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盤點2014年度十大技術創新產品

未知 2019-10-14 15:13

  雖然新技術永遠蘊含著風險,但積極的突破能催生創新的解決方案,幫助應對迫切的各項挑戰,發現更新奇的世界。回顧即將過去的2014年,在工業4.0的浪潮下,科技革命和產業變革正在孕育興起,全球科技創新呈現出新的發展態勢和特征。讓我們一起看看那些悄悄接近我們的十大新技術產品。

  批量生產人體器官零件的3D打印機

  將人體器官變成產品,通過流水線生產,最后飛入尋常百姓家,這樣的構想以前只能是天方夜譚。近期,俄羅斯、美國等國家在這一課題上各自取得了一些成果,為因器官短缺而無法進行移植手術的患者們帶來了生的希望。

  據俄羅斯網站2月16日報道,在俄羅斯烏拉爾地區首府葉卡捷琳堡,開設了一個獨特的實驗室。在那里,科學家們結合自身以及國外同行的經驗,利用需要更換器官者自身的人體細胞進行人體零件的生產,通過3D打印技術成功印制了一塊軟骨和耳朵。參與實驗的生物學家認為,如果他們接下來的計劃生產一個健康的腎臟能夠成功的話,那么其他的人體器官生產問題也將迎刃而解。屆時將有特種機器人晝夜培植人類細胞作為原材料,用以制造所有必要的人體器官從移植燒傷的皮膚到生命重要器官。

  與此同時,美國的一名科學家也利用車禍事故遇難者嚴重受損的肺部作為原材料,成功培育出了人造肺。據美國《休斯頓紀事報》2月14日報道,負責人尼科爾斯剝離了受損肺部的全部組織,只留下膠原蛋白和彈性蛋白充當骨架。接著,科學家將從其他肺部中選取的健康細胞附著在骨架上面,再把整個結構放入營養液中,促進細胞生長發育。大約4周后,人造肺部竟真的被培育出來。

  與俄羅斯、美國不同,法國巴黎蓬皮杜歐洲醫院使用了生物活性組織與電子元件相結合的方式,制造出了一個重約2磅(0.9千克),約是人類心臟3倍重的人造心臟,并于日前完成了世界醫學史上第一例人工心臟移植手術。目前,病人已經蘇醒,各項指標反應正常,更為周密的觀測正在進行之中。阿蘭卡爾龐捷表示,這顆人造心臟表面部分選用了牛的組織,心臟內部裝有電子傳感器,能夠根據患者活動情況對血壓進行調節。若它能讓病人恢復正常的社會生活,在不久的將來,這一技術將會每年幫助成千上萬等待器官捐贈的病人。到那時,他們會將此發展為一個行業,實現人造器官的批量生產,甚至還計劃攜帶著成品在證券交易所上市。

  盡管對于人造器官的研究尚處在初級階段,經過幾十年甚至上百年的發展,人類能否實現人造器官批量生產這一問題,將會變得清晰起來。

  發電可以抵個三峽大壩的摩擦發電機

  摩擦起電效應,是自然界中最常見的現象之一,它是由兩種不同材料經過相互摩擦而使其接觸表面帶電的現象。

  2012年1月以來,中科院北京納米能源與系統研究所首席科學家王中林科研團隊設計出一系列摩擦發電機。經過兩年時間,最初摩擦發電機的輸出電流和功率并不理想的問題已經被成功克服。研究人員發現,摩擦發電機的兩個工作部件在相互滑動的過程中,電極之間的電荷轉移量可以通過材料表面有序圖案化得到極大提高,并和圖案密度呈準線性關系。

  因此,他們設計出一種圖案化陣列結構,使摩擦發電機的輸出功率產生了質的飛躍。最新的摩擦發電裝置由平面化的圓形定子和轉子兩部分組成,采用表面圖案化的摩擦層和電極層,通過旋轉式接觸的驅動設計實現了1.5W的平均輸出功率,獲得了高達24%50%的能量轉化率。

  摩擦發電機的獨特結構為收集兩物體間的相互滑動提供了可行甚至唯一的方案,這也是傳統發電機所不能比擬的。不僅如此,摩擦發電機還具有大規模收集和轉化自然界中機械能的潛力,有望成為綠色能源供給的全新途徑。

