【科技评论】MIT《技术评论》历年“十大技术突破”述评（六）
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【科技评论】《MIT科技评论》评选出2015年10大新兴技术
MIT《技术评论》历年“十大技术突破”述评
贺飞
（北京大学，北京100871）
1 前言
【科技评论】MIT《技术评论》历年“十大技术突破”述评（一）
2 历年发布的十大新兴技术汇总分析
2.1 信息技术
【科技评论】MIT《技术评论》历年“十大技术突破”述评（二）
【科技评论】MIT《技术评论》历年“十大技术突破”述评（三）
2.2 生物技术
【科技评论】MIT《技术评论》历年“十大技术突破”述评（四）
2.3 能源技术
【科技评论】MIT《技术评论》历年“十大技术突破”述评（五）
2.4 材料技术
【科技评论】MIT《技术评论》历年“十大技术突破”述评（五）
2.5 纳米技术
在130项新兴技术中， 直接以“纳米”命名的技术有10项（其中纳米太阳能电池和纳米孔测序已分别能源技术和在生物技术介绍过）(表6)。这些纳米技术已渗透到信息、生物医学、能源和材料等诸多领域，在提高信息存储容量和信息处理速度、提高能源转换和利用率、提高药物效能和改变疾病治疗方式等方面发挥着巨大的作用。
表 6历年发布的十大新兴技术中的材料技术汇总
年份 | 名称 | 学科 |
2003 | 纳米压印光刻技术（Nanoimprint Lithography） | 信息 |
2003 | 纳米太阳能电池（Nano Solar Cells） | 太阳能 |
2004 | 纳米线技术（Nanowires） | 信息 |
2006 | 纳米医学（Nanomedicine） | 生物技术 |
2006 | 纳米生物力学（Nanobiomechanics） | 生物技术 |
2007 | 纳米充电太阳能（Nanocharging Solar） | 能源 |
2007 | 纳米康复技术（Nanohealing） | 生物技术 |
2008 | 纳米无线电技术（NanoRadio） | 信息 |
2009 | 纳米压电传感器（Nanopiezoelectronics） | 信息 |
2012 | 纳米孔测序（Nanopore Sequencing） | 疾病诊断和治疗 |
2015 | 纳米架构（Nano-Architecture） | 材料科学 |
纳米压印光刻技术（Nanoimprint Lithography）是一种全新的纳米图形复制技术，具有分辨率高、产量高、低成本的特点。这一合适的制造技术为纳米技术走出实验室创造了条件。普林斯顿大学电子工程师Stephen Chou开发了一种比印刷机复杂一些的装置，他是将一个硬模具压入软材料，就可以精确地印出小于10纳米的特征尺寸。Chou在2002年夏天证明这项技术可以在硅和金属上直接造出纳米特征尺寸。他用一束强激光掠过固体，融解表面到足够压上模具并印出所希望的特征尺寸。他也致力于将纳米图形刻蚀到硅片上，制造出以后各代高性能的微芯片的研究。这一技术最终会成为纳米特征尺寸的低廉和容易制造的方法的选择，用于通信用光学元件和诊断筛选用基因芯片等各种产品。
纳米线技术（Nanowires）是加州大学伯克利分校的杨培东教授小组成功找到的一种制造“多层结构”纳米线的方法，能使硅和锗这两种不同的材料交织组成单根纳米线。这些线尺度在纳米水平，最细的达到40纳米,首次成功地实现了二维半导体界面功能向一维的转移。在这一过程中，半导体界面的接触面积得以大大缩小。从二维到一维这样一种难度的转换，将产生巨大的应用潜力，在计算机器件、光电器件、化学和生物传感器等领域，都“应该占有一席之地”。实验表明纳米线聚光能力是普通光照强度的15倍。这有助于提高太阳能的转换效率，从而使得基于纳米线的太阳能电池技术得到真正的提升。有着垂直排列的镍—锡纳米线的微电池比普通的锂电池充电时间更短，其他性能也更为出色。此外这一技术还能促进化学反应。截至2014年，纳米线仍处于试验阶段。
