據(jù)科學美國人雜志報道，在不久的將來，人工智能（AI）將大大加快創(chuàng)新藥物和材料的發(fā)現(xiàn)。先進的診斷工具將使越來越個性化的醫(yī)學成為可能。增強現(xiàn)實（AR）將無處不在，將信息和動畫疊加在真實世界的圖像上，幫助我們處理日常任務，并幫助行業(yè)更有效地運作。如果你生病了，醫(yī)生可以在身體里植入活細胞，讓你的身體變成“藥物工廠”，治療你的疾病。你會吃到用干細胞培育的人造牛肉、雞肉和魚類，大大減少畜牧業(yè)對環(huán)境的影響。

這些改變世界的想法以及構成今年“十大新興技術”的其他創(chuàng)意，都是由生物、無機化學、機器人和AI等領域的頂尖專家選出的。被選中的技術必須能在未來三五年內為社會和經(jīng)濟提供重大幫助，必須具有潛在顛覆性，能夠改變行業(yè)或既定的行事方式。但它們必須處于相對早期的開發(fā)階段，還沒有被廣泛使用。

1.AR技術無處不在

VR（虛擬現(xiàn)實）技術能讓人沉浸在虛構孤立的宇宙中。相比之下，AR則是將計算機生成的信息實時疊加在現(xiàn)實世界中。當你戴著裝備有AR軟件和攝像頭的設備時，無論是智能手機、平板電腦、頭盔亦或是智能眼鏡，程序會分析傳入的視頻流，下載大量關于場景的信息，并將相關數(shù)據(jù)、圖像或動畫以3D的形式疊加在上面。

眾多的消費應用（包括那些為外國游客翻譯路標、使學生虛擬解剖青蛙、讓消費者看到椅子在起居室中的虛擬效果）已經(jīng)具備AR功能，比如幫助你的汽車安全備份的顯示器和流行游戲Pokemon GO。在不久的將來，這項技術將使博物館愛好者召喚出類似全息圖的導游，外科醫(yī)生將病人皮膚下的組織以3D的方式可視化，建筑師和設計師以新穎的方式進行創(chuàng)作，無人機操作員通過增強圖像控制遠程機器人，新手在醫(yī)藥、工廠維護等領域迅速了解新任務。

在未來幾年，易于使用的應用程序設計軟件應該能擴大消費產(chǎn)品種類。不過，目前的AR在工業(yè)領域的影響最大，它是工業(yè)4.0的一個組成部分?！肮I(yè)4.0”是指通過將物理和數(shù)字系統(tǒng)集成，以提高質量、降低成本和提高效率的方式，對制造業(yè)進行系統(tǒng)性的轉型。例如，許多公司正在生產(chǎn)線上使用。AR可以在需要的時候提供正確的信息，從而減少錯誤，提高效率和提高生產(chǎn)力。它還可以將設備中的壓力可視化，并創(chuàng)建問題所在的實時圖像。

ABI Research、IDC和Digi-Capital等市場分析機構認為，AR技術即將成為主流。他們預計到2020年，AR的總市場價值(目前約15億美元)將增長到1000億美元。包括蘋果、谷歌和微軟在內的科技巨頭都在為開發(fā)AR/VR產(chǎn)品及其應用投入大量財力和人力資源。風險投資也開始源源不斷，2017年AR和VR吸引的投資為30億美元。《哈佛商業(yè)評論》最近強調，AR技術是一項革命性的技術，將影響所有企業(yè)。

不過挑戰(zhàn)依然存在。目前，硬件和通信帶寬的限制給消費者的日常使用帶來了障礙。例如，許多現(xiàn)有使用AR技術來增強體驗的博物館和旅行應用必須提前下載。即便如此，圖形質量也可能無法滿足用戶的期望。但隨著價格更便宜、速度更快的AR移動芯片的出現(xiàn)，更多的多功能智能眼鏡進入市場。AR將加入互聯(lián)網(wǎng)和實時視頻行列，成為我們日常生活中的常態(tài)技術。

