live
Новини » Світ 837 Читать эту новость на русском

Топ-десять нових технологій, які здатні змінити світ і зруйнувати статус-кво

Scientific American
Scientific American

Американський науково-популярний щомісячний журнал

Ванесса Бранчі/scientificamerican
загрузка...
загрузка...

Разом із Всесвітнім економічним форумом журнал "Scientific American" зібрав провідних експертів в галузі технологій, які досліджували і визначили "Десятку найкращих новітніх технологій" цього року: кібермандрівництво, антропоморфні роботи, біорозкладний пластик, системи зберігання даних на основі ДНК та багато іншого.

Про це пише Scientific American.

Одного разу — і цей день не за горою — згадана в цій статті технологія дозволить вам фактично переміщуватися на великі відстані та наживо відчути рукостискання і обійми інших кібермандрівників. Також повсякденням ось-ось стануть антропоморфні роботи (а також роботи, що нагадують тварин), розроблені для спілкування з людьми; система, здатна за лічені секунди встановити точне джерело спалаху харчового отруєння; крихітні лінзи, які прокладуть шлях для мініатюрних камер та інших пристроїв; міцні, біорозкладані пластики, які можна виготовити з непотрібних рослинних відходів; системи зберігання даних на основі ДНК, де можна надійно розмістити величезну кількість інформації і багато іншого.

Разом із Всесвітнім економічним форумом журнал "Саєнтіфік амерікен" зібрав міжнародну координаційну групу провідних експертів в області технологій і зайнявся інтенсивним дослідженням з метою визначити "Десятку найкращих новітніх технологій" цього року. Попросивши експертів по всьому світу уявити можливі кандидатури, координаційна група проаналізувала кілька десятків пропозицій у відповідності з рядом критеріїв. Чи можуть пропоновані технології принести значні вигоди суспільству та економіці? Чи можуть вони змінити звичний нам порядок дій? Чи викликають ці технології, що перебувають на ранніх стадіях розробки, великий інтерес з боку дослідних лабораторій, компаній або інвесторів? Чи можуть вони в найближчі кілька років добитися значних успіхів на ринку? Коли це було необхідно, група шукала додаткову інформацію і в ході чотирьох заочних засідань відшліфовувала список кандидатів.

Ми сподіваємося, що ви залишитеся задоволені результатом, і будемо раді вашим коментарям.

1. Довкілля: біопластик може вирішити серйозну проблему забруднення

Вдосконалені розчинники і ферменти перетворюють деревні відходи на більш якісні біорозкладані пластики.

Хав'єр Гарсія Мартінес (Javier Garcia Martinez)

Наша цивілізація побудована на пластику. За даними Всесвітнього економічного форуму, тільки в 2014 році промисловим способом було вироблено 311 мільйонів метричних тонн пластику, і очікується, що до 2050 року ця цифра потроїться. При цьому переробляють менше 15% використаного пластику. Більша частина пластикових відходів спалюється, осідає на звалищах або викидається в навколишнє середовище, де, будучи стійким до розкладання мікроорганізмами, пластик може зберігатися протягом сотень років. Пластикове сміття, що накопичується в океані, тягне за собою безліч проблем: починаючи від загибелі тварин, в організм яких потрапляє пластик помилково, і закінчуючи викидом у воду токсичних сполук. Через заражену рибу пластик може проникнути і в організм людини.

Ванесса Бранчі/scientificamerican

Біорозкладані пластики можуть частково позбавити нас цих проблем і наблизити до поставленої мети — "безвідходної" економіки, при якій пластик виробляється з біомаси та в неї ж трансформується після використання. Подібно до того, як стандартну пластмасу одержують з нафтохімічних продуктів, їх біорозкладані версії складаються з полімерів (довголанцюгових молекул), які, перебуваючи в рідкому стані, можуть бути відлиті в найрізноманітніші форми. Однак доступні на даний момент варіанти такого пластика, — в основному їх роблять з кукурудзи, цукрового очерету або відпрацьованих жирів і олій, — як правило, не можуть похвалитися механічною міцністю і візуальними характеристиками, що відповідають прийнятим стандартам. Знайдене нещодавно інноваційне рішення виробляти пластик з целюлози або лігніну (здерев'янілі стінки рослинних клітин), швидше за все, допоможе позбутися цих недоліків. Ще один позитивний момент для навколишнього середовища полягає в тому, що целюлозу і лігнін можна отримати з нехарчових рослин, таких як арундо тростинний, який можна вирощувати на малородючих землях, не придатних для харчових культур, або з деревних відходів і побічних продуктів сільського господарства, які в іншому випадку не мали б ніякої користі.

Целюлоза, найпоширеніший органічний полімер на землі, є основним компонентом клітинних стінок рослин; лігнін заповнює простір в цих стінках, забезпечуючи їм міцність і жорсткість. Щоб виготовити з цих речовин пластмасу, виробники повинні спочатку розбити їх на структурні елементи, або мономери. Зовсім недавно дослідники знайшли спосіб зробити це для обох речовин. Функція лігніну грає особливо важливу роль, оскільки мономери лігніну складаються з ароматичних кілець — хімічних структур, які надають деяким стандартним пластмасам механічну міцність та інші необхідні властивості. Лігнін не розчиняється у більшості розчинників, але дослідники довели, що окремі екологічно чисті іонні рідини (що складаються головним чином з іонів) можуть вибірково відокремлювати його від деревини і деревних рослин. Генетично сконструйовані ферменти, подібні до тих, що містяться у грибках та бактеріях, згодом здатні розщеплювати розчинений лігнін на окремі компоненти.

Компанії беруть ці відкриття на озброєння. Так, "Крисалікс текнолоджіз" (Chrysalix Technologies), відділення Імперського коледжу Лондона, розробляє процес, в ході якого можна з допомогою недорогих іонних рідин витягти целюлозу і лігнін з вихідних матеріалів. Фінська біотехнологічна компанія "Метген ой" (MetGen Oy) виробляє цілий ряд генетично сконструйованих ферментів, які розщеплюють лігніни різного походження на компоненти, необхідні для широкого спектру застосувань. А "Мобіус" (Mobius, раніше Grow Bioplastics) розробляє пластикові гранули на основі лігніну для використання в біорозкладаних квіткових горщиках, сільськогосподарських мульчах та інших продуктах.

