麻省理工发布2022年“全球十大突破性技术”

来源:电子技术应用ChinaAET发布时间:2022-04-071013浏览

近日，《麻省理工科技评论》2022年“全球十大突破性技术”正式发布。

此次发布的突破性技术包括：“新冠口服药”“实用型聚变反应堆”“终结密码”“AI蛋白质折叠”“PoS权益证明”“长时电网储能电池”“AI数据生成”“疟疾疫苗”“除碳工厂”“新冠变异追踪”。

每年评选的“全球十大突破性技术”，都具有很强的科技“策源”属性，今年的也不例外。例如“终结密码”可以使各大公司改变认证方式，不再是极其不安全的字母和数字；“长时电网储能电池”可以帮助分摊可再生能源的供应压力，并扩大清洁能源的使用范围；“AI数据生成”有望填补数据资源丰富的领域的空白等。

新冠口服药

A pill for COVID

重大意义：易于服用的治疗严重的 COVID-19 的药片也可能对下一次大流行病起作用。

主要研究者：默克，辉瑞，Pardes Biosciences

技术可实现性：已实现

还记得唐纳德·特朗普（Donald Trump）服用的治疗疟疾的羟氯喹，以及将人们送到毒物控制中心的马用驱虫剂伊维菌素（ivermectin）吗？这些药物对新冠肺炎 COVID-19 并不有效。但是，人们还是迫切地希望它们是有效的。吞下一粒药丸就能使病毒消失，这是一个朴素的愿望。

现在，这个愿望变成了现实：通过使用截然不同的方法来设计药片以阻止新冠病毒。事实证明，新的方法确实有效。感染几天的病人服用辉瑞公司的一种抗病毒药物后，可将住院的几率减少 89%。美国政府已经订购了价值100亿美元的这种名为 Paxlovid 的新药。

新的药片并不只是在黑暗中一次幸运的尝试。化学家们设计这种药物来扰乱病毒的自我复制能力，该药会锁定并阻断一种叫做蛋白酶的蛋白质，它是新冠病毒进行具有威胁性的复制的核心。

其它类型的冠状病毒中也存在类似的蛋白酶，这意味着辉瑞公司的药物也有望抵御下一次大流行病。而且，科学家们确信，更多像 SARS-CoV-2 病毒（新冠病毒）这样的病原体，正潜伏在蝙蝠居住的洞穴和工业化的养殖场中。

新的抗病毒药物的研发比病毒疫苗的设计、合成和测试时间更长（其中一种来自默克公司，这种药物主要针对病毒复制的不同机制）。但是，这些抗病毒药物仍然创造了记录。以前从未有一种全新的战胜疾病的分子能如此迅速地从化学家的实验室进入志愿者的口中，并获得美国食品和药物管理局的批准。辉瑞公司的 CEO 艾伯特·波拉（Albert Bourla）说，当他在2021年11月得到该药物有效的消息时，他激动得“泪流满面”。

该药片将防止许多人死于 COVID-19，包括免疫系统较弱而疫苗对其无效的人。如果出现了能打败疫苗的新变种，抗病毒药物可能是我们最后的手段。

实用型聚变反应堆

Practical fusion reactors

重大意义：核聚变有望产生廉价的、无碳的、永远在线的能源，没有核反应堆堆芯熔毁的危险，也几乎没有放射性废物。

主要研究者：Commonwealth Fusion Systems，国际热核聚变实验反应堆（ITER），美国劳伦斯利弗莫尔国家点火装置，Helion Energy，托卡马克能源公司（Tokamak Energy），通用聚变公司（General Fusion）

技术可实现性：大约10年

2021年9月， Commonwealth Fusion Systems 的研究人员对一块10吨重的D型磁铁缓慢充电并提升场强，直到它超过20特斯拉（T）。这是同类磁铁的一个新记录。该公司的创始人说，这一壮举解决了开发一个紧凑、廉价的聚变反应堆过程中所面临的主要工程挑战。

几十年来，核聚变发电一直是物理学家的梦想。在远高于1亿摄氏度的温度下，就像在太阳中一样，核子融合在一起，在此过程中释放出大量的能量。如果研究人员能够在地球上以可控和持续的方式实现这些反应，那么它就可以利用几乎无限的燃料来源，提供廉价、持续、无碳的电力来源。

