互动科普

无论是科学家还是工程师，无不梦想着取得足以改变世界的成果，因此，他们全力以赴，为了这些成果而不懈努力。下面的几页薄纸，承载着足以改变未来的10大创新，比如可以替代DNA的人造遗传物质、可以净化水的油剂、可由血液供能的起搏器等。这些不是虚无的概念，而是已经得到确证，即将实现工业化的技术突破。这些创新中的每一项，都有着化腐朽为神奇，把不可能变为可能的巨大潜力。

无需DNA的全新生命

科学家创造出了由人造分子构成的全新生命形式。和自然生命一样，它们也能繁殖、进化。

撰文：费里斯·贾布尔（Ferris Jabr） 翻译：蒋青

DNA已经过时了。合成生物学家创造出了一大堆名为XNA的新分子，它们具备脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）的所有特点，甚至还拥有一些前两者不具备的特性。利用XNA，科学家可以在实验室里创造全新的生命形式，不需要DNA就可以存活和进化。

“没有存储和复制遗传信息的系统，生命是不可能出现的，但DNA和RNA并不是不可替代，”英国剑桥医学研究会分子生物学实验室（Medical Research Council’s Laboratory of Molecular Biology）的菲利普·霍里格（Philipp Holliger）说，“类似的聚合物——至少有6种——都可以发挥相同的功能。”他认为，地球上的动植物之所以使用DNA和RNA，不过是“生命起源之初的一次巧合”而已。

XNA意为“异种核酸”（xeno nucleic acid），它和DNA一样，也是螺旋状的阶梯结构。在DNA中，字母A、C、G、T代表的4种碱基形成梯级；磷酸基团和脱氧核糖搭成梯子两边的“扶手”，也就是“骨架”。30年来，科学家一直在改造核糖的结构，用以制造人工核糖核酸，这样就可以让它们结合到DNA上，使之成为良好的研究工具。

然而，霍里格和同事在制作XNA时，并非只对DNA骨架中的核糖进行微调。他们把脱氧核糖分子全都替换成了其他分子，比如环己烷（cyclohexane）和苏糖（threose）。还有一点也非常重要：他们还制造出了针对XNA起作用的酶——只有加上它们，才能形成一个完整的遗传系统。

这些酶能让XNA完成一项其他人造核酸都无法完成的任务：进化。在活细胞中，一种叫聚合酶的特殊酶类负责以剪切、拼合、粘贴DNA的方式存取遗传信息。如果没有这些酶的作用，DNA就像被束之高阁的百科全书一样百无一用。霍里格根据天然的聚合酶，重新设计了一种酶，用于把DNA转换成XNA，从而建立起一个存储、传递遗传信息的全新系统——这也是进化的基础。目前，一种名叫HNA（脱水己糖核酸）的XNA已经可以保存遗传密码，而且通过进化，能够越来越精准地与一种蛋白质相结合。

只要霍里格再对XNA及其聚合酶的功能做一些改善，这套分子就可以替换活细胞中的DNA和RNA。比如，研究人员可以把一个普通细菌的DNA取出，替以XNA。

此外，科学家还可以把XNA放入原生细胞（protocell），这些细胞将以无法预知的方式进化，产生全新的生命形式。尽管J·克雷格·文特尔（J. Craig Venter）之类的合成生物学家在合成基因组上取得了重要的进展，但他们并没有人真正创造出人造生命——他们的“作品”还是在按现有的进化方式进化，而不是真正按照人类的设想来进化。

霍里格强调，虽然基于XNA的人造生命才刚刚起步，但他已经发现这类生命的一大优势：如果这种生命闯入野生环境，它们会因为XNA复制所需的聚合酶不足而死亡；XNA也无法整合到自然生物体的基因组中，因为自然生物的酶识别不了它们。这样，我们就可以设计基于XNA的细菌，用来分解海上的石油残余、把废水转化为电力，却不用担心它们会干扰自然生物了。

尽管有独特性，但XNA在结构上与DNA是互补的，因此这种分子在医药、生物技术和生物学研究中非常有用。霍里格认为，XNA可以注射到人体内，用以检测某些微弱的、现有技术难以检测到的早期疾病信号。

史蒂文·本纳（Steven Benner）是美国佛罗里达州盖恩斯维尔应用分子进化基金会（Foundation for Applied Molecular Evolution）的成员，他找到了两种新的碱基——Z和P。基因的“字母表”越长，能形成的基因种数就越多，进而得到的蛋白质也越多。“我们的目不是要创造生命，而是创建在化学上可控的、能像生物体般运行的系统，”本纳说道，“我们相信，只要敢想，没什么是不可能的。”

救命的气泡微粒

即使无法呼吸，这些含有纯氧的微粒仍能在10多分钟内维持患者的生命活动，为抢救争取时间。

撰文：凯瑟琳·哈蒙（Katherine Harmon） 翻译：蒋青

无论你是因为喉咙口卡了块肉、哮喘病突然发作还是肺部出现损伤而突然窒息，只要呼吸停止几分钟，你的大脑就会停摆、心脏不再搏动，死神也会在不远处向你招手。急救人员和医护人员有一招可以应对这种情况：把呼吸管插进病人嘴里。但这招很冒险，也很费时间。

