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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

329期2019年05月號

出版日期:2019/05/15

正方形 Icon 觀念探索 Trend

發明如何形塑未來?(上)

翻譯/連育德

本刊取得美國麻省理工學院Technology Review期刊圖文授權
本刊取得美國麻省理工學院Technology Review期刊圖文授權

這次受邀擔任《麻省理工學院科技評論》十大突破性科技的首位客座評選人,我深感榮幸。我希望選出的科技不但能在今年掀起話題,也能充分代表科技史的這個時刻。

當我回想創新如何隨時間演變時,最先浮現在我腦海中的發明,其實是西元前4千年就存在的農犁,經過不斷地改良後,它提高了耕田效率,進而增加人類壽命。我又想到今年名單中的人造肉,讓大家吃肉不必造成環境衝擊或宰殺動物。

也就是說,回顧人類的創新史,我們大多數把精神放在延長壽命,而如今這項努力也已經開花結果,科技的重點逐漸轉向幸福安康的追求。這樣的轉換往往要幾10年,我相信我們只走到一半,人類還會繼續追求長壽,且不忘兼顧生活品質。

把時間往後推20年,我希望十大科技名單上大多是幸福科技,未來專家將聚焦在形而上的問題:如何讓人更快樂?如何建立更深層的交集?如何幫助每個人過充實的生活?能達到這樣的境界,就代表我們已經了克服疾病與氣候變遷的挑戰。

現階段,我的名單也體現出2個層面。有的科技能夠延長壽命,包括能預測早產跡象的血液檢查、能摧毀致命病原的馬桶等等。有些科技能夠提升生活品質,例如可穿戴式心電儀、安全無碳的核能反應爐。名單中甚至納入有助於自我實現的人工智慧助理;有了它,再也不必浪費時間看電子郵件,而能多陪陪家人朋友,甚至是擔任義工。每項科技都讓我對未來感到樂觀,希望對大家也能有所啟發。

這樣的未來,值得我們努力。

1/10 靈巧機器人 機器人學習應付實體世界。


儘管機器取代人力的話題吵得沸沸揚揚,但工業機器人運作起來還是很笨拙,又不靈活。雖然裝配線上的機器人能夠重複拿起零組件,不但精準,做久了還不會覺得無聊,但如果只想把東西移動半吋,或是換上稍微不同的物品,機器人就顯得笨手笨腳或無計可施。

機器人還是沒有辦法跟人類一樣,光是看看物品,就能摸索出怎麼拿,但現在卻懂得如何從錯誤中學習,自行操作物品。

舉例來說,Dactyl機器人便能自我學習,用5指翻轉1塊積木。Dactyl是舊金山非營利機構OpenAI的研究成果,由1隻現成的機器手加上4週許多光源與照相機而組成。這個神經網絡軟體使用所謂的強化學習,在模擬的環境中學習如何抓取與翻轉積木,再由機器手實際測試。軟體首先隨機實驗,而後過程漸漸強化網絡中的連結,朝目標邁進。

一般而言,這樣的虛擬練習無法轉移到現實世界,因為有些因素很難模擬,例如物體摩擦,或是不同材質的特性各異等等。OpenAI克服了這個問題,把隨機性加入虛擬訓練,模擬現實世界的混亂情況,讓機器人參考。

機器人技術還有待進一步突破,才能達到高階靈活度,符合倉庫與工廠所需。如果研發人員能夠落實強化學習,機器人遲早有能力組裝產品、把髒碗盤放進洗碗機,甚至攙扶老奶奶下床。

2/10 核能新潮流 先進核融合與核分裂反應爐

過去1年,反應爐設計持續有所進展,有機會讓核能更加安全與便宜。這些設計包括:由傳統機種演變而來的第四代核分裂反應爐、小型模組化反應爐以及技術一直以來看似遙不可及的核融合反應爐。第四代核分裂反應爐的研發公司,如加拿大的陸地能源(Terrestrial Energy)與位於華府的泰拉能源公司(Terra Power),已與電力業者合作研發,計畫在2020年代供應電網──只是這個進度可能樂觀了點。

傳統核能反應爐生產約1,000百萬瓦(MW)的電力,反觀小型模組化反應爐通常只有數10百萬瓦。相關業者,包括位於美國奧勒岡州的NuScale,根據這些企業的說法,微型反應爐能夠節省成本,降低環境與財務風險。

