Журнал Scientific American совместно с Всемирным экономическим форумом собрал группу ведущих экспертов в области технологий и инноваций для того, чтобы определить десять наиболее значимых исследований 2019 года. Основные критерии, по которым оценивались технологии, — их потенциал, социальная значимость и экономические перспективы. Все десять разработок, которые попали в этот список, пока находятся на ранних этапах исследования, однако уже представляют большой интерес. Публикуем перевод статьи, в которой эксперты рассказывают, как их внедрение может изменить привычную нам сегодня жизнь.

1. Окружающая среда: Биопластик на защите экологии

Аннотация: Усовершенствованные растворители и ферменты превратят древесные отходы в биоразлагаемый пластик.

Автор: Хавьер Гарсия Мартинес

Наша цивилизация построена на пластике. По данным Всемирного экономического форума, только в 2014 году промышленность произвела 311 миллионов тонн пластика, и ожидается, что к 2050 году эта цифра увеличится в три раза. Однако из всего этого количества материалов переработке подвергается менее 15%. Большая часть остается на свалках или сжигается.

Биоразлагаемый пластик может в корне изменить ситуацию, способствуя достижению «круговой» пластической экономике, при которой пластик создается из биомассы и превращается в нее обратно после использования. Как и стандартные пластмассы, полученные из нефтехимических продуктов, биоразлагаемые версии состоят из полимеров (длинноцепочечных молекул), которые могут быть отлиты в жидком состоянии в различные формы. Однако доступные в настоящее время варианты, в основном сделанные из кукурузы, сахарного тростника или отработанных жиров и масел, обычно не имеют механической прочности.

Недавние достижения в производстве пластмасс из целлюлозы и лигнина (сухого вещества в растениях) обещают преодолеть эти недостатки, к тому же эти элементы могут быть получены из непищевых растений, таких как гигантский тростник, или из отходов древесины и побочных продуктов сельского хозяйства, которые в противном случае не выполняли бы никакой функции.

Целлюлоза — самый распространенный органический полимер на земле — является основным компонентом клеточных стенок растений; лигнин заполняет пространство в этих стенках, обеспечивая прочность и жесткость. Работа с лигнином особенно важна, потому что мономеры лигнина состоят из ароматических колец — химических структур, которые придают некоторым стандартным пластмассам их механическую прочность. Лигнин не растворяется в большинстве растворителей, но исследования показали, что некоторые экологически чистые ионные жидкости могут избирательно отделять его от древесины и древесных растений. Генетически сконструированные ферменты, подобные грибковым и бактериальным, затем могут расщеплять растворенный лигнин на его компоненты.

На эти выводы и опирается ряд компаний. Например, Chrysalix Technologies, дочерняя компания Imperial College London, разработала процесс, в котором используются недорогие ионные жидкости для отделения целлюлозы и лигнина от исходных материалов. Финская биотехнологическая компания MetGen Oy производит ряд генно-инженерных ферментов, которые расщепляют лигнины различного происхождения на компоненты, необходимые для широкого спектра применений. А Mobius (ранее Grow Bioplastics) разрабатывает пластиковые гранулы на основе лигнина для использования в биоразлагаемых цветочных горшках, сельскохозяйственных мульчах (мульча — это определенный материал, слоем которого покрывается поверхность земли вокруг стебля огородной культуры — прим.ред.) и других продуктах.

2. Инжиниринг: Социальные роботы

Аннотация: Друзья и помощники Droid последовательно интегрируются в нашу жизнь.

Авторы: Коринна Э. Латан и Джоффри Линг

Как и большинство роботов, социальные роботы, созданные для работы с людьми, используют искусственный интеллект, чтобы решить, как действовать на информацию, полученную через камеры и другие датчики. Достижения в области ИИ позволили дизайнерам перевести психологические и нейронаучные идеи восприятия в алгоритмы, которые позволяют роботам распознавать голоса, лица и эмоции; интерпретировать речь и жесты; адекватно реагировать на сложные вербальные и невербальные сигналы; установить зрительный контакт; вести диалог и адаптироваться к потребностям людей, учась на обратной связи, наградах и критике.

