1千克DNA储存全球数据 | 《科学美国人》发布2019年全球十大新兴技术
绘图：Vanessa Branchi
《科学美国人》与世界经济论坛联合发布了2019年全球十大新兴技术。这份榜单由《科学美国人》、《科学美国人》全球顾问委员会、世界经济论坛全球专家网络、世界未来委员会共同选出，涵盖了生物医疗、农业、物理、人工智能等领域的最新技术。这些技术尽管仍处于发展早期，但它们吸引了众多研究团队的关注，并且广受投资者青睐。在未来3~5年间，它们可能会对社会与经济产生重要影响。
该榜单自2012年开始评选。在此前的榜单中，3D打印、CRISPR-Cas9、光遗传等技术已经成为我们生活、研究中的重要元素。而在今年的榜单中，又有哪些将改变人类的未来？
1
可循环的生物塑料
在现代社会中，人类对塑料的需求量正在迅速增加，但能够循环使用的塑料不足15%。生物降解塑料是一种来源于生物质、又能转化为生物质的新型塑料，但目前的生物塑料仍无法达到标准塑料的强度和视觉特征。
利用纤维素或木质素生产的新型生物塑料有望克服这些缺点。纤维素是植物细胞壁的主要成分，是地球上最丰富的有机聚合物；而木质素也来自植物，其分解产物芳香族环能赋予塑料强度和其他理想特性。目前，研究人员以及开发出从木材和木本植物中分离、提取纤维素和木质素的方法。众多企业都展现出对这类生物塑料的兴趣，而成本、生产过程所需的土地和水将成为现阶段的主要挑战。
2
社交机器人走进生活
作为一类能与人类交流、建立情感联系的机器人，社交机器人的研究似乎达到了临界点：它们具有更强的交互能力、能执行比以往更多的任务。随着人工智能的发展，研究人员能够将关于认知、社交的心理学和神经科学知识转化为让机器人识别声音、面部和情绪的算法，并且让机器人能够理解语言和手势、进行眼神交流与对话、通过学习反馈来适应人们的需求。
随着人口老年化的到来，社交机器人将发挥更加重要的作用。具有减轻阿尔茨海默病患者压力、提醒老年人散布和服药等功能的社交机器人陆续出现。此外，社交机器人也越来越多地作为玩具吸引消费者。2018年，全球的社交机器人市值约为56亿美元；到2025年底，这一数字预计将上涨至190亿美元。
3
超透镜打造微型光学器件
手机、电脑等电子产品变得越来越小，但传统的玻璃切割和玻璃弯曲技术却难以造出更小的光学部件。微型超透镜使用厚度不足1微米的平坦镜面，通过其中的纳米结构聚焦光线，从而替代庞大的传统曲面透镜。
近期，科学家陆续解决了超透镜聚焦光线时存在的色差、图像扭曲、模糊等问题。尽管目前其传输光线的效率尚不及传统透镜，但在不久的将来，超透镜将有望用于制造更小、更加易于操控的传感器、诊断工具和光纤等器件。超透镜的潜力已经吸引了众多政府机构和企业的关注和资助，未来几年内，超透镜产品或将进入市场。
4
固有无序蛋白：药物研发新靶点
数十年前，科学家发现了一类被称作固有无序蛋白（IDP）的特殊蛋白，这些蛋白与癌症和神经退行性疾病有密切联系。普通蛋白拥有固定的结构，但IDP的结构会随着微环境的改变而变化。因此，IDP拥有更多的结合位点，可以影响更广泛的细胞功能，这让IDP成为药物开发的重点关注对象。
2017年，法国和西班牙的科学家发现，一款用于精神紊乱和焦虑症的药物，可以抑制在胰腺癌中起作用的无序蛋白NUPR1。而Graffinity制药公司发现了一些小分子，可以抑制在阿尔茨海默病有重要作用的无序蛋白。目前，科学家更加关注无膜细胞器中有功能的IDP。未来3-5年间，IDP有望成为药物研发的新热点。
5
智能化肥减少环境污染
传统化肥中的氮、磷化合物被植物吸收的效率很低，未被利用的物质会导致水体富营养化、造成环境污染。最近，研究人员开发出一类智能的控释化肥。这类化肥被一层用特殊材料制作的胶囊包裹，可以根据土壤的温度、酸碱度及湿度条件调整释放营养素的速率。通过结合使用不同的胶囊，可以设计出用于不同作物类型和生长条件的特制化肥。这项技术可以显著提升化肥吸收效率、降低环境污染。此外，一些科学家正尝试研制环境友好的氮肥取代氨、尿素，并利用微生物让植物高效吸收营养元素。未来，智能控释化肥将推进精细农业的发展，让粮食生产更加经济、可持续。
