自 2001 年起，《麻省理工學院技術評論》每年都會發布“全球十大突破性技術”，關注技術的商業應用潛力以及對人類社會和生活的重大影響，實用型量子計算機、可回收火箭、對抗性神經網絡、石墨烯晶體管、精確編輯植物基因等技術曾出現在近幾年的榜單中——也因此，這個榜單被認為是投資和技術應用領域的風向標。今年，比爾·蓋茨則受邀發表了他的技術選擇。“我希望我選擇的這些技術不僅會在2019年成為熱點，也會在技術史上成為非常重要的里程碑。”

當麻省理工學院技術評論邀請我成為其10個突破性技術的第一位客座策展人時，我感到非常榮幸。我希望我選擇的這些技術不僅會在2019年成為熱點，也會在技術史上成為非常重要的里程碑。

靈巧的機器人

機器人正在教自己認知并接觸物質世界。

目前關于機器人的討論大多是批判工業機器人笨拙且缺乏靈活性：機器人可以以驚人的精度重復拾取裝配線上的部件而不會感到厭倦，但是如果將物體移動半英寸或者用略微不同的東西替換它，機器將變得手足無措。

雖然機器人還不能通過編程來確定如何抓住任何物體，但是它現在可以像人們一樣通過虛擬試驗和修正錯誤，學會自己操縱物體。

比如Dactyl，它是一個機器人，它教會自己用手指翻轉玩具積木。Dactyl來自非營利組織OpenAI，它由一個現成的機器人手組成，周圍環繞著一系列燈光和照相機。它使用所謂的強化學習、神經網絡來學習如何模擬用手抓住并轉動模擬環境中的物體。

通常這種類型的虛擬實踐不可能轉移到現實世界，因為諸如摩擦或不同材料的不同屬性之類的東西很難模擬。OpenAI團隊也在試圖通過向虛擬訓練中添加隨機性來解決這個問題。

核能發電

BOB MUMGAARD/等離子體科學與融合中心/麻省理工學院

先進的聚變和裂變反應堆正在接近現實。

在過去一年中被重新設計的核能發電裝置有望使這種電源更安全，更便宜。其中包括第四代裂變反應堆、小型模塊化反應堆，而聚變反應堆這種技術仍然沒有辦法實現。第四代裂變反應堆的設計開發商有很多，如加拿大的Terrestrial Energy和華盛頓的TerraPower，他們已經與公用事業單位建立了聯合研發的伙伴關系，目標是在2020年之前實現電網供應。

小型模塊化反應堆通常可以產生數十兆瓦的電力（傳統的核反應堆產生約1,000兆瓦的電力）。俄勒岡州的NuScale公司表示，小型化反應堆可以節省資金并降低環境污染和金融風險。

預測早產兒

簡單的驗血可以預測孕婦是否有過早分娩的風險。

我們的遺傳物質主要存在于細胞內，但是少量的“無細胞”DNA和RNA也漂浮在我們的血液中，通常由垂死細胞釋放出來的。在孕婦的血液中，無細胞DNA是來自胎兒、胎盤和羊水。

斯坦福大學的生物工程師斯蒂芬雷克斯已經找到了一種方法來解決醫學界最棘手的問題之一：嬰兒過早出生！——你要知道大約十分之一的嬰兒都會出現這樣的問題。

自由浮動的DNA和RNA可以提供以前需要侵入細胞才能抓取的細胞信息，例如對腫瘤進行活組織檢查或刺穿孕婦的腹部以進行羊膜穿刺術。但是現在檢測和測序血液中的少量無細胞遺傳物質變得更容易了。在過去的幾年里，研究人員已經開始開展癌癥血液檢測（通過從腫瘤細胞中發現明顯的DNA）以及產前篩查唐氏綜合癥等疾病。

這些測試都依賴于DNA中的基因突變，同時RNA是調節基因表達的分子。通過對母親血液中自由漂浮的RNA進行測序，Quake發現了七個基因表達的波動，而這些基因與早產相關，這讓他可以提前識別可能有早產癥狀的女性。一旦被警告，醫生可以采取措施避免早產，以給予孩子更多的生存機會。

藥丸狀的腸道探針

一個小型的、可吞咽的設備可以捕獲腸道的詳細圖像，無需麻醉，即使對嬰兒和兒童也有奇效。

環境腸道功能障礙（EED）可能是你從未聽說過的疾病之一，但它極其昂貴。這種疾病主要是由發炎的腸道所導致的營養不良，在貧窮國家普遍存在，這也是許多人營養不良、發育遲緩、從未達到正常身高的原因之一——沒有人確切知道導致EED的原因以及如何預防或治療EED。