一种新型注射剂能让患者多坚持一刻钟。人们可以利用这多出的一点时间，把病人送进医院的手术室，进行手术和治疗。注射剂中含有微小的氧气泡，注射进血液后，短短数秒即被吸收。血管里有气体时，常会形成阻塞血流的气栓（air embolism），引发中风（stroke）或心脏病（heart attack），但这种新型注射剂里的气泡都非常小，不会引起血管栓塞。

为了制造这种救命的泡沫，美国波士顿儿童医院的心血管专家约翰·凯尔（John Kheir）及同事采用了现有的医学纳米技术。这种技术在一些地方已经得到应用，比如用来输送药物、具有脂质外膜的微粒，以及用于超声波成像的染色剂。凯尔的团队将磷脂注入一个充氧的容器，然后在超声波的帮助下，让磷脂和氧气形成微粒。

接着，他们借助离心机，把这些微粒“融入”注射液中。每颗微粒直径4微米，几纳米厚的脂质外膜封闭着纯净的氧气。

由于气泡中的氧气压强比血液中的高，因此只要气泡和红细胞一接触，里面的氧气就马上扩散到细胞中。气泡空了以后，脂质外膜就瘪成了一张直径不到1微米的圆片，它太小了，因此可以在人体的血液循环系统中畅通无阻。

科学家做了个实验，把兔子麻醉后阻断它们的呼吸，时间长达15分钟。兔子被分为两组，第一组注射生理盐水，第二组注射上述气泡颗粒。在两组都没有呼吸一口空气的情况下，第二组兔子发生心脏停搏、其他器官受损的几率要小得多。

美国约翰斯·霍普金斯大学的雷蒙德·科勒（Raymond Koehler）虽然没有参与这项研究，但他认为，相对于现有的急救手段，这个方法确实“极有创新性”，因为大多数急救供氧措施都需要肺部系统才能发挥作用。

不过，气泡颗粒也有一个缺陷：因为血液吸收氧气很快，所以得不停地注射，这样一来，就需要大量生理盐水来承载这些颗粒，以便让它们在血液里顺利扩散。15分钟的注射，会让病人出现水肿（edema），这种组织过分充水的状态会引发心力衰竭。凯尔的小组正在改进配方，减少生理盐水的使用量。

此外，在无法正常呼吸的情况下，身体中就会积累二氧化碳。但是，就像科勒所说的，比起完全没有氧气，多那么一点点二氧化碳，身体还是对付得了的。如果氧气微粒在后续实验中表现依然良好，那么携带气体微粒的溶液就会成为急救人员、外科医生和护士的好帮手，在实施抢救前，为他们争取到关键的几分钟。科勒说，在紧急情况下，“有个后备方案”总是好的。 

阿尔茨海默病的早期防治

300名哥伦比亚人参与的药理实验，为“防患于未然”指明了新方向。

撰文：埃米莉·莱布尔－沃伦（Emily Laber-Warren） 翻译：蒋青

阿尔茨海默病目前依然无法治愈，患者将渐渐失去自己的记忆，面对亲人也形同陌路，最后连自己是谁都不知道。科学家曾研制过100多种药物，但都以失败告终。现在，科学家将尝试一种新方法，希望把这种可怖疾病掐灭于萌芽状态。和健康人通过服用他汀类药物（statin）来降低胆固醇、预防心脏病一样，具有阿尔茨海默病风险的人，也可以通过吃药、打针来防患于未然。

科学家将会研究一种可以清除掉淀粉样蛋白（amyloid）的药品。淀粉样蛋白是一类侵入性蛋白（intrusive potein），科学家认为它就是诱发阿尔茨海默病的主要物质之一，以前只能靠尸体解剖来观察患者大脑里的淀粉样蛋白斑块。正电子发射计算机断层扫描（PET）问世以后，这种先进的成像技术可以直接扫描患者的大脑，结果表明，当这种疾病的症状开始显现时，患者大脑里的淀粉样蛋白往往已经悄无声息地积累了20多年，而那时，大脑中的损伤已经无法修复，什么灵丹妙药都无力回天了。但是，没人能肯定，这些淀粉样蛋白到底是导致阿尔茨海默病的祸首，还是只是这种疾病的产物，而最新研究也许能解开这个谜团。

如果能得到批准，研究人员会在2013年初开展一项针对300名受试者的研究。这300人都来自哥伦比亚，彼此之间具有远亲关系，他们在壮年时期就会患上极为少见，却会带来灾难性后果的阿尔茨海默病。他们到了五六十岁时，就会变得像婴儿般无助。通常情况下，要预测谁会患上阿尔茨海默病是不大可能的，但在这个大家族中，只要通过血液检测，看有没有一种单基因突变，就能预测一个人将来的命运。

