Однажды — и этот день не за горами — упомянутая в этой статье технология позволит вам фактически телепортироваться на большие расстояния и вживую ощутить рукопожатия и объятия других киберпутешественников. Также повседневным явлением вот-вот станут антропоморфные роботы (а также роботы, напоминающие животных), разработанные для общения с людьми; система, способная в считанные секунды установить точный источник вспышки пищевого отравления; крошечные линзы, которые проложат путь для миниатюрных камер и прочих устройств; прочные, биоразлагаемые пластики, которые можно изготовить из бесполезных растительных отходов; системы хранения данных на основе ДНК, где можно надежно разместить огромное количество информации; и многое другое.
Вместе с Всемирным экономическим форумом журнал «Сайентифик америкэн» собрал международную координационную группу ведущих экспертов в области технологий и занялся интенсивным исследованием с целью определить «Десятку лучших новейших технологий» этого года. Попросив экспертов по всему миру представить возможные кандидатуры, координационная группа проанализировала несколько десятков предложений в соответствии с рядом критериев. Могут ли предлагаемые технологии принести существенные выгоды обществу и экономике? Могут ли они изменить привычный нам порядок действий? Вызывают ли эти технологии, находящиеся на ранних стадиях разработки, большой интерес со стороны исследовательских лабораторий, компаний или инвесторов? Могут ли они в ближайшие несколько лет добиться значительных успехов на рынке? Когда это было необходимо, группа искала дополнительную информацию и в ходе четырех заочных заседаний отшлифовывала список кандидатов.
Мы надеемся, что вы останетесь довольны результатом, и будем рады вашим комментариям.
1. Окружающая среда: биопластики могут решить серьезную проблему загрязнения
Усовершенствованные растворители и ферменты превращают древесные отходы в более качественные биораспадающиеся пластики.
Хавьер Гарсия Мартинес (Javier Garcia Martinez)
Наша цивилизация построена на пластике. По данным Всемирного экономического форума, только в 2014 году промышленным способом было произведено 311 миллионов метрических тонн пластика, и ожидается, что к 2050 году эта цифра утроится. При этом переработке подвергается менее 15% использованного пластика. Большая часть пластиковых отходов сжигается, оседает на свалках или выбрасывается в окружающую среду, где, будучи устойчивым к разложению микроорганизмами, пластик может сохраняться на протяжении сотен лет. Пластмассовый мусор, накапливающийся в океане, влечет за собой множество проблем: начиная с гибели животных, в организм которых пластик попадает по ошибке, и заканчивая выбросом в воду токсичных соединений. Через зараженную рыбу пластик может проникнуть и в организм человека.
Биоразлагаемые пластики могут частично избавить нас от этих проблем и приблизить к поставленной цели — «безотходной» экономике, при которой пластик производится из биомассы и в нее же трансформируется после использования. Подобно тому как стандартные пластмассы получают из нефтехимических продуктов, их биоразлагаемые версии состоят из полимеров (длинноцепочечных молекул), которые, находясь в жидком состоянии, могут быть отлиты в самые разные формы. Однако доступные на данный момент варианты такого пластика, — в основном их делают из кукурузы, сахарного тростника или отработанных жиров и масел, — как правило не могут похвастаться механической прочностью и визуальными характеристиками, отвечающими принятым стандартам. Найденное недавно инновационное решение производить пластмассы из целлюлозы или лигнина (одеревеневшие стенки растительных клеток), скорее всего, поможет избавиться от этих недостатков. Еще один положительный момент для окружающей среды заключается в том, что целлюлозу и лигнин можно получить из непищевых растений, таких как арундо тростниковый, который можно выращивать на малоплодородных землях, не пригодных для пищевых культур, либо из древесных отходов и побочных продуктов сельского хозяйства, которые в противном случае не приносили бы никакой пользы.
Целлюлоза, самый распространенный органический полимер на земле, является основным компонентом клеточных стенок растений; лигнин заполняет пространство в этих стенках, обеспечивая им прочность и жесткость. Чтобы изготовить из этих веществ пластмассы, производители должны сначала разбить их на структурные элементы, или мономеры. Совсем недавно исследователи нашли способы сделать это для обоих веществ. Функция лигнина играет особенно важную роль, поскольку мономеры лигнина состоят из ароматических колец — химических структур, которые придают некоторым стандартным пластмассам их механическую прочность и другие необходимые свойства. Лигнин не растворяется в большинстве растворителей, но исследователи доказали, что отдельные экологически чистые ионные жидкости (состоящие главным образом из ионов) могут избирательно отделять его от древесины и древесных растений. Генетически сконструированные ферменты, подобные тем, что содержатся в грибках и бактериях, впоследствии способны расщеплять растворенный лигнин на отдельные компоненты.
Компании берут эти открытия на вооружение. Так, «Крисаликс текнолоджиз» (Chrysalix Technologies), отделение Имперского колледжа Лондона, разрабатывает процесс, в ходе которого можно с помощью недорогих ионных жидкостей извлечь целлюлозу и лигнин из исходных материалов. Финская биотехнологическая компания «Метген ой» (MetGen Oy) производит целый ряд генетически сконструированных ферментов, которые расщепляют лигнины разного происхождения на компоненты, необходимые для широкого спектра применений. А «Мобиус» (Mobius, ранее Grow Bioplastics) разрабатывает пластиковые гранулы на основе лигнина для использования в биоразлагаемых цветочных горшках, сельскохозяйственных мульчах и других продуктах.
