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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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2010十大未來科技〈下〉

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,有些則較為地區性,而且牽涉到我們如何運用科技。
接續上期,本文繼續介紹Technology Review選出的另六項2010年前瞻科技,
看看這些新科技將如何改變世界!

奈米粒子助長太陽能的前景─捕捉來的太陽光電

1995年,凱琪波(Kylie Catchpole)自物理系畢業,她決定進入一個看起來毫無希望的領域:太陽光電。「那時候覺得應該沒有人會用我吧,」她回憶。不過這項賭注得到了回報,2006年凱琪波在做博士後研究,那時她發現的東西為太陽光電開了一扇門,可以讓薄膜太陽能電池更有效率地將光能轉換為電力,這項突破可以使太陽能面對化石燃料時更有競爭力。

薄膜太陽能電池是從非晶矽或是碲化鎘這類的半導體物質製造出來的,比目前常見由矽晶圓製造的太陽能電池便宜,但是效率也比較差;因為如果電池太薄,不及於光線的波長,就很難吸收及轉換。在薄膜太陽能電池幾微米的厚度下,僅僅能微弱地吸收光譜中的近紅外線部分,能源也就因此散失了。結果就是薄膜太陽能電池只能將8%至12%的光轉換為電,而矽晶太陽能電池的效率是14%至19%。為了要產出相同的電量,薄膜太陽能電就需要裝得更多,為這項科技的應用地點帶來限制。

目前是坎培拉澳洲國立大學研究員的凱琪波,於2002年在雪梨的新南威爾斯大學開始研究這個問題,「這是一項必須從頭開始的研究:你可以想出一個完全不同的方法來製造太陽電池嗎?」她說,「我研究中的一項是電漿子光學(plasmonics)——探討金屬的特殊光學特性。」

電漿子是一種波,當受到光線刺激時,會在金屬表面透過電極來流動。其他研究者曾經嘗試控制電漿子來增強矽晶太陽電池的效率,但沒有人試用在薄膜上。凱琪波發現,她沈積在薄膜太陽光電板上的銀奈米粒子,不會反射光線,而是讓光線直接進入電池內,就好像鏡子一樣;換言之,在粒子表面形成的電漿子,會使光子轉向,在電池內部來回振盪,使得較長的光波可以被吸收。

凱琪波製造出來的實驗電池,比現行的薄膜電池效率提高30%,若是她可以將這項奈米粒子科技與目前薄膜電池大量生產的商業製程整合,將會改變太陽光電科技的平衡;薄膜太陽光電不僅可以提高市占率(目前在美國是30%),還可以支撐整個太陽光電產業。

做為薄膜太陽電池的材料,相較於矽晶,目前碲化鎘占了上風(領導廠商First Solar正計畫建造一座使用碲化鎘,規模達十億瓦的薄膜太陽能電廠,其發電量將可比擬傳統電廠)。但是碲是一種稀有物質,專家懷疑其供給量是否可以滿足這麼大的雄心壯志,「沒有足夠的碲可以造成全世界能源供給的重大改變,」凱琪波說,「矽晶才是正道。」

已經有廠商找上了凱琪波,不過她希望在商業化之前,可以把這項技術改良得更好。在此同時,澳洲墨爾本的旋濱科技大學(Swinburne University of Technology),也和全世界最大的矽晶太陽電池製造商Suntech Power合作,製造電漿子的薄膜矽晶太陽電池,該公司的電漿子太陽光電技術,預計可以在四年內成熟。——Bob Johnstone

依靠人脈重建電視的收視群─社群電視

現場直播節目的收視率近年不斷下跌,不過有些令人驚訝的事正在發生:有些節目例如冬季奧運或是葛萊美頒獎,都吸引了較多的觀眾以及網路上的討論。這種在部分觀眾中發生的跌深反彈,是因為一些新的收視習慣:當人們看電視時,會同時用智慧型手機或筆記型電腦發簡訊、上推特、更新名人及演員的近況,甚至討論最新的廣告。

