Топ-10 новейших технологий 2019 года, которые способны изменить мир к лучшему

Источник материала:

Журнал Scientific American вместе с Всемирным экономическим форумом собрал ведущих экспертов в области технологий, которые исследовали и определили топ-10 «лучших новейших технологий» 2019 года. Ниже перечислены идеи и открытия, которые способны изменить мир к лучшему — публикуем перевод текста с некоторыми сокращениями.

Эксперты провели оценку предложений в соответствии с рядом критериев: могут ли предлагаемые технологии принести значительную выгоду обществу и экономике? Могут ли они изменить привычный нам порядок дел? Если они все еще находятся на ранних стадиях разработки, то вызывают ли большой интерес со стороны исследовательских лабораторий, компаний или инвесторов? Могут ли они добиться значительных успехов в ближайшие несколько лет?

Окружающая среда: биопластики могут решить проблему загрязнения

Если кратко, то усовершенствованные растворители и ферменты превращают древесные отходы в более качественные биораспадающиеся пластики.

Согласно данным Всемирного экономического форума, только в 2014 году промышленным способом было произведено 311 миллионов метрических тонн пластика. К 2050 году это число может утроиться, однако сейчас перерабатывается менее 15% использованного пластика — остальное или оказывается на свалке, или же сжигается, или просто выбрасывается в окружающую среду. Это приводит к катастрофическим последствиям, начиная от гибели животных и заканчивая выбросом в воду токсичных соединений. Причем попавший в рыбу микропластик может проникнуть и в организм человека.

Биоразлагаемые пластики способны частично уменьшить масштаб этой проблемы, а также приблизят нас к «безотходной» экономике, когда пластик производится из биомассы и в нее же превращается по окончании использования. Но сейчас «биопластик» в основном делают из кукурузы, сахарного тростника или отработанных жиров и масел — такой материал не может похвастаться прочностью и привлекательным внешним видом.

И вот здесь может прийти на помощь недавнее изобретение: производство пластмасс из целлюлозы или лигнина, который остается после обработки древесины. Причем эти вещества можно получить из непищевых растений, таких как арундо тростниковый, который можно выращивать на землях, не пригодных для пищевых культур, либо из древесных отходов и побочных продуктов сельского хозяйства.

Правда, прежде чем «экологическая» пластмасса станет продуктом массового использования, нужно будет снизить ее стоимость и свести к минимуму количество земли и воды, используемых для производства сырья.

Инженерия: социальные роботы, которые играют с другими

Уже сегодня роботы стали обычным делом в промышленности и медицине. Правда, они не ведут себя как андроиды из фантастических фильмов и книг. Но, кажется, эта область близится к поворотному моменту: роботы сегодня обладают более широкими интерактивными возможностями и выполняют больше полезных задач, чем когда-либо прежде.

Так называемые социальные роботы используют искусственный интеллект, чтобы решить, как действовать, в соответствии с информацией, полученной через камеры и другие датчики. Способность роботов реагировать так же, как и живые люди, основывается на исследованиях, как формируется восприятие, что составляет социальный и эмоциональный интеллект и как люди могут интерпретировать мысли и чувства других людей. Достижения в области искусственного интеллекта позволили дизайнерам перевести эти психологические и нейронаучные идеи в алгоритмы, которые позволяют роботам распознавать голоса, лица и эмоции; интерпретировать речь и жесты; адекватно реагировать на сложные вербальные и невербальные сигналы; устанавливать зрительный контакт; беседовать и адаптироваться к потребностям людей, учась на обратной связи, поощрениях и критике.

В итоге социальные роботы играют все более разнообразные роли. Особенно они нужны для помощи пожилым людям. Так, терапевтический робот Паро (Paro), разработанный Японским национальным институтом передовых промышленных наук и технологий, выглядит как пушистый морской котик и предназначен для снижения стресса у людей с болезнью Альцгеймера, а также у других пациентов медицинских учреждений. А Мабу (от Catalia Health) оказывает оздоровительную помощь пациентам, напоминая им о прогулках и времени приема лекарств, а также чтобы они позвонили членам своей семьи.

Продажи потребительских роботов по всему миру в 2018 году достигли 5,6 миллиарда долларов. Ожидается, что к концу 2025 года этот рынок вырастет до 19 миллиардов, ежегодно будет продаваться более 65 миллионов роботов.

