9月19日消息，據(jù)科學(xué)美國人雜志報(bào)道，在不久的將來，人工智能（AI）將大大加快創(chuàng)新藥物和材料的發(fā)現(xiàn)。先進(jìn)的診斷工具將使越來越個(gè)性化的醫(yī)學(xué)成為可能。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）將無處不在，將信息和動(dòng)畫疊加在真實(shí)世界的圖像上，幫助我們處理日常任務(wù)，并幫助行業(yè)更有效地運(yùn)作。如果你生病了，醫(yī)生可以在身體里植入活細(xì)胞，讓你的身體變成“藥物工廠”，治療你的疾病。你會(huì)吃到用干細(xì)胞培育的人造牛肉、雞肉和魚類，大大減少畜牧業(yè)對(duì)環(huán)境的影響。
這些改變世界的想法以及構(gòu)成今年“十大新興技術(shù)”的其他創(chuàng)意，都是由生物、無機(jī)化學(xué)、機(jī)器人和AI等領(lǐng)域的頂尖專家選出的。被選中的技術(shù)必須能在未來三五年內(nèi)為社會(huì)和經(jīng)濟(jì)提供重大幫助，必須具有潛在顛覆性，能夠改變行業(yè)或既定的行事方式。但它們必須處于相對(duì)早期的開發(fā)階段，還沒有被廣泛使用。
1.AR技術(shù)無處不在
VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)能讓人沉浸在虛構(gòu)孤立的宇宙中。相比之下，AR則是將計(jì)算機(jī)生成的信息實(shí)時(shí)疊加在現(xiàn)實(shí)世界中。當(dāng)你戴著裝備有AR軟件和攝像頭的設(shè)備時(shí)，無論是智能手機(jī)、平板電腦、頭盔亦或是智能眼鏡，程序會(huì)分析傳入的視頻流，下載大量關(guān)于場景的信息，并將相關(guān)數(shù)據(jù)、圖像或動(dòng)畫以3D的形式疊加在上面。
眾多的消費(fèi)應(yīng)用（包括那些為外國游客翻譯路標(biāo)、使學(xué)生虛擬解剖青蛙、讓消費(fèi)者看到椅子在起居室中的虛擬效果）已經(jīng)具備AR功能，比如幫助你的汽車安全備份的顯示器和流行游戲Pokemon GO。在不久的將來，這項(xiàng)技術(shù)將使博物館愛好者召喚出類似全息圖的導(dǎo)游，外科醫(yī)生將病人皮膚下的組織以3D的方式可視化，建筑師和設(shè)計(jì)師以新穎的方式進(jìn)行創(chuàng)作，無人機(jī)操作員通過增強(qiáng)圖像控制遠(yuǎn)程機(jī)器人，新手在醫(yī)藥、工廠維護(hù)等領(lǐng)域迅速了解新任務(wù)。
在未來幾年，易于使用的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)軟件應(yīng)該能擴(kuò)大消費(fèi)產(chǎn)品種類。不過，目前的AR在工業(yè)領(lǐng)域的影響最大，它是工業(yè)4.0的一個(gè)組成部分。“工業(yè)4.0”是指通過將物理和數(shù)字系統(tǒng)集成，以提高質(zhì)量、降低成本和提高效率的方式，對(duì)制造業(yè)進(jìn)行系統(tǒng)性的轉(zhuǎn)型。例如，許多公司正在生產(chǎn)線上使用。AR可以在需要的時(shí)候提供正確的信息，從而減少錯(cuò)誤，提高效率和提高生產(chǎn)力。它還可以將設(shè)備中的壓力可視化，并創(chuàng)建問題所在的實(shí)時(shí)圖像。
ABI Research、IDC和Digi-Capital等市場分析機(jī)構(gòu)認(rèn)為，AR技術(shù)即將成為主流。他們預(yù)計(jì)到2020年，AR的總市場價(jià)值(目前約15億美元)將增長到1000億美元。包括蘋果、谷歌和微軟在內(nèi)的科技巨頭都在為開發(fā)AR/VR產(chǎn)品及其應(yīng)用投入大量財(cái)力和人力資源。風(fēng)險(xiǎn)投資也開始源源不斷，2017年AR和VR吸引的投資為30億美元?！豆鹕虡I(yè)評(píng)論》最近強(qiáng)調(diào)，AR技術(shù)是一項(xiàng)革命性的技術(shù)，將影響所有企業(yè)。
不過挑戰(zhàn)依然存在。目前，硬件和通信帶寬的限制給消費(fèi)者的日常使用帶來了障礙。例如，許多現(xiàn)有使用AR技術(shù)來增強(qiáng)體驗(yàn)的博物館和旅行應(yīng)用必須提前下載。即便如此，圖形質(zhì)量也可能無法滿足用戶的期望。但隨著價(jià)格更便宜、速度更快的AR移動(dòng)芯片的出現(xiàn)，更多的多功能智能眼鏡進(jìn)入市場。AR將加入互聯(lián)網(wǎng)和實(shí)時(shí)視頻行列，成為我們?nèi)粘Ｉ钪械某B(tài)技術(shù)。
2.個(gè)性化醫(yī)療的先進(jìn)診斷
患乳腺癌婦女的治療變得更加個(gè)性化。乳腺癌現(xiàn)在被分為不同的亞型，可以進(jìn)行相應(yīng)的治療。例如，許多腫瘤產(chǎn)生雌激素受體的女性，可能會(huì)接受專門針對(duì)這些受體的藥物以及標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)后化療。今年，研究人員發(fā)現(xiàn)，有相當(dāng)一部分患者的腫瘤具有表明它們可以安全放棄化療的特征，并避免通常引發(fā)的嚴(yán)重副作用。
