联合国「千禧计划」年度报告:全球科技成果如何加速改善人类生存条件

根据国际德尔菲调查机构始于1997的调查以及全球扫描系统,联合国千禧计划提出了全球15大挑战。全球科技成果将如何加速改善人类生存条件?请看下面的详细叙述。

计算化学,计算生物和计算物理正在加快自然和科技的新发现以及应用速度。由于计算机的处理速度遵循摩尔定律,这个加速的过程依然没有停止,并且会因为未来的人工智能发展和量子计算的介入进一步加强。IBM已经为量子计算机的芯片创造了一个量子电路模块;麻省理工学院已经可以将单个光子植入到光学芯片中;D-Wave也计划着制造一台有着1000个以上量子位的量子计算机,这些量子位会被嵌入在纳米管中——一切重要的成果都是为了量子计算机的发展。 因此,量子计算机或许会是我们可以预见的未来(计算的模式)。除了计算科学和量子计算之外,未来围绕着诸如合成生物学、3D和4D打印技术、人工智能、机器人学、纳米科学、通信科学、无人机、低成本可持续能源系统、增强现实以及智能系统的并行工作,会使科技发展在未来的25年中变得更加迅速。科学与技术的不断加速将引发根本性的变革。

分子学研究领域在原子级精密制造方面的进展,正在为分子级模块制造仪器奠定愈发坚实的基础。这将是在原子级精密制造业发展上的重要一步——如果原子级精密制造业得以顺利发展,或许会带来一场深刻变革,如同当年纳米计算机芯片技术给信息行业带来的巨大影响。

中国科学家修改了人类胚胎的基因;日本的一家酒店里有机器人员工;零燃料的太阳能飞机正在全世界飞行;扫描电子显微镜(SEM)能够看到0.01纳米(相当于氢原子核和它的电子之间的距离);哈勃望远镜已经看到了132亿光年之外。光子能够被缓慢和加速。外界光已经可以被用来聚焦在身体内进行光动力治疗以及为植入体内的设备提供动力。DNA扫描开启了个性化医疗和消除遗传疾病的可能性。核磁共振大脑成像展示了大脑活动的实时景象。瘫痪病人可以独自用意识来控制电脑,并且最终也会控制机器人。基本的「脑脑通讯」也被演示出来:一个人的大脑活动可以被传递给另外一个人,并且引发第二个人的物理反应。科学家通过重建小区内的分子通讯使老鼠能够延缓衰老。合成生物学可以用于各种领域,从清理水污染到吞噬大脑里面的血小板,这项技术也有可能创造出成千上万个令人意想不到的新物种。这些知识在全球范围内变得触手可及,但选举政治领域的大众看起来对于这些需要讨论的非凡变化和后果还不够了解。

免费的在线大学课程急剧增加;开源软硬件正在共享生产方式;一个基于众包的全球化计算机游戏——Foldit解决了一个复杂的蛋白质折叠问题,这为全球范围内的供人参与的公众科学(即公众参与式科学研究,指包含了非职业科学家、科学爱好者和志愿者参与的科研活动)开创了一种新模式,几百万台个人电脑能够连接成特别的持续的超级计算机。奇点大学正在将前沿科技领域的顶级专家汇集在一起,再加上商业领袖、投资者和学生,来创造能够影响10亿人的商业应用,从医学到农业。学习这些知识的能力也正在提升,这包括互联网异步化的、高度调动积极性的教育系统,还有自适应学习模型,包括细胞自动机、基因算法、神经网络,以及群体智慧系统中涌现出来的能力。物联网、国际协作和大数据分析也成为正在兴起的重要因素,来加速科学突破和技术应用。

中国的天河2号超级计算机是世界上最快的计算机,运行速度高达每秒33.86亿兆次(计量单位为每秒千亿万次浮点运算),超过了人脑运算速度(尽管还不算认知)。来自日本的一个研发小组发明了一个多层频率类脑型计算机,它能自生程序,也能通过加大运行密度来提高自身能力。Warton,那个在电视猜谜游戏中打败了最有学识的挑战者的IBM计算机,现在被用来加速癌症和其他方面的诊断和治疗。IBM团队花了超过十亿元的投资将Watson这种基于云技术的认知应用推广到全世界,包括较为贫困的非洲地区。

