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  • 美国《技术评论》评选出2008年十大新兴技术(中)
  • 作者: 来源: 时间:2009-9-5 17:47:19 阅读次 【
  •     每年,美国《技术评论》杂志都会公布本年度10大新兴技术,并预计这些技术将在未来几年对我们的生活和社会产生重大影响。2008年评选出的这些即将走出实验室、迈向实践的10大新兴技术涵盖了能源、计算机硬件和软件以及生物成像等领域。其中纤维素酶和原子磁力计2项技术是顶尖科学家正在着力解决的关键问题,“异常”建模、神经连接学、概率芯片、现实挖掘和离线网络应用5项技术代表了观察问题的全新方式,石墨晶体管、纳米收音机和无线电源3项技术是已经创造的了不起的工程壮举。
      微型磁场传感器将把磁共振成像仪带到它从未去过的地方。人物:约翰坊妫拦冶曜加爰际跹芯克ㄒ澹合嗟庇谝幻琢4笮〉奈⑿驮哟帕浦恍韬苌俚牡缌Γ苑浅H醯拇懦∫埠芰槊簟?
      影响:微型、廉宜的磁力计,将导致便携式磁共振成像仪的出现,得以检测掩埋的炸药装置及遥测矿藏。背景:传感器小型化将在未来10年得到更广泛的应用。
      5原子磁力计
      从人体到埋藏在地雷中的金属,磁场无处不在。甚至像蛋白质这样的分子也能产生它们自己独特的磁场。磁共振成像仪能产生惊人详细的身体图像,核磁共振光谱仪则依靠磁信息来研究蛋白质和诸如石油这样的其他化合物。但是,目前用以检测这些微弱但重要的磁场的传感器都有不足之处。有些虽然可便携也廉价,但不是很灵敏;另外一些虽然有很高的灵敏度,但是固定式的,价格昂贵且非常耗能。
      美国国家标准与技术研究所物理学家约翰坊婵⒊龅奈⑿偷凸β蚀糯衅鳎负蹙哂泻湍切┌汗蟮拇蠹一镆谎母吡槊舳取U庵置琢4笮〉拇衅骶徒凶鲈哟帕啤;嫦M怯幸惶炷鼙荒扇氪颖阈酱殴舱癯上褚堑侥芨旄阋说靥讲馕幢ǖ乃刑讲馍璞钢小?
      这个微型传感器包括三个重要组成部分,它们垂直堆栈在硅片上,其中,在一个红外激光器和一个红外线图像探测器之间,夹着一个充满蒸汽铯原子的玻璃硅立方体。在缺乏磁场时,激光径直通过铯原子,但当出现磁场,哪怕是非常微弱的磁场时,通过原子的路线就会发生变化,它们会自行吸收与磁场强度成比例的光量,这一变化会被光电探测器检取。基擎称这是一个带有超强灵敏度的简单配置。
      原子磁力计已经存在大约50年时间了,大多数都有一个大而灵敏的蒸汽室,这个苏打罐大小的蒸汽室是利用玻璃吹制技术制成的。最灵敏的磁力计可探测1个飞母托特斯拉(femtotesla)级别的磁场。基擎的创新在于将蒸汽室体积缩小到了只有几个立方毫米,在减少耗电的同时仍保持性能可比。
      基擎和5名物理学家合作,利用微机械加工技术制作出了蒸汽室。首先,他们利用光刻和化学蚀刻结合法,在一块硅片上冲压出3毫米跨度的方孔。然后,他们再将硅片与一片玻璃紧紧夹住,施以高热和电压创造出一个焊接点,把方孔变成一个带有玻璃底的无顶盒。
      在真空室中,他们用一个微型玻璃注射器将盒子充满蒸汽铯原子,接着使用另一片玻璃施以高热后将盒子封装起来。这个操作步骤一定要在真空条件下进行,因为铯能与水和氧发生剧烈反应。然后,他们将完成的蒸汽室和红外激光器及光电探测器一起装在硅片上。给蒸汽室顶部和底部的导电薄膜通上电流发出热量,就可以保持铯原子的蒸发。
      目前,基擎能在实验室中一次制造出几个磁力计,但他已经设想出了可批量生产的方法。在不同单硅片上同时刻出不同部件的多个副本,然后将它们层叠起来,这些堆栈就可以切分成多个磁力计。
      使用这种廉价的方式,这些低功耗的传感器就可以被设置成便携式的由电池供电的成像阵列。这些阵列可轻易地映射出磁场的强度和范围,一个阵列中的传感器越多,它提供的物体位置及形状的信息就越多。如果士兵使用这样的阵列,就可更加快捷和方便地发现未爆炸弹和简易爆炸装置。
      这种微型传感器也许还能彻底改变磁共振成像和核磁共振技术,而这两种技术都基于需要配备具有昂贵冷却系统的笨重且同样昂贵的强磁体。因为基擎的传感器能探测非常微弱的磁场,纳入这些传感器的磁共振成像仪和核磁共振仪使用非常弱的磁体就可得到很好的图像,因此也就可以造的更小、更便宜。