Прежде чем новые пластмассы станут продуктом массового использования, нужно будет преодолеть множество препятствий. Одним из них является стоимость. Другое заключается в том, чтобы свести к минимуму количество земли и воды, используемых для их производства — даже если лигнин будет извлекаться только из отходов, для превращения его в пластик необходима вода. Как и в случае любой другой серьезной задачи, для ее решение потребуется целый комплекс мер: начиная с нормативных актов и заканчивая добровольным изменением тех способов, которыми общество использует пластик и утилизирует его. Так или иначе, новые методы производства биоразлагаемого пластика служат прекрасным примером того, как более экологичные растворители и более эффективные биокатализаторы могут способствовать созданию безотходной экономики в области крупной промышленности.
2. Технические разработки: социальные роботы, с которыми легко найти общий язык
Роботы - друзья и помощники все глубже проникают в нашу жизнь.
Коринна Э. Латан (Corinna E. Lathan) и Джеффри Линг (Geoffrey Ling)
В промышленности и медицине использование роботов при строительстве, разборке и проверке вещей стало обычным явлением; они также помогают хирургам в ходе операций и по рецепту отпускают лекарства в аптеках. Ни они, ни «социальные» роботы, — предназначенные для взаимодействия с людьми и установления эмоциональной связи, — не ведут себя как горничная Рози из сериала «Джетсоны» или какой-то другой полюбившийся нам антропоморфный робот из фильмов и книг. И все же в ближайшие несколько лет социальные роботы должны стать более сложными и получить широкое распространение. Похоже, эта область подошла к поворотному моменту: сегодня роботы обладают более обширными интерактивными возможностями и выполняют больше полезных задач, чем когда-либо прежде.
Подобно большинству роботов, социальные роботы используют искусственный интеллект, чтобы выбирать порядок действий в соответствии с информацией, полученной через камеры и другие датчики. Способность роботов реагировать так, как это обычно свойственно живым людям, была разработана на основе исследований того, как формируется восприятие, что составляет социальный и эмоциональный интеллект, и каким образом люди могут угадывать мысли и чувства других людей. Достижения в области искусственного интеллекта позволили дизайнерам перевести эти психологические и нейронаучные наблюдения 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; вести непринужденную беседу; адаптироваться к потребностям людей, усваивая уроки из обратной связи, поощрений и критики.
Как следствие, социальные роботы начинают играть все более разнообразные роли. Так, 47-дюймовый человекоподобный робот по имени Пеппер (от SoftBank Robotics) распознает лица и основные человеческие эмоции и участвует в разговорах через сенсорный экран, расположенный у него в «груди». Около 15 тысяч таких Пепперсов по всему миру служат регистраторами в отелях, обслуживают клиентов в аэропорту, помогают с покупками и оформляют заказы фастфуда. Теми (от Temi USA) и Лумо (от Segway Robotics) — персональные помощники нового поколения, они похожи на «Амазон эхо» (Amazon Echo) и «Гугл хоум» (Google Home), но при этом мобильны и обеспечивают новый уровень функциональности. Так, Лумо не только выполняет роль компаньона, но и по команде может трансформироваться в самокат для передвижения.
Социальные роботы особенно необходимы для того, чтобы помогать пожилым людям, число которых в мире неуклонно растет. Терапевтический робот ПАРО (PARO, разработан Японским национальным институтом передовых промышленных наук и технологий), который выглядит как пушистый морской котик, предназначен для стимуляции и снижения стресса у людей с болезнью Альцгеймера, а также у других пациентов медицинских учреждений: робот реагирует на свое имя движением головы и просит ласки. Мабу (от Catalia Health) оказывает пациентам, особенно пожилым людям, оздоровительную помощь, напоминая им о прогулках и времени приема лекарств, а также о том, чтобы они позвонили членам своей семьи. Социальные роботы также завоевывают популярность среди потребителей в качестве игрушек. Первые попытки наделить игрушки социальным поведением, — такие как Hasbro's Baby Alive и Sony AIBO-робот, — имели ограниченный успех. Но сегодня оба робота получают новую жизнь: самая последняя версия AIBO обладает сложным механизмом распознавания голоса и жестов, способна обучаться трюкам и вырабатывает новые модели поведения на основе предыдущих взаимодействий.
Продажи роботов для отдельных потребителей по всему миру в 2018 году достигли 5,6 миллиарда долларов и ожидается, что к концу 2025 года этот рынок вырастет до 19 миллиардов, когда ежегодно будет продаваться более 65 миллионов роботов. Эта тенденция может показаться удивительной, если учесть, что целый ряд хорошо финансируемых компаний по производству роботов для потребителей, такие как «Джибо» (Jibo) и «Анки» (Anki), потерпели неудачу. Однако роботы продолжают выстраиваться в очередь, чтобы сменить тех, что уже вышли из употребления, к примеру «БАДДИ» (BUDDY от Blue Frog Robotics), большеглазое передвижное устройство, которое не только выполняет роль личного помощника и обеспечивает домашнюю автоматизацию и безопасность, но и может играть с вами.
3. Технические решения: крошечные линзы позволят создавать миниатюрные оптические устройства
Теперь управлять светом можно будет с помощью тонких и плоских металинз, которые заменят громоздкую оптику.
