2.可注入組織工程

在美國(guó)，每年有70萬(wàn)患者要做關(guān)節(jié)替換手術(shù)。這些用人造關(guān)節(jié)來(lái)取代膝關(guān)節(jié)或髖關(guān)節(jié)的手術(shù)是高度入侵性的，因此很多患者盡可能地推遲手術(shù)。霍普金斯大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師埃利西芙希望能用可注入組織這種完全取消手術(shù)的療法來(lái)改變這種情況。她開發(fā)了一種方法來(lái)注射關(guān)節(jié)，用的是特殊設(shè)計(jì)的聚合物、細(xì)胞和生長(zhǎng)刺激劑的混合物，這些混合物可以凝固并形成健康組織。

盡管大部分可注入系統(tǒng)的研究都集中在軟骨和骨上，但觀察家們認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)該擴(kuò)展到如肝臟和心臟的組織。這種方法可以用來(lái)替代一個(gè)器官的致病部分，或增強(qiáng)其功能。在出現(xiàn)心力衰竭時(shí)，不是打開胸腔植入一個(gè)人造瓣膜或肌肉組織，而是簡(jiǎn)單地注入合適的細(xì)胞和作為生長(zhǎng)信號(hào)的物質(zhì)的混合物就可以了。在這個(gè)領(lǐng)域里，下一個(gè)前沿是在一個(gè)強(qiáng)大的新工具即干細(xì)胞方面。干細(xì)胞來(lái)源于骨髓和胚胎等，具有分化成為多種細(xì)胞的能力。已經(jīng)探索了干細(xì)胞同時(shí)長(zhǎng)成新軟骨和骨的能力，這是組織工程中*復(fù)雜的技術(shù)之一。他們做出聚合物和干細(xì)胞的混合物層，并在每層中注入特殊的化學(xué)信號(hào)以引發(fā)細(xì)胞長(zhǎng)成骨或軟骨。這種混合材料可以簡(jiǎn)化膝關(guān)節(jié)替換手術(shù)。例如，簡(jiǎn)化外科醫(yī)生替換脛骨上部及其上面的軟骨的手術(shù)。

3.納米太陽(yáng)能電池

加利福尼亞大學(xué)伯克利分?；瘜W(xué)家阿利維薩托斯對(duì)于利用太陽(yáng)能有一個(gè)好主意：用納米技術(shù)制造能夠像塑料包裝紙或涂料一樣伸展的光電材料。納米太陽(yáng)能電池不僅能與其它建筑材料結(jié)合在一起，而且有望*終使太陽(yáng)能電力作為替代電力廣泛應(yīng)用而且低成本生產(chǎn)。

迄今為止，阿利維薩特斯制造的原型太陽(yáng)能電池由厚度僅為200納米的納米棒聚合物復(fù)合材料薄片組成。電極薄層夾在復(fù)合材料薄片之間。當(dāng)陽(yáng)光照到這些薄片時(shí)，它們就吸收光子，激發(fā)在復(fù)合材料中占90%的聚合物和納米棒中的電子。結(jié)果在電極產(chǎn)生了有用的電流。

初期的成果是令人鼓舞的。但是現(xiàn)在研究中的幾個(gè)方法可使其性能進(jìn)一步提高。**個(gè)是阿利維薩特斯等人已經(jīng)轉(zhuǎn)而使用一種新型納米棒材料――鎘碲化物，它比他們*初使用的材料鎘硒化物可以吸收更多的陽(yáng)光?？茖W(xué)家們?cè)诜种ЫM裝時(shí)將納米棒排列整齊，這樣導(dǎo)電率比隨機(jī)混合的納米棒更高。納米棒太陽(yáng)能電池可以被鋪開、噴射或打印甚至涂敷在表面上。公共汽車上的廣告牌也可以是太陽(yáng)能收集裝置。

4.機(jī)械電子學(xué)

為了提高汽車從燃料經(jīng)濟(jì)性到性能的每一個(gè)指標(biāo)，研究人員正在致力于“機(jī)械電子學(xué)”，這是熟悉的機(jī)械系統(tǒng)與新型電子器件、智能軟件控制系統(tǒng)的集成。以車閘為例，在今后5至10年內(nèi)，電子機(jī)械傳動(dòng)裝置將取代液壓缸，電線將取代車閘液流管，軟件在駕駛員的腳和使汽車減緩的動(dòng)作之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于人的生命維系于這些機(jī)電系統(tǒng)，因此工程師們正在使用軟件來(lái)實(shí)時(shí)確認(rèn)和改正缺陷，保證這項(xiàng)技術(shù)萬(wàn)無(wú)一失。

