美国《大众机械》杂志评出2016年科技突破奖

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让骨髓损伤患者告别轮椅的可穿戴外骨骼系统、能在自家后院水力发电的水动力机、遇到险情就自动刹车的火车……近日，美国《大众机械》杂志2016年科技突破奖揭晓，入选的20大炫酷技术无不让我们相信：未来已来，科技正让人们的生活变得更美好！

可穿戴外骨骼系统：让骨骼损伤患者告别轮椅

2001年，美国国防部高级研究计划局（DARPA）开始研制可穿戴外骨骼系统，帮助提升穿戴者的力量和速度。此前该系统主要应用在军事上，如今在医疗领域的应用也显而易见。骨骼损伤患者不需要再坐轮椅了。穿上这套系统，还可以减少重复性的受压性损伤，也可以帮助中风患者重新行走。

今年，美国Ekso Bionics公司的“Ekso GT”系统成为美国食品与药物管理局（FDA）批准的首个可穿戴外骨骼产品，用于治疗中风病人，应用该产品治疗中风的病人数量有望增加20倍。美国西奈山伊坎医学院助理教授艾伦·科兹洛夫斯基说，这一可穿戴外骨骼系统的好处在于能帮助身体找到可选择的活动路径，实现一定的功能，并创建一些新的神经路径。

治疗师可以通过一项名为可调节辅助系统的技术，了解“Ekso GT”系统是如何支撑病人身体的，并根据读取到的相关信息调整控制参数，使其更加个性化。与其他可穿戴外骨骼装备不同，“Ekso GT”的发动机是可以单独控制的。对于一些中风患者而言，如果身体一侧没有问题，该系统也可只用于另外一侧。

具体而言，该系统的背包里安装电池，同时背包也起到支撑作用，为此穿戴者不再需要拐杖或臂拐来保持身体直立。穿上可穿戴外骨骼系统的病人坐在椅子上时，需要系紧跨带，把跨带绕到腿上、躯干和脚上，腿和躯干部分可以根据个人体型调节。治疗师启动从坐到站的程序，利用设备后面一个看起来像任天堂电子游戏的装置来控制病人的行动。可穿戴外骨骼跨带还可以个性化定制，尽可能地让病人感到舒服。

水动力发电机：你家后院的水都能发电

水电每年可节约相当于3800万辆化石燃料客车的排放量，但只能在有大量瀑布和大坝的高水压环境下才能实现水力发电。目前水电仅占美国能源产量的2.4%，不过，如果采用美国加州Natel Energy公司的一项新技术，这一数字有望很快提升。

该公司的水动力发电机通过两个阶段收集能量，从而达到效率最大化。一个阶段是当电流进入涡轮机，涡轮叶片上升时；另一个阶段是当电流离开，涡轮叶片下降时。这一水动力发电机使得成千上万个低水压小溪和中等河流成为可能的动力来源。截至目前，该款发电机已在俄勒冈和缅因州的项目上得到应用。不久，即便是你家后院，也能够成为这一发电机的用武之地。

全息眼镜：虚拟与现实界面无缝结合

由美国微软公司与美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室合作研发的全息眼镜通过全息投影至镜片，让虚拟界面与现实无缝结合。此款新技术搭载了微软公司Windows 10系统，配备专门的全息处理器，并有多个复杂的传感器，能将数字内容投射成全息图像，而且可以和现实世界进行有效交流与互动，环绕立体声音效更是增添了该设备的独特体验。

全息眼镜能够利用其配备的环境感应与景深摄像头、环境光感应传感器、惯性感应单元与混合现实控制器，为体验者营造一个通透的环境、全息图像、高清影像和空间声音，所以体验者完全可以在真实的世界中看到全息影像。完整先进的传感器和全新的全息处理单元能够有效帮助体验者感受周围环境，全息眼镜还能不外借任何线材完成数据实时传输和处理。

在医疗、设计、建筑、汽车等领域，全息眼镜都将发挥其独一无二的作用。NASA已在使用全息眼镜进行火星探索，通过专门开发的OnSight应用软件，整合“好奇”号火星探测车收集掌握的数据，来构建一个虚拟的火星表面场景，以供相关天体研究人员进行研究和探索。全息眼镜还将在人体医学研究、房屋内部装饰设计等方面得到广泛应用。

