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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

出版日期:

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2010十大未來科技〈上〉

譯 張彥文

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

Technology Review每年都會選出至關重要的十大未來科技,
這些入選的科技都是以本刊記者群報導的領域為基礎。
我們問的問題很簡單:這項科技有可能改變世界嗎?
有些改變可能是影響巨大的,例如更好的生質燃料、效率更佳的太陽能電池,
或是在未來數年中可以對抗地球暖化的環保混凝土;
其他的改變則是較為地區性的,而且牽涉到我們如何運用科技,
像是行動裝置上的3D裝置、雲端運算的新應用,以至於植入醫療電子的新方法,
和發展出能夠針對每個人不同疾病狀況,讓人類更健康的新藥等。

社群網路正在改變我們取得資訊的方式─即時搜尋技術

你如何分析網路上的推訊(tweet)?這個問題在五年前可能毫無意義,但是在今天,這些短文是可以被解讀的,而且就在辛海爾(Amit Singhal)的心中。辛海爾在Google領導的團隊,專門負責將網路上的資料追蹤和排序,以便將所有新資訊綜合整理為即時的搜尋結果,特別是社群網路每秒中產生數以千計的資訊。

即時搜尋(real-time search)是針對人們使用網路基本方式的轉變,而做出的回應。過去人們會瀏覽網頁,按下連結,再造訪其他網頁;現在大家花很多時間閱讀資訊流(streams of data),像是Facebook或是推特(Twitter)上的短文、狀態更新、標題等,以及部落格和許多新聞網站。

存在時間極為短暫的資訊,是網路上的新流行,要從這些資訊中篩選出有用的東西,對搜尋引擎是一項挑戰。根據辛海爾所說,最讓人害怕的部分並不是蒐集資料,不管是Facebook還是推特,都很樂意把他們大量的資訊(他們也稱這些資訊叫「消防水管」)直接提供給搜尋引擎業者,而這些資訊也不斷地灌進Google的電腦中。

即時搜尋最大的困難點,在於理解那些瞬息萬變資訊的價值和意義;其中的挑戰甚於過濾垃圾郵件,雖然過濾無用的訊息也很重要。使用即時搜尋的網友,期望可以藉此獲得和傳統搜尋方式相同的品質、可信度和關聯性,沒有人會想直接喝消防水管(大量資訊)裡出來的水。

Google之所以稱霸搜尋引擎,是藉由精密追蹤相關的網路連結,以及其他隨時間累積的有價值線索,不過這招在即時搜尋是行不通的,社群網路的訊息可能在發布的幾分鐘內就失去價值,Google必須在幾秒鐘,甚至是幾微秒內就評斷其價值。

Google對搜尋運算法則守口如瓶,不過辛海爾還是透露了許多Google用來分析被他們稱為「碎碎唸」(chatter)的訊息的變數,有些是相當淺顯易懂的。一個擁有許多粉絲的推特使用者,常會收到粉絲們對他所貼訊息的回應,這樣的人通常可被歸類為較有份量的發言人;Facebook的使用者也是一樣,擁有愈多朋友的使用者,會被認為較具影響力,尤其是這些朋友們也擁有很多朋友的時候。

還有一些其他的細微觀察方式:一個在大量訊息中非常流行的字眼,像是「地震」這個字,一旦突然出現,就可能意味著一項重大的事件;如果一個經常被討論的議題,其中的訊息包含了不同的表達方式,則可能傳達新的訊息或是另類的觀察。辛海爾說,Google持續在觀察語言的轉變,或是可預測的行為中產生的變化。

Google也試圖連結地理位置和資訊內容之間的關係,這些地理位置的來源是智慧型手機、可攜式電腦,或是像「四方小棧」(Foursquare)這種新興的社群網站,發送訊息者所處的位置可能有重大意義。如果你知道有個人是在地震的震央附近發出訊息,那些訊息的價值可能就比幾百哩外的人大得多。

辛海爾對於即時搜尋的觀點,與Google的策略是極為一致的:在一堆混亂的資訊中萃取出少量的內容,這些內容在某一個時間點,對一名搜尋者來說是最有意義的。不過其他的搜尋引擎,包括Google的主要競爭者微軟在內,有著更具侵略性的觀點。

