CompMechLab® Hi-Tech news. Мировые тренды в отчёте Всемирного экономического форума. Топ-10 актуальных и перспективных технологий, обладающих наибольшим потенциалом для решения глобальных мировых задач. Представлены видео

Список технологических прорывов, которые помогут улучшить жизнь, преобразить промышленность и защитить нашу планету, был представлен на  ежегодном Всемирном экономическом форуме (World Economic Forum, WEF). Отчёт, составленный экспертами WEF в 2015 году, призван выявить наиболее важные тенденции и привлечь к ним внимание человечества,  чтобы  в полной мере воспользоваться всеми преимуществами этих технологий и минимизировать связанные с ними недостатки.

• Автомобили на топливных элементах: транспорт с нулевым уровнем выбросов, работающий на водороде

Разработки машин с питанием от топливных элементов начались достаточно давно, но только сейчас автопроизводители оказались готовы наладить их массовый выпуск.    Поначалу стоимость таких автомобилей будет около 70000 долларов, но в течение ближайших лет цены должны значительно снизиться.

В отличие от электробатарей, которые необходимо регулярно подзаряжать от внешних источников питания, топливные элементы вырабатывают электричество «автономно», используя водород или природный газ.

Видео: Toyota Mirai - водородный гибридный автомобиль на топливных элементах

По сравнению с электромобилями транспорт с водородными топливными элементами предлагает большую дальность пробега — до 650 км на одном баке, причём на подзаправку требуется всего три минуты. Водород не загрязняет атмосферу при сжигании, образуя единственный выброс - водяной пар.

Есть несколько способов получения водорода без образования выбросов углерода. Самый очевидный — это использование возобновляемых источников электроэнергии (ветряные и солнечные электростанции) для электролиза воды, хотя общая эффективность этого процесса остается крайне низкой. Второй способ - выделение из воды в высокотемпературных ядерных реакторах или выработка из ископаемых видов топлива (уголь или природный газ), - если при этом CO₂ захватывается и поглощается, а не выпускается в атмосферу.

Кроме  производства дешевого водорода в крупных масштабах, для широкого внедрения автомобилей на топливных водородных элементах необходимо решить и такую серьёзную задачу, как создание  инфраструктуры заправочных станций, которая существовала бы параллельно с газовыми и дизельными АЗС, а  в перспективе могла бы их заменить. На сегодня междугородние перевозки водорода, даже в сжатом состоянии, не считаются экономически целесообразными. Перспективные методы хранения водорода могут вскоре повысить безопасность и снизить стоимость  транспортировки этого газа.  

• Роботехника следующего поколения: роботы покидают конвейер

Повсеместное  взаимодействие человека с машиной, о котором мечтали фантасты, становится реальностью. Качественные и недорогие сенсорные датчики делают роботов всё более «понимающими» и чутко реагирующими на окружающую остановку. «Тела» роботов становятся более адаптивными и гибкими: конструкторы используют принципы бионики, изучая созданные природой сложные и функциональные структуры  -  такие, как рука человека. Роботы становятся всё более вовлеченными в Сеть, пользуясь всеми преимуществами облачных вычислений, получая  моментальный доступ к удалённым данным и возможность постоянно обновляться.

Новая эра робототехники подразумевает использование умных машин не только на производственных сборочных линиях, -  для них находится всё более широкое применение. 

Роботы, оснащённые системой GPS, начинают использоваться в сельском хозяйстве для борьбы с сорняками и сбора урожая. В Японии уже испытываются роботы-медсестры. Они помогают пациентам вставать с постели и оказывают физиотерапевтическую помощь жертвам инсульта. Небольшие роботы вроде Dexter Bot, Baxter и LBR iiwa спроектированы так, что их легко программировать и настраивать на выполнение трудоёмких или неудобных для людей задач, требующих точных манипуляций.

Видео: робот-видеооператор	Видео: робот в роли помощника стюарда

 

Роботы идеально подходят для слишком монотонной или опасной для человека работы, и могут выполнять её круглосуточно. При этом новое поколение умных машин будет скорее взаимодействовать с людьми, чем замещать их: даже с учетом достижений в областях проектирования и искусственного интеллекта, большинство процессов не смогут обходиться без участия и контроля со стороны человека.