Перш ніж нові пластмаси стануть продуктом масового використання, потрібно буде подолати безліч перешкод. Одним з них є вартість. Інше полягає в тому, щоб звести до мінімуму кількість землі і води, що використовуються для їх виробництва — навіть якщо лігнін буде вилучатись тільки з відходів, для перетворення його на пластик необхідна вода. Як і у випадку будь-якої іншої серйозної задачі, для її рішення потрібно цілий комплекс заходів: починаючи з нормативних актів і закінчуючи добровільною зміною тих способів, якими суспільство використовує пластик і утилізує його. Так чи інакше, нові методи виробництва біорозкладаного пластику є прекрасним прикладом того, як більш екологічні розчинники і більш ефективні біокаталізатори можуть сприяти створенню безвідходної економіки в області великої промисловості.

2. Технічні розробки: соціальні роботи, з якими легко знайти спільну мову

Роботи - друзі і помічники дедалі глибше проникають в наше життя.

Corinna Е. Латан (Corinna E. E. Lathan) і Джеффрі Лінг (Geoffrey Ling)

У промисловості і медицині використання роботів при будівництві, розбиранні та перевірці речей стало звичайним явищем; вони також допомагають хірургам під час операцій і відпускають ліки за рецептом в аптеках. Ні вони, ні "соціальні" роботи, — призначені для взаємодії з людьми і встановлення емоційного зв'язку, — не поводяться як покоївка Розі з серіалу "Джетсони" або якийсь інший антропоморфний робот з фільмів і книг, який нам полюбився. І все ж у найближчі кілька років соціальні роботи повинні стати більш складними і дістати широке поширення. Схоже, ця область підійшла до поворотного моменту: сьогодні роботи мають більші інтерактивні можливості і виконують більше корисних завдань, ніж будь-коли.

Подібно до більшості роботів, соціальні роботи використовують штучний інтелект, щоб вибирати порядок дій у відповідності з інформацією, отриманою через камери та інші датчики. Здатність роботів реагувати так, як це зазвичай властиво живим людям, була розроблена на основі досліджень того, як формується сприйняття, що становить соціальний і емоційний інтелект, і яким чином люди можуть вгадувати думки і почуття інших людей. Досягнення в області штучного інтелекту дозволили дизайнерам перевести ці психологічні та нейронаукові спостереження в алгоритми, які дозволяють роботам розпізнавати голоси, обличчя та емоції; інтерпретувати мову і жести; адекватно реагувати на складні вербальні і невербальні сигнали; встановлювати зоровий контакт; вести невимушену бесіду; адаптуватися до потреб людей, засвоюючи уроки із зворотного зв'язку, заохочень і критики.

Ванесса Бранчі/scientificamerican

Як наслідок, соціальні роботи починають грати все більш різноманітні ролі. Так, 47-дюймовий людиноподібний робот на ім'я Пеппер (від SoftBank Robotics) розпізнає обличчя й основні людські емоції і бере участь у розмовах через сенсорний екран, розташований у нього в "грудях". Близько 15 тисяч таких Пепперсів по всьому світу служать реєстраторами в готелях, обслуговують клієнтів в аеропорту, допомагають з покупками і оформляють замовлення фастфуду. Темі (від Temi USA) і Лумо (від Segway Robotics) — персональні помічники нового покоління, вони схожі на "Амазон ехо" (Amazon Echo) і "Гугл хоум" (Google Home), але при цьому мобільні та забезпечують новий рівень функціональності. Так, Лумо не тільки виконує роль компаньйона, але і за командою може трансформуватися в самокат для пересування.

Соціальні роботи особливо необхідні для того, щоб допомагати літнім людям, кількість яких у світі невпинно зростає. Терапевтичний робот ПАРО (PARO, розроблений Японським національним інститутом передових промислових наук і технологій), який виглядає як пухнастий морський котик, призначений для стимуляції і зниження стресу в людей з хворобою Альцгеймера, а також у інших пацієнтів медичних установ: робот реагує на своє ім'я рухом голови і просить ласки. Мабу (від Catalia Health) надає пацієнтам, особливо літнім людям, оздоровчу допомогу, нагадуючи їм про прогулянки і часу прийому ліків, а також про те, щоб вони зателефонували членам своєї сім'ї. Соціальні роботи також завойовують популярність серед споживачів як іграшки. Перші спроби наділити іграшки соціальною поведінкою, — такі як Hasbro's Baby Alive і Sony AIBO-робот, — мали обмежений успіх. Але сьогодні обидва роботи отримують нове життя: остання версія AIBO володіє складним механізмом розпізнавання голосу і жестів, здатна навчатися трюкам і виробляє нові моделі поведінки на основі попередніх взаємодій.

Продажу роботів для окремих споживачів по всьому світу в 2018 році досягли 5,6 мільярда доларів і очікується, що до кінця 2025 року цей ринок виросте до 19 мільярдів, коли щорічно буде продаватися більше 65 мільйонів роботів. Ця тенденція може видатися дивною, якщо врахувати, що цілий ряд добре фінансованих компаній з виробництва роботів для споживачів, такі як "Джібо" (Jibo) і "Анки" (Anki), зазнали невдачі. Однак роботи продовжують вишиковуватися в чергу, щоб змінити тих, що вже вийшли з ужитку, наприклад "БАДДІ" (BUDDY від Blue Frog Robotics), великоокий пересувний пристрій, який не тільки виконує роль особистого помічника і забезпечує домашню автоматизацію і безпеку, але і може грати з вами.