5.網(wǎng)格計(jì)算

在20世紀(jì)80年代，“互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議”使我們可以連接任何兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，并且被稱為互聯(lián)網(wǎng)的大型網(wǎng)絡(luò)在全球蓬勃發(fā)展。90代“超文本傳送協(xié)議”使我們可以連接任何兩個(gè)文件，同時(shí)被稱為萬(wàn)維網(wǎng)的大型在線圖書館及購(gòu)物商場(chǎng)在互聯(lián)網(wǎng)上蓬勃發(fā)展?，F(xiàn)在，迅速出現(xiàn)的“網(wǎng)格協(xié)議”可能允許我們連接幾乎任何東西：數(shù)據(jù)庫(kù)、模擬和視覺(jué)化工具，甚至是計(jì)算機(jī)本身的數(shù)字搗弄電源。很快我們會(huì)發(fā)現(xiàn)我們處身于這個(gè)*大的發(fā)展之中。

南加利福尼亞大學(xué)信息科學(xué)學(xué)院的卡爾說(shuō)，如果你想在現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)上找到一些問(wèn)題的答案，你就會(huì)陷入神秘的進(jìn)入系統(tǒng)程序和不兼容軟件。但是使用網(wǎng)格計(jì)算，這就非常簡(jiǎn)單了：網(wǎng)格協(xié)議為發(fā)現(xiàn)、評(píng)估和調(diào)用網(wǎng)上任何資源，同時(shí)為建立**與鑒定所必須的**措施提供標(biāo)準(zhǔn)手段。

全世界進(jìn)行中的建設(shè)依靠許多分布式計(jì)算機(jī)，實(shí)際上它們都使用總線工具包。這些計(jì)算機(jī)具有**的計(jì)算能力，應(yīng)用范圍很廣，從遺傳學(xué)、粒子物理到地震工程。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的價(jià)值8800萬(wàn)美元的“萬(wàn)億網(wǎng)格”計(jì)算機(jī)是*大者之一。當(dāng)今年底完工時(shí)，這臺(tái)通用分布式超級(jí)計(jì)算機(jī)的速度將可以達(dá)到每秒21萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算，是世界上*快的運(yùn)算系統(tǒng)之一。IBM、太陽(yáng)微系統(tǒng)和微軟等公司對(duì)網(wǎng)格計(jì)算的支持正在達(dá)到高潮。

6.分子成像

由于細(xì)胞生物學(xué)、生化制劑和計(jì)算機(jī)分析的進(jìn)步，分子成像技術(shù)蓬勃發(fā)展。分子成像是許多技術(shù)的簡(jiǎn)稱，這些技術(shù)能夠讓研究人員看到身體內(nèi)的基因、蛋白質(zhì)和其它起作用的分子。世界各地的研究小組正在努力利用磁、核和光學(xué)成像技術(shù)來(lái)研究主導(dǎo)生物過(guò)程的分子的相互作用。x射線、超聲波和其它傳統(tǒng)技術(shù)只能向醫(yī)生提供腫瘤大小等解剖學(xué)線索，而分子成像可以跟蹤**的根源。在一叢細(xì)胞中的一個(gè)異常的蛋白質(zhì)的出現(xiàn)可能標(biāo)志著癌癥的開始。放射學(xué)家馬胡德正在努力將這項(xiàng)技術(shù)轉(zhuǎn)入實(shí)際醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

可是在細(xì)胞活動(dòng)中探測(cè)特殊細(xì)胞是很有挑戰(zhàn)性的。當(dāng)研究人員注入一個(gè)縛在分子上的標(biāo)記時(shí)，他們面臨著區(qū)分已經(jīng)縛上和額外的沒(méi)有縛上的標(biāo)記的問(wèn)題。因此馬胡德和化學(xué)家們合作開發(fā)“智能探針”，探針瞄準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)，會(huì)改變亮度或磁性。

分子成像可用于探測(cè)癌癥征號(hào)，提前數(shù)月或幾年知道組織變化，毋須外科醫(yī)生進(jìn)行組織切片診斷。未來(lái)10年內(nèi)分子成像可能取代**X線照片、活體檢查和其它診斷技術(shù)。盡管分子成像不會(huì)完全取代傳統(tǒng)成像技術(shù)，但是它會(huì)對(duì)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究和**病人護(hù)理有深刻影響。

