У рубриці «10 проривних технологій» журналу Technology Review Массачуссетского технологічного інституту засновника Microsoft Білла Гейтса (Bill Gates) попросили назвати десяток новацій, якими запам’ятається 2019 рік і які вплинуть на наше майбутнє.
Відомий керівник спробував відібрати не тільки ті технології, про які буде повідомлятися в заголовках новин цього року, а також ті, що увійдуть в історію.
За його словами, скоротити список всього до десятка було складно. До речі, більшість з названих ним технологій у тій або іншій мірі розробляються давно, які вже впроваджуються, а інші скоро стануть нормою. Так що це скоріше прогноз про найбільш важливих з точки зору пана Гейтса про нові технології.
Роботи стануть спритними
Промислові роботи ще незграбні і не відрізняються гнучкістю. Робот може багаторазово збирати компоненти на конвеєрі з дивовижною точністю і не нудьгувати, але варто перемістити об’єкт всього на пару сантиметрів або замінити його чимось трохи іншим, і машина провалить іспит. Через 3-5 років роботи зможуть навчитися управляти об’єктами самостійно за допомогою віртуальних проб і помилок.
Одним з таких проектів є Dactyl, робот, який навчився перевертати іграшковий блок у своїх пальцях. Dactyl, проект некомерційної організації OpenAI з Сан-Франциско, складається з руки промислового робота, оточеній безліччю джерел світла і камер. Використовуючи так зване навчання з підкріпленням, нейронна мережа вчить машину, як захоплювати і успішно повертати блок в моделюється середовищі, перш ніж маніпулятор спробує справитися з завданням в реальності. Спочатку ЗА проводить випадкові експерименти, зміцнюючи зв’язку в мережі з плином часу, коли алгоритм наближається до цільового результату.
Зазвичай неможливо перенести віртуальну практику такого типу в реальний світ, тому що такі речі, як тертя або різні властивості матеріалів, важко симулювати. Команда OpenAI обминуло це, додавши елемент випадковості до віртуального навчання. Якщо в майбутньому подібні методи навчання можна буде ефективно використовувати, зрештою роботи будуть збирати смартфони, завантажувати посудомийні машини і навіть допомагати бабусям вставати з ліжка.
Ядерна енергетика нового покоління
Нові конструкції ядерних і термоядерних реакторів, які розробляються в різних країнах світу (Росія — один з лідерів галузі), обіцяють зробити це джерело енергії більш безпечним і дешевим. Серед них — ядерно-термоядерні реактори IV покоління (розвиток традиційних конструкцій, які можуть стати реальністю вже до 2020-х років); малі модульні реактори; і, нарешті, повноцінні термоядерні реактори — заповітна технологія, яку намагаються створити давно, але вона все залишається недосяжною.
Невеликі модульні реактори зазвичай виробляють десятки мегават енергії (для порівняння, традиційний ядерний реактор виробляє близько 1000 МВт). Такі компанії, як NuScale в Орегоні, кажуть, що мініатюрні реактори можуть заощадити гроші і знизити екологічні та фінансові ризики.
В галузі керованого термоядерного синтезу теж спостерігається певний прогрес, але раніше 2030 року навряд чи в цій сфері виникне щось певне. Багато вважають, що синтез — це нездійсненна мрія, але оскільки такі реактори не можуть вибухнути і не створюють небезпечних радіоактивних відходів, їх поява може стати справжнім проривом. До речі, Білл Гейтс виступає інвестором компаній TerraPower і Commonwealth Fusion Systems, що займаються цим напрямком.
Прогнозування передчасних пологів
15 мільйонів дітей народжуються недоношеними щорічно — сьогодні це основна причина смерті людей у віці до п’яти років. Протягом найближчих п’яти років простий аналіз крові у вагітної жінки в кабінеті лікаря може повідомити про ризик передчасних пологів.
Наш генетичний матеріал знаходиться в основному всередині наших клітин. Але невелика кількість «бесклеточных» молекул ДНК і РНК, виділених вмираючими клітинами, також плавають в нашій крові. У вагітних цей матеріал являє собою суміш нуклеїнових кислот плода, плаценти і матері. Біоінженер Стенфордського університету Стівен Квейк (Stephen Quake) знайшов спосіб використовувати цей матеріал для вирішення однієї з найскладніших проблем медицини: передчасних пологів.