2.個性化醫(yī)療的先進診斷

患乳腺癌婦女的治療變得更加個性化。乳腺癌現(xiàn)在被分為不同的亞型，可以進行相應的治療。例如，許多腫瘤產(chǎn)生雌激素受體的女性，可能會接受專門針對這些受體的藥物以及標準的術后化療。今年，研究人員發(fā)現(xiàn)，有相當一部分患者的腫瘤具有表明它們可以安全放棄化療的特征，并避免通常引發(fā)的嚴重副作用。

盤點2018年十大新興技術：人體變成“制藥工廠”

診斷工具的進步加速了許多疾病的個性化或精確治療的發(fā)展。這些技術可以幫助醫(yī)生檢測和量化多種生物標志物(標示疾病存在的分子)，將患者分成不同的亞組，這些亞組在對疾病的易感性、預后或對特定治療的反應可能性方面存在差異。早期的分子診斷工具著眼于單個分子，例如糖尿病患者的葡萄糖。

然而，在過去的十年里，“組學”（omics）技術取得了巨大的進步，能夠快速、可靠、廉價地對個人的整個基因組測序，或者測量體液或組織樣本中所有蛋白質(蛋白質組)、代謝副產(chǎn)物(代謝組)或微生物(微生物組)的水平。該技術的常規(guī)應用同時開始產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)集，AI可以挖掘這些數(shù)據(jù)集，以發(fā)現(xiàn)對臨床有用的新的生物標記。這種高通量組學技術與AI相結合，正在引領先進診斷技術的新時代，這將改變人們對許多疾病的理解和治療，使醫(yī)生能夠根據(jù)單個患者的分子特征定制治療方法。

有些先進的診斷技術已經(jīng)應用于癌癥。比如Oncotype DX可檢查21個基因，許多乳腺癌患者可以據(jù)此避免化療。FoundationOne CDx可以檢測實體腫瘤中300多個基因的基因突變，并指出特定的基因靶向藥物可能對特定患者有用。除了癌癥，還有一種令人興奮的方法可以應用于子宮內膜異位癥。這是一種令人痛苦的疾病，子宮組織在不屬于它的地方生長，診斷過程通常也需要手術。而來自DotLabs基于唾液的無創(chuàng)檢測方式可以通過測量名為microRNAs的小分子，來識別子宮內膜異位癥。

目前，通過臨床醫(yī)生對癥狀的主觀評估來診斷的大腦紊亂，如自閉癥、帕金森癥和阿爾茨海默癥，血液測試正在開發(fā)中。研究人員甚至在探索是否能對整個基因組進行測序，分析微生物群落，測量健康人體內數(shù)百種蛋白質和代謝物的水平，從而為這些人如何預防疾病提供個性化的指導。

需要提醒的是，醫(yī)療機構和使用這種診斷工具的研究人員，必須嚴格執(zhí)行保護病人隱私的保障措施。此外，還需要明確的管理準則，以一致的方式評估生物標志物作為診斷工具的價值。這些指導將加速將新的生物標志物引入醫(yī)療實踐。即便如此，先進的診斷技術已經(jīng)開始瓦解診斷和治療疾病的標準。通過引導病人接受最有效的治療，他們甚至可以減少醫(yī)療支出。將來，許多人可能會擁有生物標記數(shù)據(jù)的個人云，隨著時間的推移，這些數(shù)據(jù)將積累起來，并幫助提供個性化治療。

3.分子設計AI

想要設計新的太陽能材料、抗癌藥物或者能阻止病毒攻擊農(nóng)作物的化合物嗎？首先，你必須解決兩大挑戰(zhàn)：為這種化合物找到正確的化學結構，以及確定哪些化學反應將正確的原子連接到所需的分子或分子組合中。這個過程非常耗時，并且涉及許多失敗的嘗試。例如，某個綜合計劃可以有數(shù)百個單獨的步驟，其中許多步驟會產(chǎn)生副反應或副產(chǎn)品，或者根本不起作用。然而現(xiàn)在，AI開始提高設計和合成的效率，使這個過程變得更快、更容易、更便宜，同時減少化學廢物。