診斷工具的進(jìn)步加速了許多疾病的個(gè)性化或精確治療的發(fā)展。這些技術(shù)可以幫助醫(yī)生檢測和量化多種生物標(biāo)志物(標(biāo)示疾病存在的分子)，將患者分成不同的亞組，這些亞組在對(duì)疾病的易感性、預(yù)后或?qū)μ囟ㄖ委煹姆磻?yīng)可能性方面存在差異。早期的分子診斷工具著眼于單個(gè)分子，例如糖尿病患者的葡萄糖。
然而，在過去的十年里，“組學(xué)”（omics）技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步，能夠快速、可靠、廉價(jià)地對(duì)個(gè)人的整個(gè)基因組測序，或者測量體液或組織樣本中所有蛋白質(zhì)(蛋白質(zhì)組)、代謝副產(chǎn)物(代謝組)或微生物(微生物組)的水平。該技術(shù)的常規(guī)應(yīng)用同時(shí)開始產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)集，AI可以挖掘這些數(shù)據(jù)集，以發(fā)現(xiàn)對(duì)臨床有用的新的生物標(biāo)記。這種高通量組學(xué)技術(shù)與AI相結(jié)合，正在引領(lǐng)先進(jìn)診斷技術(shù)的新時(shí)代，這將改變?nèi)藗儗?duì)許多疾病的理解和治療，使醫(yī)生能夠根據(jù)單個(gè)患者的分子特征定制治療方法。
有些先進(jìn)的診斷技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于癌癥。比如Oncotype DX可檢查21個(gè)基因，許多乳腺癌患者可以據(jù)此避免化療。FoundationOne CDx可以檢測實(shí)體腫瘤中300多個(gè)基因的基因突變，并指出特定的基因靶向藥物可能對(duì)特定患者有用。除了癌癥，還有一種令人興奮的方法可以應(yīng)用于子宮內(nèi)膜異位癥。這是一種令人痛苦的疾病，子宮組織在不屬于它的地方生長，診斷過程通常也需要手術(shù)。而來自DotLabs基于唾液的無創(chuàng)檢測方式可以通過測量名為microRNAs的小分子，來識(shí)別子宮內(nèi)膜異位癥。
目前，通過臨床醫(yī)生對(duì)癥狀的主觀評(píng)估來診斷的大腦紊亂，如自閉癥、帕金森癥和阿爾茨海默癥，血液測試正在開發(fā)中。研究人員甚至在探索是否能對(duì)整個(gè)基因組進(jìn)行測序，分析微生物群落，測量健康人體內(nèi)數(shù)百種蛋白質(zhì)和代謝物的水平，從而為這些人如何預(yù)防疾病提供個(gè)性化的指導(dǎo)。
需要提醒的是，醫(yī)療機(jī)構(gòu)和使用這種診斷工具的研究人員，必須嚴(yán)格執(zhí)行保護(hù)病人隱私的保障措施。此外，還需要明確的管理準(zhǔn)則，以一致的方式評(píng)估生物標(biāo)志物作為診斷工具的價(jià)值。這些指導(dǎo)將加速將新的生物標(biāo)志物引入醫(yī)療實(shí)踐。即便如此，先進(jìn)的診斷技術(shù)已經(jīng)開始瓦解診斷和治療疾病的標(biāo)準(zhǔn)。通過引導(dǎo)病人接受最有效的治療，他們甚至可以減少醫(yī)療支出。將來，許多人可能會(huì)擁有生物標(biāo)記數(shù)據(jù)的個(gè)人云，隨著時(shí)間的推移，這些數(shù)據(jù)將積累起來，并幫助提供個(gè)性化治療。
3.分子設(shè)計(jì)AI
想要設(shè)計(jì)新的太陽能材料、抗癌藥物或者能阻止病毒攻擊農(nóng)作物的化合物嗎？首先，你必須解決兩大挑戰(zhàn)：為這種化合物找到正確的化學(xué)結(jié)構(gòu)，以及確定哪些化學(xué)反應(yīng)將正確的原子連接到所需的分子或分子組合中。這個(gè)過程非常耗時(shí)，并且涉及許多失敗的嘗試。例如，某個(gè)綜合計(jì)劃可以有數(shù)百個(gè)單獨(dú)的步驟，其中許多步驟會(huì)產(chǎn)生副反應(yīng)或副產(chǎn)品，或者根本不起作用。然而現(xiàn)在，AI開始提高設(shè)計(jì)和合成的效率，使這個(gè)過程變得更快、更容易、更便宜，同時(shí)減少化學(xué)廢物。
在AI中，機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析所有已知的過去實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)試圖發(fā)現(xiàn)并合成感興趣的物質(zhì)?；谒鼈兯R(shí)別的模式，這些算法可以預(yù)測潛在有用的新分子結(jié)構(gòu)以及制造它們的可能方法。沒有任何單獨(dú)的機(jī)器學(xué)習(xí)工具可以在按下按鈕時(shí)就能完成所有這些工作，但AI技術(shù)正在迅速進(jìn)入藥物分子和材料的現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)世界。
