《科學美國人》中文版《環(huán)球科學》近日遴選出十大創(chuàng)新技術：用眼睛控制計算機、一滴樣品檢測出所有病毒、小型聚變反應堆……依然不乏能夠改變世界的科技創(chuàng)新，它們不僅會改善人們的生活，還有望拯救身處危機中的地球。

眼控機器：軟件把眼動轉換為設備的控制命令為癱瘓患者帶來希望

　很久以前，科學家就知道眼睛可以透露出人們的目標——他們想去哪里，想干什么，想和誰接觸。英國倫敦帝國學院專攻神經(jīng)技術的副教授奧爾多·費薩爾希望能用人的眼動來控制輪椅、計算機和電子游戲。費薩爾和同事用電子游戲攝像頭做了一副眼鏡，用來記錄用戶的眼動，并將眼動數(shù)據(jù)輸入計算機。計算機里的軟件隨后會把數(shù)據(jù)轉換成機器命令。幾乎所有人都可以使用這一技術,而系統(tǒng)的搭建成本還不到50美元。在一次科學展覽上，數(shù)千名志愿者試用了這一技術。大多數(shù)人在無須指導的情況下，只需要15秒就能熟練地用它玩乒乓球游戲。

　費薩爾和同事利用70年來針對眼動的神經(jīng)生物學研究，開發(fā)出了一套能把眼神轉換成控制輪椅的命令的算法，把眨眼轉換成鼠標點擊，把瞳孔的快速移動轉換為游戲手柄的搖動。為了預測使用者的意圖，這套算法需要用真實世界中的數(shù)據(jù)進行訓練，研究人員會收集到他們的眼動數(shù)據(jù)。通過不斷訓練，軟件系統(tǒng)就可以逐漸識別出用戶的意圖。（雷切爾·紐爾）

微波火箭：微波束驅動的火箭可以讓人類以更低廉的成本進入太空

　人類搭載火箭進入太空已經(jīng)有50多年了。在這50多年中，讓火箭到達預定軌道仍然需要極高的成本?；鸺亓康?0%是燃料和推進劑，留給貨物的空間很小。1924年，蘇聯(lián)科學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基提出了一種降低成本的方法，建議用地面信號發(fā)送器發(fā)出的微波束作為火箭升空的動力。齊奧爾科夫斯基建議，使用拋物面鏡將“短波電磁射線的平行光束”引導至火箭的腹部，加熱推進劑產(chǎn)生推力，而無須在火箭艙內攜帶大量燃料。這個創(chuàng)意一直無人問津。直到最近，技術的進步才終于跟上了齊奧爾科夫斯基的遠見。20世紀50年代，人們發(fā)明了微波激射，但直到更好更廉價的發(fā)生裝置——回旋管出現(xiàn)后，才使微波激射器的發(fā)射功率達到太空發(fā)射所需的兆瓦級水平。

　目前，一家私營公司正在測試開發(fā)一套可反復使用的微波動力系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠發(fā)射衛(wèi)星，最終甚至可以用于載人航天。這引起了NASA的注意。7月，NASA將微波火箭技術列入未來技術開發(fā)路線圖。（李·比林斯）

可注射進腦部的柔軟電子探針：導電的高聚物網(wǎng)可以給大腦研究帶來新希望

　為了解開腦部之謎，科學家需要細致而準確地監(jiān)測活體動物大腦中的神經(jīng)元。不過，大腦探針一般來說很粗笨。哈佛大學的化學家查爾斯·利伯領導的團隊希望用絲般柔軟的網(wǎng)狀高分子聚合物改進目前的研究方法。現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)在活體小鼠身上測試了他們的網(wǎng)狀聚合物，其中鑲嵌了電子傳感器。一旦研究確認了網(wǎng)狀聚合物的安全性，可以用于人類，研究單個神經(jīng)元的活動如何產(chǎn)生認知，以及治療帕金森病等疾病。（賽思·弗萊徹）

轉基因生物的毀滅開關：毀滅開關可以抵御商業(yè)間諜并預防基因污染

　全世界都在培養(yǎng)數(shù)目龐大的轉基因大腸桿菌，讓它們分泌有用的物質，比如醫(yī)用胰島素、塑料高聚物和食品添加劑。當這些轉基因細菌完成使命以后，會被作為工業(yè)廢物丟棄，或是被當成肥料使用。