Альберто Москателли (Alberto Moscatelli)
В то время как телефоны, компьютеры и другая электроника уменьшаются в размерах у нас на глазах, их оптические компоненты упорно отказываются следовать этому примеру. Стоит отметить, что изготавливать крошечные линзы с помощью традиционных технологий резки и сгибания стекла довольно трудно, и элементы стеклянной линзы зачастую необходимо складывать в несколько слоев, чтобы правильно фокусировать свет. Недавно инженеры открыли, какие физические законы стоят за гораздо меньшими и более легкими альтернативами, известными как металинзы. Эти линзы могли бы значительно уменьшить в размерах микроскопы и другие лабораторные инструменты, равно как и потребительские товары, такие как камеры, гарнитуры виртуальной реальности и оптические датчики для технологии «Интернета вещей». К тому же они могли бы повысить функциональность оптических волокон.
Самым существенным прорывом прошлого года стало найденнное исследователями решение для проблемы под названием хроматическая аберрация. Когда белый свет проходит через типичную линзу, лучи с разными длинами волн отклоняются под разными углами и таким образом фокусируются на разных расстояниях от линзы; чтобы исправить этот эффект, инженерам сегодня приходится довольно причудливым образом подгонять линзы друг к другу. Теперь одна металинза может фокусировать все волны белого света в одной точке. Помимо «ахроматических» металинз ученые разработали металинзы, которые исправляют другие аберрации, такие как кома и астигматизм, которые являются причиной искажения и размытости изображения.
Металинзы должны не только уменьшить размер линз, но и значительно снизить стоимость оптических компонентов, поскольку крошечные линзы можно производить на том же оборудовании, которое уже используется в полупроводниковой промышленности. Эта особенность открывает привлекательную перспективу изготовления, скажем, оптического и электронного компонентов крошечного светового датчика на одном и том же промышленном объекте.
Пока же, однако, расходы по-прежнему высоки, поскольку с высокой точностью разместить наноразмерные элементы на микросхеме сантиметрового размера еще трудно. И это не единственное ограничение, которое требуется устранить. Пока что металинзы не пропускают свет так же эффективно, как традиционные линзы, — а между тем это свойство крайне важно для многих сфер применения, например, для получения полноцветного изображения. Кроме того, они слишком малы, чтобы захватывать большое количество света, а это означает, что по крайней мере пока они не подходят для получения качественных фотографий.
Тем не менее в ближайшие годы крошечные линзы, вероятно, станут частью более миниатюрных и простых в изготовлении датчиков, диагностических инструментов вроде устройства для эндоскопической визуализации, а также оптических волокон. Эти потенциальные направления практического применения выглядят довольно привлекательно, чтобы вызвать интерес у государственных учреждений и таких компаний, как «Самсунг» и «Гугл», которые готовы оказывать поддержку исследованиям. По крайней мере один стартап, «Металенз» (Metalenz), планирует вывести металинзы на рынок в течение следующих нескольких лет.
4. Медицина и биотехнологии: особый класс белков предлагает перспективные объекты для воздействия с точки зрения разработки лекарств от рака и болезни Альцгеймера
Новые возможности для лечения рака и других болезней.
Элизабет O'Дей (Elizabeth O'Day)
Несколько десятилетий назад ученые обнаружили особый класс белков, которые вызывают ряд болезней: начиная с рака и заканчивая нейродегенеративными заболеваниями. Эти «внутренне неупорядоченные белки» (ВНБ) отличались от белков с жесткими структурами, более привычными в клетках. ВНБ постоянно меняли форму, являя собой совокупность компонентов, конфигурация которых пребывала в постоянном движении. Оказывается, такая рыхлая структура позволяет ВНБ в критические моменты, например, во время реакции клетки на стресс, собирать воедино самые разнообразные молекулы. Менее гибкие белки, как правило, имеют более ограниченное число партнеров по связыванию. Когда ВНБ не функционируют должным образом, может развиться болезнь.
Однако исследователи в области медицины не могут найти методы лечения для устранения неисправных ВНБ или регулирования их работы. Считается, что многие из них не поддаются медикаментозному лечению, поскольку большинство современных лекарств способны воздействовать только на устойчивые структуры, между тем ВНБ не могут долго оставаться неподвижными. Хорошо известные беспорядочные белки, которые могут способствовать раку, — включая c-Myc, p53 и K-RAS, — оказались слишком трудноуловимыми. Но эта картина постепенно начинает меняться.
Строгие биофизические комбинации, вычислительные мощности и более отчетливое понимание того, как функционируют ВНБ, помогают ученым выявлять соединения, которые ингибируют эти белки, и некоторые из них уже стали надежными кандидатами в будущие лекарства. В 2017 году исследователи из Франции и Испании продемонстрировали, что обнаружить и поймать изменчивый «расплывчатый» интерфейс ВНБ возможно. Они показали, что одобренный Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (Food and Drug Administration или FDA) препарат под названием трифлуоперазин (который используется 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 с точки зрения их терапевтического потенциала выявили из них ряд тех, что подавляют c-Myc, и некоторые из них уже на пути к клинической разработке. Были идентифицированы дополнительные молекулы, которые работают в ВНБ, такие как бета-амилоиды, имеющие отношение к таким заболеваниям, как болезнь Альцгеймера.