3. Технічні рішення: крихітні лінзи дозволять створювати мініатюрні оптичні пристрої

Тепер керувати світлом можна буде за допомогою тонких і пласких металінз, які замінять громіздку оптику.

Альберто Москателлі (Alberto Moscatelli)

У той час як телефони, комп'ютери та інша електроніка зменшуються в розмірах у нас на очах, їх оптичні компоненти вперто відмовляються слідувати цьому прикладу. Варто відзначити, що виготовляти крихітні лінзи за допомогою традиційних технологій різання та згинання скла досить важко, і елементи скляної лінзи часто необхідно складати в декілька шарів, щоб правильно фокусувати світло. Нещодавно інженери відкрили, які фізичні закони стоять за набагато меншими і більш легкими альтернативами, відомими як металінзи. Ці лінзи могли б значно зменшити в розмірах мікроскопи та інші лабораторні інструменти, так само як і споживчі товари, такі як камери, гарнітури віртуальної реальності та оптичні датчики для технології "Інтернету речей". До того ж вони могли б підвищити функціональність оптичних волокон.

Металінза складається з пласкої поверхні, тонше мікрона, яка покрита масивом нанорозмірних об'єктів, таких як виступаючі стовпчики або просвердлені отвори. Коли світло, падаючи, потрапляє на ці елементи, багато з їхніх властивостей змінюються, — включаючи поляризацію, інтенсивність, фазу і напрям поширення. Дослідники можуть розташувати нанорозмірні об'єкти з такою точністю, щоб забезпечити конкретні характеристики світла, що виходить з металінз. Більш того, металінзи настільки тонкі, що їх можна розташувати один на одному, без значного збільшення в об'ємі. Дослідники продемонстрували оптичні пристрої, де використовується масив з таких пласких поверхонь, зокрема спектрометри і поляриметри.

Найбільш істотним проривом минулого року стало знайдене дослідниками рішення для проблеми під назвою хроматична аберація. Коли біле світло проходить через типову лінзу, промені з різними довжинами хвиль відхиляються під різними кутами і таким чином фокусуються на різних відстанях від лінзи; щоб виправити цей ефект, інженерам сьогодні доводиться досить химерно підганяти лінзи одна до одної. Тепер одна металінза може фокусувати всі хвилі білого світла в одній точці. Крім "ахроматичних" металінз вчені розробили металінзи, які виправляють інші аберації, такі як кома і астигматизм, які є причиною спотворення і розмитості зображення.

Металінзи повинні не тільки зменшити розмір лінз, але і значно знизити вартість оптичних компонентів, оскільки крихітні лінзи можна проводити на тому ж обладнанні, яке вже використовується в напівпровідниковій промисловості. Ця особливість відкриває привабливу перспективу виготовлення, скажімо, оптичного та електронного компонентів крихітного світлового датчика на одному і тому ж промисловому об'єкті.

Ванесса Бранчі/scientificamerican

Доки ж, однак, витрати, як і раніше високі, оскільки з високою точністю розмістити нанорозмірні елементи на мікросхемі сантиметрового розміру ще важко. І це не єдине обмеження, яке слід усунути. Поки що металінзи не пропускають світло так само ефективно, як традиційні лінзи, — а між тим це властивість вкрай важлива для багатьох сфер застосування, наприклад, для отримання повнокольорового зображення. Крім того, вони замалі, щоб захоплювати велику кількість світла, а це означає, що принаймні поки вони не підходять для отримання якісних фотографій.

Тим не менш, в найближчі роки крихітні лінзи, ймовірно, стануть частиною більш мініатюрних і простих у виготовленні датчиків, діагностичних інструментів на зразок пристрою для ендоскопічної візуалізації, а також оптичних волокон. Ці потенційні напрямки практичного застосування виглядають досить привабливо, щоб викликати інтерес у державних установ і таких компаній, як "Самсунг" і "Гугл", які готові надавати підтримку дослідженню. Принаймні один стартап, "Металенз" (Metalenz), планує вивести металінзи на ринок протягом наступних декількох років.

4. Медицина і біотехнології: особливий клас білків пропонує перспективні об'єкти для впливу з погляду розробки ліків від раку і хвороби Альцгеймера

Нові можливості для лікування раку та інших хвороб.

Елізабет O Дей (Elizabeth o'day)

Кілька десятиліть тому вчені виявили особливий клас білків, які викликають низку хвороб: починаючи з раку і закінчуючи нейродегенеративними захворюваннями. Ці "внутрішньо невпорядковані білки" (ВНБ) відрізнялися від білків із жорсткими структурами, більш звичними в клітинах. ВНБ постійно змінювали форму, являючи собою сукупність компонентів, конфігурація яких перебувала в постійному русі. Виявляється, така пухка структура дозволяє ВНБ в критичні моменти, наприклад, під час реакції клітини на стрес, збирати воєдино найрізноманітніші молекули. Менш гнучкі білки, як правило, мають більш обмежене число партнерів по зв'язуванню. Коли ВНБ не функціонують належним чином, може розвинутися хвороба.

Ванесса Бранчі/scientificamerican

Однак дослідники в області медицини не можуть знайти методи лікування для усунення несправних ВНБ або регулювання їх роботи. Вважається, що багато з них не піддаються медикаментозному лікуванню, оскільки більшість сучасних ліків здатні впливати лише на стійкі структури, між тим ВНБ не можуть довго залишатися нерухомими. Добре відомі безладні білки, які можуть сприяти раку, — включаючи c-Myc, p53 і K-RAS, — виявилися занадто важко вловимими. Але ця картина поступово починає змінюватися.

