当前位置:生命经纬 > 新闻中心 > 生命科学总论> 文章正文
科技将这样改变我们的生活
    每年,美国《技术评论》杂志都会公布本年度10大新兴技术,并预计这些技术将在未来几年对我们的生活和社会产生重大影响。2008年评选出的这些即将走出实验室、迈向实践的10大新兴技术涵盖了能源、计算机硬件和软件以及生物成像等领域。其中纤维素酶和原子磁力计2项技术是顶尖科学家正在着力解决的关键问题,“异常”建模、神经连接学、概率芯片、现实挖掘和离线网络应用5项技术代表了观察问题的全新方式,石墨晶体管、纳米收音机和无线电源3项技术是已经创造的了不起的工程壮举。

  1“异常”建模技术

  这项技术将洞察人类心理的大量数据结合起来,让机器学习就能帮助人类管理异常事件。人物:埃里克·霍维茨,微软亚洲研究院定义:异常建模技术结合了数据挖掘和机器学习技术,有助于人类更好地预测和应对不寻常事件。

  影响:异常建模技术将给交通管理、预防医学、军事计划、政策、商业和金融等广泛领域的决策者提供帮助。

  背景:经数千名微软员工的实地测试,已用在美国西雅图交通模式下的原型软件可成功地对异常事件进行提醒。而更广范围的调查研究工作也正在进行之中。

  下一次飓风将在何处登陆?股票市场将如何对房价的下跌做出反应?谁又能赢得下届总统的选举?现代生活的许多方面都离不开预测。现存的计算机模型已能相当准确地预测许多事件,但异常事件仍然还是会出现,而且我们还无法消除它们。但微软研究院自适应系统和交互研究部主管埃里克·霍维茨认为,使用一种称为“异常建模”的技术,我们就能最大幅度地减少这些异常事件。

  霍维茨强调,异常建模并不是要造出一个技术水晶球来预测股市明天将会发生什么,或是盖达组织下个月可能要采取什么行动。但他表示,我们可利用这种方法来研究过去曾遭遇过的异常事件,然后建立起未来可能会发生该类异常事件的模型。由此得出的结果可能会对从卫生保健到军事战略、从政策到金融市场等广泛领域的决策者提供帮助。

  当然,这还只是一个远景,但它在现实世界的应用已经有了一个良好的开端。从2003年起,霍维茨和他的研究团队一直在微软公司开发和测试一个交通预报服务软件———SmartPhlow。

  SmartPhlow既可以在台式机上工作,也可运行于微软掌上电脑设备。它利用一张城市地图来标示西雅图的交通情况,繁忙的公路用红色标示,其他交通流畅的路线则用绿色标示。虽然这仅仅是个开始,但是毕竟西雅图的大多数人现在都已知道在上下班时间走这条或那条公路兴许不是个好主意。如果一台机器不停地告诉你已经知道的东西,那它只会令你感到厌烦,因此霍维茨研究团队添加了一个只在异常情况下才予以提醒的软件,这里异常情况指的是交通开始出现许多人不曾预想的瓶颈或从慢性堵塞变得神奇畅通之时。

  要有效地监测到这种异常情况,这台机器就必须拥有知识和远见。知识指的是人类发现异常情况的良好认知模型,远见指的是及时以某种方式预测异常情况以让用户能有所作为。

  霍维茨研究团队利用了西雅图数年来的动态和静态交通状况数据,并加入了能够影响这些模式的所有因素:事故、恶劣天气、节假日、体育赛事甚至是高级官员的到访。然后,研究人员将一段特定道路以15分钟为间隔分成数十个路段,利用这些数据来计算每种情况下的交通分布概率。

  这一分布状况为司机了解所期望的该地区的交通情况提供了相当好的模型。这样,研究人员就能回过头去寻找人们不想出现的那些情况时的数据,这些地方的数据会表现出严重偏离平均模式。由此,就形成了一个异常交通波动的大型数据库。