Инженерия: крошечные линзы позволят создавать миниатюрные оптические устройства

В то время как телефоны, компьютеры и другие гаджеты уменьшаются в размерах, их оптические компоненты не следуют этой тенденции. Изготавливать миниатюрные линзы при помощи традиционных технологий резки и сгибания стекла довольно трудно: элементы стеклянной линзы зачастую нужно сложить в несколько слоев, чтобы правильно фокусировать свет.

Но недавно инженеры обнаружили альтернативу — металинзы. Они состоят из плоской поверхности тоньше микрона, которая покрыта массивом наноразмерных объектов, таких как выступающие столбики или просверленные отверстия. Исследователи могут расположить наноразмерные объекты с точностью, обеспечивающей конкретные характеристики свету, выходящему из металинз.

Более того, металинзы настолько тонкие, что их можно расположить «столбиком» без значительного увеличения в объеме. С применением этой технологии уже есть спектрометры и поляриметры.

В дополнение ко всему металинзы должны значительно снизить стоимость оптических компонентов, поскольку миниатюрные линзы можно производить на том же оборудовании, что уже используется в полупроводниковой промышленности.

Однако пока расходы по-прежнему высоки, поскольку с высокой точностью разместить наноразмерные элементы на микросхеме сантиметрового размера все еще трудно. Плюс ко всему металинзы не пропускают свет так же эффективно, как традиционные линзы, что важно, допустим, для получения полноцветного изображения, и слишком малы, чтобы захватывать большое количество света, а значит, они пока не подходят для получения качественных фотографий. Но, возможно, это изменится уже в ближайшем будущем. Так, металинзы вызвали интерес у Samsung и Google, а стартап «Металенз» (Metalenz) планирует вывести эту технологию на рынок в течение следующих нескольких лет.

Медицина и биотехнологии: специальный класс белков предлагает перспективные объекты для производства лекарств от рака и болезни Альцгеймера

Десятилетия назад ученые обнаружили особый класс белков, которые вызывают ряд болезней: от рака и до нейродегенеративных заболеваний. «Внутренне неупорядоченные белки» (ВНБ) отличались от белков с более привычными жесткими структурами. ВНБ постоянно меняли форму, представляя собой совокупность компонентов, конфигурация которых пребывала в постоянном движении. Такая рыхлая структура позволяет белкам в критические моменты, например во время реакции клетки на стресс, собирать воедино самые разнообразные молекулы. Но когда ВНБ не функционируют должным образом, может развиться болезнь.

Пока медицинские исследователи не могут найти методы для устранения или регулирования неисправных ВНБ. Считается, что многие из них не поддаются медикаментозному лечению, так как большинство современных лекарств способны воздействовать только на устойчивые структуры. Хорошо известные беспорядочные белки, которые могут способствовать развитию рака (включая c-Myc, p53 и K-RAS), оказались слишком труднодостижимыми. Но это постепенно начинает меняться.

В 2017 году исследователи из Франции и Испании продемонстрировали, что одобренный Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США препарат под названием трифлуоперазин, используемый для лечения психотических расстройств и тревожности, связывает и подавляет NUPR1, нарушенный белок, участвующий в формировании рака поджелудочной железы.

Масштабные скрининговые тесты для оценки тысяч потенциальных лекарств выявили ряд тех, что подавляют c-Myc, и некоторые из них уже на пути к клинической разработке. Кроме того, были выявлены дополнительные молекулы, которые работают в ВНБ, допустим, бета-амилоиды, причастных к таким заболеваниям, как болезнь Альцгеймера. Этот список будет только расти.

Медицинская промышленность уже приняла открытие в разработку. Так, биотехнологическая компания IDP Pharma разрабатывает тип ингибитора белка для лечения множественной миеломы и мелкоклеточного рака легкого. Вполне вероятно, что в ближайшие три-пять лет эти белки окажутся в центре фармацевтических разработок.

Окружающая среда: умные удобрения могут снизить уровень загрязнения окружающей среды

Чтобы увеличить урожайность, фермеры используют большое количество удобрений. Однако растениям достается довольно небольшая доля питательных веществ, а оставшееся зачастую наносит вред окружающей среде. Часть азота с полей попадает в атмосферу в виде парниковых газов, а фосфор оказывается в водосборных бассейнах, нередко провоцируя чрезмерный рост водорослей и прочих организмов. Но, к счастью, у нас уже есть удобрения с контролируемым высвобождением питательных веществ.

