Автор оригинала: «Технологии будущего». Будущее наступит раньше, чем вы думаете. Эти новые технологии изменят наш образ жизни, то, как мы заботимся о своем теле, и помогут предотвратить климатическую катастрофу. В любой момент времени, пока вы читаете эту статью, ученые и инженеры создают технологии будущего и меняют мир вокруг нас – в большом и малом.

Мы не осознаем этого, так как привыкли к изменениям, но темпы прогресса за последние полвека в таких широких областях, как вычисления, медицина, коммуникации и материаловедение были нетипично-ошеломляющими.

Тем не менее, ни у кого нет личного реактивного ранца, работающего на вечном двигателе, поэтому работа должна продолжаться. Мы надели «дальновидные очки» нашего футуролога и составили список захватывающих технологий будущего, которые изменят наш мир: от бионических человеческих существ до изобретений, которые могут остановить климатический кризис.

Лабораторные молочные продукты

Наверное, вы слышали об искусственном мясе и стейках Вагю, выращенных клетка за клеткой в лаборатории, но как насчет других продуктов животного происхождения? Все больше биотехнологических компаний во всем мире исследуют лабораторные молочные продукты, включая молоко, мороженое, сыр и яйца. И многие думают, что они совершили прорыв.

Молочная промышленность даже близко не является экологически чистой. На нее приходится 4% мировых выбросов углерода, что больше, чем от авиаперелетов и судоходства вместе взятых. При этом растет спрос на более «зеленые» виды молока, которые можно было бы залить в наши чайные чашки и миски для хлопьев.

По сравнению с мясом, приготовить молоко в лаборатории не так уж и сложно. Вместо того чтобы выращивать его из стволовых клеток, большинство исследователей пытаются получить молоко с помощью ферментации, создавая молочные белки, сыворотку и казеин. Некоторые продукты от таких компаний, как Perfect Day, уже поступили на рынок США, и в настоящее время ведется работа по воспроизведению вкусовых качеств и питательных свойств обычного коровьего молока.

Помимо этого, исследователи работают над лабораторной моцареллой, которая идеально тает на поверхности пиццы, а также другими сырами и мороженым.

Цифровые «близнецы», следящие за вашим здоровьем

В сериале «Звездный путь», который повлиял на наше представление о технологиях будущего, люди могли войти в медицинский отсек и пройти цифровое сканирование всего тела на предмет признаков болезней и травм. По словам создателей сканера Q Bio, появление такого оборудования в реальной жизни улучшило бы состояние здоровья людей и в то же время снизило нагрузку на врачей.

Американская компания построила сканер, который будет измерять сотни биомаркеров примерно за час: от уровня гормонов, жировых отложений в печени и маркеров воспаления до любого из видов рака. Она намеревается использовать эти данные для создания трехмерного цифрового аватара тела пациента, известного как «цифровой двойник», который можно отслеживать с течением времени и обновлять при каждом новом сканировании.

Генеральный директор Q Bio Джефф Кадитц надеется, что это приведет к новой эре превентивной персонализированной медицины, в которой огромные объемы данных не только помогут врачам определять приоритеты пациентов, требующих осмотра в первую очередь, но также будут использоваться для разработки более сложных способов диагностики заболеваний. Прочитать интервью с ним можно здесь.

Искусственные глаза

Бионические глаза были основой научной фантастики на протяжении десятилетий, но теперь исследования реального мира начинают догонять дальновидных фантастов. На рынок выходит множество технологий, которые дают возможность видеть людям с различными нарушениями зрения.

В январе 2021 года израильские хирурги имплантировали первую в мире искусственную роговицу 78-летнему полностью слепому мужчине. Когда его повязки были сняты, пациент мог сразу же читать и узнавать членов семьи. Имплант естественным образом срастается с тканями человека, поэтому тело не отторгает его.

В 2020 году бельгийские ученые разработали искусственную радужную оболочку глаза, приспособленную к умным контактным линзам, которые корректируют ряд нарушений зрения. Ученые даже работают над беспроводными мозговыми имплантатами, для использования которых не нужно зрение.

Исследователи из Университета Монташа в Австралии трудятся над испытаниями системы, пользователи которой носят очки с камерой. Она посылает данные непосредственно на имплант, находящийся на поверхности мозга, и дает пользователю возможность видеть.

