互动科普

平凡至极的创意，往往正是催生惊世变革的原始动力。多年前，一位名叫史蒂夫·乔布斯的年轻发明家突发奇想，打算让那些“毫无电脑阅历，并且也不怎么想获得这种阅历的人”体验到电脑的神奇功力，由此让我们摆脱了复杂笨重的大型计算机和冗长繁琐的命令行提示，一步跨越到让人轻松愉快的苹果电脑和iPhone。他的灵感永远改变了人与技术的关系。

还有哪些看似简单，却蕴含革命性前景的构想正静静地躺在实验室，等待着破茧而出呢？《科学美国人》编辑部评选出了十项创新技术，接下来，我们将解读这些创新，看看它们如何改变世界：像人脑那样运作的计算机，像水泵一样随时加注能量的电池，由数据构成的预测机器（详见第32页）⋯⋯它们创意简单、潜能无限，本专辑就算是我们对这些金点子所表达的敬意吧。

医学

永远的健康守护神

大多数人都是直到胸痛或遇到可疑的肿块时才去就医，但当这类症状出现再采取措施往往为时已晚。为了尽早发现症状，需要连续不断地监测，而这项任务或许可交给手机承担。事实上，手机连续不断发出的数据流，由健康监视系统实时接收并加以分析，有助于在症状初现时便作出诊断，从而避免病情恶化。移动器件也可以帮助医疗卫生机构发现并处理问题，以免小病拖成大病，增加治疗费用，治愈的难度也更大。理论上，这种永远处于开机状态的警报系统可以消除体内无数危及健康的定时炸弹，将治疗慢性疾病的开支减少75%，延长患者的寿命。

手机市场上各种纯属玩弄噱头的保健类应用泛滥成灾，但少数几个优秀系统有望帮助用户控制慢性疾病或发现危险症状。美国AliveCor公司推出的手机心电监测装置iPhone ECG是一个塑料盒，背面有两个金属电极，当使用者用双手握住此装置或将它紧按在胸腔上时，电极即可记录心跳节律。这一即测即得的心电图数据可以通过无线方式发送给患者、家属及医生，提醒他们注意患者心脏节律是否异常。此装置拟于2012年初通过美国食品及药品管理局（FDA）的审批。该装置的开发者、生物医学工程师戴维·阿尔伯特（David Albert）指出：“它不仅让人们及早获得警报，同时也省去了做常规心电检查的成本。”

无独有偶，法国Withings公司也开发出一种与iPhone配套使用的血压监测装置。使用者把这个外观时尚漂亮的白色袖带戴在手上时，iPhone屏幕便会在30秒内弹出读数。如果读数异常，还会出现一个警告。美国WellDoc公司推出的糖尿病监测软件DiabetesManager已获FDA批准。病人只要将各种实时数据（例如血糖含量、碳水化合物摄入量以及服用的糖尿病药物等）输入手机，该软件便会对这些数据进行分析，并向患者推荐为保持正常血糖水平应采取的措施（比如注射胰岛素、吃某种食物等）。2011年9月公布的一项实验结果证明，使用DiabetesManager的患者，对血糖含量的长期控制状况远远好于未使用该软件的患者。

目前这些新系统基本上仍各自为战，其中许多还停留在研发阶段。但无线健康专家认为这预示着一个新时期的开端——未来的各种手机健康监测系统将会彼此配合，让用户和医生通过翔实的数据全面了解其总体健康状况。“按一下手机上的一个键并告诉它，‘我想看我的关键生理指标的实时数据’，这种即按即得的设想在技术上是可行的，”美国斯克利普斯应用科学研究所所长埃里克·托普尔（Eric Topol）宣称。

但传感技术是一大瓶颈。传统的血糖监测装置必须刺穿皮肤才能获得测量结果，而又有几个人愿意手上缠着量血压的袖带、身上贴着胶布粘牢的电极满街转呢？好在更加方便的解决方案即将浮出水面。日本科学家近来发明了可以监测血糖含量的注射式荧光纤维，而托普尔则透露，未来一代以纳米微粒为基础，并且可与智能手机互动的多种传感器能够更加可靠地监测关键生理指标，最令人心动的是，它们还可以比传统方法更早地探测出抗体等疾病标志物。例如，能够探测所谓肿瘤标志物的传感器一旦发现目标便会通过手机报警，患者便可以接受预防性化疗，以防肿瘤细胞在体内站稳脚跟。此外，手机健康监测越简便，消费者便越有可能申请开通这种功能。2010年的一项调查发现，有40%的美国人愿意支付一笔月费，让手机把血压、血糖或心率等健康指标发送给他们的医生。