新的基因测序系统可以在一年内产生成千上万的人类基因组合,这让可负担起的基因治疗药物(1000刀以下的)离实现更近了一步。人们的细胞也能从某一种功能传向其他功能。比如说,现在的研究已经成功将表皮细胞转化成某在人类大脑中存在的功能型神经细胞。微型照相机可以口服后通过MRI机器的引导进行更精确的诊断。自我促发的载体可以随着血液流动释放药物。在生物合成,纳米胶囊等其他各种形式的计算科学的帮助下,有理由相信,我们可以更加健康的活着,并且活的更长久。如果真的是那样的话,未来的退休和理财都会发生改变。说不定测谎仪的进步也能让这个世界变得更加真诚。

生物合成是指通过组合不同物种的DNA序列从而制造低生物耗损且更精确的药物,更健康的食物,找到更好净化污染的方法,或者一些远超现在可见的变化。最新的生物合成技术是基于一种xeno核酸,可以在没有DNA的参与下合成细胞。Craig Venter将一串合成的DNA组放入细菌体内,靠其自我复制的能力得到了另一个合成基因组。在正式的法规制定前,这个项目曾一度被中止,因为这种新的生命形态对未来是好是坏很难评估。这会不会改变自然的法则呢?Venter预言说,计算机编码创造新的程序,这扩展了人类的能力;同样的,基因编码创造新的生命形态也将扩宽人类的文明。这个新生物时代的到来将比工业时代带来更大的影响,在推动人类前进的同时也可能造成环境的破坏。

HP计划在2016年发布新的3D打印机。这个打印机能在单位工作面积上每秒打印三千万次。基础的打印机只用花不到500刀就能买到,这让很多个人或者小型公司能成为工业制造者。这也会提高伪造的风险,降低国际贸易的市场量,尤其是对于简单的塑料制品。在Thingiverse和Shapeways平台上的开源数码设计可以被直接下载并打印。将来,用细胞作为打印载体的3D打印机也可能会用来打印器官和肢体。

效率的提升和成本的下降使可再生能源系统比含碳化石燃料系统更加经济。新增的能量主要源自无碳的可再生能源,这个数额还将继续增长。分散式发电越来越普遍,考虑到金属—空气电池和季节性蓄热的前景,蓄电能力也会迅猛的增长。

未来有了自主机器人、先进3D生产技术以及联系全球的人工智能,就业需求更少的经济增长模式将有可能成为新常态。

工业化时代和大部分信息时代虽然都造成某些工作减少,但也创造了更多工作需求;可是,对于即将到来的巨变,其速度、生产力、协和作用力、变化范围、全球的推动力量都是前所未有的。

越早针对这些问题进行切实且系统的全球交流,科技的迅猛发展就越可能为全人类谋得福祉。一种由数百万无线传感器组成的「智能灰尘」被应用于监测化学制品、生物制剂和放射性物质。每一个灰尘颗粒都是一台自主计算机,也是一个联系灰尘颗粒群的通信设备。另一个项目是计划把数以万亿图钉大小的传感器嵌入世界的各个角落来侦测城市系统中的问题。这些项目都包含自组织网络,这些自组织网络包罗万象,由此增强系统的弹性。

在老年黄斑部退化的治疗测试中,纳米技术机器人能够轻易进入眼睛。在更精微的领域,曾演示过纳米级机器人与原生DNA建立联系。或许有一天,血红细胞大小的纳米机器人会进入人体,它们会将虚拟现实影像传送到体外,医生便可以此为基础进行诊断和治疗。虽然纳米技术可以大幅提高相关研发的效率,但这项技术对身体健康副作用仍需要受到关注。例如,他们会不会在身体某些部位累积,引起健康问题?

在2015年初,大约有265万台工业机器人在工厂里工作,比2014年增加了20万台,这个数据在2012年的时候只有16万。韩国每100名工人中有4.4个是机器人,日本的数据是3.2个。有些机器人具备人形外表,有面部表情可以表情达意,有些用来进行外科手术,远程控制的机器人比一个真的外科大夫还要技术精湛,还有一些机器人正在测试,准备将来用于老年人护理。

在空间技术领域尚有一道无法逾越的政治经济鸿沟。例如,通过卫星进行太阳能发电与供电既不会像核电那样产生核废料,也不会排放温室气体,还可以从地球的任何一个区域随时切换至另一个区域,提供所需或者紧急的电力支持,这一供电方式也是迄今报告过的最经济能源形式,成本大约是9¢/kwh。可重复使用的太空飞机构建的卫星通信网络,足以帮世界任何角落轻松接入互联网。