7.納米印刷刻蝕

世界各地的納米技術(shù)實(shí)驗(yàn)室正在開發(fā)許多微型傳感器、晶體管和激光器。這些器件展示了超快和便宜的電子技術(shù)與通信技術(shù)的未來(lái)。但是，由于缺乏合適的制造技術(shù)，要使納米技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室是很困難的。用于批量生產(chǎn)硅微芯片的工具對(duì)于納米制造來(lái)說(shuō)太粗笨了，而實(shí)驗(yàn)室中的特殊方法又太昂貴和耗時(shí)，不實(shí)用。

普林斯頓大學(xué)電子工程師斯蒂芬?喬認(rèn)為，一種比印刷機(jī)復(fù)雜一些的裝置可以解決這個(gè)問(wèn)題。他僅僅是將一個(gè)硬模具壓入軟材料，就可以**地印出小于10納米的特征尺寸。2002年夏天驗(yàn)證該項(xiàng)技術(shù)的潛力時(shí)，喬證明了他可以在硅和金屬上直接造出納米特征尺寸。他用一束強(qiáng)激光掠過(guò)固體，融解表面到足夠壓上模具并印出所希望的特征尺寸。他也致力于顯示納米印刷可以解決刻蝕術(shù)面臨的大挑戰(zhàn)：如何將納米圖形刻蝕到硅片上，制造出以后各代高性能的微芯片。

*終，納米印刷刻蝕技術(shù)會(huì)成為納米特征尺寸的低廉和容易制造的方法的選擇，用于通信用光學(xué)元件和診斷篩選用基因芯片等各種產(chǎn)品。

8.軟件保證

計(jì)算機(jī)會(huì)出故障，這是生活常識(shí)。當(dāng)計(jì)算機(jī)確實(shí)出故障時(shí)，通常是由于軟件的缺陷。一般地說(shuō)這些故障造成的后果是很小的。但是當(dāng)軟件操縱復(fù)雜的分布式系統(tǒng)，如那些支持空中交通控制或醫(yī)療設(shè)備的系統(tǒng)時(shí)，一個(gè)出錯(cuò)的代價(jià)是非常高昂的，甚至?xí)冻錾?。為了避免這樣的災(zāi)難，林奇等人正在創(chuàng)造他們希望的能編出幾乎無(wú)錯(cuò)誤的軟件的工具。

林奇等人在麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室工作，為使軟件開發(fā)更嚴(yán)格而開發(fā)了一種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言和編程工具。林奇指出，土木工程師在別人建造橋梁之前會(huì)建造和測(cè)試橋梁的模型。然而，編程人員通常以一個(gè)目標(biāo)開始，也可能經(jīng)過(guò)一些討論，就坐下來(lái)編寫軟件代碼。林奇等人的工具使編程人員可以在編寫軟件之前進(jìn)行有關(guān)軟件的模擬、測(cè)試和推理。

如同其他很多工作一樣，林奇等人的方法是從稱為“抽象”的概念開始的，其思想是從對(duì)程序目標(biāo)的高度概括開始，然后寫出一系列更加詳細(xì)的逐步說(shuō)明，描述該程序可采取的達(dá)到目標(biāo)的步驟和它如何執(zhí)行這些步驟。

林奇等人使“抽象”思想進(jìn)一步深化。12年前，林奇開發(fā)了一種數(shù)學(xué)模型，使編程人員更容易判斷一組“抽象”是否可以使分布式系統(tǒng)行為正確。她用這種模型創(chuàng)造了一種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編程器，用以編寫“偽代碼”以描述程序應(yīng)該做些什么。這些工具指導(dǎo)編程器注意一般軟件測(cè)試可能檢查不出來(lái)的許多出錯(cuò)環(huán)節(jié)，從而有助于保證軟件總是正常地工作。

9.糖原組學(xué)

生物技術(shù)公司Cytel合成了一種糖（人類身體產(chǎn)生的成千上萬(wàn)種物質(zhì)之一），希望它能被賣出以真正地促進(jìn)健康。Cytel的目的是將糖轉(zhuǎn)變?yōu)樗幰择Z服**系統(tǒng)，使心臟病和手術(shù)后的傷害*小化。這個(gè)渴望失敗了，但是了解并*終利用糖的工作正在興旺起來(lái)，這個(gè)領(lǐng)域被稱為糖原組學(xué)。