艾里克·雷曼（Eric Reiman）是美国班纳·阿尔茨海默研究所（Banner Alzheimer’s Institute）的执行主任。他和同事皮埃尔·塔里奥特（Pierre Tariot），以及他们在哥伦比亚的合作者弗朗西斯科·洛佩拉（Francisco Lopera）意识到，这个深受特殊阿尔茨海默病困扰的家族，给研究早期防治手段提供了很好的机会。他们计划给100名刚刚出现症状的家族成员施用实验药物——克雷内治单克隆抗体（crenezumab），另外100名有发病苗头的人则用安慰剂。第三组不大可能患病的100人也用安慰剂。

受试者每两周会接受一次药物注射，实验持续五年。每隔几个月，他们还要接受全面体检，比如用磁共振成像追踪大脑萎缩（brain shrinkage）进程；用脊髓穿刺（spinal tap）测量指示脑细胞死亡的τ蛋白含量；对参加者进行记忆和思维测试，检查他们是否有轻微认知障碍（比如明明强记了一些单词，可隔个几分钟或几小时就忘记），因为这也是患上阿尔茨海默病的一个标志。

研究人员还将在美国招募三四十名患者，这些患者也会接受相同的治疗方法。但是，这群美国人的基因不像上述大家族那么相似，在他们体内，与早发性阿尔茨海默病有关的三个基因都有多种突变。研究人员希望从哥伦比亚的那些阿尔茨海默病患者身上弄清楚，他们用于哥伦比亚患者身上的治疗方法可不可以用在其他患者身上。

制药公司Genentech、一些慈善家和美国国立卫生研究院已经为这项研究投入了1亿美元的经费。不过，即使这种药物成功了，也难以保证它可以用于治疗更广泛的、困扰着无数老年人的那种阿尔茨海默病。研究者们希望通过实验找到阿尔茨海默病的某项指标，有了这项指标，对病症的研究、诊断和治疗都大有裨益，就像胆固醇和高血压对心血管病患者的意义一样。

这样收集来的资料意义重大，因为我们不用眼巴巴地等好几年再确定药物的疗效了，测量那些生物属性的细微变化——如大脑缩小率、τ蛋白和淀粉样蛋白含量，研究者们就能获得结果。“我们得让检测方法更快，从一系列有希望的疗法中找出能快速起效的方案，”雷曼说道。

净化水的大豆油

用来食用的大豆油现在有了新用途：净化污水和海水，而且效率高，成本低。

撰文：戴维·别洛（David Biello） 翻译：蒋青

最初，阿纳拉格·巴帕伊（Anurag Bajpayee）是想为人类细胞的深度冷冻和保存找一个更好的法子。做这类冷冻时必须小心，以防出现冻伤（frostbite），因为冻伤会形成冰晶，而冰晶能撑裂并杀死细胞。2008年，巴帕伊在美国麻省总医院（Massachusetts General Hospital）做实验时，将抗冻甘油和大豆油一起注射到细胞里，在这个实验中，大豆油可以起到提纯甘油的效果。次年，在做博士论文答辩时，当他描述了大豆油的作用后，这个本来很紧张、严肃的场合，却发生了一场不同寻常的谈话。评审老师提出，干嘛不用大豆油滤去水中的杂质呢？“这场答辩让我收获了一项专利，我想这挺少见的，”巴帕伊说。

巴帕伊很快就开发出一种简单的处理方法，用一些特殊的油来滤去水中的杂质。对城市、工厂、农业设施等污水大户来说，这个处理方法将极为有用——净水过程可能会因此变得更节能，或者成本更低，或者同时达到这两种效果。

大豆油是少数几种可用作“定向溶剂”（directional solvent）的油。它们能溶解水，却不会溶解那些水中的其他分子（比如盐）。只要加热到40℃，大豆油就可以“吸走”水分，剩下的杂质即可轻松除去。而水油混合物一经冷却，水分就会和大豆油分离——这样，我们就得到了干净的水。作为溶剂的油则没发生什么变化，还能用来净化更多的水。

大豆油为什么可以净化水？关键在于大豆油分子的碳骨架。作为一种脂肪酸，大豆油分子的大部分基团都是憎水的（这就是油不溶于水的原因），但分子一端却存在一个羧基，能与水分子形成氢键。

“大豆油可以净化水，这个事实确实让我感到吃惊，”美国德雷克赛尔大学的有机化学家简－克劳德·布拉德利（Jean-Claude Bradley）赞叹道。布拉德利觉得，这种现象早在一个世纪前就应该被发现：“在化学圈子里，我真的好长时间都没见过这么酷的东西了。”

但是，在巴帕伊的实验中，净化一杯水竟然要整整一游泳池的大豆油。因此，巴帕伊着手寻找更高效的定向溶剂。他找到了癸酸（或叫羊蜡酸，decanoic acid），这种溶剂存在于牛奶中，更容易和水分子结合在一起。这种脂肪酸能将海水转化为淡水，但在处理盐度更高的卤水时，比如矿坑废液、一般油气井及液压油气井中用剩的含矿物质积水，效果似乎才是最好的。“海水很咸，但这些污水的盐度更高，是海水的8倍，”巴帕伊说，而这样的污水，美国的油气井每天要产生90亿升。