Остаётся риск, что все более широкое использование роботов приведёт к сокращениям и росту безработицы, но, как показала история,  предыдущие волны автоматизации, как правило, приводили к повышению производительности труда и росту экономики. Застарелые страхи, что подключенные к Сети роботы выйдут из-под контроля, сходят на нет. Тем не менее, очевидно, что вместе с новым поколением роботов появятся и  новые вопросы об отношениях людей и машин.

• Вторичная переработка термореактивных пластмасс: новый вид пластика, который уменьшит объемы свалок

Пластмассы делятся на два типа: термопластичные и термореактивные. Первые можно многократно нагревать, изменяя их форму, и они широко используются в производстве всевозможных изделий: от детских игрушек до унитазов. Поскольку плавление термопластов – это обратимый процесс, они  подлежат вторичной обработке. Реактопласты же могут быть нагреты и сформированы один раз, после чего они «отвердевают», сохраняя форму и прочность даже при высоких значениях температуры и давления.

Благодаря этой прочности термореактивные полимеры стали неотъемлемой частью современного мира и используются во всевозможных устройствах и конструкциях, начиная с индустрии мобильных телефонов и микросхем и заканчивая аэрокосмической промышленностью. Но эти же свойства, обеспечившие реактопластам незаменимую роль в современном производстве, не допускают вторичной обработки, и в итоге большая часть термореактивных пластмасс отправляется на полигоны для захоронения отходов. Таким образом, проблема переработки термореактивных пластмасс становится с каждым годом всё более актуальной.

В 2014 году журнал Science опубликовал крупную статью, предвещающую эпохальный сдвиг в этой сфере: сообщалось об открытии новых классов термореактивных полимеров, пригодных для переработки. Они называются полигексагидротриазины, или ПГТ (poly(hexahydrotriazine)s, PHTs), и могут растворяться в сильной кислоте: при этом полимерные цепочки разбиваются на составные мономеры, которые затем могут собираться в новые продукты. Как и традиционные неперерабатываемые термореактивные пластики, эти новые материалы являются жёсткими, прочными и устойчивыми к нагреванию, и обладают теми же возможностями применения, что и их предшественники.

Хотя никакая переработка не будет стопроцентно эффективной, это нововведение — при широком распространении — ускорит переход к экономике замкнутого цикла и существенно снизит объёмы полимерных отходов. Согласно прогнозам экспертов WEF, перерабатываемые реактопласты придут на смену неперерабатываемым в течение пяти лет, а к 2025 году будут использоваться повсеместно.

• Точные методики генной инженерии: прорыв, который может улучшить урожаи и положить конец спорам вокруг ГМО

Традиционная генная инженерия является одним из самых спорных аспектов науки. Тем не менее, появляются новые методы, позволяющие напрямую  редактировать генетический код растений, придавая им нужные свойства: большую питательность или устойчивость к климатическим изменениям. Эксперты WEF считают, что благодаря высокой точности такого редактирования, а также преимуществам, которые дают новые методы, удастся развеять опасения, связанные с генетическими модификациями.

В настоящее время генная инженерия  сельскохозяйственных культур зависит от бактерий Agrobacterium tumefaciens, которые доставляют желаемую ДНК в определенный геном. Техника показала себя как надёжная и проверенная, и, несмотря на распространённые страхи общественности, в научной среде считается, что эта методика не опаснее традиционной селекции. Тем не менее, появляются более точные методы редактирования генома, такие как ZFN, TALEN, а также технологии, базирующиеся на системе CRISPR-Cas9, которая выработалась в бактериях как защитный механизм против вирусов.

Когда бактерия попадает под вирусную атаку, она копирует часть ДНК вируса в специальное место в собственном геноме - CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats - короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами). На основе  сохранённых данных бактерия создаёт РНК-зонд, способный распознавать вирусные гены и связываться с ними при следующей вирусной атаке. Ещё одна часть системы - белок Cas9, который отвечает за разрушение вирусных генов. С помощью РНК-зонда он доставляется к ДНК, после чего  вырезает известную последовательность в целевом гене.

