摘要：在不久的將來，技術(shù)革新將如何改變我們的生活？人工智能將大幅提升新藥物和新材料的開發(fā)速度；新型診斷工具將打造更先進的個性化醫(yī)療；如果你生病了，醫(yī)生將可以在你體內(nèi)植入活細胞，用這些“藥物工廠”為你治??；你將會吃到用干細胞在實驗室培育的牛肉、雞肉和魚肉，這將使無數(shù)的動物免遭不人道待遇。

經(jīng)過層層遴選，最終由來自生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)、計算機和人工智能等領(lǐng)域的頂尖專家共同評選，評出這份“2018年全球十大新興技術(shù)”榜單。根據(jù)發(fā)布方，世界著名科普雜志《科學(xué)美國人》的介紹，這些新興技術(shù)能在未來3~5年間，對社會和經(jīng)濟產(chǎn)生重要影響。

增強現(xiàn)實將無處不在

虛擬現(xiàn)實（VR）讓你沉浸在一個虛幻、獨立的世界里，而增強現(xiàn)實（AR）是將計算機生成的信息實時覆蓋在現(xiàn)實世界之上。當(dāng)你看到或者佩戴集成了AR程序和攝像頭的設(shè)備（可以是智能手機、平板電腦、耳機或智能眼鏡）時，程序會分析輸入的視頻流，下載大量與當(dāng)前場景相關(guān)的信息，并在其上疊加相關(guān)數(shù)據(jù)——通常是3D的圖片或動畫。

舉兩個例子：協(xié)助車輛安全倒車的倒車影像系統(tǒng)和熱門游戲《精靈寶可夢GO》。大量面向消費者的應(yīng)用軟件都會用到AR功能，比如為外國游客翻譯街道標志，醫(yī)學(xué)專業(yè)的學(xué)生開展的虛擬解剖，消費者在買家具時可以看到預(yù)想的擺設(shè)效果。將來，這項技術(shù)還會支持博物館制作全息參觀指南；幫助外科醫(yī)生，使得患者體內(nèi)組織三維可視化；允許建筑師和設(shè)計師以全新的方式合作；幫助無人機操作員用增強的圖像遠程控制機器；幫助初學(xué)者快速學(xué)習(xí)從醫(yī)藥到工廠維修的各項技術(shù)。在未來幾年內(nèi)，操作簡單、用于設(shè)計應(yīng)用程序的軟件將會滿足更多消費者的需求。

電刺激醫(yī)學(xué)將減少藥物使用

神經(jīng)電刺激設(shè)備可以通過電流脈沖治療疾病，這種設(shè)備在醫(yī)學(xué)界已經(jīng)有很長的應(yīng)用歷史。例如，心臟起搏器、耳蝸植入裝置和治療帕金森病的深腦電極刺激都用到了該設(shè)備。這種電刺激設(shè)備正變得越來越多功能化，將顯著提升對大量病癥的治療能力。神經(jīng)電刺激設(shè)備的工作原理是，向迷走神經(jīng)發(fā)送信號，迷走神經(jīng)將電流從腦干發(fā)送至器官，最后返回腦干。

在科學(xué)家的努力下，迷走神經(jīng)刺激的全新用途正變得可行。他們發(fā)現(xiàn)，迷走神經(jīng)能釋放調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)的化學(xué)物質(zhì)。例如，在脾臟里釋放的特定神經(jīng)遞質(zhì)對參與全身炎癥反應(yīng)的免疫細胞具有鎮(zhèn)靜作用。這些發(fā)現(xiàn)表明，能從迷走神經(jīng)刺激中受益的不僅是與電信號紊亂有關(guān)的疾病，還包括自身免疫疾病和炎癥反應(yīng)。對這些疾病的患者來說，這個發(fā)現(xiàn)無疑是個好消息。由于這項技術(shù)只對特定的神經(jīng)系統(tǒng)進行刺激，因此相對于經(jīng)過全身，會傷害作用目標以外的身體組織的藥物，電刺激療法可能更容易接受。

人造肉對環(huán)境更友好

想象一下，你咬了一口鮮嫩多汁的牛肉漢堡，而這是在不殺死任何動物的前提下發(fā)生的。利用實驗室的細胞培育出的人造肉，正在將這種設(shè)想變成現(xiàn)實。多家初創(chuàng)企業(yè)正在開發(fā)實驗室培育的牛肉、豬肉、家禽和海鮮。