舉例來說，德國明斯特大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種AI工具，它可以反復(fù)模擬已知的1240萬個(gè)單步化學(xué)反應(yīng)，并以比人類快30倍的速度設(shè)計(jì)出多步合成路線。在制藥領(lǐng)域，基于AI的“生成機(jī)器學(xué)習(xí)”技術(shù)也令人興奮。大多數(shù)制藥公司儲(chǔ)存了數(shù)以百萬計(jì)的化合物，并對(duì)它們進(jìn)行篩選，以確定其作為新藥的潛力。但是，即使有了機(jī)器人技術(shù)和實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化工具，這種篩選過程也是緩慢的，而且產(chǎn)生的結(jié)果也相對(duì)較少。
此外，這些“庫”只包括理論上可能存在的超過1030個(gè)分子中的一小部分。利用描述已知藥物(和候選藥物)的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其特性的數(shù)據(jù)集，機(jī)器學(xué)習(xí)工具可以構(gòu)建具有相似的、可能更有用特性的新化合物的虛擬庫。這種能力正開始顯著加速藥物潛力的識(shí)別。近100家初創(chuàng)企業(yè)已經(jīng)在探索用AI發(fā)現(xiàn)藥物，比如Insilico Medicine、Kebotix以及BenevolentAI，后者最近籌集了1.15億美元資金，將其AI技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病、帕金森氏癥和其他難以治療的疾病的藥物研發(fā)中。
BenevolentAI將AI應(yīng)用于整個(gè)藥物開發(fā)過程，從新分子的發(fā)現(xiàn)到臨床試驗(yàn)的設(shè)計(jì)和分析，旨在人類身上證明安全性和有效性。在材料領(lǐng)域，Citrine Informatics等企業(yè)正在采用與制藥企業(yè)類似的方法，并與BASF和松下等大公司合作，以加速創(chuàng)新。美國政府也在支持AI設(shè)計(jì)的研究。自2011年以來，美國已在材料基因組計(jì)劃(Materials Genome Initiative)上投資逾2.5億美元。該計(jì)劃正在建立包括AI和其他計(jì)算方法在內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施，以加速先進(jìn)材料的開發(fā)。
過去的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，新材料和化學(xué)品可能對(duì)健康和安全造成不可預(yù)見的風(fēng)險(xiǎn)。幸運(yùn)的是，AI方法應(yīng)該能夠預(yù)測并減少這些不良結(jié)果。這些技術(shù)似乎可以顯著提高新分子和新材料被發(fā)現(xiàn)并投入市場的速度和功效。在市場上，它們可能提供諸如改善醫(yī)療和農(nóng)業(yè)、更大程度地節(jié)約資源、提高可再生能源生產(chǎn)和儲(chǔ)存等好處。
4.可辯論和提供指導(dǎo)的AI
如今的數(shù)字助手有時(shí)會(huì)欺騙你，讓你相信它們是人類，但更強(qiáng)大的數(shù)字助手正在到來。Siri、Alexa等使用復(fù)雜的語音識(shí)別軟件來識(shí)別你的請求和如何提供相應(yīng)信息，它們會(huì)生成聽起來很自然的語音，給出符合你問題的腳本答案。這樣的系統(tǒng)首先必須經(jīng)過“訓(xùn)練”，而且適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)必須由人類編寫并組織成高度結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)格式。這項(xiàng)工作非常耗時(shí)，而且會(huì)導(dǎo)致數(shù)字助手在執(zhí)行任務(wù)時(shí)受到限制。這些系統(tǒng)可以“學(xué)習(xí)”但程度有限。即便如此，它們?nèi)匀涣钊擞∠笊羁獭?/p>
在復(fù)雜性更高的層次，技術(shù)正在開發(fā)中，以便讓下一代數(shù)字助手來吸收和組織更多的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)(原始文本、視頻、圖片、音頻、電子郵件等)，然后自動(dòng)組成有說服力的建議或充當(dāng)辯論對(duì)手，應(yīng)對(duì)它們從未被訓(xùn)練過的問題。我們已經(jīng)在許多提供聊天機(jī)器人的網(wǎng)站上看到這種功能，這些聊天機(jī)器人可以用自然語言回答問題，涵蓋了他們訓(xùn)練過的各種數(shù)據(jù)集。