受邀至麻省理工學院電子研究實驗室進行研究的科學家蒙派蒂特(Marie-José Montpetit),已經針對社群電視(social TV)研究了好幾年,她認為,助長收視率的社群網路,可以和傳統電視收視較為被動的經驗無縫連結。蒙派蒂特的目標,是要讓在不同地方看電視的觀眾,可以分享和交談,並且更容易找到節目可看。

頻道商、電視台和節目內容製造商,都期望在強化觀眾的社群連結後,可以幫忙拉住觀眾,而不是像Hulu這種線上影片串流服務反而失去了觀眾;此外,開放電視與社群網路的連結,更可以協助這些公司製作客製化的節目。

許多研究人員正想方設法,希望讓觀眾透過寬頻網路或是機上盒分享收視經驗。事實上,許多有線電視公司和寬頻影音供應商,在過去的二十年間,已經在全世界贊助了各種互動電視服務的小規模研究;然而,這些公司應對這類問題的能力,仍然比消費者自行將小小的筆電和大大的電視拼湊出來的使用模式更為笨拙。蒙派蒂特想要連結不同的溝通系統,特別是行動和寬頻服務,來創造一個優雅的使用者經驗。她已經和在英國及愛爾蘭提供1,500萬人使用的點對點傳輸BT公司分享這個系統分類的概念,這些BT的用戶中還包含了將近五十萬的數位電視收視戶。

雖然BT尚未評論可能採取什麼形式的社群電視,蒙派蒂特和她的學生們,去年在MIT媒體實驗室已經展示了一款極為吸引人的原型模式:一座中央資料庫,裡面存放了網路上蒐集來的大量影片(YouTube即是來源之一),透過社群網路,依據使用者的特性,直接在電視上播放,然後讓使用者利用iPhone的應用程式,在朋友間互相發送評論內容和評比分數。蒙派蒂特避免使用電視螢幕傳遞訊息,因為研究證實,那些不喜歡被大量訊息遮蔽他們52吋高畫質電視圖像的消費者,會因此感到不悅。這個應用程式也容許使用者在網路上公布他自己的節目。例如一個朋友在網路上「推」一個節目,如果節目的擁有者同意的話,這個節目就會在預定的時間「跳」(pop up)出來。二月時,蒙派蒂特和她的學生們展示了一個修正版給BT,BT產學合作的負責人,也是和蒙派蒂特一起進行研究的派特摩爾(Jeff Patmore)表示,這個系統會在今年大量生產,但他拒絕證實任何進一步的計畫。不過蒙派蒂特因為一些個人因素,迫切地期待這種模式普及:她的女兒明年要上大學,這對母女有一些共同觀賞的節目,若先將技術與商業的問題擺一邊,她希望社群電視可以讓即使分隔異地的朋友和家人們,也能藉此保持聯繫。——William M. Bulkeley

在水泥中封存二氧化碳─環保混凝土

將水泥製造成混凝土,要將石灰石粉末、黏土和細砂,利用煤炭或天然氣加熱到攝氏1,450度,這個過程會產生大量二氧化碳:製造一公噸常用的矽酸鹽水泥(Portland cement),會產生650到920公斤的二氧化碳,2009年全世界生產的28億公噸水泥,就占了全球二氧化碳排放量的5%。總部位於倫敦的新創公司Novacem的首席科學家維拉索波拉斯(Nikolaos Vlasopoulos),正試圖在混凝土的製造過程中,利用水泥吸收二氧化碳,以減少二氧化碳的釋出,這項技術可以在每噸的混凝土中封存100公斤之多的溫室氣體。

