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《麻省理工科技評論》2020年“全球十大突破性技術”



今天,《麻省理工科技評論》一年一度的“十大突破性技術”(TR10)榜單如期而至。自 2001
年起,《麻省理工科技評論》每年都會評選出當年的“十大突破性技術”,這份在全球科技領域舉足輕重的榜單曾精準預測了腦機接口、智能手錶、癌症基因療法、深度學習等諸多熱門技術的崛起。

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當然,與其說是“預測”,不如說是《麻省理工科技評論》站在全球科技最前沿,目睹了科技創新的百年變遷後的一種沉澱,是對科研邁向產業的可行性分析,是對技術商業化及影響力的研判。

和往年一樣,這份充滿未來感的榜單嘗試在每一年的年初定義接下來最值得關注的10 個技術方向,但編輯部每年都在嘗試為這份極具影響力的年度策劃創造更多新鮮感。例如,在去年,我們就請到比爾 · 蓋茨(Bill Gates)先生作為客座評選人,全程參與評選工作。

那麼今年,站在新十年和舊十年的接力點,《麻省理工科技評論》這份榜單又會出現怎樣的驚喜?

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回望 2013 年的十大突破性技術榜單,由於人工智能的加速發展,我們將 “深度學習” 列入了當年的突破性技術,並準確給出了 3-5 年的爆發期。

2010 年,我們提名了帶有 3D 全息顯示的手機、可以將空氣中的二氧化碳直接轉化為柴油的微生物、可以在人體裡降解的電子植入物,以及“社交電視” (現在它叫 Twitter) 。

2009 年,在蘋果收購 Siri 之前,我們就將它列為了突破性技術。當時 Siri 宣稱,它將不僅僅是一個語音激活的搜索引擎,而且是一個可以為用戶預訂餐廳或航班的搜索引擎。

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圖 | 《麻省理工科技評論》主編 Gideon Lichfield

說實話,如果我們真的能精準預測哪些新技術會取得成功,我們不會將其公開,而是會建立基金去投資它們。這是風險投資家每天都在做的事情,而且成功者寥寥無幾。但是,作為一個未來學家,未來主義的意義不在於猜測未來,而是為了挑戰人們現有想像,這樣未來到來時,我們才不會措手不及。

所以在 2020 年(大家都喜歡整數年份),我們決定,擴充今年的年度十大突破性技術排行榜內容。我們將近距離關注這些科學技術,並收集了一些其他人對 2030 年的預測。

例如,摩爾定律是現代最可靠的預測,但是它已經相當久遠了,我們的同事 David Rotman 就對摩爾定律進行了研究。他提出這樣一個預測:摩爾定律即將失效。他好奇的是這將對未來的進步有何影響;獨立記者Rob Arthur 研究了2016 年美國總統大選預測表現糟糕的原因,並預測了2020 年總統大選;媒體人Brian Bergstein 關心研究人員在開發能夠理解因果關係的AI 方面的進展;Bobbie Johnson 則詢問了一些未來學家對未來的看法以及他們對2030 年的預期。

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圖| 2020 年《麻省理工科技評論》全球十大突破性技術榜單包括:防黑互聯網、超個性化藥物、數字貨幣、抗衰老藥物、人工智能發現分子、超級星座衛星、量子優越性、微型人工智能、差分隱私、氣候變化歸因共10 大突破性技術。

以下是榜單詳細內容解讀:

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防黑互聯網

重大意義:互聯網越來越容易受到黑客攻擊,而量子網絡將無法被黑客攻擊。

主要研究者:代爾夫特理工大學、量子互聯網聯盟、中國科學技術大學

成熟期:5 年

基於量子物理學的互聯網將很快實現穩定的安全通信。由代爾夫特理工大學的 Stephanie Wehner 領導的團隊,正在完全通過量子技術建立一個可以連接荷蘭四個城市的網絡。通過這個網絡發送的消息將無法破解。

在過去的幾年裡,科學家們已經學會了用光纖電纜來傳輸成對的光子,這是一種可以絕對保護光子中編碼信息的傳輸方式。一支由潘建偉教授帶領的中國團隊使用這種技術,在北京和上海之間建造了一個長達2000 公里的骨幹網絡,但該項目部分依賴於經典組件,這些組件在建立新的量子網絡之前會週期性地斷開網絡,因此依然存在被黑客攻擊的風險。

