基本簡介
2019年十大突破性技術十大突破
以下是該份榜單詳細內容及部分解讀節選：
靈巧機器人
靈巧機器人 主要研究者：OpenAI（人工智慧非營利組織）、卡內基梅隆大學、密西根大學、加州大學伯克利分校
成熟期：3-5年
儘管人們一直在討論機器取代人類工作的話題，但目前工業機器人仍然表現得較為笨拙且靈活性欠佳。雖然機器人可以在裝配線上不厭其煩地重複著同一個動作，同時還能保持超高的精度，但哪怕目標物體被稍微移動了一點，或將其替換成不同的零件，機器人的抓取過程就會變得十分笨拙甚至是直接抓空。
如今，雖然我們還無法讓機器人做到和人一樣，在看到物體後就明白如何將其拿起，但現在它可以通過在虛擬空間裡進行反覆的試驗，最終自主學會處理眼前的物體。
位於舊金山的非盈利組織OpenAI就推出了這樣一套AI系統Dactyl，並已成功操控一個機器手讓其靈活地翻轉一塊積木。這套神經網路軟體能夠通過強化學習，讓機器人在模擬的環境中學會抓取並轉動積木後，再讓機器手進行實際操作。這套軟體開始時會進行隨機的嘗試，並在不斷地接近最終目標的過程中逐漸加強網路內部的連線。
通常我們無法讓機器人將模擬練習中獲得的知識套用到現實環境裡，因為我們很難模擬出像摩擦力或是材料的不同性質這樣的複雜變數。而OpenAI團隊則通過在虛擬訓練中引入隨機性來克服了這個問題。
現階段，我們還要取得更多的突破才能讓機器人變得更加靈活。但如果研究人員能夠很好地利用這種學習方法，未來的機器人將有望能夠學會組裝電子產品、將餐具擺入洗碗機里、甚至是能夠將臥床的人從床上扶起。
核能新浪潮
重大意義：先進的核聚變和核裂變反應堆正在走進現實。在減少碳排放和限制氣候變化的努力方面，核能的作用似乎正變得越來越不可或缺。
主要研究者：陸地能源（TerrestrialEnergy）、泰拉能源（TerraPower）、紐斯凱爾（NuScale）、GeneralFusion
成熟期：新型核裂變反應堆到2020年代中期有望實現大規模套用；核聚變反應堆仍需至少十年時間。
在過去的一年中，新型核反應堆發展勢頭強勁，核能的使用將會變得更安全，成本也更低。新型反應堆的發展包括：顛覆了傳統設計的第四代核裂變反應堆、小型模組化反應堆，以及似乎永遠也無法實現的核聚變反應堆。第四代核裂變反應堆的開發者，比如加拿大的TerrestrialEnergy和總部位於華盛頓的泰拉能源（TerraPower），已經開始與電力公司建立研發合作關係，力爭在2020年代之前實現併網發電（這個估計可能有些樂觀）。
小型模組化反應堆可以產生的電力，通常為數十兆瓦（相比之下，傳統核反應堆可以產生約1000兆瓦的電力）。像俄勒岡州的NuScale這樣的公司表示，小型化的反應堆可以節約資金成本，並降低環境和金融風險。
核聚變方面也有進展。雖然沒人指望可控核聚變技術會在2030年以前實現交付，但像GeneralFusion和CommonwealthFusionSystems這樣的來自麻省理工學院的初創企業，正在取得一些積極進展。許多人認為可控核聚變只是黃粱美夢，然而，由於核聚變反應堆不會出現堆芯熔毀，也不會產生衰變期長、放射性高的核廢料，它所可能會面臨的公眾抵制應該會比常規核反應堆少很多。（比爾·蓋茨是泰拉能源和CommonwealthFusionSystems的投資方。）
早產預測
重大意義：每年有1500萬嬰兒過早出生，這是5歲以下兒童死亡的主要原因
主要研究者：AknaDx
成熟期：可在5年內進入臨床測試。
簡單的驗血可以預測孕婦是否有過早分娩的風險。我們的遺傳物質主要存在於細胞內。