這些聊天機(jī)器人在特定問題或請求方面需要相對(duì)較少或根本不需要培訓(xùn)，它們結(jié)合了預(yù)先配置的數(shù)據(jù)和“讀取”提供給它們的相關(guān)背景材料的緊急能力。然而，在做出高度準(zhǔn)確的反應(yīng)之前，它們確實(shí)需要些識(shí)別語言和意圖的訓(xùn)練。
今年6月，IBM展示了一種更先進(jìn)的技術(shù)：一個(gè)系統(tǒng)與人類專家進(jìn)行了實(shí)時(shí)辯論，但事先沒有就辯論主題接受過培訓(xùn)。使用非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)(包括來自維基百科的內(nèi)容)，該系統(tǒng)必須確定信息的相關(guān)性和準(zhǔn)確性，并將其組織為可重用資產(chǎn)，它可以調(diào)用該資產(chǎn)來形成一致的論據(jù)，以支持自己的論點(diǎn)。它還必須回應(yīng)人類對(duì)手的論點(diǎn)。該系統(tǒng)在演示過程中進(jìn)行了兩場辯論，許多觀眾甚至認(rèn)為它的論點(diǎn)更具說服力。
這項(xiàng)技術(shù)是在五年多的時(shí)間里開發(fā)出來的，它包括了一種軟件，不僅能理解自然語言，還能應(yīng)對(duì)檢測積極和消極情緒。然而，非腳本AI系統(tǒng)對(duì)公認(rèn)的人類專家的勝利打開了無數(shù)相關(guān)應(yīng)用的大門，這些應(yīng)用可能在未來三到五年甚至更短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)。例如，這樣的系統(tǒng)可以幫助醫(yī)生迅速找到與復(fù)雜病例相關(guān)的研究，然后討論給定治療方案的優(yōu)點(diǎn)。這些智能系統(tǒng)將只對(duì)組合現(xiàn)有知識(shí)有用，而不是像實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家或?qū)＜夷菢觿?chuàng)造知識(shí)。盡管如此，隨著機(jī)器變得越來越智能，它們還是增加了失業(yè)擔(dān)憂。
5.植入式制藥細(xì)胞
許多糖尿病患者每天會(huì)刺幾次手指來測量血糖水平，并決定他們需要的胰島素劑量。通常在體內(nèi)制造胰島素的胰臟細(xì)胞植入物，也就是所謂的胰島細(xì)胞，會(huì)取代這個(gè)繁瑣的過程。同樣，細(xì)胞植入物可以改變其他疾病的治療，包括癌癥、心力衰竭、血友病、青光眼和帕金森氏癥。但是細(xì)胞植入有個(gè)缺點(diǎn)，即接受者必須無限期地服用免疫抑制劑來防止免疫系統(tǒng)的排斥反應(yīng)。這類藥物會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的副作用，包括增加感染或惡性腫瘤的風(fēng)險(xiǎn)。
幾十年來，科學(xué)家們發(fā)明了一種方法，將細(xì)胞包裹在半透性的保護(hù)膜中，防止免疫系統(tǒng)攻擊植入的細(xì)胞。這些膠囊仍然允許營養(yǎng)物質(zhì)和其他小分子流入，需要激素或其他治療蛋白流出。然而，不讓這些細(xì)胞受到傷害是不夠的，如果免疫系統(tǒng)認(rèn)為這種保護(hù)性物質(zhì)本身是外來的，它將導(dǎo)致疤痕組織在膠囊上生長。這種“纖維化”會(huì)阻止?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)到達(dá)細(xì)胞，從而殺死它們。
現(xiàn)在研究人員開始解決“纖維化”挑戰(zhàn)。例如，2016年，麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)了新方法，可以使植入物對(duì)免疫系統(tǒng)不可見。在生產(chǎn)和篩選了數(shù)百種材料后，研究人員確定了一種名為藻酸鹽的凝膠化學(xué)物質(zhì)，它在人體中有很長的安全使用歷史。當(dāng)他們將這種凝膠中的胰島細(xì)胞植入糖尿病小鼠體內(nèi)時(shí)，它們會(huì)立即釋放胰島素，以應(yīng)對(duì)血糖水平的變化，在6個(gè)月的研究過程中成功控制了血糖水平，未見纖維化。在另一項(xiàng)研究中，研究人員后來報(bào)告說，在巨噬細(xì)胞上阻斷一個(gè)特定的分子可以抑制瘢痕形成，巨噬細(xì)胞是重要的纖維化免疫細(xì)胞，添加這種阻滯劑可以進(jìn)一步提高植入物的存活率。
現(xiàn)在已經(jīng)有公司專門開發(fā)封裝細(xì)胞療法。其中Sigilon Therapeutics公司正在推進(jìn)麻省理工學(xué)院開發(fā)的用于糖尿病、血友病等代謝紊亂疾病的治療技術(shù)。美國禮來制藥公司(Eli Lilly)正與Sigilon合作開展糖尿病研究。此外，Semma Therapeutics公司也在使用自己的技術(shù)關(guān)注糖尿病，Neurotech Pharmaceuticals公司在青光眼和各種以視網(wǎng)膜變性為特征的眼部疾病的臨床試驗(yàn)中植入了植入物，Living Cell Technologies公司則在進(jìn)行帕金森氏癥植入物的臨床試驗(yàn)，并正在開發(fā)其他神經(jīng)退行性疾病的治療方法。
