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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:

正方形 Icon 觀念探索 Trend

2014年十大跨時代科技

譯/ 以樂

在本期和下一期的「觀念探索」中,本刊將分期為您介紹美國《麻省理工學院科技評論雜誌》(MIT Technology Review)所遴選出來的「2014年十大跨時代科技」(10 Breakthrough Technologies 2014)。這10大科技發展在醫療、生活、行動通訊等不同領域創下傲人的里程碑,相信假以時日,人類的生活將因這些日漸成熟且普及的科技而有所裨益。

科技新聞都是科技發展的日積月累,但只有少數的科技進步才稱得上里程碑,在此為各位讀者獻上10個具里程碑意義的發明。過去一年,這些科技的革新解決了人類棘手的問題或開創了科技的嶄新用途,在未來幾年亦可望占有舉足輕重的地位。
―Technology Review編輯群

基因體編輯

實驗
透過新基因體編輯工具CRISPR而改變DNA的雙胞胎獼猴,證實科技可創造出具一模一樣基因突變的靈長類。

撰文/克麗絲汀‧拉森(Christina Larson)

去年11月,一對雌性雙胞胎猴子明明和玲玲誕生在昆明生物醫學國際中心(Kunming Biomedical International)和其附屬雲南省靈長類生物醫學重點研究室(Yunnan Key Laboratory of Primate Biomedical Research)。這些猴子是藉由體內受精的方式所產下。科學家使用了一種名為CRISPR的新DNA工程技術,透過編輯三種不同的基因來改良受精卵,再將受精卵植入做為代理孕母的母猴體內。這對雙胞胎猴子的誕生不僅代表了CRISPR第一次用於靈長類之鎖定基因改良的成功里程碑,也預告了生物醫學的新時代來臨,未來將可在猴子身上模擬和研究與人類相關的複雜疾病。

CRISPR是在過去幾年由加州大學柏克萊分校、哈佛大學、麻省理工學院和其他各地學者一起發展出來的一項技術。此項技術可以更為輕易且準確地改變基因體。這項在昆明所進行的實驗的背後推手季維智說,這項實驗的目的是要證明CRISPR技術可以創造出具多重突變的靈長類。

影響深遠
創造具刻意突變的靈長類能力,可提供全新且強而有力的方式來研究複雜和難解的腦部基因失調問題。

撰文/亞曼達‧夏佛(Amanda Schaffer)

中國科學家用來改良猴子基因的工具名為CRISPR,這是一種新型基因體編輯工具,精確且相對簡單,可在染色體上的特定位置改變DNA。在2013年初,美國科學家證明此方法可在培養皿上操縱任何類型的動物細胞,包括人類細胞在內。

加州大學柏克萊分校的分子和細胞生物學教授暨CRISPR的開發者珍妮佛‧都納(Jennifer Doudna)說:「光想到我們可以透過這項科技輕易改良靈長類的基因,就令人震撼不已。」創造具有刻意突變的靈長類,可望帶出研究複雜腦部基因失調問題的全新解決方法,然而,這同時也會引發新的倫理困境。由科技觀點看來,中國的靈長類研究顯示,若是猴子的案例可行,科學家也可能運用CRISPR來改良人類受精卵,而這些受精卵會長成經基因改造的嬰兒。

目前為止,設計出量身定做嬰兒的可能性看來還不大,而且這也並不是多數學者發展CRISPR的原因。現階段比較可能發生的是,科學家會用CRISPR創造出具有與人類失調症狀相關的突變動物。都納說:「在靈長類身上做實驗所費不貲且有虐待動物的疑慮,但在CRISPR用於猴子的成功案例出現後,很多人開始思考發展靈長類模型的重要性。」

在研究清單上的第一項就是腦部機能障礙。麻省理工學院麥戈文腦研究所(McGovern Brain Institute)的所長羅伯‧狄西蒙(Robert Desimone)說道,「我們的確有意利用CRISPR來產出具自閉症、精神分裂症、阿茲罕默症和躁鬱症等疾病的猴子模型。這些失調症狀在老鼠和嚙齒動物身上都不易研究,不只是這些動物病發的行為與人類大為不同,在疾病中所牽涉的神經迴路也不一樣。」