受此激励，巴帕伊开始了新一轮的实验：用癸酸提纯采自6个美国不同地方的油气井中的卤水。目前，处理这类废水的传统技术并不多，反渗透技术（reverse osmosis）所用的特殊渗透膜容易堵塞，还容易发霉发臭；蒸馏技术要消耗大量能源；当然，用得最多的方法还是把污水倒入废水坑里。用烧杯和试管来净化水显然不切实际，巴帕伊还得想个法子，实现持续性的快速水处理。

要想让这项技术在油气钻井中得到应用，“我们必须让它比目前最便宜的方法还便宜——现在，最便宜的方法是把废水直接倒掉”但是，越来越多的组织和社区不想把废水倒掉，任其白白流失。随着研究的深入，科学家将会告诉我们，癸酸油或其他定向溶剂到底能否以低于现有手段的成本，实现污水净化和海水淡化，为水处理指出一条新的道路。

商品环保性的终极评价体系

一个通用的评价体系将能对产品的整个供应链作出可持续性评价，保证商品生产过程更环保、更高效。

撰文：亚当·皮奥尔（Adam Piore） 翻译：蒋青

一听汽水、一瓶洗发液的“可持续度”有多高？越来越多的消费者，会根据这个问题的答案来决定买还是不买。然而，要找到一个综合的评测指标，把地球上所有商品在制造过程中的各种不利影响都囊括其中，恐怕不是一件易事。“可持续指数”（sustainability indexes）评分体系，会分别对供应链（supply chain）中的不同阶段或产生的不同效应（比如产生的废弃物和排放的二氧化碳）打分，而且不同的组织和团体会使用不同的衡量标准。因此，这个评分体系的问题不是信息量太少，而是太多。

如果评判环境和社会代价的衡量标准只有一种，那么给产品打分就会简单得多——可持续发展联盟（Sustainability Consortium）就是这么想的。这个联盟的成员包括10所顶尖高校、多个大型非营利组织和80家跨国公司，它们都达成了一致，希望创立一个能涵盖整个供应链的通用指标。可持续发展联盟最近发布了一个指标体系，联盟成员将根据这些指标衡量首批100种产品，这些产品五花八门，从早餐麦片、洗涤剂到电视机都有所涉及。

沃尔玛的可持续发展部主任杰夫·莱斯（Jeff Rice）是建立通用标准的支持者，他认为，在供应链中的可持续性措施不仅能让环境变得整洁，还能降低清理垃圾所耗费的成本——比如说，垃圾少了，就没必要花大价钱把它们拖走。沃尔玛已经开始将可持续标准编制成“评分卡”（scorecard），并把这种卡片分发给旗下约400家收购商，这些收购商一直是从零售商手中进货的。总之，作为买家的大小收购商，可能会为了降低商业行为的环境效应，而对产品供应商有所动作；产品供应商的行为又会影响收购商的年度业绩总结。

同样身为联盟成员的戴尔公司已经对LCD屏幕制造商下达了指示，要求他们在生产屏幕时设法降低全氟烷烃（perfluorocarbon）这种强效温室气体的排放。联盟提供的数据“让我们可以有的放矢，”戴尔环境事务部主任斯科特·奥康奈尔（Scott O’Connell）说。

联盟认为，这个指标最终会取代其他评分体系。现在，美国的消费者走进一家杂货店后，只要掏出手机扫描洗发液瓶上的条形码，就能读取GoodGuide网站评测的可持续性分数了。但是GoodGuide的导购只是根据公开信息做出的，而联盟评分所依照的数据，比如废气、垃圾、劳动力、水资源的使用和其他敏感信息则不易得到，只有大型商业集团对供应商施压才能拿到。因为这些数据，通用指标比其他指标更全面些。像沃尔玛、百思买（BestBuy）和戴尔这类商业巨鳄每年从供应商处进货时，都手握着千亿美元的资金。“就凭这一点，可持续性也会比此前的任何理念更主流，”莱斯说道。

消费者要想自己接触到指标所依赖的数据，恐怕还得等上个三年五载。可持续发展联盟的领导者承诺，这些数据会对消费者公开，但他们还没想好怎么公开。与此同时，指标的存在可以激发创新。比如美国加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员就为联盟编撰了一部白皮书，评估了在笔记本电脑中用生物基材料代替塑料的好处。

预知疾病的产前诊断技术

当前无法察觉的千余种疾病，在未来的非侵入性检测手段下将无处遁形。

撰文：戴茜·尤哈斯（Daisy Yuhas） 翻译：蒋青

科学家最近的研究证实，只要从孕妇的身上取一点血样，就能构建起胎儿的基因组图谱。这个检测手段将给遗传筛查带来颠覆性的影响，像囊性纤维化（cystic fibrosis）、泰－萨氏病（Tay-Sachs disease，也称家族黑蒙性痴呆）和脆性X染色体综合征（fragile X syndrome，也称X染色体易损综合征）这样的单基因病，在胎儿出生前很久就能被检测出来。这样，医生就有时间开展合适的产前治疗，家人也有足够的时间来为孩子的出生做准备。