  收集自然界中的機械能是摩擦發電機最大的設想。王中林介紹,要收集海水浮動的機械能并不十分容易,隨著風向的變化、潮汐的漲落,海水的流動是無法控制的。因此,雖然人們都知道海水中蘊藏著巨大的能量,但是至今仍沒有一種合適的辦法對其進行收集。對此,王中林認為摩擦發電機或許能夠解決這個問題,在幅面1平方公里、深5米的海水中,每隔10厘米放置一個球形摩擦發電機。按照每個球形摩擦發電機的輸出功率為1毫瓦計算,海水一天24小時晝夜不停地流動,理論上可持續發出近100萬瓦的電,能夠點亮10萬盞電燈。以此類推,如果大規模的將這種裝置置于海中,其發電量將十分可觀,當摩擦發電機的覆蓋面積達到2萬平方公里,其發電量可以與三峽大壩的發電量相媲美。海水浮動的機械能是十分穩定的,它在晝夜或季節變化時浮動不是太大。

  比一粒鹽小500倍的納米發動機

  9月12日消息,據媒體報道,美國德克薩斯大學奧斯汀分校科克雷爾工程學院科學家造出了迄今世界上最小、最快,而且運轉時間最長的微型發動機。該發動機比一粒鹽要小500倍,能把電能轉化為機械運動,達到每分鐘18000轉,相當于噴氣式飛機上發動機的轉速,而且能連續旋轉15小時。而其他納米發動機每分鐘只有14到500轉,只能轉幾秒到幾分鐘。

  該校機械工程副教授冬蕾艾瑪范領導的研究小組成功設計、組裝了這種高性能納米發動機,并在非生物系統中進行了測試。納米發動機由三部分組成,能迅速混合、泵出生化藥劑,并能在液體中運動,這些特征在未來應用中非常重要。這種納米發動機是開發微型機器的重要一步,微型機器能注入人體內,控制胰島素以治療糖尿病,瞄準或攻擊癌細胞而不傷害其他正常細胞。

  雖然微型機器尚未發明出來,但擁有大驅動功率的、超高速納米發動機已經制造成功。

  納米發動機從各角度來量都不超過1微米,很適合在人體細胞內工作。為了測試其藥物釋放能力,研究人員在它表面涂了一層生化藥物納米粒子,然后開始旋轉。結果發現發動機轉得越快,藥物釋放得越快。我們能通過轉速來制定和控制分子釋放速度,這也意味著我們的納米發動機是第一款能控制藥物釋放的機器。范說,我們認為,這有助于促進藥物遞送、細胞間通訊的研究。

  研究人員認為,在不久的將來,他們的納米發動機就能帶來一種控制生化藥物在活細胞中釋放的新方法。目前,他們計劃用活細胞來測試該納米發動機,檢驗它們以可控方式遞送藥物的能力。

 最新核聚變裝置 簡潔有效成本低

  據媒體報道,目前,美國華盛頓大學工程師表示,最新設計一種核聚變反應堆,如果擴大至發電站等級,將相當于煤電廠的電能輸出,但成本明顯降低。

  此前還沒有人提出核聚變發電廠的設計,它將成為一種新型能量產生方式。華盛頓大學航空航天系托馬斯-喬博伊(ThomasJarboe)教授將這項設計方案在本周召開的國際原子能機構聚變能會議上公布,他指出,該設計方案將最有效地制造成本低廉的核聚變能量。

  該設計基于現有技術,在一個放置等離子的密閉空間中建造一個磁場,完成核聚變反應,使熾熱等離子反應和燃燒。這個核聚變反應堆具有自維持性,意味著它能夠持續加熱等離子,保持熱核反應狀態,實現無限能量供應。

  反應堆產生的熱量將加熱冷卻液,用于旋轉渦輪并產生電流,這類似于典型的動力反應堆工作原理。研究同事德里克-薩瑟蘭德(Derek Sutherland)說:這是一種非常簡潔有效的能量制造方案。