在其中一种方法中，磁铁被用于将离子和电子的气体，即所谓的等离子体，限制在甜甜圈形状的反应器内。更强大的磁铁意味着更少的热量损失，从而使得更多的核聚变反应可以在一个更小、更便宜的设施内发生。这种改变不仅仅是一点点：磁场强度增加一倍，产生相同能量所需的等离子体的体积就会减少16倍。

尽管过去数十年的研究已经耗费数十亿美元的投资，但还没有人建造出一个产生能量比反应堆的消耗更多的核聚变工厂。但是，Commonwealth Fusion Systems 及其支持者充满希望，其他聚变初创公司和研究工作也报告了最近的进展。

Commonwealth Fusion Systems 正在建设一个工厂，以大规模生产磁铁，并为原型反应堆奠定基础。如果一切如愿，这家初创公司计划在21世纪30年代初期向电网提供聚变能源。

终结密码

The end of passwords

重大意义：各大公司终于改变了认证方式，不再使用极其不安全的字母和数字。

主要研究者：微软，谷歌，Okta，Duo（Alphabet 旗下）

技术可实现性：已实现

在20世纪60年代初，麻省理工学院教授费尔南多·科尔巴托（Fernando Corbató）正在开发一种新的共享计算机系统，并希望有一种方法让人们能够保护他们的私人文件，他的解决方案是使用密码。多年来，科尔巴托的解决方案战胜了其它技术手段，成为了我们登录几乎所有地方的标准方式。

那么问题是什么？密码本质上是不安全的。它可以被窃取、猜测或被暴力破解。但大多数情况下，人们会使用一些低级的密码。更糟糕的是，他们还重复使用。

像 Dashlane 和 1Password 这样的密码管理器可以为你追踪所有这些不同的字母数字，甚至可以替换掉那些薄弱的密码。但在安全方面，密码管理只是措施的一半，真正的行动是完全消除密码。

这一过程已经在进行中。像 Okta 和 Duo 这样面向企业的公司，以及像谷歌这样的个人身份供应商，都为人们提供了无需输入密码就能登录应用和服务的方法。同时，苹果公司的面部识别系统已将生物识别登录纳入主流。最值得注意的是，微软在2021年3月宣布，其部分客户可以完全不输入密码，随后在9月，告诉人们可以完全删除他们的密码。那些被称为“其他”的认证方法，终于取得了胜利。

你可能已经亲身经历过这种情况。你去登录一个网站或启动一个应用程序，但你没有被要求输入密码，而是被提示从认证应用程序中输入一个六位数的代码，点击你手机上的通知，或点击发送到你电子邮件的链接，抑或只需要把手机举到你的面前。这些操作都很简单。

至于输入一堆你必须回忆、写下或存储在数据库中的字符和符号？摆脱这一切吧。

AI蛋白质折叠

AI for protein folding

重大意义：DeepMind 通过解决生物学中一个困扰研究者长达50年的问题，为药物发现和设计开辟了新的道路。

主要研究者：DeepMind（Alphabet 旗下），lsomorphic Labs（Alphabet 旗下），Baker Lab（华盛顿大学）

技术可实现性：已实现

到2020年底，英国的人工智能实验室 DeepMind 已经在人工智能方面取得了许多令人印象深刻的成就。然而，当该小组预测蛋白质折叠的程序于当年11月发布时，生物学家对它的工作效果感到震惊。

你的身体所做的一切，几乎都是通过蛋白质完成的。因此，获悉单个蛋白质的作用对大多数药物开发和了解许多疾病都至关重要，而一个蛋白质的作用是由其三维结构决定的。

蛋白质是由氨基酸组成的，氨基酸会折叠成一个复杂而扭曲的结。确定这种形状，从而确定蛋白质的功能，需要在实验室中花费数月时间。多年来，科学家们一直在尝试用计算机预测的方法来使这一过程更容易。但是，没有一种技术能够接近人类所达到的准确性。

DeepMind 开发的 AlphaFold2 改变了这种情况。该软件使用一种称为深度学习的人工智能技术，可以预测蛋白质的形状，甚至精确到原子，这是计算机第一次达成与实验室中使用的速度较慢但结果准确的技术相当的水准。