1%的人患有单基因疾病。从2011年起，医生就能根据孕妇的血检结果，得知腹中的胎儿是否有染色体异常，而这通常是唐氏综合征（Down syndrome）等疾病的标志。但对于3 500种单基因疾病来说，孕妇血检是没法发现这些疾病的。当然，外科医生也可以取出一点儿胎盘组织或羊水样品来检测单基因疾病，但这些侵入性检查可能会导致流产，这是大多数母亲不愿承担的风险。

新的非侵入性检查手段可以让孕妇在没有流产风险的情况下，以前所未有的精度认识自己的孩子。这种手段不需要训练有素的产科医生，因此，它还可以让世界上更多妇女受益。一些研究者希望，未来可以出现一种DIY胎儿检查包，让孕妇自行取样后，直接把样品送到实验室分析。

这种检查方法源自1997年的发现。当时，尚在英国牛津大学的化学病理学家卢煜明（Dennis Lo）和同事在一位怀孕女子的血清中发现了胎儿的DNA。这意味着，将母亲和胎儿的DNA分开，并用胎儿的那部分建立全基因组图谱是可行的。于是，研究人员开始寻找单倍型（haplotype，指在同一染色体上会共同遗传的多个基因的组合）。利用不同的筛选方式，可以在血清样品中鉴别出不同的单倍型，让人们知道哪些是母亲的、哪些是胎儿的。胎儿的单倍型最终可以拼合成一个基因组图谱。

这项技术说起来容易做起来难。要让它变为现实，需要最近才出现的一些先进技术。过去几年中，华盛顿大学的杰伊·申杜雷（Jay Shendure）开发出一种技术，利用父亲的唾液和母亲的血液，来测定父本和母本的基因组序列。然后，利用这两套序列，来识别母亲血清中的母本和胎儿单倍型。在这个过程中，申杜雷能够辨认出胎儿身上的随机变异，从而有助于发现一些不常见的病情。

斯坦福大学的生物工程师斯蒂芬·夸克（Stephen Quake）带领一个团队，仅仅依靠母体的血液样本，就重建了胎儿的基因组。他们首先寻找胎儿体内源于母亲的那些单倍型，这在母亲血清中可能是最多的，毕竟为母子共有。接着，夸克用母源基因标记来识别这位母亲剩下的基因组。那些没有出现在母亲基因组里的单倍型就是胎儿所独有的——要么来自父亲，要么经过变异。

总之，成果喜人，挑战尚存。很明显，降低成本和提高测序精度是当务之急。此外，还有一项更大的挑战，即怎么解读基因组。“我们检测基因变异的能力倒是比较强，但现在的问题是，我们很难把这些变异与一些病症和性状联系起来，”美国遗传顾问学会（National Society of Genetic Counselors）会长布伦达·菲纽肯（Brenda Finucane）说。许多医生认为，在弄清楚基因组信息代表的意思之前，用这种技术开展遗传筛查还为时过早。

批评者担心，这项检测手段会让堕胎变成家常便饭，因为如此一来，一些父母只要发现胎儿有疑难杂症，就会迫不及待地打掉孩子。但也有一些医生认为利大于弊，比如美国塔夫斯大学（Tufts University）的戴安娜·比安奇（Diana Bianchi）——尤其是，如果遗传筛查让产前治疗可行，从而扭转胎儿患上的恶性疾病，那就善莫大焉。

颠覆人类生活的数据挖掘技术

来自智能手机的数据是一个宝藏，对这个宝藏的发掘，将从根本上改变公共卫生、交通和人们的行为。

撰文：克里斯托弗·米姆斯（Christopher Mims） 翻译：高瑞雪

对生活事无巨细的监控，这是我们的梦想，也是我们的噩梦。但不管是梦想还是噩梦，这样的监控已经成为现实，而且正以无法想象的方式改变着我们的生活。通过手机发出的位置信息，分析公司现在可以精确地预测出，我们在一天之中的任何时刻身在何处。他们可以从电话记录中分析出谁是我们的朋友、家人、同事，我们什么时候可能得流感，还能得到主要大城市中，每个街角每时每刻的人口统计数据。

智能手机的强势渗透是造成这种数据大爆发的关键。去年，智能手机在美国的市场占有率已经超过50%。几乎所有智能手机都在默认情况下源源不断地把位置信息发送回中央服务器。而几乎没有用户会劳心费神地去关闭数据采集选项，或是根本就不知道还能关闭。科学家和商业研究人员们正在研究如何开发这巨大的数据库，数十亿个坐标，足以绘出数百万人口的移动路线。