Они уже некоторое время находятся в продаже. Как правило, в составе таких удобрений крошечные капсулы, заполненные веществами, содержащими азот, фосфор и другие необходимые вещества. Внешняя оболочка позволяет замедлить скорость, с которой вода проникает к содержимому для высвобождения питательных веществ и с которой эти самые вещества высвобождаются из капсулы. В результате они дозируются, а не вбрасываются разом в количестве, которое не может быть эффективно поглощено растением.

Правда, эти продукты по-прежнему включают в себя аммиак, мочевину и калий, а их производство является энергоемким, то есть может способствовать производству парниковых газов и изменению климата. Но этот эффект можно смягчить, если использовать более безопасные для окружающей среды источники азота и включить микроорганизмы, которые повышают эффективность поглощения азота и фосфора растениями.

Вычислительная техника: совместное телеприсутствие может (до некоторой степени) сделать расстояние неважным

Телеприсутствие — это набор технологий, позволяющий пользователю, например с помощью специальных устройств, получить впечатление того, что он находится и/или воздействует на место, отличное от его физического местоположения.

Совместное телеприсутствие способно изменить то, как люди фактически взаимодействуют в профессиональной сфере и за ее пределами. Например, медицинские работники смогут удаленно работать с пациентами, как если бы они находились в одной комнате. Или же друзья и родственники будут наслаждаться общением в уютной комнате или прогулкой по городу, даже если на самом деле их разделяет расстояние.

Технологии дополненной реальности (AR) и виртуальной реальности (VR) уже становятся доступными для широкого распространения. Телекоммуникационные компании развертывают сети 5G достаточно быстро, чтобы обрабатывать массу данных без задержки. Изобретатели совершенствуют технологии, которые позволяют людям физически взаимодействовать с удаленными средами, включая сенсорные датчики, позволяющие почувствовать, к чему прикасаются их роботизированные аватары.

Полное сенсорное погружение, предусматриваемое для совместного телеприсутствия, потребует значительно меньших временных задержек, чем те, что допускают видеозвонки, — и порой они могут стать чрезмерной нагрузкой даже для сетей 5G. Однако алгоритмы прогнозирующего ИИ могут устранить возникающее у пользователя ощущение временных промежутков.

Хотя совместное телеприсутствие все еще находится в стадии становления, все готово, чтобы оно в течение трех-пяти лет начало менять человеческое взаимодействие. Например, Microsoft и другие компании уже вкладывают средства в технологии, которые, как ожидается, станут основой многомиллиардной индустрии к 2025 году. И фонд XPRIZE объявил о начале конкурса ANPR Avatar XPRIZE, победитель которого получит приз в размере 10 миллионов долларов, чтобы дать старт технологии, которые «будут переносить человеческие чувства, действия и присутствие в удаленное место в режиме реального времени, а это в свою очередь будет способствовать более связанному миру».

Так что нам уже в ближайшем будущем стоит ожидать коренных изменений в повседневной жизни и работе, что может быть сравнимо с массовым распространением смартфонов.

Общественное здоровье: передовая система отслеживания продуктов питания и их упаковки спасет жизни и сократит отходы

По данным ВОЗ, ежегодно около 600 миллионов человек страдают от пищевых отравлений, а 420 000 человек умирают. Причем специалисты могут потратить дни или даже недели, отслеживая их источник. За это время еще больше людей могут заболеть, и огромное количество нормальной еды может быть выброшено вместе с испорченной пищей. А записи о возможной причине вспышки отравлений хранятся в локальных системах, которые часто не связаны друг с другом, что затрудняет расследование.

Однако всего лишь пара технологий способна уменьшить как количество пищевых отравлений, так и пищевых отходов. Первая — это инновационное применение технологии блокчейна (которая обычно используется для управления виртуальной валютой). Эта технология поможет решить задачу отслеживаемости. А улучшенная упаковка пищевых продуктов предоставляет новые способы определения, хранились ли продукты при надлежащих температурах и могли ли они испортиться.

В частности, облачная платформа на основе блокчейна, разработанная для пищевой промышленности — IBM Food Trust — уже используется крупнейшими продавцами продуктов питания. В ходе ее тестирования торговая компания Walmart обнаружила происхождение испорченного продукта за считаные секунды, хотя обычно это занимает несколько дней.

А чтобы предотвратить пищевое отравление, исследовательские лаборатории и компании разрабатывают небольшие датчики, которые могут контролировать качество и безопасность пищевых продуктов в контейнерах, ящиках или в индивидуальной упаковке. Кроме того, создаются датчики, которые выявляют газообразные побочные продукты порчи. Помимо предотвращения размножения бактерий, такие датчики способны уменьшить количество отходов, показывая, что пища безопасна для употребления.