相比之下,代爾夫特理工大學的網絡將是第一個使用量子技術在城市之間傳輸信息的網絡。

這項技術依賴於一種被稱為 “量子糾纏” 的粒子行為。糾纏的光子在不破壞其內容的情況下無法被秘密讀取。

但是,創建糾纏的粒子很難,遠距離傳輸粒子更難。 Wehner 的團隊已經證明,他們可以將粒子發送超過 1.5 公里 (0.93 英里) 的距離,他們有信心在今年年底左右建成代爾夫特和海牙之間的量子網絡。而更遠距離的網絡連接將需要量子中繼器來擴展。

代爾夫特理工大學和其他一些機構正在設計這種中繼器。 Wehner 說,第一個量子中繼器將在未來五到六年內完成,並將在 2020 年代末建成一個全球量子網絡。

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超個性化藥物

重大意義:針對個體量身定制的基因藥物為身患絕症的人帶來一線希望。

主要研究者:A-T Children’s Project、波士頓兒童醫院、Ionis Pharmaceuticals、美國食品和藥品監督管理局

成熟期:現在

我們先來設想這樣一個絕望的病例:一名兒童身患一種極其罕見的致死性疾病。這種病不僅沒有有效藥物,而且連嘗試研究它的科學家都找不到。

最後醫生只能一聲嘆息,“病症實在太過罕見,隨他去吧。”

歸功於可以根據個體基因量身定制的全新藥物,這種情況可能會發生改變。如果因為某種特定 DNA 缺陷導致了極為罕見的疾病(目前有數千種這樣的情況),那麼至少有一個爭取修復基因的機會。

小女孩米拉 · 馬科維茨(Mila Makovec)就是一個真實病例。她因為一種獨特的基因突變而飽受病痛摧殘,隨後醫生用一年的時間為她量身定做了針對其基因缺陷的藥物,並命名為“Milasen”,取自她的名字。相關研究成果於 2019 年 10 月發表在《新英格蘭醫學雜誌》上。

雖然該治療手段尚未完全治愈米拉,但似乎已經穩定了她的病情:癲癇發作減少,還可以在協助下站立和行走。

針對米拉的治療之所以成為可能,是因為開發一種全新的基因藥物從未如此之快,也從未有過更好的機會。新型藥物可能會採用基因替代、基因編輯或反義核酸等形式,米拉所接受的治療就採用了反義核酸,類似於用一種分子擦除劑消除或修復錯誤的遺傳信息。這些治療手段的共同點在於,它們能夠以數字化的方式和速度編程,以糾正和補償遺傳性疾病,或者替代 DNA 字母。

和米拉處於類似境遇的人還有多少呢?目前還不是很多,但一定會越來越多。

好消息是,曾經讓研究人員束手無策的挑戰有望出現轉機,他們寄希望依靠 DNA 找到解決方案。

不過,對於這類針對單一患者的 “多對一” 治療方案來說,真正的挑戰是它幾乎與現行的所有新藥的研發、測試和銷售規則背道而馳。當這些藥物只幫助了一個人,卻需要投入多個大型團隊來設計和製造時,誰來為它們買單呢?

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數字貨幣

重大意義:隨著實體貨幣使用頻率的下降,沒有中介的交易自由也隨之減少。與此同時,數字貨幣技術可以用來分裂全球的金融體系。

主要研究者:中國人民銀行、Facebook

成熟期:2020 年

2019 年 6 月,Facebook 推出了一款名為 “Libra” 的“全球數字貨幣”。此舉立刻遭到強烈抵制,“Libra”可能永遠不會被啟動,至少不會像最初設想的那樣啟動。

但它仍然產生了影響:在 Facebook 宣布這一消息後的幾天內,中國人民銀行的一位官員暗示,將會加速自身數字貨幣的開發。如今,中國有望成為世界上第一個發布其貨幣數字版本的經濟體,以替代實體貨幣。

中國顯然考慮到了 Libra 的潛在衝擊:它可能加強美國在全球金融體系中不成比例的權力,而這種權力源於美元作為全球事實上的儲備貨幣的角色。有部分人推測中國將會在國際上推行其數字貨幣。

現在,Facebook 的 “Libra” 宣傳已頗具政治意味。 2019 年 10 月,Facebook 的 CEO 馬克 · 扎克伯格(Mark Zuckerberg)向美國國會承諾,Libra“將擴大美國的金融領導地位,以及美國在世界範圍內的民主價值觀影響和監督能力”。數字貨幣的戰爭已經打響。

