麻省理工2019年“全球十大突破性技术”排名

权威技术媒体《麻省理工科技评论》(麻省理工技术评论)正式宣布了2019年“世界十大突破技术”(2019年十大突破技术)，为我们展望2019年“黑色技术”的发展提供了很好的见解和指导。

这份权威的指南已经出版了18年，每年年初都会给科技行业带来前沿视角。它准确地预测了许多流行技术的崛起。今年，麻省理工学院的“世界十大突破技术”涵盖了智能机器人、核能新浪潮、早产预测、肠道微囊、定制癌症疫苗、人造汉堡、二氧化碳陷阱、可穿戴式心电图仪、无下水道厕所和能流利说话的人工智能助手。

第一机器人灵巧

技术突破：它现在可以通过虚拟实验和试错来学习操纵物体。

意思：机器正在自学如何应对现实世界。如果机器人能学会处理现实世界中的混乱，他们就能完成更多的任务。

主要参与者：OpenAI、卡内基梅隆大学、密歇根大学、加州大学伯克利分校

到期时间：3-5年

在所有关于机器工作的讨论中，工业机器人仍然笨拙而不灵活。机器人可以在装配线上以惊人的精度反复拾取零部件，而不会厌倦——，但是只要它移动一个物体半英寸或者用稍微不同的东西代替它，机器就会变得不可思议的“弱智”，并承担起抓取空白空间的动作。

然而，尽管机器人不能像人一样通过编程来决定如何抓住任何物体，但它现在可以通过虚拟实验和错误来学习操纵物体。

其中一个典型的项目是Dactyl，这是一个机器人，可以自学用手指翻转玩具积木。戴克泰来自旧金山的非营利组织OpenAI，由一个现成的机器人手组成，周围有一系列的灯和摄像头。该机器人使用所谓的强化学习和神经网络软件来学习如何在模拟现实之前在模拟环境中抓取和旋转大量物体。开始时，软件会随机尝试，并在接近最终目标时逐渐加强网络内部的连接。

通常不可能将这种类型的虚拟实践转移到现实世界，因为摩擦或不同材料的不同属性等东西很难模拟。OpenAI团队通过在虚拟训练中增加随机性来解决这个问题，使机器人成为一个真实而混乱的杂工。

我们需要机器人方面的进一步突破，以掌握真正的仓库或工厂所需的高级灵活性。然而，如果研究人员能够可靠地使用这种学习方法，机器人最终可能组装电子产品，将餐具放入洗碗机，甚至帮助老人起床。-威尔奈特

#2新浪潮核电

技术突破：新型核裂变反应堆——颠覆传统设计的第四代核裂变反应堆、小型模块化反应堆和似乎永远无法实现的核聚变反应堆；介绍了核聚变反应堆的进展——一般聚变和联邦聚变系统。

含义：先进的聚变和裂变反应堆正在接近现实。新的更安全的核反应堆可能有助于防止气候变化。

主要参与者：地球能源、地能、核物理、综合核聚变

成熟期：新的核裂变反应堆——预计将在2020年中期大规模应用；核聚变反应堆需要十多年的时间。

在过去的一年里，获得电力的新核设计有望使电力供应更安全、更便宜。其中包括颠覆传统设计的第四代核裂变反应堆、小型模块化反应堆和似乎永远不可能的核聚变反应堆。第四代裂变设计的开发商，如加拿大的陆地能源公司和总部位于华盛顿的TerraPower公司，已经与公用事业公司建立了研发合作伙伴关系，目标是到2020年实现并网发电(这可能有些乐观)。

小型模块化反应堆通常产生几十兆瓦的功率(相比之下，常规核反应堆通常只产生大约1000兆瓦的功率)。俄勒冈的NuScale等公司表示，更小的反应堆可以节省资金，降低环境和金融风险。

从钠冷裂变到高级核聚变，新一代项目希望重新点燃对核能的信任。

甚至在一体化方面也取得了进展。尽管没有人预计到2030年交付，但被麻省理工学院拆分的公司，如通用核聚变公司和联邦核聚变系统公司，正在取得一些进展。许多人认为受控核聚变是一个梦想，但由于反应堆不能熔化，也不能产生衰变期长、放射性高的核废料，它可能比传统核能面临更少的公众阻力。(比尔盖茨是TerraPower和联邦核聚变系统公司的投资者。-利菲利普斯

