引领下个十年的 10 项最新科技

下个10年内,最值得关注的 10 项先进发展科技

1. 脑机接口技术,将人脑连接到计算机 Brain-Computer Interface (BCI)
2. 生成式人工智能 Generative AI
3. 联网和自动驾驶汽车技术 Connected and Autonomous Vehicle (CAV) Technologies
4. 可长时间存储的电力备用系统 Long Duration Storage
5. 太阳能电池板回收 Solar Panel Recycle
6 碳测量与分析 Carbon Measurement & Analytics
7. CCUS 技术与清洁能源 CCUS (Carbon Capture, Utilization and Storage) and Green Power
8. 下一代远程医疗远程医疗 Next Generation Telehealth
9. 合成生物学 Synthetic Biology
10. 嵌合抗原受体T细胞疗法 CAR T-Cell (Chimeric Antigen Receptor T-Cell Therapy)


1. 脑机接口 (BCI),将人脑连接电脑的科技

2019 年 7 月,特斯拉电动汽车和SpaceX 宇宙飞船的老板、世界首富埃隆·马斯克宣布成立公司Neuralink,在世界范围内引起轰动。Neuralink专门开发”脑机接口“的技术,让人脑与计算机直接连线通信。

只需要心想,就能操作不同的机器。甚至写文章发帖子,只靠思考就能办到

Neuralink 使用 1,024 个细电极与脑细胞通信,这些电极穿透大脑外层。 然后是与外部计算设备的蓝牙链接,而公司也在研究可增加数据链接数量的其他无线电技术。Credit: Steve Jurvetson, Flickr

事实上,脑机接口的研究早自 1970 年代就出现了,从加州大学洛杉矶分校开始,此后一直在老鼠等实验动物中进行持续和广泛的实验。直到 1990 年代中期最终进行人体试验之前,必须直接在大脑表面上植入传感器,因此很难进行实验和使用。后来发展成非侵入性的方式,才获得突破,可以更广泛地使用。

脑机接口的操作需要硬件和软件。硬件是关键从脑电波接收电信号的传感器。现在,BCI 的电极植入手术与植入电极以监测癫痫的手术,具有相同的精度。并且有一个头戴设备和良好的颅骨下电信号读数软件,是很重要的部分,因为它是用来读取和分析用户的脑电波。所以近年来人工智能和机器学习发展迅速,极大地促进了该领域的发展。

BCI 目前正用于瘫痪患者。无法移动他或她的四肢 这使得强制机器人的手臂或手指移动成为可能,还可以帮助原本无法与他人交流的有锁定症状的患者。因为他们根本无法移动他们的器官 使与他人互动成为可能

此外 无需颅内穿刺即可测量脑电信号以植入电极 它还扩大了用于测量心理和情绪状态的用途。它也有助于更好地放松和集中注意力。

这项BCI技术将在老年人护理或公众福祉方面发挥重要作用,包括游戏行业、甚至祖克柏的元宇宙。

2. 生成式人工智能 Generative AI

上图:虚拟歌手 Zoe Connelly
Credit: RAFTWET Jewell, Flickr

前面提到的脑机接口技术,其实也得归功于人工智能的快速发展,做出不少贡献。目前,人工智能(AI)的技术更成熟,并且已经运用在广泛的实际场景中。而其中一项最有趣和也最热门的领域,称为生成人工智能,它使用人工智能来生成不存在的数据,事先利用人工智能从各种事物的模型中学习,即利用大数据训练 AI,例如帮助绘制人脸的的 GAN 建模技术(GAN,Generative Adversarial Networks),可产生逼真的人脸图像。或是用于创建高分辨率的虚拟明星,像是虚拟歌手、主播或偶像人物等等。

此外,生成式 AI 可将图像分辨率大大提升。超分辨率可以将照片转换为更清晰的新照片,或是将白天图像转换为夜间图像,将黑白图像转换为彩色图像。甚至可以让物体的外观互换,例如将马转换为斑马。未来,这样的技术可以在翻译中应用。

生成式 AI 还有一些新技术,像是为图片生成标题(Image Captioning) 文字生成图像 (Image Generation From Text)的技术,其中 AI 必须链接两种不同的数据格式:图像数据和文本数据。目前有几个著名的例子,像是Midjourney的人工智能,只要提出描述,人工智能就能自动生成不同风格的插画或图像。如此,人工智能可充当编码器或解码器,将字符转换为图像,或将图像转换为文本,应用场景十分宽广。