无线生命科技联盟（Wireless-Life Sciences Alliance）副总裁保罗·松尼尔（Paul Sonnier）指出，手机健康监测功能一旦与基因分析整合起来，将方便我们及早解决健康问题。比如，假定某位患者携带一种使她有可能在早年患上糖尿病或癌症的基因，那么她就可以带上一种不露形迹的传感器，一旦体内出现任何异常动向，传感器即可将此消息发送到她的手机。“我们可以抢在胰腺的胰岛细胞首次遭受感染或首批癌细胞现身之前把纳米传感器嵌入体内，”托普尔说。只要手机健康监视系统能发挥出潜力，它们就可以充当人类形影不离的健康卫士，在人们浑然不觉自己已身陷危险时悄悄地保护他们。

计算

不会死机的电脑

吉姆·霍尔特（Jim Holt）是飞思卡尔半导体公司（Freescale Semiconductor）的工程师。他总是抱怨智能手机并不智能。他在手机上安装了一个可以搜索餐厅地图的应用，不过令他不爽的是，每当他结束搜索后，此应用依然在起劲地耗电并占用内存，弄得他连发条短信之类简单的事情都做不了。

霍尔特的手机凸显了当前计算系统的一个通病：系统的一部分不知道另一部分在干什么。每个程序都竭尽所能地抢占资源，而操作系统也够笨的，竟不能发现用户眼下使用的应用正受到排挤。这个问题不仅令智能手机头疼，也困扰着个人电脑和超级计算机。随着更多的电脑采用多核处理器，该问题的严重性只会有增无减。如果电脑的各部分不能学会相互沟通，彼此了解对方的可用度及需求，未来的计算技术很可能无法重现过去的辉煌。

对于这个问题，霍尔特以及他在麻省理工学院主导的研发协作组织Project Angstrom中的合作者们拿出了解决方案：研制具有“自我意识”的电脑。在一般的电脑中，软件、硬件以及把软硬件联系起来的操作系统很难搞清到底彼此在干些什么，尽管它们全都在同一台机器内运行。比方说，如果视频播放软件运行非常吃力，那么操作系统对此是一无所知的，即使观看视频的人肯定注意到画面卡死等情况出现。

去年，麻省理工学院的一个团队发布了名为“应用心律”（Application Heartbeats）的研究软件，它可以监测各种应用软件的健康状况。例如，它可以发现视频软件正以15帧/秒的低帧率而不是以30帧/秒的最优帧率播放视频，导致画面出现卡顿。

研究人员的目标是最终打造出一旦应用程序运行过慢，即可发现问题并拿出可行解决方案的操作系统。如果电脑的电池充满电，操作系统可能会为应用程序分配更多的计算能力，否则操作系统或许会要求程序使用品级较低但效率更高的指令组。操作系统会逐步从经验中学习，说不定到下一次它就能更快地解决问题了。有自我意识的电脑将能同时协调好若干比较复杂的目标，比如“运行这三个程序，但以第一个优先”以及“尽量节省电能，但以不影响我观看这部电影为前提”等。

下一步就是设计一种后继的操作系统，它能够针对实际情况灵活调节分配给每一个程序的资源。如果视频播放过慢，那么操作系统将会为它分配更多的电能。但如果视频以40帧/秒的速率播放，则电脑或许会把部分电能转拨到其他地方，因为对人眼而言，电影以40帧/秒的速率播放看起来并不比30帧/秒更佳。“与目前的行业传统做法相比，我们可节省40%电能，”麻省理工学院从事此软件研究的博士研究生亨利·霍夫曼（Henry Hofmann）说。

该项目的首席科学家阿南特·阿加沃尔（Anant Agarwal）认为，具有自我意识的系统不仅能使电脑更聪明，而且对管理未来一代更加复杂的电脑来说可能也必不可少。过去十年间，电脑工程师已经向电脑中塞进了越来越多的基本计算单元，即所谓的“核心”。现今的电脑有2~4个核心，而未来的电脑将使用数十到数千颗核心。对如此之多的核心来说，向电脑核心分配计算任务的工作不可能再像现在这样由程序员来制定。具有自我意识的系统将从程序员手中接过这一任务，在后台自动调整程序的核心使用状况。

能够调度好如此之多的核心，或许会促使计算速度飙升到一个全新水平，并有助于让我们打造出速度越来越快的计算机。“核心数目达到很大规模之后，我们就得有相应级别的、有自我意识的系统，”加利福尼亚大学洛杉矶分校的电气工程学教授约翰·比利亚塞尼奥尔（John Villasenor，他并未参与Project Angstrom项目）说，“我认为，今后几年中这一趋势将会初现端倪。”

农业

无须重新种植的作物

在农业出现之前，地球上绝大部分地方都被多年生的植物覆盖着。后来这些植物逐渐被每年都必须重新种植的粮食作物取代。现在科学家打算培育多年生的玉米和小麦等常见农作物，以扭转多年生植物每况愈下的趋势。如果他们取得成功，世界上某些最饥饿的地区的农田产量可望突飞猛进，而且这些植物说不定还会把地球大气层中过多的碳吸收掉一些。

