麻省理工科技評論公布2018年“全球十大突破性技術(shù)”

《麻省理工科技評論》本周刊文，列出了2018年的10大科技突破。今年入選的技術(shù)包括人工智能技術(shù)“生成對抗網(wǎng)絡(luò)”（GAN）、人工胚胎，以及基于天然氣的清潔能源技術(shù)等。以下為完整榜單：

1.3D金屬打印

3D打印的發(fā)展已有幾十年時(shí)間。但到目前為止，3D打印仍主要用于制造一次性的原型產(chǎn)品。如果希望使用除塑料以外的其他材料，例如金屬去打印，不僅成本高昂，且速度很慢。

不過目前，3D金屬打印的成本正越來越低，并逐漸成為一種制造實(shí)際零件的方法。如果得到廣泛普及，那么將改變大批量產(chǎn)品生產(chǎn)的方式。

從短期來看，制造商將不再需要維護(hù)大量庫存。對于汽車零配件這樣的商品，在有需要的時(shí)候直接打印即可。

從長期來看，大批量生產(chǎn)少數(shù)幾種零配件的大型工廠可能會(huì)被規(guī)模較小、更能適應(yīng)客戶需求變化的工廠所取代。

3D金屬打印可以制造出重量更輕、強(qiáng)度更高的部件，獲得傳統(tǒng)方法難以做到的復(fù)雜形狀，并對金屬微結(jié)構(gòu)進(jìn)行更精確的控制。2017年，來自勞倫斯利沃莫國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員宣布，已開發(fā)出一種3D打印方法，能制造出強(qiáng)度達(dá)到傳統(tǒng)工藝兩倍的不銹鋼。

同樣在2017年，來自波士頓的3D打印公司Markforged發(fā)布了首款價(jià)格不到10萬美元的3D金屬打印機(jī)。

另一家波士頓創(chuàng)業(yè)公司Desktop Metal于2017年推出了金屬打印原型設(shè)備。該公司計(jì)劃銷售用于實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)的大型機(jī)器，其生產(chǎn)速度比傳統(tǒng)金屬打印方法快100倍。

金屬零配件的打印正變得更容易。Desktop Metal目前提供的軟件可以生成適合3D打印的設(shè)計(jì)。用戶只需告知軟件希望打印的物體參數(shù)，軟件即可生成適合打印的計(jì)算機(jī)模型。

通用電氣長期以來一直在其航空產(chǎn)品中使用3D打印技術(shù)。該公司正在測試新的金屬打印機(jī)，速度足以打印大型配件。該公司計(jì)劃于2018年銷售這款打印機(jī)。

2.人工胚胎

英國劍橋大學(xué)的胚胎學(xué)家在一項(xiàng)突破性研究中重新定義了如何創(chuàng)造生命。他們利用單個(gè)干細(xì)胞培育出了逼真的小鼠胚胎。沒有用到卵子或精子，只是利用從另一個(gè)胚胎中提取的細(xì)胞。

研究者將這些細(xì)胞小心放在三維支架上并觀察。這些細(xì)胞相互之間交流，并排列成幾天大的小鼠胚胎的形狀。

團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人麥格德萊娜·澤爾尼卡-格茨（Magdelena Zernicka-Goetz）表示：“我們知道，干細(xì)胞的強(qiáng)大潛力很像是魔法。但我們沒有意識到，它們可以如此漂亮完美地進(jìn)行自組織?！?/p>

澤爾尼卡-格茨表示，這個(gè)“合成”胚胎可能不會(huì)發(fā)育成為小鼠。但盡管如此，這仍然表明，我們可以不需要卵細(xì)胞就能培育出哺乳動(dòng)物。

這還不是澤爾尼卡-格茨的目標(biāo)。她想要研究，早期胚胎細(xì)胞如何發(fā)揮出特殊作用。她表示，下一步是利用人類干細(xì)胞去培育人造胚胎。密歇根大學(xué)和洛克菲勒大學(xué)也在從事這方面的研究。

人工智能合成的人類胚胎將給科學(xué)家們帶來福音，幫助他們理解人體早期發(fā)育的每個(gè)過程。而由于這些胚胎來自易于操作的干細(xì)胞，因此實(shí)驗(yàn)室中可以使用各種工具，例如基因編輯工具，在它們的生長過程中開展研究。

然而，人工胚胎帶來了倫理問題。如果這樣的胚胎與真實(shí)胚胎難以區(qū)分，那么情況會(huì)是什么樣？在胚胎感到疼痛之前，它們能在實(shí)驗(yàn)室里成長多久？生物倫理學(xué)家認(rèn)為，在科學(xué)競賽開始之前，我們需要首先解決這些問題。