Аэропорты для дронов и летающих такси

Наши перегруженные города отчаянно нуждаются в передышке, и разгрузка может прийти со стороны воздушного пространства, а не дорог. Планы по созданию транспортного узла другого типа – для дронов доставки и электрических аэротакси – становятся реальностью: первый городской воздушный порт получает финансирование от правительства Великобритании.

Хаб, строящийся в Ковентри, станет пилотным проектом и, мы надеемся, доказательством концепции компании, стоящей за ней. Идея состоит в том, чтобы автономно получать энергию от водородного генератора и устранить необходимость в таком большом количестве грузовых и личных автомобилей на наших дорогах, заменив их чистой альтернативой в виде нового типа небольших летательных аппаратов, одними из разработчиков которых являются Hyundai и Airbus.

Инфраструктура также будет иметь большое значение. Управление гражданской авиации изучает возможность создания воздушных коридоров, которые могли бы связать центр города с местным аэропортом или распределительным центром.

Умные швы, обнаруживающие инфекции

Как врач узнает, инфицирована ли рана пациента? Он может подождать, пока у пациента появятся признаки инфекции, или поговорить со старшеклассницей из Огайо, которая разработала гениальное и спасающее жизнь изобретение.

В 17 лет Дасия Тейлор изобрела швы, которые меняют цвет с ярко-красного на темно-фиолетовый при инфицировании раны, обнаруживая изменение уровня pH кожи. Когда рана после травмы или хирургического вмешательства инфицируется, ее pH повышается с 5 до 9. Тейлор обнаружила, что свекольный сок естественным образом меняет цвет при pH 9, и использовала это в качестве красителя для шовного материала.

Хотя доступны и другие решения – умные швы, покрытые проводящим материалом, которые могут определять состояние раны по изменению электрического сопротивления и отправлять сообщение на смартфон – они менее полезны в развивающихся странах, где использование смартфонов не является широко распространенным.

Энергосберегающие кирпичи

Ученые нашли способ хранить энергию в красных кирпичах, из которых строят дома. Исследователи из Вашингтонского университета в Сент-Луисе разработали метод, который может превратить дешевый и широко доступный строительный материал в «умные кирпичи», которые могут накапливать энергию как аккумулятор.

Хотя исследование все еще находится на стадии подтверждения концепции, ученые утверждают, что стены, сделанные из таких кирпичей, «могут хранить значительное количество энергии» и «заряжаться сотни тысяч раз в течение часа».

Устройство на базе красного кирпича, разработанного химиками Вашингтонского университета в Сент-Луисе, зажигает зеленый светодиод © D’Arcy lab / Вашингтонский университет в Сент-Луисе

Исследователи разработали метод преобразования красных кирпичей в тип накопителя энергии, называемый суперконденсатором. Они наносили проводящее покрытие, известное как Pedot, на образцы кирпича. Покрытие просачивалось через пористую структуру обожженного кирпича, превращая его в «электрод, накапливающий энергию». По словам исследователей, очень помог в этом процессе оксид железа, являющийся красным пигментом кирпичей.

Умные часы с питанием от пота

Инженеры из Университета Глазго разработали новый тип гибкого суперконденсатора, который накапливает энергию, заменяя электролиты, содержащиеся в обычных батареях, человеческим потом.

Суперконденсатор может быть полностью заряжен всего лишь 20 микролитрами жидкости. При этом он достаточно прочен, чтобы выдержать 4000 циклов сгибания/разгибания, с которыми можно столкнуться при использовании.

Устройство работает путем покрытия полиэфирно-целлюлозной ткани тонким слоем полимера, который действует как электрод суперконденсатора. Когда ткань впитывает пот своего владельца, положительные и отрицательные ионы взаимодействуют с поверхностью полимера, запуская электрохимическую реакцию, которая генерирует электричество.

«Обычные батареи дешевле и их больше, чем когда-либо прежде, но они часто изготавливаются с использованием неустойчивых материалов, вредных для окружающей среды, – говорит профессор Равиндер Дахия, руководитель группы Bendable Electronics and Sensing Technologies (Best) из Университета «Инженерная школа Джеймса Ватта», в городе Глазго. – Утилизация носимых устройств может быть опасной, так как токсичные жидкости из поврежденной батареи способны попасть на кожу. То, что мы смогли сделать впервые, – это показать, что человеческий пот дает реальную возможность полностью избавиться от токсичных материалов и получить отличные характеристики зарядки/разрядки».