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抗衰老藥物

重大意義:諸如癌症、心髒病和失智症等許多不同疾病或許都可以通過延緩衰老來治療。

主要研究者:聯合生物技術公司、Alkahest、梅奧診所、Oisín Biotechnologies

成熟期:五年之內

第一波新型抗衰老藥物已經開始人體測試。雖然它們目前還不能延長壽命,但有望通過減緩或逆轉基本的衰老過程來治療特定疾病。

這類藥物被稱為 “長壽藥物”(Senolytics),其工作原理是消除某些隨著年齡增長而積累的細胞。這些細胞又被稱為“衰老細胞”,會導致輕微的炎症,抑制正常的細胞修復機制,並且置鄰近細胞於有害環境之中。

2019 年6 月,總部位於舊金山的聯合生物技術公司(Unity Biotechnology)公佈了藥物在輕度至重度膝關節炎患者身上的初步測試結果,預計將在2020 年下半年從更大規模的臨床試驗中獲得更多結果。這家公司還在研發類似的藥物,用來治療與年齡有關的眼部和肺部疾病。

某些生物自然變化過程是衰老和各種疾病的根源,而如今,Senolytics 以及許多其他有希望的針對這些過程的新治療手段正在進行人體測試。

一家名為 Alkahest 的生物技術公司嘗試向患者註射年輕人血液中的某些成分,稱其有望阻止輕度和中度阿爾茨海默氏病患者的認知和功能性能力下降。該公司還在對治療帕金森氏症和失智症的藥物進行人體測試。

此外,2019 年 12 月,德雷塞爾大學醫學院的研究人員還在嘗試研究含有雷帕黴素(一種免疫抑製藥物)的面霜,以證實其是否可以減緩皮膚衰老。

這些實驗反映出科研工作者正在加大努力,以研究與衰老相關的許多疾病(例如心髒病、關節炎、癌症和失智症)是否可以通過特殊手段來延緩其發作。

《麻省理工科技評論》2020年“全球十大突破性技術” 10

人工智能發現分子

重大意義:一種新藥的商業化平均花費約 25 億美元,原因之一是很難找到有希望成為藥物的分子。

主要研究者: Insilico Medicine、Kebotix、Atomwise、多倫多大學、BenevolentAI

成熟期:3-5 年

可能被轉化為潛在救命藥物的分子數量令人難以想像:研究人員估計這個數字約有 1060種,這比太陽系中所有原子的數量還要多,提供了幾乎無限的化學可能性——如果化學家們能夠從中找到有價值的分子。

現在,機器學習工具可以用來探索包含已知分子及其特性的大型數據庫,利用這些信息可以產生新的可能性,實現以更快的速度、更低的成本發現新的候選藥物。

2019 年 9 月,香港的 Insilico Medicine 公司和多倫多大學的研究團隊實現了重大實驗突破,通過合成人工智能算法發現的幾種候選藥物,證明了該策略的有效性。

研究人員利用深度學習和生成模型相關的技術,也就是類似於讓計算機在古代圍棋比賽中擊敗世界冠軍的技術,成功確定了大約 30000 種具有理想特性的新分子。他們從中選擇了 6 種進行藥物合成和測試,其中的一種在動物實驗中表現出了較高的活性,被證明很有希望。

藥物發現領域的化學家們時常會去設想一種新分子——對於最優秀的藥物獵手來說,這是一門藝術,背後需要多年的經驗磨練和敏銳的直覺,現在,這些科學家們有了新的工具來進一步擴展他們的想像力。

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超級星座衛星

重大意義:這些系統可以讓高速互聯網覆蓋全球,也可以讓地球的衛星軌道變成一個充滿垃圾的雷區。

主要研究者:SpaceX、OneWeb、亞馬遜、Telesat

成熟期:現在

世界上仍有超過 35 億人無法使用互聯網。像 SpaceX 和 OneWeb 這樣的公司認為,他們可以通過發射數千顆衛星來組成巨大的衛星星座,讓地球上的每一寸土地都能通過寬帶連上互聯網終端。只要這些終端的上空未被遮擋,他們就可以將互聯網傳送到附近的任何設備上。僅 SpaceX 一家計劃在十年內入軌的衛星數量,就比人類歷史上發射衛星的數量總和還多 4.5 倍。

部署這些巨大的衛星星座是可行的,因為我們已經學會瞭如何製造更小的衛星,並以更低的價格進行發射。在航天飛機時代,將衛星發射到太空的成本約為每磅 24,800 美元。發射一顆重量 4 噸的小型通信衛星的成本接近 2 億美元。

