菌株，不過(guò)到目前為止沒(méi)有取得什么進(jìn)展。大環(huán)內(nèi)酯的化學(xué)結(jié)構(gòu)很難修改，而且大環(huán)內(nèi)酯的原材料是在裝著工業(yè)細(xì)菌的大型發(fā)酵罐里制造出來(lái)的——這個(gè)過(guò)程很難精確控制。“化學(xué)家們?cè)谶^(guò)去的幾十年里一直束手無(wú)策，”哈佛大學(xué)化學(xué)和化學(xué)生物學(xué)教授安德魯·邁爾斯（Andrew Myers）表示。

不過(guò)，邁爾斯和他的團(tuán)隊(duì)找到了從頭合成大環(huán)內(nèi)酯的方法。為了合成這種化合物，研究人員把大環(huán)內(nèi)酯的結(jié)構(gòu)分解成8個(gè)基本模塊，然后以新的形式把它們組合起來(lái)，利用不同的組合方式調(diào)節(jié)其化學(xué)性質(zhì)。邁爾斯團(tuán)隊(duì)在2016年5月發(fā)表于《自然》雜志的論文中表示，他們已經(jīng)合成了超過(guò)300種新型化合物。研究人員使用了14種致病細(xì)菌進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)化合物可以抑制細(xì)菌，而且有很多可以殺死耐藥菌株。

此后，研究人員又制造了300種新型化合物。邁爾斯成立了一家制藥公司Macrolide Pharmaceuticals，把這些新藥推向市場(chǎng)。研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)始研究另外兩類(lèi)抗生素：林可酰胺類(lèi)抗生素（lincosamide）和氨基糖苷類(lèi)抗生素（aminoglycoside）。在他們發(fā)明的化合物中，只有少部分會(huì)變成實(shí)用的抗生素，而且即使是這些抗生素也需要很長(zhǎng)時(shí)間才能出現(xiàn)在藥店中。但是邁爾斯有信心，他的研究（和類(lèi)似的研究）會(huì)幫助我們擊敗超級(jí)細(xì)菌。他說(shuō)：“我非常樂(lè)觀，隨著我們繼續(xù)進(jìn)行研究，肯定能獲得更好的結(jié)果。”

3 量子衛(wèi)星

量子密鑰的天基傳輸可能會(huì)讓“不可攻破”的互聯(lián)網(wǎng)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

要建立絕對(duì)安全的加密方法，并不需要比鉛筆和紙更高級(jí)的技術(shù)：只要選擇一串隨機(jī)的字符和數(shù)字，用作加密信息的密鑰。把這個(gè)密鑰寫(xiě)在一張紙上，用一次之后把紙燒掉就行。關(guān)鍵是要確保沒(méi)有人能攔截或篡改密鑰。而在互聯(lián)網(wǎng)上，竊取或篡改密鑰的事情一直沒(méi)斷過(guò)。量子密鑰分發(fā)（Quantum-key distribution，QKD）可以解決這個(gè)問(wèn)題，該方法會(huì)從糾纏光子中生成一個(gè)一次性密鑰。糾纏光子即量子狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的光子，如果其中一個(gè)光子受到擾動(dòng)，另一個(gè)光子也會(huì)立即受到影響，無(wú)論它們之間的距離有多遠(yuǎn)。量子密鑰分發(fā)的問(wèn)題是，沒(méi)人知道如何長(zhǎng)距離傳輸糾纏光子。然而今年8月，中國(guó)科學(xué)院成功將世界第一顆量子衛(wèi)星送入軌道，為解決這個(gè)問(wèn)題邁進(jìn)了一大步。

中國(guó)科學(xué)院的項(xiàng)目名為量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（QUESS），是與奧地利科學(xué)院合作的項(xiàng)目。該項(xiàng)目利用衛(wèi)星向中國(guó)境內(nèi)相距1200千米的兩個(gè)觀測(cè)站傳輸量子密鑰，這一距離是目前最遠(yuǎn)傳輸紀(jì)錄的8倍。原紀(jì)錄是由《科學(xué)美國(guó)人》顧問(wèn)、奧地利物理學(xué)家安東·蔡林格（Anton Zeilinger）的團(tuán)隊(duì)于2012年創(chuàng)造的。天基平臺(tái)（space-based platform）是長(zhǎng)距離傳輸?shù)奈ㄒ贿x擇，蔡林格說(shuō)：“地面上找不到能看到1000千米之外的地方。”現(xiàn)在，蔡林格正與他從前的學(xué)生、QUESS項(xiàng)目首席科學(xué)家潘建偉合作。