  研究人员一旦发现一个异常的统计结果,他们就回溯30分钟到交通似乎正按照期望在流动的地方,然后运行机器学习算法来找出该模式内的微妙之处,从而可让他们预测出异常情况。

  霍维茨表示,由此产生的模型工作得非常好。当设置参数使其误差率减少到5%%时,它能预测出西雅图交通系统中50%%的异常情况。如果这听起来还不够令人印象深刻,那么你想象一下它给司机提示的异常情况要比从其他途径获知的多50%%以上。今天,已有超过5000名微软员工在他们的智能手机上安装了这项服务。

  霍维茨研究团队正在和微软公司交通与路由部一起研究将SmartPhlow商品化的可能性。2005年,微软宣布将核心技术授权给Inrix公司。去年3月,Inrix公司推出了Windows移动设备平台的交通应用服务。该服务可提前为横跨美国和英国的客户提供短到几分钟、长达5天的交通预报。

  虽然包含在SmartPhlow内的技术没有一个是全新的,但这些技术的结合和应用却非同一般。斯坦福大学概率建模和机器学习专家达芙妮·科勒表示,对于像监测信用卡欺诈或生物恐怖等建立在大型数据集上的异常情况,研究人员还有相当多的工作要做。但这项工作的重点在于监测当前的异常情况,并不是预测不久将来可能发生的事情。另外,大多数预测模型都无视统计异常值,而霍维茨的模型专门追踪这些异常值。将人为因素考虑在内也是他的独到之处,他正在明确地建立人类认知过程的模型。

  当然,问题是有多大范围的人类活动可以这种方式建模。用于SmartPhlow的算法对于特定领域是必须的,霍维茨相信总体方法应可推及到许多其他领域。他已在跟政策科学家讨论用异常建模来预测意想不到的冲突。他乐观地认为,在专家对某个市场的房屋价格、道琼斯工业平均指数或是货币汇率的变化感到惊奇时,异常建模都能预测得到。他称,该技术甚至还能预测商业趋势,在过去几十年里,许许多多的公司就是因为没有预见到技术兴起导致竞争局面的改观而倒闭。

  霍维茨承认,大多数这样的应用还有很长的路要走。他表示,这是个长期远景,但它非常重要,因为它建立在我们称之为智慧的基础之上:理解我们所未知的东西。

  2概率芯片

  研究人员认为给计算机芯片引进一些不确定性,将能延长移动设备中的电池寿命,也许还能将摩尔定律延续下去。

  人物:克里什那·帕勒姆,莱斯大学定义:PCMOS是一种可使工程师能够用一小部分计算精度换取可持续的能源节约的芯片设计技术。

  影响:在短期内,PCMOS设计可显著提高移动设备中的电池寿命,10年后,如果摩尔定律继续发挥作用,就需要引用PCMOS背后的理论。

  背景:帕勒姆和他的合作者已开始为特定应用制造测试芯片,他正计划成立一家先进技术创新公司将该技术进行商业化。

  克里什那·帕勒姆是芯片研究领域的一个“异教徒”。在微芯片的世界里,精确与完备一直是必不可少的。制造工艺的每个步骤都要进行测试和复检,以确保每个芯片每次运算的结果是准确的。但莱斯大学的帕勒姆教授却认为,有一点小误差兴许是件好事。

  帕勒姆已开发了一种用计算精度的微小损失来换取耗电明显减少的芯片制作技术。他的概念有一个很长的名字叫“概率互补金属氧化物半导体技术”,简称PCMOS。帕勒姆的依据是,对于许多应用领域,特别是像音频或视频处理这样的领域,最后的结果并不是一个数字,因此追求最高精度是没有必要的。相反,芯片可设计成某一时段产生正确的答案,但在其他时段只需接近正确答案即可。帕勒姆认为,由于产生的误差很小,因此得出的结果,从本质上来说,足够接近就已经相当好了。