如今,SpaceX 的 Starlink 衛星重量僅有約 500 磅(227 千克)。可重複使用的設計和低廉的製造成本,意味著我們可以通過火箭一次性發射幾十顆衛星,從而大幅降低成本。現在,SpaceX 獵鷹 9 號火箭發射的成本只有每磅 1,240 美元。

去年,首批 120 顆 Starlink 衛星已經發射升空,該公司計劃從 2020 年 1 月開始每兩週進行一次發射,每次 60 顆衛星。 OneWeb 已於 2020 年 2 月發射 34 顆衛星,並表示將於今年開始在部分區域提供商用服務。我們很快就會看到成千上萬顆衛星協同工作,讓地球上哪怕是最貧窮和最偏遠的地區也能用上互聯網。

但要想實現這個目標,還有一些問題需要解決。一些來自學界的研究者對這項計劃非常不滿,認為大量衛星會對天文學的研究造成乾擾。更糟糕的是,這麼多的衛星在軌道上運動,一旦發生一起碰撞事故,就可能會像雪崩一樣引發無數起碰撞,最終形成千千萬萬塊空間碎片。這樣的災難會讓未來人類幾乎無法再使用衛星服務和進行太空探索。 2019 年 9 月,Starlink 的一顆衛星與歐洲航天局的一顆氣象衛星險些相撞,嚇出一身冷汗的人們意識到,我們還完全沒有做好準備,維持如此大量的衛星在軌運行。

未來十年內,這些巨形衛星互聯網星座的命運將決定地球軌道空間的未來。

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量子優越性

重大意義:量子計算機將能夠解決經典機器不能解決的問題。

主要研究者:谷歌、IBM、微軟、Rigetti、D-Wave、IonQ、Zapata Computing,Quantum Circuits

成熟期:5-10 年以上

量子計算機存儲和處理數據的方式與我們常見的經典計算機完全不同。理論上,它們可以解決某些類型的問題,這些問題即使是最強大的經典超級計算機也需要數千年才能解決,比如破解密碼,或者在新藥和材料研究中模擬的分子精確行為等。

量子計算機已經存在好幾年了,但只有在特定的條件下,它們才能超越經典計算機。一台擁有53 個量子位元(量子計算的基本單位) 的計算機用三分鐘多一點的時間完成了一次計算任務,據谷歌估計,使用世界上最大的超級計算機完成這一任務可能需要1 萬年,也就是15 億倍長的時間。 IBM 對谷歌的說法提出了質疑,稱量子計算機最多能使速度提高一千倍。即便如此,這也是一個里程碑式的提升。量子計算機每增加一個量子位元,其運算速度就會提高一倍。

然而,谷歌的演示只是對量子計算概念的一個證明,相當於在計算器上做隨機加法並證明答案是正確的。現在的目標是要製造有足夠量子位的機器來解決實際問題。這是一個艱鉅的挑戰:因為量子位越多,就越難維持它們微妙的量子態。谷歌的工程師們相信他們的方法可以達到 100 到 1000 個量子位,這可能足夠解決一些實際問題了,但是沒有人確切知道能解決什麼實際問題。

除此之外呢?能夠破解當今密碼學的量子計算機將需要數百萬個量子位,實現這一目標可能還需要幾十年的時間。但是創建一個可以模擬分子的量子計算機模型應該相對容易。

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微型人工智能

重大意義:得益於最新的人工智能技術驅動,我們的設備不需要與雲端交互就能實現很多智能化操作。

主要研究者:谷歌、IBM、蘋果、亞馬遜

成熟期:現在

人工智能發展有一個現實問題:為了構建更強大的算法,研究人員正在使用越來越多的大數據和計算能力,並依賴於中心化的雲服務。這不僅會產生驚人的碳排放量,而且還限制了人工智能應用的運行速度,同時造成很多隱私問題。

微型人工智能的興起正在改變這一點。科技巨頭和學術研究人員正在探索新的算法,在不喪失能力的情況下縮小現有的深度學習模型。與此同時,新一代的專用人工智能芯片有望將更多的計算能力集成到更緊密的物理空間中,以更低的功耗來訓練和運行人工智能算法。

這些技術進步正在惠及廣大消費者。去年5 月,谷歌宣布可以在用戶手機上運行谷歌助手,而無需向遠程服務器發送請求;從蘋果的iOS 13 操作系統開始,iPhone 上可本地運行Siri 的語音識別功能和QuickType 鍵盤;IBM 以及亞馬遜現在也提供了開發平台來製作和部署微型人工智能。