靈長類實驗所引發的可能性中,最為戲劇化的當屬在體內受精的階段,可利用CRISPR改變人類胚胎的組成。

這種操作雖在科學上可行,但多數科學家並沒有迫切進行該項操作的意願。

史丹福大學的漢克‧葛利力(Hank Greely)說:「的確,關於改變人類胚胎組成的安全顧慮會令人卻步。只要想像你現在粗暴對待的單一細胞未來會變成活生生的嬰兒,即便是小小的失誤或副作用都會造成難以抹滅的後果。」既然如此,誰還會想做呢?葛利力說,多數疾病都是簡單的基因成因所引發,在試管嬰兒生殖中,已經可以用胚胎著床前診斷來提前判別胚胎是否有疾病,基本上都不需要使用到CRISPR,對於要生育的夫妻來說,選擇另一個沒有疾病的胚胎要比改變胚胎組成要簡單多了。

靈活行動機器人

撰文/威爾‧奈特(Will Knight)

重大突破
可大步跨越崎嶇或惡劣地形的有腿機器。

為何重要?
世界上多數地區是有輪子的機器無法到達的,但是有腿的機器則可克服這個問題。

主要參與者
–波士頓動力(Boston Dynamics)
–Schaft
–本田(Honda)

對於生物機械工程來說,行走是件了不起的成就。每踏出一步都需要平衡感和在瞬間適應不穩定的能力。行走需快速調整腳落下的位置,並計算改變方向得在瞬間使多少力,也難怪機器人到現在都不太會走路。

在此跟各位介紹亞特拉斯(Atlas),這是由波士頓動力公司所創造出的仿人機器人。亞特拉斯可以穿越崎嶇的地形,甚至還可以在平地上跑步。雖說之前的機器人,像是本田公司(Honda)的ASIMO還有索尼(SONY)的小小QRIO都會走路,但它們無法快速調整平衡以至於行動不太方便,實用價值也不高。亞特拉斯則具備超水準的平衡感,還可輕易穩定身體,展現出機器人探索人類環境所需要的安全性和穩定性。

可穩定行走的機器人未來可廣泛用於緊急搜救行動中。另外,它們也可用於協助年長者或行動不便者的日常生活事務。

馬克‧雷波特(Marc Raibert)是波士頓動力的共同創辦人,在1980年代初期開啟了擁有「動態平衡」的機器世代,也就是利用連續動作使機器人可以站穩。他造了一個單腳的機器人在實驗室裡跳來跳去,就像是有個彈簧單高蹺一樣,計算每個跳躍要如何使腳和身體復位,以及如何有力地利用下次跳躍來推動身體離開地面。亞特拉斯也展現了動態平衡,利用大功率液壓學並以保持身體穩定的方式移動。這個機器人可穿越不穩固的瓦礫堆、快速地走在跑步機上,就算受到20磅重的破壞球重擊時還能保持平衡。一如你可以直覺地在受到推力時改變重心並調整腳步以防止跌倒,亞特拉斯也可察覺不平衡的狀況,並快速反應以保持平衡。

亞特拉斯尚未準備好要接手人類的辦公室或是家庭的事務,它的柴油引擎外露、噪音不小,它的鈦合金四肢還會危險地晃蕩在身體外,卻可以在對急難救助人員而言太過危險的環境中派上用場,例如進入陷入核熔毀危機核電廠的中控室。雷波特說:「若你的目標是要設計出跟人一模一樣的東西,那麼我們還有很長的路要走。」但是,若你只需要可以起身還能跑步的機器人,亞特拉斯應該算是個可以效仿的對象。

超隱私智慧型手機

撰文/大衛‧塔伯特(David Talbot)

重大突破
為消費者市場設計的行動電話,只會傳送最低限度的個人資訊。

為何重要?
政府和廣告商由行動電話搜集私密資訊。

主要參與者
–Blackphone
–Cryptonphone
–悄悄話系統
(Whisper Systems)

1月21日,一段文字簡訊閃現於環繞著基輔獨立廣場示威者的手機上。當時,烏克蘭的總統亞努科維奇(Viktor Yanukovych)還緊握著手中的權力,以強力手段粗暴地對待示威者。由111的號碼傳送出的簡訊顯示:「敬愛的用戶:你已經被列為大規模暴動的參與者了。」這些簡訊很可能是由亞努科維奇的安全機構在示威區域發出至使用者的手機上,此舉也敲響了一記警鐘,提醒我們行動電話淪為監控工具的可能性。