Как следствие, социальные роботы играют все более разнообразные роли. Например, 47-дюймовый человекоподобный робот по имени Пеппер (от SoftBank Robotics) распознает лица и основные человеческие эмоции и участвует в разговорах через сенсорный экран в своей «груди». Около 15 000 Пепперов по всему миру выполняют такие услуги, как регистрация в отеле, обслуживание клиентов в аэропорту, помощь с покупками и быстрое оформление заказа.

Temi (из Temi USA) и Loomo (Segway Robotics) — это персональные помощники следующего поколения, такие как Amazon Echo и Google Home, к тому же, они мобильны, что позволяет обеспечивать новый уровень функциональности. Например, Loomo не только является компаньоном, но и по команде может трансформироваться в самокат для перевозки.

В помощи социальных роботов особенно нуждается пожилое население мира. Терапевтический робот PARO, разработанный Японским национальным институтом передовых промышленных наук и технологий, выглядит как милый тюлень и предназначается для снижения стресса у людей с болезнью Альцгеймера. Мабу (Catalia Health) обслуживает пациентов, в частности пожилых людей, напоминая им о необходимости погулять, принять лекарства и позвонить семье, если есть какие-либо угрозы жизни. Социальные роботы также завоевывают популярность среди игрушек. Ранние попытки включить социальное поведение в игрушки, такие как Hasbro's Baby Alive и Sony AIBO-робот, имели ограниченный успех. Но обе эти разработки возрождаются, а самая последняя версия AIBO обладает более точным распознаванием голоса и жестов, может обучаться трюкам и развивает новое поведение на основе предыдущих взаимодействий.

В 2018 году продажи потребительских роботов по всему миру достигли 5,6 миллиардов долларов, ожидается, что к концу 2025 года рынок вырастет до 19 миллиардов долларов. В год будет продаваться порядка 65 миллионов роботов.

3. Инжиниринг: Миниатюрные линзы обеспечат дизайн новых оптических устройств

Аннотация: Тонкие, плоские металинзы могут заменить громоздкое стекло для управления светом.

Автор: Альберто Москателли

Несмотря на то, что электроника и гаджеты упорно стремятся к уменьшению своих размеров, сделать меньше их линзы — непростая задача. Однако ученые нашли решение — металинзы. Они могут обеспечить большую миниатюризацию микроскопов и других лабораторных инструментов, а также потребительских товаров, таких как камеры, гарнитуры виртуальной реальности и оптические датчики.

Металинза состоит из плоской поверхности, тоньше микрона, которая покрыта массивом наноразмерных объектов — выступающих столбов или просверленных отверстий. Когда падающий свет попадает на эти элементы, то многие их свойства меняются, включая поляризацию, интенсивность, фазу и направление распространения. Исследователи могут точно позиционировать наноразмерные объекты, чтобы гарантировать, что свет, выходящий из металинз, будет выдавать заданные характеристики.

В дополнение к уменьшению размера, в конечном итоге металинзы должны снизить стоимость оптических компонентов, поскольку уменьшающие линзы могут быть изготовлены с использованием того же оборудования, которое уже используется в полупроводниковой промышленности. Эта особенность открывает привлекательную перспективу производства, например, для крошечного оптического и электронного компонента датчика света рядом друг с другом.

Однако до сих пор металинзы являются дорогим решением, к тому же они не пропускают свет так же эффективно, как традиционные линзы. В том числе они слишком миниатюрны для того, чтобы захватывать большое количество света, а значит в данный момент, они не пригодны для съемки качественных фотографий. Но металинзы обладают большим потенциалом: как минимум один стартап — Metalenz — планирует выпустить их на рынок в течение следующих нескольких лет.

4. Медицина и биотехнологии: Возможности белков для лечения рака и болезни Альцгеймера

Аннотация: Специальный класс белков обещает перспективы в создании лекарств от неизлечимых на данный момент заболеваний.

