10 технологий, которыми должен запомниться 2015 год

Технологии — это, пожалуй, самая большая причина перемен в современном мире. И хотя, как и у любой медали, у них есть обратная сторона, технологические прорывы обещают решения наиболее актуальных глобальных проблем нашего времени. От автомобилей с нулевым уровнем выбросов за счет водорода до компьютерных чипов, созданных по образу и подобию человеческого мозга, в этом году мы ждем очень и очень многого. Перед вами десять технологий, которые помогут улучшить жизнь, преобразить промышленность и сохранить нашу планету.

Пункты этого списка были представлены на ежегодном собрании Мирового экономического форума (WEF), целью которого было выявление важных технологических тенденций.

Альтернативные автомобили

Автомобили с нулевой эмиссией, работающие на водороде

Долгое время, из года в год, автомобильные инженеры обещают перевести машины на электричество или углеводороды вместо бензина. Только сейчас эти технологии начали достигать той стадии, когда автомобильные компании планируют выпуск таких автомобилей для потребителей. Начальные цены, скорее всего, будут от 70 000 долларов, но существенно упадут в течение нескольких следующих лет.

В отличие от батарей, которые нужно заряжать от внешних источников в течение пяти-двенадцати часов, в зависимости от автомобиля и зарядного устройства, топливные элементы смогут вырабатывать электричество напрямую, используя водород или природный газ. На практике, топливные элементы и батареи объединяются, где топливные элементы вырабатывают электричество, а батареи накапливают их, пока энергия не понадобится двигателю. Автомобили с топливными элементами будут своего рода гибридами, а также использовать рекуперативное торможение, которое позволяет извлекать энергию из тепловых излишков, максимально повышая эффективность и дальность пробега.

В отличие от транспорта на аккумуляторных батареях, транспорт с топливными элементами предлагает большую дальность пробега — до 650 километров на одном баке (топливом обычно является сжатый водород); водородное топливо заправляется за три минуты. Водород не образует грязных отходов при сжигании, производит только водяной пар в качестве выбросов, что является чрезвычайно важным фактором в борьбе с загрязнением воздуха.

Есть несколько способов получения водорода без образования выбросов углерода. Наиболее очевидный — использование возобновляемых источников электроэнергии (ветряные и солнечные электростанции) для электролиза воды, хотя общая эффективность этого процесса остается крайне низкой. Водород также выделяется из воды в высокотемпературных ядерных реакторах или вырабатывается из ископаемых видов топлива вроде угля или природного газа, если полученный углекислый газ захватывается и поглощается, а не выпускается в атмосферу.

Вместе с производством дешевого водорода в крупных масштабах, серьезной проблемой остается отсутствие инфраструктуры распределения водорода, которая в конечном счете должна заменить газовые и дизельные АЗС. Междугородние перевозки водорода, даже в сжатом состоянии, не считаются экономически целесообразными сегодня. Инновационные техники хранения водорода вроде органических носителей жидкости, которые не потребует сжатого хранения, могут вскоре снизить стоимость транспортировок дальнего следования, а также снизить риски, связанные с хранением и возможной утечкой газа.

Массовый рынок автомобилей с топливными элементами привлекателен, потому что они будут настолько же удобны, как современные дизельные и газовые автомобили, при этом обладая преимуществами в личной перевозке. Но для достижения таких преимуществ потребуется найти способ надежного и экономичного производства водорода из низкоуглеродных источников, а также распространение парка транспортных средств на его основе.

Робототехника нового поколения

Роботы покидают конвейер

Люди с воображением давно предвидели мир, в котором роботы берут на себя всевозможные повседневные задачи. Однако такое будущее с роботами упорно отказывается материализоваться, поскольку роботы по-прежнему ограничены сборочными линиями и выполнением других контролируемых задач. Будучи широко используемыми (в автомобильной промышленности, например), такие роботы большие и опасные для людей-работников; их приходится разделять клетками безопасности.

