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美國《大眾科學》網站展望2014新科技

2013年12月24日09:05    來源:科技日報    手機看新聞
原標題:《大眾科學》展望2014新科技

美國《大眾科學》網站12月17日在報道中展望了那些將塑造2014年世界面貌的新想法、趨勢以及突破。

1. 激光器發射大量太空數據

1月份,美國國家航空航天局(NASA)於2009年6月成功發射的迄今為止最年輕的月球探測器——月球勘測軌道飛行器(LRO)接收了一個有歷史意義的信號傳輸:NASA利用激光器,將達·芬奇的名畫《蒙娜麗莎》傳輸到了其上,這是人類首次利用激光在星際間進行圖像數據傳輸,這一奇跡有望讓星際間的信息流動呈指數級增加。NASA專家戴維·史密斯說:“不久的將來,這種簡單的激光通訊技術,可能會成為衛星無線電通訊的補充﹔而未來有望實現比現有無線電通訊線路更高的數據傳輸速率。”

過去50年,飛離地球的太空飛行器都是利用無線電通訊,但無線電有自己的局限。首先是頻道擁擠,隨著數據容量需求的持續增加,頻率將要達到極限﹔其次,信號會隨著距離的增加而衰減,因此傳輸需要非常耗能的發電機和巨大的天線。而激光的波長非常短,因此每秒鐘可以發射出更多的波,這也意味著其能攜帶更多信息。另外,激光信號的強度並不會隨著距離而減弱,因而發射器需要的能量更少。而且,太空飛行器攜帶的設備越小,其發射成本也越低。

9月6日,NASA向月球發射了月球大氣與粉塵環境探測器(LADEE),它搭載了一個激光通信終端(LLCD),將進行距離最遙遠的深空激光通信試驗。10月份,該探測器成功地進行了另外一個測試:在三個不同的地球接收器之間發射包含有高清視頻的激光脈沖。如果一切進展順利,未來有一天宇航員將從另一顆星球上發回高清視頻,宇航員之間將能進行高帶寬通信。

在月球激光通信演示之后,NASA的下一步是構建激光通信中繼演示(LCRD)系統,其將於2017年發射﹔於今年7月25日成功發射的歐洲空間局的Alphasat衛星(有史以來技術最先進的民用通信衛星之一)也將使用激光中繼從其他觀測地球的衛星那兒獲得的數據。

如果空間激光通訊取得成功(我們也沒有理由認為其會失敗),它將改變人類探索太陽系的方式。“好奇”號火星車有望搭載更多工具並發回更多數據。高清視頻流也使科學家們能追蹤土星上的風暴。當然,更貼心的是,宇航員們能同家裡人進行視頻聊天。

2. 喚醒“羅塞塔”探測器

歐空局12月10日宣布,將在2014年1月20日,把目前處於休眠狀態的“羅塞塔(Rosetta)”號探測器喚醒,讓其朝著名為67P的彗星進發,並於2014年11月11日釋放一個著陸器,登上這顆彗星冰封的表面進行取樣分析。科學家希望借此能更好地了解彗星的組成成分以及它們在太陽系形成過程中扮演的角色。

3. 計算機解碼人腦

10月7日,迄今為止最野心勃勃的大腦研究項目在瑞士聯邦理工學院正式啟動。這個名為“人類大腦項目”的計劃獲得了歐盟提供的12億歐元的資助,250多名研究人員將朝著一個目標進發:用超級計算機完整地模擬大腦的工作原理。過去10年間,我們所獲得的與大腦有關的一切信息和知識都將用計算機來建模。最終,虛擬的神經細胞甚至會接受虛擬藥物的治療。

而美國政府主導的“基於神經科學技術創新的人腦研究(Brain Initiative)”這一計劃也將實現自己的“第一次”:繪制出一副囊括大腦所有活動的詳圖,其最終的臨床應用包括通過直接改變神經通路來診斷和治療疾病。其他將於2014年啟動的項目還包括一個為期5年、由美國賓夕法尼亞州立牽頭,有8所研究機構參與的項目:在硅內模擬視覺皮質。

盡管2014年科學家們並不能完全繪制出和模擬出整個人腦,但2014年是所有這些事情開始走上正軌的一年。

4. 控制鎮靜劑的濫用

2014年,監管機構可能會制定並啟用更加嚴苛的規則,控制包括維柯丁(Vicodin)在內的等麻醉劑和鎮靜劑的使用,從而減少由於濫用和過度服用這些藥劑所導致的死亡人數。自1999年至今,這些藥劑造成的死亡人數已經翻了4倍。

