2016 год далек от завершения, но это не означает, что мы не можем называть самые быстро развивающиеся, а вместе с тем и важнейшие для нашего будущего технологии. Журнал Scientific American собрал десятку громких названий, о которых мы писали, пишем и будем писать в этом году. Возможно, именно они изменят этот мир. Возможно, именно они сделают будущее таким, каким оно должно быть.

Автономный транспорт набирает обороты

У самоуправляемых систем имеются ошибки, но зато они не отвлекаются и не принимают рискованные решения, которые становятся причиной большинства аварий на дорогах сегодня. Расцвет автомобилей преобразовал наше общество. Он изменил всё: где мы живем, что мы покупаем, как работаем, с кем дружим. По мере того как автомобили и грузовики становятся все более распространенными, они создают новые рабочие места и делают другие профессии устаревшими.

Сегодня мы стоим на пороге очередного преобразующего технологического сдвига в области транспорта: от автомобилей, управляемых людьми, до самоуправляемых автомобилей. Долгосрочное влияние автономного транспорта на общество сложно предсказать, но также сложно переоценить. Одно можно сказать точно: когда эта технология станет повсеместной, наша жизнь изменится.

Google и другие компании испытывают самоуправляемые автомобили уже несколько лет, и небезуспешно. Такие автомобили обрабатывают огромные объемы сенсорных данных с бортовых радаров, камер, ультразвуковых дальномеров, GPS и карт, прокладывая путь во все более сложных и стремительно меняющихся условий дорожного движения. Безо всякого участия человека.

Потребительское использование транспортных средств с автономными возможностями только начинается. Принятие будет происходить постепенно, путем неуклонного внедрения все более умных функций безопасности и удобства в обычные автомобили. Некоторые модели, например, уже предлагают самостоятельную параллельную парковку, автоматическое поддержание полосы движения, экстренное торможение или даже полуавтономный круиз-контроль. В октябре прошлого года Tesla Motors выпустила программное обеспечение, которое активирует ограниченную форму автопилота для владельцев автомобилей после загрузки.

Эта тенденция наверняка продолжится, пока технология будет становиться все лучше, а правовые и нормативные барьеры — падать. В США полдюжины штатов уже разрешили автономные дорожные средства и другие процессы в этом ключе текут своим чередом. В основном дискуссии посвящены тому, на чьи плечи будут ложиться правовые и финансовые проблемы, если такие автомобили попадут в ДТП (а ведь попадут) — хотя ожидается, что они будут намного безопаснее современных автомобилей.

Пространства для улучшений еще много. Самоуправляемые системы не безошибочны — программное обеспечение очень сложное — но лишены человеческого фактора, а это важно. Они не устают и не отвлекаются.

Куда более глубокие изменения последуют, когда автомобили и грузовики будут абсолютно самостоятельны — даже если внутри никого не будет. Эксклюзивное обладание автомобилем, необходимое в современном мире, может исчезнуть. Кар-шеринг и беспилотные такси и службы доставки станут нормой. Общие программируемые автомобили снизят необходимость в парковках, уменьшат пробки и обеспечат безопасное передвижение при более высоких скоростях и на более тесной дистанции, наряду со всем прочим.

Как и любая технология, автономные транспортные средства будут со своими недостатками. В определенный момент работа водителя может стать ненужной. Общий транспорт поднимает вопросы безопасности и конфиденциальности. В некоторых регионах повышение доступности автомобиля может существенно усугубить проблемы трафика и загрязнения окружающей среды, а не смягчить. Но преимущества самоуправляемого транспорта настолько убедительны, но их широкое применение является вопросом времени, а не здравого смысла.

Интернет вещей уходит в нано

Интернет вещей (IoT), построенный из недорогих микросенсоров и микропроцессоров вкупе с крошечными элементами питания и беспроводными антеннами, быстро расширяется и выходит из онлайновой вселенной с компьютерами и мобильными гаджетами в мир обычных вещей физического мира: термостатов, автомобилей, дверных замков, даже поводков для домашних животных. Новые устройства для Интернета вещей появляются ежедневно, и аналитики полагают, что до 30 миллиардов таковых будут в Сети уже к 2020 году.