矿工也疯狂：走出矿井转行写代码

医生可以劈柴搞建筑，工人可以写书，为何矿工不能转行呢？今年4月，美国最大的煤矿开采企业皮博迪能源公司申请破产时，大多数媒体报道担心煤矿工人有可能沦为低收入或贫困阶层。但是矿工罗斯提·贾斯蒂斯认为这一担心过于荒谬，他打算改变人们对于矿工的刻板印象。

贾斯蒂斯和合伙人林恩·帕里什成立了一家名叫Bit Source的公司，目标是雇佣失业的矿工，并教他们写代码。2014年底，他们发出招聘10名程序员的启事，接受培训期间，将利用政府奖金来支付他们的工资，目前已有900人申请了这一岗位。最早的10名学生已经通过了一个为期22周的项目。该公司已签订了6单合同，计划今年盈利，这个速度比很多技术初创企业还要快。

主动制动系统：火车在危情下能自动刹车

2015年5月发生在费城北部的美国铁路公司火车碰撞事故，或许让很多人第一次听说火车主动制动系统（PTC）。该系统利用内置于轨道上的传感器来控制火车。但是为了应用这一系统，美国铁路公司和国会用了近10年的时间协商，问题就在于：重建美国铁路公司的基础设施所需的时间和金钱超出了国会的预期。

直到今年，美国铁路公司开始对铁轨进行持续的更新换代（预计2020年完成），加州索诺玛—马林地区轨道交通（SMART）将成为第一条完全配备火车主动制动系统的铁路线。SMART利用光纤网络，可以发送脉冲到整个铁路系统，每辆列车下面装有脉冲转发器，这样一来，运营者就会对轨道上的每辆车了如指掌，并对火车的速度进行控制。如果火车在减速区60秒内没有放慢速度，计算机会自动让火车停止，以保证司乘人员安全。

一听可乐的糖：可损伤成千上万个基因

众所周知，糖吃多了会变胖。然而，鲜有人知的是，简单的糖，如一听可乐里所含的糖，同样可以损伤成千上万个基因，其中包括那些与阿尔茨海默氏症、心脏病和抑郁症有关的基因。这正是加州大学洛杉矶分校杨霞（音译）教授和费尔南多·戈麦斯·皮尼拉今年5月的最新发现。所幸的是，他们还有一个好消息：金枪鱼和鲑鱼等鱼类中所含的ω-3脂肪酸DHA可逆转这一损伤。

新太阳能装置：让太阳能发电更廉价

成本问题一直是太阳能发电发展路上的绊脚石。早在2011年，美国旧金山一家公司就曾对光伏发电板进行改进，通过将光伏发电板的制造原料变为可大量生产的高分子材料来降低生产成本。这些廉价的制造材料既简化了光伏发电板的移动装置系统，又在很大程度上削减了光伏发电板的成本。

2015年，美国加州能源委员会给予这种太阳能装置1美元的补贴，以便大范围安装。通过技术与补贴双管齐下的方式，太阳能发电板才能克服其成本上的劣势，逐步获得推广，最终成为能源市场的佼佼者。

新DNA疫苗：2018年前或遏制寨卡病毒

非洲的埃博拉疫情还没有完全结束，美洲又出现了一种虫媒病毒——寨卡病毒。如果不加防备和控制，这两种病毒在全球的蔓延将会给人类带来前所未有的灾难。在寨卡疫情暴发后，针对寨卡病毒的疫苗研制工作从没有停止过。

美国生物技术公司Inovio有望在2018年之前将控制寨卡病毒传播的特效DNA疫苗推向市场。早在今年6月，该公司就曾声明称已获得FDA批准进行人体临床试验，将研制出的携带病毒DNA的疫苗注射到人体细胞核内，以促使人体细胞产生可防止病毒滋生的蛋白质。这种新型疫苗借助微弱的病毒来攻击人体免疫系统，使人体产生病毒抗体。其所携带的病毒是安全的，因为它们无法复制，也就无法传播。