3.感知城市

許多智慧城市計(jì)劃正不斷延期，目標(biāo)也在不斷縮小，或者只能覆蓋富豪人群。多倫多的新項(xiàng)目Quayside希望扭轉(zhuǎn)這種失敗的模式。該項(xiàng)目計(jì)劃從頭開始思考城市社區(qū)，圍繞最新的數(shù)字技術(shù)重建社區(qū)。

這一項(xiàng)目于2017年10月公布，具體建設(shè)將從2019年開始。來自紐約、Alphabet旗下的Sidewalk Labs正在與加拿大政府就這一項(xiàng)目展開合作，項(xiàng)目計(jì)劃在多倫多的海濱工業(yè)區(qū)進(jìn)行。

項(xiàng)目的目標(biāo)之一是，利用龐大的傳感器網(wǎng)絡(luò)收集空氣質(zhì)量、噪音水平、人口活動(dòng)等多種數(shù)據(jù)，隨后指導(dǎo)設(shè)計(jì)、政策和技術(shù)決策。

這樣的計(jì)劃要求所有車輛都實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，并進(jìn)入共享出行平臺(tái)。機(jī)器人會(huì)從事瑣碎的雜務(wù)，例如遞送郵件。Sidewalk Labs表示，將開放對該公司軟件和系統(tǒng)的訪問，讓其他公司可以在此基礎(chǔ)上開發(fā)服務(wù)，就像第三方為智能手機(jī)開發(fā)應(yīng)用一樣。

該公司計(jì)劃密切監(jiān)控公共基礎(chǔ)設(shè)施，這引發(fā)了對數(shù)據(jù)管理和隱私保護(hù)的擔(dān)憂。不過Sidewalk Labs表示，可以通過與社區(qū)和當(dāng)?shù)卣暮献鱽斫獬@些擔(dān)憂。

Sidewalk Labs城市系統(tǒng)規(guī)劃負(fù)責(zé)人利特·阿加瓦拉（Rit Aggarwala）表示：“我們?yōu)镼uayside所做的不同之處在于，這個(gè)項(xiàng)目不僅雄心勃勃，也有一定的人文關(guān)懷?！边@或許有助于Quayside避免重蹈以往智慧城市計(jì)劃的覆轍。

負(fù)責(zé)Quayside開發(fā)的政府機(jī)構(gòu)Waterfront Toronto表示，其他北美城市也在與Sidewalk Labs聯(lián)系，希望成為下一個(gè)合作的城市。該機(jī)構(gòu)CEO威爾·福萊西格（Will Fleissig）表示：“舊金山、丹佛、洛杉磯和波士頓都已經(jīng)致電，希望獲得介紹。”

4.面向所有人的人工智能

到目前為止，人工智能主要是亞馬遜、百度、谷歌和微軟等大公司，以及一些創(chuàng)業(yè)公司的玩具。對許多其他公司來說，人工智能的成本太高，全面部署非常困難。

那么解決方案是什么？基于云計(jì)算的機(jī)器學(xué)習(xí)工具正在將人工智能帶給更廣泛的受眾。到目前為止，亞馬遜AWS是云端人工智能的領(lǐng)先者。谷歌正憑借開源的人工智能庫TensorFlow對亞馬遜發(fā)起挑戰(zhàn)。近期，谷歌還公布了Cloud AutoML。這是一套經(jīng)過預(yù)訓(xùn)練的系統(tǒng)，讓人工智能更易于使用。

微軟也擁有集成人工智能的云計(jì)算平臺(tái)Azure。此外微軟也與亞馬遜合作，提供開源的深度學(xué)習(xí)庫Gluon。Gluon主要用于開發(fā)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變得像手機(jī)應(yīng)用一樣容易開發(fā)。

目前尚不清楚，哪家公司會(huì)成為云端人工智能的領(lǐng)先者。但對贏家來說，這意味著巨大的商機(jī)。

如果人工智能革命滲透至各行各業(yè)，那么這些產(chǎn)品將成為必不可少的元素。

目前，人工智能主要應(yīng)用在科技行業(yè)。在這個(gè)行業(yè)中，人工智能創(chuàng)造了效率，帶來了新的產(chǎn)品和服務(wù)。不過，許多其他企業(yè)和行業(yè)也試圖利用人工智能。如果醫(yī)藥、制造和能源等行業(yè)也能全面部署這項(xiàng)技術(shù)，那么生產(chǎn)力將得到大幅提升，整個(gè)行業(yè)將因此發(fā)生革命。