Строгі біофізичні комбінації, обчислювальні потужності і більш чітке розуміння того, як функціонують ВНБ, допомагають вченим виявляти сполуки, які інгібують ці білки, і деякі з них вже стали надійними кандидатами в майбутні ліки. У 2017 році дослідники із Франції та Іспанії продемонстрували, що виявити і впіймати мінливий "розпливчастий" інтерфейс ВНБ можливо. Вони показали, що схвалений Управлінням з контролю за продуктами і ліками США (Food and Drug Administration або FDA) препарат під назвою трифлуоперазин (який використовується для лікування психотичних розладів і тривожності) пов'язує і пригнічує NUPR1, порушений білок, що бере участь у формуванні раку підшлункової залози. Масштабні скринінгові тести для оцінки тисяч потенційних ліків з точки зору їх терапевтичного потенціалу з них виявили ряд тих, що пригнічують c-Myc, і деякі з них вже на шляху до клінічної розробки. Були ідентифіковані додаткові молекули, які працюють в ВНБ, такі як бета-амілоїди, що мають стосунок до таких захворювань, як хвороба Альцгеймера.

Цей список буде поповнюватися, особливо по мірі того, як буде прояснятися роль ВНБ в найважливіших частинах клітин, відомих як безмембранні органели. Їх часто називають крапельками або конденсатами, в певні моменти ці органели з'єднують один з одним життєво важливі клітинні молекули, такі як білки і РНК, не допускаючи до них інші. Ця близькість дозволяє деяким реакціям протікати швидше; а іншим, навпаки, запобігає. Вчені розробили нові потужні інструменти для молекулярних маніпуляцій, які називаються "Корелетс" (Corelets) і "Касдроп" (CasDrop): вони дозволяють дослідникам контролювати формування цих крапель. Використовуючи ці та інші інструменти, дослідники зрозуміли, що ВНБ можуть сприяти контролю, з'єднанню, функціонуванню і роз'єднанню цих крапель.

Це відкриття має важливе значення, тому що під час формування і руйнування крапель ВНБ взаємодіють з різними партнерами по зв'язуванню і іноді протягом декількох митей зберігають свої нові форми. Можливо, що знайти ліки, які виявляють і вловлюють ці форми, простіше, ніж знайти сполуки, здатні вразити ВНБ в їх мінливому вигляді. Дослідники по всьому світу роблять перші спроби розкрити цей пов'язаний з краплями механізм.

Промисловість робить ставку на терапевтичний потенціал ВНБ. Біотехнологічна компанія IDP Pharma розробляє тип інгібітора білка для лікування множинної мієломи та дрібноклітинного раку легенів. "Граффініті фармацевтікалз" (Graffinity Pharmaceuticals), що входить до складу компанії NovAliX, виявила синтетичні препарати, здатні вразити невпорядкований білок, званий "тау", який бере участь у патології Альцгеймера. Компанія "Кантабіо фармацевтікалз" (Cantabio Pharmaceuticals) шукає препарати для стабілізації ВНБ, які беруть участь у нейродегенерації. А нова компанія під назвою "Дюпон терапевтікс" (Dewpoint Therapeutics) досліджує гіпотезу про те, що краплі і їх невпорядковані компоненти можуть використовуватися в якості об'єктів впливу лікарських препаратів завдяки своїй здатності об'єднувати молекули для посилення реакцій. Досить імовірно, що в найближчі три-п'ять років ці білки, що колись "не піддавалися лікуванню", будуть у центрі фармацевтичних розробок.

5. Довкілля: розумні добрива можуть знизити рівень забруднення навколишнього середовища

Нові розробки забезпечують ґрунт харчуванням, тільки коли це необхідно.

Джефф Карбек (Jeff Carbeck)

Щоб прогодувати населення планети, що збільшується, фермери повинні підвищувати врожайність. Цьому може в тому числі сприяти використання більшої кількості добрив. Однак стандартні методи працюють неефективно і часто завдають шкоди навколишньому середовищу. На щастя, більш екологічно чисті засоби — добрива з контрольованим вивільненням живильних речовин — доступні і з кожним разом стають все розумнішими.

По суті, є два способи, якими фермери удобрюють свій урожай. Вони обприскують поля аміаком, сечовиною або іншими речовинами, які при взаємодії з водою виділяють живильний азот. Або вони використовують гранули калію або інших мінералів для виробництва фосфору, який також виникає при реакції з водою. Між тим рослинам дістається досить невелика частка цих поживних речовин. Натомість більша частина азоту потрапляє в атмосферу у вигляді парникових газів, а фосфор виявляється у водозбірних басейнах, нерідко провокуючи надмірний ріст водоростей та інших організмів. Склади з контрольованим вивільненням живильних речовин, навпаки, можуть гарантувати більш високий рівень живлення самих зернових культур, що забезпечує більш високу врожайність при використанні меншої кількості добрив.

Так звані добрива з повільним вивільненням живильних речовин вже деякий час перебувають у продажу. Як правило, в їхній склад входять крихітні капсули, заповнені речовинами, що містять азот, фосфор та інші необхідні поживні речовини. Зовнішня оболонка уповільнює не тільки швидкість, з якою вода проникає до вмісту для вивільнення поживних речовин, але і швидкість, з якою ці речовини вивільняються з капсули. В результаті живильні речовини дозуються поступово, а не вкидаються разом в тій кількості, яка не може бути ефективно поглинена рослиною. Новітні склади включають речовини, які ще більше уповільнюють доставку поживних речовин, гальмуючи перетворення вихідних речовин, таких як сечовина, у поживні речовини.

Ванесса Бранчі/scientificamerican

Нещодавно були розроблені добрива, які найбільшою мірою відповідають опису "контрольоване вивільнення", це стало можливим завдяки складним матеріалам і технологіям виготовлення, які можуть регулювати швидкість вивільнення поживних речовин оболонкою по мірі зміни температури, кислотності або вологості ґрунту. Комбінуючи різні типи запрограмованих капсул, виробники можуть виробляти добрива, адаптовані до потреб конкретних культур або умов вирощування. Haifa Group і ICL Specialty Fertilizers, належать до числа компаній, які пропонують більш точний контроль. Так, Haifa пов'язує швидкість вивільнення поживних речовин виключно з температурою; мірою підвищення температури збільшуються темпи росту культур і викиду поживних речовин.