      这样,磁共振成像就能得到更广泛的应用。医生可以用它来检查病人体内不能暴露在强磁场下的心脏起搏器或其他金属植入物,便携式系统甚至能被开发用于救护车或战场上。核磁共振仪也能走出实验室进入旷野,帮助石油和矿业公司评估诱人的地下矿藏。
      基擎最近的研究表明,这种传感器可测量由水产生的核磁共振信号。他称,在该装置能解决多种化学物质发出的微弱信号,比如区分出水样中各种可能污染物之前,尚有大量的工作要做。
       利用浏览器和桌面应用程序两者的优势,计算机应用将会变得更强大。人物:凯文妨制妫珹dobe系统公司
      定义:离线Web应用是利用HTML和Flash等网络技术开发出来的,它能将用户电脑及互联网上的资源充分利用起来。
      影响:开发商可以快速且廉价地建立完全成熟的桌面应用程序,这样的应用程序可用于各种设备和操作系统。
      背景:Adobe公司将在今年年初推出AIR软件,eBay、AOL和Anthropologie等公司已利用该软件的早期版本开发了应用程序。Google公司则推出了一个竞争平台Gear。
      6 离线Web应用程序
      基于网络的计算机程序,无论用户身在何处或是运行什么操作系统,不像它们的桌面对应程序那样永远保持最新状态并能即刻使用。Adobe系统软件公司首席软件设计师凯文妨制嫒衔饩褪俏裁丛萍扑恪哉饷闯坪簦且蛭婕暗娜砑挥诨チ摹霸贫恕薄丫谌嗣侨绾问导士⑷砑弦鹆顺毕愕谋浠5窃萍扑阋灿腥钡悖旱变榔鞔翱诠乇帐保没Ь头牌私荽娲⒃谒亲约旱挠才躺稀⒃谟τ贸绦蚣渫戏畔钅恳约敖邮赵蓟崽嵝淹ㄖ哪芰Α?
      因此,当许多公司将用户匆匆送往云端的时候,林奇研究团队却已经在规划回程了。利用他们正在开发的AIR(Adobe集成运行时)系统,程序员就可以利用网络技术,开发出用户在线或离线时都能运行的桌面应用程序。
      该项目根植于林奇对从桌面转向网络带来的优势及局限性的认识。他所设想的混合应用,将使用户同时利用起互联网和他们自己机器的能力。林奇研究团队从2002年起就利用此概念开始工作,去年6月,他们发布了AIR的测试版本。
      AIR是一个“运行时环境”,一个允许同一程序运行在不同操作系统和硬件环境的额外软件层。Java则是另一个例子。利用AIR,开发人员可以使用像HTML和Flash这样的网络技术编写桌面软件。用户不用寻找到AIR就可享用它的好处,当用户想要首次使用AIR应用程序时,将会提示用户下载它。
      Adobe团队将系统基于HTML和Flash有几个原因。第一,它使得桌面应用更容易地与网络应用交换内容,比方说,来自网站的信息能被直接拉入一个AIR应用中,其格式不会有丝毫损失。第二,它也能简化开发,促进更广范围的应用。程序员可很容易地改造现有的Web应用程序运行于桌面。以同样的方式,基于网络的应用一旦建成,将能运行于带有浏览器的任何设备;一个基于AIR的应用程序也能运行于安装了AIR的任何一台机器。Adobe公司目前可提供Windows和Macintosh版本,并正在开发Linux和移动设备版本。
      Adobe公司正携手合作伙伴展示AIR的性能。例如,流行拍卖网站eBay已经发布了基于AIR测试版本的应用———易趣桌面,该设计旨在提高客户的招标体验,这一应用本身就能检索和显示有关易趣拍卖的内容而不依赖浏览器。它还能充分利用用户电脑的处理能力,提供比网站更强大的搜索工具。例如,它可以为相关关键词扫描搜索结果,这个过程在桌面上工作得更好,因为应用程序可以存储和快速访问用户电脑上大量相关资料。当有人对用户出价表示成交时,该程序还能通过桌面铃声通知用户。正是AIR,使得该公司能构建出一个个性化的用户界面,而不用受到由浏览器设计强加的限制及控制。
      林奇称,AIR是对网络演化成为更具互动性的媒体作出的响应,浏览器是为网页创制的,同时开发人员已在延伸它的用途,我们需要一个对人们今天使用的网络软件来说更为适合的界面,AIR将能达成这一点。
      这种新形式的碳可能会导致更为快速、紧凑计算机处理器的问世。人物:沃尔特泛诙糁窝抢砉ぱг?