Достижения в области робототехнических технологий постепенно воплощают в реальность повседневное взаимодействие человека с машиной. Более качественные и дешевые сенсоры делают роботов более «понимающими» и реагирующими на окружение. Роботизированные тела становятся более адаптивными и гибкими; конструкторы вдохновляются невероятной гибкостью и ловкостью сложных биологических структур вроде руки человека. Роботы становятся все более вовлеченными в Сеть, извлекая выгоду из облачных вычислений, имея моментальный доступ к удаленным данным и возможность постоянно обновляться.

Новая эпоха робототехники должна вывести эти машины прочь от производственных линий и назначить на новые работы. Используя технологию GPS, подобно смартфонам, роботы начнут использоваться в качественном земледелии для контроля культур, борьбы с сорняками и сбора урожая. В Японии роботы уже пробуют себя в роли медсестер. Они помогают пациентам вставать с постели, оказывают помощь жертвам инсульта в восстановлении контроля над их конечностями. Меньшие и более ловкие роботы вроде Dexter Bot, Baxter и LBR iiwa спроектированы так, что их легко программировать и настраивать на выполнение точных задач, которые являются трудоемкими или неудобными с точки зрения человека.

Роботы идеально подходят для задач, которые слишком монотонны или опасны для людей, и могут работать 24 часа в сутки, не требуя зарплаты. Новое поколение роботизированных машин скорее будет работать с людьми, нежели замещать их. Даже с учетом достижений в области проектирования и искусственного интеллекта, человеческое участие и надзор будут оставаться существенными.

Остается риск, что роботы будут вытеснять людей с работ, но как показала история, предыдущие волны автоматизации, как правило, приводили к повышению производительности труда и роста всей экономики. Давние страхи, что роботы, подключенные к Сети, выйдут из-под контроля, сходят на нет, люди постепенно привыкают к домашним роботам. Хотя, безусловно, следующее поколение роботов поднимет новые вопросы о человеческих отношениях с машинами.

Вторичная переработка термореактивных пластмасс

Новый вид пластмассы, который не будет наполнять свалки

Пластмассы делятся на термопласты и термореактивные пластмассы. Первые можно нагревать и изменять их форму много раз, и они широко распространены в современном мире, включая все, от детских игрушек до унитазов. Поскольку их можно переплавить и изменить в форме, термопласты подлежат вторичной переработке. Термореактивные пластмассы же могут быть нагреты и сформированы один раз, после чего они «отвердевают», сохраняя свою форму и прочность даже при воздействии интенсивного тепла и давления.

В связи с такой прочностью, термореактивные пластмассы стали жизненно важной частью нашего современного мира. Они используются во всем, от мобильных телефонов и микросхем до аэрокосмической промышленности. Но те же характеристики, которые сделали их важными в современном производстве, приводят к тому, что их невозможно утилизировать. В результате большинство термореактивных полимеров отправляются на свалку. Долгое время существует настоятельная необходимость в повторной переработке термореактивных пластмасс.

В 2014 году в Science появилась крупная статья, предвещающая эпохальный сдвиг в этой сфере: открытие новых классов термореактивных полимеров, которые пригодны для вторичной переработки. Они называются полигексагидротриазины, или ПГТ, и могут растворяться в сильной кислоте, разбивая полимерные цепочки на составные мономеры, которые затем могут собираться в новые продукты. Как и традиционные неперерабатываемые термореактивные материалы, эти новые структуры являются жесткими, устойчивыми к нагреванию и прочными, с таким же потенциалом применения, что и у их предшественников.

Хотя никакая переработка не будет эффективной на 100%, это нововведение — при широком распространении — ускорит переход к круговой экономике и существенно срежет полигоны пластмассовых отходов. Мы ожидаем, что перерабатываемые термореактивные полимеры заменять неперерабатываемые термореактивные в течение пяти лет и войдут в широкое использование к 2025 году.