如今，被整合到膠囊中的細(xì)胞是從動(dòng)物或人類尸體中提取的，或者是從人類干細(xì)胞中提取的。將來，植入性細(xì)胞療法可能會(huì)包含更廣泛的細(xì)胞類型，包括通過合成生物技術(shù)改造而成的細(xì)胞，這些生物技術(shù)可以重組細(xì)胞的遺傳基因，使其執(zhí)行新的功能，比如控制特定藥物分子按需釋放到組織中。封裝細(xì)胞療法的安全性和有效性都沒有在大型臨床試驗(yàn)中得到證實(shí)，但這些跡象令人鼓舞。
6.人造肉
想象一下，你咬下多汁牛肉漢堡的感覺，而它卻是在不殺死動(dòng)物的情況下制作而成的。利用實(shí)驗(yàn)室里的細(xì)胞培育出來的肉正在把這種設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)。多家初創(chuàng)企業(yè)正在開發(fā)實(shí)驗(yàn)室培育的牛肉、豬肉、家禽和海鮮，其中包括Mosa Meat、Memphis Meats、SuperMeat以及Finless Foods等公司。這個(gè)領(lǐng)域正在吸引大量資金。例如，在2017年，Memphis Meats從比爾·蓋茨(Bill Gates)和農(nóng)業(yè)公司Cargill處獲得了1700萬美元投資。
如果被廣泛采用，人造肉可以消除許多殘忍的、不道德的屠殺動(dòng)物的行為。它還可以減少肉類生產(chǎn)的可觀環(huán)境成本。只需要生產(chǎn)和維持培養(yǎng)的細(xì)胞，而不需要從出生起就維持整個(gè)生物體。這種肉是先從動(dòng)物身上提取肌肉樣本制成的。技術(shù)人員從組織中收集干細(xì)胞，讓它們進(jìn)行增殖，并且分化成原始纖維，然后膨脹成肌肉組織。Mosa Meat公司說，從一頭牛身上提取的一份組織樣本可以產(chǎn)生足夠多的肌肉組織。
許多初創(chuàng)企業(yè)表示，它們預(yù)計(jì)未來幾年將有產(chǎn)品出售。但是，人造肉要想在商業(yè)上可行，就必須克服許多障礙，包括成本和味道。2013年，當(dāng)記者們看到人造肉制作的漢堡時(shí)，肉餅的制作成本超過30萬美元，而且過于干燥(因?yàn)橹咎?。自那以后，費(fèi)用已經(jīng)大幅下降。Memphis Meats今年報(bào)告稱，113克重的絞碎人造牛肉價(jià)格約為600美元?？紤]到這一趨勢，人造肉可能在幾年內(nèi)成為傳統(tǒng)肉類的競爭對(duì)手。更加注意質(zhì)地，并補(bǔ)充其他成分可以解決口味問題。
為了獲得市場的批準(zhǔn)，人造肉必須被證明是安全的。雖然沒有理由認(rèn)為實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的肉類會(huì)對(duì)健康造成危害，但FDA直到現(xiàn)在才開始考慮如何對(duì)其進(jìn)行監(jiān)管。與此同時(shí)，傳統(tǒng)的肉類生產(chǎn)商正在反擊，他們辯稱人造肉根本不是肉類，不應(yīng)該被貼上肉類標(biāo)簽。調(diào)查顯示，公眾對(duì)食用人造肉興趣不大。盡管面臨這些挑戰(zhàn)，人造肉公司仍在穩(wěn)步前進(jìn)。如果他們能成功地制造出價(jià)格實(shí)惠、口味純正的產(chǎn)品，人造肉就能使我們的日常飲食習(xí)慣更加符合倫理和環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)。
7.電休克療法
電休克療法在醫(yī)學(xué)上有著悠久的歷史，比如心臟起搏器、耳蝸植入和帕金森病的大腦深層刺激。其中一種治療方法將變得更加多樣化，顯著改善對(duì)多種疾病的治療。它包括向迷走神經(jīng)傳遞信號(hào)，將腦干的脈沖發(fā)送給大多數(shù)器官，然后再返回。迷走神經(jīng)刺激(VNS)的新用途已經(jīng)成為可能，部分原因是范因斯坦醫(yī)學(xué)研究院的凱文·特蕾西(Kevin Tracey)等人的研究表明，迷走神經(jīng)釋放出有助于調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)的化學(xué)物質(zhì)。例如，在脾臟釋放的特定神經(jīng)遞質(zhì)，就會(huì)使全身炎癥的免疫細(xì)胞安靜下來。
這些研究結(jié)果表明，VNS可能對(duì)自身免疫和炎癥條件等電信號(hào)紊亂的疾病有益。對(duì)于那些患有這些疾病的患者來說，這可能是個(gè)福音，因?yàn)楝F(xiàn)有的藥物常常會(huì)失效或?qū)е聡?yán)重的副作用。VNS可能更容易耐受，因?yàn)樗饔糜谔囟ǖ纳窠?jīng)，而藥物通常在全身傳播，會(huì)潛在地?cái)_亂治療目標(biāo)以外的組織。