  據悉,這一最新設計被稱為spheromak,是通過驅動電流進入等離子產生磁場,這將減少需求物質的數量,使研究人員能夠縮小反應堆的尺寸大小。并且目前最新設計的核聚變反應成本較低,僅是Iter的十分之一,產生的能量卻是它的5倍。

  電力傳送效率提升五倍的超導線纜

  超導電纜使用高溫超導線材的高溫超導電纜損耗低,不用絕緣油,沒有環境污染,使用方式靈活,可以減少電力運行成本。高溫超導電纜比常規電纜所傳送的電力要高三到五倍(相同截面時),可以滿足城市不斷增長的電力需求。

  日本研究團隊開發出一種新型超導電纜。該電纜可輸送275千伏高壓電,幾乎是以往超導電纜的2倍。

  據消息,日本新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)與古河電器工業等研究團隊發表聲明稱,已研制出世界最高水準超導電纜。使用該電纜可輸送以往超導電纜約2倍的高電壓。

  該研究團隊稱:預計亞洲新興國家用電量將增加,2020年該超導電纜可應用在亞洲新興國家和日本國內城市。

  電纜在超低溫冷卻情況下,會發生零電阻的超導現象,可大幅度減少輸電損失。該研究團隊對絕緣導體進行改良,開發出可輸送以往超導電纜約2倍(275千伏)的高壓電。據估算,使用該新型電纜輸電損失將低于普通銅線電纜的四分之一。

  高溫耐火紙 打破紙包不住火的歷史

  自古以來,火就是紙的天敵,大火曾無數次吞噬人類寶貴的紙質文物,頃刻間將其化為灰燼。然而,這一切或將很快迎來新的變革。中科院上海硅酸鹽研究所已成功合成出一種高柔韌性、可耐1000℃以上高溫的新型無機材料紙張羥基磷灰石耐火紙。相關研究成果已在國際權威性學術期刊《歐洲化學》上發表。

  據介紹,高柔韌性耐火紙表面呈柔和的乳白色,與普通紙張相比,耐火紙的制作原理相似,只是制作材料有所不同。它不僅可以作為永久和安全的信息存儲介質將重要文字、文件及檔案等長期保存,還可作為從廢水中有效去除有機污染物的可再生吸附劑、藥物控釋載體、骨缺損修復材料、醫用紙、阻燃材料和耐高溫材料等。

  易變色、易燃燒是傳統紙張的致命軟肋。為了能夠制造出360度無死角的完美紙張,由中科院上海硅酸鹽研究所研究員朱英杰帶領的科研團隊經過6年時間的不懈努力,終于找到了理想的制備材料具有可控構造的羥基磷灰石納米材料。

  羥基磷灰石是一種天然礦物質,它是脊椎動物骨骼和牙齒的主要無機成分,具有優良的生物相容性和環境友好性,本身呈現優質的白色,具有長久保存不易變色的優良特性,有利于紙質文件的長久保存。朱英杰說。

  雖然在解決變色問題上,羥基磷灰石很奏效,但它的弊端也非常明顯脆性很高、韌性很低,因此一個巨大的挑戰就是如何提高羥基磷灰石材料的柔韌性。

  通過反復實驗,朱英杰科研團隊最終找到了一種新的制備方法:以油酸鈣為前驅體,制備出可精確調控的羥基磷灰石超長納米線,并以此作為新型紙張的構建材料,采用簡單的真空抽濾技術,制備出羥基磷灰石耐火紙。

  朱英杰介紹,目前,這種高柔韌性羥基磷灰石耐火紙還僅限于實驗室規模的制備。科研團隊正考慮進一步改進和優化羥基磷灰石超長納米線的合成方法,使其進一步向低成本和批量化方向推進,期望為未來可能的規模化生產提供技術支撐。可以預期,在不久的將來,如果高柔韌性羥基磷灰石耐火紙能夠實現大規模生產和使用,它不僅能夠大幅度減少人類對傳統植物纖維素紙的依賴,使大規模森林等寶貴的自然資源得以保全,還能從一定程度上減少環境污染,從而對未來人類社會和環境產生重要而深遠的影響。