然而，大部分企業(yè)仍然缺乏足夠多的人才，弄清如何利用云端人工智能。因此，亞馬遜和谷歌也在提供咨詢服務(wù)。一旦云計(jì)算將技術(shù)普及給所有人，那么真正的人工智能革命將會(huì)啟動(dòng)。

5.對抗的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工智能非常擅長識別物體。在100萬張照片中，它可以準(zhǔn)確指出哪張照片中有行人正在過馬路。然而，人工智能并不適合繪制一張圖片，顯示有行人正在過馬路。如果能做到這一點(diǎn)，那么人工智能就能創(chuàng)造出非常逼真的模擬環(huán)境，讓無人駕駛汽車在這樣的模擬環(huán)境中訓(xùn)練。

問題在于，創(chuàng)造新東西需要想象力，而想象力是人工智能所不擅長的。

2014年，蒙特利爾大學(xué)博士生伊安·古德費(fèi)羅（Ian Goodfellow）在一家酒吧的學(xué)術(shù)辯論中首先想到了這個(gè)解決方案，這被稱作“生成對抗網(wǎng)絡(luò)”（GAN）。GAN讓兩個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在數(shù)字版的“貓鼠游戲”中相互對抗。

兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)都使用相同的數(shù)據(jù)集去訓(xùn)練。其中一個(gè)名為“生成器”，任務(wù)是利用所看到的圖像去創(chuàng)建不同版本，例如3只手的人。而另一個(gè)名為“鑒別器”，任務(wù)是識別所看到的圖像是否是生成器制造的假圖像。

通過這樣的過程，生成器將非常善于產(chǎn)生圖像，導(dǎo)致鑒別器無法判斷哪些是真實(shí)圖像，哪些是假的。從本質(zhì)上來看，生成器被訓(xùn)練去識別并制作看起來真實(shí)的圖像。

過去10年，GAN成為了人工智能最有前景的領(lǐng)域之一，幫助機(jī)器生成能迷惑人眼的結(jié)果。

GAN已被投入使用，用于制作聽起來很逼真的語音和圖像。例如，英偉達(dá)的研究者向GAN提供了大量明星照片，隨后創(chuàng)造出數(shù)百張并不存在的頭像。另一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)則生成了類似梵高作品的假畫。更進(jìn)一步，GAN可以以不同方式來重新想象畫面，例如將陽光燦爛的道路變成一條雪路，或是將馬變成斑馬。

結(jié)果并不總是完美的：GAN或許會(huì)給自行車安上兩個(gè)車把，或是把眉毛放在頭像錯(cuò)誤的地方。不過，由于生成的圖像和聲音往往非常真實(shí)，因此專家認(rèn)為，從某種意義上來說，GAN已經(jīng)開始了解所看到和聽到的世界的底層結(jié)構(gòu)。這意味著除了想象力之外，人工智能還能獲得更獨(dú)立的能力，理解所見的世界。

6.巴別魚耳塞

在風(fēng)靡一時(shí)的科幻經(jīng)典《銀河系漫游指南》（The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy）中，你可以將黃色的巴別魚滑進(jìn)耳朵，聽到同聲翻譯。在現(xiàn)實(shí)世界中，谷歌已經(jīng)想出了臨時(shí)解決方案：一對售價(jià)159美元的耳機(jī)，名為Pixel Buds（中文譯為“像素花蕾”），可與Pixel智能手機(jī)和谷歌翻譯App應(yīng)用配合使用，獲得實(shí)時(shí)翻譯。

一個(gè)人戴著耳機(jī)，另一個(gè)人拿著手機(jī)。耳塞佩戴者用他或她的語言說話——默認(rèn)語言為英語——App應(yīng)用把語句翻譯過來，傳到電話中，大聲播放出來。拿手機(jī)的人回應(yīng)；回答被翻譯過來，傳到耳機(jī)里播放。

谷歌翻譯已經(jīng)擁有會(huì)話功能，它的iOS和Android應(yīng)用程序允許兩個(gè)用戶交談，對話將被自動(dòng)識別并翻譯過來。但是，背景噪音會(huì)使App應(yīng)用難以理解人們的對話，也不知道人們何時(shí)停止交談，何時(shí)開始翻譯。

Pixel Buds繞開了這些問題，辦法是讓用戶在講話時(shí)按住右耳塞。將手機(jī)和耳機(jī)的互動(dòng)區(qū)分開來，可以人為控制麥克風(fēng)，有利于通話者保持目光接觸，不用將手機(jī)拿來拿去。

