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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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2009十大未來科技《上》

每一年,Technology Review都會選出十項可望改變全世界人類生活的前瞻科技。
今年挑選出來的技術,包括紙質的醫療診斷工具,
或者幾乎就像一個真人助理的智慧化軟體,都可能在一年內就商品化。
另外像生物機器或是奈米壓電材料,也許要比較長的時間才能問世,
不過這些科技對於醫藥、運算、通訊、製造等領域,都會產生極大的影響。這十大科技各具特色,
從快速、低成本和大容量的電腦記憶體,到可以供應一整個城市的電池都含括在內。
我們深信這十大科技在幾年之內就會對相關的領域造成巨大的衝擊。

一 隻巨大的花金龜飛著,忽上忽下,忽左忽右。這隻昆蟲不是害蟲,飛行路徑更不是自己選的。牠身上被人植入收訊器、微控制器、微電池,還有六個審慎安裝的電極──這些「裝備」比一角銀幣還小,重量低於一片口香糖──工程師靠它們,無線控制這隻昆蟲。他們從遠處送出一陣電流,竄進牠的腦部和翅膀的肌肉,要這隻機械化花金龜起飛、轉彎或者半空中停住。

這隻花金龜的創造者馬哈畢茲,希望他的小蟲有一天能夠攜帶感應器或其他的裝置,到人類或者從事搜救任務的陸地機器人不容易到達的地方。他使用的裝置很便宜:材料成本只花五美元,而且大多只要利用現成的電子組件,很容易做好。「牠們能夠飛進狹小的縫隙,也可以裝上熱感應器,派牠們去發現受傷的倖存者,」在加州大學柏克萊分校當助理教授的馬哈畢茲說,「完全合成的系統現在做不到這件事。」

機械化花金龜
機械化花金龜

馬哈畢茲的專長,是設計機器和生物系統(從個別細胞到整個生物都有)之間的介面。他希望創造嶄新的「生物機器」,利用活細胞耗用極低的能量,就有辦法十分精準地動作、通訊和運算的能力。馬哈畢茲構想中的裝置,能夠蒐集、操弄、儲存從環境而來的資訊,並且據而行動。可以取代受損器官的組織,能夠自我修復或配合環境而調整形狀的桌子,也許是這方面的例子。馬哈畢茲甚至提出百年預言:「我敢說這種機器到處都有,它們從細胞衍生出來,卻完全用工程技術製成。」

這種遙控花金龜是初步取得的成果,牠把視覺、機械和化學資訊整合在一起,控制飛行。這些,只耗用少量的能量──這樣的「絕技」,幾乎不可能憑空複製。馬哈畢茲的團隊為了讓花金龜成為實用且複雜的搜救工具,必須研發投入和產出機制,好和這種昆蟲的神經系統高效率通訊,以及控制它的神經系統。由於微製造技術(microfabrication techniques)的進步、有更小的動力來源可用、微機電系統(microelectromechanical systems;MEMS)日益精密,馬哈畢茲要的介面才有可能做出來。微機電系統這種微小的機械裝置可加以組裝,做成無線電收發器和微控制器。

花金龜的背部固定一枚特製的電路板,上有一具商業化無線收訊器。六個電極刺激器從電路板蛇行進入昆蟲的視葉、腦部、左右基部飛行肌。和專跑特製軟體的筆記型電腦連接的發訊器,發出訊息給收訊器,把小電脈衝傳到視葉,發動飛行,以及傳到左右飛行肌,觸發昆蟲轉彎。由於收訊器發出非常高階的指令給花金龜的神經系統,所以可以只送出飛行開始和結束的訊號,而不必持續發訊要花金龜飛個不停。

有人研發出一些介面,能夠遠距控制老鼠和其他動物的動作,但是昆蟲小得多,更具挑戰性。極少科學家像馬哈畢茲那樣充分且深入了解生物學和工程學,成功融合了動物的神經系統和MEMS技術。他的團隊曾經在化蛹階段調節花金龜,好讓植入物在成蟲之後看不見──這是項隱密的任務,可是非常有價值。研究人員正在研製嶄新的微刺激器和MEMS無線收訊器,好做更精準的神經定向,甚至做出更小的系統。