目前,也有聊天机器人使用生成式 AI 来增加对话的真实感,如微软的聊天机器人。

3. 联网和自动驾驶汽车技术 Connected and Autonomous Vehicle (CAV) Technologies

Credit: NVIDIA Corporation, Flickr (CC BY-NC-ND 2.0)

联网和自动驾驶车辆(CAV)使用各种智能系统技术,来帮助车辆工作。无需驾驶员控制的自动驾驶技术 使用各种传感器与计算机系统相结合,能够控制并应对各种驾车环境。

其次是盲点检测等驾驶辅助技术。例如:行人检测系统、车道偏离警告系统、紧急制动系统、交通标志识别系统和变速稳定(自适应巡航控制)等。

最后一组技术是 连接技术(远程信息处理)有助于车辆之间的通信以提高安全性,包括无线通信技术。专用短程通信和车辆与其他事物之间的通信。(Vehicle-to-Everything = V2X 车联网)

汽车的自动化驾驶可以分为 6 个级别,即从 0 到 5。其中 0 级是由人类驾驶员完全控制整个系统。随着等级增加,手动控制的部分减少,直到第5 级是使用完全自动化驱动。

当前的汽车产业,正走向朝电动汽车过渡的趋势。随着更多电动汽车的使用,更多的CAV 技术将包含在电动汽车中。而制造商也竞相开发 CAV 技术,以提高驾驶效率和安全性。因为这是消费者最重视的部分。

4. 长时间存储电源备份系统 Long Duration Storage

备用电源电网储能系统,是一种针对可再生能源进行储能而开发的技术。尤其是来自高不确定的风电和光伏以及日益增长的能源需求 需要一个性能良好且成本合理的备份系统。

上图:电池储能系统的电池外壳 (1MW,1 MWh 额定值),美国国家风能技术中心的电网集成研究

电网系统的当前备用电源技术,其使用的电池系统中具有良好性能的“锂离子”,但成本高,而且电池本身也可能爆炸。而且当中使用的化学品可能有毒并影响环境。再来,锂矿石价格昂贵,价格趋于上涨。通常在电网上有 4 小时的备用电源,但实际上,应该至少要有12 小时的备份能源,不过会增加成本。

替代电池系统有多种设计,例如铁、锌或钠,或是石墨烯材料锌离子电池方面的研究。上述每种型号的成本都较低。由于它是一种容易获得的矿物,因此铁流电池在美国的一些州被用作电网的备用系统,提供 12-100 小时的备用电源。

上述替代电池除了价格更低、使用寿命更长,其亮点是不会爆炸,因此更安全,并且其使用的组件不影响环境。

预计到 2040 年,全球电力供应系统将从 2018 年的 9 GW/17 GWh 增加到 1,095 GW/2,850 GWh,投资预计将达到 660 亿美元。与此同时,可再生能源的使用比例更多,例如电动汽车等等,因此每个国家需要更多的电力储备。替代电池技术的开发,将在多方面受益。

5. 太阳能光伏板回收 Solar Panel Recycle

目前全世界有许多太阳能板,其中包括太阳能农场,这些太阳能板都有退役的一刻。预计到 2050 年,全球太阳能电池板数量将逐渐到期,数量将达到 7800 万吨,如果没有良好的回收计划,会影响环境。

分离太阳能电池板组件是一项独创的技术,光伏组件中含有玻璃、硅、铝、塑料等金属,回收时还需要分离铝框和接线盒,接着分离面板,有些将进入垃圾填埋场。

这种方法有一个弱点,那就是可回收材料的比例很小。面板 75-85% 的钢化玻璃没有被回收。而一项新技术可让铝框与接线盒分离时,将玻璃与其他材料分开,保持一整块完整的玻璃,以高价出售,使再生材料的比例达到70-80%。

有一种称为加热刀片的新技术,使用加热至摄氏 300 度的刀片,将玻璃与太阳能电池分离。

这项新技术 为回收利用/ 回收材料业务开辟新机遇,利用二次原材料,符合循环经济的 BCG 经济政策

6. 碳测量与分析技术 Carbon Measurement & Analytics

气候变化问题越来越严重,碳影响当今国家工业的许多方面,例如数据收集技术,评估温室气体排放。在商品和服务的生产中,采取措施减少温室气体排放量,设定工业排放的上限,并通过碳信用交易业务对超额排放进行强制补偿。预计2020-2040年间,碳信用额需求量为500-8亿吨CO 2