  微芯片每次运算基于晶体管将对施加电压作出响应时流经它们的电子标示为一个“1”或一个“0”。但是电子不停地流动,会产生电噪声。为了克服噪声和保证晶体管标示正确的值,大部分芯片运行在一个相对较高的电压下。帕勒姆的想法是降低一个芯片的部分运行电压,尤其是运算最不重要位元(比如运算数字21693中的个位数字3)的逻辑电路。由此导致的信噪比的降低意味着这些电路偶尔会得出错误的答案,但工程师们可以计算出对任一特定电压下得出准确答案的概率。帕勒姆称,将计算的准确率放宽一些,哪怕是一点点,都能产生明显的节电效应。

  在几年之内,采用这样设计的芯片可以提升诸如音乐播放器和手机等移动设备内电池的使用寿命。但在10年后,帕勒姆的想法可产生更大的影响力。届时,硅晶体管将是如此的小,以至于工程师们已不能精确地控制它们的行为:晶体管将具有内在的随机性。于是,帕勒姆的技术对延续摩尔定律变得更为重要,晶体管密度呈指数级增长,从而计算能力已将持续40年。

  帕勒姆于2002年开始实施他的想法时,对PCMOS背后的原理是“相当普遍”的这一推论也曾有过怀疑。但2006年,他的观点改变了。他和他的学生模拟了一个PCMOS电路,作为处理手机视频流芯片的一部分,然后与现有芯片的性能进行比较。他们在一次技术会议上进行了展示,经举手表决,大部分的观众都看不出两者的画质有什么不同。

  帕勒姆表示,由人类认知局限而降低精度需求的应用完全适用于PCMOS设计。在手机、笔记本电脑和其他移动设备中,图像和声音的处理消耗了相当大部分的电池能量。帕勒姆认为,PC鄄MOS芯片将有可能增加十几倍的电池寿命而不损害用户的体验。

  PCMOS在采用概率算法的应用领域也大有用武之地,如加密技术和机器学习。这些领域的算

  法通常设计为达成一个近似的答案。因为PCMOS就能做这样的事情,所以今天必须用软件才能做的事,PCMOS在硬件上就能达成,而且还能在节电和速度上获益多多。帕勒姆正设想制作这样一个设备,用一个或多个PCMOS协助处理器完成像加密这样的特定任务,同时一个传统芯片辅助处理其他的计算“琐事”。

  帕勒姆研究团队已经制作出了一个加密设备,并开始进行测试。他们也正在设计一个图像设备及一个可让人们调节手机电力消耗和性能的芯片,这将为消费者可选择会消耗更多电力的高视频或通话质量,还是选择能节约电力的较低质量。帕勒姆正在计划建立一家或几家先进技术创新公司将PCMOS芯片推向市场,公司最早将于明年成立,产品将在3年—4年后问世。

  随着硅晶体管越来越小,基础物理手段也将变得越来越不稳定。所以你想要的和你得到的结果就有了一定的随机性。除了开发硬件设计,帕勒姆还创建了布尔代数的概率模拟技术,布尔代数是计算机逻辑电路的核心。正是这种概率逻辑使研究人员相信摩尔定律将继续昂首向前。

  如果帕勒姆的研究真的走出了一条乐观主义者坚信的道路,那么他将会拥有一个反叛者最后的满足:看到自己的异端邪说变成了教条。

  3 纳米收音机

  由碳纳米管制作的微型无线装置,将改善从手机到医疗诊断的功能。人物:阿历克斯·泽托,美国加州大学伯克利分校定义:纳米收音机的核心是一个能够接收无线信号的单分子。影响:这种微型无线装置,可提高手机性能,允许像环境传感器这样的微型器件进行通信。背景:新的纳米技术工具正在使研究人员制作出非常小的器件。纳米收音机就是最新的成果之一。

  美国加州大学伯克利分校物理学家阿历克斯·泽托和他的同事已制作出一个纳米收音机,它的关键电路由一个单碳纳米管构成。

  任何无线设备,从手机到环境传感器,都可受益于纳米无线装置。较小的电子元件,如调谐器,将能降低电力消耗,延长电池寿命。纳米无线装置还可以把无线通信引至全新的境界,譬如可引导药物在血液中流动并释放至需要部位。