Базирующиеся на системе CRISPR-Cas9 технологии позволяют не просто изготавливать искусственно вводимые гены, но и редактировать целые геномы: например, удалять одни гены и вставлять вместо них новые.

Видео: редактирование генома с помощью CRISPR-Cas9 

Ещё одна технология — РНК-интерференция (RNAi). Она помогает бороться с вирусами и патогенными грибками, а также может защитить растения от насекомых-вредителей, снижая потребность в химических пестицидах. RNAi, в частности, использовались на Гавайях для защиты папайи от вируса кольцевой пятнистости (PRSV - Papaya ringspot virus), против которого все другие способы борьбы оказались неэффективными.

• Аддитивное производство: от выращивания человеческих органов до создания «умной» одежды

Как можно понять  из названия, аддитивное производство – противоположность субтрактивному или традиционному производству, когда берется материал (дерево, металл, камень и т.д.), и удаляется всё лишнее, чтобы придать изделию желаемую форму. При аддитивном производстве происходит добавление материала (жидкие или порошковые полимеры, металлические порошки):  деталь «выращивается»  по заданной цифровой 3D-модели.

Такую продукцию можно точно «подстраивать» под конечного потребителя: примером может служить технология Invisalign компании Align Technology (США), которая использует компьютерную томографию зубов клиентов, чтобы сделать индивидуальные, практически невидимые брекеты. Более того, 3D-принтеры используются в медицине для создания клеток человека и живых тканей.

Компания Organovo (США) уже напечатала живые клетки печени,  сейчас они применяются при тестировании лекарственных препаратов. В ближайшем будущем Organovo планирует  создать печень, которую уже можно будет использовать для трансплантации. С помощью биопечати уже создаются клетки кожи и костей, сердечно-сосудистой ткани,  - всё это закладывает мощный потенциал для персонализированной медицины будущего.

Видео: процесс биопечати 

Еще одно важное направление в аддитивном производстве  -  создание встроенных электронных компонентов, например, печатных плат.

Принципиально новую продукцию предлагает технология 4D-печати. Предполагается, что некоторые свойства созданного объекта смогут изменяться, под воздействием таких факторов, как  тепло или  влажность. Технология  может использоваться при производстве одежды или обуви, применяться в сфере здравоохранения,  например, при создании имплантатов.

Пока аддитивных технологии находят применение преимущественно, в автомобильной, аэрокосмической и медицинской промышленности, но на ближайшие  десять лет прогнозируется бурный рост, развитие и всё более широкое использование этих технологий в производстве.

• Независимый искусственный интеллект: что произойдет, когда компьютер сможет учиться в процессе работы?

Если коротко, искусственный интеллект (ИИ) — это наука и технология создания  компьютера, который умел бы делать то, что умеют люди. За последние годы ИИ сделал большой шаг вперёд и продолжает развиваться: многие из нас используют смартфоны, которые могут распознавать человеческую речь, или проходят в аэропорту через терминалы, оснащенные системой распознавания лиц; стадию тестирования проходят такие проекты, как беспилотные автомобили и автоматизированные летающие дроны.

С некоторыми задачами машины уже давно справляются гораздо лучше, чем люди. Система искусственного интеллекта Watson находит ответы на вопросы быстрее любого человека в мире.

Искусственный интеллект, в отличие от обычного аппаратного и программного обеспечения, позволяет машине воспринимать изменения окружающей среды и реагировать на них. Развитый ИИ обладает к тому же способностью автоматически обучаться, получая и обрабатывая большие объемы информации.  Например, проект Университета Карнеги-Меллон NELL (Never-Ending Language Learning - бесконечное обучение языку). Система не просто получает данные, просматривая сотни миллионов веб-страниц, но и пытается находить связи между найденными фактами, улучшая процессы «чтения» и «понимания» информации.

Как и роботехника следующего поколения, усовершенствованный ИИ позволит заметно улучшить нашу жизнь. Самоуправляемые автомобили уменьшат количество аварий на дорогах, поскольку машины не совершают человеческих ошибок: они полностью сконцентрированы на своей задаче и получают и используют гораздо больше информации об окружающей обстановке.