不久後,有位烏克蘭民眾走進了美國馬里蘭州國家海港(National Harbor)的某個毫不起眼的辦公室裡,向一位名為菲爾‧齊麥曼(Phil Zimmermann)的人求助。

齊麥曼是位密碼學家。他公司名為Silent Circle,主要服務是替語音通話、文字訊息和檔案附件加密。如果你使用Silent Circle提供的服務,撥打給其他用戶的通話會透過Silent Circle的伺服器傳送,且在對方電話上解密。這項服務並不會擋下某些基地台範圍內所傳出的惡意簡訊,但是卻可以阻擋竊聽和窺探者知道你正在通話或傳訊息的對象是誰。
Silent Circle的存取信號也很快地送到基輔市中心的示威策劃者手中。齊麥曼帶著不言而喻的自信說:「那種環境才是需要大規模加密科技的環境。」

過去一年,我們發現基輔並不是唯一需要齊麥曼提供隱私服務的環境。前美國國安局(NSA)承包商僱員愛德華‧史諾登(Edward Snowden)指稱美國國安局從雲端平台和無線裝置上搜集了大量的資訊,包括一般民眾的電話號碼和撥打電話的時間。不只是政府會監視你,網站、廣告商甚至是零售商都試著要在店裡追蹤你的去向。現代的智慧型手機和應用程式,其原本的設計就是會搜集和散播大量的使用者訊息,包括:地點、網頁瀏覽紀錄、搜尋關鍵字和聯絡人名單。

今年夏天前,齊麥曼就展開反擊:透過一支具高度安全性名為Blackphone的智慧型手機。現在這支手機正由包括Silent Circle在內的合資企業所生產中,該款手機使用齊麥曼的加密工具且加上其他保護措施。該手機使用的是一款特殊的安卓作業系統稱作PrivatOS。該款作業系統會阻絕洩露你行蹤的管道。當許多安全性手機長期以來都握在軍方和政府的手中,這項創舉可能揭示著具有更高私密性和安全性的手機正逐漸轉向大眾市場。

近來,幾乎所有的電話通訊都是數位形式,不只是像Skype這種顯而易見的例子,也包括行動電話和室內電話。所以,前美國海豹部隊(U.S. Navy SEAL)隊員麥克‧傑科(Mike Janke)在2011年聯繫上齊麥曼,想要透過加密技術讓美國軍人可以打安全的電話回家,他們一拍即合。後來這個團隊還加入了發明蘋果電腦全硬碟加密(whole-disk encryption)技術的喬‧卡拉斯(Jon Callas)一起創立了Silent Circle。起初,這家公司也提供電子郵件的服務,稱作Silent Mail,但由於許多使用者用Silent Mail用來儲存金鑰,導致Silent Circle必須要應付國家安全局要求公開資料的要求,所以,該公司後來就自行了斷Silent Mail的服務,目前正在進行重整,希望能用不同的方式儲存金鑰。

不能百分之百擺脫國安局
即便Blackphone足以抵擋日常生活中的各種駭客行為或惡意窺探,但是Silent Circle也不得不承認這無法完全防堵國家安全局的手深入一般人的隱私。而且,這個軟體還有個致命的缺點,就是使用者不免會自行下載的應用程式。北卡羅萊納州立大學的一位資訊工程學家同時也是安卓系統的專家江書賢(Xuxian Jiang; 音譯)指出,使用者自行下載的應用程式通常是裝置之所以易受侵入的原因。Blackphone也不會自行保護電子郵件的隱私,你的電子郵件使用的是如PGP加密技術或其他的技術,取決於你使用的電信商。即便如此,江書賢還是認為:「這些仍是很不錯的隱私權大躍進。」市場上只有少數的幾個競爭者,其中有家推特所有的公司名為悄悄話系統(Whisper Systems),剛發表了一款用在安卓手機語音通話的加密系統。儘管如此,Blackphone已在市場上建立了一定的威信,齊麥曼說:「在3月前,我們已經有十幾萬隻手機的訂單。」Silent Circle希望能在頭兩年賣出百萬支手機。