Автор: Элизабет О’Дей

Десятилетия назад ученые определили особый класс белков, которые сопровождают различные болезни — от рака до нейродегенеративных заболеваний. Эти «внутренне неупорядоченные белки» (IDP — intrinsically disordered protein) выглядели иначе, чем белки с жесткими структурами, которые были более знакомы в клетках. IDPs — это оборотни, которые выглядят как совокупность компонентов, постоянно меняющих конфигурацию. Но когда IDPs не функционируют должным образом, у человека может развиться серьезное заболевание.

Долгое время ученые не могли найти методы лечения или регулирования неисправных белков. Это связано с тем, что большинству применяемых в настоящее время лекарств требуются стабильные структуры, а IDPs недостаточно долго остаются на месте.

В 2017 году исследователи во Франции и Испании продемонстрировали, что можно прицелиться и изменить «нечеткий» интерфейс IDPs. Они показали, что одобренный FDA препарат под названием трифлуоперазин, который используется для лечения психотических расстройств и тревоги, связан и ингибирует NUPR1, нарушенный белок, участвующий в форме рака поджелудочной железы. Масштабные скрининговые тесты для оценки тысяч потенциальных лекарств на терапевтический потенциал выявили несколько белков, которые ингибируют MYC. Также были идентифицированы дополнительные молекулы, которые работают на IDPs, среди них бета-амилоид, причастный к таким заболеваниям, как болезнь Альцгеймера.

Этот список будет расти, тем более что роль IDPs в важнейших клеточных частях, известных как безмембранные органеллы, становится более ясной. Часто называемые капельками или конденсатами, эти органеллы сближают жизненно важные клеточные молекулы, такие как белки и РНК, в определенное время, оставляя другие отдельно друг от друга. Ученые разработали новые мощные инструменты для молекулярных манипуляций, которые называются Corelets и CasDrop. Они позволяют исследователям контролировать формирование этих капель. Используя эти и другие инструменты, ученые узнали, что IDPs могут помочь контролировать сборку, функционирование и разборку капель.

Промышленность также делает ставку на терапевтический потенциал IDPs. Например, биотехнологическая компания IDP Pharma разрабатывает тип ингибитора белка для лечения множественной миеломы и мелкоклеточного рака легкого. Graffinity Pharmaceuticals определила небольшие молекулы для нацеливания на неупорядоченный тау-белок, который участвует в патологии Альцгеймера. Cantabio Pharmaceuticals ищет небольшие молекулы для стабилизации IDPs, участвующих в нейродегенерации. А новая компания под названием Dewpoint Therapeutics исследует идею о том, что капли и их неупорядоченные компоненты из-за способа, которым они объединяют молекулы для усиления реакций, могут использоваться в качестве мишеней для лекарств. Весьма вероятно, что в ближайшие три-пять лет эти некогда «нерасщепляемые» белки окажутся в центре фармацевтической разработки.

5. Окружающая среда: Умные удобрения сократят загрязнение окружающей среды

Аннотация: Новые составы удобрений обеспечат питание «по требованию».

Автор: Джефф Карбек

Стандартные удобрения работают неэффективно, а также наносят вред экологии. Однако уже сейчас ученые разрабатывают умные удобрения, которые обладают контролируемым высвобождением химических веществ.

Фермеры обычно удобряют урожай двумя способами: опрыскивают поля аммиаком, мочевиной или другими веществами, которые выделяют питательный азот при взаимодействии с водой, или применяют гранулы калия или других минералов для производства фосфора, что также происходит в ответ на взаимодействие с водой. Но относительно мало этих питательных веществ попадает в растения. Вместо этого большая часть азота попадает в атмосферу, а фосфор стекает в водосборные бассейны, часто вызывая чрезмерный рост водорослей. Составы с контролируемым высвобождением, напротив, могут гарантировать, что зерновые культуры получат значительно более высокие уровни питательных веществ, что повысит урожайность при использовании меньшего количества удобрений.

Умные удобрения — это крошечные капсулы, заполненных веществами, которые содержат азот, фосфор и другие полезные питательные элементы. Внешняя оболочка капсул замедляет скорость, с которой вода может получить доступ к внутреннему содержимому. В результате питательные вещества дозируются и выходят постепенно.