微型人工智能所帶來的好處是顯而易見的。現有的服務比如語音助手、自動更正和數碼相機等將變得更好更快,不必每次都需要連接雲端才能運行深度學習模型;此外,微型人工智能也將使新的應用成為可能,比如基於移動端的醫學影像分析或對反應時間要求更快的自動駕駛汽車;最後,本地化的人工智能更利於隱私保護,因為你的數據不再需要離開設備就能實現服務或功能的進化。

但是,隨著人工智能技術得到分佈普及,它所面臨的挑戰也隨之而來。例如,打擊那些不法監視系統或深度偽造視頻可能會變得更加困難,歧視性算法也可能激增。研究人員、工程師和政策制定者們現在需要共同努力,對這些潛在危害進行技術和政策檢查。

《麻省理工科技評論》2020年“全球十大突破性技術” 14

差分隱私

重大意義:美國人口普查局的數據保密難度越來越大。不過,一種被稱為差分隱私的技術可以解決這個問題,這種技術可以建立信任機制,並能供其他國家使用。

主要研究者:美國人口普查局、蘋果、Facebook

成熟期:它在美國 2020 年人口普查中的應用將是迄今為止規模最大的應用。

2020 年,美國政府將要完成一項重大任務:3.3 億美國居民的人口普查,同時還要對他們的身份數據進行保密。政策制定者和學者在進行立法或者研究時需要對這些數據進行分析,同時相關法律規定,人口普查局必須確保這些數據無法被用以 “定位” 到任何個人。

但目前依然有一些手段可以使個人數據“去匿名化”,尤其是在普查數據與其他公共統計數據整合在一起的情況下。

因此,人口普查局在數據中加入了一種“噪聲”。它可能會更改一部分人的年齡或人種信息,但它同時能保持每個年齡或種族群體的總數不變。加入的噪聲越多,對數據進行去匿名化就越困難。

差分隱私是一種數學技術,它能夠在給數據添加噪聲的同時,一直計算隱私提升的程度,從而使得增加 “噪音” 的過程變得更加嚴謹。蘋果和 Facebook 已經使用這種方法來收集聚合數據,而不需要識別特定的用戶。

但是過多的噪聲又會使數據變得無用。一項分析顯示,2010 年人口普查的一個差分隱私版數據中包含了據稱有 90 人的家庭。

如果順利,其他聯邦機構可能也會使用這種方法。加拿大和英國等國也在關注該技術。

《麻省理工科技評論》2020年“全球十大突破性技術” 15

氣候變化歸因

重大意義:它使人們更加清楚地認識到氣候變化是如何讓天氣惡化的,以及我們需要為此做出哪些準備工作。

主要研究者:世界氣候歸因組織、荷蘭皇家氣象研究所、紅十字會與紅新月氣候研究中心

成熟期:現在

去年 9 月,在熱帶風暴“伊梅爾達”(Imelda)襲擊美國休斯頓地區十天后,一個快速反應研究團隊就宣布,幾乎可以肯定,氣候變化在風暴的產生中扮演了一定角色。

世界氣候歸因組織(World Weather Attribution)團隊進行了高精度的計算機模擬,對比了世界在氣候變化已發生和未發生的情況下會有何不同。結果顯示,在前者(我們所生活的世界)中,嚴重風暴發生的可能性是後者(未發生)的 2.6 倍,風暴的強度也高了 28%。

在本世紀初,科學家們曾不願將任何具體事件與氣候變化聯繫起來。但在過去的幾年裡,科學家們進行了更多的極端天氣歸因研究,快速改進的相關工具與技術也使得該領域的研究成果更加可靠、更有說服力。

首先,越來越多的詳細衛星數據記錄幫助我們了解自然系統。此外,計算能力的提高意味著科學家可以進行更高精度的仿真,並開展更多的虛擬實驗。

再加上其他一系列的技術進步,科學家們得到了一個在統計學意義上越來越可信的結論:全球氣候變暖通常會加劇危險天氣事件的發生。

通過把氣候變化的影響從其他因素剝離出來,這些研究告訴我們要為怎樣的風險做好應對準備,比如隨著全球氣候變暖的加劇,預計會有多少洪災發生,熱浪又會變得有多嚴重。如果我們選擇傾聽,他們可以幫助我們了解,為了應對氣候已發生變化的世界,我們的城市和基礎設施需要進行怎樣的改造。