金属3D打印

　　21日，《麻省理工科技评论》正式公布了2018年“全球十大突破性技术”（10 Breakthrough Technologies 2018），为我们对2018年核心科技的发展提供了很好的前瞻指导。

　　这份指南已经发布17年之久，每年初都会带给科技行业最前沿的视角。今年，麻省理工评出的“全球十大突破性技术”涵盖：实用型金属3D打印、人造胚胎、智慧传感城市、面向每一个人的人工智能、对抗性神经网络、巴别鱼实时翻译耳塞、零碳天然气、完美的网络隐私保护、基因占卜、材料的量子飞跃。

　　#1 实用型金属3D打印（3D Metal Printing）

　　技术突破：目前最前沿的金属3D打印机已经可以快速、低成本地制造金属对象。

　　意义：按需制造大型复杂金属物体的能力，很可能会给制造业带来颠覆性改变。

　　关键参与者：Markforged、Desktop Metal、GE、EOS、SLM Solutions、西安铂力特

　　成熟期：现在

　　尽管3D打印面世已有数十年之久，但它很长一段时间内都只是爱好者和设计师手中用来制造一次性原型对象的工具。而要用塑料以外的材料（尤其是金属）来3D打印通常造价昂贵，而且速度很慢。

　　金属3D打印技术方面的突破，让3D打印成为大规模制造零部件和各种产品的一种实用方式。此外，制造商还无需大量库存这些零部件和产品——按需定制成为了可能，减少库存意味着成本的节约。

　　与一般的制造技术相比，金属3D打印技术可以制造更轻，更坚固的部件，以及传统金属制造方法无法实现的复杂形状。它还可以更精确地控制金属的微观结构。 2017年，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）的研究人员宣布，他们已经开发出了一种3D打印方法，制造出来的不锈钢部件强度是传统制造的部件的两倍。

　　同样在2017年，小型3D打印创业公司Markforged发布了第一台价格低于10万美元的金属3D打印机，创下了成本上的里程碑。

　　另一家波士顿地区的初创公司Desktop Metal于2017年12月开始销售其首批金属原型机。该公司计划开始销售专为制造而设计的大型机器设备，比传统的金属制造方法速度快100倍。

　　Desktop Metal现在提供的软件可以生成适用于3D打印的设计。用户可以自主设置程序，其中包含他们想要打印的对象的规格，并且利用软件设计好适合打印的计算机模型。

　　对通用电气（GE）而言，去年是它在3D打印技术方面收获颇丰的一年。GE一直在其航空产品中使用3D打印技术，该公司现在也正在测试一款新型3D金属打印机，该打印机打印速度很快，可用于大型零部件的生产。该公司计划于2018年开始销售该打印机。

　　#2 人造胚胎（Artificial Embryos）

　　技术突破：不使用卵子或精子细胞，研究人员可以直接从干细胞制造胚胎样结构，这为创造生命提供了一条全新的途径。

　　意义：人造胚胎将使研究人员更容易研究人类生命的神秘开端。

　　关键参与者：剑桥大学、密歇根大学、洛克菲勒大学

　　成熟期：现在

　　英国剑桥大学工作的胚胎学家在仅依靠干细胞的情况下培育出了逼真的小鼠胚胎。这种方式不需要卵子、精子，只需从另一个胚胎采集出细胞来。

　　“我们一直知道干细胞在的强大潜力中会带来神奇的结果。但我们万万意识不到，它们可以进行如此精美或完美的自我组织。”研究团队领导人Magdelena Zernicka-Goetz表示。

　　这一技术的突破，暗示我们很快就可以拥有没有鸡蛋的哺乳动物。

　　另一方面，人造胚胎无疑会引起道德争议。如果它们与真正的胚胎无法区分呢？在它们感到疼痛之前，可以在实验室中培养多久？生物伦理学家说，我们需要在科学比赛前进一步解决这些问题。