更深一层、且看似深奥的基础科学研究为之后的应用科学和工程学提供了基础知识库,未来人类生活状况的改善有赖于此。例如,欧洲核子研究中心(CERN)确认希格斯玻色子(Higgs boson particle)是存在的,从理论上说,它伴随无数其他粒子弥漫在宇宙中,使粒子相互作用和产生引力,并且赋予粒子质量,从而构成了我们的宇宙——这其中只有4%的宇宙被科学家观测到。如果这一理论成立,它便从根本上解释了粒子获取质量的基础能力,那么这一理论对物质与能量这些更复杂组织形式将会有何影响?还有一些人猜测,第二重粒子—希格斯单线态(Higgs singlet)可能会被发现,它应该有进入第五维空间的能力,即它们可以在时间线上前后移动,在过去或未来重现。

再比如:欧洲核子研究中心通过结合正电子和反质子产生一束至少含有80个反物质氢原子(反氢原子)的射线。可投射到光谱检测器上,却发现其超出了原本的磁场范围,颠覆了反物质的分析方法。这些前沿科研中心的工作正创造着物理学的全新领域,为更高效的能源生产、运输方式、建筑和药物设计提供理论支持。

另一方面,科学家们正试图将几十亿的粒子对「纠缠」在一起(「量子纠缠」是指在不同时空当中的纠缠态物体能够同步的发生变化),这可以使通信,甚至运输发生革命性变化。量子理论包括了对我们的存在产生争议的「多重世界诠释」的问题。在「多重世界诠释」的问题中,每一件事件都存在通向任意方向的可能分支,创造出几乎无穷的可能性,而这些可能中的每一个都描绘了一个同时存在的另一个世界,这是一个引人注意而又反直觉的现实。虽然这一切看上去离我们的实际生活还十分遥远,但是过往的基础科学所带来的电子、无线通信以及数不清的各种技术,无时无刻不伴我们左右,我们习以为常。

科学技术的加速发展与新闻中报道的、政客们讨论的、学校里教授的或者大众思想充斥的那些东西完全无关。我们需要一个全球范围的智能系统来追踪科学技术的进展,预测结果并记录各类观念,这样的话所有人都能够了解科学技术崭新未来的可能结果。科学技术的历史告诉我们进展能够导致一些无意的负面结果,就像正面优势一样。我们需要创新的商业模型和创新的政策来促进新技术更合理的应用。

当对社会需求的研发资助能够赶上对武器的研发资助时,当一个能够顺畅的连接全世界科学技术成果的国际性组织得以建立,当这个组织能够排除孰先孰后,以及法规限制的时候,本文所揭示的问题才能迎刃而解。

各区域考量

非洲:肯尼亚的GDP有超过30%是来自于移动电话。IBM主动提出在10年内向非洲投资1亿美元来建造下一代有认知能力的(沃森)计算机应用系统。非洲研发的中心将从农业转移到医学及相关领域。非洲发展银行在内罗毕组织了首届科学、技术及创新论坛,来促进可持续发展、人力资源发展和就业问题等方面的投资。关于科学、技术及创新的内部成员峰会保证增加在科学技术领域投资在GDP中的比例。低水平的研发投资、软弱的机构、人才流失以及市场准入等问题不断地阻碍非洲科学技术改革的潜力。基础大宗商品持续控制非洲的出口货物;亟需科技创造出口附加值以及跨级提升未来的生物技术、纳米技术和可再生能源技术。

亚洲和大洋洲:2011年,中国专利局成为了世界第一。中国发射了神舟九号飞船,这是中国的第4次载人航天任务——这一次共有3名宇航员(其中包括一名女性宇航员),完成与太空实验室——天宫一号的会合对接。日本发射的维纳斯空间探测器,也装有一个太阳帆,从太阳的辐射压(solar pressur)中获取能量。日本的科研投入在总GDP中约占3%。尽管中国只略少一点,占2%,但是科研经费的年增长率却高达12%,业已成为全世界第二大政府科研预算。中国的专利申请在过去5年增长了500%,在清洁能源技术上的投资已经超过了美国。其他经济增长率达到两位数的亚洲国家在科研方面的投入也增长超过了10%。印度的大学毕业生中,工程专业是法律专业的20倍,澳大利亚则在纳米技术上投资了大量的资金。