迄今為止，有關(guān)炎癥相關(guān)應(yīng)用的研究令人鼓舞。由SetPoint Medical公司開發(fā)的VNS設(shè)備在早期的人體試驗(yàn)中已經(jīng)證明是安全的，用于治療風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和克羅恩病(Crohn’s)。目前正在對(duì)這兩項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行更多的試驗(yàn)。電休克療法也被用于治療其他具有炎癥成分的疾病，如心血管疾病、代謝失調(diào)和癡呆，以及狼瘡等自身免疫性疾病。在這種疾病中，迷走神經(jīng)本身變得不活躍。
防止移植組織的免疫排斥是另一項(xiàng)潛在應(yīng)用。大多數(shù)迷走神經(jīng)刺激器，包括SetPoint的設(shè)備和那些已經(jīng)用于治療癲癇和抑郁癥的設(shè)備，都屬于植入物。醫(yī)生通常把這個(gè)裝置放在鎖骨下的皮膚下面。植入物的導(dǎo)線纏繞在迷走神經(jīng)的一個(gè)分支上，并以預(yù)設(shè)的間隔向它傳送電脈沖，頻率和其他性能通過外部磁棒編程控制。如今的植入物直徑約為1.5英寸，但隨著時(shí)間的推移，預(yù)計(jì)會(huì)變得更小，可編程性更強(qiáng)。
旨在緩解叢集性頭痛和偏頭痛的無創(chuàng)手持式迷走神經(jīng)刺激器最近也獲得了FDA的批準(zhǔn)，盡管尚不清楚迷走神經(jīng)刺激究竟是如何幫助這些癥狀的。這種手持設(shè)備通過頸部皮膚或耳朵向神經(jīng)傳遞溫和的電刺激。迷走神經(jīng)并不是唯一一個(gè)被新型電療法治療的目標(biāo)。在2017年底，F(xiàn)DA批準(zhǔn)了一種非植入裝置，可以通過耳后皮膚向顱枕神經(jīng)和枕神經(jīng)的分支發(fā)送信號(hào)，從而緩解阿片類藥物的戒斷反應(yīng)。在73名阿片類藥物戒斷患者癥狀嚴(yán)重程度降低31%或更高之后，該設(shè)備獲得了FDA的認(rèn)可。
植入物和手術(shù)的成本可能會(huì)阻礙VNS療法的廣泛應(yīng)用，但隨著該技術(shù)的侵入性降低，這一問題應(yīng)該會(huì)得到緩解。但成本并不是唯一的挑戰(zhàn)。研究人員仍然需要了解更多關(guān)于迷走神經(jīng)刺激在每種情況下是如何產(chǎn)生效果的，以及如何最好地確定個(gè)體患者的最佳刺激模式。此外，他們還需要研究迷走神經(jīng)的脈沖是否會(huì)以不受歡迎的方式影響周圍的神經(jīng)。然而，隨著更多的研究和試驗(yàn)檢驗(yàn)其機(jī)制和效果，VNS和其他的電子療法最終可能更好地治療廣泛的慢性疾病，潛在地減少數(shù)百萬患者的用藥需求。
8.基因驅(qū)動(dòng)
可以永久性地改變某個(gè)種群甚至整個(gè)物種特征的基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)正在迅速進(jìn)步。所謂基因驅(qū)動(dòng)是指基因元素從父母傳給后代的數(shù)量異常高，從而在種群中迅速傳播?；蝌?qū)動(dòng)是自然發(fā)生的，但也可以被改造，這樣做在很多方面對(duì)人類來說都是一種恩惠。這項(xiàng)技術(shù)有潛力阻止昆蟲傳播瘧疾和其他可怕的感染，通過改造攻擊植物的害蟲提高作物產(chǎn)量，使珊瑚對(duì)環(huán)境壓力產(chǎn)生抵抗力，并防止入侵植物和動(dòng)物破壞生態(tài)系統(tǒng)。
然而，研究人員深切地意識(shí)到，改變甚至消滅某個(gè)物種可能會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的后果。作為回應(yīng)，他們正在制定規(guī)則來管理基因驅(qū)動(dòng)被從實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用到現(xiàn)場測試和更廣泛的使用中。幾十年來，研究人員一直在考慮如何利用基因驅(qū)動(dòng)來對(duì)抗疾病和其他問題。近年來，CRISPR基因編輯技術(shù)的引入使得將遺傳物質(zhì)插入染色體上的特定位置變得更加容易，從而推動(dòng)了這項(xiàng)研究的快速發(fā)展。
2015年，幾篇論文報(bào)道了基于CRISPR的基因驅(qū)動(dòng)在酵母、果蠅和蚊子中的成功傳播。一項(xiàng)演示通過蚊子種群驅(qū)動(dòng)了對(duì)瘧原蟲的抗性基因，理論上這應(yīng)該會(huì)限制瘧原蟲的傳播。另一項(xiàng)研究干擾了另一種蚊子的雌性生殖能力。今年，一種CRISPR基因驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在老鼠身上進(jìn)行了試驗(yàn)，試圖操縱它們的皮毛顏色。這種方法只對(duì)雌性有效。即便如此，研究結(jié)果也支持了這樣一種可能性，即這項(xiàng)技術(shù)可能有助于消滅或改變侵入性小鼠或其他哺乳動(dòng)物的種群，這些種群會(huì)威脅到農(nóng)作物、野生動(dòng)物或傳播疾病。