  自1995年美国国家无线电公司推出其口袋大小的收音机以来,收音机小型化一直是人们追求的一个目标。近来,电子产品制造商已制作出微型收音机,并创造出像无线射频识别标签这样的新产品。大约5年前,泽托研究团队就决定设法研制出更小的、能工作在分子尺度的收音机,并将此作为研制廉价无线环境传感器项目的一部分。

  泽托研究团队决定从无线接收器个别元件的微型化入手。像天线和调谐器这样的元件,可选择频率转换成电脉冲,然后送往扬声器。但是,实践证明将分离的纳米级元件整合起来难度也不小。大约1年前,研究人员灵机一动,也许碳纳米管能做到这一点。短短几天时间,他们就拥有了一个功能良好的收音机,在首次测试中,它收到了两首歌曲。

  泽托的纳米接收机,可将无线电波的电磁振荡转换成纳米管的机械振动,反之亦然。研究人员将一个碳纳米管固定在一个和电池相连的金属电极上,纳米管自由端的远处是第二个金属电极。在电极间加上电压后,电子从电池流经第一个电极和纳米管,然后从纳米管尖端跳过微小的间隙到达第二个电极。带有负电荷的纳米管就能“感觉”到一个正在通过的无线电波的振荡。这个无线电波就像所有电磁波一样,同时拥有电波和磁波成分。

  这些振荡依次吸引和推斥纳米管尖端,使纳米管的振荡与无线电波同步。当纳米管振荡时,电子继续从它的尖端喷射出来。当尖端远离第二个电极,也就是纳米管弯向一边时,少量的电子就会跨越间隙。这些脉动电信号能复现出编码在无线电波上的音频信息,然后送往扬声器。

  研究人员下一步的工作是让纳米收音机不仅能接收信息,还能发送信息。泽托认为这不会很难,因为发射器基本上就是逆向工作的接收器。

  纳米发射器将可开启其他应用的大门。比如,附在微型化学传感器上的纳米无线装置,可植入患有糖尿病或其他疾病的病人血管内。如果传感器探测到一种不正常的胰岛素水平或其他一些目标化合物,发射器可将相关信息传送给一个探测器,或者甚至可能是一个可释放胰岛素或其他治疗药物的植入式胶囊。事实上,自从在《纳米通讯》期刊上发表了纳米收音机的论文后,泽托收到了许多从事无线药物输送设备研究的科学家的电话。泽托表示,这已不单是幻想,现在研究工作已确确实实正在前进之中了。

  4 无线电源

  物理学家正在努力带领我们走进一个无线电源的世界。人物:马里恩·索佳西奇,麻省理工学院定义:无线电源技术,就是无需使用电缆就可将电力传输到设备上。

  影响:随着各种无线电源的到来,今后任何低功耗设备,如手机、iPod或笔记本电脑等,无需各种电缆,就能简单地自动充电,或许最终我们可跟电池说再见了。

  背景:抛掉电源线,将使今天无所不在的便携式电子产品变成真正的无线产品。不少研究人员和先进技术创新企业正在这一日益成长的领域奋勇争先。

  19世纪后叶,电能点亮灯泡的现实促使人们狂热地寻求配送电力的最佳途径。领头羊就是交流发电和供电系统的发明者尼古拉·特斯拉。他有一个把电输送到世界各地的宏伟计划。但要将电送到每个城市、每栋建筑甚至是每个房间,基础设施之庞大是令人难以想像的,特拉斯指出无线输送就是他要走的技术路线。他计划建造一个57米高的塔台,并宣称要将电送到千里之外的某个地方,甚至他已经开始在长岛动工建设这个塔台。虽然他的团队做了一些试验,但在塔台完工前,他的钱用完了。空中传电的豪言壮语很快被人淡忘了,因为工业世界证明自己已经接受了有线送电的现实。

  几年前的一天,麻省理工学院助理物理学教授马里恩·索佳西奇被一阵不停的手机蜂鸣声吵醒。他不得不从床上起来,因为如果不把手机放在充电器上,它就会一直响个不停,他也甭想再睡安稳觉了。在朦朦胧胧中,他的脑中开始浮现,如果从进家门开始,手机就能自己充电就好了。