#3预测早产儿

技术突破：现在更容易检测和分析血液中的无细胞遗传物质，并筛选出与早产相关的七种基因表达的波动。它快速简单，每次测量不到10美元。

意思是：每年有1500万婴儿早产——例，这是五岁以下儿童死亡的主要原因。

主要参与者：Akna Dx等人

成熟期：5年内在医生办公室测试

简单的血液测试可以预测孕妇是否有早产的风险。

我们的遗传物质主要存在于细胞中。然而，少量的“无细胞”脱氧核糖核酸和核糖核酸也漂浮在我们的血液中，通常是由垂死的细胞释放出来的。在孕妇中，脱细胞物质是来自胎儿、胎盘和母亲核酸的细胞。

斯坦福大学的生物工程师斯蒂芬奎克找到了解决医学上最棘手问题之一的方法：大约十分之一的婴儿早产。

自由浮动的脱氧核糖核酸和核糖核酸可以产生以前需要侵入性细胞来抓取细胞的信息，如肿瘤活检或孕妇腹部羊膜穿刺术。改变的是现在更容易检测和测序血液中少量的无细胞遗传物质。

在过去的几年里，研究人员已经开始进行癌症血液测试(通过从肿瘤细胞中发现明显的DNA)和产前筛查疾病，如唐氏综合症。

测试这些条件取决于在DNA中发现基因突变。另一方面，核糖核酸是一种调节基因表达的分子物质，可以决定基因产生多少蛋白质。

通过对自由漂浮在母亲血液中的核糖核酸进行测序，奎克可以发现与早产相关的七种基因表达的波动。这使他能够识别可能早产的妇女。一旦得到警告，医生可以采取措施避免早产，给孩子更好的生存机会。

Quake说血液测试背后的技术既快速又简单，每次测量不到10美元。他和他的合作者已经创办了一家新公司Akna Dx，将其商业化。-邦妮罗克曼

#4肠道微囊(药丸中的肠道探针)

技术突破：它可以检测EED的表现症状，甚至进行组织活检。

意思：一个小的、可吞咽的装置可以在没有麻醉的情况下捕捉肠道的详细图像，甚至在婴儿和儿童中也是如此。

主要参与者：马萨诸塞州总医院

成熟期：目前用于成人；婴儿试验-将在2019年进行。

环境肠道功能障碍(EED)可能是你从未听说过的最昂贵的疾病之一。营养不良从发炎的肠道渗漏和吸收在贫穷国家很普遍，这也是许多人营养不良、发育不良和永远无法达到正常身高的原因之一。没有人知道EED的确切病因以及如何预防或治疗EED。

测试其实际筛查将有助于医务人员知道何时以及如何进行干预。治疗方法已经被应用到婴儿身上，但是诊断和研究这些婴儿的内脏疾病通常需要对他们进行麻醉，并将一种叫做内窥镜的管子插入到喉咙里。这种方法在EED很普遍的地区既昂贵、不舒服又不切实际。

因此，马萨诸塞总医院(MGH)的病理学家和工程师吉列尔莫蒂尔内正在开发一种小型设备，可以用来检查肠道是否有EED病的迹象，甚至进行组织活检。与内窥镜不同，它们在基本医疗保健测试中使用简单。

特兰尼的可吞咽胶囊包含一个微型显微镜。它们连接在一根柔软的绳子上，提供电力和光线，同时将图像发送到带显示器的公文包控制台。这使得卫生保健工作者能够在感兴趣的点暂停胶囊，对整个消化道进行无死角的纤维断层扫描，并在完成后将其拉出，从而使其能够被消毒和重复使用。(虽然这听起来有点不舒服，但Tearney的团队开发了一种他们认为不会引起不舒服的技术。)它还可以携带以单个细胞的分辨率对消化道的整个表面成像的技术，并捕获深度为几毫米的三维横截面。