但是少量的“無細胞”DNA和RNA也漂浮在我們的血液中，通常由垂死細胞釋放。在孕婦中，這些游離的遺傳物質碎片來自胎兒、胎盤和母親的細胞。史丹福大學的生物工程師StephenQuake已經找到了一種方法來解決醫學界最棘手的問題之一：大約十分之一的嬰兒過早出生。
自由漂浮的DNA和RNA攜帶者以前需要侵入性細胞抓取細胞的信息，例如對腫瘤進行活組織檢查或刺破孕婦的腹部進行羊膜穿刺術。不一樣的是現在更容易檢測和分析血液中無細胞遺傳物質。
在過去幾年中，研究人員開始通過從血液中檢測腫瘤細胞的DNA，以及通過血液檢測對孕婦進行唐氏綜合症等疾病的產前篩查。這些檢測依賴於尋找DNA中的基因突變。另一方面，RNA是調節基因表達的分子物質，能夠決定從基因中產生多少蛋白質。
通過對母親血液中的自由漂浮的RNA進行測序，Quake篩選出與早產有關的七種基因表達的波動。這讓他可以識別可能過早分娩的女性。一旦被警告，醫生可以採取措施避免早產，並給予孩子更好的生存機會。
Quake說，血液檢測所運用的技術，快速，簡便，每次測量不到10美元。他和他的合作者已經創辦了一家創業公司AknaDx將其商業化。
腸道顯微膠囊
重大意義：一種小型的、可吞咽的設備，不使用麻醉也可以捕捉到腸道的詳細圖像，甚至在嬰兒和兒童體內也可以。這一設備使腸道疾病的探測和研究變得更為容易，其中包括使貧困地區的數百萬兒童發育不良的一種疾病。
主要研究者：麻省總醫院
成熟期：目前在成人體內使用；嬰兒試驗將於2019年進行。
環境性腸功能障礙（EED）可能是你從未聽說過的花費最高昂的疾病之一。以腸道發炎、腸道泄露和營養吸收不良為特徵，這一疾病在貧窮國家廣泛傳播，這也是這些地區許多人營養不良、發育遲緩、未能達到正常身高的原因之一。
沒有人知道引起EED的具體原因是什麼，也沒有人知道怎樣預防或治療這一疾病。切實可行的檢測手段可以幫助醫務工作者了解何時應該干預及怎樣治療。在嬰兒中已經有了治療方法，但診斷和研究這些幼兒腸道疾病通常需要麻醉，並將一個稱為內窺鏡的管子插入喉嚨。這種方法昂貴、不舒服、且在EED盛行地區難以開展。
因此，麻省總醫院（MGH）的病理學家和工程師GuillermoTearney研發了一種小型設備，這種設備能夠檢測EED的表現症狀，甚至可以進行組織活檢。與內窺鏡不同，它在基礎保健檢測過程中套用簡單。
Tearney的可吞咽膠囊顯微鏡附在可彎曲的線型導管上，被連線到一種叫做光學相干斷層成像系統(OCT)的設備上。在病人將膠囊吞咽後，醫療人員在將纖維膠囊拉回的過程中，能夠無死角對整個消化道做纖維斷層掃描。這種膠囊在消毒後可以重複利用（這聽起來有點令人不適，但是Tearney的團隊已經研發出一種技術，據他們說，這種技術不會造成不適。）它還帶有以單細胞解析度拍攝消化道表面的技術，以及捕捉幾毫米深度的三維橫截面的技術。
這項技術有幾種套用；在麻省總醫院,它被用來檢測巴雷特食管，一種食管癌的前身。關於EED，Tearney的團隊研發出了一種更小的版本，可以給不能吞咽藥丸的嬰兒使用。這已經在盛行EED的巴基斯坦地區的青少年身上驗證過了，此外，計畫在2019年進行嬰兒試驗。
這一小型探測儀將幫助研究者們回答關於EED進展的相關問題——例如它會影響什麼細胞和是否有細菌涉及其中——並評估干預手段和潛在療法。
定製癌症疫苗
重大意義：通過識別各腫瘤的特異性突變，激發人體的天然防禦能力，從而對癌細胞進行針對性破壞。傳統化學療法對健康細胞有很大影響，而且對腫瘤的治療效果並不總是理想。
主要研究者：BioNTech、Genentech