Взрывное подключение объектов, в особенности тех, что отслеживают и контролируют системы искусственного интеллекта, может наделить обычные вещи удивительными возможностями: дом, отпирающий входную дверь, когда узнает своего владельца, приехавшего домой с работы; или же имплантированный датчик сердца, вызывающий доктора, когда орган показывает признаки неисправности. Но настоящий Большой Взрыв в мире онлайна может быть еще впереди.

Ученые уже начали сжимать сенсоры миллиметровых или микронных размеров до нанометровых: достаточно малых, чтобы они могли блуждать по телу живого человека и напрямую замешиваться в строительные материалы. Это важный первый шаг в направлении «Интернета нановещей» (IoNT), который может вывести медицину, энергоэффективность и многие другие отрасли на совершенно новый уровень.

Некоторые из самых продвинутых на сегодня нанодатчиков изготавливаются с применением методов синтетической биологии для модификации одноклеточных организмов, типа бактерий. Задача: создать простые биокомпьютеры, которые используют ДНК и белки для распознавания определенных химических целей, накапливают несколько битов информации и затем сообщают их статус, изменяя цвет или излучая легко обнаружимый сигнал. Synlogic, стартап из Кембриджа, штат Массачусетс, работает над коммерциализацией подключенных к компьютеру штаммов пробиотических бактерий для лечения редких метаболических заболеваний. Помимо медицины, такие клеточные наносенсоры могли бы найти применение в аграрной сфере и производстве лекарств.

Много наносенсоров также сделали из небиологических материалов вроде углеродных нанотрубок, которые могут одновременно и принимать данные и посылать сигнал, подобно беспроводным наноантеннам. Поскольку они настолько малы, наносенсоры могут собирать информацию из миллионов различных точек. Внешние устройства затем могут интегрировать эти данные для генерации невероятно подробных март, показывающих мельчайшие изменения в свете, вибрации, электрических токах, магнитных полях, химических концентрациях и другие условиях окружающей среды.

Переход от умных нанодатчиков к Интернету нановещей кажется неизбежным, но на пути этого перехода нас ждут серьезные трудности. К примеру, трудно интегрировать все необходимые компоненты в автономное наноустройство, которое будет регистрировать изменение и передавать сигнал в Сеть. Также трудно решить все вопросы частности и безопасности. Любые наноустройства, включенные в тело, умышленно или по неосторожности могут быть токсичными или вызывать иммунный ответ. Такая технология может быть использована для незаконной слежки.

Интернет нановещей обещает обеспечить нам более подробную, недорогую и актуальную картину работы наших домов, городов, заводов — даже тел. Сегодня к Интернету подключены светофоры, носимые устройства и камеры наблюдения. Завтра к Интернету будут подключены миллиарды нанодатчиков, добывающих огромные объемы информации в реальном времени и передающих эту информацию в облако.

Батареи нового поколения с повышенной емкостью

Качество солнечной и ветряной энергии растет не по дням, а по часам — во всех отношениях. Но солнце заходит, а ветер может быть капризным. С каждым годом ветряные фермы становятся больше, а солнечные элементы более эффективны, благодаря прорывам в области материалов, к примеру, перовскитов. И несмотря на это, эти возобновляемые источники энергии едва ли удовлетворяют 5% мирового спроса на электричество. Во многих местах возобновляемые источники энергии занимают нишевые рынки из-за отсутствия доступных и надежных технологий хранения избыточной энергии, которую они вырабатывают в идеальных условиях, чтобы ее можно было извлечь по необходимости, когда условия будут хуже. Батареи получше могли бы решить эту проблему и позволить альтернативной энергетике развиваться еще быстрее. В конце концов, в нашем мире около 1,2 миллиарда человек живут, не имея доступа к надежным источникам электричества.

За несколько последних лет были продемонстрированы новые типы батарей, которые обеспечивают достаточно высокую емкость, чтобы обслуживать целые заводы, города или даже «мини-сети», связывающие изолированные сельские сообщества. В основе этих батарей лежит натрий, алюминий или цинк. В них нет тяжелых металлов и едких химикатов, используемых в старых свинцово-кислотных аккумуляторах, и они более доступны, масштабируемы и безопасны, чем литиевые батареи, что в настоящее время используются в продвинутой электронике и электромобилях. Новейшие технологии прекрасно подходят для систем, полагающихся на энергию солнца и ветра.