在加州山景市主管微軟搜尋技術中心的施赫特(Sean Suchter),並不喜歡「即時搜尋」這個字眼,他覺得過於狹隘。他認為,微軟的搜尋引擎Bing不應該只是社群網路資訊的過濾器,而應該是這些資訊的延伸。

施赫特表示,依據搜尋者鍵入的關鍵字而產生的一對一的對話,將會在Bing上發生。他預言,即時搜尋未來的發展,將會與現在的狀況完全不同,這將會抹去Google長期以來的優勢。「歷史沒什麼了不起,」停頓了一會兒,施赫特又補充,「我們將會輕易地打敗他們。」

辛海爾之前就已經聽過這類威脅,不過至今聽到的還不算太多。即使他認為,即時搜尋很可能在搜尋的歷史上,產生一大突破,但是維持Google長期以來在搜尋引擎中的優勢,仍然是辛海爾最艱巨的任務。——Nicholas Carr

設計完美的再生能源─太陽能燃料

當艾菲揚(Noubar Afeyan)開始創造理想的再生能源時,這位麻州劍橋市旗艦創投(Flagship Ventures)的執行長,決定跳過中間的經紀人。既然最終是由二氧化碳和水而來,那麼我們為何一定要堅持自玉米、柳枝稷(switchgrass)、海藻這些生物中產出生質燃料呢?「我們想知道的是,」艾菲揚說,「能不能創造一個系統,可以直接將二氧化碳轉化為我們需要的任何燃料?」

根據焦耳生物科技公司(Joule Biotechnologies)的研究,這個問題的答案是肯定的,該公司是艾菲揚創辦,專門研發這類的新燃料。藉由操縱和設計基因,焦耳已經創造了一些進行光合作用的微生物,可以讓陽光有效率地將二氧化碳轉化為乙醇或是柴油,焦耳公司表示,這項成就是空前的。他們在光生物反應器中培養微生物,這個做法不需要使用大量的清水及土地,而且這些微生物可以持續產出燃料,很容易收集。實驗室的結果和小規模的測試,讓艾菲揚評估,以這樣的過程,在每公頃的土地上所生產的燃料,將是玉米發酵產生乙醇的一百倍,也會是由農業廢棄物所產生燃料的十倍,他表示,成本將可以和石化燃料競爭。

如果艾菲揚所言不虛,那麼生質燃料成為石油的替代能源,其規模將遠超過我們目前看到的可能性。目前所供給的生質燃料,像是從玉米提煉出來的,都必須利用大量的水和土地來種植作物,若是新一代的生質能源不必消耗那麼多水,或是佔據肥沃的土地,那麼會限制這種新能源的其他問題,就是昂貴和複雜的產出過程。因此,國際能源總署(International Energy Agency)估計,在2050年時,生質燃料和乙醇將只能應付全世界運輸燃油的26%。

焦耳公司的生物工程師們,讓微生物產生了一些基因上的轉變,這些轉變會限制微生物的生長;科學家們只容許微生物在剛開始的幾天倍數成長,但這之後就將微生物生長的精力,轉化為生產燃料。當其他公司致力於儘可能大量生產生質燃料的農作物時,艾菲揚說,「我要農作物生產得愈少愈好。」回顧之前的發展歷程,這種做法似乎並非創舉。事實上,像合成基因體(Synthetic Genomics)這家新創公司,或是明尼蘇達大學的生物科技研究院(University of Minnesota BioTechnology Institute),也都正致力於將二氧化碳直接轉化為燃料;焦耳則是希望讓他們的微生物和光生物反應器同時起跑,因為這兩件事可以完美地結合。

不過這仍然是一個相當冒險的策略,因為和傳統的研發過程並不相同。「通常一家新創公司決定創造一些新事物時,」波士頓大學生醫工程系教授,同時也是焦耳公司科學顧問委員會成員的柯林斯(James Collins)說,「就會在嘗試發現有效工具的領域快速落後……,這些有效工具通常是已經有堅實基礎的舊東西。」然而艾菲揚還是推促他的公司保持創新,今年夏天,他就要將這個研究拉出實驗室的小規模,在德州的林德市(Leander)建造一座戶外的先導實驗工廠。