機械化花金龜只是馬哈畢茲的實驗室正在育成的無數新技術之一。其他的新技術還包括微流體晶片(microfluidic chip),能將數量控制好的氧和其他化學物(甚至是去氧核糖核酸〔DNA〕)送進個別細胞。這種系統可以用來準確控制細胞群(cell populations)的發展。馬哈畢茲希望終有一天發展出可程式化的細胞基礎材料,就像前面說過的,那種古怪的自我修復桌子需要用到的材料。他的團隊正在專心尋找最好的方式,以操控像花金龜那樣的裝置。「我們想要找出,」馬哈畢茲說,「控制的極限在哪裡。」(Emily Singer)

2002 年4月,IBM把硬碟業務賣給日立時,研究員帕金正在思考接下來要做什麼。他這一生,研究的是磁性材料的基本物理特性,有了一連串的發現,促使硬碟機的儲存容量增加了數千倍之多。帕金決定著手發展全新的資訊儲存方式:一種記憶晶片,兼具磁性硬碟的龐大儲存容量和電子快閃記憶體的耐用性,速度更優於這兩者。他把這種新技術叫做「跑道記憶體」(racetrack memory)。

帕金說,磁碟機和目前的固態記憶體技術,基本上是二維的東西,依賴單層的磁位元(magnetic bit)或者電晶體。「這兩種技術都是過去五十年間發展出來,但他們是把裝置愈做愈小,或者發展新的位元存取方法而做到這一點,」他說。帕金認為,未來數十年,兩種技術都會遭遇它們的規模極限,「我們的構想,和曾經生產出來的任何記憶體完全不同,」他說,「因為它是三維的。」

位元加速
位元加速

其中的關鍵,是一個磁性奈米線U形陣列,垂直排列,就像森林中的樹木。磁性奈米線中有磁極不同的區,各區之間的界限代表1或0,但到底是1或0,要看界外兩區的磁極而定。當自旋極化電流(spin-polarized current;電子的量子力學「旋轉」,往特定的方向走)通過奈米線,整個磁像(magnetic pattern)便會有效往前推,就像汽車在跑道上加速那樣。在U的底部,磁界會遇到一對小型的讀寫裝置。

這個簡單的設計,有可能結合其他記憶體技術的最佳特性,同時避開它們的缺點。由於跑道記憶體是以垂直的奈米線儲存資料,相同區域的資料儲存量理論上是快閃晶片電晶體的一百倍之多,而且成本相同,由於不必用到機械零件,所以比硬碟機還可靠。跑道記憶體的速度很快,就像DRAM可以用來儲存電腦中經常存取的資料。即使沒電,它也能儲存資訊,這是因為沒有原子會在讀寫資料的過程中移動,可以消除奈米線的耗損。

就像有了快閃記憶體,體積超小的裝置接著問世,用於存放數千首歌曲、照片和其他的資料,跑道記憶體也可望帶出全新一類的電子產品。「更密、更小的記憶體,可以製造出更密實和更省能源的電腦,」帕金說。此外,擁有龐大資料容量的晶片,可以縮小到一粒灰塵那麼大,做成很小的感應器,灑在環境周遭,或者植入病患體內,記錄生命徵象。

2003年,帕金首次提出跑道記憶體的概念時,「人們認為那是行不通的出色構想,」他說。2008年四月之前,沒人能沿線移動磁域(magnetic domain),卻不擾亂它們的方向。但是帕金的團隊在當月的《科學》(Science)期刊發表論文,指出自旋極化電流會保有原來的磁像。

發表在《科學》期刊上的論文,證明跑道記憶體的概念是站得住腳的,但那個時候,研究人員只在一條奈米線上移動三位元的資料。2008年12月,帕金的團隊成功地在奈米線上移動六位元,他希望很快就能達到十位元,這麼一來,跑道記憶體就和快閃儲存有得拼了。如果他的團隊能夠搬運一百位元,跑道記憶體就可能取代硬碟機。

要提高奈米線能夠處理的位元數,帕金已經發現竅門在於精準控制它的直徑:奈米線愈狹窄和愈一致,能夠保有的位元愈多。另一個挑戰是找到最好的材料來做這件事:那種材料必須經得起製造流程的加工考驗,也能使磁域在線上快速移動,但用到的電流盡可能少。