美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)充滿熱情，它投入了1億美元用于基因驅(qū)動(dòng)研究，旨在對(duì)抗蚊子傳播的疾病和入侵嚙齒類動(dòng)物。比爾和梅林達(dá)·蓋茨基金會(huì)(Bill & Melinda Gates Foundation)也向一個(gè)研究瘧疾基因驅(qū)動(dòng)的研究財(cái)團(tuán)投資了7500萬美元。盡管前景光明，但基因驅(qū)動(dòng)還是引起了很多擔(dān)憂。它們會(huì)無意中跳到其他野生物種并破壞它們嗎？從生態(tài)系統(tǒng)中淘汰選定物種的風(fēng)險(xiǎn)是什么？惡毒勢力會(huì)不會(huì)把基因驅(qū)動(dòng)當(dāng)作武器來干擾農(nóng)業(yè)？
為了避免這種可怕的前景，有研究人員開發(fā)出一種開關(guān)，在基因驅(qū)動(dòng)起作用之前，必須通過傳遞某種特定物質(zhì)來開啟開關(guān)。與此同時(shí)，多組科學(xué)家正在研究通過基因驅(qū)動(dòng)測試的每個(gè)階段來指導(dǎo)進(jìn)展的規(guī)程。例如，在2016年，美國國家科學(xué)、工程和醫(yī)學(xué)科學(xué)院審查了這項(xiàng)研究，并對(duì)負(fù)責(zé)任的做法提出了建議。2018年，一個(gè)大型的國際工作小組制定了一份路線圖，監(jiān)督實(shí)驗(yàn)室的研究。
除了限制這項(xiàng)技術(shù)本身的風(fēng)險(xiǎn)之外，許多調(diào)查人員還希望避免可能導(dǎo)致公眾或政策反彈的事故和失誤。麻省理工學(xué)院的凱文·艾斯維爾特(Kevin M. Esvelt)和新西蘭奧塔哥大學(xué)的尼爾·格默爾(Neil J. Gemmell)在2017年發(fā)表了論文，對(duì)基因驅(qū)動(dòng)在消滅害蟲哺乳動(dòng)物方面的潛在用途表示擔(dān)心，他們認(rèn)為單次國際性事件可能會(huì)讓研究工作倒退10年或更長時(shí)間。他們預(yù)測：“僅就瘧疾而言，這種延遲的代價(jià)可能需要用數(shù)百萬本來可以避免的死亡來衡量?！?/p>
9.等離子體材料
2007年，加州理工學(xué)院的哈里·阿特沃特(Harry a . Atwater)曾撰文預(yù)測，所謂的“等離子體”(plasmonics)技術(shù)最終可能會(huì)被投入到一系列應(yīng)用中，從高度敏感的生物探測器到隱形斗篷。十年后，各種等離子體技術(shù)已經(jīng)成為商業(yè)現(xiàn)實(shí)，其他技術(shù)也正在從實(shí)驗(yàn)室向市場過渡。這些技術(shù)都依賴于控制電磁場和金屬(通常是金或銀)中自由電子之間的相互作用，自由電子決定了金屬的導(dǎo)電性和光學(xué)性能。金屬表面的自由電子在受到光線照射時(shí)集體振蕩，形成所謂的表面等離子體。
當(dāng)一塊金屬很大時(shí)，自由電子會(huì)反射擊中它們的光線，使材料發(fā)光。但是當(dāng)一種金屬只有幾納米時(shí)，它的自由電子就被限制在非常小的空間里，從而限制了它們振動(dòng)的頻率。振蕩的特定頻率取決于金屬納米顆粒的大小。在一種稱為共振的現(xiàn)象中，等離子體只吸收與等離子體本身以相同頻率振蕩的入射光的一部分。這種表面等離子體共振可用于制造納米天線、高效太陽能電池和其他有用的設(shè)備。
等離子體材料的研究應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域之一是用于檢測化學(xué)和生物試劑的傳感器。在一種方法中，研究人員將一種等離子體納米材料包裹上一種物質(zhì)，這種物質(zhì)與一種有趣的分子（比如細(xì)菌毒素）結(jié)合在一起。在沒有毒素的情況下，照射在材料上的光線會(huì)以特定的角度重新發(fā)射出來。但如果毒素存在，它會(huì)改變表面等離子體的頻率，從而改變反射光的角度。這種效果可以非常精確地測量甚至檢測到微量的毒素。
幾家初創(chuàng)公司正在開發(fā)基于這一技術(shù)和相關(guān)方法的產(chǎn)品，其中包括一種電池內(nèi)部傳感器，可以監(jiān)測電池的活動(dòng)，以幫助提高功率密度和充電率。此外，還有一種能夠區(qū)分病毒和細(xì)菌感染的設(shè)備。等離子體也被用于研究磁盤上的磁存儲(chǔ)器。例如，熱輔助磁記錄設(shè)備通過在寫入時(shí)瞬間加熱磁盤上的小點(diǎn)來增加內(nèi)存存儲(chǔ)。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，光激活納米顆粒正在臨床試驗(yàn)中測試其治療癌癥的能力。納米顆粒被注入血液，然后聚集在腫瘤內(nèi)。接著，使用與表面等離子體相同頻率的光照射其上，使粒子通過共振產(chǎn)生熱量。熱量有選擇地殺死腫瘤中的癌細(xì)胞，但卻不會(huì)傷害周圍的健康組織。