6
远程协作拉近距离
想象一下，世界不同地区的人如同处于同一物理空间，能随时流畅地互动：医生为患者提供远程诊断、身处异地的朋友与家人能共享体验……这种“远程协作”技术可以改变我们工作和娱乐的方式，让物理位置变得无关紧要。
以下几个领域的进展正使得这一场景变得可行：增强现实（AR）和虚拟现实（VR）技术已经足够强大且价格合理；通信公司正在迅速推出5G网络，从而无延时地处理海量数据；创新者正在完善技术，使人们能够远程进行物理交互。尽管远程协作技术还处于初级阶段，但组成这项技术的部件都已准备就绪，远程协作在3-5年内有望实现变革。
7
区块链技术保障食品安全
根据世界卫生组织的数据，每年有6亿人受食物污染的影响，其中42万人会因此丧命。现代食品链环节众多，从农场到餐桌要经历包装、储藏、转运等多种过程。但各个部分的数据相对独立，一旦出现食物污染事件，调查污染源将成为一大难题。
而区块链技术的发展应用，将显著改善数据追踪的困境。利用区块链云端系统，食品制造商可以依次在计算机中储存各类过程的信息，类似沃尔玛的大型超市可以利用区块链云平台在数秒内找到污染源头。
此外，更先进的食品包装技术，也将加速污染源的考证。科学家正开发一些微型感应设备，用于监测传送带、集装箱或者独立包装中食品的质量和安全性。一些厂商在食品包装中放置温度感应器，以检测食品保存温度是否合规。这两类方式都将为公众提供更安全的食品，并更迅速地找到食品污染源。
8
更安全的核反应堆
几十年来，商业核反应堆一直使用同样的燃料：小的二氧化铀芯块堆积在锆合金制成的核燃料棒内。锆能使二氧化铀芯块裂变产生的中子很容易地通过反应堆堆芯，实现可持续的热核反应。但是，如果锆过热，它会与水反应并产生氢，引发爆炸。2011年福岛核电站事故就由此引起。
目前，全球科学家正从不同角度入手，以打造更安全的核反应堆：西屋电气公司和法马通等企业正在开发“事故耐受燃料”，这种燃料与锆结合后不容易过热，也很少产生氢气；一些人正尝试用其他材料取代锆或者二氧化铀，以提升安全性；另一种思路是用液态钠或熔盐代替水来传递裂变产生的热量，消除氢气爆炸的风险。
9
DNA储存技术：突破数据存储禁锢
到2020年，全球每年则将产生4180亿太字节（TB）数据。现有的数据储存系统负荷巨大，在一个世纪内就将无法应对爆炸式增长的数据量。为了获得储量更大的储存系统，科学家已经转向了生物体内的信息储存方式——DNA。
DNA依靠碱基的排列方式来储存个体的生物信息，而科学家也可以通过人工合成的方式，用DNA储存数据。DNA非常稳定、信息储存能力远超电子设备，并且不需要额外消耗能量。根据2016年的一项研究，大肠杆菌的信息储存密度已达每立方厘米10^19字节，这意味着，全世界的数据只需1千克的DNA就能储存。随着测序技术的发展，科学家已经可以开始更迅速地读取DNA序列，并且进行数据追踪。未来，随着DNA存储技术的难点被一一攻克，其必将在数据存储应用上大放异彩。
大型电站级别的锂离子电池
随着对低碳能源体系的需求日益迫切，以及风能、太阳能技术成本的下降，全球电力供应格局正在迅速转变：通过风能和太阳能生产的电力不断增加，这也为能源的存储提出了难题。
在这样的背景下，效率和可靠性不断提升、成本持续下降的锂离子电池受到更多的关注。目前，锂离子电池占据美国大型电站级别电池储能的80%，其最大功率从10年前的几兆瓦提升至目前的866兆瓦。一项能源研究估计，与2018年相比，2019年锂离子电池的市场将翻倍；2020年更将达到2018年的3倍。未来5-10年间，锂离子电池很可能成为储存可再生能源的主流技术，届时其将能够存储4-8小时的能量，使得日间的太阳能发电满足傍晚的高峰需求。