維拉索波拉斯在英國倫敦帝國學院當研究生時,發現了這種環保混凝土的配方,「我當時正研究混合了氧化鎂的矽酸鹽水泥,」他說。但是當他排除了矽酸鹽,只在鎂的複合物中加水,發現一樣可以製造出會凝固的水泥,而不需要含碳量極高的石灰石;當這種水泥凝固時,大氣中的二氧化碳會與鎂反應,形成碳酸鹽,也就是一邊吸收二氧化碳一邊強化水泥的結構。Novacem現在正試著讓這個配方升級,希望新產品的結構可以與矽酸鹽水泥相當,維拉索波拉斯說,這項工作應可以「在一年內完成。」

其他新創公司也正在嘗試減少水泥的碳足跡,包括位於加州盧斯加托斯(Los Gatos)的卡瑞拉公司(Calera),該公司已經募得五千萬美元的資金。然而MIT水泥強固研究中心(Concrete Sustainability Hub)主任烏爾姆(Franz-Josef Ulm)指出,卡瑞拉的產品,是打算製造矽酸鹽水泥的添加劑,而不是像Novacem製造一種新水泥。Novacem因為可以減少碳排放而占有優勢,不過所有這類的新創公司都面臨相同的問題,就是如何將實驗室的結果擴大到量產。烏爾姆說,這並不意味著一家公司得製造出幾十億公噸的新產品來取代矽酸鹽水泥才算成功,也可以從一些特殊建築的利基市場開始。維拉索波拉斯相信,如果Novacem一年可以生產五十萬公噸,就足以讓新水泥的價格和矽酸鹽水泥競爭。

即使是這樣的目標,仍然十分困難。「他們正在導入一個全新的材料,以便進入環保產業,」西北大學土木與環境工程系教授詹寧斯(Hamlin Jennings)說,「未來還有許多問題待克服。」Novacem開始與位於英國的Laing O’Rourke公司合作,希望藉由這家全球最大的建設公司,讓業界接受這項技術。至2011年時,Novacem希望藉由自英國皇家學院(Royal Society)及其他單位獲得的150萬美元資金,開始建造這種新配方水泥的先導工廠。——David Bradley

可融解裝置創造更佳的醫療植入器材─可植入式電子器材

下世代可植入式醫療器材所需的高科技材料,並不是在工廠中製造的,而是從蟲子的胃裡取出的。塔夫斯大學(Tufts University)生物醫學工程師歐曼尼托(Fiorenzo Omenetto),就正在研究利用絲做為植入式醫療器材的基本元素。這樣的植入式裝置,具備光學和電學的反應能力,集合了監測生理數值、血液測試、影像中心、藥局等功能,而且在使用完畢後可以自行分解。

植入式的電子器材,可以為人體內發生的狀況,提供更清楚的圖像,幫助監控慢性病或是手術後的情形。但是生物相容性的問題,限制了這類器材的用途,許多現在常用的材料在植入後會引發免疫反應;此外,目前使用的大部分植入器材,必須在某些時間點以手術置換或移除,所以只有一些很重要的器材,像是搏動調節器(pacemaker),才值得植入。然而絲是生物可分解性的柔軟物質,可以像光學玻璃傳遞光線,雖然不能被製成電晶體或是電線,但可以形成支援電傳導的陣列,置放在生物組織上,而不會引起過敏反應。依照處理方式的不同,絲可以設計成一進入人體內就被分解,或是撐個幾年,也可以被用來儲存像是酵素這種細小分子一段時間。

歐曼尼托三年前開始研究蠶絲,當時另一名生物醫學工程師凱普蘭(David Kaplan)來找他幫忙,凱普蘭想製造一種複雜的支架材料,可以在上面培養新細胞。歐曼尼托將蠶繭煮沸,然後萃取溶液,當做他的主要配方,這是一種絲蛋白的水溶液,叫做絲心蛋白(fibroin)。這種溶液可以注入模型中,製成寬僅10奈米的結構,歐曼尼托已經用這種原料製造出許多光學儀器,像是鏡片、鏡子、稜鏡和光纖,這些都可以用來幫助植入人體的儀器導光。在將絲心蛋白溶液注入模具之前,混合抗體或是酵素,將來製造出的植入式器材,就可以偵測到低濃度的生物分子,像是葡萄糖以及腫瘤標記等。