成熟期：已在臨床試驗
目前，科學家正處於將首支個性定製疫苗商業化的關鍵時刻。如果其效果真如預期的話，該疫苗就的確能夠通過腫瘤獨特的突變觸發人體免疫系統對其進行識別，從而有效地阻止多種癌症的發生。
更重要的是，與傳統化學療法不同，疫苗是通過使用人體的天然防禦系統來選擇性地破壞腫瘤細胞的，對健康細胞的損害較有限。
此外，在初始治療後，攻擊性免疫細胞將也會對游離的癌細胞保持警惕。在人類基因組計畫完成五年後的2008年，當遺傳學家公布了癌細胞的第一個序列時，這種疫苗的誕生就不再是天方夜譚了。
此後不久，研究人員開始將癌細胞的DNA與健康細胞和其他腫瘤細胞三者的DNA進行比較。研究證實，所有這些癌細胞都含有數百個甚至數千個特定的突變，其中大多數是這些腫瘤各自特有的。幾年後，一家名為BioNTech的德國初創公司提供了令人信服的證據，證明含有這些突變拷貝的疫苗可以催化機體的免疫系統產生T細胞，從而做好發現、攻擊和摧毀所有含有這些突變癌細胞的準備。
目前正在進行的試驗針對至少10種實體癌症，目標是在全球各地招募560名以上的志願者。目前，這兩家公司正在設計新的生產技術，以期能廉價快速地生產數千種私人訂製疫苗。
但這會是塊“硬骨頭”，因為製造疫苗需要對病人的腫瘤進行活檢，對其DNA進行測序和分析，並將這些信息迅速傳遞到生產現場。一旦生產出來，疫苗就必須及時送到醫院，而任何延誤都可能是致命的。
人造肉漢堡
重大意義：實驗室培育的人造肉和植物製成的素肉，能在不破壞環境的情況下接近真實肉類的味道和營養價值。人造肉的出現，可以緩解畜牧業生產造成的毀滅性的森林砍伐、水污染和溫室氣體排放。
主要研究者：美國人造肉企業BeyondMeat
成熟期：目前已經有成形的植物性素肉；2020年左右可研製成功實驗室人造肉。
根據聯合國的預測，世界人口數量將在2050年達到98億，人口富裕水平也會上升。但這於對氣候變化來說可不是什麼好事——人類一旦脫貧致富，就往往要吃掉更多肉。據預測，到2050年，人類吃掉的肉會比2005年多70%。事實證明，飼養供人類食用的動物，是對環境的最大傷害之一。根據動物種類的不同，以西方工業化方法生產一磅肉類蛋白要比生產等量植物蛋白多用4到25倍的水，6到17倍的土地，6到20倍的化石燃料。
而問題在於，人肯定不會馬上就戒掉肉類。也就是說，實驗室培養的人造肉和植物製成的素肉可能是抑制環境惡化的最好辦法。實驗室人造肉的過程，是從動物身上提取肌肉組織，然後放入生物反應器進行培育。雖然最終成品的口感可能有待提高，但外形上已經與我們正常吃的肉差不多了。荷蘭馬斯特里赫大學的研究人員已在為實驗室人造肉的量產而努力。
他們認為，到明年，人造肉漢堡的生產成本可能都比牛肉漢堡還低。但人造肉也不完美，生產人造肉對環境到底有多大改善，我們還只能粗估。世界經濟論壇最近的一份報告說，生產實驗室人造肉的溫室氣體排放量也只比生產牛肉生產少大概7%。對環境更友好的肉類替代品，就是BeyondMeat和ImpossibleFoods（比爾·蓋茨投資了這兩家美國人造肉初創企業）等公司研發的植物製成的“素肉”。
他們用豌豆蛋白、大豆、小麥、馬鈴薯和植物油來還原動物肉的質地和口感。BeyondMeat公司在加州新開了一家占地26000平方英尺（約2400平方米）的工廠，已經在3萬家商店和餐館售出了超過2500萬個漢堡。密西根大學可持續系統中心分析顯示，BeyondMeat製作漢堡產生的溫室氣體可能比傳統牛肉漢堡少90%。
捕獲二氧化碳