这项技术有许多应用。在MGH，它被用来筛查巴雷特食管，这是食管癌的前兆。对于EED来说，特兰尼的团队已经为不能吞咽避孕药的婴儿开发了一个更小的版本。它已经在巴基斯坦青少年中进行了测试，其中EED非常普遍，婴儿测试计划在2019年进行。

这个小探针将帮助研究人员回答有关EED ——发展的问题，如它将影响哪些细胞，细菌是否参与——，并评估干预措施和潜在的治疗方法。-考特尼汉弗莱斯

#5定制癌症疫苗

技术突破：这种疗法只能通过识别每种肿瘤特有的突变并触发人体的自然防御来摧毁癌细胞。

意思：传统的化疗对健康细胞有严重的影响，并且不总是对肿瘤有效。定制的癌症疫苗将扭转这种局面。

主要参与者：生物技术公司、基因技术公司

成熟期：在人体测试中

科学家们正处于第一种个性化癌症疫苗商业化的关键时刻。如所料，这种疫苗将通过其独特的突变触发人类免疫系统识别肿瘤，从而有效预防各种类型的癌症。

通过利用人体的自然防御选择性地只破坏肿瘤细胞，与传统的化疗不同，疫苗对健康细胞的损害有限。攻击性免疫细胞也能在初始治疗后警觉地发现任何游离的癌细胞。

这种疫苗的可能性诞生于2008年，即人类基因组计划完成五年后，当时遗传学家公布了第一个癌细胞序列。

不久之后，研究人员开始将肿瘤细胞的DNA与健康细胞和其他肿瘤细胞的DNA进行比较。这些研究证实，所有癌细胞都含有数百种(如果不是数千种的话)特定突变，其中大多数是每种肿瘤所特有的。

几年后，一家名为BioNTech的德国初创公司提供了令人信服的证据，证明含有这些突变拷贝的疫苗能够催化人体免疫系统产生T细胞，这种细胞能够发现、攻击并摧毁携带它们的所有癌细胞。

2017年12月，生物技术公司与生物技术巨头基因技术公司合作，开始对癌症患者的疫苗进行大规模测试。正在进行的试验至少针对10种实体癌，目标是在全球招募560名患者。

这两家公司正在设计新的制造技术，以廉价、快速地生产成千上万种定制疫苗。这将是一件棘手的事情，因为生产疫苗需要对患者的肿瘤进行活检、测序和DNA分析，并将这些信息转移到生产现场。一旦生产出来，疫苗需要立即送往医院。任何延误都可能是致命的。-亚当皮奥

#6无牛汉堡

技术突破：接近真正肉类的味道和营养价值，但几乎不破坏环境。

含义：畜牧业生产导致灾难性的森林砍伐、水污染和温室气体排放。减少牛肉和其他牲畜肉的烹饪和消费将大大改善这些问题。

主要参与者：无法估量，不可能的食物

成熟度：基于当前工厂；食用肉类的实验室培育——2020年前后

联合国预测，到2050年，世界人口将达到98亿。这些人越来越富有。这两种趋势都不利于气候变化，尤其是因为人们在摆脱贫困后倾向于吃更多的肉。

到那时，预计人类将比2005年多消费70%的肉类。事实证明，饲养动物供人食用是我们对环境做的最糟糕的事情。

根据动物的不同，用西方工业化方法生产一磅肉蛋白需要比生产一磅植物蛋白多4-25倍的水、6-17倍的土地和6-20倍的化石燃料。

问题是——人不太可能很快停止吃肉。这意味着实验室种植和植物替代品可能是限制环境破坏和资源浪费的最佳方式。

制作实验室培育的肉——包括从动物身上提取肌肉组织和在生物反应器中生长。尽管研究人员仍在研究这种味道，但最终产品看起来非常像你从动物身上得到的东西。荷兰马斯特里赫特大学的研究人员正在努力大规模生产实验室培育的肉类。他们认为，到明年，实验室生产的汉堡可能只需要一个由牛制成的汉堡。实验室肉类养殖的一个缺点是，对其环境效益的估计仍然很粗略。世界经济论坛最近的一份报告称，实验室生产的肉类排放量仅比牛肉生产的排放量低约7%。