Этот список будет пополняться, особенно по мере того как будет проясняться роль ВНБ в важнейших частях клеток, известных как безмембранные органеллы. Их часто называют капельками или конденсатами, в определенные моменты эти органеллы соединяют друг с другом жизненно важные клеточные молекулы, такие как белки и РНК, не допуская к ним другие. Эта близость позволяет некоторым реакциям протекать быстрее; а другие, напротив, предотвращает. Ученые разработали новые мощные инструменты для молекулярных манипуляций, которые называются «Корелетс» (Corelets) и «Касдроп» (CasDrop): они позволяют исследователям контролировать формирование этих капель. Используя эти и другие инструменты, исследователи поняли, что ВНБ могут способствовать контролю, соединению, функционированию и разъединению этих капель.
Даннное открытие имеет важное значение, потому что во время формирования и разрушения капель ВНБ взаимодействуют с разными партнерами по связыванию и иногда в течение нескольких мгновений сохраняют свои новые формы. Возможно, что найти лекарства, которые обнаруживают и улавливают эти формы, проще, чем найти соединения, способные поразить ВНБ в их изменчивых обликах. Исследователи по всему миру предпринимают первые попытки раскрыть этот связанный с каплями механизм.
Промышленность тоже делает ставку на терапевтический потенциал ВНБ. Биотехнологическая компания IDP Pharma разрабатывает тип ингибитора белка для лечения множественной миеломы и мелкоклеточного рака легкого. «Граффинити фармацевтикалз» (Graffinity Pharmaceuticals), входящая в состав компании NovAliX, выявила синтетические препараты, способные поразить неупорядоченный белок, называемый «тау», который участвует в патологии Альцгеймера. Компания «Кантабио фармацевтикалз» (Cantabio Pharmaceuticals) ищет препараты для стабилизации ВНБ, участвующих в нейродегенерации. А новая компания под названием «Дюпон терапевтикс» (Dewpoint Therapeutics) исследует гипотезу о том, что капли и их неупорядоченные компоненты могут использоваться в качестве объектов воздействия лекарственных препаратов благодаря своей способности объединять молекулы для усиления реакций. Весьма вероятно, что в ближайшие три-пять лет эти некогда «не поддающиеся лечению» белки окажутся в центре фармацевтических разработок.
5. Окружающая среда: умные удобрения могут снизить уровень загрязнения окружающей среды
Новые разработки обеспечивают почву питанием, только когда это необходимо.
Джефф Карбек (Jeff Carbeck)
Чтобы прокормить растущее население планеты, фермеры должны повышать урожайность. Этому может в том числе способствовать использование большего количества удобрений. Однако стандартные методы работают неэффективно и зачастую наносят вред окружающей среде. К счастью, более экологически чистые средства — удобрения с контролируемым высвобождением питательных веществ — доступны и с каждым разом становятся все умнее.
По сути, существует два способа, которыми фермеры удобряют свой урожай. Они опрыскивают поля аммиаком, мочевиной или другими веществами, которые при взаимодействии с водой выделяют питательный азот. Либо они используют гранулы калия или других минералов для производства фосфора, который также возникает при реакции с водой. Между тем растениям достается довольно небольшая доля этих питательных веществ. Вместо этого большая часть азота попадает в атмосферу в виде парниковых газов, а фосфор оказывается в водосборных бассейнах, нередко провоцируя чрезмерный рост водорослей и прочих организмов. Составы с контролируемым высвобождением питательных веществ, напротив, могут гарантировать более высокий уровень питания самих зерновых культур, что обеспечивает более высокую урожайность при использовании меньшего количества удобрений.
Так называемые удобрения с медленным высвобождением питательных веществ уже некоторое время находятся в продаже. Как правило, в их состав входят крошечные капсулы, заполненные веществами, содержащими азот, фосфор и другие необходимые питательные вещества. Внешняя оболочка замедляет не только скорость, с которой вода проникает к содержимому для высвобождения питательных веществ, но и скорость, с которой эти вещества высвобождаются из капсулы. В результате питательные вещества дозируются постепенно, а не вбрасываются разом в том количестве, которое не может быть эффективно поглощено растением. Новейшие составы включают в себя вещества, которые еще больше замедляют доставку питательных веществ, затормаживая превращение исходных веществ, таких как мочевина, в питательные вещества.
Недавно были разработаны удобрения, которые в наибольшей степени соответствуют описанию «контролируемое высвобождение», это стало возможным благодаря сложным материалам и технологиям изготовления, которые могут регулировать скорость высвобождения питательных веществ оболочкой по мере изменения температуры, кислотности или влажности почвы. Комбинируя различные типы запрограммированных капсул, производители могут производить удобрения, адаптированные к потребностям конкретных культур или условий выращивания. Haifa Group и ICL Specialty Fertilizers, принадлежат к числу кампаний, которые предлагают более точный контроль. Так, Haifa связывает скорость высвобождения питательных веществ исключительно с температурой; по мере повышения температуры увеличиваются и темпы роста культур и выброса питательных веществ.