  全球首個完整小型化的光纖傳感器

  歐盟資助的一個名叫智能纖維(SmartFiber)的研究項目,研制出首個完整的、小型化的光纖傳感器系統,可以完全嵌入纖維增強復合材料中。

  這個項目利用RFID無線通訊,將數據傳輸到光纖傳感器網絡。這些光纖傳感器網絡嵌入在纖維增強復合材料中。這個項目旨在開發一個足夠小的結構健康監測系統即毫米級,可嵌入到制造飛機、衛星、橋梁、石油和天然氣井、風力渦輪葉片、船體和螺旋槳的復合材料中去。目標是生成一個連續的復合材料結構數據,方便技術人員進行結構健康監測,決定什么時候需要維護,并預警可能的結構失效。

  該研究團隊開發了一個壓力傳感器,包括嵌入式光纖傳感器和嵌入式纖維信號應答機。通常的外部信號應答機,需要采用纖維連接嵌入式傳感器。這個系統消除了潛在的脆弱的纖維隱患。該系統選用光纖布拉格光柵(FBG)傳感器而非其他應變監測選擇技術,如經典的電子應變儀,是因為FBG系統具備緊湊、輕質、抗電磁干擾(EMI)、高耐腐蝕、高溫操作和多路技術能力的優點。這種光纖布拉格光柵(FBG)傳感器有一個非常小的直徑,在斷裂時有極端的伸長率,為盡可能減少對復合材料強度的影響而專門設計。

  智能纖維項目的主要目標之一就是開發出一個可以很容易地融入工作生產環境,同時降低成本的嵌入式傳感器系統。該研究團隊開發的自動光纖復合材料技術是用了硅基精密加工工藝,將傳感器網絡嵌入復合材料。該傳感器系統的核心是光子集成電路。電路中排列波導光柵作為分光計,與纖光柵傳感器的信號應答機精確連接。

  實現非接觸式高級手勢控制的新一代傳感器

  Silicon Laboratories(芯科實驗室有限公司)日前宣布推出面向人機界面(HI)應用的新一代紅外線(IR)和環境光傳感器。Silicon Labs Quick Sense HI產品組合的最新成員Si114x系列產品,為業界最高靈敏度、高效節能以及最遠感應距離的接近傳感器。采用極小的2mm2mm封裝,Si114x傳感器能夠用于手機、電子閱讀器、上網本、平板電腦、個人媒體播放器、玩具、辦公設備、工業控制、安全系統、銷售終端和許多其他設備,實現高級的接近感應和非接觸式界面。

  接近傳感器的檢測距離和靈敏度是由系統的信噪比(SNR)決定的;SNR越高,距離越遠。多種可變因素影響系統的SNR,包括環境噪聲/光線補償、光電二極管靈敏度、濾波和模數轉換器(ADC)架構。雖然競爭對手的解決方案可能會克服這些因素中的一或兩個,但是專利申請中的Si114x架構克服了所有這些可變因素,從而使噪音最小化,性能最大化。Si114x系列產品的聯合架構優化獲得了非常高的系統SNR,從而使Si114x接近傳感器獲得了業界最遠感應距離、最高靈敏度和最快數據采集速度。

  Si114x系列產品憑借其業界領先的靈敏度使得開發人員能夠在半透明的產品覆蓋物后面靈活的放置紅外傳感器。完備的IR感應架構也可在日光下工作,它包括一個環境光傳感器,能夠感應高達128kilolux的光照度。此外,Si114x系列產品的先進架構能夠在25s內完成接近感應測量,減少了極其耗電的紅外發光二極管的開啟時間,從而實現了業界最低的系統功耗相較于其它解決方案低了20倍。

  Si114x系列產品包括可選的最多三個紅外線LED燈驅動器,開發人員可以自由的實現檢測距離超過50cm的一維HI系統或檢測距離高達15cm的具有手勢感應能力的多維系統。Si1142和Si1143器件分別具有兩個和三個紅外線LED驅動器,能夠實現高級動作和手勢感應。通過兩個集成的LED驅動器,Si1142支持用于非接觸式滑動條界面的Z軸和X軸動作感應。而Si1143支持三個LED驅動,能夠在多維非接觸式控制中實現創新的三維動作感應。