Точная техника генной инженерии

Прорыв в этой сфере обеспечит лучшие урожаи

Традиционная генная инженерия давно вызывает споры. Теперь же появляются новые методы, которые позволяют напрямую «редактировать» генетический код растений, делая их, к примеру, более питательными или способными справляться с изменениями климата. Мы считаем, что преимущества, а также точность «редактирования», могут развеять опасения, связанные с генетическими модификациями, и привести к широкому их распространению.

В настоящее время генная инженерия культур зависит от бактерий Agrobacterium tumefaciens, которые доставляют желаемую ДНК в геном цели. Эта техника показала себя как надежная и проверенная, и, несмотря на широко распространенные общественные страхи, в научном обществе есть консенсус, что использование такой методики не более рискованно, чем традиционная селекция. Бактерии приносят пользу, но постепенно разрабатываются более точные и распространенные методы редактирования генома.

Они включают ZFN, TALEN и недавно разработанную систему CRISPR-Cas9, которая выработалась в бактериях как защитный механизм против вирусов. CRISPR-Cas9 использует молекулу РНК, чтобы попасть в ДНК, укорачиваясь до известной настроенной последовательности в целевом геноме. Эта способность может отключать нежелаемый ген или модифицировать его так, что его функциональность будет неотличима от природной мутации. Используя «гомологичные рекомбинации», CRISPR также может использоваться для ввода новых последовательностей ДНК или даже целых генов в геном крайне точным образом.

Другой аспект генной инженерии, который, кажется, готов для крупного выхода, — это использование РНК-интерференции (RNAi) в культурах. RNAi эффективна против вирусов и патогенных грибов, а также может защитить растения от насекомых вредителей, уменьшая потребность в химических пестицидах. Вирусные гены успешно использовались для защиты растений папайи от вируса RPSV, известного также как вирус кольцевых пятен, который развивался на Гавайях в течение десяти лет, не встречая никакого сопротивления. RNAi также может защитить пшеницу от стеблевой ржавчины, рис от взрыва, картофель от фитофтороза и бананы от грибов, приводящих к увяданию.

Многие из этих нововведений будут особенно полезны для небольших фермерских хозяйств в развивающихся странах. Таким образом, генная инженерия может стать менее спорной, когда люди признают ее эффективность в повышении качества пищи и улучшении рациона миллионов людей. Все вместе эти методы обещают развить устойчивое сельское хозяйство за счет уменьшения входного порога, от воды до удобрений, в самых разных областях, а также поспособствуют адаптации культур к изменениям климата.

Аддитивное производство

Будущее производства, от печатных органов до умной одежды

Как следует из названия, аддитивное производство — противоположность субтрактивного производства. Последнее представляет собой традиционное производство: из большого куска материала (дерева, металла, камня и т. п.) удаляются слои, оставляя желаемую форму. Аддитивное производство, напротив, начинает с материала, жидкости или порошка и создает трехмерную форму, используя цифровой шаблон, послойно.

Трехмерные продукты могут быть точно настроены для конечного потребителя, в отличие от товаров массового производства. Примером может служить компания Invisalign, которая использует компьютерную томографию зубов клиентов, чтобы сделать практически невидимые брекеты, идеально подходящие для их ртов. Другие медицинские применения используют 3D-принтеры в биологическом направлении: машины напрямую печатают клетки человека, создают живые ткани, которые можно использовать не только для лечения и пересадки, но и для сотворения нового органа для трансплантации. К примеру, Organovo уже напечатала живые клетки печени и в настоящее время использует их для испытания лекарств, надеясь в скором времени начать создание печени для трансплантации. Биопечать уже используется для производства кожи и костей, сердечно-сосудистой ткани, что несет мощный потенциал для персонализированной медицины.

Следующим важным этапом в аддитивном производстве будет 3D-печать интегрированных электронных компонентов вроде печатных плат. Наномасштабные компьютерные части, процессоры, сложно производить таким образом из-за проблем с объединением электронных компонентов с компонентами из других материалов. В других областях 4D-печать обещает принести в наш мир новое поколение продуктов, которые могут изменять себя в зависимости от изменений окружающей среды, под действием тепла и влажности. Это будет полезно в сфере одежды или обуви, например, а также здравоохранения, производства имплантатов и лекарств, предназначенных для точной доставки.