Хотя технологии с контролируемым высвобождением обеспечивают удобрениям большую эффективность, они не устраняют всех недостатков их использования. Эти продукты по-прежнему включают в себя аммиак, мочевину и калий, среди прочего; производство этих веществ является энергоемким, то есть может способствовать производству парниковых газов и изменению климата. Однако этот эффект можно смягчить, если использовать более безопасные для окружающей среды источники азота и включить микроорганизмы, которые повышают эффективность поглощения азота и фосфора растениями. У нас нет никаких доказательств того, что материалы, из которых изготовлены оболочки, наносят вред окружающей среде, но этот риск необходимо принимать во внимание всякий раз, когда в больших объемах вводятся какие-либо новые вещества.
Удобрения с контролируемым высвобождением питательных веществ являются элементом экологичного подхода к сельскому хозяйству, известного как прецизионное земледелие. Этот подход повышает урожайность и сводит к минимуму чрезмерное высвобождение питательных веществ путем сочетания таких технологических новшеств, как анализ данных, искусственный интеллект и различные сенсорные системы, цель которых точно определить, сколько удобрений и воды необходимо растениям в определенный момент времени, а также путем использования автономных транспортных средств для доставки питательных веществ в предписанных количествах и местах. Правда, установка прецизионных систем — дорогостоящий процесс, так что их могут позволить себе только крупные производства. Если сравнивать, то современные удобрения с контролируемым высвобождением питательных веществ относительно недороги и могут стать передовой технологией, которая поможет фермерам увеличить урожайность экологически безопасным путем.
6. Информатика: совместное телеприсутствие сможет (до некоторой степени) сделать расстояние неважным
Участники виртуальных встреч будут ощущать физическое присутствие друг друга.
Коринна Э. Латан (Corinna E. Lathan) и Эндрю Мейнард (Andrew Maynard)
Представьте себе группу людей в разных уголках планеты, которые спокойно взаимодействуют друг с другом так, будто они физически находятся рядом, и даже могут ощутить прикосновения собеседников. Компоненты, обеспечивающие возможность такого «совместного телеприсутствия», могут изменить способы нашего взаимодействия в процессе работы и игры, делая физическое местоположение не играющим особой роли.
Подобно тому, как приложения для видеовызовов, вроде «Скайп» и «Фейстайм», сделали доступным для широкого круга потребителей то, что некогда принадлежало сфере бизнеса, а массовые многопользовательские онлайн-игры радикально изменили то, как люди взаимодействуют в интернете, совместное телеприсутствие может изменить то, как люди фактически взаимодействуют в профессиональной сфере и за ее пределами. Медицинские работники смогут удаленно работать с пациентами, как если бы они находились в одном помещении. А друзья и члены семьи смогут вместе наслаждаться общением в уютной комнате или прогулкой по новому городу, даже если на самом деле их разделяют расстояния.
Прогресс, достигнутый в ряде областей, сделал эту перспективу осуществимой. Технологии дополненной реальности (AR) и виртуальной реальности (VR) постепенно становятся доступными для широкого распространения. Телекоммуникационные компании развертывают сети 5G и делают это достаточно быстро, чтобы бесперебойно обрабатывать массу данных, получаемых из современных матриц датчиков. Изобретатели совершенствуют технологии, которые позволяют людям физически взаимодействовать с удаленными средами, включая сенсорные датчики, позволяющие ощутить, к чему прикасаются их роботизированные аватары. Полное сенсорное погружение, предусмотренное для совместного телеприсутствия, потребует существенно меньших временных задержек, чем те, что допускают видеозвонки, — и порою они могут стать излишней нагрузкой даже для сетей 5G, — однако алгоритмы прогнозирующего ИИ могут устранить возникающее у пользователя ощущение временных промежутков.
Хотя технология совместного телеприсутствия все еще находится на стадии становления, все готово для того, чтобы в ближайшие три-пять лет она начала оказывать трансформирующее воздействие на наше общество. К примеру, «Майкрософт» и другие компании уже вкладывают средства в технологии, которые, как ожидается, к 2025 году станут основой многомиллиардной индустрии. И фонд XPRIZE объявил о начале конкурса ANPR Avatar XPRIZE, победитель которого получит приз в размере десяти миллионов долларов (спонсором выступит All Nippon Airways), чтобы стимулировать 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». Поскольку все взаимосвязано, стоит ожидать коренных изменений в повседневной жизни и работе, которые по своей революционности сравнятся с массовым распространением смартфонов.
7. Здравоохранение: передовая система отслеживания продуктов питания и их упаковки спасет жизни и сократит отходы
Сочетание двух технологий может значительно повысить безопасность пищевых продуктов.
Рона Чандравати (Rona Chandrawati) и Бернард С. Мейерсон (Bernard S. Meyerson)
По данным Всемирной организации здравоохранения, ежегодно от пищевых отравлений страдают около 600 миллионов человек, а в 420 тысячах случаев пищевые отравления становятся причиной смерти. Когда происходит вспышка, специалисты могут потратить несколько дней и даже недель на определение ее источника. За это время жертвами пищевых отравлений может стать еще больше людей, а огромное количество незараженной пищи может быть выброшено вместе с испорченными продуктами. Поиск источника может занять много времени, поскольку еда совершает сложный путь от фермерского хозяйства к столу потребителя, и информация об этих маршрутах хранится в локальных системах, которые зачастую не взаимодействуют друг с другом.