Главным препятствием для повсеместного использования датчиков остается их стоимость. Однако существующая в пищевой промышленности необходимость обеспечивать безопасность пищевых продуктов и ограничивать отходы продвигает технологии вперед.

Энергетика: безопасные ядерные реакторы уже рядом

Контроль уровня углерода в атмосфере потребует целого ряда энергетических технологий — в том числе, возможно, включая ядерные реакторы, которые не выделяют углерод, но считаются рискованными из-за нескольких крупных аварий. Однако этот риск может быть значительно уменьшен.

Коммерческие реакторы десятилетиями использовали одно и то же топливо: небольшие «таблетки» диоксида урана, уложенные внутри длинных цилиндрических стержней из сплава циркония. Цирконий позволяет нейтронам, образующимся в результате ядерного распада в «таблетках», легко проходить среди множества стержней, погруженных в воду внутри активной зоны реактора, обеспечивая ход самоподдерживающейся тепловой ядерной реакции.

Но в случае перегрева цирконий может вступить в реакцию с водой и произвести взрывоопасный водород. Этот сценарий, в частности, послужил причиной взрыва и выброса радиации на «Фукусима-дайити» в 2011 году в Японии.

Производители, такие как Westinghouse Electric Company и Framatome, ускоряют разработку ядерного топлива, которое в меньшей степени подвержено перегреву, — в этом случае оно будет вырабатывать малое количество водорода или вообще не вырабатывать его. В некоторых вариантах оболочка из циркония имеет специальное покрытие, чтобы минимизировать реакции. В иных случаях вместо циркония и даже диоксида урана используются другие материалы. Так как новая комплектация может быть добавлена в уже существующие реакторы с небольшими изменениями, эти компоненты могут быть введены в эксплуатацию в течение 2020-х годов.

Новые виды топлива позволят станциям работать более эффективно и сделают атомную энергетику более конкурентоспособной, что является важной мотивацией для производителей электроэнергетики, так как природный газ, солнечная энергия и энергия ветра стоят дешевле.

Хотя развитие ядерной энергетики в США затормозилось, а в Германии и других странах постепенно идет на убыль, Россия и Китай активно строят новые станции. Эти рынки могут быть прибыльными для производителей новых видов топлива.

Производители экспериментируют с моделями «четвертого поколения», где вместо воды используется жидкий натрий или расплавленная соль для передачи тепла, полученного в ходе ядерного распада. Это исключает возможность опасного производства водорода. По некоторым сообщениям, в этом году Китай намерен подключить демонстрационный реактор с гелиевым охлаждением к своей энергосистеме.

Медицина и биотех: хранение данных ДНК ближе, чем вы думаете

По данным софтверной компании Domo, каждую минуту в 2018 году Google обрабатывал 3,88 миллиона поисковых запросов, а люди просматривали 4,33 миллиона видео на YouTube, отправили 159 362 760 электронных писем, оставили 473 000 твитов и опубликовали 49 000 фотографий в Instagram.

К 2020 году во всем мире будет создаваться примерно 1,7 мегабайта данных в секунду на одного человека, что равно примерно 418 зетабайтам в год (или 418 миллиардам жестких дисков объемом один терабайт), если предположить, что численность жителей планеты составит 7,8 миллиарда человек. Магнитные или оптические системы хранения данных, которые в данный момент содержат все эти данные, как правило, могут служить в лучшем случае до ста лет. Кроме того, для работы центров обработки данных требуется огромное количество энергии. То есть хранение данных вот-вот станет серьезной проблемой. Но жестким дискам есть альтернатива — хранение данных на основе ДНК.

ДНК, состоящая из длинных цепочек нуклеотидов A, T, C и G, является материалом для хранения информации о живом организме. Но ДНК может стать и новой формой информационных технологий. Уже сегодня ее упорядочивают (прочитывают), синтезируют (записывают) и точно и легко копируют. ДНК также невероятно стабильна, о чем свидетельствует полное секвенирование генома у ископаемой лошади, которая жила более 500 тысяч лет назад. И ее хранение не требует много энергии.

Вместе с тем ДНК способна хранить огромное количество данных при плотности, намного превышающей плотность электронных устройств. Так, простая бактерия Escherichia coli имеет плотность хранения около 1019 бит на кубический сантиметр, согласно расчетам, опубликованным в 2016 году в журнале Nature по подсчетам Джорджа Черча (George Church) и его коллег из Гарвардского университета. При такой плотности все текущие мировые потребности в хранении информации за год могли быть полностью удовлетворены ДНК в виде куба со стороной около одного метра.