在AI中，機器學習算法分析所有已知的過去實驗，這些實驗試圖發(fā)現(xiàn)并合成感興趣的物質?；谒鼈兯R別的模式，這些算法可以預測潛在有用的新分子結構以及制造它們的可能方法。沒有任何單獨的機器學習工具可以在按下按鈕時就能完成所有這些工作，但AI技術正在迅速進入藥物分子和材料的現(xiàn)實設計世界。

舉例來說，德國明斯特大學的研究人員開發(fā)了一種AI工具，它可以反復模擬已知的1240萬個單步化學反應，并以比人類快30倍的速度設計出多步合成路線。在制藥領域，基于AI的“生成機器學習”技術也令人興奮。大多數(shù)制藥公司儲存了數(shù)以百萬計的化合物，并對它們進行篩選，以確定其作為新藥的潛力。但是，即使有了機器人技術和實驗室自動化工具，這種篩選過程也是緩慢的，而且產(chǎn)生的結果也相對較少。

此外，這些“庫”只包括理論上可能存在的超過1030個分子中的一小部分。利用描述已知藥物(和候選藥物)的化學結構及其特性的數(shù)據(jù)集，機器學習工具可以構建具有相似的、可能更有用特性的新化合物的虛擬庫。這種能力正開始顯著加速藥物潛力的識別。近100家初創(chuàng)企業(yè)已經(jīng)在探索用AI發(fā)現(xiàn)藥物，比如Insilico Medicine、Kebotix以及BenevolentAI，后者最近籌集了1.15億美元資金，將其AI技術應用于運動神經(jīng)元疾病、帕金森氏癥和其他難以治療的疾病的藥物研發(fā)中。

BenevolentAI將AI應用于整個藥物開發(fā)過程，從新分子的發(fā)現(xiàn)到臨床試驗的設計和分析，旨在人類身上證明安全性和有效性。在材料領域，Citrine Informatics等企業(yè)正在采用與制藥企業(yè)類似的方法，并與BASF和松下等大公司合作，以加速創(chuàng)新。美國政府也在支持AI設計的研究。自2011年以來，美國已在材料基因組計劃(Materials Genome Initiative)上投資逾2.5億美元。該計劃正在建立包括AI和其他計算方法在內的基礎設施，以加速先進材料的開發(fā)。

過去的經(jīng)驗告訴我們，新材料和化學品可能對健康和安全造成不可預見的風險。幸運的是，AI方法應該能夠預測并減少這些不良結果。這些技術似乎可以顯著提高新分子和新材料被發(fā)現(xiàn)并投入市場的速度和功效。在市場上，它們可能提供諸如改善醫(yī)療和農(nóng)業(yè)、更大程度地節(jié)約資源、提高可再生能源生產(chǎn)和儲存等好處。

4.可辯論和提供指導的AI

如今的數(shù)字助手有時會欺騙你，讓你相信它們是人類，但更強大的數(shù)字助手正在到來。Siri、Alexa等使用復雜的語音識別軟件來識別你的請求和如何提供相應信息，它們會生成聽起來很自然的語音，給出符合你問題的腳本答案。這樣的系統(tǒng)首先必須經(jīng)過“訓練”，而且適當?shù)捻憫仨氂扇祟惥帉懖⒔M織成高度結構化的數(shù)據(jù)格式。這項工作非常耗時，而且會導致數(shù)字助手在執(zhí)行任務時受到限制。這些系統(tǒng)可以“學習”但程度有限。即便如此，它們仍然令人印象深刻。