　　#3 智慧传感城市（Sensing City）

　　技术突破：多伦多街区的目标是成为首个将最先进城市设计与最先进数字技术“合体”的代表。

　　意义：智慧城市可以让城市地区更实惠、更宜居、更环保。

　　关键参与者：Sidewalk Labs、Waterfront Toronto

　　成熟期：项目于2017年10月公布，建设可能于2019年开始

　　全球范围内众多的智慧城市计划都在遭遇“搁浅”，高昂的耗资与成本也吓到许多人。

　　多伦多的一个名为Quayside的新项目希望通过从头开始重新思考城市社区并围绕最新的数字技术重建它，从而改变这种失败模式。

　　Alphabet旗下Sidewalk Labs实验室正与加拿大政府就多伦多工业滨水区的这一高科技项目进行合作。

　　该项目的目标之一是基于广泛的传感器网络的信息设计，策略和技术决策，这些传感器收集从空气质量到噪音水平到人们活动的所有信息。

　　该计划要求所有车辆实现自动化和共享。机器人会在地下“巡逻”，处理城市车队管理中的琐事。Sidewalk Labs表示，它将开放其创建的软件和系统的访问权限，以便其他公司可以在这一平台上构建服务，就像人们为移动电话构建应用程序一样。

　　Sidewalk Labs对公共基础设设的密切关注也引发了对数据治理和隐私的担忧。但它认为，可以与社区和当地政府合作来缓解这些担忧。

　　Waterfront Toronto是负责Quayside开发项目的公共机构，其他北美城市已经呼吁将其列入Sidewalk Labs这一项目的合作。该机构的首席执行官Will Fleissig说：“旧金山、丹佛、洛杉矶和波士顿等城市都纷纷自荐，希望能够参与这一项目。”

　　#4 面向每一个人的人工智能（AI for Everybody）

　　技术突破：基于云计算的AI使技术更便宜，更易于使用。

　　意义：目前，人工智能的大规模使用主要由个别巨头支配。但作为基于云计算的服务，它可以被更多人广泛使用，从而为经济带来推动力。

　　关键参与者：亚马逊、谷歌、微软

　　成熟期：现在

　　到目前为止，人工智能主要是亚马逊，百度，谷歌，微软等大型科技公司以及一些初创公司的玩具。对于许多其他公司和经济部分而言，AI系统太昂贵且太难以完全实施。

　　但是，基于云计算的机器学习工具可以将AI带给更广泛的受众。到目前为止，亚马逊的AWS在AI云计算领域走在了前沿。TensorFlow是一个开源的人工智能库，可用于构建其他机器学习软件，而谷歌等竞争对手已经在努力挑战这一系统。 最近谷歌宣布推出Cloud AutoML，这是一套预先训练好的系统，可以使AI更易于使用。

　　微软拥有自己的人工智能云平台，Azure正与亚马逊合作提供开源的深度学习图书馆--Gluon。Gluon被认为是是制造神经网络 - 人工智能中的一项关键技术，它可以粗略地模仿人类大脑的学习方式 - 就像构建智能手机应用程序一样简单。

　　目前还不确定哪家公司将成为提供人工智能云服务的领导者，但这对最前沿的研究者和公司们来说无疑是一个巨大的商机。

　　目前，AI主要用于高科技行业，并在此创造了效率并提供了新产品和服务。但许多其他企业和行业一直在努力充分地利用人工智能的进步。如果能够更充分地实施该技术，对医药、制造业和能源等行业也可以进行改革，对经济生产力将产生巨大的推动作用。

　　尽管如此，大多数公司仍然没有足够的人员知道如何使用云AI。所以亚马逊和谷歌也正在建立咨询服务。一旦云将技术置于几乎每个人都能接触到的范围内，真正的AI革命就可以开始。