纳米医学（Nanomedicine）是一项基于纳米技术的革命性技术, 将彻底改变人类诊断和治疗癌症以及所有疾病的方式，有望使现有方法无法解决的医学难题迎刃而解。美国密歇根大学的物理学家詹姆斯·贝克研制出了一些多用途的纳米粒子，能够穿越血管壁等障碍接近癌细胞，让癌细胞误认为是可以吃的食物，它们会用荧光色对癌细胞进行标记，同时用药物把癌细胞摧毁。这些纳米粒子已投入临床试验。研究证明其杀死癌细胞的效果要比传统的化学疗法有效得多。
纳米生物力学（Nanobiomechanics）利用纳米测度技术来研究活细胞。研究人员与微生物学家和医学研究人员合作，共同研究人体细胞对于微弱力的反应以及疾病对细胞物理状态的影响。最新研究发现, 感染了疟疾的红细胞要比健康细胞坚硬10 倍。虽说认识细胞的力学特性会带来更有效的疗法还为时尚早，但纳米力学技术可更精确地测度细胞的特性，可以对未来医学产生重大影响。
纳米充电太阳能（Nanocharging Solar）利用半导体量子点新技术为太阳能“充电”，能大幅提高廉价光伏太阳能电池的效能。一些化学家利用只有几个纳米宽的半导体量子点制成的电池, 有望最终降低太阳能发电的成本 , 使之能够与化石能相抗衡。量子点是科学家自20世纪90年代以来一直潜心研究的半导体新技术, 不断取得进展。美国能源部国家实验室的科学家发现, 半导体量子点材料具有优越的与光相互作用的特性 , 量子点材料受高能光子撞击时释放电子的数量是硅半导体材料的2倍以上,这意味着光电转化效率能够得到大幅度的提高。不仅如此,量子点技术可以通过简单的化学反应得以实现,其材料价格将非常低廉，以提升太阳能发电技术的竞争力。量子点技术的光伏太阳能电池能效可达42%,高于目前能效为31%的硅基电池。而且,量子点半导体材料的制造成本也很低, 有效的聚合物量子点最终可使太阳能发电的成本与煤发电的成本相抗衡。尽管实现量子点技术的太阳能电池的商业化仍需几年时间, 但一旦如此 , 它将会帮助人们摆脱化石能 .
纳米康复技术（Nanohealing）利用纳米技术发明一种纳米蛋白质碎片（也称缩胺酸）液体，使用这种液体对准流血的伤口，一喷即刻可止血。这种液体及其细微的纳米级纤维制品还有助于恢复病人的脑伤。纳米蛋白碎片的止血功能具有很多优点,如快速、透明、方便使用、不损伤其他组织以及术后无需清除等，还能以提供细胞生长所需氨基酸的方式加速伤口的愈合，可广泛用于手术、事故现场救助和战场急救等特殊情况。此外，缩胺酸在机体内能自我装配形成纤维网状的透明胶，这有助于恢复受损的脑和脊柱组织。纳米蛋白碎片材料的研制成功说明科学家可以充分利用纳米结构材料的自我组装功能，开发出更多的、更理想的医疗技术产品。
纳米无线电技术（NanoRadio）由碳纳米管制作微型无线装置，将改善从手机到医疗诊断的功能。任何无线设备，从手机到环境传感器，都可受益于纳米无线装置。较小的电子元件，如调谐器，将能降低电力消耗，延长电池寿命。利用纳米无线技术制造的接收机，可将无线电波的电磁振荡转换成纳米管的机械振动，反之亦然。纳米无线装置还可以把无线通信引至全新的境界，例如可引导药物在血液中流动并释放至需要部位。附在微型化学传感器上的纳米无线装置，可植入患有糖尿病或其他疾病的病人血管内。如果传感器探测到一种不正常的胰岛素水平或其他一些目标化合物，发射器可将相关信息传送给一个探测器，或者甚至可能是一个可释放胰岛素或其他治疗药物的植入式胶囊。
纳米压电传感器（Nanopiezoelectronics）利用纳米层级的压电效应制作高灵敏体积微小的纳米传感器。美国乔治亚理工大学的材料科学家王中林教授利用压电技术发明的微型发电机给纳米世界带来了全新的动力。如果他能成功，生物和化学纳米传感器今后将能自己给自己供电。一旦将纳米压电元件从外接电源的桎梏中解放出来，就有可能开辟多种实际应用。集成有纳米发电机的一个纳米压电助听器就可以用到多根纳米线，每一根可调谐到各种声波的不同振动频率。纳米线将声波转换成电信号并进行处理，以便它们能直接传送给大脑中的神经元。这样植入的神经假体不仅比传统助听器更紧凑、更灵敏，而且还无需因更换电池而拆除。纳米压电传感器也可用于检测飞机发动机中的机械应力，只需几个纳米线元件就能监测压力、处理信息并给机上电脑通报相关数据。此外还可用于检测血液中疾病分子的迹象，探测空气中的有毒气体，追查食品中的污染物等。但这项技术还需经过5年到10年才能成熟。