上图:位于夏威夷的气体(含CO 2)和气溶胶测量站。

碳信用计算技术中的碳中和就非常重要。

在估算陆地上的生物量时,目前仍以实地调查数据为主为了弥补这个弱点,让评估更容易并获得更准确的信息,该技术需要开发基于遥感数据的模型,包括来自LIDAR传感器的3D 图像数据和来自传感器的高分辨率色带数据。高光谱通过与实地调查的数据一起分析,将其用作机器学习模型,以进一步用于卫星数据,例如来自 Sentinel 2 或 Lansat 8 的数据。

生物质和碳足迹评估技术都变得越来越重要。因为它可以用于评估森林物种或碳吸收植物。计算碳抵消项目中使用的相关领域的碳信用额度。应对贸易壁垒,它使私营部门有机会购买“碳信用”以抵消温室气体排放。货币在国内流通。同时为国家和世界创造更好的未来。

此类技术有助于鼓励私营部门和社区提出更多符合 BCG 的绿色经济商业理念。(BCG经济模式或可持续发展经济模式,是结合了生物经济(Bio Economy)、循环经济(Circular Economy)和绿色经济(Green Economy)三个主要领域方面的发展)。泰国在2021年初,就通过了BCG國家議題。

7. CCUS 技术与清洁能源 Next Generation Telehealth

CCUS 指的是碳捕获、利用和储存 (Carbon Capture, Utilization and Storage) 。

上图:美国的太平洋西北实验室,用于碳捕获计划的设备正在开发新的溶剂,好从燃煤发电厂捕获二氧化碳。

温室气体积累引起的气候变化问题,是全球各1界必须共同努力解决的危机。仅仅减少化石燃料的使用并增加可再生能源的使用,对于实现既定目标是不够的。它需要碳捕获、利用和储存 CCUS 技术来帮助在 CO 2释放到大气中之前,对其进行管理。CCUS技术包括 3 个步骤:分别是 (1) CO 2用吸收材料捕获,(2) 将捕获的 CO 2转化为高价值的工业化合物,以及 (3)永久保留 CO 2 ,通过压缩它们储存在地下。

CCUS 技术的核心是开发将 CO 2转化为易于管理的形式的材料和化学工艺,不消耗太多能量。但是这些气体通常对很多东西反应很小,需要高度特异性的吸附剂或CO 2吸附剂来冻结工业废气或空气中的CO 2 。结果是高浓度和高纯度的CO 2被用作“前体”来替代化石燃料前体,生产高价值工业化学品,如酒精、合成气或合成气、尿素、有机酸、碳酸氢盐和聚合物。

为了使CO 2的化学键发生非常稳定的变化,需要高活化能,或催化剂。所谓的高性能 “电解器”以减少能源。防止自发增加过程中的CO 2排放。因此,CCUS 的能源需要清洁能源。太阳能和风能的成本有逐渐降低的趋势。未来,化学生产过程往往会使用更多的电力,称为Power-to-X (P2X),例如在生产中使用电化学电池。来自水中的氢气 并将CO 2转化为燃料。

8. 下一代远程医疗 Next Generation Telehealth

在冠状病毒爆发期间,许多人可能有使用远程医疗系统或远程医疗保健的经验,该系统得到了突飞猛进的发展。这项科技减少了感染的扩散,帮助监测慢性病患者,减少患者差旅费用,降低医院的密度。据估计,远程医疗需求已经成为了趋势,将持续下去,并在后 COVID-19 时代进一步扩大。

这项技术产生的影响,是每个人都能感受到的。因为它有互联网接入因素,也有受欢迎的应用程序,并且成本价格在可以接受的水平。在不久的将来,人工智能技术、物联网、VR、AR、机器人,包括跟踪设备或传感器,都将成为多种形式的可穿戴设备,将进一步普及下一代远程医疗技术。各种技术 这将有助于使医患或医生与医生之间的“互动”更紧密、更真实,并实现新的更多样化远程医疗服务。

国外此类服务的一个例子,是美国的XRHealth服务系统供应商。他们提供“虚拟诊所”,一种在家中通过 VR 设备和应用程序提供治疗的虚拟诊所,由专业的职业治疗师进行诊治,而保险公司也接受对这样的医疗方式进行补助。