在復雜性更高的層次，技術正在開發(fā)中，以便讓下一代數(shù)字助手來吸收和組織更多的非結構化數(shù)據(jù)(原始文本、視頻、圖片、音頻、電子郵件等)，然后自動組成有說服力的建議或充當辯論對手，應對它們從未被訓練過的問題。我們已經(jīng)在許多提供聊天機器人的網(wǎng)站上看到這種功能，這些聊天機器人可以用自然語言回答問題，涵蓋了他們訓練過的各種數(shù)據(jù)集。

這些聊天機器人在特定問題或請求方面需要相對較少或根本不需要培訓，它們結合了預先配置的數(shù)據(jù)和“讀取”提供給它們的相關背景材料的緊急能力。然而，在做出高度準確的反應之前，它們確實需要些識別語言和意圖的訓練。

今年6月，IBM展示了一種更先進的技術：一個系統(tǒng)與人類專家進行了實時辯論，但事先沒有就辯論主題接受過培訓。使用非結構化數(shù)據(jù)(包括來自維基百科的內容)，該系統(tǒng)必須確定信息的相關性和準確性，并將其組織為可重用資產(chǎn)，它可以調用該資產(chǎn)來形成一致的論據(jù)，以支持自己的論點。它還必須回應人類對手的論點。該系統(tǒng)在演示過程中進行了兩場辯論，許多觀眾甚至認為它的論點更具說服力。

這項技術是在五年多的時間里開發(fā)出來的，它包括了一種軟件，不僅能理解自然語言，還能應對檢測積極和消極情緒。然而，非腳本AI系統(tǒng)對公認的人類專家的勝利打開了無數(shù)相關應用的大門，這些應用可能在未來三到五年甚至更短的時間內出現(xiàn)。例如，這樣的系統(tǒng)可以幫助醫(yī)生迅速找到與復雜病例相關的研究，然后討論給定治療方案的優(yōu)點。這些智能系統(tǒng)將只對組合現(xiàn)有知識有用，而不是像實驗室科學家或專家那樣創(chuàng)造知識。盡管如此，隨著機器變得越來越智能，它們還是增加了失業(yè)擔憂。

5.植入式制藥細胞

許多糖尿病患者每天會刺幾次手指來測量血糖水平，并決定他們需要的胰島素劑量。通常在體內制造胰島素的胰臟細胞植入物，也就是所謂的胰島細胞，會取代這個繁瑣的過程。同樣，細胞植入物可以改變其他疾病的治療，包括癌癥、心力衰竭、血友病、青光眼和帕金森氏癥。但是細胞植入有個缺點，即接受者必須無限期地服用免疫抑制劑來防止免疫系統(tǒng)的排斥反應。這類藥物會導致嚴重的副作用，包括增加感染或惡性腫瘤的風險。

幾十年來，科學家們發(fā)明了一種方法，將細胞包裹在半透性的保護膜中，防止免疫系統(tǒng)攻擊植入的細胞。這些膠囊仍然允許營養(yǎng)物質和其他小分子流入，需要激素或其他治療蛋白流出。然而，不讓這些細胞受到傷害是不夠的，如果免疫系統(tǒng)認為這種保護性物質本身是外來的，它將導致疤痕組織在膠囊上生長。這種“纖維化”會阻止營養(yǎng)物質到達細胞，從而殺死它們。

現(xiàn)在研究人員開始解決“纖維化”挑戰(zhàn)。例如，2016年，麻省理工學院的研究人員發(fā)現(xiàn)了新方法，可以使植入物對免疫系統(tǒng)不可見。在生產(chǎn)和篩選了數(shù)百種材料后，研究人員確定了一種名為藻酸鹽的凝膠化學物質，它在人體中有很長的安全使用歷史。當他們將這種凝膠中的胰島細胞植入糖尿病小鼠體內時，它們會立即釋放胰島素，以應對血糖水平的變化，在6個月的研究過程中成功控制了血糖水平，未見纖維化。在另一項研究中，研究人員后來報告說，在巨噬細胞上阻斷一個特定的分子可以抑制瘢痕形成，巨噬細胞是重要的纖維化免疫細胞，添加這種阻滯劑可以進一步提高植入物的存活率。