纳米架构（Nano-Architecture） 加州理工学院的科学家发明了一种有着巨大潜能的微型晶格，其材料结构可以得到精密订制，可以确保强度和柔韧性，重量极轻。而更轻的结构材料将非常节能，且用途很广。预计这项技术3-5年可以成熟。关键人物有加州理工学院的朱利亚•格利尔(Julia Greer)、HRL实验室的威廉•卡特(William Carter)、麻省理工学院的尼可拉斯•方(Nicholas Fang)以及LawrenceLivermore国家实验室的克里斯托弗•斯帕达奇尼(Christopher Spadaccini)。
2.6 制造技术
传统制造技术不断集成机械、电子、信息、材料、能源甚至生物技术的成果，将其综合应用于产品设计、制造和使用的全过程，从而实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产。在130项新兴技术中，有8项技术可以归类为制造技术，其中机器人制造和3D制造成为亮点（表7）。
表 7历年发布的十大新兴技术中的制造技术汇总
年份 | 名称 | 学科 |
2003 | 机电一体化（Mechatronics） | |
2005 | 磁共振力显微镜（Magnetic-Resonance Force Microscopy） | 纳米 |
2012 | 光场摄影（Light-Field Photography） | |
2013 | 超级电网（Supergrids） | 能源 |
2013 | 巴克斯特：蓝领机器人（Baxter: The Blue-Collar Robot） | |
2013 | 3-D制造（Additive Manufacturing） | |
2014 | 农业无人机（Agricultural Drones） | 农业技术 |
2014 | 敏捷机器人（Agile Robots） | 人工智能 |
机电一体化（Mechatronics）可以提高汽车从燃料经济性到性能的多个指标，其将是熟悉的机械系统与新型电子器件、智能软件控制系统的集成。以刹车为例，电子机械传动装置将取代液压缸，电线将取代刹车液流管，软件在驾驶员的脚和使汽车减速的动作之间进行调节。
磁共振力显微镜（Magnetic-Resonance ForceMicroscopy）是将磁共振成像仪和原子力显微镜相组合的产物，将可对纳米世界进行三维观测。IBM阿尔马登研究中心的物理学家，采用磁共振力显微镜，探测到单电子的“自旋”。但这一成果仍远未达到立体“快镜拍照”一个原子和分子的梦想。如果达到这一步，则证明磁共振力显微镜能完成原子尺度的成像。通过用磁共振力显微镜帮助药物研究人员，设计出蛋白质的结构，将为开发更安全、有效的药物提供最佳工具。
光场摄影（Light-Field Photography）可以制造未来相机，将彻底改变了普通相机的面貌，这种新设计将允许你在照完相后再调整图像的焦点，照相从此不对焦。美国硅谷先创公司推出的产品售价为399美元，其设计思路是在普通数字传感器上放置一层饰有微型显微镜头的低成本塑料薄膜，使其能探测到入射光线的方向，记录光线到达的角度，其生成的文件并不是图像，而是在某一特定时刻捕捉到的光线的立体图案的迷你数据库，亦称为光场。软件可对数据库进行挖掘，产生自按下快门起的各种不同可能的照片和视觉效果。
3D制造（Additive Manufacturing）又称叠层制造工艺，能更便宜地潜在制造复杂部件，其较传统技术节省材料，使许多先进制造部门充满活力。全球制造业巨头通用公司利用3D技术打印飞机新型喷气发动机的一个关键金属部件，这将会降低生产成本以及部件更轻，可以减少飞机的燃油消耗。叠层制造工艺是3D打印的工业版，已被用于制造一些成熟产品，如医用植入设备，并用于制造工程和设计的塑料原型。叠层制造工艺机器从计算机模型直接工作，因此人们能够设计出全新的形状而不考虑已有制造的限制。随着3-D打印技术被消费者和小企业广为熟知，其在制造业也必将会大有可为。
巴克斯特：蓝领机器人（Baxter: The Blue-Collar Robot）是一款由Rethink Robotics公司创建的新型工业机器人。这款机器人制造成本较低并且安全性能好，无需复杂编程和昂贵的工业集成过程，只需把它放在生产线旁，它就会意识到他需要做些什么。该机器人还可以执行各种简单的操作。