谷歌语言程序：使计算机开始理解语境

能够进行正常语言交流的人都能理解句子深层以及潜在的涵义，然而，作为人工智能代表的计算机却很难做到真正理解人类语境。

谷歌最近新发布的语言程序SyntaxNet能够像大部分八年级美国学生一样，对句子进行有效的拆分以及图表解释，以便计算机能够分析进而搜索更加准确的信息。该软件可以对一段话中的每一个小部分进行标记，通过一种新型算法寻找这些语言中的不同关系，然后在一段语境中给这些词语定义出它们的含义。该程序还可以在应用过程中自我学习和完善。报道称，这个算法已近乎完美。另外，谷歌的英语插件Parsey McParseface能够实现94%文字识别准确率，甚至比人类的文字识别准确率还要高。

去原子核电荷：让原子聚变过程稳定

核聚变又称核融合，是指由质量小的原子（如氘或氚），在一定条件下（如超高温和高压），让核外电子摆脱原子核的束缚，从而使得两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生聚合作用，生成新的质量更重的原子（如氦）。这是一个非常复杂的过程，实验花费也相当昂贵。美国政府每年投资大约10亿美元进行核聚变研究工作，但几乎没有获得什么突破性成果。

然而在没有联邦政府资金支持的情况下，加州的私人公司Tri Alpha Energy却在去年克服了一个重大难题，他们了解了如何保持聚变等离子体的稳定性。

在核聚变的反应过程中，有一些问题难以解决。首先，两个原子核都带有正电，它们之间存在互斥性。对此，该研究团队通过加热两个原子核，使其失去电负荷，从而发生聚合反应。再者就是如何保持两个原子核在聚变时的稳定性。该研究团队通过延长核聚变的时间，确保核聚变过程的稳定性。

公交新工具Olli汽车：自动驾驶与3D打印相结合

2014年，洛克汽车公司凭借一款3D打印的自动驾驶概念车获得了它的首个突破奖杯；而今年，洛克汽车公司又将该项3D打印技术应用于公共交通领域,制造了一款能自动驾驶且搭载12名乘客的公共交通工具，称为Olli。Olli汽车是与美国IBM公司合作制造的，基于IBM沃森认知计算平台，实现了人工智能化，支持语言转文字、自然语言分类器、实体提取和文字转语音等功能，不仅能对人类语言做出简单地回应，还能计算一系列生活常识类问题。

该款汽车在美国马里兰州国家港湾首次亮相，并将于今年末首次在迈阿密投入使用。该车充电一次可行驶约51公里，每部Olli汽车都相互联系，车辆之间可共享信息，还可以通过计算找出最佳行车路线。Olli已经加入了相应的人工智能，但要提高其智能水平，还要通过相关的软件升级。

波色—爱因斯坦凝聚：宇宙最冷的地方

NASA喷气推进实验室是加州许多惊人事件的首发地，其中就包括举世瞩目的木星探测任务以及空间钟。最令人费解的项目当属冷原子实验室。该实验室是一个横向柜式的器具，定于明年初发射到国际空间站。当原子变得足够冷以至于变成一种罕见的第五种状态（波色—爱因斯坦凝聚）时，通过激光和放射等手段，该实验室能够拍摄到原子。除了知道原子在波色—爱因斯坦凝聚状态下呈现波状外，科学家对波色—爱因斯坦凝聚还知之甚少。但是，研究波色—爱因斯坦凝聚的性质，对于未来无限电量电池的研发及基于原子激光器的研究非常有用。

但为什么非要在国际空间站进行研究呢？因为重力对冷却过程中物体的凝结起到了相反的作用。在宇宙中，这些波色—爱因斯坦凝聚要比宇宙最冷的地方寒冷万亿倍，比地球上人类所能制造的最冷物寒冷一百多倍。除了多变的物理性质外，对于宇航员来说，波色—爱因斯坦凝聚能够被人类肉眼识别，人们可以看到其中的一些云系。

清理二氧化碳新方法：让气体变晶石

以二氧化碳为代表的温室气体被认为是全球变暖的罪魁祸首，但仅仅减少二氧化碳的排放量不能根治环境问题，我们更需要方法来减少已有的二氧化碳。今年，来自于哥伦比亚大学、冰岛大学以及哥本哈根大学的工程师与科学家想出了一种新方法：把二氧化碳气体变成冰岛的岩石。