这项“现实挖掘”技术（现实挖掘是指，通过传感器收集人们社会行为的现实信息，以获取知识，譬如从人们谈话的内容、时空位置等信息，分析其社会行为）是个典型的“大数据”难题，现在还仅仅处于初级阶段。商业出售数据开始的时间还不长，而且为保护个人隐私，手机运营商泄露给研究人员的用户信息也只是受限的匿名信息。因为担心干扰性信息会激起消费者的强烈反对，业内三巨头（也是位置服务的创始者），谷歌、苹果和波士顿的Skyhook在处理这些信息上都是小心翼翼，如履薄冰。

这项技术可以提供诸多好处，例如减少烦人的广告和遏制疾病暴发。然而对于一些意识到位置采集的消费者来说，“这是非常可怕的东西，这是普罗米修斯之火”，“现实挖掘”这个词的始创者亚历克斯·“桑迪”·彭特兰（Alex “Sandy” Pentland）说道。他和学生在2005年前后率先开展了智能手机的位置数据分析。

目前，纽约市的Skyhook和PlaceIQ公司将数据重新打包卖出时，会小心地去除单个设备的位置移动轨迹。谷歌则表示，所有的位置数据通常只会保留一周。苹果公司曾将这些数据存储在iPhone手机上，现在这个错误已经得到了纠正。但在如何集中存储和使用这些信息上，苹果仍然不太愿意透露。

如果可以解决目前限制数据使用的隐私问题，现实挖掘在我们的日常生活中将会变得必不可少，更不用提它对企业和政府的巨大益处了。例如，救援机构可以发送消息给在海地工作的手机用户，因为位置历史记录表明，他们可能已经暴露在霍乱中了。

要让现实挖掘真正腾飞，消费者需要对数据使用给予更多的授权。这也是彭特兰推动消费者隐私权讨论的原因之一。在这些讨论的影响下，美国出现了消费者隐私权法提案，欧盟更新了数据保护条例。如果用户觉得他们可以控制自己的数据，那么他们就更有可能允许企业、政府或个人为提供服务而进行选择性访问。“这些数据的应用将会遍及社会每个领域，”Skyhook公司首席执行官泰德·摩根（Ted Morgan）说：“会从根本上改变你对人类行为的看法。”

由此一来，对消费者行为的见解将会更为深入。例如，研究人员已经发现，坐在电影院等待电影开场时，星期天早晨待在家里时，以及钓鱼者等待鱼儿上钩时（PlaceIQ猜测人们在钓鱼是因为坐标在湖中间，而且又正巧符合相应人口的统计特点），人们最有可能点击智能手机上的广告。因此，这些时段的广告是最贵的。

彭特兰认为，一旦有足够的数据，现实挖掘将会让公共卫生、交通和电网变得更好，而这仅仅是个开始。“我喜欢这个概念——社会的神经系统，”彭特兰说，“最终，人类作为一个整体将可以感知到自身在做些什么。”

无需外部供能的心脏起搏器

不久后，起搏器等植入性医疗设备无须外部能源，只需血液里的葡萄糖就可顺利发挥功能。

撰文：玛丽莎·费森登（Marissa Fessenden） 翻译：高瑞雪

未来的心脏起搏器、胰岛素泵及其他医疗器械可能不再需要电池，而是使用和我们自身相同的能量来源：糖类。早在20世纪60年代，研究人员就曾梦想着开发出葡萄糖供能的植入性医疗器械。然而，20世纪70年代末，锂离子电池出现了，为植入性仪器提供了一个更为简单、更加强大的发展方向。只是电池一直存在重大缺陷，即必须用手术更换。对于心脏起搏器来说，每5～15年就要更换一次。而可充电电池需要用一根导线穿透皮肤，连接体外的电子装置，这使得人体易受感染。

于是，血液和组织液中大量存在的葡萄糖再次吸引了研究人员的目光，这也得益于若干项研究进展的推动。例如，植入性仪器的电路变得更加高效，降低了能量需求。葡萄糖生物燃料电池也变得更加高效，更加适用于人体。

在大多数生物燃料电池中，位于阳极的酶从葡萄糖分子中“剥离”出电子，电子向阴极流动，就产生了电流。电子在阴极和氧发生反应，最终形成少量的水。不同于普通电池，燃料电池需要不间断地浸泡在燃料中，而这一点对血液或组织液来说根本不是问题。

2003年，美国得克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员制造出了一种微小的生物燃料电池，可以从一粒葡萄中产生电能。从那之后，振奋人心的事件就接踵而来。现在又有几个团队展示过实物装置。以前的模型要求酸性环境，无法在人体内找到。法国约瑟夫·傅立叶大学的研究人员用石墨基底来装载生物相容性酶，从而使生物燃料电池的化学性质更加温和。他们研究出的燃料电池呈圆盘形，直径八九毫米，厚度略薄一些，用透析袋材料包裹。这种材料允许小分子的葡萄糖进入，又能防止酶渗透出去。在2010年的小鼠实验中，这种电池利用组织液中的葡萄糖，产生了1.8微瓦的稳定电流输出，并持续工作了11天。