При этом две технологии — сообща — могут сократить число пищевых отравлений и пищевые отходы одновременно. Первая из них, инновационное применение технологии блокчейна (которая обычно используется для управления виртуальной валютой), начинает решать задачу отслеживаемости. А улучшенная упаковка пищевых продуктов тем временем предоставляет новые способы определять то, хранились ли продукты при надлежащих температурах и могли ли они испортиться.
Блокчейн — это децентрализованная система учета, в которой записи регистрируются последовательно в нескольких идентичных «регистрах», хранящихся на компьютерах в разных местах. Эта избыточность делает бесполезными попытки взлома какой бы то ни было системы учета, создавая крайне надежную систему регистрации транзакций. Облачная платформа на основе блокчейна, разработанная для пищевой промышленности — «Ай-би-эм фуд траст» (IBM Food Trust) — уже используется крупнейшими продавцами продуктов питания. (Один из нас, Мейерсон, работает в «Ай-би-эм».)
Включая производителей, дистрибьюторов и розничных продавцов в единую цепочку блоков, «Фуд траст» создает надежный учет марштура следования конкретного продукта через полную цепочку поставок. В ходе тестирования этой технологии торговая компания «Уолмарт» (Walmart) обнаружила происхождение «испорченной» единицы за считанные секунды; при стандартном сочетании записанных и цифровых данных это заняло бы несколько дней. С помощью этой возможности розничные продавцы и рестораны могут практически немедленно вывести испорченный продукт из обращения и уничтожить только запасы, полученные из того же источника (скажем, конкретного производителя римского салата), вместо того чтобы уничтожать национальный запас этого продукта целиком. Многие гиганты пищевого бизнеса — «Уолмарт», «Кэафор» (Carrefour), «Сэмс клаб» (Sam's Club), «Альбертсонс компаниз» (Albertsons Companies), «Смитфилд фудз» (Smithfield Foods), «Бифчейн» (BeefChain), "Уэйкферн фуд«"(Wakefern Food) и «Топко ассошиэйтс» (Topco Associates, организация по массовым закупкам) — присоединились к «Ай-би-эм фуд траст». Другие организации также внедряют технологию блокчейна для улучшения отслеживаемости.
Во-первых, 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. Например, «Таймстрип Ю-Кей» (Timestrip UK) и «Витсаб интернэшнл» (Vitsab International) независимо друг от друга создали сенсорные метки, которые меняют цвет, если продукт подвергался воздействию температур, превышающих рекомендуемые, а «Инсигниа текнолоджиз» (Insignia Technologies) продает сенсор, который медленно меняет цвет после открытия упаковки и указывает, когда пришло время выбросить еду. (Цвет меняется быстрее, если продукт не хранится при надлежащей температуре.) Также разрабатываются датчики, которые выявляют газообразные побочные продукты порчи. Помимо предотвращения болезней такие датчики могут уменьшить количество отходов, показывая, что пища безопасна для употребления.
Стоимость продолжает оставаться главным препятствием для повсеместного использования датчиков. Тем не менее существующая в пищевой промышленности необходимость обеспечивать безопасность пищевых продуктов и ограничивать отходы продвигает эту технологию и блокчейн вперед.
8. Энергетика: безопасные ядерные реакторы уже не за горами
Надежное топливо и инновационные реакторы могут способствовать возрождению ядерной энергетики.
Марк Фишетти (Mark Fischetti)
Контроль над содержанием углерода в атмосфере потребует целого ряда энергетических технологий — в том числе, вероятно, ядерных реакторов, которые не выделяют продукты сгорания, но после нескольких крупных аварий считаются опасными. Этот риск можно существенно сократить.
Коммерческие реакторы десятилетиями используют 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 множество стержней, погруженных в воду внутри активной зоны реактора, тем самым обеспечивая ход самоподдерживающейся тепловой ядерной реакции.
Беда в том, что в случае перегрева цирконий может вступить в реакцию с водой и произвести взрывоопасный водород. Этот сценарий послужил причиной двух самых страшных аварий ядерных реакторов в мире: потенциального взрыва и частичного расплавления на АЭС «Три-Майл-Айленд» в США в 1979 году, а также взрыва и выброса радиации на «Фукусима-дайити» в 2011 году в Японии. (Чернобыльская авария 1986 года была связана с неправильным проектом и эксплуатацией реактора.)
Производители, такие как «Вестигхаус электрик компани» (Westinghouse Electric Company) и «Фраматом» (Framatome), форсируют разработку ядерного топлива, устойчивого к тяжелым авариям, которое в меньшей степени подвержено перегреву, — в этом случае оно будет вырабатывать ничтожное количество водорода или не вырабатывать его вообще. В некоторых вариантах оболочка из циркония имеет специальное покрытие, чтобы минимизировать реакции. В других цирконий и даже диоксид урана заменены другими материалами. Новую комплектацию можно добавить в существующие реакторы с небольшими изменениями, так что эти компоненты могут быть введены в эксплуатацию в течение 2020-х годов. Уже начатые скрупулезные испытания должны доказать свою успешность и удовлетворить требованиям контролирующих органов. В результате новые виды топлива могут помочь станциям работать более эффективно, делая атомную энергетику более конкурентоспособной, что является важной мотивацией для производителей и электроэнергетики, поскольку природный газ, солнечная энергия и энергия ветра стоят дешевле.
Хотя развитие ядерной энергетики в США приостановилось, а в Германии и других странах постепенно сходит на нет, Россия и Китай довольно агрессивно продвигаются вперед в данной области. Эти рынки могут быть прибыльными для производителей новых видов топлива.