由于只需為培育和維持人工培養(yǎng)的細胞（而非完整的生物體）提供資源，人造肉還可以減少肉類生產(chǎn)過程中的高昂環(huán)境代價。

人造肉是由從動物身上提取的肌肉樣本制成的。技術(shù)人員從動物組織中收集干細胞，讓它們迅速增殖，分化成原肌纖維，隨后膨大形成肌肉組織。MosaMeat公司稱，一份從牛身上采集的組織樣本就足以生產(chǎn)出8萬個牛肉漢堡。

一些初創(chuàng)企業(yè)表示，他們預(yù)計在未來幾年內(nèi)正式推出人造肉產(chǎn)品。但在上市之前，人造肉還必須克服重重障礙。

其中兩個障礙分別是成本和口味。以2013年向各大媒體展示的實驗室人造肉漢堡為例，漢堡中肉餅的制作成本超過30萬美元，而且肉質(zhì)過于干燥（因為脂肪太少）。自那以后，人造肉的制作成本逐年下降。2018年，MemphisMeats公司聲稱，四分之一磅（約113克）人造牛肉餡的價格約為600美元。按照這一趨勢，在幾年內(nèi)，人造肉就可能成為傳統(tǒng)肉類的競爭對手。

會辯論的人工智能

如今的智能助理已經(jīng)能在某些情形下讓你誤以為它們是人類，但未來的智能助理還會更加先進。在手機屏幕背后，智能助理使用復(fù)雜的語音識別軟件來識別你的需求、為你提供幫助，然后生成聽起來很自然的語音，給出符合你問題的預(yù)設(shè)答案。這樣的系統(tǒng)必須預(yù)先經(jīng)過“訓(xùn)練”：大量學(xué)習(xí)人類經(jīng)常提出的請求，而相應(yīng)的回復(fù)必須由人類來編寫，并組織成高度結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)格式。

實際上，這些系統(tǒng)已經(jīng)能夠“學(xué)習(xí)”了——通過機器學(xué)習(xí)技術(shù)，它們能夠改進問題與現(xiàn)有答案之間的匹配方式，但改進程度有限。即便如此，它們?nèi)匀涣钊擞∠笊羁獭?/p>

在更高復(fù)雜度的層面上，目前科學(xué)家正在致力于開發(fā)新技術(shù)，以使下一代的系統(tǒng)能夠從各個來源吸納、組織非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，然后自主撰寫出有說服力的建議，或者就一個它們從未接受過訓(xùn)練的問題與對手辯論。

2018年6月，IBM展示了一項更加先進的技術(shù)：一套沒有事先就某一主題或立場進行過培訓(xùn)，就能與人類專家實時辯論的系統(tǒng)。系統(tǒng)必須使用非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)來確定信息的相關(guān)性和真實性，并將之組織成某種可重復(fù)使用的形式，然后根據(jù)它所處的立場，來調(diào)取相關(guān)的論據(jù)。系統(tǒng)還必須對人類對手的論述作出回應(yīng)。在演示時，這套系統(tǒng)參加了兩場與人類的辯論，在其中一場辯論中，有許多觀眾認為，該系統(tǒng)的辯論更具說服力。

可植入人體的制藥細胞

許多糖尿病患者每天都要多次刺破手指，測量血糖水平，從而決定需要多少胰島素。如果能在病人體內(nèi)植入制造胰島素的胰島細胞，就能取代這一煩瑣的過程。除了糖尿病，細胞植入技術(shù)還能改變癌癥、心力衰竭、血友病、青光眼、帕金森病等多種疾病的療法。但細胞植入存在一項風(fēng)險：患者必須持續(xù)使用免疫抑制劑以防止免疫系統(tǒng)的排異。這種藥物可能帶來嚴重的副作用，包括增加感染或惡性腫瘤的風(fēng)險。