2012年，美国麻省理工学院的研究人员在商业化的方向上又迈进了一步。工程师拉胡尔·萨皮西卡（Rahul Sarpeshkar）制造了一块燃料电池，就像是硅芯片上的集成电路，使用“像半导体一样易于大规模生产的工艺流程”。他的团队希望用脑脊液来驱动脑机接口（brain-machine interface）。脑脊液为大脑和脊髓提供缓冲保护，其中含有大量的葡萄糖，却几乎没有排斥植入物的免疫细胞。

萨皮西卡精心制作了铂电极。德国弗莱堡大学的化学工程师斯文·卡赞玛奇（Sven Kerzenmacher）指出，铂不刺激组织，也不会被腐蚀。在他自己的设计中，也使用了这种材料。不过，身体仍会对这样的外来物产生排斥反应。卡赞玛奇认为，生物相容性是最大的难关。他的燃料电池雏形在缓冲溶液里工作正常，但血液或血清内的氨基酸却会让电池失去动力。

虽然美国克拉克森大学的研究小组已经在一只蜗牛体内植入了生物燃料电池，但是到目前为止，法国约瑟夫·傅立叶大学的研究小组仍然是唯一一个成功在脊椎动物体内植入葡萄糖燃料电池的研究团队。麻省理工学院的设计还只限于在化学性质接近体液的缓冲溶液中进行测试，尚未开始脑脊液实验。尽管如此，萨皮西卡仍然乐观地认为，生物燃料电池可以在10年内进入市场。他的硅质电池每平方厘米能够产生3.4微瓦的功率。当前，心脏起搏器需要8～10微瓦，这是可以达到的，但人工耳蜗需要几毫瓦，人工器官需要的功率更不止于此。

糖类供电的植入仪器不断发展，展现了医疗仪器微小化的无限可能。也许有一天，葡萄糖驱动的纳米机器人和靶向药物会从科学幻想变成现实。

即将商业化的无人机

小型无人机即将商用。很快，科研、军事乃至我们的生活，都将发生根本性变化。

撰文：约翰·凯里（John Carey） 翻译：蒋青

空中监测已经大大改变了科学研究和人们行军打仗的方式，如果投入商用，则必定会从根本上改变我们的生活。

这样的未来引人入胜却又令人不安。一些科学家，比如瑞士苏黎世联邦理工学院的柯连平（Lian Pin Koh，音译）和英国利物浦约翰·摩尔斯大学的赛格·韦奇（Serge Wich）正在将空中监测的商用化变为现实。柯连平和韦奇在苏门答腊徒步追踪猩猩，在耗时两年半、耗资25万美元后，终于想出了一个更快捷、更廉价的方法。他们买了一架电池驱动的飞机模型，为它配备了比较便宜的开源型自动驾驶器（open-source autopilot）和高分辨率摄像头。于是，只花了不到2 000美元，一架环保型的无人侦察机就问世了：翼展1.4米，用GPS导航，沿预定路线飞行。无人机带回了大量有关猩猩聚集地和森林砍伐的详细图片和资料，“把这些现成的东西组装一下真的很简单，我们到现在都觉得惊讶，”柯连平说。

2012年的“首飞”太成功了，以至于其他环保学者也嚷嚷着要有属于自己的飞机。因此，柯连平和韦奇与一家刚起步的瑞士公司合作，目前他们已经制造了20多架无人机。

军队已经开始使用无人侦察机执行任务了，像“捕食者”（Predator）这样的大型机可以用来抗击敌人，而小型飞机及小型直升机则可以侦察路线、从旁护航、发现埋伏。美国军官还用无人机来搜查美国和墨西哥边境上的不法活动。然而，非军方人士对无人机的兴趣也越来越大，他们定制无人飞机，用来发现污染源、监测石油井架、为电影拍摄漂亮的图片、制作房地产名录。马修·怀特（Matthew Waite）曾是一名记者，目前是美国内布拉斯加大学林肯分校的教授，他正在研究无人机在新闻业上的作用，“无人机将会改变世界，它的影响将极为深远”。

这项革命正因技术的快速进步而风起云涌。有了功能强大的智能手机芯片和开源硬件平台（比如Arduino），DIY爱好者和像DIY Drones这样的组织就能自己拼装出廉价却精密的自动驾驶机，这样就能把依靠电波导航的飞机转变成全自动无人值守装置。为军队制造无人机的公司也做了变通，让产品为警察和政府机关服务。美国内政部已经从飞行先驱AeroVironment公司手上购得60架“大乌鸦”（Raven）无人机，这种无人机每架不过2.2千克，可以执行多种任务，比如观察栖息的沙丘鹤（sandhill crane）、测量溪水温度和沉积物流动等。无人机的功用在未来还将层层翻新：小型无人机装上精密的摄像头和传感器后，能够提醒人们为干渴的作物浇水、标示石油的泄漏范围、报告道路是否拥堵。“无人机的作用很大，我们现在做的，只是冰山一角罢了，”美国地质调查局国家无人飞行器系统工程办公室的负责人麦克·哈特（Mike Hutt）说。