Pixel Buds的設(shè)計(jì)欠佳，廣受批評。它們看起來很傻，可能不適合你的耳朵，也很難與手機(jī)互連使用。

但是，笨重的硬件不難搞定。Pixel Buds展示了在語言之間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)理解溝通的大好前景，而且，不再需要魚兒了。

7.零碳排放天然氣

在可預(yù)見的將來，天然氣可能成為世界能源的主要來源之一，因?yàn)樗杀镜土?，易于獲得，現(xiàn)在，美國超過30%、世界超過22%的電力都得益于天然氣。不過，盡管天然氣比煤炭的造價(jià)更低，但它仍然是碳排放的一大來源。

在休斯敦郊外的美國天然氣和煉油工業(yè)中心，一家試驗(yàn)性發(fā)電廠正在測試一項(xiàng)技術(shù)，有望使天然氣變?yōu)榍鍧嵞茉吹膲粝氤蔀楝F(xiàn)實(shí)。這個(gè)50兆瓦的項(xiàng)目名為“凈電力”（Net Power），主辦企業(yè)相信可以以更低成本發(fā)電，至少能夠與標(biāo)準(zhǔn)天然氣發(fā)電廠的成本不相上下，作業(yè)過程中所排放的二氧化碳可全部回收。

如果是這樣的話，那就意味著全世界已經(jīng)找到了一種方法，可以以合理的價(jià)格從化石燃料中提取無碳能源。天然氣發(fā)電廠可以根據(jù)需求提高或降低產(chǎn)量， 避免核電的高資本成本，規(guī)避可再生能源的供應(yīng)不穩(wěn)定問題。

“凈電力”項(xiàng)目的合作方包括科技開發(fā)企業(yè)8 Rivers資本和Exelon Generation公司，以及能源建設(shè)公司CB&I公司。目前，公司正處于工廠建設(shè)階段，已經(jīng)開始初步測試，并打算在未來幾個(gè)月公布早期評估結(jié)果。

該工廠將燃燒的天然氣所排放的二氧化碳置于高壓高溫環(huán)境下，利用它所產(chǎn)生的超臨界二氧化碳作為“工作流體”驅(qū)動(dòng)特制渦輪機(jī)。大部分二氧化碳可以連續(xù)循環(huán)使用，其余的可被便宜地回收。

降低成本的關(guān)鍵部分在于出售二氧化碳。今天，二氧化碳的主要用途是幫助從油井中提取石油。這是一個(gè)有限的市場，而且，不是一個(gè)特別環(huán)保的市場。然而，“凈電力”項(xiàng)目最終希望看到二氧化碳在水泥制造和制造塑料和其他碳基材料方面的需求日益增長。

“凈電力”技術(shù)并不能解決天然氣的所有問題，特別是在開采方面。但是，只要我們在使用天然氣，就應(yīng)該盡可能清潔地使用它。在所有正在開發(fā)的清潔能源技術(shù)中，“凈電力”是最有希望大幅削減碳排放的一項(xiàng)。

8.完美的在線隱私

真正的互聯(lián)網(wǎng)隱私終于將成為可能，這要?dú)w功于一種新的工具。它的功能多多，包括在不泄露你出生日期的前提下，判斷你已年滿18歲，或者證明你在銀行里有足夠的錢可供金融交易，而不會(huì)透露你的余額或其他細(xì)節(jié)。這就限制了隱私泄露或身份盜竊的風(fēng)險(xiǎn)。

該工具是一種新興的加密協(xié)議，稱為零知識證明。盡管研究人員為此已經(jīng)研究了幾十年，但在過去的一年里，人們的興趣才開始激增，這在一定程度上要?dú)w功于公眾對加密貨幣的癡迷，其中大部分與私有無關(guān)。

零知識證明的技術(shù)絕大部分得益于Zcash，這是2016年末推出的一種數(shù)字貨幣。Zcash的開發(fā)人員使用了一種名為zk-SNARK的尖端加密技術(shù)，允許用戶以匿名方式進(jìn)行交易。

在比特幣和其他大多數(shù)公共區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，這通常是不可能的，在那些系統(tǒng)中，每個(gè)人都能看到交易內(nèi)容。雖然交易在理論上是匿名的，但它們可以與其他數(shù)據(jù)結(jié)合起來，達(dá)到跟蹤甚至識別用戶的目的。作為世界第二大流行的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)以太坊的創(chuàng)建者，維塔利克·布特林（Vitalik Buterin）將zk-SNARKs描述為一種“絕對改變游戲規(guī)則的技術(shù)”。