　這種做法目前對環(huán)境造成的風險很小，因為轉基因大腸桿菌的生存能力比自然界的大腸桿菌弱，在實驗室外不會存活很長時間。但是，未來出現(xiàn)的轉基因細菌則有可能會出現(xiàn)在不應出現(xiàn)的地方并帶來風險。2009年，加利福尼亞大學舊金山分校的生物工程師布萊恩·卡里安多開始研究，如何在轉基因生物逃逸或被偷竊時銷毀這些生物體內經(jīng)過改造的DNA。最近，他了解到了一個叫作CRISPR的細菌防御機制，細菌用它來切割和破壞入侵病毒的DNA?？ɡ锇捕嘁庾R到，可以用CRISPR制作一種內置于轉基因細菌中的毀滅開關?？ɡ锇捕鄬|粒（自動復制的微小環(huán)狀DNA）進行了改造，讓它們可以編碼一些RNA堿基和酶，形成毀滅開關。然后，他把這些質粒注入轉基因大腸桿菌，然后給細菌裝上致命程序。一旦在轉基因大腸桿菌的培養(yǎng)基里加入阿拉伯糖，毀滅開關就會打開，切割細菌經(jīng)過改造的DNA。（珍妮弗·阿巴西）

自己學習的機器:自我學習能力讓人工智能變得更加聰明

　谷歌、臉書等商業(yè)巨頭正在開發(fā)可以自我學習的技術，并取得了諸多進展。他們的工作在很大程度上依賴一種叫深度學習的技術。

　深度學習網(wǎng)絡源于一個有著幾十年歷史的觀點：如果計算機運行的方式更接近人腦，就會變得更智能。這樣的深度學習網(wǎng)絡由多個相互連接的CPU層組成，這些CPU又叫人工神經(jīng)元。每層人工神經(jīng)元都會對輸入信息做出不同的處理，和傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡相比，深度學習神經(jīng)網(wǎng)絡的層數(shù)要多得多。網(wǎng)絡的深度越大（也就是層數(shù)越多），它能提取的內容就越抽象。最近，深度學習開始在市場中獲得應用。一個例子是谷歌在5月上線的Google Photos應用。事實上，這項技術標志著我們朝著真正的人工智能前進了一步，這樣的人工智能將擁有幾乎與人類一樣的智能行為。2月，DeepMind公司的一組人工智能學家報告了他們的結果：他們用深度學習技術搭建了一臺可以自我訓練的計算機，可以玩一些簡單的電子游戲，并擊敗人類高手玩家。（加里·斯蒂克斯）

讓視線轉個彎:彈射的光子可以讓攝像頭看到視線外的物體

　如果攝像頭可以看到拐角另一邊的情況，就能警告司機拐彎處隱藏的危險，幫助消防隊員搜索著火的大樓，還能讓外科醫(yī)生看到體內難以抵達的部位。幾年前，麻省理工學院媒體實驗室的研究人員發(fā)明了這樣的攝像頭，但那只是一個昂貴的早期原型產(chǎn)品。這款設備用激光脈沖把光通過墻或門彈射到隔壁房間的靜態(tài)物體上，一個價值50萬美元的攝像頭隨后會捕捉反射回的光，最后一個程序會記錄下單個光子的到達時間，計算出距離，重構出看不見的物體。在那以后，麻省理工學院的研究團隊大幅改進了這一技術，現(xiàn)在已經(jīng)可以拍到在視線外移動的物體，而且還用一個發(fā)光二極管和100美元的微軟Kinect傳感器取代了激光器和50萬美元的攝像頭。（拉里·格林邁耶）

迅捷排查病毒:新方法可以鑒定出樣本中的每一種病毒，準確度近乎完美

當醫(yī)生想鑒定導致感染的病毒時，他們通常會使用聚合酶鏈式反應對零散的DNA片段進行“擴增”，以得到足夠多的測試樣本。不過，醫(yī)生必須知道待測病毒的種類，這意味著需要猜測。9月，哥倫比亞大學的科研團隊描述了一種可以不靠猜測的新方法。這種技術有個拗口的名字：針對脊椎動物病毒的病毒組捕捉測序平臺。它可以在一滴唾液、一滴脊髓液或是一小塊組織中找到所有的病毒，準確度近乎完美。這種方法可以在48小時內同時分析21個樣本，每個樣本的分析成本約為200美元。它還能發(fā)現(xiàn)新病毒或突變的病毒，只要這些病毒和已知病毒的相似度不低于40%。團隊首先搭建了一個內含1000多種脊椎動物病毒的數(shù)據(jù)庫，然后合成了與所有病毒的所有毒株相匹配的基因探針。他們一共合成了200萬種基因探針（一段25至50納米長的DNA片段），當探針遇到了匹配的病毒時，就會與之結合。為了把病毒分離出來，研究人員向樣本中添加了直徑為1至3微米的磁珠。通過一種化學連接劑，磁珠、探針和捕捉到的病毒會吸附在一起。然后，裝有磁珠、探針和病毒的試管會被放在磁力架上，磁珠會因磁力而附著在試管壁上。研究人員分離并清洗完帶有探針和病毒的磁珠后，他們會對病毒進行基因測序，排除假陽性的干擾。（雷切爾·紐爾)