来自“超越肉类”和“不可能食品”等公司的植物肉(比尔盖茨是这两家公司的投资者)可以提供更好的环境保护，使用豌豆蛋白、大豆、小麦、土豆和植物油来模仿动物肉的质地和味道。

超越肉类在加州有一个26，000平方英尺(2，400平方米)的新工厂，已经销售了来自30，000家商店和餐馆的2500多万个汉堡。根据密歇根大学可持续系统中心的分析，与传统牛肉汉堡相比，超越肉饼可以减少90%的温室气体排放。-马克库斯罗维托

#7二氧化碳捕集器

技术突破：捕获和吸收每吨不到100美元的二氧化碳。

含义：从空气中捕获二氧化碳的实用而经济的方法可以吸收过多的温室气体排放，是防止灾难性气候变化的最后可行的方法之一。

主要参与者：碳工程、气候工程、全球恒温器

成熟度：5-10年

即使我们减缓二氧化碳排放，温室气体的变暖效应仍将持续数千年。为了防止气温上升，联合国气候小组现在得出结论，本世纪全世界需要从大气中清除多达1万亿吨的二氧化碳。

去年夏天，哈佛大学气候学家大卫基恩计算出一个意想不到的发现，即通过一种叫做直接空气捕获的方法，这种机器理论上可以降低到每吨不到100美元。这比以前的估计要便宜一个数量级，导致许多科学家认为这项技术太贵了，尽管成本仍需要几年时间才能降到这个水平。

但是一旦你捕获了碳，你仍然需要想办法处理它。

由加拿大初创企业基思(Keith)共同创建的碳工程公司，计划扩大其试点工厂，以捕获二氧化碳作为增加合成燃料产量的关键成分。(比尔盖茨是碳工程的投资者。)

苏黎世的Climeworks将在意大利的直接空气捕获工厂从捕获的二氧化碳和氢气中生产甲烷，而瑞士的第二家工厂将向软饮料行业出售二氧化碳。纽约全球恒温器公司也是如此，该公司去年在阿拉巴马州建立了第一家商业工厂。

然而，如果它被用于合成燃料或苏打汽水，大部分二氧化碳将回到大气中。最终目标是永久锁定温室气体。有些可能嵌入在碳纤维、聚合物或混凝土等产品中，但更多的只需要埋在地下。这是一项昂贵的工作，没有商业模式可以支持它。

事实上，从工程学的角度来看，从空气中吸收二氧化碳是应对气候变化最困难和最昂贵的方法之一。然而，考虑到我们减排的速度有多慢，目前没有好的选择。-詹姆斯坦普尔

#8可佩戴心电图仪

技术突破：一种能真正诊断心脏病的可穿戴设备。

含义：随着监管机构的批准和相关技术的进步，人们可以通过可穿戴设备轻松地持续监测心脏健康。能够检测心电图的智能手表可以提醒潜在的危及生命的心脏病，如心房颤动。

主要参与者：苹果、阿里维科、威盛

成熟：现在

监管机构的批准和技术进步让人们通过可穿戴设备更容易持续监控自己的心脏。

健身追踪器不是严肃的医疗设备。剧烈运动或皮带松弛可能会干扰传感器读取脉搏。然而，在导致中风或心脏病发作之前使用心电图——诊断异常的医生需要去诊所，并且人们通常不能被及时检查。

通过新规则和硬件/软件创新实现的支持心电图的智能手表为可穿戴设备提供了更接近医疗设备精度的便利。

硅谷初创公司阿里维科(AliveCor)推出了一款与苹果手表兼容的腕带，用于检测房颤，这是血栓形成和中风的常见原因，于2017年获得美国食品和药物管理局的批准。去年，苹果发布了自己的经美国食品和药物管理局认证的心电功能表。健康设备公司Withings也宣布计划很快为手表配备心电图仪。