檢測它的實際狀況有助于醫務人員知道何時進行干預以及如何進行干預，治療方法已經可用于嬰兒。以往，診斷這些幼兒的內臟疾病往往需要麻醉并將一個稱為內窺鏡的管插入喉嚨。它不僅昂貴，不舒服，而且還不實用。

因此波士頓馬薩諸塞州綜合醫院（MGH）的病理學家和工程師Guillermo Tearney正在開發小型設備，可用于檢查腸道是否有EED跡象，甚至可以進行組織活檢。與內窺鏡不同，它們在初級護理訪問時使用簡單。

Tearney的可吞咽膠囊包含微型顯微鏡，它們附著在一個靈活的繩狀繩索上，提供電源和光線，同時將圖像發送到帶監視器的公文包式控制臺。這使得醫務人員可以將膠囊暫停在感興趣的點并在完成后將其拉出，從而使其可以進行消毒和重復使用。它還可以呈現在單個細胞的分辨率下，對消化道的整個表面成像或捕獲三維的技術橫截面。

該項技術有多種應用場景，在MGH，它被用于篩查Barrett食道，這是食道癌的前兆。對于EED，Tearney的團隊開發了一種更小的版本，用于無法吞服藥丸的嬰兒，并在EED很普遍的巴基斯坦青少年中進行了測試。

定制癌癥疫苗

科學家正處于第一個個性化癌癥疫苗商業化的沖刺階段。如果按預期完成工作，疫苗可以通過其獨特的突變觸發人體免疫系統識別腫瘤，可以有效地治愈多種類型的癌癥。

通過使用身體的天然防御來選擇性地僅破壞腫瘤細胞，這充分利用了疫苗與傳統的化學療法的不同，疫苗可以限制對健康細胞的損害。在初始治療后，攻擊性免疫細胞也可以發現任何雜散癌細胞。

在人類基因組計劃完成的五年后，當時遺傳學家發現了第一個癌細胞序列。不久之后，研究人員開始將腫瘤細胞的DNA與健康細胞和其他腫瘤細胞的DNA進行比較。這些研究證實，所有癌細胞都含有數百種或者千種的特定突變，其中大部分都是特定腫瘤所獨有的。

幾年后，一家名為BioNTech的德國初創公司提供了令人信服的證據，證明含有這些特定的疫苗可以催化機體免疫系統產生T細胞，這些T細胞可以尋找、攻擊和摧毀所有攜帶它們的癌細胞。

2017年12月，BioNTech與生物技術巨頭Genentech合作，開始對癌癥患者的疫苗進行大規模測試。正在進行的試驗針對至少10種實體癌癥，目標是在全球各地招募560名患者。

有肉味的蔬菜漢堡

實驗室種植的植物替代品都接近真實肉類的味道，并具有相同的營養價值，而且沒有遭遇過任何的環境破壞。聯合國預計到2050年世界將有98億人口，而且這些人越來越富裕。這兩種趨勢都不利于氣候變化——特別是因為人們變富有時往往會吃很多的肉。

到那時為止，根據預測，人類會比2005年消耗多70％的肉。而且事實證明，飼養動物供人類消費是我們對環境做的最糟糕的事情。

根據測算，用西方工業化方法生產一磅肉蛋白質需要比生產一磅植物蛋白質多4到25倍的水、6到17倍的土地和6到20倍的化石燃料。目前最主要的問題是人們不太可能很快停止吃肉，這也意味著實驗室種植的植物替代品可能是解決目前問題的最佳方式。

荷蘭馬斯特里赫特大學（Maastricht University）的研究人員正在努力大規模生產實驗室種植的“肉類”，這些肉類里面包含從動物身上提取的肌肉組織，并且在明年將會有一個實驗室種植的“肉類”漢堡。實驗室種植肉類的一個缺點是，環境效益仍然是較差的。最近世界經濟論壇的一份報告稱，實驗室生產“肉類”的碳排放量僅比牛肉生產的碳排放量降低了7％左右。

二氧化碳“捕手”

如何經濟實惠地從空氣中捕獲二氧化碳？——吸收過多的溫室氣體排放。

即使我們減緩二氧化碳排放，溫室氣體的變暖效應也會持續數千年。為了防止氣溫升高，聯合國氣候小組現在得出結論，我們需要在本世紀內從大氣中清除多達1萬億噸的二氧化碳。

去年夏天，哈佛大學氣候科學家大衛凱斯（David Keith）在一項意外發現中計算出，通過稱為直接空氣捕獲的方法，理論上可以將吸收每噸二氧化碳的成本降低到不到100美元，這比先前的估計幾乎便宜了一個數量級。