Після такого аналізу лікарі можуть вжити заходів, щоб запобігти ранні пологи і дати дитині більше шансів на виживання. Вільно плаваючі молекули ДНК і РНК можуть дати інформацію, яка раніше вимагала складних способів інвазивних захоплення клітин на зразок проколювання живота вагітної жінки для виконання амніоцентезу. За словами пана Квейка, технологія, що лежить в основі такого аналізу крові, швидка, проста і коштує менше $10 за аналіз. Він і його співробітники запустили стартап Akna Dx, щоб комерціалізувати метод.
Кишковий зонд в таблетках
Невеликий пристрій, який можна проковтнути, дозволяє отримувати детальні зображення кишечника без наркозу навіть у немовлят і дітей. Розлад травлення EED (Environmental enteric dysfunction) може бути однією з найпоширеніших хвороб, про які мало хто чув. Вона характеризується запалених кишечником, який погано засвоює поживні речовини. Хвороба широко поширена в бідних країнах і є однією з причин, по якій багато людей страждають від недоїдання, затримок у розвитку і не досягають нормального росту. Ніхто не знає точно, що викликає EED і як її можна запобігти або лікувати.
Раннє обстеження кишечника допомогло б медичним працівникам зрозуміти, коли варто втрутитися і як боротися з проблемою. Терапія вже доступна для немовлят, але діагностика та вивчення хвороб кишечника таких маленьких дітей часто вимагає знеболювання і введення трубки, званої ендоскопом, через горло. Це дорого, незручно, непрактично в тих регіонах світу, де поширена EED.
Тому Гільєрмо Тірні (Guillermo Tearney), патолог і інженер в Массачусетської лікарні загального профілю (MGH) у Бостоні, розробляє невеликі пристрої, які можна використовувати для перевірки кишечника на наявність ознак EED і навіть для отримання біопсії тканин. На відміну від ендоскопів, вони прості у використанні.
Капсули для ковтання містять мініатюрні мікроскопи. Вони прикріплені до гнучкого ниточкообразному тросу, який забезпечує харчування і світло при відправці зображень на консоль у вигляді портфеля з монітором. Це дозволяє медичному працівнику призупинити роботу капсули в місцях, що представляють інтерес, і витягнути її після завершення, що дозволить її стерилізувати і використовувати повторно. Хоча це звучить трохи краще ендоскопа, команда пана Тірні розробила методику, яка, за їх словами, не викликає дискомфорту. Капсула також може включати датчики, які здатні відображати поверхню травного тракту з роздільною здатністю до однієї клітини або захоплювати тривимірне зображення перерізів в пару міліметрів глибиною.
Технологія має декілька застосувань. У MGH вона використовуються для діагностики синдрому Барретта, попередника раку стравоходу. Для EED команда дослідників розробила ще більш компактну версію пігулки для дітей, які не можуть проковтнути таблетку. Вона була протестована на підлітків у Пакистані, де поширена EED, а тестування на немовлятах заплановано на поточний рік. Маленький зонд допоможе дослідникам відповісти на питання про розвиток EED — наприклад, на які клітини вона впливає і беруть участь у розвитку хвороби бактерії.
Індивідуальні вакцини проти раку
Вчені знаходяться на порозі комерціалізації першої персоналізованої протиракової вакцини. Якщо вона буде працювати так, як сподіваються, то вакцина буде запускати імунну систему людини для виявлення пухлини з унікальним мутацій — це було б ефективний засіб проти багатьох видів раку. Використовуючи природний захист організму для виборчого знищення тільки пухлинних клітин, вакцина, на відміну від звичайної хіміотерапії, обмежує пошкодження здорових клітин. Атакуючі імунні клітини також можуть знищувати окремі ракові клітини після початкового курсу лікування.
Можливість створення таких вакцин стала змальовуватися у 2008 році, через п’ять років після завершення проекту «Геном людини», коли генетики опублікували першу послідовність ракових пухлинних клітин. Незабаром після цього дослідники почали порівнювати ДНК різних пухлинних клітин з ДНК здорових клітин. Ці дослідження підтвердили, що всі ракові клітини містять сотні, якщо не тисячі специфічних мутацій, більшість з яких є унікальними для кожної пухлини.
Кілька років тому німецький стартап під назвою BioNTech надала переконливі докази того, що вакцина, що містить копії певних мутацій, може каталізувати імунну систему організму, щоб виробляти T-лімфоцити, призначені для пошуку і знищення злоякісних клітин.