歐曼尼托和凱普蘭,以及伊利諾大學香檳分校的材料學家羅傑斯(John Rogers)合作,已經製造出了混合絲溶液以及可撓性矽電子的植入器材。舉例來說,他們使用絲薄膜來包覆微小的矽電晶體陣列以及LED,或許可以當做植入性器材的基礎,用來感測疾病標記的濃度。這項研究在小型動物的測試反應良好,沒有結疤或是免疫反應,絲的部分會融解,只留下微量的矽和用在電路板的材料。

還有另一種裝置,利用絲蛋白溶液為基底做成金屬電極網線,取代原本的針狀電極,用在大腦表層診斷和治療癲癇這類的疾病。當浸入鹽水時,絲會包覆在大腦表面的電極網(包括被包覆在皺摺中的),可以幫助電極更準確地測量神經活動,這種以蠶絲為基礎的電極裝置,可望在未來的二至三年內,成為首宗大規模人體測試的器材。

歐曼尼托認為未來還有眾多的可能,例如,絲質的光纖可以做為植入性感測器和LED陣列的傳導介質,當LED的顏色改變,意味著癌症復發。這個儀器或許還可以進一步釋出精確劑量的治療藥物,然後另一條光纖可以將相關資訊傳輸出來,用手機就可以判讀。所有製造這種裝置的東西都已經存在,歐曼尼托說,一旦將它們結合起來,一點點的絲就可以拯救生命。——Katherine Bourzac

一種新的語言將改善網路上的應用程式─雲端程式設計

多虧有亞馬遜和Google這樣需要大量運算的公司,雲端運算提供了一個虛擬的儲存和處理資料力量的願景,但是程式設計師還不知道如何將這種力量發揮到極致。

目前許多專家都嘗試將現有的程式轉化到雲端運作,而不是創造一個隨地可以使用的新型態應用程式,而且他們因為難以在雲端上記錄資料和取得可靠的資訊,而裹足不前,如果可以解決這些問題的話,程式設計師才可能真正開始利用雲端運算的無限可能。例如,一家線上音樂業者可以隨時掌握大眾的胃口,一旦某位歌手爆紅,就可以立即更新網站上的廣告和優惠活動,為公司賺取大筆收益。

加州大學柏克萊分校的海勒斯坦(Joseph Hellerstein)認為,發展一套軟體來撰寫複雜的雲端應用程式,其實沒那麼難,這些程式可以記錄資料和註記流程。他的好點子是修正資料庫的程式設計語言,就可以很容易利用雲端建立各種不同的應用,像社群網路、溝通工具、遊戲,以及其他方面。這個程式語言在過去數年中不斷修正,將在巨大資料庫中拖曳資料的複雜性隱藏起來。如果可以讓雲端的使用更為友善,程式設計師就只需思考他們想要的結果,而不用管大量資料的細節。

這件事的挑戰,在於程式語言只能處理靜態批次的資料,無法處理經常變動的資料,像是網路感測器的讀數。海勒斯坦解釋,解決之道是建構程式語言時,就要先具有資料是不斷變動的概念,在處理資料的過程是不斷在變的;這種時間差的概念,使得一項程式在處理資料時會預做準備——更多的資料可能稍後就到,也可能永遠不會到。

海勒斯坦將他的新程式語言命名為Bloom,到目前為止,他的團隊已經用Bloom和前幾代的程式語言,快速地在許多普及的雲端運算工具上,像是Hadoop這種用來處理大量資料的平台,重建和增加一些新的功能。藉由降低這些繁複的障礙,新的程式語言應該可以增加願意投入雲端程式設計的人才,可望創造一波新的應用程式概念推出。

海勒斯坦的團隊,預計在2010年底讓Bloom問世,他們和其他致力於雲端程式語言的研究者,仍在努力嘗試讓這項技術運用在即時應用程式上,像是多人對戰的線上遊戲,或是地震、海嘯的警報機制。——Erica Naone

