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盘点未来将影响人类社会的十大技术

  人类发明轮子用了200多万年,但用蒸汽机使轮子转起来只用了约5000年;第一台计算机塞满了一整间屋子,仅用了35年的时间就使计算机缩小成为桌上机器,而从桌上的计算机到膝上型计算机则不到10年。本世纪的大部分时间里,邮政和电话是主要的通信手段,但现在,电传、声音邮件和电子邮件在不到10年里就得到广泛的应用。

  随着科学技术的不断发展,从DNA折纸术到骨整合技术,一系列大想法受以媒体越来越多的关注,未来我们将有机会触摸压电显示器,也有机会购买自己的第一辆超级电容动力汽车。在即将进入下一世纪之际,未来10年是什么样子?现在越来越难以预测了。

  1、仿人机器人

  不管机器人在外表上与人类如何相似,一旦揭去它们的外衣,你所能看到的不过是一堆堆杂乱的电线,与我们的体内环境毫无相似之处可言。欧洲的一组科学家正致力于缩小机器人与人类之间的这种差距。他们研制的防人机器人原型能够高度模拟人类的身体结构。在这种仿人机器人体内,有一副由热塑性聚合物打造的骨架,与每一块肌肉相对应的传动装置以及类似肌腱的线路。欧洲科学家的目标是研制出与人类更为接近的机器人,能够像人类一样与环境发生相互作用并作出反应。

仿生机器

  仿人机器人是能够与人相互影响的最理想的机器人,因为它的外形像人,它的思维方式和行为方式也将越来越接近人。仿人机器人能够通过与环境的交互不断获得新知识,而且还能用它的设计者根本想象不到的方式去完成各种任务,它会自己适应非结构化的,动态的环境。在人类的历史中,曾经因为我们制造机器的局限性,使得我们不得不去适应机器,而现在我们要让机器来适应我们,仿人机器人是完成这一梦想的最好机会。

  仿人机器人具有人类的外观,可以适应人类的生活和工作环境,代替人类完成各种作业,并可以在很多方面扩展人类的能力,在服务,医疗,教育,娱乐等多个领域得到广泛应用。

  2、直接碳燃料电池

  传统观点认为,煤炭是一种破坏环境的肮脏能源,而氢燃料电池则是一种清洁能源,但新一代直接碳燃料电池却向这一传统观点发出挑战。这种燃料电池并不是借助难于获得的氢,而是通过氧与煤粉(或者生物量等其他碳源)之间的电气化学反应产生能量。

  直接碳燃料电池的优势在于,碳基能源生产并不需要燃烧,效率可达到传统煤电站的两倍左右。据美国加利福尼亚州的直接碳技术公司预计,他们可在2010年研制出一个使用生物量并且装机容量达到10千瓦的原型。俄亥俄州的ContainedEnergy公司则希望在不久后利用这项技术为小型灯泡供电。两家公司的最终目标都是研制出模块式直接碳燃料电池,通过组装建造一种新型小规模发电站或者为现有发现站增加清洁能源发电装机容量。

直接碳燃料电池

目前全球范围内正在发展多种类型的燃料电池,但固体氧化物燃料电池(SOFC)可能是最佳应用选择,包括二氧化碳捕集因为SOFC能将清洁的、未变换的合成气(一氧化碳和氢气)转变为二氧化碳和水,将水冷凝并采用精炼方式除去杂质后,可以进行二氧化碳压缩和封存。作为未来几十年发展进程中的重点,燃料电池将有希望使燃煤电厂的热效率跨入新阶段。

  3、代谢组学

  过去5年时间里,加拿大埃得蒙顿的阿尔伯特大学的科学家一直致力于人体代谢组项目的研究。这个项目具体是指一个数据库,包含8000个天然产生的代谢物(人体内参与化学反应的小分子)、1450种药物、1900种食品添加剂以及2900种在血检和尿检中发现的毒素。利用这些信息,研究人员可以对患者的代谢组学特征进行分析,允许他们通过血液或者尿液检测得知患者是否喜欢吃巧克力或者患上危及生命的疾病可能性。

代谢组学

  目前,进行这些检测需要借助价值数百万美元的设备,而这些设备通常只有研究实验室才有。人体代谢组项目的数据库于2007年第一次对外公布,现已得到商业应用,用于进行药物研发和疾病诊断,让快速而便利地进行个体健康状况检测和提供医学指导成为一种可能。

  尽管还没有经典论文出现,但是研究人员相信,与基因组学和蛋白质组学相比,代谢组学将在临床上发挥更大的作用。许多公司通过市场研究发现,健康人并不希望进行基因型分析,所以,对于这些人群来说,基因组学研究在临床上的应用很有限。

  4、DNA折纸术打造微型电脑芯片

DNA折纸术是近年来提出的一种全新的DNA自组装的方法,是DNA纳米技术与DNA自组装领域的一个重大进展。与传统的DNA自组装技术不同,DNA折纸术通过将一条长的DNA单链(通常为基因组DNA)与一系列经过设计的短DNA片段进行碱基互补,能够可控地构造出高度复杂的纳米图案或结构,在新兴的纳米领域中具有广泛的潜在应用。本文在介绍DNA折纸术相关原理的基础上,就DNA折纸术的起源、发展及其在DNA芯片、纳米元件与材料等领域的潜在应用进行了概述,探讨了DNA折纸术未来可能的发展方向。