      定义:石墨是只有一个原子厚的碳材料,基于石墨的晶体管可能具有不同寻常的电特性。
      影响:首先将应用于超高速通信芯片,随后是计算机处理器。背景:一些学术研究者和多家电子公司正在研究以石墨为基础的电子产品。
      7 石墨晶体管
      过去几十年间,计算机的运行速度显著提高,目前可能正在接近终点,其部分原因应归于硅材料的应用正在接近物理极限。但2007年12月在美国华盛顿特区的一个会议室里,佐治亚理工学院物理学教授沃尔特泛诙ǜ媪怂淖钚卵芯抗ぷ鳎谌菔枪璧纳衿嫣娲房扇冒氲继宀档姆⒄箍斓枚唷U庵稚衿嫣娲牧暇褪鞘恢挚稍谄胀ㄇΡ市纠镎业降目此破椒驳奈镏省?
      石墨是碳的一种形式,只有一个原子厚,理论模型先前曾预测,由石墨制成的晶体管速度要比今天的硅晶体管快100多倍。黑尔报告称,可将数百个石墨晶体管的阵列制作在单个芯片上。虽然晶体管性能仍远未达到这种物质的终极前景,但安装在麻省理工学院林肯实验室的这种晶体管阵列提供的有力证据表明,石墨可为下一代电子产品实际所用。
      今天的硅基计算机处理器,在没有过热的情况下,每秒只能执行一定次数的运算,而石墨中电子的流动几乎没有阻力,且产生很少的热量。更重要的是,石墨本身就是一个很好的热导体,允许热量快速散失。由于这些因素及其他因素,以石墨为基础的电子产品可以在更高的速度下运行。黑尔表示,硅的速度有极限,你只能跑这么远,不可能再增加它的速度了。目前硅停留在吉赫(千兆赫兹)范围内,但是利用石墨将能达到太赫级(吉赫的1000倍)。
      除了让计算机速度更快,石墨电子产品还可用于超高速晶体管的通信和成像技术领域。事实上,石墨有可能在高频技术得到广泛应用,如在探测隐藏武器的太赫波成像上找到了它的第一次应用。当然,速度并不是石墨的唯一优势。在不丧失电子特性的情况下,硅不能刻成小于10纳米的片,而石墨即使被切割成小于1个纳米的碎片,其基本物理特性也保持不变,在某些方面它的电子性能实际上还有所改善。
      对石墨的兴趣是由用碳纳米管取代硅的研究所引发出来的。碳纳米管本质上就是很多石墨层卷成的圆筒,具有超高性能电子产品所需的极佳电子特性。但碳纳米管都必须仔细分类和定位以制作复杂的电路,能做到这一点的好方法还没有开发出来,而用石墨就要容易得多。
      事实上,黑尔去年12月宣布的刻入石墨的设备,使用的技术非常类似于今天用来制造硅芯片的技术。黑尔认为,这就是为什么业界正密切关注他们工作的原因。
      石墨一直未被看成是一种有前途的电子材料,因为它并不天然呈现出计算所需要的开关行为特征。像硅这样的半导体可以一种状态传导电子,但它们也可转换到一种非常低的导电率状态,这时它们基本上关闭了。相比之下,石墨的导电率可略加改变,但它并不能关闭。这对于某些应用,如成像和通信用的高频晶体管来说也许是无关紧要的,但这种晶体管用于计算机处理器时就显得过于低效。
      2001年,黑尔所做的一个计算机模型显示,如果石墨可以形成很狭窄的带,它就能开始表现得像一个半导体。但在实践中,黑尔一直未能制作出具有预期行为的足够窄的石墨带。但另外两种方法已经显示出类似的前景:经化学改性的石墨,或把一层石墨放在某些其他衬底顶部。在华盛顿的那次报告会上,黑尔描述了经过氧气改性的石墨带如何诱导出半导体性能。黑尔相信,将这些不同技术结合起来,它可以产生用于计算机处理器的晶体管所需的开关行为。