Россия вводит и другие меры безопасности; новейшие энергоустановки, разработанные государственной компанией «Росатом» и применяемые в стране и за рубежом, располагают новейшими «пассивными» системами безопасности, которые могут снимать перегрев, даже если на станции происходит сбой электроэнергии и охлаждающая жидкость не может активно циркулировать.
«Вестингхаус» и другие компании также включили функции пассивной безопасности в свои обновленные проекты.
Производители экспериментируют с моделями «четвертого поколения», в которых вместо воды используется жидкий натрий или расплавленная соль для передачи тепла, полученного в ходе ядерного распада, это исключает возможность опасного производства водорода. По сообщениям, в этом году Китай намерен подключить демонстрационный реактор с гелиевым охлаждением к своей энергосистеме.
Нехватка политической сознательности по вопросу о постоянном захоронении ядерных отходов в глубокие геологические формации долгое время затормаживала процесс расширения данной отрасли в США. Сегодня ситуация может измениться. Интересно, что более дюжины американских законодателей недавно предложили меры по возобновлению лицензирования хранилища ядерных отходов АЭС «Юкка-Маунтин» в Неваде, которое с 1987 года считается ведущим хранилищем в стране. Тем временем сенатор от Аляски Лиза Мурковски (Lisa Murkowski) выступает за разработку маленьких модульных реакторов в Национальной лаборатории штата Айдахо. («Росатом» также производит небольшие реакторы.) И группа западных государств заключила предварительную соглашение с «Нюскейл Пауэр» (NuScale Power) в Орегоне на приобретение дюжины модульных реакторов. Улучшенное топливо и внедрение небольших реакторов могут серьезно способствовать возрождению атомной энергетики.
9. Медицина и биотехнологии: перспектива хранения данных ДНК ближе, чем вы полагаете
Ученые адаптируют естественную систему хранения информации об организме для обработки огромного количества данных.
Санг Юп Ли (Sang Yup Lee)
По данным компании-разработчика ПО «Домо» (Domo), каждую минуту в 2018 году «Гугл» обрабатывал 3,88 миллиона поисковых запросов, а люди просматривали 4,33 миллиона видео на «Ютубе», отправляли 159 362 760 электронных писем, оставляли 473 000 твитов и публиковали 49 000 фотографий в «Инстаграме». К 2020 году во всем мире будет создаваться примерно 1,7 мегабайта данных в секунду в расчете на одного человека, что равняется примерно 418 зетабайтам в год (или 418 миллиардам жестких дисков объемом один терабайт), если оценивать численность жителей планеты в 7,8 миллиарда человек. Магнитные или оптические системы хранения данных, которые в данный момент содержат этот объем нулей и единиц, как правило, могут служить в лучшем случае до ста лет. Кроме того, для работы центров обработки данных требуется огромное количество энергии. Короче говоря, хранение данных вот-вот станет серьезной проблемой, которая со временем только усугубится.
Правда, сегодня появляется альтернатива жестким дискам: речь идет о хранении данных на основе ДНК. ДНК, состоящая из длинных цепочек нуклеотидов A, T, C и G, является материалом для хранения информации о живом организме. Данные могут храниться в последовательности этих букв, превращая ДНК в новую форму информационных технологий. Сегодня ее уже без труда упорядочивают (прочитывают), синтезируют (записывают) и точно копируют. Кроме того, ДНК отличается невероятной стабильностью, о чем свидетельствует полное секвенирование генома у ископаемой лошади, которая жила более 500 тысяч лет назад. И ее хранение не требует много энергии.
Зато объем памяти ДНК поражает воображение. ДНК способна исправно хранить огромное количество данных, обладая информационной плотностью, которая во много раз превышает плотность электронных устройств. Так, по подсчетам Джорджа Черча (George Church) и его коллег из Гарвардского университета, опубликованным в 2016 году в журнале «Нейчер материэлз» (Nature Materials), простая бактерия Escherichia coli имеет плотность хранения около 1019 бит на кубический сантиметр. При такой плотности все текущие мировые потребности в хранении годичной информации были бы полностью удовлетворены ДНК в виде куба со стороной около одного метра.
Перспектива хранения данных на основе ДНК не относится исключительно к разряду теорий. Так, в 2017 году группа Черча в Гарварде применила технологию редактирования ДНК CRISPR для записи изображений человеческой руки в геном кишечной палочки, которые были считаны с точностью более 90 процентов. А исследователи из Вашингтонского университета и компании «Майкрософт резёрч» (Microsoft Research) разрабатывают полностью автоматизированную систему для записи, хранения и чтения данных, закодированных в ДНК. Ряд компаний, в том числе «Майкрософт» и «Твист биосаенс» (Twist Bioscience), работают над продвижением технологии хранения данных на основе ДНК.
Между тем исследователи, пытающиеся разобраться с огромными объемами данных, уже используют ДНК для управления информацией иными способами. Последние достижения в методах секвенирования нового поколения позволяют одновременно считывать миллиарды последовательностей ДНК. Благодаря этой особенности исследователи могут использовать штрих-кодирование, — использовать последовательности ДНК в качестве «меток» молекулярной идентификации, — для отслеживания результатов экспериментальных исследований. В настоящее время штрих-кодирование ДНК используется, чтобы значительно ускорить темпы исследований в таких областях, как химические технологии, материаловедение и нанотехнологии. Так, лаборатория Джеймса Д. Далмана (James E. Dahlman) в Технологическом институте Джорджии с его помощью быстро выявляет более безопасные генные методы лечения; другие выясняют, как бороться с лекарственной устойчивостью и предотвращать метастазирование рака.