DNA折纸术

  过去几年来,美国加利福尼亚州理工学院的科学家一直将显微镜下才可观察到的DNA串折叠成各种有趣的形状,也就是所谓的DNA折纸。2009年夏季取得的一项研究突破显示,折叠的DNA串可用于制造超小型电脑芯片。在此之后,加州理工学院的科学家便与IBM的研究人员合作,共同致力于DNA折纸术研究。根据他们的研究,三角形等特定形状的DNA串能够像硅片一样在微芯片制造中扮演重要角色。DNA串可以充当一个锚定点,用于锚定微小的电脑芯片组件。这些芯片组件最小只有6纳米,与当前的45纳米这一标准相比可谓是一项巨大进步。

  5、压电显示器

  科学家长久以来就已了解天然产生的压电材料的属性,即可以将电能转化成物理性应力,反之亦然。如果将这种特性应用到电子显示器上,便可研制出能够改变形状的显示器。2010年,这项技术有望应用到主流消费品制造领域,让移动设备拥有非比寻常的显示屏。关机时,屏幕可以变硬从而起到保护作用;开机时,屏幕又会变软,形成一个可按压的触摸屏。

压电显示器

  6、骨整合技术

  最理想的假肢在活动时能够像人体自然生长出的肢体一样。骨整合技术的目标就是将假肢与患者的骨骼完美结合在一起,充分利用骨细胞与钛相容而不是排斥这一优势。目前,这项技术已经应用到小型牙齿和面部植入手术。研究人员正加紧研究,希望这项技术能够在安装假肢方面得到应用。

  2008年,德国牧羊犬卡西迪(Cassidy)接受了一次成功的假肢(左腿)植入手术。美国北卡罗莱纳州大学的兽医外科医生计划在2010年利用骨整合技术再为截肢狗实施6次假腿植入手术。现在,他们正考虑对北卡罗莱纳州公园的一只虎猫实施这种手术。但与动物相比,将这项技术应用到人类肢体上势必面临更为巨大的挑战。

骨整合技术

  7、水平钻探技术

  在美国地下1.1万英尺(约合3352米)的页岩层内蕴藏着数万亿立方英尺天然气。由于密集的岩石导致天然气流动异常缓慢,大部分天然气根本无法借助普通钻井钻取。解决之道是:首先垂直向下钻进岩层,而后逐渐进行90度水平转弯,穿过页岩天然气藏。这并不是一个新鲜的想法,但在更高的能源价格以及更先进的技术促使下,能源公司突然之间开始聚焦这项技术。2008年,美国切萨皮克能源公司在南部海纳斯维勒页岩天然气田部署了14个水平钻井。根据他们的预计,水平钻井数量有望在2010年年末增至40个。

水平钻探技术

  8、动能水力发电

  传统的水力发电需要建大坝,而建造水坝往往是一项规模庞大的工程学项目,将改变当地的地貌和生态系统。动能水力发电是一个对环境影响较小的解决之道,利用河流与潮汐的自然流动驱动水下涡轮发电。

动能水力发电

  自2006年以来,美国VerdantPower公司便一直在纽约的东河(位于罗斯福岛东部)测试6个水下涡轮,以证明这项技术拥有发展潜力。这家公司希望在2010年获得批准,在东河部署30个大型水下涡轮,为美国电网输送1兆瓦特电力。

  全球其他类似项目也将在不久后完成测试并开始投入全面运转,其中包括在世界上潮差最大的加拿大芬迪湾安装的3个水下涡轮。

  9、纳米纱线

  自1991年问世以来,人们便一直用伟大二字形容碳纳米管。碳纳米管之所以拥有吸引力应归功于它们的强度(可达到钢铁的100倍)和出色的导热导电性能。但直到现在,我们仍没有大批量生产碳纳米管的能力。所幸的是,事情正发生改变。美国新罕布什尔州Nanocomp科技公司正将纳米管织成纱线并在商业上得到应用。

  最近,这家公司将长度超过6英里(约合10公里)的纳米纱线交付给一家大型航空公司。2009年春季,纳米纱线进行了一次成功的防弹测试,令五角大楼兴奋不已。由于比凯夫拉尔纤维(纤维B)更轻更细,纳米纱线可用于制造下一代防弹衣。

纳米纱线

  10、超级电容

  发展电动汽车面临的最大挑战就是如何储存能量。电池性能虽然大幅度提高,但价格仍较为昂贵,充电速度也较慢同时使用寿命较短。超级电容可能成为一种解决之道,虽然所含电量不及电池(至少当前的超级电容技术如此),但它们没有与电池一样的任何缺陷。也就是说,超级电容寿命更长,没有化学反应产生的污染和电池记忆问题,同时还具有更大的耐用性。

超级电容

  多年来,研究人员就一心要让汽车超级电容技术趋于完美。目前,美国麻省理工学院正在研究基于纳米管的超级电容,阿贡国家实验室则在探索采用电池-超级电容混合动力的可行性。相比之下,德克萨斯州公司EEStor在这条道路上的步伐迈得更快一些。这家公司在4月宣布其钛酸钡设计已经通过关键测试。虽然EEStor宣布的消息引发质疑,但他们的合作伙伴、加拿大ZENN汽车公司已开始展开宣传大战,宣称超级电容动力汽车将于2010年问世。

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