重大意義：實用且經濟地從空氣中直接捕獲二氧化碳的方法，可以吸走超量排放的溫室氣體。從大氣中去除CO2可能是阻止災難性的氣候變化最後的可行方法之一。
主要研究者：CarbonEngineering、Climeworks、GlobalThermostat
成熟期：5到10年
即使我們降低目前的二氧化碳排放速度，溫室氣體造成的變暖效應依然會持續數千年之久。為防止氣溫攀升至危險範圍，聯合國氣候變化委員會當前得出的結論是，在本世紀，全世界將需要從大氣中去除高達1萬億噸的二氧化碳。
去年夏天，哈佛大學氣候科學家大衛·凱斯（DavidKeith）計算之後驚喜地發現，一種叫做直接空氣捕獲（DirectAirCapture，DAC）的方法，理論上可以將機器捕集二氧化碳的成本降低到每噸100美元以下。先前估計的成本要比這個數字高出一個數量級，因而許多科學家曾認為這項技術太過昂貴，不具備可行性。不過，直接空氣捕獲仍需至少數年的時間，才有可能將成本降低到接近100美元的範圍。
然而，一旦成功實現了二氧化碳的捕集，還要想辦法處理。由凱斯在2009年參與共同創辦的加拿大初創企業碳工程公司（CarbonEngineering），計畫擴大其試驗工廠的規模，來提高合成燃料的產量。這種合成燃料的關鍵原料之一，就是所捕獲的二氧化碳。（比爾·蓋茨是碳工程公司的投資方。）
直接從大氣中吸取CO2，是一種高難度的應對氣候變化的方法，但我們已經沒有多少選擇了。
總部位於蘇黎世的Climeworks在義大利的直接空氣捕獲工廠，將利用捕集到的二氧化碳和氫氣一起生產甲烷，而他們位於瑞士的第二家工廠則會把二氧化碳出售給汽水企業。紐約的GlobalThermostat也是如此，該公司於去年在阿拉巴馬州完成了第一家商業化碳捕集工廠的建設。
不過，如果二氧化碳被用於合成燃料或生產汽水，那么它們中的大部分最後還是會回到大氣中去。我們的終極目標，是實現溫室氣體的永久封存。其中的一些會被封存在類似於碳纖維、聚合物或混凝土這樣的產品中去，但更多的需要深埋於地下。目前還沒有可行的商業模式來支持這項成本高昂的工作。
事實上，從工程學的角度來看，從空氣中吸取CO2是應對氣候變化最困難、也是最昂貴的方法之一。但鑒於目前我們降低排放的進程太過緩慢，我們並沒有多少別的選擇。
可穿戴心電儀
重大意義：隨著監管機構的批准和相關技術的進步，人們可以輕鬆通過可穿戴設備持續監測自己的心臟健康。可檢測心電圖的智慧型手錶可以預警如心房顫動等潛在的危及生命的心臟疾病。
成熟期：現在
健康監測裝置並不是真正的醫療設備，劇烈的運動或錶帶沒繫緊都會干擾感測器讀取脈搏。而心電圖則是在病人中風或心臟病發作之前，醫生就可以用其來診斷心臟異常，但需要去正規診所才能檢查，因此人們經常不能及時就診。
隨著監管部門新法規的出台和軟、硬體的相關創新，心電監測智慧型手錶已經問世，它具有可穿戴設備的便利性，並且能夠提供接近醫療設備的精度。矽谷初創公司AliveCor推出了一款與蘋果手錶兼容的腕帶，該腕帶可以檢測出心房顫動，這是導致血栓和中風的常見原因。
去年，蘋果發布了帶有心電圖(ECG)功能的AppleWatch，並且該功能已經通過FDA認證。隨後，健康設備公司Withings也宣布計畫發布一款配有心電圖功能的手錶。現階段的可穿戴心電圖監測設備仍然只有一個感測器，而真正的心電圖設備則有12個感測器。目前還沒有任何一種可穿戴設備能夠診斷心臟病。
但這種情況可能很快就會改變。去年秋天，AliveCor就一款應用程式和雙感測器系統向美國心臟協會(AmericanHeartAssociation)提交了初步審查，據稱該系統可以檢測到某種類型的心臟病。