Недавно были разработаны удобрения, которые могут менять скорость высвобождения питательных веществ по мере изменения температуры, кислотности или влажности почвы. Комбинируя различные типы специально настроенных капсул, производители могут создавать удобрения с профилями, адаптированными к потребностям конкретных культур или условий выращивания. Такие компании, как Haifa Group и ICL Specialty Fertilizers, входят в число тех, кто предлагает более точный контроль.

Хотя технологии с контролируемым высвобождением делают удобрения более эффективными, они не устраняют все их недостатки. Они все еще включают аммиак, мочевину и калий; производство этих веществ остается энергоемким, то есть может способствовать образованию парниковых газов и изменению климата. Однако этот эффект можно смягчить, если использовать более благоприятные для окружающей среды источники азота и включить микроорганизмы, которые повышают эффективность поглощения азота и фосфора растениями.

6. Вычисление: Технологии имитации «живой» встречи

Аннотация: Участники виртуальных созвонов будут чувствовать, что они физически вместе.

Авторы: Коринна Э. Латан и Эндрю Майнард

Подобно тому, как приложения для видеовызовов (Skype и FaceTime) сделали общение широко доступным для потребителей, так и технологии «совместного телеприсутствия» могут вывести виртуальное общение на новый уровень: они могут дать пользователям возможность ощущать физическое присутствие собеседника — вплоть до прикосновений. В таком случае медицинские работники смогут удаленно работать с пациентами, словно они находятся в одной комнате. А друзья и семьи смогут наслаждаться совместным ужином в уютной комнате, даже если они находятся на разных континентах.

Прогресс в нескольких областях сделал эту перспективу осуществимой. Технологии дополненной реальности (AR) и виртуальной реальности (VR) уже становятся достаточно доступными для широкого распространения. Телекоммуникационные компании развертывают сети 5G достаточно быстро, чтобы обрабатывать массу данных из современных сенсорных массивов без задержки. Инноваторы совершенствуют технологии, которые позволяют людям физически взаимодействовать с удаленными средами, включая сенсорные датчики, позволяющие почувствовать, к чему прикасаются их роботизированные аватары. Полное сенсорное погружение, предусмотренное для совместного телеприсутствия, потребует существенно меньшее время задержки, чем это допустимо для видеозвонков.

Несмотря на то, что совместное телеприсутствие все еще находится в стадии становления, все готово для того, чтобы оно развивалось в течение трех-пяти лет.

7. Здравоохранение: Контроль за упаковкой продуктов питания может спасать жизни

Аннотация: Сочетание двух технологий значительно повысит безопасность пищевых продуктов.

Автор: Рона Чандравати и Бернард С. Мейерсон

По данным Всемирной организации здравоохранения, ежегодно около 600 миллионов человек страдают от пищевых отравлений. Однако всего пара технологий может уменьшить как эту тенденцию, так и в целом количество пищевых отходов.

Во-первых, инновационное применение технологии блокчейна, более известного благодаря управлению виртуальной валютой, начинает решать проблему прослеживаемости. В то же время улучшенная упаковка пищевых продуктов предоставляет новые способы определения того, хранились ли продукты при надлежащих температурах и могли ли они испортиться.

Блокчейн — это децентрализованная система учета, в которой операции записываются последовательно в нескольких идентичных «регистрах», хранящихся на компьютерах в разных местах. Это делает бесполезным вмешательство в любую бухгалтерскую книгу, создавая заслуживающую доверия запись транзакций. Облачная платформа на основе блокчейна, разработанная для пищевой промышленности, — IBM Food Trust — уже используется крупными продавцами продуктов питания. Интегрируя производителей, дистрибьюторов и розничных продавцов в единую цепочку блоков, Food Trust создает надежную запись прохождения продукта через сквозную цепочку поставок. Тестируя эту технологию, Walmart проследил происхождение испорченного товара за считанные секунды.