對于銀行來說，這可能是一種在不犧牲客戶隱私的情況下，在支付系統(tǒng)中使用區(qū)塊鏈的方法。去年，摩根大通(JPMorgan Chase)在自己的基于區(qū)塊鏈支付系統(tǒng)中加入了zk-SNARKs。

盡管zk-SNARKs前景看好，但它的計(jì)算繁瑣而緩慢，還需要一個(gè)所謂的“可信設(shè)置”來創(chuàng)建加密密鑰，而一旦密鑰落入居心不良者手中，就可能危及整個(gè)系統(tǒng)。不過，研究人員正在尋找一種替代方案，以便更有效地部署零知識證明，而且不需要密鑰。

9.遺傳算命

有一天，嬰兒出生時(shí)將得到DNA報(bào)告卡。這些報(bào)告將提供他們患心臟病或癌癥的幾率，以及是否對煙草上癮、是否比一般人更聰明的預(yù)測。

這些報(bào)告卡片的突然出現(xiàn)要?dú)w功于基因研究的長足進(jìn)步，其中一些研究涉及超過100萬人。

事實(shí)證明，最常見的疾病和包括智力在內(nèi)的許多行為和特征，不是一個(gè)或幾個(gè)基因所造成的，而是許多基因協(xié)同作用的結(jié)果。利用獲取的基因研究數(shù)據(jù)，科學(xué)家們正在創(chuàng)建所謂的“多基因風(fēng)險(xiǎn)評分”機(jī)制。

雖然新的DNA測試只能提供概率，而不是診斷，但卻可以極大地造福醫(yī)學(xué)。例如，如果乳腺癌高危女性增加乳房X光檢查次數(shù)，而低風(fēng)險(xiǎn)的女性減少乳房X光檢查次數(shù)，那么，這些檢查可能發(fā)現(xiàn)更多真正的癌癥，并減少假警報(bào)。

制藥公司還可以將這些評分應(yīng)用于阿爾茨海默病或心臟病等疾病的預(yù)防性藥物的臨床試驗(yàn)中。通過挑選更容易生病的志愿者，他們可以更準(zhǔn)確地測試藥物的效果。

問題是，這些預(yù)測遠(yuǎn)非完美。誰想知道自己可能會(huì)患上老年癡呆癥？如果癌癥風(fēng)險(xiǎn)得分低的人推遲接受篩查，然后又患上癌癥，怎么辦?

多基因評分也面臨爭議，因?yàn)樗鼈兛梢灶A(yù)測任何特征，而不僅僅是疾病。例如，他們現(xiàn)在對智商測試結(jié)果的測試準(zhǔn)確率約為10%。隨著分?jǐn)?shù)的提高，DNA智商預(yù)測很可能會(huì)成為常規(guī)。但是，家長和教育工作者將如何使用這些信息呢?

對行為遺傳學(xué)家埃里克·托克海默（Eric Turkheimer）來說，基因數(shù)據(jù)優(yōu)劣參半，使得這項(xiàng)新技術(shù)“既令人興奮，又令人擔(dān)憂?！?/p>

10.材料的量子飛躍

新量子計(jì)算機(jī)前景廣闊，同時(shí)也帶來了一個(gè)難題。它們的計(jì)算能力遠(yuǎn)超今天的機(jī)器，功能強(qiáng)大到難以想象，但我們還沒有弄清楚應(yīng)該如何應(yīng)用這些能力。

一種可能且誘人的可能性是精確地設(shè)計(jì)分子。

化學(xué)家們已經(jīng)在夢想著可用于更有效藥物的新蛋白質(zhì)、可生產(chǎn)更好電池的新型電解質(zhì)、可將陽光直接轉(zhuǎn)化為液體燃料的化合物，以及更高效的太陽能電池。

我們沒有這些東西，因?yàn)榉肿雍茈y在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上建模。即使是在一個(gè)相對簡單的分子中嘗試模擬電子運(yùn)動(dòng)，運(yùn)算的復(fù)雜性就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出當(dāng)今計(jì)算機(jī)的能力。

但對于量子計(jì)算機(jī)來說，這是小菜一碟，因?yàn)樗褂玫牟皇潜硎?和0的數(shù)字位，而是量子系統(tǒng)的“量子位”。最近，IBM的研究人員使用一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，用7個(gè)量子位模擬出一個(gè)由三個(gè)原子組成的小分子。

當(dāng)科學(xué)家制造出更多量子位的機(jī)器時(shí)，就應(yīng)該能夠精確地模擬出更大更有趣的分子，同樣重要的是，量子算法也會(huì)演化得更好。