現(xiàn)在已經(jīng)有公司專門開發(fā)封裝細胞療法。其中Sigilon Therapeutics公司正在推進麻省理工學院開發(fā)的用于糖尿病、血友病等代謝紊亂疾病的治療技術。美國禮來制藥公司(Eli Lilly)正與Sigilon合作開展糖尿病研究。此外，Semma Therapeutics公司也在使用自己的技術關注糖尿病，Neurotech Pharmaceuticals公司在青光眼和各種以視網(wǎng)膜變性為特征的眼部疾病的臨床試驗中植入了植入物，Living Cell Technologies公司則在進行帕金森氏癥植入物的臨床試驗，并正在開發(fā)其他神經(jīng)退行性疾病的治療方法。

如今，被整合到膠囊中的細胞是從動物或人類尸體中提取的，或者是從人類干細胞中提取的。將來，植入性細胞療法可能會包含更廣泛的細胞類型，包括通過合成生物技術改造而成的細胞，這些生物技術可以重組細胞的遺傳基因，使其執(zhí)行新的功能，比如控制特定藥物分子按需釋放到組織中。封裝細胞療法的安全性和有效性都沒有在大型臨床試驗中得到證實，但這些跡象令人鼓舞。

6.人造肉

想象一下，你咬下多汁牛肉漢堡的感覺，而它卻是在不殺死動物的情況下制作而成的。利用實驗室里的細胞培育出來的肉正在把這種設想變成現(xiàn)實。多家初創(chuàng)企業(yè)正在開發(fā)實驗室培育的牛肉、豬肉、家禽和海鮮，其中包括Mosa Meat、Memphis Meats、SuperMeat以及Finless Foods等公司。這個領域正在吸引大量資金。例如，在2017年，Memphis Meats從比爾·蓋茨(Bill Gates)和農(nóng)業(yè)公司Cargill處獲得了1700萬美元投資。

如果被廣泛采用，人造肉可以消除許多殘忍的、不道德的屠殺動物的行為。它還可以減少肉類生產(chǎn)的可觀環(huán)境成本。只需要生產(chǎn)和維持培養(yǎng)的細胞，而不需要從出生起就維持整個生物體。這種肉是先從動物身上提取肌肉樣本制成的。技術人員從組織中收集干細胞，讓它們進行增殖，并且分化成原始纖維，然后膨脹成肌肉組織。Mosa Meat公司說，從一頭牛身上提取的一份組織樣本可以產(chǎn)生足夠多的肌肉組織。

許多初創(chuàng)企業(yè)表示，它們預計未來幾年將有產(chǎn)品出售。但是，人造肉要想在商業(yè)上可行，就必須克服許多障礙，包括成本和味道。2013年，當記者們看到人造肉制作的漢堡時，肉餅的制作成本超過30萬美元，而且過于干燥(因為脂肪太少)。自那以后，費用已經(jīng)大幅下降。Memphis Meats今年報告稱，113克重的絞碎人造牛肉價格約為600美元。考慮到這一趨勢，人造肉可能在幾年內成為傳統(tǒng)肉類的競爭對手。更加注意質地，并補充其他成分可以解決口味問題。

為了獲得市場的批準，人造肉必須被證明是安全的。雖然沒有理由認為實驗室生產(chǎn)的肉類會對健康造成危害，但FDA直到現(xiàn)在才開始考慮如何對其進行監(jiān)管。與此同時，傳統(tǒng)的肉類生產(chǎn)商正在反擊，他們辯稱人造肉根本不是肉類，不應該被貼上肉類標簽。調查顯示，公眾對食用人造肉興趣不大。盡管面臨這些挑戰(zhàn)，人造肉公司仍在穩(wěn)步前進。如果他們能成功地制造出價格實惠、口味純正的產(chǎn)品，人造肉就能使我們的日常飲食習慣更加符合倫理和環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展標準。