Для того, чтобы предотвратить пищевое отравление, исследовательские лаборатории разрабатывают небольшие датчики, которые могут контролировать качество и безопасность пищевых продуктов, которые продаются в ящиках или в индивидуальной упаковке. Например, Timestrip UK и Vitsab International независимо друг от друга создали сенсорные метки, которые меняют цвет, если продукт подвергался воздействию температур, превышающих рекомендуемые, а Insignia Technologies продает сенсор, который медленно меняет цвет после открытия упаковки и указывает, когда пора избавится от продукта. Цвет меняется быстрее, если товар хранится при ненадлежащей температуре.

Препятствием для повсеместного использования датчиков остается их высокая цена. Тем не менее, потребность пищевой промышленности в обеспечении безопасности пищевых продуктов и ограничении отходов продвигает эту технологию вперед.

8. Энергия: Безопасные ядерные реакторы будущего

Аннотация: «Улучшенное» топливо и инновационные реакторы могут способствовать возрождению ядерной энергетики.

Автор: Марк Фишетти

Коммерческие реакторы десятилетиями использовали одно и то же топливо: маленькие гранулы диоксида урана, уложенные внутри длинных цилиндрических стержней из сплава циркония. Цирконий позволяет нейтронам, образующимся в результате деления в таблетках, легко проходить среди множества стержней, погруженных в воду внутри активной зоны реактора, сохраняя самоподдерживающуюся тепловую ядерную реакцию.

Беда в том, что, если цирконий перегревается, он может реагировать с водой и производить водород, который является взрывоопасным. Этот сценарий послужил причиной двух самых страшных аварий на реакторах в мире: потенциальный взрыв в 1979 году и частичное плавление на острове Три-Майл в США, а также взрывы и выброс радиации в Фукусима-Дайити в Японии в 2011 году.

Производители (вроде Westinghouse Electric Company и Framatome) ведут разработку аварийного топлива, которое с меньшей вероятностью перегревается, и, если они это сделают, то смогут производить очень мало водорода. Новые конфигурации могут быть добавлены в существующие реакторы с небольшими изменениями, так что есть шанс ввести их в эксплуатацию в течение 2020-х годов.

Хотя ядерная энергетика застопорилась в США и постепенно сокращается в Германии и других странах, Россия и Китай продолжают работать в этом направлении, так что эти рынки могут быть прибыльными для производителей новых видов топлива.

Россия также вводит другие меры безопасности. Недавние установки в стране и за рубежом, проводимые государственной компанией «Росатом», имеют усовершенствованные «пассивные» системы безопасности, которые могут подавлять перегрев, даже если электроэнергия на станции потеряна, а охлаждающая жидкость не может активно циркулировать. Westinghouse и другие компании также включили функции пассивной безопасности в свои обновленные проекты.

Производители экспериментируют с моделями «четвертого поколения», которые используют жидкую натриевую или расплавленную соль вместо воды для передачи тепла от деления, устраняя возможность опасного производства водорода. Улучшенное топливо и развитие в небольших реакторах могут стать существенным шагом к возрождению атомной энергетики.

9. Медицина и биотехнологии: Хранение данных в ДНК

Аннотация: Система хранения информации о жизненно важных процессах адаптируется для универсальной обработки огромного количества информации.

Автор: Сан Юп Ли

Каждую минуту в 2018 году Google проводил 3,88 миллиона поисковых запросов, люди просмотрели 4,33 миллиона видео на YouTube, отправили 159 362 760 электронных писем, твитнули 473 000 раз и опубликовали 49 000 фотографий в Instagram, сообщает компания Domo. К 2020 году на каждого человека в мире в секунду будет создаваться примерно 1,7 мегабайта данных. Магнитные или оптические системы хранения данных, которые в настоящее время содержат эту информацию, как правило, не могут функционировать больше столетия. Кроме того, для работы центров обработки данных требуется огромное количество энергии. Таким образом, перед человечеством встает серьезная проблема, связанная с хранением информации.