無下水道衛生間
重大意義：節能廁所可以在沒有下水道系統的情況下使用，並且可以就地分解糞便。23億人缺乏安全的衛生設施，並許多人因此死亡
主要研究者：杜克大學、南佛羅里達大學、BiomassControls、加州理工學院
成熟期：1-2年
全球大約有23億人沒有良好的衛生條件。由於缺乏衛生的廁所，人們將糞便傾倒在附近的池塘和溪流中，這會傳播細菌、病毒和寄生蟲，從而導致腹瀉和霍亂。全世界每9名兒童中就有1名死於腹瀉。
現在，研究人員正在努力開發一種新型廁所，這種廁所對開發中國家來說也足夠便宜，不僅可以處理糞便，還可以對其進行分解。2011年，比爾·蓋茨提出重新發明廁所挑戰，並設立了X大獎。
自從挑戰開始以來，有幾個團隊已經將設計的廁所原型投入使用。所有的糞便都是就地處理的，不需要用大量的水把它們送到遙遠的處理廠。
（來源：GATESFOUNDATION）
大多數的廁所原型都是獨立的，不需要下水道，但他們看起來像傳統的廁所，裝在一個小隔間裡並且有馬桶。由南佛羅里達大學設計的NEWgenerator馬桶用一種厭氧膜過濾污染物，這種厭氧膜的孔徑比細菌和病毒都小。另一個來自康乃狄克州BiomassControls的項目則像是一個海運貨櫃大小的煉油廠，它能加熱糞便，使其轉化成一種富含碳的物質，用作土壤肥料。但是這些廁所有一個缺點，它們並不是在所有場合都能使用。
例如，BiomassControls的產品每天能為成千上萬的用戶提供方便，因此它不太適合較小的村莊。相反，杜克大學開發的另一套系統則只能供少數家庭使用。
所以，現在的挑戰是如何讓這些廁所更便宜，更能適應不同規模的社區。
來自南佛羅里達大學、領導NEWgenerator小組的DanielYeh副教授表示:“建造一兩個原型廁所非常棒，但要真正讓技術影響世界，唯一的辦法就是讓這些設備進行大規模生產。”
流利對話的AI助手
重大意義：捕捉單詞之間語義關係的新技術正在使機器更好地理解自然語言。人工智慧助手現在可以執行基於對話的任務，如預訂餐廳或協調行李託運，而不僅僅是服從簡單命令。
成熟期：1-2年後
我們已經習慣了人工智慧助手——Alexa在客廳里播放音樂，Siri在你的手機上為你定鬧鐘——但它們並沒有真正做到所謂的智慧型。它們本應簡化我們的生活，但卻收效甚微。它們只識別很小範圍的指令，稍遇偏差就很容易出錯。
但最近的一些進展將增加你的數字助理的功能。2018年6月，OpenAI的研究人員開發了一種技術，可以在未標記的文本上訓練人工智慧，以減少人工對數據進行分類標記時花費的成本和時間。幾個月後，谷歌的一個團隊推出了一個名為BERT的系統。該系統在研究了數百萬個句子後學會了如何預測漏掉的單詞。在一個多項選擇測試中，它在填空方面的表現和人類一樣好。
這些改進加上更好的語音合成系統，讓我們從簡單的向人工智慧助手下指令轉向與它們交談。它們將能夠處理日常瑣事，如做會議記錄、查找信息或網上購物。這樣的人工智慧助手已經面世，如谷歌助手的逆天升級版谷歌Duplex，可以幫你接聽電話，甚至過濾掉垃圾郵件及電話推銷。它還可以打電話幫你預約餐廳或沙龍。
在中國，消費者正在習慣阿里巴巴(Alibaba)的AliMe。AliMe通過電話協調包裹遞送，還可以與顧客討價還價。
儘管人工智慧程式能更好地找出你的需求，它們仍然不能理解一個完整的句子。腳本化或由統計生成的回答反映了向機器灌輸真正的語言理解是多么困難。一旦我們解決了這個難題，我們也許會看到人工智慧的另一種進化：從物流協調員到保姆、老師，甚至朋友。