7.電休克療法

電休克療法在醫(yī)學上有著悠久的歷史，比如心臟起搏器、耳蝸植入和帕金森病的大腦深層刺激。其中一種治療方法將變得更加多樣化，顯著改善對多種疾病的治療。它包括向迷走神經(jīng)傳遞信號，將腦干的脈沖發(fā)送給大多數(shù)器官，然后再返回。迷走神經(jīng)刺激(VNS)的新用途已經(jīng)成為可能，部分原因是范因斯坦醫(yī)學研究院的凱文·特蕾西(Kevin Tracey)等人的研究表明，迷走神經(jīng)釋放出有助于調節(jié)免疫系統(tǒng)的化學物質。例如，在脾臟釋放的特定神經(jīng)遞質，就會使全身炎癥的免疫細胞安靜下來。

這些研究結果表明，VNS可能對自身免疫和炎癥條件等電信號紊亂的疾病有益。對于那些患有這些疾病的患者來說，這可能是個福音，因為現(xiàn)有的藥物常常會失效或導致嚴重的副作用。VNS可能更容易耐受，因為它作用于特定的神經(jīng)，而藥物通常在全身傳播，會潛在地擾亂治療目標以外的組織。

迄今為止，有關炎癥相關應用的研究令人鼓舞。由SetPoint Medical公司開發(fā)的VNS設備在早期的人體試驗中已經(jīng)證明是安全的，用于治療風濕性關節(jié)炎和克羅恩病(Crohn’s)。目前正在對這兩項技術進行更多的試驗。電休克療法也被用于治療其他具有炎癥成分的疾病，如心血管疾病、代謝失調和癡呆，以及狼瘡等自身免疫性疾病。在這種疾病中，迷走神經(jīng)本身變得不活躍。

防止移植組織的免疫排斥是另一項潛在應用。大多數(shù)迷走神經(jīng)刺激器，包括SetPoint的設備和那些已經(jīng)用于治療癲癇和抑郁癥的設備，都屬于植入物。醫(yī)生通常把這個裝置放在鎖骨下的皮膚下面。植入物的導線纏繞在迷走神經(jīng)的一個分支上，并以預設的間隔向它傳送電脈沖，頻率和其他性能通過外部磁棒編程控制。如今的植入物直徑約為1.5英寸，但隨著時間的推移，預計會變得更小，可編程性更強。

旨在緩解叢集性頭痛和偏頭痛的無創(chuàng)手持式迷走神經(jīng)刺激器最近也獲得了FDA的批準，盡管尚不清楚迷走神經(jīng)刺激究竟是如何幫助這些癥狀的。這種手持設備通過頸部皮膚或耳朵向神經(jīng)傳遞溫和的電刺激。迷走神經(jīng)并不是唯一一個被新型電療法治療的目標。在2017年底，F(xiàn)DA批準了一種非植入裝置，可以通過耳后皮膚向顱枕神經(jīng)和枕神經(jīng)的分支發(fā)送信號，從而緩解阿片類藥物的戒斷反應。在73名阿片類藥物戒斷患者癥狀嚴重程度降低31%或更高之后，該設備獲得了FDA的認可。

植入物和手術的成本可能會阻礙VNS療法的廣泛應用，但隨著該技術的侵入性降低，這一問題應該會得到緩解。但成本并不是唯一的挑戰(zhàn)。研究人員仍然需要了解更多關于迷走神經(jīng)刺激在每種情況下是如何產(chǎn)生效果的，以及如何最好地確定個體患者的最佳刺激模式。此外，他們還需要研究迷走神經(jīng)的脈沖是否會以不受歡迎的方式影響周圍的神經(jīng)。然而，隨著更多的研究和試驗檢驗其機制和效果，VNS和其他的電子療法最終可能更好地治療廣泛的慢性疾病，潛在地減少數(shù)百萬患者的用藥需求。