1987年於麻省理工學院取得化工博士的艾菲揚,既是創投資本家,也是科學家,他深切地理解到,要讓這種新方法能夠大量且經濟地生產燃料,所需面臨的各種挑戰。為了降低財務上的風險,艾菲揚的策略是讓公司建立標準化的生產過程,如此就毋需建造大而昂貴的示範工廠。

「我不會說這項創新很簡單或是唾手可得,因為我在這行很久了,」艾菲揚說,但他相信焦耳公司正在進行一項大事業:創造一種可以在成本和規模上,和石化燃料競爭的再生能源。「我們已經掌握了一些元素,這些元素具備變形科技的潛力,」他說。——Kevin Bullis

智慧型手機將把3D帶進主流─行動3D

三星(Samsung)生產的B710手機看起來就像一般的智慧型手機,不過若把螢幕自垂直轉為水平,就會發生一些意料之外的情形:影像從2D跳成3D了。這項能夠創造視覺景深的科技,是來自於3D立體影像公司DDD(Dynamic Digital Depth)技術長弗雷克(Julien Flack)的成就;他花了超過十年的時間,讓能將2D內容即時轉換為3D影像的軟體功能臻於完美。以往觀賞3D影像的最大問題,是需要一副特殊的立體眼鏡,用來提供左右兩眼不同的影像,而這項新技術解決了這個問題。

弗雷克的軟體是藉由使用各種線索來估計物體的深度,用以將現有的2D影像合成3D。舉例來說,在影像畫面中上方的一抹天空,可能是屬於遠方的背景,軟體就可以創造出許多略有差異的影像,而人腦可以將這些影像結合,創造出立體的效果。

這項科技可以應用在今年一月份被廣為宣傳的3D電視(需要戴立體眼鏡),但是最大的影響,將會是為可播放3D影像的行動裝置,建立一個創造影像內容的方式;這些行動裝置創造立體畫面的做法,是利用導光方式來傳送影像的不同面向到使用者的眼睛裡,這種方式在小範圍的視角內效果最佳,所以並不適合電視或電影螢幕,但是電話通常在同一時間只能供個人使用,很容易維持在最理想的觀賞角度,這也是行動多媒體裝置最可能贏得將3D拱為主流這項競賽的原因。

藉由弗雷克的軟體推動,DDD成為行動3D的先驅,這個軟體已經裝置在2007年三星在南韓所發表的手機B710上,三星同時也採用了DDD的3D影片,應用在最新款的3D手機W960上,且已在三月份發表。市場研究機構DisplaySearch最近預測,到2018年,全世界將會有7,100萬支這樣的行動裝置。

目前最讓弗雷克興奮的領域是遊戲,數以百計的遊戲是先以仿3D的方式來處理像飛彈彈道這類的影像,然後將內部做出來的3D影像,再轉換為2D給玩家。弗雷克說,有了這種科技,3D幾何學「將可以內化在遊戲當中」,就可以呈現立體影像。DDD已經將可轉化遊戲為3D的相關軟體,授權給個人電腦,該公司預期在未來的一至二年中,就會有類似的軟體可以應用在行動裝置。

行動遊戲和影片這類的應用,將會驅動3D螢幕的廣泛應用;其次,也可以為令人驚豔的界面和應用的新世代,打下基礎,就如同2D螢幕在目前行動裝置上被大量應用的技術,像是觸控式界面和擴增實境(augmented reality)。——Annalee Newitz

在碟子中複製人類疾病─幹細胞工程化

在湯姆生(James Thomson)手中的小塑膠瓶,裡面裝有超過15億個,由細胞動力公司(Cellular Dynamics)小心培養出來的心臟細胞,這是一家位於威斯康辛州麥迪遜市的新創公司。這些心臟細胞是從一種新式的幹細胞中取出的,本身也是細胞動力公司共同創辦人的湯姆生,希望用這些細胞來改善人類疾病的模式,以及改變藥物發展和測試的方式。