Самовосстанавливающийся «живой бетон»

Бактерии растут и минерализуются в песчано-гидрогелевой структуре © Colorado University Boulder / PA

Используя песок, гель и бактерии ученые создали то, что они называют «живым бетоном». Исследователи заявили, что этот строительный материал выполняет структурную несущую функцию, способен к самовосстановлению и является более экологически чистым, чем бетон – второй по частоте использования материал на Земле после воды.

Команда из Университета Колорадо в Боулдере считает, что их работа прокладывает путь для будущих строительных конструкций, которые смогут «залечивать собственные трещины, всасывать опасные токсины из воздуха или даже светиться по команде».

Живые роботы

© Дуглас Блэкистон / Университет Тафтса / Пенсильвания

Крошечные гибридные роботы, созданные с использованием стволовых клеток эмбрионов лягушек, однажды могут быть использованы для заплывания в определенные области человеческих тел, требующие лечения, или для сбора микропластика в океанах.

«Это новые живые машины, – сказал Джошуа Бонгард, ученый-компьютерщик и эксперт по робототехнике из Университета Вермонта, который стал одним из разработчиков миллиметровых ботов, известных как ксеноботы. – Это не традиционные роботы и не известные виды животных. Это новый класс артефактов: живой программируемый организм».

Осязаемая виртуальная реальность

Исследователи из Северо-Западного университета разработали прототип устройства, цель которого – сделать прикосновение ощущаемым внутри виртуальной реальности, используя гибкий материал, снабженный крошечными вибрирующими компонентами, которые можно прикрепить к коже.

Система, известная как эпидермальная VR, может быть полезна и в других случаях. Например, она способна передать прикосновение ребенка к дисплею члену его семьи, находящемуся в другой точке мира, или помочь людям с ампутациями вновь почувствовать касания. В играх она может предупреждать игроков, когда происходит удар по соответствующей части тела персонажа.

Устройство состоит из 32 вибрирующих приводов на тонкой силиконовой полимерной пластине размером 15 х 15 см, которая приклеивается к коже и не имеет больших батареек и проводов. Для передачи данных применяется технология связи ближнего радиуса (NFC), которая сегодня используется во многих смартфонах для мобильных платежей.

«В результате получилась тонкая и легкая система, которую можно носить и использовать неограниченное время», – говорит профессор Джон А. Роджерс, работавший над проектом.

Ученые надеются, что эта технология может, в конечном итоге, найти свое применение в одежде, позволяя людям с протезами носить рубашки виртуальной реальности, которые передают прикосновения кончиков пальцев.

Интернет для всех

Микроспутник Hiber

Кажется, что мы уже не можем жить без интернета, но все же только около половины населения земного шара имеет доступ к нему. Для этого есть много причин, в том числе экономические и социальные, но для некоторых интернет просто недоступен из-за отсутствия подключения.

Google достаточно медленно пытается решить проблему, используя гелиевые шары для покрытия интернетом недоступных прежде областей, в то время как Facebook отказался от планов сделать то же самое с помощью дронов, и это означает, что такие компании, как Hiber, имеют шанс перехватить инициативу. В Hiber использовали другой подход, запустив на низкую околоземную орбиту собственную сеть микроспутников размером с коробку из-под обуви, которые активируют модем, соединенный с вашим компьютером или иным девайсом, и передают данные в тот момент, когда спутник находится в зоне связи.

Их спутники обращаются вокруг Земли 16 раз в день и уже используются Британской антарктической службой для обеспечения доступа в интернет в самых дальних уголках нашей планеты.

Футболка для мониторинга сердечного ритма

Носимые спортивные браслеты, измеряющие частоту сердечного ритма, не являются чем-то новым, но, как показали многочисленные исследования, их точность может сильно варьироваться (особенно если вы полагаетесь на них при подсчете калорий). Это нормально, если вы просто хотите понять, насколько усердно тренируетесь, но для профессионалов точность – это все.