      同时,石墨电子产品的前景已引起半导体产业的关注。惠普、IBM和英特尔等公司纷纷开始调查石墨在未来产品中的用途。
       研究人员希望用那些能说明神经回路复杂网络的新技术,来阐明大脑发育以及疾病产生的机理。
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      影响:正在建立的联线图,将使人们更好地了解诸如自闭症和精神分裂症这样的疾病,以及导致人们对学习和其他认知功能的新洞察。
      背景:成像技术、分子生物学以及计算技术的融合发展,使人们有可能描画出这些复杂的联线图。
      8 神经联接学
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      这幅图案就是刚刚兴起的“联接学”领域的一个成果,它试图描画出在神经系统中负责收集、处理和存贮信息的纠结在一起的神经回路图。这样的一个图最终将能揭秘大脑的早期发育或诸如自闭症和精神分裂症等可能与错误联线相关的疾病。研究人员表示,大脑基本上就像一台在发展过程中能自己布线,也能自己重新布线的电脑。如果我们拥有了大脑的联线图,就能帮助我们了解它是怎样运行的。
      虽然数十年来研究人员一直都在研究神经联接,但现有的工具并不能提供揭示大脑如何运转的解决办法。尤其是,科学家还没有能够获得一份大脑中亿万个神经细胞或是它们之间相互联接的详图。
      里奇曼研究团队开发的技术,可将神经细胞染色为近100种颜色,从而让科学家一看就知每个轴突的去向。理解这些布线,就能揭示出信息如何在不同的大脑区域间进行处理和转移。
      为了创建丰富的调色板,研究人员对携带有3个蛋白质的多个基因副本的老鼠进行基因改造,这3个蛋白质带有不同颜色的荧光标志———黄色、红色或青色。该老鼠还携带有DNA编码的一种酶,这种酶能随机重组这些基因,以使个别神经细胞产生荧光蛋白的任意组合,从而形成一个彩虹图,研究人员将之称为“脑虹”。然后,研究人员使用荧光显微镜来显现这些细胞。
      “脑虹”技术是一个令人难以置信的强大工具,就观察神经联接而言,它开启了一扇巨大的机遇之门。
      研究人员希望借此研究多个神经回路,更好地发现这些神经系统的联线是怎样发生差错的。里奇曼表示,有这样一类神经系统失序的疾病,人们一直怀疑与神经细胞间的联接缺陷有关,但苦于没有这样一个实用工具来追踪这些联接。现在,有了“脑虹”技术,也许就能观察到患有自闭症或精神疾病的动物模型中的这些联接。
      到目前为止的实验中,里奇曼研究团队利用这项技术,追踪了一小片负责控制平衡和运动的小脑中的所有这些联接。其他科学家也已经对使用该技术来研究视网膜、大脑皮层、嗅球以及非神经细胞类型内的神经联接表现出了兴趣。
      构建哪怕是一小块大脑的神经网络图,也将是一项巨大的挑战,因为大脑中包含有大约1000亿个神经细胞和数以万亿计的突触。科学家需要找到方法来储存、注释和挖掘他们所创建的数据,以及把这些联接信息和神经回路中关于神经元的分子及生理特性的发现融合在一起。但现在,他们至少已经拥有了这样一个关键的工具来构建大脑的神经联接图。
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