《麻省理工科技评论》2023年“全球十大突破性技术”正式发布

近日，《麻省理工科技评论》2023年“全球十大突破性技术”正式发布。

此次发布的突破性技术包括：“詹姆斯·韦伯太空望远镜”、“用于高胆固醇的CRISPR”、“制作图像的AI”、“按需器官制作”、“远程医疗堕胎药”、“改变一切的芯片设计”、“古代DNA分析”、“电池回收利用”、“必然到来的电动汽车”、“大规模生产的军用无人机”。详情如下：

01

詹姆斯·韦伯太空望远镜

James Webb Space Telescope

作为精密工程的奇迹，詹姆斯·韦伯太空望远镜可以彻底改变我们对早期宇宙的看法。

主要研究者：美国国家航空航天局、欧洲空间局、加拿大航天局、空间望远镜研究所；

成熟期：现在

经过几十年的努力，美国国家航空航天局耗资 100 亿美元打造的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST，James Webb Space Telescope）于 2021 年 12 月发射升空。该望远镜由美国、欧洲和加拿大合作完成，是人类有史以来发射到太空的最大望远镜，其威力是前身哈勃太空望远镜的 100 倍。它还专门设计用于探测红外辐射，使其能够穿透尘埃，回看到宇宙第一批恒星和星系形成的时期。

JWST 是专为跨越这种天文时间打造的。它的主镜直径为 21 英尺，是哈勃望远镜直径的三倍，因此分辨率更高。它有一个网球场那么大的遮阳板，以保护镜子和仪器免受太阳热量和光照的影响。为了帮助它到达太空，工程师们将 JWST 的镜子和遮阳板设计成了可折叠式，以便安装在火箭整流罩内。它们会在发射后展开，随着望远镜朝着距离地球 150 万公里的最终轨道飞行。

天文学家希望借 JWST 之力，拼凑出宇宙大爆炸后第一批星系的形成方式，但这并不是 JWST 的唯一目标。这架望远镜可用于天文学的各个领域。它能以前所未有的精度观察其他太阳系中的行星，让我们弄清楚它们的大气构成。它还将见证新世界的诞生，拍摄壮丽的星云图像，探测星系结构等等。

JWST 望远镜的使用寿命超过 20 年，在它工作的每一天，我们都将收获新的发现。——乔纳森·奥卡拉汉

02

用于高胆固醇的 CRISPR

CRISPR for high cholesterol

新形式的基因编辑工具可以帮助治疗常见疾病。

主要研究者：Verve Therapeutics, Beam Therapeutics, Prime Medicine, 伯劳德研究所

成熟期：10-15 年

去年，一名新西兰女性成为第一个接受基因编辑治疗以永久降低胆固醇的人。她患有心脏病，同时也有遗传性高胆固醇风险。但这项实验性治疗背后的科学家认为，任何人都可能从该疗法中受益。

在治疗中，他们使用了编辑工具 CRISPR，这是该工具的潜在转折点。大约十年前，该技术首次被编程用于编辑基因组，如今我们已看到 CRISPR 从科学实验室转移到了临床。但最初的实验治疗集中在罕见遗传疾病上，高胆固醇治疗具有更广泛的临床应用潜力。

由 Verve Therapeutics 开发的降胆固醇疗法，依赖于一种被称为碱基编辑或“CRISPR 2.0”的基因编辑形式。科学家现在可以用一个 DNA 碱基来替换另一个，这是一种更具针对性的方法，而不是简单地通过切割来“关闭”特定基因。理论上，这应该更安全，因为可以减少错误地切割一个重要基因的可能性，并且避免 DNA 被切割后修复自身时可能发生的潜在错误。

一种更新形式的 CRISPR 可能会发挥更大作用。先导编辑（Prime Editing）或“CRISPR 3.0”使得科学家可以将大片段 DNA 插入基因组。如果它在人身上有效，就可以让科学家替换掉致病基因。