現(xiàn)在，研究者開始應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。2016年，一支來自麻省理工學(xué)院的團隊發(fā)布了一種能讓移植的細胞在免疫系統(tǒng)面前隱形的方法。在研發(fā)并篩選了上百種材料之后，研究者們選擇了一種經(jīng)過化學(xué)修飾的藻酸鹽凝膠。藻酸鹽已經(jīng)被證實可在人體中安全使用。當(dāng)他們在患糖尿病的小鼠體內(nèi)植入密封在藻酸鹽凝膠內(nèi)的胰島細胞后，這些細胞立刻開始根據(jù)血糖的變化生產(chǎn)胰島素，并在為期6個月的試驗中持續(xù)控制血糖水平。研究者沒有觀測到任何纖維癥的出現(xiàn)。這個團隊還在另一項研究中發(fā)現(xiàn)，抑制一種在纖維化過程中起重要作用的免疫分子（集落刺激因子I受體），可以有效抑制疤痕的產(chǎn)生。加入這種受體抑制劑將進一步提高植入細胞的存活率。

用人工智能設(shè)計化學(xué)分子

想設(shè)計新型太陽能材料、抗癌藥物或是用于農(nóng)作物的抗病毒化合物？首先，你必須解決兩個難題：找到正確的化學(xué)結(jié)構(gòu)，并確定哪些化學(xué)反應(yīng)能將合適的原子連接到所需的分子上。

如果使用傳統(tǒng)方法，以上問題的答案往往來自于復(fù)雜的猜測和意外的發(fā)現(xiàn)。這一過程非常耗時，并且需要經(jīng)歷許多次失敗的嘗試。例如，一份完整的合成計劃包含數(shù)百個獨立的步驟，其中很多步驟都會產(chǎn)生不需要的副反應(yīng)或副產(chǎn)品，或者根本不起作用。現(xiàn)在，人工智能正在提高設(shè)計和合成化學(xué)分子的效率，幫助企業(yè)在減少化學(xué)廢料的同時，更快、更容易、更經(jīng)濟地解決合成問題。在人工智能領(lǐng)域，機器學(xué)習(xí)算法可以分析所有已知的合成實驗，包括那些成功的和失敗的實驗——后者可能更加重要?；谒R別的模式，這些算法可以預(yù)測具有潛在用途的新分子結(jié)構(gòu)，以及可能的制造方法。現(xiàn)在還沒有哪種機器學(xué)習(xí)工具可以簡單到按下按鈕就能完成所有工作，但不可否認的是，人工智能技術(shù)正在藥物分子和材料設(shè)計領(lǐng)域迅速發(fā)展。

私人定制的診斷工具

在20世紀的絕大部分時間里，患乳腺癌的女性都在使用同一種治療方案?，F(xiàn)在，治療手段變得更具個性化了：乳腺癌被分為不同的亞型，每一種都有獨特的治療方法。例如，許多乳腺癌患者的腫瘤會產(chǎn)生雌激素受體，她們可以在標準術(shù)后化療的同時，配合使用專門攻擊這些受體的藥物。2018年，研究者朝著個性化治療又邁進了一步。他們發(fā)現(xiàn)很大一部分腫瘤病人其實不需要接受化療，從而避免了嚴重的副作用。

診斷工具的進步加速了個性化、精準化藥物的發(fā)展。這些技術(shù)能幫助醫(yī)生識別并量化多種生物標志物（這些分子的出現(xiàn)，往往意味著人體患有某種疾?。?，從而通過病人對疾病的敏感性、預(yù)后情況，以及對特定治療的反應(yīng)，將病人劃分成不同的亞型。

在過去的十年里，生物組學(xué)技術(shù)取得了突破性進展。新技術(shù)的使用能產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以供人工智能挖掘，從而找到用于臨床的全新生物標志物。在新時代，結(jié)合高產(chǎn)能的生物組學(xué)技術(shù)和人工智能，診斷技術(shù)將重塑我們對很多疾病的認知，改變傳統(tǒng)治療方法，讓醫(yī)生能根據(jù)病人的個人分子檔案制定治療計劃。

基因驅(qū)動技術(shù)

一項正在快速發(fā)展的基因工程技術(shù)可以永久改變一個種群甚至整個物種的特征。這項技術(shù)通過基因驅(qū)動使含有父母某種遺傳特征的子代數(shù)量異常增多，從而加速該性狀在物種中的傳播?；蝌?qū)動可以自然地發(fā)生，也可以通過基因工程技術(shù)人為控制。這項技術(shù)可以通過多種方式幫助人類：可以阻止昆蟲傳播瘧疾和其他可怕的傳染??；修改害蟲的基因，以提高糧食產(chǎn)量；賦予珊瑚抵抗環(huán)境壓力的能力；防止入侵物種破壞生態(tài)系統(tǒng)……雖然受益巨大，但研究者深刻地意識到，改變甚至消滅一個物種可能會帶來深遠的影響。為了應(yīng)對潛在的風(fēng)險，他們正在制定規(guī)則，在基因驅(qū)動技術(shù)從實驗室到野外試驗，以及走向更廣泛的應(yīng)用時，給予恰當(dāng)?shù)墓芾怼?/p>