У грудні 2017 року BioNTech спільно з біотехнологічним гігантом Genentech почав масштабне тестування вакцини на онкологічних хворих. Подальше дослідження націлене як мінімум на 10 розповсюджених ракових захворювань. Обидві компанії розробляють нові технології виробництва, щоб дешево і швидко виробляти тисячі індивідуальних вакцин. Це буде складно, тому що створення вакцини включає в себе біопсію пухлини пацієнта, секвенування та аналіз його ДНК і передачу цієї інформації в лабораторію. Після виробництва вакцина повинна бути негайно доставлена в лікарню — затримки можуть бути смертельними.
Бургери без яловичини
ООН очікує, що до 2050 року в світі буде 9,8 мільярда людей. І при цьому люди в середньому стають багатшими. Жодна з цих тенденцій не обіцяє нічого хорошого для зміни клімату, особливо тому, що більш багаті люди, як правило, їдять більше м’яса. До цієї дати, згідно з прогнозами, люди будуть споживати на 70 % більше м’яса, ніж у 2005 році. При цьому тваринництво надає одне з найбільш руйнівних впливів на навколишнє середовище.
Залежно від тварини, для виробництва кілограма м’ясного білка сучасними методами потрібно в 4-25 разів більше води, 6-17 разів більше землі і в 6-20 разів більше викопного палива, ніж для виробництва такої ж маси рослинного білка. Проблема в тому, що люди навряд чи припинять є м’ясо найближчим часом. Це означає, що вирощені в лабораторії і засновані на рослинах альтернативи можуть бути оптимальним виходом з ситуації.
Виготовлення лабораторного м’яса передбачає витяг м’язової тканини у тварин і подальше вирощування його в біореакторах. Кінцевий продукт (принаймні, фарш) повинен бути близький до натурального, хоча дослідники все ще працюють над смаком. Вчені з Університету Маастрихта в Нідерландах, які працюють над технологією промислового вирощування такого м’яса, вважають, що до наступного року у них буде лабораторний бургер. Один з недоліків м’яса, вирощеного штучно, полягає в тому, що екологічні вигоди в кращому випадку незначні — у недавньому звіті Всесвітнього економічного форуму говориться, що викиди від такого м’яса лише на 7 % менше, ніж від отриманої природним шляхом яловичини.
Більш вигідним з екологічної точки зору підходом може стати «рослинна м’ясо» від компаній на кшталт Beyond Meat і Impossible Foods (Білл Гейтс виступає інвестором обох), в якому використовується білок гороху, сої, пшениці, картоплі та рослинні масла для імітації текстури та смаку м’яса тварин. Beyond Meat побудувала новий завод в Каліфорнії площею 2400 квадратних метрів і вже продала понад 25 млн гамбургерів через 30 тисяч магазинів і ресторанів. В майбутньому бургер з таким «м’ясом» буде вимагати в 10 разів менше викидів, ніж звичайний з цієї яловичиною.
Уловлювач вуглекислого газу
Навіть якщо людство сповільнить викиди вуглекислого газу, парниковий ефект може зберегтися протягом тисяч років. На думку кліматичної групи ООН, щоб запобігти небезпечне підвищення температури, світу в цьому столітті буде потрібно видалити з атмосфери 1 трильйон тонн діоксиду вуглецю.
Минулого літа кліматолог з Гарварду Девід Кіт (David Keith) підрахував, що теоретично машини можуть впоратися із завданням за ціною менше $100 за тонну з допомогою підходу, відомого як прямий захоплення повітря. Це на порядок дешевше, ніж вважалося раніше, хоча потрібні роки, поки витрати впадуть до такого рівня. Carbon Engineering, канадський стартап, заснований паном Китом в 2009 році планує розширити свій пілотний завод, щоб з отриманого таким способом CO2 виробляти синтетичне паливо (Білл Гейтс теж є інвестором у Carbon Engineering).
Завод з прямого захоплення повітря Climeworks в Італії теж збирається виробляти метан з абсорбованого вуглекислого газу і водню, а їх же завод у Швейцарії буде продавати вуглекислий газ для індустрії безалкогольних напоїв. Global Thermostat в Нью-Йорку, яка завершила будівництво свого першого комерційного заводу в Алабамі в минулому році, теж займається поставками діоксиду вуглецю для індустрії газованих напоїв.
Також отриманий з повітря CO2 можна застосовувати в вуглецевому волокні, полімерах або бетоні. Поки, втім, видалення вуглекислого газу з повітря, з інженерної точки зору, є одним з найбільш складних і дорогих способів боротьби зі зміною клімату.