总之，这些新形式的 CRISPR 可以扩大基因编辑的范围，使其用于治疗更多疾病，包括遗传疾病以外的疾病。总有一天，人们可以选择在基因密码中添加被认为可以预防高血压或其他某些疾病的基因。

目前所有 CRISPR 治疗都是实验性的，我们不知道它们是否安全。同时一些人认为，我们应该集中精力治疗那些患有严重疾病的人。但是，如果这些新形式的 CRISPR 能够奏效，它们就可以帮助其他许多人。——杰西卡·哈姆泽鲁

03

制作图像的 AI

AI that makes images

主要研究者：OpenAI, Stability AI, Midjourney,Google

成熟期：现在

依靠简单的短语就能生成惊人图像的人工智能模型，正在演变为强大的创意和商业工具。

OpenAI 在 2021 发布其文本到图像模型 DALL-E 时，开启了一个奇怪又奇妙的混搭世界。你只需输入一段简单描述，几乎任何内容都可以，程序就会在几秒内生成一张你想要的图片。2022 年 4 月发布的 DALL-E 2 可以生成更高质量的图片。谷歌还推出了自己的图像制作 AI，名为 Imagen。

然而，最大的游戏改变者是稳定扩散（Stable Diffusion），这是一个开源的文本到图像模型，由英国初创公司 Stability AI 免费发布。稳定扩散不仅可以产生一些迄今为止最令人惊叹的图像，而且它被设计为可以在一台（性能尚可的）家用计算机上运行。

通过让所有人都可以使用文本到图像模型，Stability AI 加速了创造力和创新的爆炸。在短短几个月内，数百万使用者创建了数千万张图片，但问题也很多。艺术家们陷入了十年来最大的剧变之一。而且，就像语言模型一样，文本到图像模型的训练数据来自互联网，它可以放大隐藏在这些数据中的偏见和有毒内容。

商业软件正在集成这项技术，比如 Photoshop。视觉效果艺术家和电子游戏工作室正在探索如何（用它）加快开发流程。文本到图像技术已经发展到文本到视频。在过去几个月，谷歌、Meta 和其他公司演示了人工智能生成的视频片段，虽然只有几秒长，但这终将改变。有一天，或许只要把剧本输入电脑，就可以制作电影。

去年，人工智能领域没有任何新闻比这件事更引人注目，无论是好新闻还是坏新闻。现在，对于这些工具将对创意产业和整个人工智能领域产生什么持久影响，我们拭目以待。——威尔·道格拉斯·哈文

04

按需器官制作

Organs on demand

工程化器官可以终结器官移植的等待名单。

主要研究者：eGenesis、Makana Therapeutics、United Therapeucs

成熟期：10-15 年

在去年的两个月里，一位名叫大卫·贝内特（David Bennett）的 57 岁男子体内有一颗猪心在跳动。马里兰大学的外科医生们把它植入人体内，并希望了解经过基因编辑的猪心脏是否能救人。

需要器官移植才能活下来的人，远远多于能够得到器官移植的人。全世界每年约有13万例器官移植，但更多的人在等待器官移植时死亡，或者他们可能从未进入移植等待名单。

使用动物器官是一个潜在的解决方案，但要克服人体对它们的排异并不容易。例如，猪组织表面的糖会使我们的免疫系统进入攻击模式。药物可以帮助抑制反应，但这还不够。因此，生物技术公司利用基因编辑技术改造猪组织，去除这些糖分子并添加其他基因，使猪组织看起来更像人的组织。

通过以这种方式编辑猪的 DNA，几家生物技术公司现在已经创造出了器官与人体更兼容的动物。尽管贝内特去世了，原因是在移植的器官中发现了病毒，但他的医生们声称，移植的猪心从未出现典型的器官排异症状。现在，他们正在计划招募更多患者进行研究。

在未来，器官工程可能根本不需要动物。研究人员正在探索如何从头开始设计复杂组织，目前处于早期阶段。其中包括肺部形状的 3D 打印支架，还有从干细胞中培养出的泛用“类器官”，用来模仿特定器官。从长远来看，研究人员希望在工厂里培育定制器官。无论是在动物体内生长，还是在制造工厂内培育，可以无限供应的人造器官都会使移植变得更加普遍，让更多的人获得替代品。——安东尼奥·雷加拉多