如果跑道記憶體的設計證明成功,那就有可能取代其他所有的記憶體形式,帕金的地位也會更上一層樓,搖身成為磁性記憶體奇才。畢竟,由於他在巨磁阻(giant magnetoresistance)方面所做的研究,才有今天的高容量硬碟機,電腦運算業的面貌也為之改變。如果再有跑道記憶體,帕金可能二度改造電腦運算。(Kate Greene)

那 座小實驗室的一角,有道門鎖著,門上貼著彩色告示牌:「100美元基因體室──閒人勿進」。經營這座實驗室的新創公司生物奈米矩陣(BioNanomatrix)研究的東西,許多人相信攸關個人化醫療的成敗。這家公司正著手開發既快速又便宜的排序技術,希望用100美元或者更低的成本,在八個小時內讀完整個人體的基因體。有了這種強大的工具輔助,就可以根據病患的基因特性,量身打造個人化的醫療方法。


奈米級排列
奈米級排列

儘管許多專家質疑全套基因體排序可以用1,000美元的成本辦到,更別提此數的十分之一,生物奈米矩陣公司卻相信五年內可以達到100美元的目標。這麼樂觀的理由是公司創辦人高漢開發出一種晶片,利用奈米流體和一連串愈來愈窄的分支通道,研究人員首次能夠隔離非常長的個別DNA分子鏈和畫出圖形。

如果這家公司得償所願,醫生就可以對癌症病患的腫瘤做活組織檢查,測定它所有的DNA序列,然後用這個資訊做病狀預斷和決定醫療方法──全部費用低於胸部X光檢查。比方說,如果那是肺癌,醫生可以確定腫瘤細胞中特殊的基因變異,然後指示最適合那種變異的化學療法。

高漢的晶片把DNA排得整整齊齊,是排序成本降低不可或缺的要素,因為雙鏈DNA如果不去理它,就會自行糾結成一團,不可能分析。就算要排序最小的染色體,研究人員也必須把DNA切成數百萬個更小的切片,從100到1,000個鹼基對(base pairs)的長度都有。那些比較短的鏈可以輕易地排序,但是資料必須再拼回去,就像拼圖那樣,但這個方法既貴又耗時。此外,當拼圖大到像人類基因體那麼大,包含約三十億對核苷酸(nucleo tide),問題就來了。即使利用最優雅的演算式,有些切片還是會被算進好幾次,有些切片則被完全遺漏,因此產生的序列,可能沒包含和特定疾病關係最密切的資料。

相形之下,高漢的晶片把盤根錯節的雙鏈DNA分子,解開成多達100萬鹼基對的長度──這種工夫,研究人員以前認為不可能辦到。一連串的分支通道,輕推分子一把,在每個分岔點稍微分開一些,同時也像防洪閘門,把它們平均分散開來。一道溫和的電流將它們推過晶片,最後輕輕地送進不到100奈米寬的空間。由於有數以萬計的通道並排在一起,整個人類基因組流經這種晶片的時間大約十分鐘。資料必須仍能被拼湊起來,但是整幅拼圖卻要小得多(不妨想像它的拼圖片約有一百片,不是一萬片),犯錯的空間小得多。

這顆晶片只克服100美元基因體挑戰的一半:它解開了DNA,卻沒有排序。為了做到這件事,該公司正和矽谷的完全基因學公司(Complete Genomics)合作。完全基因學公司開發出明亮的螢光標識探針,可以標示DNA4,096種可能的組合。這種探針配上生物奈米矩陣公司的晶片,能用很快的速度排好序列,成本只要100美元。但是探針不能插進雙鏈DNA,因此完全基因學公司必須設法開啟DNA的一小部分,不要解開整個分子。

生物奈米矩陣公司不排除任何選擇。「此時此刻,我們不套牢在任何排序化學程序上,」這家公司負責研究發展業務的副總裁蓋瑞‧齊威格(Gary Zweiger)說。「我們希望把晶片提供給排序機構,而且覺得這是將成本壓低到100美元水準不可或缺的一環;我們沒辦法獨自做到,卻覺得他們少了這個十分要緊的成分,也辦不到。」