欧洲:欧洲在2013年实施了电子技术战略,为促进产业投资而在纳米技术电子工业上花费了1000亿欧元,并帮助欧洲创造了25万个工作机会,一直可持续至2020年(据最新估算,约有30~40万人直接被欧洲的纳米材料产业雇佣)。伽俐略导航系统是欧洲卫星导航系统的核心,也是世界上第一个民间拥有并运营的卫星导航系统。尽管维珍银河公司的试飞发生了灾难,但它仍是欧洲顶尖的太空旅行公司——有超过500人愿意为太空旅行付出20万美元。

欧盟2014-2020年的多年金融框架包括「竞争力」支出上限的增长,比起2007-2013年期间增长了37%。「地平线2020项目」是主要的S&T项目,获得拨款709.6亿欧元(少于欧共体提出的800亿欧元和欧洲议会提名出的1000亿欧元);伽俐略全球定位卫星系统是63亿欧元;国际热核聚变实验堆(ITER)是27亿欧元;全球环境与安全监测地球观测项目是37.9亿欧元。欧洲专利局在2014年非常高效,允许发明人在27个成员国中的25个中申请专利(西班牙和意大利在这个专利体系之外)。

虽然里斯本战略在2010年到期了,并被欧洲2020项目所接替,但欧盟对研发占GDP3%的目标还是保留下来了。2013年,欧盟27个成员国中在科研上的平均支出占GDP的2.02%,只有3个欧盟成员国达到了3%的目标(芬兰是3.87%,瑞典是3.42%,丹麦是3.06%),有8个成员国的研发占GDP的比例小于1%。

在过去15年中,俄罗斯已经失去了50多万名科学家,然而,由于奖金的增长,鼓励发明以及高科技的支持力度增大,这一趋势正在逆转。即使是在最近经济不景气的时期,俄罗斯的纳米技术研发与企业依旧非常多。俄罗斯正在建立由大量企业组成的Skolkovo研发中心来增加研发与应用,有一个国家太空领域发展项目的预算已经达到了2.1万亿卢布(大约700亿美金)。

拉丁美洲:墨西哥基因资源国家中心是发展中国家在农业、畜牧业、水产养殖、林业以及微生物研究方面的领导者。经济合作与发展组织(OECD),联合国教科文组织(UNESCO)、欧盟、美国和中国都在帮助拉美各国建立创新系统。为了扭转拉美地区的落后指标,智利已经建立了一个区域科学新闻网。阿根廷、巴西、智利和墨西哥拥有拉美地区几乎90%的大学科学,而其中250所(总数500)高等教育机构都没有科学研究。大学的课程被要求把重点放在帮助最贫穷的社区上。墨西哥是拉丁美洲和加勒比地区创新网络的领导者。秘鲁的研发资金已超过3亿美元,主要由公司领导,当地高校和研究中心辅助。

北美:美国国立卫生研究院仍然是世界上最大的非军事科研经费来源;然而,在2013财年,联邦研发研究和设施经费下跌了9%。诸如SpaceX公司的龙飞船,李察布兰森的维珍银河和杰夫贝佐斯的“蓝色起源这样的私人建造系统正在降低发射成本,这样可以将太空开放给更多人。此外,比奇洛正在研究可充气轨道站。波音公司已经提出了低地球轨道燃料库。蓝色起源的工作原理是用可重复使用的火箭和航天器将宇航员运载到亚轨道和轨道空间。Stratolaunch计划用一个巨大的飞机在空中发射太空舱。2011年,由著名的斯坦福大学教授主讲的三大人工智能课程免费上线。有超过15万名学生注册和3.5万名学生实际提交家庭作业。还有其他大学提供免费访问课程,比如麻省理工,哈佛,普林斯顿,密歇根和宾夕法尼亚的大学。美国国家科学院、国家工程院和医学研究所的研究都是在线免费学习的。世界约35%的研发诞生于美国。美国专利局每周免费在线提供数以千计的新专利;然而,越来越多的虚假专利侵权案件让公司花费数十亿美元来结算,而不是支付更高的法律费用(一种新的法律敲诈)。这一创新法案被引入美国国会以应对这种有组织的犯罪,但它还没有成为法律。

选自The Millennium Project,机器之心编译出品。参与人员:Xuechen,Rui,赵云峰,20e,Fm018-庞,汪汪,柒柒,孟婷,阿宝。

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