　　#5 对抗性神经网络（Dueling Neural Networks）

　　技术突破：两个人工智能系统可以相互对接，创造超逼真的原始图像或声音，这是机器以前从未做过的。

　　意义：它赋予了机器类似想象力的功能，这可能会帮助他们减少对人的依赖 - 同时也将它们变成数字制作的超强大工具。

　　关键参与者：Google Brain、DeepMind、Nvidia

　　成熟期：现在

　　人工智能在识别事物方面越来越好：向它展示一百万张照片，它可以以惊人的准确度告诉您哪些照片描绘了行人正在穿越街道。但AI本身并没有希望生成行人图像。如果能做到这一点，它将能够创造出现实而合成的照片，描绘各种环境下的行人，这些自驾车可以单单依靠图片就可以训练自己，而不必出门上路。

　　创造一些全新的东西需要想象力——直到现在，这一尴尬仍在困扰着AI。

　　相应的解决方案萌芽于于2014年蒙特利尔大学博士生Ian Goodfellow的学术论证中。该方法称为生成对抗网络（Generative Adversarial Network），它采用两个神经网络——简化的数学模型支持大多数现代机器学习的人脑，并在数字化的“猫捉老鼠”游戏中互相攻击。

　　两个网络都使用相同的数据集进行训练。其中一个被称为发生器，负责为已经看到的图像创建变化，比如——可能是一个有三只手臂的行人图片。第二个被称为鉴别器，被要求确定它所看到的例子是像它被训练过的图像还是发生器产生的虚假图像。 最后，它可能就能判断出那个长着三个手臂的人是真人还是假的对象。

　　随着时间的推移，发生器可以很好地生成图像，鉴别器无法识别假货。实质上，发电机已经被教导识别并且然后创建逼真的行人图像。

　　该技术在过去十年中已成为人工智能领域最有希望的进展之一，能够帮助机器产生“欺骗”人类的结果。

　　对抗网络已被用于制作逼真的语音和逼真的虚拟图像。一个引人注目的例子是，来自芯片制造商Nvidia的研究人员为对抗网络提供了名人照片，为不存在的人创造了数百个可靠的面孔。另一个研究小组则制作了一些看起来像梵高作品的不具说服力的假画作。更进一步，对抗网络还可以通过不同的方式重新设计图像，比如使阳光明媚的道路看起来像雪一样，或将马匹变成斑马。

　　结果并不总是完美的，但因为图像和声音往往是非常现实的，所以一些专家认为，对抗神经网络正逐渐理解他们所看到和听到的世界的底层结构。这意味着，人工智能可能会获得一种更具独立能力的想象力，能够理解它在世界上看到的东西。

　　#6 巴别鱼实时翻译耳塞（Babel-Fish Earbuds）

　　技术突破：近乎达到实时翻译，现在适用于大量的语言，方便易用。

　　意义：在日益全球化的世界中，语言仍然是沟通的障碍。

　　关键参与者：谷歌、百度

　　成熟期：现在

　　在科幻迷们钟爱的《银河系漫游指南》中，只要将黄色的巴别鱼滑入耳中，就可以立刻听懂任意一种语言。在现实中，谷歌让这种神奇的语言沟通愿望成为了显示。其推出的巴别鱼耳塞名为Pixel Buds，159美元一对。可与Pixel智能手机和Google翻译应用程序配合使用，实现实时翻译。

　　在这一模式下，一个人佩戴耳塞，另一个人手持手机。佩戴耳塞的人用自己的语言讲话（默认是英语），然后谷歌翻译应用就会对所讲的话进行翻译，并在智能手机上大声播放。手持手机的人回应后，回答被翻译，然后在耳塞中播放。

　　谷歌翻译已经有一个对话功能，其iOS和Android应用程序让两个用户说话，因为它会自动找出他们正在使用的语言，然后翻译它们。但背景噪音可能会让应用程序很难理解人们在说什么，并且要弄清楚何时一个人已经停止说话，何时该开始翻译。