超级电网（Supergrids）利用实用的高压直流断路器组建更为有效的超级直流电网，高压直流电线能高效传输电力到几千公里以及长距离水下传送，胜过目前占传输电网支配地位的交流网线。从而能够出售来自较远地区的可再生能源电力，接入广泛发展的风电和太阳能等可再生能源，并允许电力公司调节风电和太阳能电力的局地平均变化，而将电力输送到没有那么多风能或太阳能的地区。
农业无人机（Agricultural Drones）带有先进传感器和成像设备，易于遥控使用，价格低于1000美元，能近距离密切监测农作物，可提高水资源利用率和病虫害管理，为农民提高产量、减少作物损失提供了新方法。这种小型、便宜、易操作无人机的出现主要是由于技术的巨大进展：微型MEMS传感器(加速计, 陀螺仪、磁力计以及通常压力传感器), 小型GPS模块, 难以置信的强大处理器, 以及一系列数字无线电设备。所有这些元件目前性能更好且前所未有的更便宜，由于其用于智能手机和产业规模经济中。在一架无人机的心脏，自动驾驶仪运行特定软件—通常是类似于DIY无人机社区所开发的开源程序，相比航空工业开发的代码要便宜许多。
敏捷机器人（Agile Robots）是一款具有良好平衡性和灵活性的类人步行机器人，有着良好的平衡感，能够很容易的稳定，在粗糙不平的地形上自如行走、跨越，可进入世界上目前轮式机器人不能进去的很多地方，将在人类生活中将起到更多更好的作用。能敏捷行走的机器人能最终在应急救援行动中发挥巨大作用。它们也可以在例行工作中发挥作用 如帮助老人或残疾人做零星家务和完成日常家庭任务。
2.7 其他
在130项技术突破中，还有3项其他领域的技术也榜上有名。其中更快速的傅立叶变换是一种算法，而众筹则是一种新技术商业化集资方式。大规模海水淡化技术将解决缺水城市的供水难题。
环境计量学（Enviromatics）通过收集联网传感器实时监测生态系统的环境数据，并利用互联网技术存储来自不同地点的数据，并利用计算机分析和模拟这些数据，对环境进行趋势预测。这一整合信息技术和环境技术的新技术，可增强农业生产以及物种多样性，从而有效支持环境决策，实现社会、经济和生态目标。
更快速的傅立叶变换（A Faster Fourier Transform）这一种处理数据流的新算法将带来更好的多媒体设备。这项由MIT创建的稀疏傅里叶变换（SFT）算法，对数据流的处理要比快速傅里叶变换快上10至100倍，推动了这种计算机科学中最重要的算法的发展。这种更快速的变换意味着在处理既定量的信息时需要更少的计算能力，这对于智能手机这类能耗敏感型移动多媒体设备来说大有益处。或者利用同样的运算能力，工程师们可以考虑一些对于传统快速傅里叶变换的计算需求而言有些不现实的工作。例如目前因特网的骨干网和路由都只能读取或处理穿梭于其中的数据洪流的极小一部分，而凭借稀疏傅里叶变换，研究人员就可以更为详细地研究这种以每秒数十亿次速度发射的信息流。
众筹（Crowdfunding）是纽约Kickstarter网站创新的一种新技术商业化集资方式。通过网络平台面对公众集资，让有创造力的人可获得他们所需要的资金，以使他们的梦想有可能实现。企业家们已利用该网站一次性筹集了数十万美元，开发和生产出了包括家庭网络传感系统和三维物体打印工具在内的新产品。该种公众集资模型为先创公司启动时的传统融资手段提供了一种补充。随着美国2012年4月解除私营公司不得向小投资者出售股份的禁令，Kickstarter所扮演的角色可能会开始改变。如果公众集资网站开始提供股权，定会使几十个风险投资公司消失。
大规模海水淡化（Megascale Desalination） 目前，全球的洁净水源已无法满足越来越多人口的需求。全球最大成本最低的反渗透海水淡化厂在以色列投入生产。这一技术使得海水淡化的成本大幅下降，并可支撑某一国家的大部分用水。这项技术目前已经成熟。关键厂商包括IDE Technologies、Poseidon Water、Desalitech、Evoqua。
（未完待续……）
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