如果中國(guó)研究人員創(chuàng)造了量子密鑰傳輸距離的新紀(jì)錄，那么未來(lái)的衛(wèi)星就能提供一個(gè)軌道平臺(tái)，建立起不可攻破的“量子互聯(lián)網(wǎng)”，物理定律可以確保加密數(shù)據(jù)包的絕對(duì)安全。蔡林格解釋說(shuō)：“我們希望能建立洲際量子通信，這不再只是個(gè)科幻概念，而是未來(lái)的計(jì)算機(jī)彼此溝通的一般方式。”

4 替代外科手術(shù)的微型機(jī)器人

遠(yuǎn)程控制的微型機(jī)器人可以在人體內(nèi)治療疾病。

醫(yī)學(xué)干預(yù)手段越先進(jìn)，侵入性就越低。例如，減肥手術(shù)曾經(jīng)需要打開(kāi)病人的腹腔，從肚臍一直開(kāi)到隔膜；而今天，這類(lèi)手術(shù)只需要利用腹腔鏡技術(shù)，開(kāi)一個(gè)幾厘米的小口就行。現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)明了一個(gè)原型機(jī)器人，可以在胃里完成簡(jiǎn)單的手術(shù)，而且完全不需要切口或連接外部的纜線——病人只需從口中把機(jī)器人吞下去就行。

這種微型機(jī)器人包裹在用冰做成的口服含片里，被人服下后會(huì)通過(guò)食道進(jìn)到胃里。冰膠囊融化后，機(jī)器人會(huì)像折紙一樣打開(kāi)。展開(kāi)后的機(jī)器人看起來(lái)像一張有皺褶的紙，材料上的皺褶、縫隙和補(bǔ)丁的位置都是精心設(shè)計(jì)好的，它們遇熱或受磁場(chǎng)作用時(shí)會(huì)膨脹或收縮，進(jìn)而使機(jī)器人移動(dòng)。這種移動(dòng)方式與生物體關(guān)節(jié)和肌肉的運(yùn)動(dòng)方式非常類(lèi)似。外科醫(yī)生通過(guò)外部電磁場(chǎng)影響機(jī)器人上的磁鐵，就可控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人也能通過(guò)屈伸自己的皺褶，沿著胃壁爬到指定的位置。這種移動(dòng)方式叫黏滑運(yùn)動(dòng)（stick-slip motion）。

機(jī)器人的主體由生物相容性材料制成——部分材料來(lái)自豬的小腸，也是香腸腸衣的材料。這些材料可以向體內(nèi)傷口給藥或是像創(chuàng)口貼那樣固定在傷口上。機(jī)器人還能用自帶的磁鐵“捕捉”并移除異物，比如誤吞的紐扣電池。

 盡管這款機(jī)器人還沒(méi)在活體動(dòng)物或人體內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，但美國(guó)麻省理工學(xué)院的機(jī)器人工程師丹妮拉·魯斯（Daniela Rus，她的團(tuán)隊(duì)完成了這項(xiàng)研究）認(rèn)為，這樣的目標(biāo)是可以實(shí)現(xiàn)的：“性能更強(qiáng)的機(jī)器人”也許有一天可以通過(guò)自帶的傳感器診斷體內(nèi)出血點(diǎn)。而無(wú)需有創(chuàng)外科手術(shù)就能移除體內(nèi)異物，也將是一個(gè)巨大的進(jìn)步。“我的父親在20世紀(jì)70年代得了腎結(jié)石，醫(yī)生們差不多切開(kāi)了他的半個(gè)身體才取出結(jié)石，”魯斯說(shuō)，“（微型機(jī)器人）還需要很多年才能付諸使用，但一旦投入實(shí)用，可以想象它能對(duì)這些手術(shù)產(chǎn)生多大的影響。” 

5 發(fā)現(xiàn)貧窮地區(qū)的軟件

機(jī)器學(xué)習(xí)軟件可以分析衛(wèi)星圖片，找到需要幫助的偏遠(yuǎn)地區(qū)。

2015年，聯(lián)合國(guó)定下一個(gè)目標(biāo)，希望在2030年前在世界范圍內(nèi)消除極端貧困。這個(gè)目標(biāo)很大膽。要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，第一步就是找到最窮的人都在哪里，而這一步的難度就非常大。在貧窮和易發(fā)戰(zhàn)亂的國(guó)家進(jìn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)查既昂貴又危險(xiǎn)。因此，研究人員嘗試通過(guò)一種間接的辦法來(lái)解決這一難題：他們?cè)谝归g的人造衛(wèi)星照片中尋找特別暗的區(qū)域。“一般來(lái)說(shuō)，晚上亮起來(lái)的地方經(jīng)濟(jì)狀況更好，”美國(guó)斯坦福大學(xué)地球科學(xué)系統(tǒng)助理教授馬紹爾·博克（Marshall Burke）解釋說(shuō)。但這種方法有缺陷，尤其是在區(qū)分貧窮程度方面。在晚上，從太空中看下去，輕度貧困和極端貧困的地方是一樣的，都是漆黑一片。