甚至核融合技術也有進展。雖然相關技術預計2030年後才會落實,通用融合(General Fusion)與聯邦融合系統(Commonwealth Fusion Systems;麻省理工學院的衍生公司)等公司卻有一部分斬獲。許多人覺得核融合反應爐只是空想,但這種反應爐不會熔毀,也不會製造長期而放射性高的廢料,所以遭到的民間阻力比傳統核能低很多。(比爾蓋茲是泰拉能源與聯邦融合系統的投資人。)

3/10 早產預估 簡單驗個血,就能預估孕婦有沒有早產風險。

我們的遺傳物質大多存在於細胞裡,但垂死的細胞常常也會釋出小量的DNA與RNA,在血液中流動。孕婦體內的「游離物質」含有各種核酸,來源包括胎兒、胎盤和孕婦自己。史丹佛大學生物工程師奎克(Stephen Quake)利用這個現象,希望能解決醫學的棘手難題:10個新生兒當中,約有1個是早產兒。

游離DNA與RNA含有重要資訊,以前要透過侵入性方式取得細胞才能得到,例如腫瘤切片或進行羊膜穿刺。現在的技術不一樣,更容易檢測與定序血液中的小量游離遺傳物質。過去幾年,研究人員開始研發相關的血液測試,有的能找出癌細胞的明顯DNA,藉此檢驗癌症;有的則用於產前篩檢唐氏症等疾病。

這些測試需要尋找DNA中的基因突變,反觀RNA則是調節基因表現的分子,也就是1個基因會產生多少蛋白質。奎克找到7個跟早產有關的基因,針對孕婦血液中的游離RNA進行定序,便能夠看到這幾個基因的表現起伏,進一步判斷孕婦是否可能早產。醫生得知這項資訊後,就能想辦法安胎,讓小寶寶更有機會活下來。奎克說,這種血液測試的技術快速又簡便,測試1次不到10美元。他與合作伙伴成立1家新創公司Akna Dx,準備讓技術商業化。

4/10 腸道顯微膠囊 這種可吞式迷你裝置 可以拍下腸道的清楚畫面,過程不避麻醉,連嬰幼兒

社會成本相當高昂的環境腸道功能障礙(Environmental Enteric Dysfunction;EED),一般人可能連聽都沒聽過。EED是1種腸道炎症,不易吸收營養,常見於貧窮國家,是許多民眾營養不良、發育遲緩、達不到正常身高的原因之一。EED的成因為何,又該如何預防或治療,沒有人百分之百知道。

如果有實用的篩檢方法,醫療人員就能知道何時、又如何介入。現在已經有嬰兒用的療法,但嬰兒年紀這麼小,要診斷與研究腸道疾病時,常常需要把他們麻醉,從喉嚨插入內視鏡,不但昂貴又不舒服,在EED普遍的地區並不實用。

病理學家與工程師提爾尼(Guillermo Tearney)任職於波士頓的麻省綜合醫院(Massachusetts General Hospital),正在研發1種小型裝置,可以用於檢查腸道是否有EED的跡象,甚至可以進行組織切片。這種小型裝置和內視鏡不同,使用方便,普通門診就能執行。

提爾尼的可吞式膠囊含有微型顯微鏡,接在1條彈性細繩上,由細繩提供電力和光線。顯微鏡會將畫面傳給外觀如公事包的控制台。如此一來,醫療人員可以在特定的地方停住膠囊,檢查完畢把細繩拉起來,消毒後可以再次使用。乍聽之下,檢驗時會想讓人乾嘔,但提爾尼的團隊研發出1種技術,聲稱沒有不適感。顯微鏡還能搭載其他科技裝置,拍下消化道整個表面的影像,解析度之高,可以看到單一細胞,或是能拍下幾公釐(mm)深的3D立體切面圖。

這項技術有好幾種應用面。麻省綜合醫院用來篩檢巴瑞特氏食道症(Barrett's esophagus;食道癌前兆);EED方面,提爾尼的團隊考量嬰兒無法吞下膠囊,研發出更小的版本。這項技術已經測試於巴基斯坦的青少年;EED在巴基斯坦很常見;嬰兒篩檢則預計於2019年推出。

拜小小顯微鏡之賜,研究人員能夠深入瞭解EED的形成,例如它影響哪一個細胞,或是不是有細菌,進而評估是否需要治療與潛在療法。

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