二氧化碳具有溶解性，能够溶解在水中与玄武岩进行反应变成碳酸盐。在冰岛雷克雅未克附近的赫利舍迪地热电站，研究人员将二氧化碳溶解于水再注入玄武岩中，与空气发生化学反应从而矿化。

在冰岛的赫利舍迪，这种过程不到两年即可完成。研究人员利用化学示踪剂来追踪埋在地下400米到1300米深井之中的二氧化碳，通过岩石取样来检验结果。他们发现，岩石上覆盖着白色的碳酸盐——之前被注入进去的二氧化碳中有95%已经变成了晶石。

碳固化项目最初试点时注入了250吨气体（大部分是二氧化碳，此外还混合了部分硫化氢）。赫利舍迪地热发电站每年固化封存的废气总量已经提升到了5000吨；项目的最终目标是能处理掉该发电站排放的所有二氧化碳和硫化氢。尽管存在引发地震的风险，但地震尚未在赫利舍迪发生过。

玄武岩在世界各地十分常见，因此在理论上来说，冰岛地区的玄武岩足够容纳全球的碳排放。在降低化石燃料碳排放的可能性上，利用玄武岩的碳储存技术能为我们减少空气中的二氧化碳提供新方法。

新型太赫兹扫描仪：更灵敏的安检扫描仪

科学奖项最大的问题就是，你仅仅听说过某项重大发现，但很少人愿意为诸如原子与细胞那样基础事实真相的研究取得的进步而庆祝，因为一般人对研究这些基本事实真相毫无兴趣。加州大学洛杉矶太赫兹电子实验室副教授莫纳·加拉斯却是个例外。她研究怎么把半导体纳米结构集成到激光器上，以便使可见光变成太赫兹波，然后再把这些太赫兹波变成可见电信号。无论是美国总统奥巴马还是诺贝尔评委会都对莫纳·加拉斯的“基础研究”感兴趣，她的研究最基本的任务就是增加机场人体扫描仪的灵敏度。

就像X射线那样，太赫兹扫描仪能透视衣服直接检查人体内部的各个器官。由于它们采用了更长的波长，所以能在不破坏DNA的前提下，检测出水中独特的化学特征，这为公共场合的安检工作提供了更加精准的仪器。

排除非地震因素新算法：加深人们对地震的了解

地震是地球内力作用的结果。地球表面的形态每时每刻都在不断变化之中，引起地表形态变化的，按其能量来源可以分为内力作用和外力作用，内力作用的能量来源主要是地球内部的热能。由于地球内部的热能推动着地球上板块与板块之间相互挤压碰撞，造成板块边沿及板块内部产生错动和破裂，最终产生地震。

今天的科学技术仍然无法真正准确地预测地震。但数十年来，科学家追踪太平洋板块与北美板块之间相互碰撞以及上下运动，以期能从中发现某些规律。然而这并非一帆风顺。地球板块之间的上下运动可能是地震作用引起的，也可能是由于人们长期抽取地下水进行灌溉，导致地下水位急剧下降，形成地表塌陷所致。

今年，夏威夷马诺大学、华盛顿大学以及斯克里普斯海洋研究所的研究人员，创建了一种排除数据中非地震因素的算法。利用该算法，科学家首次了解到加州地区断层地带的起伏情况。尽管移动的距离小之又小，但这一发现却有非常深远的意义，不仅让科学家了解地震形成的能量基础，还有助于理解这些地震会在哪儿发生。

NASA“朱诺”号探测器：揭开木星的神秘面纱

美国国家航空航天局（NASA）发射的“朱诺”号木星探测器搭载火箭于2016年7月4日进入了环绕木星运行的轨道，从而结束了其自卡纳维拉尔角发射以来的五年行程。此颗卫星比一个篮球场还要大一些，随行携带了大约33块太阳能电池板，约1.8万个太阳能电池。

“朱诺”号的首要目标是了解木星的起源和演化。借助它所携带的9台科学设备，探查木星是否拥有一个固态行星内核，绘制木星强大磁场的分布图，测量大气深处水和氨的含量，并观测这颗行星上的极光。它还将帮助我们更进一步了解巨行星如何形成，这些巨行星在太阳系其他部分形成的过程中起到过什么样的作用。作为典型的气态巨行星，木星还将提供关键知识，帮助我们理解太阳系外其他恒星周围的行星系统。