不管生物矩陣公司能不能達到八個小時內排序成本100美元的目標,它的技術都能在醫療過程扮演重要的角色。由於它的晶片能夠處理很長的DNA片段,所以分子保有基因位置的資訊;能被用來很快確認是哪些病毒或者細菌造成疾病,或者畫出和特定疾病有關的新基因圖譜。另外,就像溫哥華綜合醫院的前列腺中心教授科林‧柯林斯(Colin Collins)說的,隨著研究人員對基因變異和不同疾病之間的關係認識愈多,也許可以做活組織檢查,只排出已知會造成疾病的變異基因序列。柯林斯的實驗室準備利用生物奈米矩陣公司的晶片。「突然之間,」柯林斯說,「你可以用極快的速度和非常便宜的成本排序,然後提供病患診斷和預斷結果,同時期待新的藥物問世。」(Lauren Gravitz)

把 鈾濃縮,作為反應爐燃料,以及定期打開反應爐,填換燃料,是核能發電廠運轉,最麻煩和最花錢的事情之一。而且,從反應爐清除用過的燃料之後,再處理以及回收有用的原料,除了相同的缺點,還得外加兩個:有核武擴散和環境汙染的風險。

這些問題大致上被視為逃避不了,但是設在美國華盛頓州貝爾維(Bellevue)的發明和投資公司智慧創業(Intellectual Ventures),一群研究人員卻不這麼認為。那裡的科學家提出一種反應爐的初步構想,只需要少量的濃縮鈾──也就是原子容易連鎖反應分裂的那種原料,他們稱之為行波反應爐(traveling-wave reactor)。政府機構的研究人員偶爾會提出新的反應爐設計,行波反應爐叫人注目的地方,在於它來自核子工業少見的地方:民間資金創設的研究公司。

未來之波
未來之波

行波反應爐運轉的時候,爐心逐漸把不可分裂材料轉成它需要的燃料。智慧創業公司的核計畫經理吉蘭德說,核反應爐採用這種設計,「理論上可以運轉兩三百年」,不需要填換燃料。

吉蘭德希望用現在的廢料來運轉核反應爐。傳統的反應爐使用鈾235,很容易分裂和引起連鎖反應,但這種材料稀有且昂貴;必須在特殊的濃化廠,將它和比較常見的不可分裂鈾238分離開來。每隔十八到二十四個月,反應爐必須打開,清除數以百計的燃料束(fuel bundles),再加進數以百計的燃料束,其餘的重新配置,供應下一次運轉需要的全部可分裂鈾。這提高了核武擴散的隱憂,因為設計來生產發電反應爐用低濃縮鈾的濃化廠,和生產核彈用高濃縮材料的濃化廠沒什麼太大的差別。

但是行波反應爐只需要一層薄薄的濃縮鈾235,爐心的大部分是鈾238;在鈾235被萃取來之後,天然鈾殘留下來的鈾238,目前全世界有數百萬磅的儲存。這種設計提供了「可能最簡單的燃料周期」,麻省理工學院的核燃料周期專案(Nuclear Fuel Cycle Project)執行主任查爾士‧佛斯柏格(Charles W. Forsberg)說,「而且每個星球只需要一座鈾濃縮廠。」

其中的祕訣在於反應爐本身會將鈾238轉化成可用的燃料鈽239。傳統的反應爐也會產生鈽239,但要用它,需要清除用完的燃料、碎化、用化學方法提取鈽──這是骯髒且昂貴的程序,也是朝生產原子彈邁進的一大步。但是行波反應爐產生鈽之後,馬上加以利用,去除了被轉用於武器的可能性。不到一公尺厚的一塊活性區,沿著反應爐爐心移動,在它前面滋生出新的鈽。

行波的觀念可以上溯到1990年代初,但是吉蘭德的團隊率先發展出實用的設計。智慧創業公司已經取得這種技術的專利;這家公司表示,正和反應爐製造商洽談授權事宜,但不肯說出是哪幾家。雖然仍有一些基本的設計問題有待解決──例如發生意外時,反應爐的行為模式到底是什麼樣子──吉蘭德認為商業機型可望在2020年代初以前運轉。

在智慧創業公司吸引學界目光的同時,商業化業者希望刺激人們對不會造成全球暖化效應的能源發生興趣,全心全意在美國銷售三十年來的第一具反應爐。但是它提出的設計,基本上只是目前運轉中機型的改良版。智慧創業公司認為,在核能全面捲土重來,以及燃料供給看起來吃緊之際,行波設計會比較吃香一點。

「在核能這塊領域,我們需要一點叫人興奮的事情,」佛斯柏格說,「太多人做的是那麼一丁點變化的東西。」(Matthew L. Wald)