5. 機器人對決

2014年12月,幾十個研究團隊會攜帶自己研制的自主機器人,參與到美國國防部先進研究項目局(DARPA)的機器人挑戰賽中決一雄雌,在一個模擬的災難中完成各項操作。

6. 如何拆卸化學武器

2014年,美國軍方將建成名為野外展開式水解系統(FDHS)的移動淨化實驗室,這種實驗室能快速中和沙林等化學戰劑,在敘利亞這樣的國家尤其可以派上用場。

中和化學武器的具體步驟如下:首先,在實驗室的鈦箱內,用水稀釋給定數量的化學武器藥劑,然后再朝其中添加漂白劑(次氯酸鈉)和鹼液(氫氧化鈉)。接著,將裝有混合物的鈦箱加熱到讓液體剛好沸騰的狀態,並持續三個小時,屆時,漂白劑、水、鹼液會將99.9%的化學武器藥劑水解。最后,將副產品轉移到一個油罐車內並運輸到有害廢物處理廠進行處理。

7. FAA將對無人機“大開綠燈”

據美國媒體12月17日報道,美國聯邦航空管理局(FAA)表示,擬對無人機開放天空,本月將在全國挑選六個州進行試驗,並為不到55磅(包括絕大多數商用無人機)的無人機制定飛行准則,以便在2015年把無人機納入國內的航空飛行計劃中。計劃於2014年進行的飛行測試將塑造無人飛行器未來幾年甚至幾十年的形態、面貌和格局。

現在,美國已有24個州提出申請,要求在本州設立無人機飛行的試驗基地,以觀察無人機究竟能否在航空業與傳統客機共存。在美國國內發展無人機的最大障礙,是如何保証不會撞上每天在天空翱翔的7萬架有人駕駛的飛機。

北卡羅來納州立大學下一代航空運輸中心的負責人凱爾·施奈德表示,2014年,無人機的活動將達到前所未有的程度,像他目前負責的中心這樣的機構正持續不斷地為無人機系統(UAS)研究人員和FAA收集測試數據。對於農民、地產中介等人來說,這是一個好消息。而對於那些仍然害怕機器人在頭頂飛過的人來說,入侵已然發生。

8. 癌症診斷更“溫柔”

癌症治療面臨很多令人頭疼的問題,首當其沖的就是診斷。對於大多數癌症來說,活組織檢查是唯一的萬全之策,但這種方法具有侵入性,讓病人疼痛難忍,且會導致感染。科學家們正在研制的以外切體(Exosomes)為載體的診斷工具,有望使癌症診斷更簡單、更“溫柔”。

身體內的外切體是多種活細胞體內分泌的小囊泡體, 表面含有大量與其來源和功能密切相關的蛋白質和脂質成分,其會在液體(例如血液、尿液以及唾液)中來回穿梭,在細胞之間運送遺傳物質和蛋白質。美國分子診斷測試公司Exosome Diagnostics的首席執行官詹姆斯·麥卡洛表示:“我們將其稱為身體內的‘聯邦快遞系統’。”

麥卡洛的公司研發出了一種測試方法,可以捕捉這些信使並分析它們所包含的RNA,其標示的變異表明出現了惡性細胞。而關注個性化醫療的卡裡斯生命科學(Caris Life Sciences)公司則專注於在與某些腫瘤有關的外切體表面搜尋蛋白質。

這兩家公司都希望能在2014年提供首例外切體檢測。Exosome Diagnostics希望通過尿檢,提供針對前列腺癌的檢測﹔而卡裡斯生命科學公司則希望通過血液測試,提供針對前列腺癌和乳腺癌的檢測。

重要的臨床研究也在有條不紊地進行。Exosome Diagnostics公司的技術在血液中探測到了指示腦癌的變異,有18個醫學中心正在對這一方法進行評估。另外,Exosome Sciences公司也將開始早期臨床研究,使用從尿液中隔離出來的外切體來探測艾滋病病毒(HIV)、乙肝和丙肝。

外切體測試這項技術可在多個領域大展拳腳,淋巴瘤、肺結核和帕金森氏症都是診斷目標﹔這一方法也有望用於追蹤疾病的發展過程並監測治療的效果。

9. 氣候優先

美國環保局局長吉娜·麥卡錫說:“今天,我們應該將削減碳排放作為提供就業和強化經濟的方式,同時,也給生命一條生路。”

10. 名人前往太空旅游

維珍銀河公司計劃於2014年開始開展太空旅游業務,使用該公司的飛船“太空船2號”攜帶包括美國著名流行女歌手凱蒂·佩裡在內的6名付費乘客前往太空。

11. “好奇”號火星車前往夏普山

在推遲啟動任務許久之后,NASA終於在今年7月初下達命令,指揮“好奇”號火星車奔向它在火星上的主要任務地點——高約5公裡的夏普山。

夏普山位於蓋爾隕坑的中心,由層層疊疊的沉積岩組成,科學家認為,它的岩層將提供遠古火星環境隨時間推移而蘊含的信息。NASA於7月8日稱,目前“好奇”號距夏普山約8公裡,按專家們的估計,這段路程可能需要“好奇”號走上10個月到1年。