就許多方面而言,國安局的啟示、對於消費者被商業利益追蹤的覺察和烏克蘭事件,都是最好的行銷範例。齊麥曼說:「以往要說服消費者說保護隱私權的重要性及要使用這類科技非常困難,但現在情況大不同了。」

微尺度3D列印

撰文/大衛‧洛特曼(David Rotman)

在精確的應用下,由不同材料組成的墨水可大為拓展可列印物品的種類。

重大突破
3D列印使用多種材料以創造出具有血管的生物組織。

為何重要?
製作出具適當功能的生物材料,有機會發展出人造器官或新穎的半機械組織。

主要參與者
–哈佛大學:珍妮佛‧露易絲
(Jennifer Lewis)
–普林斯頓大學:麥可‧麥克艾潘
(Michael McAlpine)
–劍橋大學:基斯‧馬丁(Keith Martin)

儘管3D列印早已在全球引起熱潮,但其功能仍極其有限。3D列印可用來打造出型態複雜的物體,但多數仍用於列印塑膠材質的東西。即便是使用高端3D列印技術的製造商,多半也只是多採用幾種金屬合金而已。如果3D列印可使用多種組合材料作原料——上至活的細胞、下至半導體——以精準度混合和搭配不同的墨水,將會如何?

哈佛大學的材料學家珍妮佛‧露易絲(Jennifer Lewis)正在研發可使上述想像成真的化學原料和機器。她從頭列印出形狀複雜的物品,仔細加上有助於形成機械特性、導電性或光學特性的材料。這意味著3D列印科技可以做出可感知並回應外在環境的物體。露易絲說:「形體和功能的結合將是下一個世代3D列印技術的大突破。」

普林斯頓大學的某個團隊列印出仿生耳(bionic ear),結合生物組織和電子,另一批在劍橋大學的研究團隊則列印出可以形成複雜眼球組織的視網膜細胞。

即便有上述將3D列印的可能性擴展的傲人成就,露易絲研究團隊的成果還是無人能出其右,他們大大擴展了可列印的材料類型和可列印的物品。

去年,露易絲和她的學生證明他們可以列印出微視的電極和其他製作迷你鋰離子電池所需的成分。其他的計畫包括在塑膠貼片上製造出列印感應器,未來可供運動員穿戴以偵測衝擊和測量激烈的碰撞。最近,露易絲的團隊列印出與血管交織的複雜生物組織。為了列印出生物組織,研究者必須要使用不同種細胞和材料製造出可支撐組織的矩陣。

這項計畫點出了為藥物試驗創造人造器官,或有朝一日做為替換的器官的挑戰:如何創造出可以維持細胞活性的血液系統?

距離露易絲實驗室幾百碼之外的地下室,她的團隊緊急調配一台帶有顯微鏡的3D列印機,此台機器可以精確地列印出小至一微米的結構(人類的一顆紅血球細胞的直徑大概是10微米)。另一台比較大台的3D列印機,使用有不同墨水孔的噴頭,以便同時列印出多種墨水。這台列印機可以在幾分鐘內,製造出想要的微結構且尺寸達一公尺的樣本。

露易絲團隊的祕訣在於墨水的性質,可以讓他們在同一個製作過程中一起被列印出來。每種墨水都是不同的材料,但是都可以在室溫下進行列印。

然而,不同材質的材料也帶有不同的挑戰,例如細胞較為脆弱,在推入列印噴頭時易被破壞。

然而,在所有的案例中,墨水必須要製成可以在壓力之下流過噴頭,但一旦就定位則必須維持形狀不變。在去年由伊利諾大學香檳分校轉到哈佛大學之前,露易絲花了逾十年的時間利用陶瓷、金屬奈米粒子、聚合物和其他非生物材料發展3D列印技術。當她在哈佛大學成立新實驗室且首次開始以生物細胞和組織開始實驗時,她想把這些材料當作與合成粒子所組成的材料沒有兩樣。但現在回想起來,她承認當初的想法太過單純。

列印血管是邁向人工組織的一大步,而人工組織可以在器官內承載複雜的生物功能。但是,露易絲認為,「在細胞上作實驗的確是『非常複雜』。在我們得以列印出可運作的肝臟和腎臟之前,我們還需要做足許多前置工作。但是,至少我們跨出了第一步。」

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