湯姆生是威斯康辛大學莫格里吉學院(Morgridge Institute)再生生物學的負責人,他在1998年時首次成功地離析出人類胚胎幹細胞。能夠離析這個幹細胞,也就能夠育成任何其他種類的細胞,這算是生物學上的創舉,不過也很具爭議性,因為過程中他們毀掉了一個人類的胚胎。十年後,湯姆生和當時的威斯康辛大學博士後研究員余君盈(音譯),達到了另一項里程碑,他們發展出一種自成人細胞中製造幹細胞的方式,只要加入存在於胚胎中的四項基因(日本研究者山中伸彌Shinya Yamanaka在同一時期也提出了類似的方法)。這種幹細胞被稱之為「誘導式多能幹細胞」(iPS cells),它有二種重要的幹細胞特性:一是它可以多次自我複製;二是它可以發展成任何人體中的細胞形式。因為誘導式多能幹細胞不需要使用人類胚胎,於是解決了兩項困擾研究人員的問題:政治上的抗議活動和胚胎短缺。

誘導式多能幹細胞和一般通稱的幹細胞最令人興奮之處,在於它們可能可以取代受損和生病的人體組織;不過湯姆生認為,它們最大的貢獻,是提供我們在人類發展和疾病的領域,一個過去未曾有過的新天地。科學家可以從罹患不同疾病的成年人身上製造出幹細胞,像是糖尿病,然後誘使這些幹細胞區分出不同的患病細胞形式。這可以讓研究人員觀察疾病發生時的狀態,然後追蹤分子破壞的過程。

根據近來的研究,誘導式多能幹細胞為藥品的毒性測試也帶來革新。湯姆生說,這種幹細胞是「第一個任何形式人類身體組織的無限資源」,他創立了細胞動力公司,將幹細胞推向實際應用。細胞動力把從誘導式多能幹細胞培養出的心臟肌肉幹細胞,賣給像羅氏(Roche)這樣的大藥廠,用來觀察實驗中藥物的有害副作用。湯姆生希望可以協助在藥物早期的研發過程所面臨的問題,省下數十億美元研究和測試的成本。舉例來說,自誘導式多能幹細胞製造出來的心臟細胞是會跳動的,科學家就可以測試藥物是否會改變心律,科學家也可以用來研究分子層次的心臟功能。除此之外,該公司也正在發展其他形式的細胞,包括腦和肝臟細胞,藥物研究人員對肝臟細胞特別感興趣,因為藥物的毒性通常顯現在肝臟。「在藥品進入人體前,有這樣一個模式來預測毒性,真的具有驚人的價值,」細胞動力副總裁兼商務長派克(Chris Parker)如是說。

藉著從不同種族、不同基因情況和對藥物有不良反應的人們製造出來的誘導式多能幹細胞,科學家們可以更為明瞭化合物對人類的影響。湯姆生和其他研究人員已經從肌萎縮性脊髓側索硬化症(ALS;俗稱漸凍人)、唐氏症、脊髓性肌肉萎縮症(spinal muscular atrophy)等疾病的患者中製造出誘導式多能幹細胞。雖然這些幹細胞能夠對這些疾病有何幫助尚不明朗,早期的研究仍然讓人感覺大有可為。若能成功,研究人員希望用誘導式多能幹細胞來研究其他疾病,並發展出治療的藥物。「這件事可以從根本上改變藥物研發的方式,」羅氏藥廠早期安全和毒性研究中心主任柯拉赫(Kyle Kolaja)說。羅氏和細胞動力已經結盟。

最近的十年是湯姆生一段艱辛的歲月,雖然在胚胎幹細胞的研究上有所突破,但也帶來強烈的爭議以及媒體的關注,這讓他轉趨低調,直到隨著誘導式多能幹細胞及細胞動力公司的發現和成長,他才又漸漸走到台前。「我想胚胎幹細胞留下來的遺產,就是促成誘導式多能幹細胞,」他說,「這些細胞將會以我們無法想像的方式,應用在許多創造性的方面。」——Emily Singer



延伸閱讀
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