更有效率地對抗癌症─雙效抗體

位於南舊金山基因技術公司(Genentech)擴張中的總部,資深科學家傅婕曼(Germaine Fuh),正利用遺傳學來重新設計二種可以讓公司賺錢的癌症新藥。賀癌平(Herceptin)是第一種,這種單細胞的抗體可以抑制會讓乳癌細胞增生20%的抗原HER2;第二種叫癌思停(Avastin),其作用是阻斷一種蛋白質,這種蛋白質會刺激供應癌細胞養份的血管生成。去年這二種新藥銷售額達到110億美元,一個完整賀癌平療程的批發成本是43,000美元,而治療一名乳癌病患完整療程的癌思停成本價大約是55,000美元。傅婕曼想創造一種更有效對抗乳癌新藥:將這二種藥物的功效合在一起。去年她和她的同事就展示了一種修正配方的賀癌平,不只可以抑制老鼠身上的HER2,還可以阻斷癌思停的打擊目標VEGF。

設計這種特殊雙效抗體,可以解決化療藥物面臨的主要問題:癌細胞會產生抗藥性,會以多種方式突變來躲避藥物的攻擊。在破解癌細胞的脫逃機制前,醫師們通常是混用多種化療藥物試圖殺死癌細胞,若能只靠一種藥物,就可以用多種方式殺死癌細胞,治療就會簡單得多。

這種具有雙重效果的藥物,也具備極為誘人的商業利益。在成本上只需原本製造二種藥物的一半,可縮短通過有關單位藥物許可的時程和花費;而且本來二種藥物必須以不同的劑量混合,並進行多次的測試,現在也只要進行一套的醫療測試即可。基因技術公司已經開始進行測試,看看二種藥物合用,是否較僅用單一藥物對乳癌具有較好的療效,不過這種測試的費用高昂,公司不可能經常做。

傅婕曼對這種雙效抗體藥物的研究始於六年前,其中一種抗體是免疫系統中最強大的武器之一,這種Y型的蛋白質長度大約是10奈米,在抗體每一個分支的頂端有一個活性區域,可以捕捉入侵的細菌或癌細胞當中某一種特殊分子。許多的抗體可以抵抗入侵者,並且幫白血球或是其他免疫細胞標記出它們應該攻擊的地方。

傅婕曼指出,許多哺乳類動物的抗體具備束縛第二種抗原的能力,但通常效力不彰,她的目標是要探究這種抗體,並且強化其功能。傅婕曼的團隊在賀癌平的頂端誘發出微小的變異,然後監測了100億個這種變異細胞抵抗致癌細胞VEGF的功效,藉此篩選出幾個有機會的抗體,其中一種抗體的活性區可能可以有效地抑制HER2和VEGF,以限制癌細胞的成長。

身為瑞士大藥廠羅氏(Roche)完全投資的子公司,基因技術公司正在利用這項科技來發展另一種雙效抗體藥物,而且可望很快可以進入醫學測試。傅婕曼不願意透露這種新藥的細節,她只說,「我們快要成功了。」

在此同時,傅婕曼的實驗也引起了這類新藥潛能研究的廣泛關注。「這種雙效新藥的概念十分重要,」加州斯克里普研究所(Scripps Research Institute)分子生物學教授包伯斯三世(Carlos Barbas III)說。包伯斯是CovX的創辦人,這家公司致力於以不同的方法製造雙效抗體(輝瑞藥廠在2008年購併了CovX)。儘管雙方是競爭對手,但包伯斯仍稱讚基因技術公司的成就是「抗體工程學中美麗的一頁」。

傅婕曼的研究影響極為深遠,如果這項概念證實可行,可以同時瞄準二個目標的抗體,能夠用來對抗像癌症這類疾病,代表人類將可取得更廉價且更有效的藥物。——Sabin Russell



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