Хоча технології з контрольованим вивільненням добрив забезпечують більшу ефективність, вони не усувають всіх недоліків їх використання. Ці продукти, як і раніше, включають в себе аміак, сечовину і калій, серед іншого; виробництво цих речовин є енергоємним, тобто може сприяти виробництву парникових газів та зміни клімату. Однак цей ефект можна зменшити, якщо використовувати більш безпечні для навколишнього середовища джерела азоту і включити мікроорганізми, які підвищують ефективність поглинання азоту і фосфору рослинами. У нас немає ніяких доказів того, що матеріали, з яких виготовлені оболонки, завдають шкоди навколишньому середовищу, але цей ризик необхідно брати до уваги кожний раз, коли у великих обсягах вводяться якісь нові речовини.

Добрива з контрольованим вивільненням живильних речовин є елементом екологічного підходу до сільського господарства, відомого як прецизійне землеробство. Цей підхід підвищує врожайність і зводить до мінімуму надмірне вивільнення поживних речовин шляхом поєднання таких технологічних нововведень, як аналіз даних, штучний інтелект і різноманітні сенсорні системи, мета яких - точно визначити, скільки добрив і води необхідно рослинам в певний момент часу, а також шляхом використання автономних транспортних засобів для доставки поживних речовин у запропонованих кількостях і місцях. Правда, установка прецизійних систем - дорогий процес, тому що їх можуть дозволити собі тільки великі виробництва. Якщо порівнювати, то сучасні добрива з контрольованим вивільненням живильних речовин відносно недорогі і можуть стати передовою технологією, яка допоможе фермерам збільшити врожайність екологічно безпечним шляхом.

6. Інформатика: спільна телеприсутність зможе (до певної міри) зробити відстань неважливою

Учасники віртуальних зустрічей будуть відчувати присутність одне одного.

Corinna Е. Латан (Corinna E. E. Lathan) і Ендрю Мейнард (Andrew Maynard)

Уявіть собі групу людей в різних куточках планети, які спокійно взаємодіють одна з одною так, ніби вони фізично поруч, і навіть можуть відчути дотик співрозмовників. Компоненти, що забезпечують можливість такої "спільної телеприсутності", можуть змінити способи нашої взаємодії в процесі роботи і гри, роблячи фізичне місцезнаходження таким, що не має особливої ролі.

Ванесса Бранчі/scientificamerican

Подібно до того, як програми для відеодзвінків, на зразок "Скайп" і "Фейстайм", зробили доступним для широкого кола споживачів, що колись належало сфері бізнесу, а масові багатокористувацькі онлайн-ігри радикально змінили те, як люди взаємодіють в інтернеті, спільна телеприсутність може змінити те, як люди фактично взаємодіють в професійній сфері і за її межами. Медичні працівники зможуть віддалено працювати з пацієнтами, ніби вони в одному приміщенні. А друзі і члени сім'ї зможуть разом насолоджуватися спілкуванням у затишній кімнаті або прогулянкою по новому місту, навіть якщо насправді їх розділяє відстань.

Прогрес, досягнутий у низці областей, зробив цю перспективу здійсненною. Технології доповненої реальності (AR) і віртуальної реальності (VR) поступово стають доступними для широкого поширення. Телекомунікаційні компанії розгортають мережі 5G і роблять це досить швидко, щоб безперебійно обробляти масу даних, одержуваних з сучасних матриць датчиків. Винахідники удосконалюють технології, які дозволяють людям фізично взаємодіяти з віддаленими середовищами, включаючи сенсорні датчики, що дозволяють відчути, до чого торкаються їхні роботизовані аватари. Повне сенсорне занурення, передбачене для спільної телеприсутності, вимагає суттєво менших часових затримок, ніж ті, що допускають відеодзвінки, — й іноді вони можуть стати зайвим навантаженням навіть для мереж 5G, — однак алгоритми прогнозуючого ІІ можуть усунути відчуття тимчасових проміжків, що виникає у користувача.

Хоча технологія спільної телеприсутності все ще на стадії становлення, все готово для того, щоб в найближчі три-п'ять років вона почала чинити трансформувальний вплив на наше суспільство. Наприклад, "Microsoft" та інші компанії вже вкладають кошти в технології, які, як очікується, до 2025 року стануть основою багатомільярдної індустрії. І фонд XPRIZE оголосив про початок конкурсу ANPR Avatar XPRIZE, переможець якого отримає приз у розмірі десяти мільйонів доларів (спонсором виступить All Nippon Airways), щоб стимулювати технології, які "будуть переносити людські почуття, дії і присутність у віддалене місце в режимі реального часу, а це в свою чергу сприятиме більшому пов'язанню світу". Оскільки все взаємопов'язано, варто очікувати корінних змін у повсякденному житті і роботі, які по своїй революційності зрівняються з масовим поширенням смартфонів.

7. Охорона здоров'я: передова система відстеження продуктів харчування та їх упаковки врятує життя і скоротить відходи

Поєднання двох технологій може значно підвищити безпеку харчових продуктів.

Рона Чандраваті (Rona Chandrawati) і Бернард С. Мейєрсон (Bernard S. Meyerson)

За даними Всесвітньої організації охорони здоров'я, щорічно від харчових отруєнь страждають близько 600 мільйонів осіб, а у 420 тисячах випадків харчові отруєння стають причиною смерті. Коли відбувається спалах, фахівці можуть витратити кілька днів і навіть тижнів на визначення джерела. За цей час жертвами харчових отруєнь може стати ще більше людей, а величезна кількість незараженої їжі може бути викинута разом із зіпсованими продуктами. Пошук джерела може зайняти багато часу, оскільки їжа здійснює складний шлях від фермерського господарства до столу споживача, та інформація про її маршрут зберігається в локальних системах, які часто не взаємодіють один з одним.

При цьому дві технології — спільно — можуть скоротити кількість харчових отруєнь та харчових відходів одночасно. Перша з них: інноваційне використання технології блокчейна (яка зазвичай використовується для управління віртуальною валютою) починає вирішувати завдання відстеження. А поліпшена упаковка харчових продуктів тим часом надає нові способи визначати те, чи зберігалися продукти при відповідних температурах і чи вони могли зіпсуватися.