05

远程医疗堕胎药

Abortion pills via telemedicine

药物流产已经变得越来越普遍，但美国最高法院推翻罗诉韦德案的决定带来了新的紧迫感。

主要研究者：Choix, Hey Jane, Aid Access, Just the Pill, Abortion on Demand, Planned Parenthood,Plan C

成熟期：现在

在美国，获得堕胎护理的机会急剧减少，但一个重大转变出现在了另一个方向上：不需要离开家就能堕胎。2021 年疫情期间，美国食品和药物管理局（FDA，Food and Drug Administration）临时允许卫生保健提供者向患者邮寄两种药物，即米非司酮和米索前列醇，当两者一起服用时，可以导致堕胎。几年前，美国食品和药物管理局发现这些药物在终止早期妊娠方面是安全有效的。至 2020 年，这些药物导致的堕胎占美国堕胎总数的一半以上。2021 年底，FDA 将上述临时举措变为永久。

六个月后，美国最高法院裁定堕胎不是宪法权利。随着禁止堕胎的州“触发法”生效，人们对堕胎药的兴趣和需求激增。Aid Access 等非营利组织，以及 Choix、Just the Pill 和 Hey Jane 等初创公司都准备提供应对法律变化的方式。尽管流程因服务而异，但符合条件的女性通常使用带照片的 ID 注册，然后通过视频通话、短信或应用程序与医疗提供商咨询。医疗服务提供者可以为孕妇开药，并将药送到她们手中。

如何获得用于流产的药物，这个问题并未解决。总部设在欧洲的 AidAccess 拥有独特的优势，它可以将堕胎药运送到美国的任何一个州。但大多数通过邮寄方式提供堕胎药的初创公司都要遵循州法律，这意味着生活在禁止堕胎的 13 个州，或另外 7 个州（要求医生必须给孕妇当面开具处方药）的人必须跨州旅行或设置其他邮寄地址才能使用这些服务。

尽管如此，帮助人们远程获取堕胎药的组织，在关键时刻为许多人带来了关爱。他们的远见和不懈努力意味着，在人们需要的时候这些解决方案已经准备就绪。——雷贝卡·阿克曼

06

改变一切的芯片设计

A chip design that changes everything

计算机芯片设计昂贵且难以获得许可。得益于开放标准 RISC-V 的兴起，这一切都将发生变化。

主要研究者：RISC-V 国际、英特尔（Intel）、SiFive、SemiFive、中国 RISC-V 产业联盟

成熟期：现在

你有没有想过，智能手机和蓝牙音箱是由不同公司制造的，它们是如何实现连接的？这是因为蓝牙是一个开放的标准，这意味着它的设计规范，比如所需的频率和数据编码协议，都是公开的。基于以太网、Wi-Fi、PDF 等开放标准的软硬件早已家喻户晓。

现在，一个被称为 RISC-V 的开放标准可能会改变公司制造计算机芯片的方式。

英特尔（Intel）和 Arm 等芯片公司长期以来一直掌控着其芯片设计的所有权。客户只能购买现成的芯片，这些芯片可能有多余的功能，定制设计则要支付更多费用。由于 RISC-V 是一个开放标准，任何人都可以免费用它来设计芯片。

RISC-V 规定了计算机芯片指令集的设计规范。指令集描述了芯片改变其晶体管所代表的值的基本操作。例如，如何将两个数字相加。RISC-V 最简单的设计只有 47 条指令，但如果公司需要功能更复杂的芯片，它也提供了其他设计规范。

包括公司和学术机构在内的全球约 3100 名成员目前正在通过非营利组织 RISC-V International 合作建立和发展这些规范。2022 年 2 月，英特尔宣布了一项 10 亿美元的基金，该基金的一部分将用来支持发展 RISC-V 芯片的公司。