Как и распределенное производство, аддитивное производство потенциально разрушительно для обычных цепочек поставки. Но пока оно остается нишевым, его применения разрабатываются по большей части в автомобильной, аэрокосмической и медицинской сферах. В следующие десятилетия ожидается бурное развитие этой технологии.

Развитие искусственного интеллекта

Что происходит, когда компьютер учится в процессе работы?

Искусственный интеллект (ИИ) — это, простыми словами, наука о том, как заставить компьютер делать вещи, которые могут делать люди. За последние годы ИИ развился значительно: многие из нас используют смартфоны, которые могут распознавать человеческую речь, или проходят через терминал аэропорта, используя технологию распознавания лиц. Сейчас в стадии тестирования пребывают самоуправляемые автомобили и автоматизированные летающие дроны. В выполнении некоторых задач машины давно и безусловно превосходят людей. Watson, система искусственного интеллекта, быстрее любого человека в мире находит ответы на вопросы.

Искусственный интеллект, в отличие от обычного аппаратного и программного обеспечения, позволяет машине воспринимать и реагировать в соответствии с изменениями окружающей среды. Развитый ИИ заходит дальше, обладая способностью автоматически обучаться, поглощая большие объемы информации. Пример такого интеллекта мы приводили в одной из последних статей по теме.

Как и робототехника следующего поколения, усовершенствованный ИИ приведет к значительным успехам, когда машины возьмут на себя — и даже превзойдут нас в этом — задачи людей. Все данные свидетельствуют о том, что самоуправляемые автомобили снизят частоту столкновений на дорогах и предотвратят гибель и травмы от автомобильного транспорта, поскольку машины не совершают человеческих ошибок, всегда сосредоточены и видят гораздо больше, не говоря о других недостатках. Разумные машины, обладающие быстрым доступом к огромным объемам человеческой информации, также будут работать лучше многих медицинских работников в диагностике заболеваний. Система Watson в настоящее время внедряется в онкологию с целью помощи в диагностике и назначении персонального лечения больных раком.

В любом научно-фантастическом кошмаре приход ИИ всегда сопряжен с рисками — самый  очевидный из которых: машина со сверхинтеллектом в один прекрасный день может восстать и поработить людей. Этот риск, тем не менее, не предвидится в ближайшем будущем, а когда начнет маячить на горизонте — будет создан серьезный институт по изучению безопасности ИИ. В январе 2015 года ученые и предприниматели всего мира подписали открытое письмо, призывая людей обратить внимание на растущие риски развития ИИ. Есть и более прозаичные страхи: к примеру, автоматизированные беспилотные самолеты могут заменить большинство пилотов от людей, а самоуправляемые автомобили могут полностью вычеркнуть такси как класс.

С другой стороны, развитый ИИ может сделать атрибуты, которые до сих пор были присущи исключительно человеку — креативность, эмоции, межличностные отношения, — более ценными для нас. По мере того, как машины будут расти с точки зрения человеческого интеллекта, эта технология будет постепенно размывать нашу точку зрения и само понимание сути человека.

Распределенное производство

Фабрика будущего уже в сети — на вашем пороге

Распределенное производство в полной мере относится к тому, как мы производим и поставляем продукцию. В традиционном производстве сырые материалы собираются и производятся на крупных централизованных заводах в одинаковые завершенные продукты, а затем отправляются потребителю. В распределенном производстве сырые материалы и методы производства децентрализованы, и конечный продукт производится в непосредственной близости от конечного потребителя.

Идея состоит в том, чтобы заменить по максимуму часть цепочки поставок материалов цифровой информацией. Чтобы сделать стул, например, вместо того чтобы искать древесину и собирать ее в стулья на центральной фабрике, можно распределять среди местных производителей цифровые планы по нарезке частей стула с использованием компьютеризированных инструментов для нарезки, известных как станки с ЧПУ. Затем запчасти могут собираться потребителями или местными производственными мастерскими, которые затем будут превращать их в готовую продукцию. В США уже работает такая мебельная компания — AtFAB.