世界各地的科学团队已经开始使用它来研究癌症、抗生素抗性和新冠病毒。

DeepMind 还建立了一个公共数据库，在 AlphaFold2 预测蛋白质结构时，它会将其填入数据库。这个数据库目前有大约80万个条目，DeepMind 说它将在明年增加超过1亿个条目，包含了几乎科学上已知的所有蛋白质。

DeepMind 已将这项工作孵化成一家名为 Isomorphic Labs 的公司，据说该公司将与现有的生物技术和制药公司合作。AlphaFold2 的真正影响可能需要一两年的时间才能明确，但其潜力正在世界各地的实验室中迅速展开。

PoS 权益证明

Proof of stake

重大意义：一种确保数字货币安全的替代方法可以结束加密货币的能源消耗困境。

主要研究者：Cardano，Solana，Algorand，以太坊

技术可实现性：以太坊2022年可实现

像比特币这样的加密货币需要使用大量的电力。2021年，比特币网络消耗了超过100太瓦时，比芬兰的年度能耗还要多。

权益证明提供了一种建立不需要耗能太多的网络的方法。如果一切按计划进行，世界第二大加密货币、运行各种应用程序的以太坊将在2022年上半年过渡到这种模式。预计这一转变将减少99.95%的能源使用。

加密货币在区块链上运行，通过交易产生的数字账本，其安全性必须得到保证，防止作弊者、欺诈者和黑客入侵。比特币和以太坊目前使用工作量证明算法来确保安全：“矿工”解决加密难题，从而竞争验证新交易区块的权利。成功的“矿工”会获得加密货币作为他们工作的奖励。

工作量证明意味着寻找数学难题的解决方案，这需要大量的计算能力，因此也需要电力。

有了权益证明，验证者不必相互争夺并在能源和计算硬件上投入巨大。相反，他们的加密货币缓存或权益，允许他们进入一个抽奖活动。那些被选中的人获得了验证一组交易的权力（并因此获得更多的加密货币）。在一些网络中，表现出不良行为的验证者会受到惩罚，从而失去一部分权益。

以太坊将成为使用权益证明的最大网络。它已经为该系统建立了一个新的区块链，且该系统一直在平行运行。现在需要发生的是“合并”，将实际执行交易和持有用户资产的“层”（Layer）转移过来，并在此过程中摒弃工作量证明。

如果成功，以太坊的股权证明区块链可以为广泛应用的节能技术创造条件。其他网络也考虑过转换，但他们似乎采取了观望的态度。

长时电网储能电池

Long-lasting grid batteries

重大意义：廉价、持久的铁基电池可以帮助分摊可再生能源的供应压力，并扩大清洁能源的使用范围。

主要研究者：ESS，Form Energy

技术可实现性：已实现

2021年4月，一个阳光明媚的下午，可再生能源打破了加州主要电网的记录，提供了足够的电力来满足94.5%的需求。这一时刻被誉为低碳化道路上的一个里程碑。但是，当太阳落山，微风停止，会发生什么？

处理可再生能源带来的波动式电力生产需要廉价的存储，时间为数小时甚至数天，新型的铁基电池可能能够胜任这一任务。

总部位于俄勒冈州的ESS公司，其电池可以储存4至12小时的能量，它在2021年推出了其第一个电网规模的项目。总部位于马萨诸塞州的 Form Energy 公司在2021年筹集了2.4亿美元，其电池可储存电能长达100小时，它的第一次安装将是在明尼苏达州的一个一兆瓦的试验工厂，预计将在2023年完成。

这两家公司都选择使用铁基电池，而铁是地球上最丰富的材料之一。这意味着他们的产品最终可能比其他电网存储候选者，如锂离子电池和钒系液流电池更便宜。

Form Energy 公司表示，其电池最终的成本可能仅为每千瓦时 20 美元，甚至低于未来几十年对锂离子电池的乐观预测。

但是，仍有一些挑战需要解决。铁基电池的效率通常很低，这意味着投入其中的相当一部分能量无法被回收。另外，副反应也会随着时间的推移而使电池退化。但是，如果铁基电池能够以足够低的成本被广泛部署，它们可以帮助更多人使用可再生能源供电。

AI数据生成

Synthetic data for AI