RISC-V 芯片已经开始出现在耳机、硬盘和 AI 处理器中，已经售出了 100 亿个内核。许多公司也在为数据中心和航天器进行 RISC-V 设计。RISC-V 的支持者预测，几年后，这种芯片将无处不在。——索菲娅·陈

07

古代 DNA 分析

Ancient DNA analysis

新的方法使商业测序仪可以看清受损的 DNA，这让深埋于历史的惊人发现终于得见天日。

主要研究者：马克斯普朗克进化人类学研究所（Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology）, 哈佛大学 David Reich 实验室（David Reich Lab at Harvard）

成熟期：现在

科学家们一直在寻找更好的工具来研究古代人类的牙齿和骨骼。在过去，他们不得不搜索许多古代遗迹，以找到保存完好的样本进行分析。

现在，更便宜的技术和新的方法使商业测序仪可以看清受损的 DNA，这为古代 DNA 分析的繁荣提供了动力。

如今，科学家甚至可以不需要牙齿或骨骼，仅仅在尼安德特人尿过的泥土中就能分析他们的 DNA 微观痕迹。2022 年 11 月，古遗传学成为了关注焦点，因为马克斯·普朗克进化人类学研究所的遗传学家斯万特·帕博（Svante Pääbo）因其相关的基础性研究工作获得了诺贝尔奖。

通过古代 DNA 分析，我们发现了两种已灭绝的人种“吕宋人（Homo luzonensis）”和“丹尼索瓦人(Denisovans)”，还知道了现代人类携带大量丹尼索瓦人和尼安德特人的 DNA。同时现在我们拥有全基因组数据的古代人类个体的数量迅速增加，从 2010 年的 5 个增加到了 2020 年的 5550 个。

这些技术表明了印度人的祖先是多种多样的，对种姓制度造成了冲击。西西里岛一个有 2500 年历史的战场中的 DNA 显示，古希腊军队比历史学家认为的更为多样化。

古老的样本也可以解开现代健康之谜。去年，科学家们发现了一个基因的单一突变，这种突变使人们在黑死病中存活的可能性提高了 40%，但它同时也是可能导致克罗恩病等自身免疫疾病的因素。

不同文化对待人类遗骸的方式不同，这将继续为寻求研究古代 DNA 的学者们带来伦理和后勤方面的问题。但古代 DNA 研究带来的发现已经改写了历史。——哈纳基罗斯

08

电池回收利用

Battery recycling

回收电池中关键金属的新方法可能会使电动汽车更实惠。

主要研究者：Baykar Technologies, Shahed Aviation Industries

成熟期：现在

从旧笔记本电脑、腐蚀的电钻和电动汽车中回收的高价值金属，可以为未来的汽车提供动力。这得益于回收技术的进步，使旧电池变成新电池成为可能。

随着电动汽车变得越来越普遍，人类对锂离子电池的需求也在飙升。对于气候变化来说，更多地使用电动汽车是一个好消息。但制造电池所需的金属供应已经捉襟见肘，到 2050 年，我们对锂的需求可能会增加 20 倍。

回收可能会有所帮助。旧的废旧电池处理方法难以可靠地回收足够多的这些金属，也就不能产生经济回报。但新的方法很快改变了这一点，使回收商能够更有效地溶解金属并将其与电池废料分离。

在废旧电池和电池生产过程中遗留的制造废料中，回收设施现在可以回收几乎所有的钴和镍，以及超过 80% 的锂，回收商计划以与开采材料接近的价格转售这些金属。铝、铜和石墨也经常被回收。

今天，中国在电池回收方面处于世界领先地位，主要由宁德时代等大型电池公司的子公司主导。欧盟最近提出了针对电池制造商的回收法规。北美的公司，如 Redwood Materials 和 Li-Cycle，正在迅速扩大运营规模，其资金来自数十亿美元的公共和私人投资。

电池需求预计将在今后几十年呈指数级增长。单靠回收不足以满足这一需求。这些新的回收流程也并不完美，但电池回收工厂将为世界创造满足气候目标所需的材料供应。——凯西·克朗哈特