农业生态学家杰里·格拉福尔（Jerry Glover）指出，以多年生作物取代同类的一年生作物是农业科学家几十年来追求的梦想，但让梦想成真所需要的遗传技术却直至最近10到15年间才浮出水面。与每年都必须重新种植的作物相比，多年生植物具有一系列优势。比如，它的深层根系有利于防止水土流失，可以帮助土壤保住如磷之类的重要矿物质，而且它们需要的化肥和水也少于一年生作物。传统方法种植的一年生作物是大气中碳的来源之一，而种植多年生作物的土地无须耕耘，这就使它们变成了一片可以大量吸收二氧化碳的碳池。

马拉维的农民已经在通常种植主要粮食作物玉米的田地里间作多年生木豆，从而大大提高了作物产量。木豆是温饱型农户急需的蛋白质来源，它增强了土壤的水分保持能力并使土壤的碳和氮的含量翻一番，同时又不会降低一块地上主要作物的产量。

多年生作物发展的下一阶段，就是在传统作物的种植规模的基础上引进多年生作物，但这需要大量研究工作来支持。美国康奈尔大学的植物遗传学家埃德·巴克勒（Ed Buckler）有意开发一种多年生玉米。他认为，找出与多年生特性相关的基因需要5年时间，而培育一个实用的品种还需要再用10年。格拉福尔宣称：“即使借助现有的最高端的技术，培育出多年生玉米肯定也是20年后的事情了。”

科学家一直在使用先进的基因分型技术（genotyping technology）来加速开发多年生作物。现在他们可以快速分析具备有利特性的植物的基因组，以找出基因和这些特性的联系。第一代植物结出种子后，研究人员就直接对幼苗进行测序分析，以从数以千计的幼苗中锁定保留了有利特性的少数几株幼苗，而无须等待这些幼苗过几年长成之后再进行测序。

一旦取代一年生作物的多年生品种登场，它们的普及就可能对碳排放产生极大影响。关键在于，多年生作物的根系有极强的固碳效果——它可以在每立方米表层土中封存相当于土壤质量1%的碳。英国生物技术与生物科学研究理事会会长道格拉斯·凯尔（Douglas Kell）计算出，每年只要把全球一年生作物的2%改为种植多年生作物，就能吸收足够多的碳，扭转大气中二氧化碳含量有增无减的势头。而如果将地球上所有耕地全部改种多年生作物，封存的碳可以达到全球二氧化碳总量的118ppm（百万分之118），换言之，足以把大气中温室气体的含量拉回到工业革命以前的水平。

货币

无国界货币

假设你走进一家熟食店，要了一个三层什锦三明治，扔下几张一美元的钞票，却听见收银员对你说：“很好。现在我需要您的姓名、寄付账单地址、电话号码、您母亲的婚前姓氏以及银行账号。”大多数客人听到这些要求恐怕都会感到非常纠结，但这正是现今我们在网上购买产品和服务时的付费方式。

网上并不存在像钞票那样简单方便且匿名使用的货币。因此我们转而依靠信用卡之类的“金融代理人”来进行交易，但这些代理人要按交易额榨取一笔手续费，还要弄走你的个人资料。随着“比特币”（Bitcoin）的问世，这一局面有望得到改观。比特币是一种全数字式货币，其流动性与匿名性毫不逊于现金。据比特币网的掌门人之一加文·安德里森（Gavin Andresen）说，使用比特币“就像是将钞票塞进电脑中，然后通过互联网花出去”。

比特币由比特构成，实际上也就是可以通过对等网络从一位用户传递到另一位用户的一串代码。通常说的比特流是可以复制无限多次的（但任何一种货币如果可以随意复制，那就一文不值了），所以每一比特币只能消费一次。由于具有高强度的加密保护，窃贼对比特币只能望洋兴叹，而且，因为通过对等网络进行交易，也就不需要Visa或PayPal之类的中枢管理机构了。网络把权力下放到用户手中，而不是由金融代理人来掌控交易。

比特币从人们熟知的加密程序那里借用了若干招数。软件给每位比特币用户分配了两个独一无二的代码，一个是藏在用户电脑内的私人密钥，另一个则是所有人都可以看见的公开地址。密钥和公开地址之间存在着某种数学关系，但如果想从某人的公开地址推算出其密钥，那基本上是白日做梦。如果我有50块比特币，希望把这些银币转账给我的一位朋友，那么软件将把我的密钥与我朋友的地址组合起来。其他网友可以根据我的公开地址与私人密钥来证实我的确拥有我想要花掉的那些银币，然后用密码破译算法把银币划转出去。第一台完成计算的电脑会不时得到几块比特币作为奖励，这就吸引了形形色色的用户参加进来，使这种货币体系得以维持下去。

据报道，首个使用比特币交易的商品是2010年初以10 000比特币售出的比萨饼。此后，比特币兑美元的汇率就一直如爵士乐中的音调那样不停地大起大落。由于它涨跌无常，只有极少数几个网商会接受用比特币付账。眼下比特币的用户群人数虽少，但全是些死忠分子，恰如互联网萌芽时期的网络拥趸一样。