  自此,索佳西奇就萌发了寻找用无线方式传送电力的想法。他并没有追求那种像特拉斯一样的远程输电计划,他决定寻找一种可为手机、PDA和笔记本电脑等便携式设备充电或供电的中距离输电方式。他首先想到了无线电波,无线电波能通过空气有效地发送信息,但他很快发现它们的大部分能量会在空气中被损耗掉。而像激光这样更有针对性的方法则需要清晰的视线,而且还可能会对路径上的东西带来不利影响。最后,他终于找到了既有效又安全的方法,它既能直接给接收器供电,又不会在周边环境中损失能量。

  他把思维落在了共振耦合现象上。共振耦合指的是调谐到相同频率的两个物体能强烈地交换能量,但是对其他物体的影响很弱。一个典型的例子就是,拿一套玻璃酒杯,每个放在不同的层,这样玻璃杯就在不同的声频下振动。如果一个歌手的声音正好和其中一个玻璃杯的频率相匹配,这个玻璃杯就可能吸收足够多的能量而破碎,其他玻璃杯则毫发无损。

  索佳西奇发现磁共振是传输电力的一个很有希望的手段,因为磁场在空中自由穿行,而且对环境没有太大影响,只有在一定频率下才会对人产生影响。在同事的协助下,他设计了一个简单的装置,以无线方式给一个60瓦的灯泡供电。

  研究人员制作了两个共振铜线圈,并将它们悬挂在约两米开外的天花板上。当他们将一个线圈插入墙上的电源时,流经线圈的交流电就建立了一个磁场。调谐在同一频率并连有灯泡的第二个线圈与磁场发生共振产生电流,继而点亮灯泡。这种现象甚至在线圈之间有一层薄墙时也能实现。

  迄今,最有效的设置为60厘米的铜线圈和一个10兆赫兹的磁场。电力传输距离超过2米,效率约为50%。研究人员正在研究银和其他材料,以减小线圈的尺寸和提升效率。索佳西奇表示,最理想的情况当然是达到100%的效率,但从实际应用出发,能达到70%—80%的效率就可以了。

  无需连接线就可给电池充电的其他方法正在不断涌现。很多先进技术创新公司已经向市场上推出这样的适配器和基座,这些产品允许用户在家里,在某些情况下也可在车里以无线方式给手机、MP3播放器及其他设备充电。索佳西奇的技术与他们的不同之处是,未来某一天,无论什么时候设备进入无线发射器的范围内,无需基座就能实现设备的自动充电。

  这项工作已经吸引了消费电子公司和汽车业的目光。美国国防部也给这项研究投了资,期望它能给战士提供一种给电池自动充电的途径。不过,索佳西奇仍然对可能和谁合作守口如瓶。

  索佳西奇称,在今天电池仍大行其道的世界里,无线输电技术有如此多的可以大显身手的应用场合,这只能说明该技术强大的生命力。

责任编辑:Mark
发表评论】【关闭窗口
    相关文章
    科技改变世界 科技改变生活
    用科技消灭恼人的蓝藻
    两会特稿:科技进入了新的重要跃升期
    没有基础教育滋养 科技将成无本之木
    摘要
    每年,美国《技术评论》杂志都会公布本年度10大新兴技术,并预计这些技术将在未来几年对我们的生活和社会产生重大影响。2008年评选出的这些即将走出实验室、迈向实践的10大新兴技术涵盖了能源、计算机硬件和软件以及生物成像等领域。其中纤维素酶和原子磁力计2项技术是顶尖科学家正在着力解决的关键问题,“异常”建模、神经连接学、概率芯片、现实挖掘和离线网络应用5项技术代表了观察问题的全新方式,石墨晶体管、纳米收音机和无线电源3项技术是已经创造的了不起的工程壮举。
    关键字
    科技,生活
     
    最新专题
    近期热点新闻