Електрокардіограма на зап’ясті
Фітнес-трекери не є серйозними медичними пристроями — зчитувати пульс недостатньо для надійної діагностики і попередження країн патологій. У свою чергу електрокардіограма (ЕКГ), яку лікарі використовують для діагностики, дозволяють передбачити інсульт або серцевий напад. Зараз це вимагає відвідування клініки, і іноді люди просто не встигають зробити тест вчасно.
Розумні годинник з підтримкою ЕКГ, що стали можливими завдяки нововведенням в апаратному і програмному забезпеченні, пропонують зручність носимого пристрою з точністю, близькою до повноцінних медичних приладів. Сумісний з Apple Watch браслет від стартапу AliveCor, здатний визначати миготливу аритмію, часту причину утворення тромбів і інсультів, отримав дозвіл FDA (Управління з контролю за продуктами і медикаментами США) в 2017 році. У минулому році Apple випустила власні годинник з підтримкою ЕКГ (схвалені FDA). Незабаром після цього компанія Withings оголосила про плани випустити годинник з функцією ЕКГ.
Втім, в сучасних переносних пристроях як і раніше використовується тільки один електрод, в той час як у повноцінному апараті ЕКГ їх 12. І ні одне з переносних пристроїв поки не здатне виявити серцевий напад у міру його виникнення. Але це може скоро змінитися. Восени минулого року AliveCor представила попередні результати Американської кардіологічної асоціації по системі з двома датчиками — вона вміє виявляти певний тип серцевого нападу.
Туалети без каналізації
Близько 2,3 мільярда людей не мають хороших санітарних умов. Відсутність належних туалетів спонукає їх скидати фекальні маси в довколишні ставки і струмки, поширюючи бактерії, віруси та паразити, які можуть викликати діарею і холеру. У свою чергу, діарея є причиною смерті кожного дев’ятого дитини на планеті. Дослідники працюють над створенням нового виду туалету, який буде досить дешевий для країн, що розвиваються, і зможе не тільки рятувати від відходів, але й утилізувати їх. Білл Гейтс активно підтримує розробки туалетів, здатних переробляти відходи на місці, без необхідності використання великої кількості води для доставки фекалій на віддалену очисну станцію.
Більшість прототипів є автономними і не потребують каналізації, але все ж схожі з традиційними туалетами і передбачають контейнери. А от туалет NEWgenerator, розроблений в Університеті Південної Флориди, відфільтровує забруднюючі речовини з допомогою анаеробної мембрани, пори якої менше, ніж у бактерій і вірусів. Інший проект, розроблений компанією Biomass Controls з Коннектикуту, являє собою очисний завод розміром зі звичайний контейнер — він нагріває відходи, утворюючи багатий вуглецем матеріал, який може використовуватися в якості добрива. Система розрахована на десятки тисяч користувачів в день. Зараз завдання полягає в тому, щоб зробити подібні проекти більш універсальними, придатними для різних спільнот і більш масовими.
Вільно розмовляють голосові помічники
Ми вже звикли до голосовим помічникам на основі штучного інтелекту, проте вони не виправдали очікувань. Технологія покликана спростити життя людей, але поки що рух у цьому напрямку тільки розпочалася. Вони розпізнають тільки вузький діапазон команд і легко помиляються. Але деякі останні досягнення повинні розширити можливості цифрових асистентів.
У червні 2018 року дослідники з команди OpenAI розробили методику, яка навчає ШІ на немаркованому тексті, щоб уникнути витрат і часу на класифікацію і маркування всіх даних вручну. Кілька місяців потому Google представила систему BERT, яка навчилася передбачати пропущені слова, вивчаючи мільйони пропозицій. У тесті щодо заповнення пропущених слів система справлявся не гірше звичайних людей.
Ці поліпшення в поєднанні з просунутим синтезом мови дозволяють зробити взаємодія з машинами більш природним і створити справжніх цифрових помічників. Дещо вже дивує: наприклад, технологія Google Duplex може здійснювати дзвінки від особи людини і самостійно бронювати місця в ресторані або салоні, імітуючи розмова людини. У Китаї споживачі вже звикли до AliMe Alibaba, який координує доставку посилок по телефону і торгується з приводу ціни товарів в чаті. Але все це тільки початок, намітки майбутнього — ШІ поки працює радше на основі статистики.
Наука і технології