Ученые исследуют альтернативу жестким дискам: хранение данных на основе ДНК. ДНК, состоящая из длинных цепочек нуклеотидов A, T, C и G, является материалом для хранения информации о жизненных процессах. Данные в ней сохраняются в последовательности этих букв, превращая ДНК в новую форму информационных технологий. К тому же ДНК невероятно стабильна, о чем свидетельствует полное секвенирование генома у ископаемой лошади, которая жила более 500 000 лет назад.

ДНК может хранить огромные объемы данных при плотности, намного превышающей плотность электронных устройств. Например, простая бактерия Escherichia coli имеет плотность хранения около 1019 бит на кубический сантиметр, согласно расчетам Джорджа Черча из Гарвардского университета и его коллег, исследование было опубликовано в 2016 году в журнале Nature Materials. При такой плотности все текущие мировые потребности в хранении в течение года могут быть удовлетворены кубом ДНК размером около одного метра.

Перспектива хранения данных ДНК не просто теоретическая. В 2017 году группа Черча в Гарварде приняла технологию редактирования ДНК CRISPR для записи изображений человеческой руки в геном кишечной палочки, которые были считаны с точностью более 90%. А исследователи из Вашингтонского университета и Microsoft Research разработали полностью автоматизированную систему для записи, хранения и чтения данных, закодированных в ДНК.

Последние достижения в методах секвенирования следующего поколения позволяют легко считывать миллиарды последовательностей ДНК. Исследователи могут применять штрих-кодирование — использование последовательностей ДНК в качестве «меток» молекулярной идентификации для отслеживания экспериментальных результатов. Штрих-кодирование ДНК в настоящее время используется, чтобы значительно ускорить темпы исследований в таких областях, как химическая технология, материаловедение и нанотехнологии. Например, в Технологическом институте Джорджии лаборатория Джеймса Д. Далмана научилась быстро выявлять более безопасные генные методы лечения; другие исследователи также работают над методами, которые позволят бороться с лекарственной резистентностью и предотвратить метастазирование рака.

Однако есть и ряд проблем, связанных с распространением системы хранения данных ДНК: это стоимость и скорость записи и прочтения ДНК. Технологии должны стать более доступными, иначе ДНК не сможет конкурировать с электронным хранилищем.

10. Энергия: Сохранение энергии в гравитационном накопителе

Аннотация: «Батарейки» для повсеместного использования альтернативных источников энергии

Автор: Андреа Томпсон

По данным Управления энергетической информации, за последнее десятилетие электроэнергия, вырабатываемая возобновляемыми источниками энергии в США, удвоилась, в основном за счет ветряных и солнечных установок. Однако нестабильный характер этих источников означает, что для масштабирования электросетям нужен способ хранить энергию в то время, когда солнце не светит и нет ветра. Эта потребность вызывает растущий интерес к технологии накопления энергии, в частности, к ионно-литиевым батареям.

По мнению экспертов, литий-ионные аккумуляторы, вероятно, станут доминирующей технологией в течение следующих пяти-десяти лет, и продолжающиеся усовершенствования приведут к тому, что аккумуляторы смогут хранить от четырех до восьми часов энергии.

Но достижение точки, в которой возобновляемые источники энергии и хранение энергии могут справиться с базовой нагрузкой генерации электроэнергии, потребует накопления энергии в более длительные сроки, что будет означать выход за пределы ионно-литиевых батарей. Потенциальные кандидаты включают другие высокотехнологичные варианты, в их числе, например, расходные батареи, которые перекачивают жидкие электролиты и водородные топливные элементы, а также более простые концепции вроде гидроаккумуляции и того, что называется гравитационным накопителем.

Согласно ОВОС, к концу 2017 года в США было развернуто всего три крупномасштабные системы хранения с проточной батареей, а водородные системы коммунального масштаба пока находятся на стадии демонстрации. Правительство США финансирует некоторую работу в этой области, в частности, через Агентство перспективных исследовательских проектов — Энергетика (ARPA-E), но значительная часть инвестиций в эти технологии, как и в хранение энергии в целом, осуществляется в Китае и Южной Корее.

Автор: Антонина Никулина. Редактор новостного портала ITMO.NEWS

Источник: НИУ ИТМО