还有一个称为Proximie的系统,是专科医生使用的一种AR 系统,可让有经验的外科医生从线上跟进手术,并在远端指导。还有一种名为Digital Finger的工具,可以帮助专家指出不同的位置,向工作现场的医生解释,以便更清楚地了解患者的开刀部位。

Credit: Proximei 视频截图

9. 合成生物学 Synthetic Biology

想象一下,在五年内,市场上出现实验室培育的牛肉或鲑鱼产品,由鸡蛋蛋白制成,但是鸡蛋的来源并非母鸡所下的蛋。实验室通过生物工程,不养奶牛就能获得的牛奶,不养蜂也能获得蜂蜜。

如此一来,素食者都可以吃肉、牛奶和鸡蛋,而不会伤害任何动物。

在接下来的 10 年里,我们可能会穿着带传感器的衣物来检测身体体征,而不必再用针管抽血了。或者,可能有患者用自身细胞创建的合成器官,或出现使用细胞和分子的新科技来治愈外部和内部器官。

再往更一层来看,我们甚至能够修改潜在的分子和代谢机制,以及各种遗传控制系统。这项技术可以生产高价值物质,甚至是天然界找不到的物质。合成生物学的影响非常广泛,涵盖了生化、能源、食品、制药和农业等多项行业,有助于解决世界面临的一些大问题,例如气候变化、新疾病和高科技食品生产。

利用合成生物学所衍生出来的商品,也已经在销售了,例如使用实验室种植牛肉的汉堡。其他的例子:

Pivot Bio 开发的专有微生物技术,可供应日常谷物作物所需的氮。 通过绘制土壤微生物数以万亿计的相互作用图,确定少数拥有最强大内部 DNA 机制、可将大气中的氮转化为植物可以使用形式的少数微生物,在作物的整个生长季节可靠地提供氮。的成熟氮肥选择玉米特异性微生物。

美国Calyxt 的 Calyno™ 高油酸大豆油,是已经进行商业销售的食品,用于油炸、沙拉酱以及酱汁。Calyxt 与100 多名农民的合作种植了超过 34,000 英亩的 Calyxt 高油酸大豆。与商品大豆油相比,Calyno 油含有约 80% 的油酸和最多 20% 的饱和脂肪酸,反式脂肪含量为零。其油炸寿命和保质期比一般大豆油延长了三倍。

10. 嵌合抗原受体T细胞疗法 CAR T-Cell (Chimeric Antigen Receptor T-Cell Therapy)

许多疾病可以通过新的医疗技术治愈,甚至能够治疗到细胞水平或者基因水平,但是有些疾病还是很难治疗的,比如癌症。因为癌症的类型非常多,有许多不同的性质。

因此,有一种技术试图修改身体的免疫系统,赋予自身细胞拥有摧毁癌细胞的能力,而不影响正常细胞工作,这种方法称为CAR T-Cell . CARChimeric Antigen Receptor 嵌合抗原受体的缩写,而T-Cell / T细胞即白血球细胞,可对抗传染病细胞或癌细胞。

CAR T-Cell技术的核心原理是修改病人的T细胞,产生一种叫做CAR的蛋白质,类似于武装探测器,可以识别并消除特定的癌细胞。

这项技术的一个特点是对癌细胞具有非常高的“特异性”,与大多数癌症治疗使用的药物不同的是,对正常细胞几乎没有伤害,因为CAR T-Cell是针对每个患者个别设计,不会引起自身免疫系统攻击,安全性高。

如今,这项技术已有美国FDA的批准,用于维护 已经有效的B 细胞白血病有美国食品和药物管理局或美国 FDA 批准用于患者实际使用的产品,例如Kymriah®公司所开发的Tisagenlecleucel,可用于治疗急性淋巴细胞白血病的复发性或难治性患者

总结

以上的 10 项技术,可分为以下 3 大类:

第一组,第1到3,是基于人工智能和计算机系统、以及人类和自动驾驶汽车互连的技术 。

第二组,第4到7,则是与能源有关的技术。更有效地回收太阳能集热器,更高效、更安全的能量存储,尤其是电气系统和电池。还有用于测量、分析、储存或转换二氧化碳的技术,减少全球暖化影响。

最后一组,第8到10,与健康和食品有关,例如远程医疗保健,或是肉类替代产品,以及癌症免疫疗法,如果能够广泛使用的话。将挽救更多的生命。

希望我们都能够看到这些技术发扬光大,让世界变得更美好。

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