Блокчейн — це децентралізована система обліку, в якій записи реєструються послідовно в декількох ідентичних "регістрах", що зберігаються на комп'ютерах в різних місцях. Ця надмірність робить марними спроби зламу якої б то не було системи обліку, створюючи вкрай надійну систему реєстрації транзакцій. Хмарна платформа на основі блокчейна, розроблена для харчової промисловості — "Ай-бі-ем фуд траст" (IBM Food Trust), — вже використовується найбільшими продавцями продуктів харчування. (Один з нас, Мейєрсон, працює в "Ай-бі-ем".)

Ванесса Бранчі/scientificamerican

Включаючи виробників, дистриб'юторів і роздрібних продавців в єдиний ланцюжок блоків, "Фуд траст" створює надійний облік маршруту проходження конкретного продукту через повний ланцюжок поставок. В ході тестування цієї технології торгова компанія "Волмарт" (Walmart) виявила походження "зіпсованої" одиниці за лічені секунди; при стандартному поєднанні записаних і цифрових даних це зайняло б кілька днів. За допомогою цієї можливості роздрібні продавці та ресторани можуть практично негайно вивести зіпсований продукт з обігу і знищити тільки запаси, отримані з того ж джерела (скажімо, конкретного виробника римського салату), замість того щоб знищувати національний запас цього продукту повністю. Багато гігантів харчового бізнесу — "Волмарт", "Кеафор" (Carrefour), "Семс клаб" (sam's Club), "Альбертсонс компаніз" (Albertsons Companies), "Смітфілд фудз" (Smithfield Foods), "Біфчейн" (BeefChain), "Уейкферн фуд"(Wakefern Food) і "Топко ассошіейтс" (Topco Associates, організація масових закупівель) — приєдналися до "Ай-бі-ем фуд траст". Інші організації також впроваджують технологію блокчейна для поліпшення відстеження.

По-перше, щоб запобігти харчовому отруєнню, дослідницькі лабораторії і компанії розробляють невеликі датчики, які можуть контролювати якість і безпеку харчових продуктів в контейнерах, ящиках або в індивідуальній упаковці. Наприклад, "Таймстріп Ю-Кей" (Timestrip UK) і "Вітсаб Інтернешнл" (Vitsab International) незалежно один від одного створили сенсорні мітки, які змінюють колір, якщо продукт зазнавав впливу температур, що перевищують рекомендовані, а "Інсигнія текнолоджіз" (Insignia Technologies) продає сенсор, який повільно змінює колір після відкриття упаковки і вказує, коли настав час викинути їжу. (Колір змінюється швидше, якщо продукт не зберігається при належній температурі.) Також розробляються датчики, які виявляють газоподібні побічні продукти псування. Крім запобігання хворобам такі датчики можуть зменшити кількість відходів, показуючи, що їжа безпечна для вживання.

Вартість продовжує залишатися головною перешкодою для повсюдного використання датчиків. Проте наявна в харчовій промисловості необхідність гарантувати безпеку харчових продуктів і обмежувати відходи просуває цю технологію і блокчейн вперед.

8. Енергетика: безпечні ядерні реактори вже не за горами

Надійне паливо та інноваційні реактори можуть сприяти відродженню ядерної енергетики.

Марк Фішетті (Mark Fischetti)

Контроль над вмістом вуглецю в атмосфері потребуватиме цілої низки енергетичних технологій — у тому числі, ймовірно, ядерних реакторів, які не виділяють продукти згоряння, але після кількох великих аварій вважаються небезпечними. Цей ризик можна істотно скоротити.

Комерційні реактори десятиліттями використовують одне і те ж паливо: невеликі таблетки діоксиду урану, укладені всередині довгих циліндричних стрижнів зі сплаву цирконію. Цирконій дозволяє нейтронам, що утворюється в результаті ядерного розпаду в таблетках, легко проходити серед безліч стрижнів, занурених у воду всередині активної зони реактора, тим самим забезпечуючи перебіг ланцюгової теплової ядерної реакції.

Біда в тому, що в разі перегріву цирконій може вступити в реакцію з водою і провести вибухонебезпечний водень. Цей сценарій став причиною двох найстрашніших аварій ядерних реакторів у світі: потенційного вибуху і часткового розплавлення на АЕС "Три-Майл-Айленд" у США в 1979 році, а також вибуху і викиду радіації на "Фукусіма-дайіті" у 2011 році в Японії. (Чорнобильська аварія 1986 року була пов'язана з неправильним проєктом і експлуатацією реактора.)

Ванесса Бранчі/scientificamerican

Виробники, такі як "Вестінгхаус електрик компані" (Westinghouse Electric Company) і "Фраматом" (Framatome), форсують розробку ядерного палива, стійкого до тяжких аварій, яка меншою мірою піддається перегріву, — в цьому випадку воно буде виробляти незначну кількість водню чи не виробляти взагалі. В деяких варіантах оболонка з цирконію має спеціальне покриття, щоб мінімізувати реакції. В інших цирконій і навіть діоксид урану замінені іншими матеріалами. Нову комплектацію можна додати в наявні реактори з невеликими змінами, так що ці компоненти можуть бути введені в експлуатацію протягом 2020-х років. Уже розпочаті скрупульозні випробування повинні довести свою успішність і задовольнити вимогам контролюючих органів. В результаті нові види палива можуть допомогти станціям працювати більш ефективно, роблячи атомну енергетику більш конкурентоспроможною, що є важливою мотивацією для виробників і електроенергетики, оскільки природний газ, сонячна енергія й енергія вітру коштують дешевше.

Хоча розвиток ядерної енергетики в США припинився, а в Німеччині та інших країнах поступово сходить нанівець, Росія і Китай досить агресивно просуваються у цій області. Ці ринки можуть бути прибутковими для виробників нових видів палива.