目前，可穿戴设备仍然只使用一个传感器，而有12个真实的心电图。没有任何可穿戴设备能够检测到正在进行的心脏病发作。

但这种情况可能很快就会改变。去年秋天，阿里维科向美国心脏协会提交了一项应用和一个双传感器系统的初步结果，该系统可以检测某些类型的心脏病发作。-郝凯伦

#9没有下水道的卫生设施

技术突破：节能厕所可以在没有下水道系统的情况下运行，并在现场处理废物。

意思是：23亿人缺乏安全的卫生设施，导致许多人死亡。

主要参与者：杜克大学、南佛罗里达大学、生物量控制、加州理工学院

到期时间：1-2年

世界上大约有23亿人没有良好的卫生设施。如果没有合适的厕所，人们会选择将粪便排入附近的池塘和溪流，从而传播细菌、病毒和寄生虫，导致腹泻和霍乱。腹泻导致全球九分之一的儿童死亡。

目前，研究人员正在努力为发展中国家建造一种新型的低成本厕所，这种厕所不仅可以处理垃圾，还可以处理垃圾。

2011年，比尔盖茨在该领域创造了——修复厕所挑战大奖。自从比赛开始，一些团队已经把原型投入到现实生活中。所有的粪便都是就地处理的，不需要大量的水就可以送到远处的处理厂。因此，不需要大量的水来将其输送到远程处理厂。

大多数原型是独立的，不需要下水道，但它们看起来像传统的厕所，装在小建筑或储物容器里。南佛罗里达大学设计的新发电机厕所使用厌氧膜过滤污染物。厌氧膜的孔比细菌和病毒的小。康涅狄格生物质控制公司的另一个项目是一个——的炼油厂，有一个集装箱那么大。它可以加热粪便，并将其转化为富含碳的物质，用作土壤肥料。

一个缺点是厕所不能在所有情况下都工作。例如，生物质控制的产品主要是为每天成千上万的用户设计的，这使得它不太适合小村庄。杜克大学开发的另一个系统只适用于附近的几个家庭。

因此，现在的挑战是使这些厕所更便宜，更适合不同规模的社区。南佛罗里达大学的副教授丹尼尔叶说：“拥有一个或两个发电机组真是太好了。”他是新发电机组的负责人。“建造一两个原型厕所很棒，但真正让技术影响世界的唯一方法是大规模生产这些设备。”-艾琳温尼克

#10个说话圆滑的人工智能助手

技术突破：捕捉单词间语义关系的新技术，让机器更好地理解自然语言。

意思：人工智能助手现在可以执行基于会话的任务，例如预订餐馆或协调打包下车，而不是简单地遵循简单的命令。

主要参与者：谷歌、阿里巴巴、亚马逊

到期时间：1-2年

我们习惯于人工智能助手——Alexa在客厅播放音乐，Siri在手机上设置闹钟——，但他们并没有真正实现他们所谓的智能。他们本应该简化我们的生活，但收效甚微。他们只接受一系列狭隘的指令，很容易被偏差绊倒。

然而，最近的一些发展将很快扩展您的数字助理的功能。2018年6月，OpenAI研究人员开发了一种技术，在未标记的文本上训练人工智能，以避免人工分类和标记所有数据的成本和时间。几个月后，一个谷歌团队引入了一个名为BERT的系统，该系统通过研究数百万个句子学会了如何预测缺失的单词。在多项选择测试中，它在填补空白方面和人类一样优秀。

这些改进，加上更好的语音合成，把我们从简单的人工智能助手变成了与他们交谈。他们将能够处理日常细节——，如记笔记、查找信息或网上购物。

这样的人工智能助手已经有了。例如，谷歌双工，谷歌助手的升级版本，可以帮助你接听电话，甚至过滤掉垃圾邮件和电话营销。它也可以打电话来帮你预定餐馆或沙龙。

在中国，消费者已经习惯了阿里巴巴的支付宝，它通过电话协调包裹递送，并能与顾客讨价还价。

然而，尽管人工智能程序能更好地理解你想要什么，但它们仍然不能理解完整的句子。脚本或统计生成的响应反映了向机器灌输真正的语言理解有多困难。一旦我们克服了这个障碍，我们将看到另一个进化，从后勤协调员到保姆、老师甚至朋友。