  與Silicon Labs電容式觸摸感應微控制器(例如F700、F800或F99xMCU)提供的智能控制相結合,Si114x傳感器能夠用于多種動作和手勢檢測,以及目標物體距離校準應用。Si114x器件的感應模式提供有用信息給MCU,用以確定背景光類型,如日光、熒光燈光或白熾燈光。這種信息在許多應用中非常有用,可改善IR接近感應、優化紅外感應功耗、增強顯示設備的背景亮度調節功能,以及控制系統內的其他設備。

  云機器人

  美劇《超腦特工》里一個名叫Gabriel的特工,在自己的大腦植入了一塊芯片,就能夠實時地和泛在地與互聯網絡聯接,只要在沒有被屏蔽的情況下,可在任何時間、任何地點進行搜索和計算。

  當然這是發生在科幻影視中的情景,但現實中的機器人平臺已實現。因為機器人天然地就具備控制系統和芯片,可方便地與互聯網進行聯接。云機器人就在網絡日益發達、云計算日益成熟的今天應運而生。

  目前,云機器人已成為機器人領域中最前沿的技術。部分工業機器人,以及當下大熱的Nao機器人、Kiva機器人、谷歌的無人駕駛汽車、亞馬遜的四旋翼無人機運輸系統、達芬奇的手術系統及PR2,都屬于云機器人。它們身上應用了機器人領域最優秀的技術。

  同時,它們身上都有接入無線網絡的設備,這些機器人能實時地與互聯網絡進行連接。為了實現如圖所示,工程師們進行了大量的技術革新。

  從遙操作機器人系統發展到網絡機器人系統,多機器人可以在同一網絡進行相互協作。雖然存儲和計算尚發生在機器人本體,但是機器人之間可經由通訊相互協調,共同完成復雜任務,這是網絡機器人技術。云計算出現后,它進化成云機器人。

  云機器人出現的時間并不長,許多國家很重視對它的研究開發,直到最近1~2年國內才有研究,但是不乏成功案例。在國家863項目的支持下,南開大學從2012年開始,花了兩年時間,成功研制出云架構家庭服務機器人系統。

  云機器人是云計算與機器人學的一個結合。如同其他網絡終端一樣,機器人本身并不存儲所有的資料信息或具備超強的計算能力,但可在需要時連接相關的服務器,并獲得所需信息。

  云計算這里是針對機器人機載計算能力的限制而言。一個機器人所能裝載的計算單元是有限的。而許多問題恰恰需要具備更多的計算能力才能夠解決。比如說基于視頻的識別、音頻的互動,或對一堆混雜在一起的事物進行分類,這對機器人來說是很困難的,需要大計算量。在云環境下,機器人需要運用統計學上的一個方法信任空間(Believespace)進行問題的求解。它開始需要運用到概率分布的方法來對環境、傳感器和運動進行建模,而Believespace是一種有效地快速求解的形式。

  柔性壓力傳感器

  大面積使用、同時又具有與迄今性能最好的裝置相媲美的靈敏度的柔性壓力傳感器,這些裝置(它們制造簡單、成本低)讓我們離高性能柔性壓力傳感器在真實裝置如人造皮膚中的使用更近了一步。

  柔性壓力傳感器已受到很大關注,它們使人造皮膚(監測從關節運動到脈搏的壓力刺激)成為可能。這類裝置設計中很多迄今都依賴復雜的、昂貴的制造工藝,從而限制了它們在現實中的應用。WenlongCheng及同事報告了由夾在兩個薄聚合物電極之間、嵌入了金納米線的棉紙構成的一種柔性壓力傳感器。他們證明這種傳感器與迄今性能最好的傳感器一樣靈敏,同時也演示了其用作麥克風和用于監測心率的應用。重要的是,它們的設計使其本身能夠低成本地、簡單地大面積制造,同時耗電量又很低。

  這些傳感器使我們離實現包括柔性觸摸屏顯示器、人-機界面裝置和人造皮膚在內的未來電子裝置更近了一步。

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