Росія вводить й інші заходи безпеки; новітні енергоустановки, розроблені державною компанією "Росатом" і які застосовуються в країні і за кордоном, володіють новітніми "пасивними" системами безпеки, які можуть знімати перегрів, навіть якщо на станції відбувається збій електроенергії і охолоджуюча рідина не може активно циркулювати.

"Вестінгхаус" та інші компанії також включили функції пасивної безпеки в свої оновлені проєкти.

Виробники експериментують з моделями "четвертого покоління", в яких замість води використовується рідкий натрій або розплавлена сіль для передачі тепла, отриманого в ході ядерного розпаду, це виключає можливість небезпечного виробництва водню. За повідомленнями, в цьому році Китай має намір підключити демонстраційний реактор з гелієвим охолодженням до своєї енергосистеми.

Брак політичної свідомості щодо питання про постійне поховання ядерних відходів у глибокі геологічні формації довгий час гальмувало процес розширення даної галузі в США. Сьогодні ситуація може змінитися. Цікаво, що більше десятка американських законодавців нещодавно запропонували заходи по відновленню ліцензування сховища ядерних відходів АЕС "Юкка-Маунтін" в Неваді, яке з 1987 року вважається провідним сховищем в країні. Тим часом сенатор від Аляски Ліза Мурковскі (Lisa Murkowski) виступає за розробку маленьких модульних реакторів Національної лабораторії Айдахо. ("Росатом" також виробляє невеликі реактори.) І група західних держав уклала попередню угоду з "Нюскейл Пауер" (NuScale Power) в Орегоні на придбання дюжини модульних реакторів. Поліпшене паливо та впровадження невеликих реакторів можуть серйозно сприяти відродженню атомної енергетики.

9. Медицина і біотехнології: перспектива зберігання даних ДНК ближча, ніж ви вважаєте

Вчені адаптують природну систему зберігання інформації про організми для обробки величезної кількості даних.

Санг Юп Чи (Sang Yup Lee)

За даними компанії-розробника ПО "Домо" (Domo), кожну хвилину в 2018 році "Гугл" обробляв 3,88 мільйони пошукових запитів, а люди переглядали 4,33 мільйона відео на "Ютубі", відправляли 159 362 760 електронних листів, залишали 473 000 твітів і публікували 49 000 фотографій в "Інстаграмі". До 2020 року в усьому світі створюватиметься приблизно 1,7 мегабайта даних на секунду в розрахунку на одну людину, що дорівнює приблизно 418 зетабайтам на рік (чи 418 мільярдів жорстких дисків об'ємом один терабайт), якщо оцінювати чисельність жителів планети в 7,8 мільярда людей. Магнітні або оптичні системи зберігання даних, які в даний момент містять цей обсяг нулів і одиниць, як правило, можуть служити в кращому випадку до ста років. Крім того, для роботи центрів обробки даних потрібно безліч енергії. Коротше кажучи, зберігання даних ось-ось стане серйозною проблемою, яка з часом тільки посилиться.

Ванесса Бранчі/scientificamerican

Правда, сьогодні з'являється альтернатива жорстким дискам: мова про зберігання даних на основі ДНК. ДНК, що складається з довгих ланцюжків нуклеотидів A, T, C та G, є матеріалом для зберігання інформації про живий організм. Дані можуть зберігатися в послідовності цих букв, перетворюючи ДНК в нову форму інформаційних технологій. Сьогодні її вже легко упорядковують (прочитують), синтезують (записують) і точно копіюють. Крім того, ДНК відрізняється неймовірною стабільністю, про що свідчить повне секвенування геному у викопному коні, який жив понад 500 тисяч років тому. І її зберігання не вимагає багато енергії.

Зате обсяг пам'яті ДНК вражає уяву. ДНК здатна справно зберігати величезну кількість даних, маючи інформаційну щільність, яка у багато разів перевищує щільність електронних пристроїв. Так, за підрахунками Джорджа Черча (George Church) і його колег з Гарвардського університету, опублікованими в 2016 році в журналі "Нейчер матеріалз" (Nature Materials), проста бактерія Escherichia coli має щільність зберігання близько 1019 біт на кубічний сантиметр. При такій щільності всі поточні світові потреби в зберіганні річної інформації були б повністю задоволені ДНК у вигляді куба зі стороною близько одного метра.

Перспектива зберігання даних на основі ДНК не належить виключно до розряду теорій. Так, у 2017 році група Черча в Гарварді застосувала технологію редагування ДНК CRISPR для запису зображення людської руки в геном кишкової палички, які були зчитані з точністю понад 90 відсотків. А дослідники з Вашингтонського університету і компанії "Майкрософт резерч" (Microsoft Research) розробляють повністю автоматизовану систему для запису, зберігання та читання даних, закодованих в ДНК. Низка компаній, у тому числі "Microsoft" і "Твіст біосаенс" (Twist Bioscience), працюють над просуванням технології зберігання даних на основі ДНК.

Між тим дослідники, які намагаються розібратися з величезними обсягами даних, вже використовують ДНК для управління інформацією іншими способами. Останні досягнення в методах секвенування нового покоління дозволяють одночасно зчитувати мільярди послідовностей ДНК. Завдяки цій особливості дослідники можуть використовувати штрих-кодування, — використовувати послідовності ДНК як "мітки" молекулярної ідентифікації, — для відслідковування результатів експериментальних досліджень. В даний час штрих-кодування ДНК використовується, щоб значно прискорити темпи досліджень в таких областях, як хімічні технології, матеріалознавство та нанотехнології. Так, лабораторія Джеймса Д. Далмана (James E. Dahlman) у Технологічному інституті Джорджії за його допомогою швидко виявляє більш безпечні генні методи лікування; інші з'ясовують, як боротися з лікарською стійкістю і запобігати метастазуванню раку.