科學家們希望,“好奇”號能在2014年年中到達夏普山,這裡的粘土礦或許能讓“好奇”號看到更早、更濕潤的火星。

12. 福島核電站建造“冰牆”阻擋泄漏

8月20日,日本東京電力公司發表消息說,遭受地震損壞的福島第一核電站的一個儲存罐每天會泄漏大約300噸放射性核污水進入海洋中。為了阻止泄漏,該公司計劃於2014年在受損核電站底部創建一堵“冰牆”。

據介紹,工作人員將會在該“冰牆”下安裝大量的薄管,然后再往裡面注入零下40華氏度的冷卻劑(氯化鈣),這將使得地面100英尺下的泥土被凍結,從而可以阻止水進入到核電廠的反應堆和渦輪機中,進而防止更多的污染水泄漏到海洋並污染干淨的水源。

13. 4項研究對測序新生兒的基因組進行評估

美國辛辛那提兒童醫院醫學中心倫理中心的負責人阿曼德·安東瑪瑞亞表示:“這些研究將使我們能夠收集與這些測試的倫理、法律和社會影響有關的信息,在這些測試廣泛使用之前對其進行評估。現在,我們並不清楚病人或者提供者如何處理這些信息。”

14. 離岸風力發電成為現實

美國海角風力公司位於馬薩諸塞州的離岸風力發電廠和深海風能發電公司位於布洛克島附近的項目,都希望自己能成為美國的第一個離岸風力發電廠。這些項目也都計劃於2014年開始建造。

15. 物理學家制造出“無法破解”的密碼

今年,美國國家安全局(NASA)引發的多起監聽門事件警告我們,我們需要更加安全的數據,而量子密碼技術有望做到這一點。

量子密鑰分配是一個“無法破譯”的加密協議。在一個基於量子密鑰分配系統中,一個隨機生成的密碼被光粒子加密,並通過光纖共享,隨后,被用來加密敏感的數據。任何試圖探測這個密碼的嘗試都會改變其光子,這就暗示著,這一傳輸已經被攔截,需要新的密碼。

迄今為止,量子密鑰分配一直局限在光纖網絡﹔它也需要大型的發射器和探測器。現在,研究人員正試圖讓這些設備小型化:諾基亞公司和英國布裡斯托大學在攜手進行研究,希望創建一個足夠小的密碼系統,可以安裝在手機內﹔加拿大安大略省滑鐵盧量子計算研究所的科學家們正在研發能在全球范圍內發射加密的光子的微型衛星。

但最吸引人的技術或許來自GridCOM技術公司。為了演示首個無線設備使用的量子密鑰分配(QKD)系統,該公司計劃於今年年底,在兩部手機之間發送一個“無法破解的”信息。該公司也計劃於2014年9月份發布首個商用量子加密數據網絡。該公司的聯合創辦人鄧肯·厄爾希望其能在手機和個人電腦上使用。厄爾說:“在5年之內,這一技術將處處可見。”

16. 傳染病卷土重來

1900年,美國傳染病導致的死亡率是現在的40倍。盡管上世紀人們在對抗傳染病方面取得了巨大進展,但不幸的是,很多疾病開始死灰復燃。美國疾病預防控制中心的主任湯姆·弗裡登指出,人們的旅行和食品貿易與日俱增,通過注射疫苗來預防疾病方面做得不到位,抗體管理不當等都是原因。

美國的百日咳案例逐漸增多。另外,盡管麻疹早在2000年就已在美國銷聲匿跡,但這種疾病的傳染能力很強,當接種疫苗的人在國外受到感染並回到人口密集且很多人未接種疫苗的地區時,疫情的大規模暴發就有可能會出現。

還有淋病。隨著淋病開始對很多抗體產生免疫力,就很少有能對付它的藥物了。盡管目前美國還沒有治療失敗的案例。但最令人憂心之處在於,這個疾病的記憶力很強,停藥之后,其仍有抗藥性。

17. 16項研究將確定天然氣對氣候的影響

環保基金首席科學家斯蒂芬·漢博格說:“如果想要減少全球溫室氣體排放,我們就需要理解其來源,包括從天然氣生產過程中產生的甲烷等的性質﹔而且,還要想方設法讓泄露達到最小。如果你沒有數據,你不可能做到這兩點。”

(責編:王瓊(實習生)、馬麗)

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