В прошлом октябре, например, Fluidic Energy объявила о соглашении с правительством Индонезии, в рамках которого оснастит 500 удаленных деревень солнечными панелями на 35 мегаватт, обеспечив электричеством дома 1,7 миллиона человек. Система будет использовать цинково-воздушные аккумуляторы Fluidic для хранения 250 мегаватт-часов энергии, обеспечивающих доступное электричество вне зависимости от погоды. В апреле эта же компания заключила подобную сделку с правительством Мадагаскара, согласно которой обеспечит мини-сетью 100 удаленных деревень.

Для людей, в настоящее время не имеющих доступа к электросети — а вместе с тем и к свету для работы в ночное время, к Интернету для поиска информации и к энергии для орошения или полива урожая — сочетание возобновляемой энергии и масштабируемой сети батарей станет настоящим прорывом, возможным лекарством от бедности. В хороших батареях нуждается и мир богатых, только уже по другой причине: чтобы снизить углеродные выбросы от избыточной выработки электричества за следующие двадцать лет — и это на фоне растущего спроса на электричество.

Идеальных аккумуляторов пока не придумали. Новые технологии появляются и нуждаются в усовершенствовании. Совсем недавно отрасль батарей стояла как вода в тихом пруду. Отрадно видеть, что прогресс оживился.

Открытая экосистема ИИ обещает персонального помощника каждому

Одно из преимуществ, которым могут похвастать директора и знаменитости, чего нет у большинства людей, заключается в том, что им не нужно тратить много времени на обработку неинтересных, отнимающих много времени аспектов повседневной жизни: планирование встреч, составление плана поездок, поиск необходимой информации. У них есть личные помощники, персональные ассистенты, которые занимаются этими вещами. Но скоро — возможно, даже в этом году — большинство из нас сможет позволить себе эту роскошь всего за пару чашек кофе в месяц, благодаря появлению открытой экосистемы ИИ.

ИИ — это, конечно же, искусственный интеллект. Siri от Apple, Cortana от Microsoft, OK Google от Google и Echo от Amazon устроены таким образом, что извлекают вопросы из речи, используя обработку естественного языка, а затем делают ограниченный набор полезных вещей, к примеру, найти ресторан, получить направление движения, найти окошко для встречи или выполнить простой поиск в Интернете. Но слишком часто их ответ на просьбу о помощи звучит так: «К сожалению, ничего не знаю об этом» или «Вот что я нашла в Интернете на эту тему». Человек никогда так не опростоволосится. Кроме того, эти системы закрытые, и дополнить их новыми функциями просто невозможно.

Но за последние несколько лет новейшие технологии связались вместе и выяснилось, что мы можем построить мощнейшую систему цифровых помощников — открытую экосистему ИИ. Эта экосистема будет не только связана с нашими мобильными устройствами и компьютерами — а через них с нашими сообщениями, контактами, финансами, календарями и рабочими документами — но и с термостатами в спальной, с бойлером в ванной, с браслетом на руке и даже с автомобилем в гараже. Взаимосвязь Интернета с Интернетом вещей и вашими личными данными будет поддерживаться голосовым общением с ИИ, что выведет продуктивность работы на новый уровень, а миллионы людей сделает более здоровыми и счастливыми уже за несколько следующих лет.

Накапливая анонимные данные о здоровье и предоставляя персонализированные советы на тему здоровья отдельным лицам, такие системы должны привести к существенным улучшениям в области здравоохранения и снижению расходов на него. Применение систем ИИ к финансовым сервисам снизит процент непреднамеренных ошибок, равно как и намеренных (мошеннических).