　　Pixel Buds解决了这些问题，因为穿戴者在说话时轻敲并按住右耳塞。手机和耳塞之间的拆分与交互，使得双方都可以控制麦克风，帮助讲者保持眼神交流，因为这样就不用来回传递手机了。

　　目前，Pixel Buds仍然被批设计欠佳。耳塞看起来很不智能，也不是很贴合耳朵，也很难用手机设置。并且其实很难与手机进行适配。

　　但硬件的问题可以得到改善，科技让接近实时的语言沟通成为了可能。

　　#7 零碳天然气（Zero-Carbon Natural Gas）

　　技术突破：发电厂可以高效且便宜地捕获燃烧天然气所释放的碳，避免温室气体排放。

　　意义：美国大约32％的电力是用天然气生产的，约占电力行业碳排放量的30％。

　　关键参与者：8 Rivers Capital、Exelon Generation、CB&I

　　成熟期：3-5年

　　在可预见的未来，天然气可能仍会作为我们的主要电力来源之一。它便宜且容易获得，目前占美国电力的30％以上，占全球电力的22％。虽然它比煤炭更清洁，但它仍然是碳排放的巨大来源。

　　位于美国休斯顿城外的一家发电厂正在测试一项技术，该技术可以使天然气产生的清洁能源成为现实。这家名为Net Power的公司正在开发高达50兆瓦特的项目。该公司相信他们能捕获天然气发电过程中释放的所有二氧化碳，同时又能够以低廉的成本发电——至少和标准天然气发电厂的成本相同。

　　一旦成功，这意味着世界有一种方法可以以合理的成本从化石燃料中产生无碳能源。这样的天然气工厂可以根据需要上下摆动，避免了核电的高资本成本，并避免了可再生能源通常提供的不稳定供应。

　　Net Power是技术开发公司8 Rivers Capital，Exelon Generation和能源建筑公司CB＆I之间的合作项目。该公司正在调试工厂并已开始初始测试。它打算在未来几个月发布早期评估的结果。

　　该工厂将燃烧天然气所释放的二氧化碳置于高压和高温环境中，使用所产生的超临界二氧化碳作为驱动特制涡轮机的“流体”。大部分二氧化碳可以连续循环使用，其余的可以低价捕获。

　　降低成本的关键在于出售部分二氧化碳。Net Power希望能拉动其他行业对二氧化碳的需求，比如水泥制造业、塑料制造业及其他碳基材料行业。

　　#8 完美的在线隐私保护（Perfect Online Privacy）

　　技术突破：计算机科学家正在完善一种加密工具来验证某些内容，而不会泄露证据背后的信息。

　　意义：如果您需要透露个人信息以在网上完成某件事情，那么这样做会更容易，而不会冒着隐私或冒着身份盗用的风险。

　　关键参与者：Zcash、摩根大通、荷兰国际集团ING

　　成熟期：现在

　　真正的互联网隐私最终可能成为可能，这要归功于一种新的工具。例如，可让您证明自己已超过18岁而不泄露您的出生日期，或证明您有足够的银行资金进行金融交易而不会泄露您的余额或其他细节。这限制了隐私泄露或身份盗用的风险。

　　该工具是一种新兴的密码协议，称为零知识证明。尽管研究人员已经研究了数十年，但过去一年的兴趣激增，部分原因是对加密货币越来越迷恋，其中大部分都不是私人的。

　　实用的零知识证明的大部分功劳归功于Zcash，这是一种在2016年末推出的数字货币。Zcash的开发人员使用了一种名为zk-SNARK的方法（用于“零知识简洁的非交互式知识论”），以为用户提供匿名交易的权力。

　　这在比特币和大多数其他公开的区块链系统中通常是不可能的，在这些系统中，每个人都可以看到交易。虽然这些交易在理论上是匿名的，但它们可以与其他数据结合起来追踪甚至识别用户。