09

必然到来的电动汽车

The inevitable EV

电动汽车已经诞生几十年了，现在它们终于成为了主流。

主要研究者：比亚迪、现代、特斯拉、大众

成熟期：现在

电动汽车正在改变汽车行业。

虽然电动汽车的销售状况过去一直在缓慢增长，但最近几年却在飙升。根据国际能源署（International Energy Agency）的数据，2022 年，无排放汽车和卡车可能占全球所有新车销量的 13%，而两年前仅为 4%。到 2030 年，这一数字有望增长到 30% 左右。

各种驱动力一起推动了电动汽车从小众选择走向主流。

政府已经制定了政策，迫使汽车制造商装备新的制造工具，并激励消费者做出改变。值得注意的是，加利福尼亚州和纽约州将要求所有新车、卡车和 SUV 在 2035 年前实现零排放，而欧盟在新闻发布会上几乎敲定了一项类似的规定。

接着，汽车公司正在成立供应链，建设制造能力，并发布更多性能更好的车型，包括多个价格区间和产品类型。

五菱宏光 Mini 是一款起步价略低于 5000 美元的小型电动汽车，现已成为世界上最畅销的电动汽车，这加强了中国作为最大电动汽车制造商的主导地位。

去年，来自 Hero Electric、Ather 和其他公司的两轮车和三轮车不断增加，帮助印度电动汽车销量增长了三倍（尽管总销量仍仅为 43 万辆左右）。从雪佛兰 Bolt（Chevy Bolt）到福特 F-150 Lightning（Ford F-150 Lightning）等尺寸和价格不等的车型正在将更多的美国人带进电动领域。

但未来仍有巨大挑战。比如，大多数车辆必须变得更便宜，充电需要更方便；清洁发电量必须大幅增加，以适应车辆充电的激增；制造足够的电池也将是一项巨大的任务。但现在很明显，耗油量大的汽车正在由盛转衰。——詹姆斯·坦普尔

10

大规模生产的军用无人机

Mass-market military drones

土耳其制造的 TB2 等飞行器大幅扩大了无人机在战争中的作用。

主要研究者：Baykar Technologies, Shahed Aviation Industries

成熟期：现在

几十年来，“捕食者（Predator）”和“收割者（Reaper）”等高端的、具备精确打击能力的美国飞机主导了无人机战争。然而在俄乌战争中，起关键作用的是伊朗或土耳其制造的低预算版本。它们的广泛使用改变了无人机的作战方式，以及谁能发动无人机作战。

这些新式无人机，有一些是市面上常见的四旋翼机。其他的无人机，如价值 3 万美元由伊朗制造的爆炸型沙希德无人机，俄罗斯曾用它执行远程袭击任务。但最引人注目的是土耳其 Baykar 公司生产的、价值 500 万美元的 Bayraktar TB2。

TB2 是由平价部件组成的一个慢速飞行器。它最高能以每小时 138 英里的速度飞行，通信距离约 186 英里。Baykar 声称它可以在空中停留 27 小时。但是当 TB2 与摄像头结合后，图像和视频数据可以与地面站共享，它就成为了一个强大的工具，既可以精准发射机翼上携带的激光制导炸弹，也可以帮助指挥地面炮火。

最重要的是 TB2 极易获取。像“收割者”这样的美国制造无人机性能更强，但成本更高，并受到严格的出口管制。而 TB2 可以被任何需要它的国家获取。

2016 年，土耳其军方对库尔德人使用了无人机。从那时起，它们被用于利比亚、叙利亚和埃塞俄比亚，以及阿塞拜疆对亚美尼亚的战争中。乌克兰在 2019 年购买了 6 架无人机用于顿巴斯的军事行动，但这些无人机在 2022 年初，当它们打击了俄罗斯军队时，才吸引了全世界的注意。

这些无人机带来的战术优势显而易见。但可悲的是，这些武器对世界各地平民可能造成的越来越可怕的伤害也同样显而易见。——凯尔西·阿瑟顿

来源：麻省理工科技评论