Разумные машины, имеющие быстрый доступ к огромным объемам данных, также смогут лучше диагностировать болезни. Ту же систему Watson сейчас адаптируют для  диагностики онкологии и назначения персонального лечения больным раком.

В научной фантастике высокоразвитые системы искусственного интеллекта часто становятся источником опасности: предполагается, что разумные супермашины в один прекрасный день могут восстать и поработить людей. Хотя подобное развитие событий в ближайшие десятилетия нам не грозит, но, тем не менее, этот вопрос серьёзно беспокоит  многих экспертов: в январе 2015 года Стивен Хокинг, Элон Маск и еще десятки учёных, предпринимателей и инвесторов со всего мира подписали открытое письмо-предостережение о необходимости изучения безопасности ИИ.

Кроме того, существуют и более прозаичные страхи, связанных с изменениями экономики и рынка труда: к примеру, автоматизированные дроны могут заменить большинство людей-пилотов, а самоуправляемые автомобили способны вычеркнуть такси как класс.

С другой стороны, возможно, что с развитием ИИ для нас станут более ценными такие качества, как  креативность, эмоциональность, способность выстраивать межличностные отношения. По мере «взросления» машин с точки зрения человеческого интеллекта, эта технология будет постепенно изменять и наше понимание того, что значит быть человеком.

• Распределённое производство: заводы будущего работают в Сети - и рядом с вами

Распределённое производство полностью изменяет подход к производству и поставкам продукции. При традиционном производстве сырье привозится на крупные централизованные заводы, выпускающие одинаковые готовые изделия, которые затем отправляются потребителю. В распределенном производстве сырьё и методы производства децентрализованы, а выпуск готового продукта происходит в непосредственной близости от конечного потребителя.

Основная идея - заменить, насколько это возможно, цепочку поставок материалов передачей цифровой информации. Чтобы сделать стул, например, необязательно свозить древесину и собирать стулья на одной и той же фабрике, - можно передать чертёж стула на локальный узел, где  необходимые детали изготовят с помощью автоматических фрезерных аппаратов. Конечная сборка также выполняется в локальных мастерских или самим пользователем. По такой схеме уже работает по меньшей мере одна компания в США — AtFAB.

Основу распределённого производства заложили энтузиасты движения DIY (do-it-yourself, "сделай это сам"), которые используют собственные 3D-принтеры для производства продуктов из местных материалов. При этом у потребителей появляется возможность совершенствовать нужную им продукцию с учётом собственных предпочтений.

Распределённое производство позволит более эффективно использовать ресурсы и снизит объёмы отходов на централизованных заводах. Оно также обеспечит снижение барьеров выхода на рынок за счёт уменьшения капитала, необходимого для создания первых прототипов и продуктов. Кроме того, уменьшится общее воздействие на окружающую среду за счёт снижения транспортных нагрузок.

Есть и риски —  регулировать и контролировать то, что производится удалённо,  сложнее — особенно, если речь идёт о медицинском оборудовании или оружии. Для наиболее важных и сложных с технической точки зрения товаров нужно будет поддерживать традиционные производства и цепочки поставок.

Распределённое производство может стимулировать появление более широкого разнообразия стандартизированных на сегодня объектов, - например, смартфонов и автомобилей. Масштабы не имеют значения. Уже сейчас компания Facit Homes (Великобритания) создаёт по заказу клиентов дома с персонализированными интерьером и экстерьером. В дальнейшем возможности производства будут эволюционировать, в частности, расширятся границы товарного рынка. В те места, куда пока затруднены поставки, дойдут блага цивилизации.

Видео: сюжет о Facit Homes на CNN

• Беспилотники, оснащённые системой обнаружения и предотвращения столкновений

Дроны, они же беспилотные летательные аппараты (БПЛА), достаточно давно участвуют в военных операциях, несмотря на ожесточённые споры по поводу этичности и правомерности их использования. Они также применяются и во многих других сферах - например,  в сельском хозяйстве или в киносъёмках - когда необходимо недорогое и длительное воздушное сопровождение или наблюдение. Пока всем дронам необходимо управление, которое вместо пилота осуществляет оператор.