小型聚變反應堆:數(shù)十年的緩慢發(fā)展和大規(guī)模投資后，聚變反應堆研究者正在改變策略

　當兩種元素結合或者說“融合”在一起時就會發(fā)生聚變，生成一種新的元素，并將物質轉化為能量，太陽的能量就是這樣產(chǎn)生的。正在法國建造的國際熱核聚變實驗堆（ITER）是7個國家的合作項目。這個托卡馬克反應堆耗資210億美元，利用超導磁體使等離子達到足夠高的溫度和密度來實現(xiàn)聚變反應。ITER建造完成后，總重量將達到23000噸。ITER的主要競爭對手——國家點火裝置（NIF）的構成也很復雜：它會向燃料芯塊發(fā)射192道激光，使其溫度達到5000攝氏度，壓強達到1500億個大氣壓。盡管如此，要在此基礎上建成實用的聚變核電站仍然需要幾十年。新一批研究人員正在尋求不同的策略：縮小規(guī)模。，美國高級能源研究計劃局（ARPA-E）通過名為低成本等離子加熱和裝配促進項目向9個旨在建設廉價反應堆的小型項目投資3000萬美元。此外，通用聚變公司建造了一臺利用在液態(tài)金屬內傳播的沖擊波來引發(fā)聚變的設備；“三阿爾法能源”公司正在建造對撞束聚變反應堆；軍火巨頭洛克希德·馬丁公司也宣稱正在開發(fā)一座集裝箱大小的磁約束聚變反應堆。無論哪種方法能成功輸出清潔充足的電力且不產(chǎn)生放射性廢物，那么僅憑這一項創(chuàng)新，就能解決從能源緊缺到氣候變化等一系列問題。（戴維·別洛）

高效吸熱裝置:多用途鏡面能吸收熱量，將熱量傳導至外太空

　在日益變暖的世界里，降低能耗是個重要問題。斯坦福大學的研究人員表示，有一種材料可以吸收曝曬于太陽下的建筑物的熱量，將熱量輻射至外太空，這有望為降溫問題貢獻一部分力量。輻射冷卻的概念起源于20世紀80年代，當時的一些工程師發(fā)現(xiàn)，刷上漆的金屬屋頂可以吸收建筑物的熱量，將熱量轉化為可以穿透地球大氣層的輻射。但在當時沒人能夠造出一種既能輻射熱能量，又能反射陽光的材料。斯坦福大學的團隊制造了一臺相當于高效鏡面的裝置，這種以銀、鈦、硅為基材，上面覆蓋數(shù)層二氧化鉿和二氧化硅的材料能夠反射97%的陽光。二氧化硅中原子的作用就像微型天線，能吸收面板一側空氣中的熱量，并從另一側發(fā)出熱輻射。該材料發(fā)出的熱輻射波長主要集中在8至13納米之間，能夠完全暢通無阻地穿過地球的大氣層，所以不會使建筑物附近的空氣溫度上升，熱量會散發(fā)至太空。即便在陽光直射之下，直徑20厘米的冷卻板的溫度也要比空氣溫度低5攝氏度。

拍攝化學反應的慢鏡頭攝像機:紅外光譜學和計算機模擬可以揭示溶劑—溶液反應的秘密

　在細胞內環(huán)境的液體中，氫鍵可以把DNA的堿基對連在一起。在我們的星球上，很多化學反應發(fā)生在海洋等水體中。大部分藥物也是在溶劑中合成的。然而，化學家一般只能在氣態(tài)環(huán)境中才能深入到單個化學鍵來研究化學反應的機制。在液體里，分子更多，它們之間發(fā)生的碰撞也更頻繁，所以反應發(fā)生得更快、更雜亂，也更復雜。你試圖觀測的化學過程很像是連續(xù)的糨糊——除非你能為反應拍攝一些“曝光時間”僅萬億分之一秒的照片。

　英國布里斯托大學的安德魯·奧爾-尤因用激光研究化學反應。液體中受到熱催化的反應能產(chǎn)生可觀測的紅外光譜。在到間，奧爾-尤因的團隊用紫外超短脈沖激光照射乙腈溶劑中的二氟化氙分子。激光脈沖就像手術刀，可以削掉反應活性極高的氟原子。氟原子可以從溶劑分子中“偷”出氘原子，形成氟化氘。他們用標準的紅外光譜學技術，在第一個激光脈沖后觀察紅外振蕩出現(xiàn)和消失的速度，這代表了原子間化學鍵形成的速度和反應到達平衡的速度。

這些實驗證實，在液體中觀測1皮秒內的化學反應細節(jié)是可行的。然而，大多數(shù)化學家沒有使用昂貴的激光和探測器，而是用計算機模擬的方法對化學反應進行觀察和改進。奧爾-尤因在布里斯托大學的同事戴維·格洛瓦茨基和杰瑞米·哈維編寫了一套模擬軟件，可以預測奧爾-尤因的光譜學實驗結果，準確度很高。