Секретным ингредиентом этой технологии, которого не хватало до нынешних пор, является контекст. До сих пор машины были по большей части безразличными к нашей работе, нашим телам и нашим жизням. Помощник в лице человека знает, когда вы раздражены, устали, соскучились, проголодались или хотите спать. Помощник в лице человека знает, что для вас важно и чего вы хотели бы избежать. Системы ИИ учатся работать с контекстом, так что скоро и они будут уметь все вышеперечисленное не хуже человека. И хоть им пока не сравниться с человеком по степени эмпатии, в некотором смысле они уже его превосходят — и будут в тысячу раз дешевле.

Различные компании уже продемонстрировали системы ИИ, обладающие этими навыками. Microsoft Research построила систему ИИ, которая знает, что вы слишком заняты, чтобы принять вызов (и знает, какие звонки все равно придется принять), и автоматически назначает встречи на то время, которое вы сами предпочли бы. Другие компании вроде Angel.ai представили сервисы, которые выполняют поиск рейсов, отвечающих вашим предпочтениям и ограничениям, на основании простых запросов обычным разговорным языком.

Так же, как конфиденциальность и лояльность ценится среди людей, цифровые версии будут иметь успех только тогда, когда мы сможем доверить им свою безопасность и неприкосновенность частной жизни; они должны будут действовать в наилучших интересах пользователя, как только узнают, что это такое. Это интересный вызов сообществу ИИ.

Оптогенетика прокладывает дорогу к лечебной неврологии

Мозги, даже относительно простые, как у мышей, обескураживают нас своей сложностью. Нейрофизиологи и психологи могут наблюдать за тем, как мозг реагирует на различные виды стимулов, и даже составлять карту экспрессии генов по всему мозгу. Но не имея возможности контролировать процесс включения и выключения отдельных нейронов и других видов клеток мозга, ученые не могут объяснить, что делают эти клетки, по крайней мере не подробно. А без подробного понимания невозможно и лечение серьезных расстройств вроде болезни Паркинсона.

Ученые пытались использовать электроды для записи нейронной активности, и в некоторой степени это сработало. Но этот метод грубый и неточный, потому что электроды стимулируют каждый нейрон поблизости и не могут различать виды клеток головного мозга.

В 2005 году произошел прорыв, когда нейрогенетики продемонстрировали способ применения генной инженерии, чтобы заставить нейроны реагировать на конкретные цвета света. Эта техника, известная как оптогенетика, была основана на исследовании пигментных белков, известных как родопсины, 1970-х годов. Эти белки работают как ионные насосы, активируемые светом. Микробам, у которых нет глаз, родопсины помогают извлекать энергию и информацию из входящего света.

Добавив мышам один или больше генов опсина в конкретные нейроны, биологи смогли использовать видимый свет для включения и выключения отдельных нейронов по необходимости. За годы работы ученые разработали разные версии этих белков, отвечающих на разные цвета, от темно-красного до желтого и голубого. Помещая различные гены в различных клетках, они используют импульсы света разных цветов для активации одного нейрона и затем нескольких нейронов по соседству в точно установленной временной последовательности.

Это важное дополнение, поскольку в живых мозгах время решает всё. Сигнал, отправленный в один момент, может иметь совершенно противоположный эффект, если будет отправлен несколькими миллисекундами позже.

Изобретение оптогенетики значительно ускорило темпы прогресса в науках о мозге. Но эксперименты были ограничены сложностью доставки света глубоко в ткани мозга. Теперь же сверхтонкие гибкие микрочипы, беспроводные и размером едва ли больше нейрона, помещаются внутрь тканей мозга, чтобы взять нервы под контроль. Их можно поместить глубоко в мозг с минимальными повреждениями вышележащих тканей.

Оптогенетики уже отворили двери новым исследованиям расстройств мозга, включая тремор в заболевании Паркинсона, хроническую боль, повреждение зрения и депрессию. Нейрохимия мозга крайне важна для определенных состояний мозга, поэтому лекарства могут облегчать симптомы — но до определенного момента. Исследования в области оптогенетики также могут помочь там, где нарушен круговорот электричества в мозге, благодаря беспроводным микрочипам. Последние исследования показали, что в некоторых случаях неинвазивная светотерапия может отключать определенные нейроны, вызывающие хронические боли, чем обеспечивает хорошую альтернативу лечению опиоидами.