Следующий этап - БПЛА, которые смогут летать самостоятельно. Для этого их нужно "научить" сканировать окружающую обстановку и реагировать на изменяющиеся параметры, подбирая нужную высоту и траекторию полёта, чтобы избежать столкновения с другими объектами. Кроме того, беспилотники будущего смогут собираться в "стаи", - как птицы, рыбы или насекомые. В такой системе каждый член быстро и чутко реагирует на движения соседей, и в результате она ведёт себя как единое целое.  

Дроны нового поколения смогут выполнять опасные и сложные для людей задачи, такие как мониторинг линий электропередач, срочная доставка медикаментов в зоны бедствия. Беспилотники будут способны построить кратчайший маршрут и обойти другие летающие машины и препятствия. В сельском хозяйстве автономные дроны, собирая и обрабатывая огромное количество визуальных данных с воздуха, смогут обеспечить оптимальный расход ресурсов (воды или удобрений).

В январе 2014 года Intel и Ascending Technologies продемонстрировали прототипы дронов-мультикоптеров, которые облетали препятствия и людей, встречавшихся на маршруте. Эти машины используют встраиваемую камеру RealSense от Intel, которая весит 8 граммов и менее 4 миллиметров в толщину. 

Высокий уровень предотвращения столкновений очень скоро позволит скоплениям дронов летать в непосредственной близости от людей и зданий, выполняя различные задачи.  Чтобы беспилотники действительно стали использоваться повсеместно, их нужно "научить" работать в сложных условиях: в темноте, в метель или в пылевую  бурю. 

Видео: мультикоптер, оснащенный камерой RealSense от Intel, облетает деревья в лесу

 

• Нейроморфные технологии: компьютерные чипы, которые имитируют соединения в человеческом мозге

Даже лучшие на сегодня суперкомпьютеры не могут соперничать с активностью человеческого мозга. Большинство современных процессоров основано на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки данных, мозг же расчерчен сетью нейронов, которые образуют друг с другом миллиарды параллельных связей. Таким образом нейроны, которые по отдельности действуют медленнее процессорного транзистора, в параллельной совокупности во многих задачах его опережают. Нейроморфные чипы имеют принципиально новую архитектуру, использующую некоторые принципы работы нейронов. 

Нейроморфные технологии будут следующим этапом в развитии мощной вычислительной техники, которая  будет быстрее обрабатывать данные и обладать большими объёмами хранения информации при меньших размерах и небольшом энергопотреблении. Чип из миллиона нейронов TrueNorth был представлен компанией IBM в качестве прототипа в августе 2014 года, и некоторые задачи он уже выполняет со скоростью, в сотни раз превосходящей скорость обычного CPU. 

У таких процессоров большой практический потенциал: дроны смогут быстрее обрабатывать визуальную информацию и реагировать на неё; камеры и смартфоны станут более мощными; обработка крупных объёмов данных позволит проводить более точные анализы финансовых рынков или прогнозировать климат.

• Цифровой геном: как записать свой генетический код на USB-накопитель

Первая расшифровка 3,2 миллиарда пар оснований ДНК человеческого генома заняла много лет и стоила миллионы долларов. Теперь же ваш геном могут расшифровать за минуты, и стоить это будет всего несколько сотен долларов. Результат можно записать на флешку или отправить через интернет. Возможность быстро и недорого определить индивидуальную уникальную расшифровку генов обещает революцию в персонализированной медицине.

Множество сложнодиагностируемых и трудноизлечимых заболеваний, от болезней сердца до рака, имеют генетическое основание. 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.

Данные о цифровом геноме человека должны быть конфиденциальными. В противном случае к этой информации могут проявить интерес, например, работодатели или страховые компании. Преимущества технологии всё же перевешивают риски, поскольку персонализированное лечение может помочь в борьбе со множеством обусловленных генетическими причинами заболеваний.

Публикация подготовлена сотрудниками CompMechLab^® по материалам сайтов hi-news.ru, weforum.org