生 產起來便宜、用起來簡單,而且在鄉下地區耐用的診斷工具,可以拯救世界貧窮地方成千上萬條生命。哈佛大學教授懷塞茲為了做出這種工具,特別將先進的微流體(microfluidics)和紙這種人類最古老的技術之一結合起來,產生一種多用途、用後即丟的檢驗工具,可用於檢查微量的尿液或血液,看看有沒有罹患傳染病或者慢性病。

顏色改變
顏色改變

做好的成品,是一張方形紙,大小和郵票差不多。方形紙的邊可以浸入尿液樣本,或者壓住一滴血,液體接著流經通道,進入試井(testing wells)。視試井裡面的化學藥劑是什麼而定,會有不同的反應發生,使試紙變成藍、紅、黃或綠色,有張參考表可用來解讀結果。

這張方形紙利用了紙快速吸收液體的固有特性,不需要像一般的微流體裝置那樣,用到幫浦和其他的機械組件。製造這種裝置的第一步,是做一些很小的通道,大概只有一毫米寬,引導液體樣本流向試井。懷塞茲和同事讓試紙吸收感光光阻劑;紫外線會使光阻劑中的聚合物互連和硬化,每當光打在上面,就會形成防水的長壁。研究人員甚至只要用黑色馬克筆畫在紙上,放在陽光底下晒,就能做出想要的通道和試井。「我們做的事情,是規劃液體在一張紙上的流動結構,我們利用的一個事實是,如果紙是正確的東西,液體就會被吸收,然後沿著通道走,」懷塞茲說。每一口試井裝滿不同的溶液,和血液或者尿液中特定的分子起反應,導致顏色發生變化。

試紙容易燒化,要安全處理用過的檢驗很簡單。雖然試紙診斷(例如驗孕)已經存在,懷塞茲的裝置卻有一大優點:一張方形紙就能執行許多反應,能夠診斷多種狀況。還有,這種東西小,驗血只需要非常少量的樣本,使用者刺一下手指頭就夠了。

懷塞茲正在開發一種檢驗方法,用以診斷肝功能失常;這可由血液中若干酶含量升高的指標看得出來。在有先進醫療設施的國家,病患服用某些藥物之後,需要定期驗血,檢測藥物會不會使肝功能出問題。但沒有經常接受醫療的人,無法享受這樣的照護;試紙檢驗可以給他們相同的安全照護。懷塞茲也希望發展出檢驗結核病等傳染性疾病的檢驗方法。

懷塞茲為了推廣這種技術,2007年與人共同成立非營利組織為大家診斷(Diagnostics for All),設在麻薩諸塞州的布魯克萊恩(Brookline)。這個組織計劃今年年底左右,在非洲某個國家展開肝功能檢驗,整支團隊希望沒受過醫療訓練的人,也有能力執行檢驗,再用行動電話把結果拍下來。懷塞茲想要設立一座中心,派駐技術人員和醫生,由他們評估傳來的照片,然後把醫療建議傳回去。

「這是我見過最能推廣使用的裝置之一,」華盛頓大學的生物工程副教授艾爾伯‧霍爾奇(Albert Folch)說,他正在研究微流體。「他們聰明絕頂的地方,是把光阻結構嵌入試紙裡面;另外,紙的多孔性,使它成為世界上最便宜的幫浦。」

哈佛大學的研究人員最近把這些試紙做成三維的診斷裝置,方法是在兩張試紙之間加上一層穿孔防水膠帶。一滴液體經由通道進入第一張試紙的試井,然後向下擴散,通過膠帶的孔,在第二層試紙的試井中反應。由於能夠執行更多的檢驗,甚至單一的樣本也可以進行兩步驟的反應,本來需要更複雜的化驗,例如使用抗體的方法,才能檢測的一些疾病(如瘧疾和人類免疫缺乏病毒〔HIV〕),利用這種裝置也能檢測出來。看你要做什麼檢驗而定,五分鐘到半個小時之後,結果就會出來。

研究人員希望這種檢驗能有更進步的版本,最後可以像印報紙那樣,用相同的印刷方法,大量生產試紙。材料成本應該只有三到五美分。霍爾奇說,這種價格「將對運輸和能源難以到達地方的醫療水準,產生巨大的衝擊」。(Kristina Grifantini)

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