　　全球第二大流行区块链网络Ethereum的创始人Vitalik Buterin将zk-SNARKs描述为“绝对改变游戏规则的技术”。

　　对于银行来说，这可能是在支付系统中使用区块链而不牺牲客户隐私的一种方式。去年，摩根大通将zk-SNARKs添加到其自己的区块链支付系统中。

　　尽管如此，zk-SNARKs计算量大，速度慢。他们还需要一个所谓的“可信赖的安装程序”，创建一个加密密钥，如果落入不法之徒手中，可能会危及整个系统的安全。但研究人员正在研究更有效地部署零知识证明的替代方案，并且不需要这样的密钥。

　　#9 基因占卜（Genetic Fortune Telling）

　　技术突破：科学家现在可以使用你的基因组来预测你患上心脏病或乳腺癌的机会，甚至你的智商。

　　意义：基于DNA的预测可能是下一个伟大的公共卫生进展，但它们会增加基因歧视的风险。

　　关键参与者：Helix、23andMe、Myriad Genetics、UKBiobank 、Broad Institute、华大基因、奕真生物、WeGene等

　　成熟期：现在

　　有一天，婴儿出生时会得到DNA报告卡。这些报告将提供关于他们患心脏病或癌症的几率，以及吸烟成瘾的几率、是否智力高于平均水平。

　　由于大型基因研究（个别研究涉及人数超过100万人）的开展以及科学进步，这样的报告很快就会从概念变成现实。

　　事实证明，大多数常见疾病以及许多行为和特征，包括智力，都不是由一个或几个基因产生的，而是由许多行为协调一致。利用大量正在进行的基因研究的数据，科学家正在创造他们所谓的“多基因风险评分”。

　　虽然新的DNA测试提供了概率，而不是诊断，但它们可以极大地改善医学。例如，如果乳腺癌高风险妇女获得更多乳房X线照片，而低风险妇女更少，那么这些检查可能会捕获更多真实的癌症，并减少误报。

　　制药公司也可以将这些分数用于预防性药物的临床试验，以治疗阿尔茨海默氏症或心脏病等疾病。通过选择更可能患病的志愿者，他们可以更准确地测试药物的效果。

　　但比较麻烦的是，预测并不完美。多基因评分也有争议，因为它们可以预测任何性状，而不仅仅是疾病。例如，他们现在可以预测一个人在IQ测试中的表现约为10％。随着分数的提高，DNA IQ预测很可能会成为常态。

　　#10 材料的量子飞跃（Materials' Quantum Leap）

　　技术突破：IBM采用7量子比特的量子计算机对小分子的电子结构成功地进行仿真计算。

　　意义：详细了解分子将使化学家能够设计出更有效的药物和更好的材料来生成和分配能量。

　　关键参与者：IBM、Google、哈佛大学Alán Aspuru-Guzik教授、中国科技大学、中国科学院、浙江大学、阿里巴巴等

　　成熟期：5-10年

　　强大的新量子计算机的前景带来了难题。他们能够胜任当今机器难以想象的计算能力，但我们还没有弄清楚我们可以用这些能力做什么。

　　一个可能的和诱人的可能性是——精确设计分子。

　　化学家们已经开始梦想用更有效的药物制造新蛋白质，更好的电池用新型电解质，可以将阳光直接转化为液体燃料的化合物以及效率更高的太阳能电池。

　　我们尚未实现这些可能，因为分子在传统计算机上难以建模。尝试在相对简单的分子中模拟电子的行为，并且遇到远远超出当今计算机能力的复杂性。

　　但对于量子计算机来说，这是一个自然的问题，它代替了代表1和0的数字位使用本身就是量子系统的“量子位”。最近，IBM的研究人员用七个量子位计算机来模拟由三个原子组成的小分子。

　　专家分析，应该有可能准确地模拟更大更有趣的分子，因为科学家们可以制造出更多量子位，更重要的是更好的量子算法。

[时间：2018-02-23  来源：前瞻网]