對(duì)糖原組學(xué)感興趣的原因是，人體中的糖雖然經(jīng)常被忽略，但卻有至關(guān)重要的功能。特別是糖通過(guò)一種稱為糖基化的過(guò)程，在穩(wěn)定和決定蛋白質(zhì)功能中起著重要的作用。在糖基化過(guò)程中，糖單元附在其它分子包括剛剛生成的蛋白質(zhì)上。

通過(guò)操縱糖基化或糖本身，研究人員希望抑制病程，創(chuàng)造新藥并且改進(jìn)已有**。例如，生物技術(shù)公司Amgen通過(guò)在分子上附上兩個(gè)特別的糖制造出了更加有效的暢銷藥，這種藥是稱為紅細(xì)胞生成素的蛋白質(zhì)，可以促進(jìn)紅細(xì)胞生成。

盡管糖具有重要意義，但揭示其秘密的努力長(zhǎng)期處在基因和蛋白質(zhì)研究庇蔭之下，一部分原因是沒(méi)有簡(jiǎn)單的“編碼”來(lái)決定糖的結(jié)構(gòu)。這是一個(gè)巨大的任務(wù)。研究人員估計(jì)每個(gè)人有4萬(wàn)個(gè)基因，每個(gè)基因可以編碼成幾個(gè)蛋白質(zhì)。糖可以改變?cè)S多這樣的蛋白質(zhì)，并且不同類型細(xì)胞以不同的方式附著相同的糖，從而組成不同的分支結(jié)構(gòu)，每一種結(jié)構(gòu)都有獨(dú)特的功能。

10.量子密碼術(shù)

世界在秘密之上運(yùn)轉(zhuǎn)。沒(méi)有秘密，政府、公司和個(gè)人幾乎不能運(yùn)行，更不談不上基于互聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)。日內(nèi)瓦大學(xué)的吉辛是一項(xiàng)可以增強(qiáng)電子通信**的技術(shù)運(yùn)動(dòng)的先驅(qū)。吉辛的被稱為量子密碼術(shù)的工具，能夠以一種可探測(cè)任何**企圖的方式傳送信息。

這項(xiàng)技術(shù)依靠應(yīng)用于原子尺寸的量子物理學(xué)，你若試圖觀測(cè)一個(gè)量子系統(tǒng)，你就不可避免地改變它。經(jīng)過(guò)10年的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，量子密碼術(shù)已接近可行。物理學(xué)家和企業(yè)家吉辛率先負(fù)責(zé)將這項(xiàng)技術(shù)帶向市場(chǎng)。吉辛2001年從日內(nèi)瓦大學(xué)實(shí)驗(yàn)室分立出來(lái)的公司制成了**個(gè)可商用的量子密碼系統(tǒng)。這個(gè)個(gè)人計(jì)算機(jī)大小的原型系統(tǒng)包括一個(gè)隨機(jī)數(shù)字發(fā)生器（為創(chuàng)造解碼鑰匙所必需的）和發(fā)射與探測(cè)組成量子信號(hào)的個(gè)別光子的器件。

傳統(tǒng)的密碼術(shù)集中于開發(fā)可靠的數(shù)字鎖，免使信息落入賊手。但是如果有人偷了鑰匙，再好的鎖也是不管用的。使用量子密碼術(shù)，可以肯定鑰匙是**的。用光子的形式傳送鑰匙，光子的偏振方向是隨機(jī)的。發(fā)送者和預(yù)期的接收者一個(gè)光子一個(gè)光子地比較偏振。**這個(gè)信號(hào)的任何試圖，會(huì)以發(fā)送者和接收者可以探測(cè)到的方式改變偏振。然后發(fā)送者會(huì)發(fā)送新鑰匙直到其能不受干擾的通過(guò)。

吉辛很清楚他面臨的挑戰(zhàn)。只有在光脈沖可經(jīng)由空氣或光纖而不擴(kuò)散的距離內(nèi)量子密碼才起作用，放大過(guò)程會(huì)摧毀量子編碼信息。吉辛稱，在今后幾十年內(nèi)，只有量子通信廣泛存在，電子商務(wù)和電子政府才會(huì)成為可能。換句話說(shuō)，大部分技術(shù)前景取決于保密學(xué)。

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