К препятствиям, мешающим широкому распространению системы хранения данных на основе ДНК, относятся затраты времени и средств на чтение и запись ДНК, которые для конкуренции с электронным хранилищем должны снизиться. 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.
10. Энергетика: сетевые накопители энергии обеспечат возобновляемую энергосистему
Экологически безопасные решения в области энергетики не встречают препятствий на своем пути.
Андреа Томпсон (Andrea Thompson)
Способ, которым мы получаем электричество, претерпевает сремительную трансформацию, обусловленную одновременно растущей необходимостью избавления энергосистем от выбросов двуокиси углерода и резким падением затрат на технологии использовани энергии ветра и солнца. По данным Службы энергетической информации США (EIA), за последнее десятилетие электроэнергия, вырабатываемая возобновляемыми источниками энергии в США, удвоилась, в основном за счет ветровых и солнечных установок. В январе 2019 года EIA прогнозировала, что в течение следующих двух лет ветровые, солнечные и другие негидроэлектрические возобновляемые источники энергии будут самым быстрорастущим сегментом электроэнергетики. Однако неустойчивый характер этих источников означает, что электросетям необходим способ хранения энергии про запас на тот случай, когда солнце не светит, а погода безветреная. Эта потребность определяет растущий интерес к технологии накопления энергии, — в частности, к ионно-литиевым батареям, которые из простого участника энергосети наконец превращаются в нечто большее.
На протяжении многих десятилетий главным и самым масштабным методом накопления энергии в США была гидроэнергетика с насосным накоплением — простой процесс, подразумевающий использование водохранилищ на разных высотах. Для накопления энергии вода закачивается в резервуар, расположенный выше; когда требуется энергия, вода сбрасывается в нижний резервуар и проходит через турбину. По данным Министерства энергетики, на гидроаккумулирующие насосы в настоящее время приходится 95 процентов общего объема накопления энергии в США. Между тем по мере повышения эффективности и надежности, а также падения производственных расходов ионно-литиевые батареи начинают использоваться все чаще. По данным EIA, в США на их долю приходится более 80% общей энергоемкости аккумуляторных батарей для коммунального использования, за десять лет этот показатель вырос с нескольких мегаватт до 866 мегаватт (на февраль 2019 года). В анализе, проведенном «Блумберг нью энерджи файнанс» (Bloomberg New Energy Finance) в марте 2019 года, сообщается, что стоимость электроэнергии от таких батарей с 2012 года снизилась на 76%, что повышает их конкурентоспособность в сравнении с электростанциями, которые обычно работают на природном газе и подключаются в периоды высокого спроса. Сегодня, ввиду того что батареи широко используются для кратких, быстрых регулировок в целях поддержания уровней мощности, коммунальные службы в нескольких штатах, включая Флориду и Калифорнию, берут на вооружение ионно-литиевые батареи, которые способны работать в течение двух-четырех часов. Ранее компания «Вуд Маккензи» (Wood Mackenzie), занимающаяся исследованиями в области энергетики, оценила, что за период с 2018 по 2019 год рынок хранения энергии удвоится, а с 2019 по 2020 год — утроится.
По мнению экспертов, в течение следующих пяти-десяти лет ионно-литиевые аккумуляторы, скорее всего, станут господствующей технологией, а продолжающиеся усовершенствования приведут к тому, что аккумуляторы смогут хранить от четырех до восьми часов энергии — достаточной, например, для того, чтобы переключиться с солнечной энергии на вечерний пик спроса.
Но приближение того момента, когда возобновляемые источники энергии и накопители энергии смогут справиться с базовой нагрузкой генерации электроэнергии, потребует запасов энергии на более длительные сроки, что означает выход за пределы ионно-литиевых батарей. Спектр потенциальных кандидатов на эту роль варьируется от высокотехнологичных вариантов, таких как проточные батареи, которые перекачивают жидкие электролиты, и водородные топливные элементы, до более простых идей, таких как гидроаккумулирующая гидроэнергия и то, что называется гравитационным накопителем. Гидроаккумулирующая электростанция в готовом виде не требует особых затрат, однако она может использоваться только в определенной местности и подразумевает дорогостоящее строительство. Столь же проста концепция гравитационного накопления, при котором неиспользуемое электричество можно употребить для поднятия тяжелого блока, который позже можно опустить для привода турбины для выработки электроэнергии. Хотя несколько компаний взялись за этот проект и привлекают инвестиции, идея еще не оправдала себя. Другие варианты еще недостаточно разработаны, чтобы их можно было считать надежными, эффективными и экономически выгодными по сравнению с ионно-литиевыми 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 проекты в этой области, в частности, через Агентство перспективных исследовательских проектов, Энергетика (ARPA-E), однако наибольшее инвестирование в эти технологии — и в хранение энергии в целом — происходит в Китае и Южной Корее, которые также активно исследуют эту область.
Неясно, продолжится ли процесс сокращения затрат на хранение энергии. Тем не менее 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.