植入式全新芯片：让瘫痪病人动起来

脊髓损伤时，大脑与肌肉间的通路被中断，来自大脑的信号只能到达脊髓的损伤部位。以往许多治疗方案集中在如何修复这一通路，但俄亥俄州立大学和巴特尔纪念研究所独辟蹊径：完全绕过脊髓。

今年，由俄亥俄州立大学阿里·雷扎伊领导的团队发表了一项研究结果。他们把一个小芯片植入到一个24岁四肢瘫痪患者的运动皮层里，当该患者试图模仿他在屏幕上看到的手部基本动作时，该芯片记录了他每个手势的神经放电模式。当该病人的前臂被含有电极的袖子包裹住，跟电脑连在一起时，他可以想象一个动作，该芯片会识别神经模式，直接传递合适的信号给电极，他的手随即作出相应反应。利用这一新技术，患者可以刷信用卡，玩吉他英雄的游戏，搅拌饮料里的奶油和糖，他所要做的就是想一想。

身躯小巧的新卫星：让廉价太空探索成为可能

如果你以为认领一颗星星并给它命名，就是最浪漫的纪念日礼物的话，那就过时了。今年，两个新产品的问世，让你可以在太空拥有自己的光。

亚利桑那州立大学地球与空间探索学院助理教授耶肯·尚嘎带领学生制造了一个名为SunCube FemtoSat的卫星。该卫星只有27立方厘米大小，售价500美金，只需3000美元，一家名为NanoRacks的公司就可以把它送到低地球轨道。这是目前投入使用的最便宜的5个太空飞行器之一。该卫星以光伏电池为动力，配置一个300万像素的摄像头，根据客户信息处理量的不同可配置8到32位处理器。

无独有偶。另一个由康奈尔大学梅森·佩克领导的研究团队开发出一款名为精灵（Sprites）的卫星，大小和形状都跟Cheez-It饼干相当，一片售价30美金，包括电路板、太阳能电池、无线电发射机和可以检测方向和运动的传感器。

这两个项目提供了不需要花费太多就可以探索太空的机会。“现在，太多人因为经费原因无缘太空探索。” 佩克说，“利用这一方法，只需花费非常少的钱，就可以实现这一梦想”。

探测引力波的LIGO：证明一百多年前的假说

在今年2月宣布已证实引力波存在的消息之前，很少有人听说过激光干涉引力波天文台（LIGO）这个名字，但这并不意味着之前它不存在。LIGO由两个干涉仪组成，每一个都带有两个4千米的长臂并组成L型，分别位于相距3000千米的美国南海岸利文斯顿和美国西北海岸汉福德。两个仪器自1999年开通后运行多年，直至2007年研究团队对仪器进行升级。

随着引力波被证实这一消息的传出，引力波也成为街头巷尾谈论的热点。到底什么是引力波呢？引力波其实是指时空弯曲中的涟漪，通过波的形式从辐射源向外传播，这种波以引力辐射的形式传输能量。早在一百多年前，爱因斯坦就已经基于广义相对论预言了引力波的存在。

LIGO是借助于激光干涉仪“聆听”来自宇宙深处引力波的大型研究仪器。正是利用LIGO这种独特的仪器，我们才能够探测到遥远宇宙的引力波，用事实证明爱因斯坦一百年前的假说。当然，LIGO在证明引力波存在后，还可以用于引力理论、相对论、天体物理、宇宙学、粒子物理以及核物理等领域的研究。与其他天文望远镜类似的是，它们都用于探测宇宙中的信号，然而从尺度和复杂性上来说，LIGO却更像一种大型的物理实验仪器。

净化燃油新工艺：让清洁燃油不再是梦

便宜和存在广泛的重燃油使船舶在海上航行，但每年燃烧富硫物质导致的空气污染，跟5千万辆车带来的空气污染相当。加拿大卡尔加里一家名为Field Upgrading的公司提出了一种新的解决方案，把重燃油与熔融钠结合，熔融钠将与重燃油中的硫反应生成硫化钠。利用离心机把这种化合物分离出来，就得到了清洁燃油——至少比以前要清洁。目前，这一试验设施每天可生产10桶清洁燃油，但到2019年，应该接近1万桶。

本文来源于科技日报，记者：姜靖。