但是一旦你捕獲了，你仍然需要弄清楚如何處理它。加拿大創業公司Keith于2009年創辦的碳工程公司計劃擴大其試驗工廠，以捕獲二氧化碳作為關鍵成分來提高其合成燃料的產量。

位于蘇黎世的Climeworks在意大利的直接空氣捕獲工廠將捕獲的二氧化碳和氫氣中產生甲烷，而瑞士的第二家工廠將向軟飲料行業銷售二氧化碳。

手腕上的心電圖

技術進步使人們更容易通過可穿戴設備監控他們的心臟。健身追蹤器不是精密的醫療設備，劇烈的鍛煉可能會弄亂讀取脈搏的傳感器。但對于心電圖——醫生用于診斷中風或心臟病發作之前的材料則需要去診所就診，而且人們經常無法及時接受檢查。

通過硬件及軟件創新支持的心電圖智能手表為可穿戴設備提供了更接近醫療設備精度的便利。來自硅谷創業公司AliveCor的Apple Watch可以檢測房顫，這是血栓和中風的常見原因，并于2017年獲得了FDA批準。去年，Apple發布了自己的FDA清除ECG功能，并嵌入到了設備里面。

目前的可穿戴設備仍然只使用一個傳感器，而真正的心電圖有12個。而且目前并沒有可穿戴設備可以檢測到心臟病發作，但這可能會很快改變。

去年秋天，AliveCor向美國心臟協會提交了一個應用程序和雙傳感器系統的初步結果，該系統可以檢測到某種類型的心臟病發作。

沒有下水道的衛生設施

節能廁所可以在沒有下水道系統的情況下運行，并在現場處理廢物。

全球大約有23億人沒有良好的衛生條件。缺乏廢物處理的廁所鼓勵人們將糞便排放到附近的池塘和溪流中，傳播可導致腹瀉和霍亂的細菌、病毒和寄生蟲——要知道腹瀉導致全世界九分之一的兒童死亡。

現在，研究人員正致力于為發展中國家建造一種價格低廉的新型廁所，支持現場處理廢物。2011年，比爾蓋茨在這個領域創造了X獎——重塑廁所挑戰賽。自比賽開始以來，一些團隊已將原型投入現場。所有這些都在當地處理廢物，因此不需要用大量的水將其運送到遠處的處理廠。

大多數的廁所原型都是獨立的，不需要下水道，但它們看起來像傳統的廁所，安置在小型建筑物或儲存容器中。南佛羅里達大學設計的NEWgenerator馬桶用厭氧膜過濾掉污染物，其中厭氧膜的孔隙小于細菌和病毒。另一個來自康涅狄格州生物質控制公司的廁所是一個大小與集裝箱相當的“煉油廠”：它加熱廢物產生富含碳的物質，這些物質可以使土壤肥沃。

一個缺點是廁所不能在各種通用場景下工作。例如，生物質控制公司的產品主要是為數萬用戶設計的，這使得它不太適合小型村莊，杜克大學開發的另一個系統僅供附近的幾個家庭使用。因此，現在的挑戰是使這些廁所更便宜，更適應不同規模的社區。

流暢的AI助手

捕獲單詞之間語義關系的新技術可以使機器更好地理解自然語言。我們已經習慣了AI助手——Alexa在起居室里播放音樂，Siri在你的手機上設置鬧鐘，但他們并沒有真正實現所謂的“聰明才智”。他們原本應該簡化我們的生活，但現在他們只能識別一系列狹窄的指令，且很容易被偏差絆倒。

但最近的一些進展即將擴展你的數字助理的功能。在2018年6月，OpenAI的研究人員開發了一種技術，可以在未標記的文本上訓練AI，以避免手動分類和標記所有數據的費用和時間。幾個月后，Google的一個團隊推出了一個名為BERT的系統，該系統通過研究數百萬個句子來學習如何預測遺失的單詞。在多項選擇測試中，它在填補空白方面與人類一樣好。

這些改進加上更好的語音合成，可以讓簡單的AI助手轉變為真正的智能助手，他們將能夠處理每日細節，例如記筆記、查找信息或在線購物。

有些企業可以開始將它們應用于生產，谷歌雙工（Google Duplex）是谷歌助手（Google Assistant）的類似于人類的升級版，它可以接聽你的垃圾郵件和電話推銷，它還可以打電話安排餐廳預訂或沙龍預約。在中國，阿里巴巴的AliMe已經被廣大消費者接受，它通過電話協調包裹遞送，并討論商品價格。

雖然人工智能程序在弄清楚你想要什么方面變得更好了，但他們仍然無法理解句子。但是，一旦我們跨過這個障礙，我們將看到另一個演變，可能從后勤協調員到保姆、老師甚至朋友？