當(dāng)新的公司開始利用等離子體技術(shù)時(shí)，他們需要確保自己的產(chǎn)品價(jià)格合理、可靠、堅(jiān)固、易于大規(guī)模生產(chǎn)和與其他部件集成。盡管面臨這些挑戰(zhàn)，前景還是光明的。“超材料”（等離子體產(chǎn)生不尋常的光學(xué)效應(yīng)的合成納米材料）的出現(xiàn)使等離子體研究人員能夠使用除金銀以外的材料，如石墨烯和半導(dǎo)體。來自Future Market Insights的一項(xiàng)分析預(yù)測，僅等離子體傳感器應(yīng)用的北美市場價(jià)值就將從2017年的近2.5億美元增至2027年的近4.7億美元。
10.量子計(jì)算機(jī)算法
得益于在硬件和算法上取得的進(jìn)展，量子計(jì)算機(jī)在幾年內(nèi)就能趕上甚至超過傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)利用量子力學(xué)進(jìn)行計(jì)算。它們的基本計(jì)算單位——量子位，類似于標(biāo)準(zhǔn)位(0或1)，但它是在兩個(gè)計(jì)算量子態(tài)之間的量子疊加：它可以是零，也可以是1。這種性質(zhì)，加上另一種獨(dú)特的量子特性——糾纏，可以使量子計(jì)算機(jī)比任何傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更有效地解決某些類型的問題。
這項(xiàng)技術(shù)雖然令人興奮，但卻是出了名的進(jìn)展困難。舉例來說，一個(gè)被稱為退相干（decoherence）的過程可以破壞它的功能。研究人員已經(jīng)確定，擁有幾千量子位元的嚴(yán)格控制的量子計(jì)算機(jī)可以通過被稱為量子誤差修正的技術(shù)來承受退相干效應(yīng)的影響。但迄今為止，實(shí)驗(yàn)室所展示的最大量子計(jì)算機(jī)也僅包含數(shù)十個(gè)量子位。這些被加州理工學(xué)院的約翰·普瑞斯基爾(John Preskill)命名為“噪聲中等規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)”(NISQ)，目前還不能執(zhí)行錯(cuò)誤校正。然而，大量專門為NISQs編寫的算法研究，可能使這些設(shè)備能夠比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更有效地執(zhí)行某些計(jì)算。
世界各地用戶對(duì)NISQ的訪問增加，極大地促進(jìn)了這一進(jìn)展，使越來越多的學(xué)術(shù)研究人員能夠?yàn)檫@種機(jī)器開發(fā)和測試小型版本的程序。一個(gè)專注于量子軟件不同方面的初創(chuàng)公司生態(tài)系統(tǒng)也正在蓬勃發(fā)展。研究人員在兩種用于NISQ的算法中看到了特別光明的前景，即模擬算法和機(jī)器學(xué)習(xí)算法。1982年，傳奇理論物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）提出，量子計(jì)算機(jī)最強(qiáng)大的應(yīng)用之一將是模擬自然本身——原子、分子和材料。
許多研究人員已經(jīng)開發(fā)出算法來模擬NISQ設(shè)備上的分子和材料(以及未來完全糾正錯(cuò)誤的量子計(jì)算機(jī))。這些算法可以提高從能源到健康科學(xué)等領(lǐng)域的新材料設(shè)計(jì)。開發(fā)人員還在評(píng)估量子計(jì)算機(jī)是否更擅長機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)，即計(jì)算機(jī)從大數(shù)據(jù)集或經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)?？焖僭鲩L的NISQ設(shè)備測試算法已經(jīng)表明，量子計(jì)算機(jī)確實(shí)可以促進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)。
至少有三個(gè)研究小組獨(dú)立報(bào)告了機(jī)器學(xué)習(xí)方法的量子版本的開發(fā)進(jìn)展，這種方法被稱為生成對(duì)抗性網(wǎng)絡(luò)(GANs)，在過去的幾年里，它已經(jīng)在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域掀起了一場風(fēng)暴。盡管許多算法似乎在現(xiàn)有的NISQ機(jī)器上運(yùn)行得很好，但還沒有人能給出正式的證明，證明它們比在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上執(zhí)行的算法更強(qiáng)大。這些證明是困難的，可能需要幾年的時(shí)間才能完成。在接下來的幾年里，研究人員很可能會(huì)開發(fā)出更大、更可控的NISQ設(shè)備，然后是具有數(shù)千個(gè)物理量子位的完全錯(cuò)誤校正機(jī)器。NISQ的算法應(yīng)該足夠高效，能夠超越最先進(jìn)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。（小?。?/p>
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