幾十年來，研究者一直在思考如何利用基因驅(qū)動對抗疾病和其他問題。最近幾年，CRISPR基因編輯技術(shù)的應(yīng)用，讓我們能夠輕易地在染色體的特殊位點插入特定基因，極大地推動了基因驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展。

盡管前景光明，基因驅(qū)動還是引起了眾多擔(dān)憂：經(jīng)過人為改造的基因會在無意中傳播給野生物種，會干擾其生長嗎？從生態(tài)系統(tǒng)中消除現(xiàn)有的物種有什么風(fēng)險？非法組織是否會將基因驅(qū)動用作破壞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的武器？

為了避免此類極端情形的出現(xiàn)，一支研究團隊發(fā)明了一個開關(guān)：只有傳遞一種特殊的物質(zhì)，才能打開開關(guān)，從而使基因驅(qū)動起作用。與此同時，許多科學(xué)家團體正致力于擬定條款，以指導(dǎo)基因驅(qū)動試驗在各個階段的進展。

等離激元材料

2007年，加州理工學(xué)院的哈里·阿特沃特在《科學(xué)美國人》上撰文預(yù)測：“等離激元光子學(xué)”（plasmonics）技術(shù)最終會通向從高靈敏度的生物探測器到隱形斗篷的一系列應(yīng)用。10年后，多種等離子體技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化，而另一些技術(shù)正由實驗室走向市場。

在表面等離激元材料的諸多應(yīng)用中，研究得最深入的一種是用于檢測化學(xué)和生物試劑的傳感器。研究者在等離激元納米材料表面覆蓋了一種能與特定分子（比如細菌毒素）結(jié)合的物質(zhì)。正常情況下，照射在材料上的光會以特定的角度反射出來。但如果有毒素存在，表面等離激元的振動頻率會發(fā)生改變，從而改變光的反射角度。我們可以非常精確地測出這種變化，從而檢測到微量的毒素。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，研究者正在臨床試驗中測試光敏納米顆粒治療癌癥的能力。治療方法是將納米顆粒注入血液中，等它們聚集到腫瘤內(nèi)部后，用與表面等離激元振動頻率相同的光照射腫瘤，使納米顆粒通過共振產(chǎn)生熱量。這種熱量能在不傷害周圍健康組織的情況下，選擇性地殺死腫瘤細胞。

為量子計算機而生的算法

量子計算機利用量子邏輯來執(zhí)行計算，基本單位量子比特（qubit）與傳統(tǒng)比特（0或1）相似，但不同的是，量子比特可處于兩個量子態(tài)之間的疊加態(tài)：它可以同時是0和1。這種屬性以及另一種稱為糾纏的量子特性，使得量子計算機在特定問題上比任何傳統(tǒng)計算機都高效。

盡管這項技術(shù)激動人心，但其實現(xiàn)條件卻是眾所周知的苛刻。研究人員已經(jīng)確定，通過量子糾錯，可以使具有數(shù)千量子比特的量子計算機受到嚴格控制，維持在量子態(tài)。但是到目前為止，實驗室造出的量子計算機最多只包含數(shù)十個量子比特。這些被加州理工學(xué)院的約翰·普雷斯基爾稱作“嘈雜中型量子”（NISQ）計算機，都是尚未進行糾錯的。然而，隨著專門為NISQ計算機編寫算法的研究興起，這些設(shè)備在特定問題上的計算能力可能會強于傳統(tǒng)計算機。

隨著越來越多的NISQ設(shè)備向全球用戶開放，大量研究人員開始為這類設(shè)備開發(fā)、測試小規(guī)模程序，這極大地促進了該領(lǐng)域的發(fā)展。與此同時，開發(fā)不同方向的量子軟件的初創(chuàng)公司也呈百花齊放之勢。

在研究人員看來，NISQ算法在模擬和機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域具有廣闊前景。因為計算機可以從大數(shù)據(jù)或經(jīng)驗中進行學(xué)習(xí)。對一套正在迅速發(fā)展的算法所做的測試表明，量子計算機確實可以加快機器學(xué)習(xí)。