До перешкод, що заважають широкому поширенню системи зберігання даних на основі ДНК, належать витрати часу і коштів на читання і запис ДНК, які для конкуренції з електронним сховищем повинні знизитися. Навіть якщо ДНК не стане повсюдним сховищем, вона майже напевно буде використовуватися для генерації інформації в абсолютно нових масштабах і зберігання певних типів даних протягом тривалого часу.

10. Енергетика: мережеві накопичувачі енергії забезпечать відновлювану енергосистему

Екологічно безпечні рішення в галузі енергетики не зустрічають перешкод на своєму шляху.

Андреа Томпсон (Andrea Thompson)

Спосіб, в який ми одержуємо електрику, зазнає стрімкої трансформації, зумовленої одночасно зростаючою необхідністю позбавлення енергосистем від викидів двоокису вуглецю і різким падінням витрат на технології використання енергії вітру та сонця. За даними Служби енергетичної інформації США (EIA), за останнє десятиліття електроенергія, що виробляється поновлюваними джерелами енергії в США, подвоїлася, в основному за рахунок вітрових та сонячних установок. У січні 2019 року EIA прогнозувала, що протягом наступних двох років вітрові, сонячні та інші негідроелектричні поновлювані джерела енергії будуть сегментом електроенергетики, що зростає найшвидше. Проте нестійкий характер цих джерел означає, що електромережам необхідний спосіб зберігання енергії про запас на той випадок, коли сонце не світить, а погода безвітряна. Ця потреба визначає зростаючий інтерес до технології накопичення енергії, — зокрема, до іонно-літієвих батарей, які з простого учасника енергомережі нарешті перетворюються на щось більше.

Впродовж багатьох десятиліть головним і найбільш масштабним методом накопичення енергії в США була гідроенергетика з насосним накопиченням — простий процес, що передбачає використання водосховищ на різних висотах. Для накопичення енергії вода закачується в резервуар, розташований вище; коли потрібна енергія, вода скидається в нижній резервуар і проходить через турбіну. За даними Міністерства енергетики, на гідроакумулюючі насоси в даний час припадає 95 відсотків загального обсягу накопичення енергії у США. Між тим у міру підвищення ефективності та надійності, а також падіння виробничих витрат іонно-літієві батареї починають використовуватися дедалі частіше. За даними EIA, в США на їх частку припадає більше 80% загальної енергоємності акумуляторних батарей для комунального використання, за десять років цей показник зріс з декількох мегават до 866 мегават (на лютий 2019 року). В аналізі, проведеному "Блумберг нью енерджі файнанс" (Bloomberg New Energy Finance) у березні 2019 року, повідомляється, що вартість електроенергії від таких батарей з 2012 року знизилася на 76%, що підвищує їх конкурентоспроможність у порівнянні з електростанціями, які зазвичай працюють на природному газі і підключаються в періоди високого попиту. Сьогодні, зважаючи на те, що батареї широко використовуються для коротких, швидких регулювань в цілях підтримки рівнів потужності, комунальні служби в декількох штатах, включаючи Флориду і Каліфорнію, беруть на озброєння іонно-літієві батареї, які здатні працювати протягом двох-чотирьох годин. Раніше компанія "Вуд Маккензі" (Wood Mackenzie), що займається дослідженнями в галузі енергетики, оцінила, що за період з 2018 по 2019 рік ринок зберігання енергії подвоїться, а з 2019 по 2020 рік — потроїться.

Ванесса Бранчі/scientificamerican

На думку експертів, протягом наступних п'яти-десяти років іонно-літієві акумулятори, швидше за все, стануть панівною технологією, а продовження удосконалення призведе до того, що акумулятори зможуть зберігати від чотирьох до восьми годин енергії — достатньо, наприклад, для того, щоб переключитися з сонячної енергії на вечірній пік попиту.

Але наближення того моменту, коли поновлювані джерела енергії і накопичувачі енергії зможуть впоратися з базовим навантаженням генерації електроенергії, потребуватиме запасів енергії на більш тривалі терміни, що означає вихід за межі іонно-літієвих батарей. Спектр потенційних кандидатів на цю роль варіюється від високотехнологічних варіантів, таких як проточні батареї, які перекачують рідкі електроліти, і водневі паливні елементи, до більш простих ідей, таких як гідроакумулююча гідроенергія і те, що називається гравітаційним накопичувачем. Гідроакумулююча електростанція в готовому вигляді не вимагає особливих витрат, однак вона може використовуватися лише в певній місцевості та передбачає дороге будівництво. Настільки ж проста концепція гравітаційного накопичення, за якого невикористовувану електрику можна вжити для підняття важкого блоку, який пізніше можна опустити для приводу турбіни для виробництва електроенергії. Хоча кілька компаній взялися за цей проєкт і залучають інвестиції, ідея ще не виправдала себе. Інші варіанти ще недостатньо розроблені, щоб їх можна було вважати надійними, ефективними та економічно вигідними порівняно з іонно-літієвими батареями. Згідно EIA, до кінця 2017 року в США застосовувалися всього три великомасштабні системи зберігання з проточною батареєю, а водневі системи для комунальних цілей поки на стадії демонстрації. Уряд США фінансує деякі проєкти в цій галузі, зокрема, через Агентство перспективних дослідницьких проєктів, Енергетика (ARPA-E), однак найбільше інвестування в ці технології — і зберігання енергії в цілому — відбувається в Китаї та Південній Кореї, які також активно досліджують цю область.

Неясно, чи продовжиться процес скорочення витрат на зберігання енергії. Тим не менш накопичуються зобов'язання урядів, — у тому числі на рівні штатів і на місцевому рівні в США, — з досягнення безвуглецевого виробництва електроенергії, які будуть стимулювати збільшення доступних запасів електроенергії.

За матеріалами: ІноЗМІ

Loading...
Loading...

Редакція не несе відповідальності за думку, яку автори висловлюють у блогах на сторінках ZIK.UA

*Якщо Ви знайшли помилку в тексті новини, виділіть її та натисніть Ctrl+Enter.

Loading...