Перспектива хранения данных ДНК — не просто теория. В 2017 году все та же группа Черча в Гарварде применила технологию редактирования ДНК CRISPR для записи изображений человеческой руки в геном кишечной палочки, которая была считана 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. Ряд компаний, в том числе Microsoft и Twist Bioscience, работают над продвижением технологии хранения ДНК.

Исследователи, пытающиеся разобраться с огромными объемами данных, уже используют ДНК для управления информацией иными способами. Последние достижения в методах секвенирования следующего поколения позволяют легко считывать одновременно миллиарды последовательностей ДНК. С этой способностью исследователи могут использовать штрих-кодирование — использование последовательностей ДНК в качестве «меток» молекулярной идентификации — для отслеживания экспериментальных результатов. Штрих-кодирование ДНК сейчас используется, чтобы значительно ускорить темпы исследований в таких областях, как химическая технология, материаловедение и нанотехнологии. Например, так выявляются более безопасные генные методы лечения и способы борьбы с лекарственной устойчивостью и предотвращения метастазирования рака.

В число проблем, мешающих распространению системы хранения данных в ДНК, входят стоимость и скорость чтения и записи ДНК, которые должны снизиться, чтобы конкурировать с электронным хранилищем. Но даже если ДНК не станет повсеместным хранилищем, она почти наверняка будет использоваться для генерации информации в совершенно новых масштабах и хранения определенных типов данных в течение длительного времени.

Энергия: сетевые накопители обеспечат возобновляемую сеть

Способ, которым мир получает электричество, претерпевает стремительные изменения, обусловленные как растущей необходимостью обезуглероживания энергетических систем, так и резким падением затрат на ветряную и солнечную технологии.

В январе 2019 года Служба энергетической информации США (EIA) прогнозировала, что ветряные, солнечные и другие негидроэлектрические возобновляемые источники энергии станут самым быстрорастущим сегментом электроэнергии в течение следующих двух лет. Однако неустойчивый характер этих источников означает, что электросетям нужен способ хранения энергии «про запас» на тот случай, если наступит облачная или безветренная погода. В связи с этим растет интерес к технологии накопления энергии — в частности, к литий-ионным аккумуляторам.

По мнению экспертов, литий-ионные аккумуляторы, вероятно, станут доминирующей технологией в течение следующих 5−10 лет, а продолжающиеся усовершенствования приведут к тому, что аккумуляторы смогут хранить от четырех до восьми часов энергии — этого будет достаточно, например, чтобы переключиться с солнечной энергии на вечерний пик спроса.

Но чтобы достичь точки, в которой возобновляемые источники энергии и хранение энергии смогут справиться с базовой нагрузкой генерации электроэнергии, потребуются запасы энергии на более длительные сроки, что означает выход за рамки литий-ионных батарей. Потенциальные кандидаты на эту роль варьируются от таких высокотехнологичных вариантов, как проточные батареи, перекачивающие жидкие электролиты, и водородные топливные элементы, до более простых идей, таких как гидроаккумулирующая электростанция и то, что называется гравитационным накопителем.

Гидроаккумулирующая электростанция в готовом виде не требует особых затрат, но она может использоваться только в определенной местности, а ее строительство дорогостоящее. Столь же проста концепция гравитационного накопителя, которая подразумевает использование неиспользуемого электричества для поднятия тяжелого блока, который впоследствии можно опустить, чтобы привести турбину в действие для выработки электроэнергии.

Но пока эта идея не оправдала себя, а другие варианты еще недостаточно разработаны, чтобы их можно было считать надежными, эффективными и экономически выгодными по сравнению с литий-ионными батареями. Согласно EIA, к концу 2017 года в США применялись всего три крупномасштабные системы хранения с проточной батареей, а водородные системы для коммунальных целей пока находятся на стадии демонстрации. Правительство США финансирует некоторые работы в этой области, в частности через Агентство перспективных исследовательских проектов, Энергетика (ARPA-E), но значительная часть инвестиций в эти технологии — и в хранение энергии в целом — осуществляется в Китае и Южной Корее.

Неясно, продолжится ли процесс сокращения затрат на хранение энергии. Но накапливающиеся обязательства правительств (в том числе на уровне штатов и на местном уровне в США) по достижению безуглеродного производства электроэнергии будут стимулировать увеличение доступных запасов электроэнергии.