但是，要想看到整座“冰山”，恐怕还得等上几年，因为美国联邦飞行管理局（Federal Aviation Administration，简称FAA）禁止无人机作商业用途。目前的天空中已经很拥挤了，如果再添上几千架飞机，他们担心会引起混乱、导致空难。FAA一般允许飞行爱好者、政府机构和研究人员在限高几十米的情况下使用飞行器。但是，根据奥巴马总统在2012年2月签署的《2012年FAA现代化与改革法案》，FAA却被要求拟定相应的条例，让更多民间用途合法化。目前，FAA正与有关公司开展一项关键技术的攻关，即让无人机察觉并避开其他飞行器的系统。民用条例的最终版有望在2015年面世，届时，民用无人机应用的大门将敞开，民用技术也会如春汛般汹涌。

怀特认为，在应用大爆发之前，当下这个小小停顿其实是有益处的。“无人机招来了安全、伦理、法律、隐私等一大堆问题，但现在倒是有了一个少有的机会，让我们能在使用这项技术前好好考虑该怎么用它”。

贴在皮肤上的健康监测器

科学家会制造出柔软而又超薄的传感器，可以贴在皮肤上，夹在衣服里，随时随地监测我们的身体状况。

撰文：克里斯托弗·米姆斯（Christopher Mims） 翻译：蒋青

工程师已经能将电路安装在可以弯折的塑料上了，不过在不久的将来，电路和电器元件将会安装到更柔软的材料上：它们会像纹身一样紧贴在我们身上，监测各项重要的生命指标。把这些电路织进衣服里，可以为我们的智能手机充电；插进食物包装袋，可以提醒我们食物是否有害。

约翰·罗杰斯（John Rogers）是美国伊利诺伊大学厄巴纳－香槟分校的材料学家。他没有只顾着找柔软的导电材料，而是设法让普通的硅电路弯折自如。他和mc10公司（地处美国马萨诸塞州剑桥市）的工程师们运用成熟的制作工艺，把毫米级厚度的硅质微芯片打磨到10～20微米薄。他们还打造出可以弯曲、折叠甚至拉伸至本身长度两倍的、极细的导线，把超薄微芯片串联起来，并与传统的输入、输出端口相连。

对于上述结构，凯文·道林（Kevin Dowling，mc10公司主管研发的副总裁）做了很好的比喻：微芯片就像锚定不动的岛屿，而连接芯片的导线，就像岛屿间可伸缩、弯折的海洋。“拿弹簧来说，用来制作弹簧的钢材其实并没有多大的拉伸性，但做出弹簧后，即使伸展到原来长度的四五十倍，也不会超过钢材的拉伸极限。利用相同的原理，我们也可以制造出金属或硅质的”。

罗杰斯是mc10公司的创始人之一，他的实验室就是该公司实际上的研发部门。他说在未来的5～10年内，厚度不超过创可贴的可弯折电路就会现身。这些电器元件可以监测携带者的身体状况，并把监测结果无线传输出去。目前，mc10公司已经和锐步公司（Reebok）签约，制造可放于衣服中的健康监测器。公司还和美国陆军达成协议，开发一种易弯折的太阳能电池，可以附着在士兵的衣服和背包上。2012年4月，美国运动汽车竞赛协会（NASCAR）的车手保利·哈拉卡（Paulie Harraka）在赛车中试用了一种全透明的皮肤贴，可以监测哈拉卡的身体是否缺水，因为在比赛中，车手通常会在车里闷上数小时。

创口贴那样的传感器能粘在人身上达一星期之久，就像一枚生物邮票，或是一块医学纹身，起到监测心率和出汗情况的作用。电路薄而透明，粘在皮肤上有如小小的水晶贴纸。

也许有一天，这种电路会植入心脏或大脑里。罗杰斯设想，用带有传感功能的人造外鞘包裹心率不齐患者的心脏，从而监测患者心脏搏动的节律，并矫正到正常水平。这样的外鞘可以向心脏的任何位置施以各种形式的电刺激，因此在调整心脏节律时，能比心脏起搏器做得更精妙。罗杰斯还想研制“人造皮肤，将它敷在烧伤部位，提供人造血管系统，同时释放药物和施加其他刺激，以增进伤口愈合”。

如果mc10的技术得到推广，那么以后的产品都将是一卷贴纸，每张贴纸就是一个传感器。人们只要在房间里粘块小贴纸，窃听器就装好了。应力、振动、电场——任何硅芯片可以测量的物理量，都可以被这些轻薄的传感器捕捉到。它们会贴在皮肤上或夹在衣服里，微弱的电磁场就可以为它们供能，维持其运作并将监测报告反馈到主人的智能手机上。

mc10的技术要得到大规模应用，还得依靠生产商们在制造工艺上的不断创新。与其他革命性的电子产品一样——想想LED吧，从家用灯泡到杂货店的彩灯，如今它已无所不在，纹身电路的未来，最终也取决于生产商如何以最后的方式运用这项基本技术。