Современные применения распределенного производства в значительной степени полагаются на движение DIY Maker, энтузиасты которого используют собственные 3D-принтеры для производства продуктов из местных материалов. В этой схеме есть элементы мышления открытого исходного кода: потребители могут подгонять продукты под собственные нужды и предпочтения. Вместо того чтобы создавать продукты централизованно, креативный дизайн может вовлекать больше людей. Краудсорсинг уже показал себя с хорошей стороны, и здесь ему тоже найдется применение.

Распределенное производство, как ожидается, позволит более эффективно использовать ресурсы и задействовать централизованные фабрики с меньшей мощностью. Оно также снизит барьеры для выхода на рынок за счет уменьшения количества капитала, необходимого для создания первых прототипов и продуктов. Важно отметить, оно также уменьшит общее воздействие на окружающую среду производства: цифровая информация будет передаваться через Интернет, а не в виде физических продуктов по дорогам, воде или воздуху; и сырые материалы будут использоваться на месте, что снизит чрезмерную необходимость в транспортировке.

Если распределенное производство получит широкое распространение, оно серьезно поколеблет традиционные рынки труда и экономику традиционного производства. Это представляет определенный риск; возможно, будет довольно трудно регулировать и контролировать распределенное производство удаленно, например, в плане незаконных или опасных продуктов — оружия. Не все товары можно будет произвести с помощью распределенного производства, и придется поддерживать традиционные производства и цепочки поставок, которые производят важнейшие или сложнейшие потребительские товары.

Распределенное производство может стимулировать появление более широкого разнообразия объектов, которые сегодня стандартизированы, вроде смартфонов и автомобилей. Фокус будет смещаться к производству индивидуальных объектов с помощью 3D-принтеров; такие объекты будут учитывать все пожелания пользователя.

Чувствительные дроны

Летающие роботы (они же беспилотные летательные аппараты, или дроны) для проверки линий электропередач или доставки первой помощи стали чрезвычайно важной и спорной частью военного потенциала за последние годы. Они также используются в сельском хозяйстве, для съемок и множества других применений, когда необходимо недорогое и длительное воздушное сопровождение или наблюдение. Пока все такие дроны требуют наличия оператора; однако вся разница в том, что этот оператор стоит на земле и управляет беспилотником, тогда как дроны летают на небе.

Следующим шагом в технологии дронов будет разработка машин, которые летают сами по себе, что откроет целый ряд новых применений. Чтобы это произошло, дроны должны быть способны чувствовать и реагировать на местное окружение, изменять высоту и траекторию полета, избегая столкновения с другими объектами на своем пути. В природе птицы, рыбы и насекомые могут собираться в рой, стаю или косяк, где каждое животное практически мгновенно реагирует на своего соседа и вся группа летит как единое целое. Дроны могут поучиться у животных.

С надежной автономией и умением избегать столкновения дроны могут принять на себя задачи, которые слишком опасны или сложны для людей: проверку линий электропередач, доставку медицинских препаратов, но уже самостоятельно. Дроны-доставщики медикаментов должны будут уметь находить лучший путь к цели и принимать во внимание другие летательные аппараты и препятствия на своем пути. В сельском хозяйстве автономные дроны могут собирать и обрабатывать огромные объемы визуальных данных из воздуха, что позволит точно и эффективно использовать удобрения или орошать урожай.

В январе 2014 года Intel и Ascending Technologies продемонстрировали прототип дронов-мультикоптеров, которые могут перемещаться по сцене с препятствиями и автоматически избегать людей на своем пути. Эти машины используют модуль камеры RealSense от Intel, который весит всего восемь граммов и имеет толщину менее четырех миллиметров. Такой уровень предотвращения столкновений очень скоро позволит дронам летать в непосредственной близости от людей. Дроны, по существу, это роботы, работающие в трех, а не в двух измерениях; достижения в области робототехники неизменно ускорят и развитие беспилотных дронов.