博克和他在斯坦福的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，可以用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法來(lái)改進(jìn)人造衛(wèi)星成像研究。研究人員利用非洲五國(guó)的日間和夜間衛(wèi)星圖像來(lái)訓(xùn)練圖片分析軟件。在綜合了日間和夜間的圖片數(shù)據(jù)后，計(jì)算機(jī)“學(xué)會(huì)”把日間圖片的特征（道路、城市區(qū)域和農(nóng)業(yè)用地）與不同水平的夜間亮度關(guān)聯(lián)起來(lái)。“利用夜間的燈光，可以找出日間照片中有何重要特征，”博克說(shuō)。

當(dāng)訓(xùn)練結(jié)束后，博克的軟件可以?xún)H僅根據(jù)白天的衛(wèi)星圖片發(fā)現(xiàn)貧困區(qū)域的位置。當(dāng)研究人員拿他們的結(jié)果和針對(duì)非洲這五個(gè)國(guó)家的調(diào)查進(jìn)行比較后，發(fā)現(xiàn)他們的方法比其他非傳統(tǒng)的貧困預(yù)測(cè)工具（包括夜間亮度模型）更好。政府和非盈利組織可以使用這個(gè)工具決定現(xiàn)金轉(zhuǎn)移支付項(xiàng)目（cash-transfer program）的扶助對(duì)象，也可以評(píng)估某個(gè)扶貧政策的效果。研究人員已經(jīng)開(kāi)始與世界銀行和美國(guó)國(guó)際發(fā)展署（U.S. Agency for International Development）合作，計(jì)劃調(diào)查索馬里等地的貧困狀況。接下來(lái)，博克和他的團(tuán)隊(duì)希望可以用他們的新技術(shù)繪制一張全非洲的貧困狀況地圖。

6 會(huì)制冷的衣服

納米多孔纖維讓穿著者感到?jīng)隹欤@可以降低對(duì)空調(diào)的需求。

地球變得越熱，把空調(diào)溫度調(diào)得更低的人就越多。但是空調(diào)制冷需要能源，而獲取能源會(huì)排放溫室氣體。在美國(guó)，平均每年由于空調(diào)耗能向大氣中排放的二氧化碳高達(dá)100萬(wàn)噸。

崔屹（Cui Yi）是斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)教授，他想用衣服幫人們解暑降溫。即便是最輕薄的棉纖維衣物也會(huì)吸收身體發(fā)射出的紅外線，從而鎖住熱量。崔屹和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，一種用于制造鋰離子電池的納米多孔聚乙烯材料（nanoPE），可以讓這些輻射散發(fā)出去。其他高科技運(yùn)動(dòng)服是靠汗液蒸發(fā)來(lái)讓穿著者感覺(jué)涼爽，而nanoPE不需要汗液。

nanoPE的價(jià)格與棉纖維基本相當(dāng)，呈薄片狀，充滿直徑約50~1000納米的孔隙。這么大的孔隙可以讓紅外輻射透過(guò)，同時(shí)也會(huì)散射可見(jiàn)光，讓材料變得不透光。（普通的聚乙烯則是透明的，這對(duì)服裝面料來(lái)說(shuō)是個(gè)明顯缺陷。）一張nanoPE看上去就像一片薄薄的塑料片，不適合做服裝面料。崔屹的研究團(tuán)隊(duì)在nanoPE表面涂了一層吸水的化學(xué)物質(zhì)，在兩層nanoPE之間加入一層棉質(zhì)網(wǎng)夾層，并用微針在材料上刺出多個(gè)小孔，使空氣更容易流通，這才讓nanoPE成了一種可用的面料。在做出這些調(diào)整之后，崔屹發(fā)現(xiàn)，與棉質(zhì)衣服相比，nanoPE可以讓模擬的人體皮膚多降溫2攝氏度。崔屹團(tuán)隊(duì)于2016年9月在《科學(xué)》（Science）雜志上報(bào)告了這一發(fā)現(xiàn)。崔屹表示：“如果你穿上nanoPE的衣服，只要外部溫度比你的體溫稍低，你就會(huì)感到?jīng)隹臁?/b>”如果是大熱天，你可能還是想開(kāi)空調(diào)，但可以把溫度調(diào)高一些。有研究顯示，只要把空調(diào)溫度調(diào)高幾度，就能讓能耗降低近一半。