Летательные аппараты всегда будут представлять определенный риск, вне зависимости от того, управляются они людьми или разумными машинами. Для широкого распространения, чувство пространства и возможности избегать столкновения у дронов должны работать как часы и в самых сложных погодных условиях: ночью, в метели, пыльные бури. В отличие от наших современных цифровых мобильных устройств (которые неподвижны, потому что мы их носим с места на место), дроны будут подвижными и будут уметь летать в трехмерном мире, который находится за пределами нашего непосредственного участия и нашей досягаемости.

Нейроморфные технологии

Компьютерные чипы, которые имитируют человеческий мозг

Даже лучшие суперкомпьютеры сегодняшнего дня не могут посоперничать с хитроумным человеческим мозгом. Компьютеры линейные, движут данные туда и обратно между микросхемами памяти и центральным процессором по высокоскоростной сети. Мозг же, с другой стороны, полностью расчерчен дорожками нейронов, которые образуют миллиарды связей с плотностью, в миллиарды раз превышающей плотность современных компьютеров. Нейроморфные чипы разрабатываются с целью обработки информации фундаментально отличным от традиционного аппаратного обеспечения способом, имитируя архитектуру мозга со скорость и реакцией компьютера.

Миниатюризация обычной вычислительной мощности продолжается долгие годы, но узкое бутылочное горлышко, в которое пытаются протиснуться данные, снующие между накопителем и центральным процессором, потребляет большое количество энергии и вырабатывает много тепла, ограничивая дальнейшие усовершенствования. В отличие от этого, нейроморфные чипы могут быть более энергоэффективными и мощными, совмещая хранение данных и обрабатывающие данные компоненты в тех же соединенных между собой модулях. С этой позиции, система нейроморфного чипа копирует сеть нейронов в человеческом мозге.

Нейроморфные технологии будут следующим этапом в развитии мощной вычислительной техники, будут быстрее обрабатывать данные и обладать большим объемом хранения данных для машинного обучения. Чип из миллиона нейронов TrueNorth был представлен IBM в качестве прототипа в августе 2014 года, и некоторые задачи он уже выполняет со скоростью, в сотни раз превосходящей скорость обычного CPU. Нейроморфные чипы повышенной мощности обеспечат переход машин в наномасштабы и развитие искусственного интеллекта.

Потенциальные применения включают следующее: дроны будут лучше обрабатывать визуальные подсказки и реагировать на них; камеры и смартфоны станут умнее; обработка крупных объемов данных позволит проводить анализ финансового рынка или прогнозировать климат. Компьютеры будут способны предвидеть и учиться, а не просто реагировать на заранее запрограммированные шаги.

Цифровой геном

Эпоха медицины, когда ваш генетический код может быть записан на флешку

С момента первого секвенирования 3,2 миллиарда пар оснований ДНК, составляющих геном человека, прошло много лет, и стоила эта процедура миллионы долларов. Сегодня ваш геном можно секвенировать и оцифровать в течение несколько минут, и обойдется это вам всего в пару сотен долларов. Результаты можно будет записать на флешку и залить в Интернет. Эта способность быстро и дешево определять наши индивидуальные и неповторимые генетические особенности обещает революцию в персонализированной и эффективной медицине.

Многие из наших самых трудноразрешимых проблем здравоохранения, от болезней сердца до рака, имеют генетическое основание. Рак лучше всего описывается как болезнь генома. Используя оцифровку, врачи смогут принимать решения о лечении рака пациента, основываясь на генетическом характере его опухоли. Новые знания также позволят разрабатывать высокоэффективную целевую терапию, предлагающую потенциальное повышение качества лечения, особенно для пациентов с онкологией.

Как и любая личная информация, цифровой геном человека должен быть тщательно защищен по причинам конфиденциальности. В противном случае его могли бы использовать работодатели или страховые компании, получив к нему доступ. Преимущества, однако, перевешивают риски, потому что индивидуальные процедуры и целевая терапия могут разрабатываться с потенциалом излечить многие болезни, неподвластные лечению на сегодняшний день.