Новая футболка от компании KYMIRA, производящей интеллектуальные материалы, считывает параметры сердечного ритма, используя единственный проводник, напечатанный на ткани, который измеряет сердцебиение и загружает данные в облако через Bluetooth. Полученные данные обрабатываются алгоритмами для точного обнаружения нерегулярных сердечных сокращений, таких как аритмия, что может спасти вашу жизнь. Преимущества технологии могут прочувствовать не только спортсмены.

«Возможности, которые этот продукт предлагает как спортсменам, так и широкой публике, поражают, – говорит Тим Браунстоун, генеральный директор и основатель KYMIRA. – Мы планируем разработать версию данного продукта для использования в клинических целях, чтобы предупреждать о сердечном приступе тех, кто уже страдает сердечными заболеваниями».

Сила кофе

Кофейная промышленность Лондона ежегодно генерирует более 200 000 тонн отходов. Что же с этим делать? Идея предпринимателя Артура Кея состоит в том, чтобы с помощью своей компании bio-bean превратить 85% кофейных отходов в биотопливо для обогрева зданий и заправки транспорта. Компания уже является крупнейшим в мире переработчиком кофейных отходов. Она собирает кофейную гущу из крупных сетей и ресторанов, а также небольших кафе и доставляет ее на свой перерабатывающий завод в Кембриджшире. Там гущу сушат и обрабатывают, прежде чем использовать ее для создания гранул и дров для биотоплива, биопластика и ароматизаторов.

Утопить лесные пожары в звуке

Однажды с лесными пожарами можно будет бороться с помощью беспилотных летательных аппаратов, которые будут направлять громкий звук на деревья внизу. Поскольку звук состоит из волн давления, его можно использовать для разрушения структуры воздуха, окружающего огонь, перекрывая подачу кислорода к топливу. При правильной частоте огонь просто гаснет, как недавно продемонстрировали исследователи из Университета Джорджа Мейсона в Вирджинии, использовавшие звуковой огнетушитель. Видимо, лучше всего работают низкие частоты.

Искусственный интеллект – в роли ученого

Отрежьте голову плоскому червю, и вырастет новая. Разрежьте его пополам, и у вас будет два новых червя. Немного облучите его радиацией, и он восстановится. Ученые долгое время хотели выяснить задействованные при этом механизмы, но секрет все время ускользал от них. Подключение к делу искусственного интеллекта, спроектированного в Университете Тафтса, Массачусетс, позволило разгадать тайну регенерации плоского червя всего за 42 часа. В итоге была получена исчерпывающая модель того, как гены плоского червя позволяют ему регенерировать.

Хотя людям по-прежнему необходимо снабжать искусственный интеллект информацией, машина в этом эксперименте смогла самостоятельно создать новую абстрактную теорию – это огромный шаг к развитию сознательного компьютера и, возможно, знаменательный шаг в том, как мы проводим исследования.

Автомобильные аккумуляторы, заряжающиеся за 10 минут

На этом изображении показан аккумулятор с быстрой зарядкой, изобретенный Chao-Yang Wang Group © Chao-Yang Wang Group

Быстрая зарядка электромобилей рассматривается как ключ к их освоению, так как водители смогут остановиться на станции техобслуживания и полностью зарядить свой автомобиль за время, необходимое для того, чтобы выпить кофе и сходить в туалет – не дольше обычного перерыва.

Но быстрая зарядка литий-ионных аккумуляторов может привести к их разрушению, считают исследователи из Университета Пенсильвании в США. Это связано с тем, что поток частиц лития, известных как ионы, от одного электрода к другому, для зарядки устройства и сохранения энергии, готовой к использованию, не происходит плавно, при быстрой зарядке, при более низких температурах.

Однако ученые обнаружили, что если бы батареи могли нагреваться до 60 °C всего за 10 минут, а затем быстро охлаждаться до температуры окружающей среды, литиевые выбросы не образовывались, и можно было бы избежать теплового повреждения.

Конструкция батареи, которую они придумали, является самонагревающейся, при этом используется тонкая никелевая фольга, которая создает электрическую цепь, нагревающуюся менее чем за 30 секунд, с целью обогрева внутренней части батареи. Быстрое охлаждение, которое потребуется после зарядки аккумулятора, будет осуществляться с помощью специальной системы, встроенной в автомобиль.

Исследование, опубликованное в журнале Joule, показало, что такие батареи могут полностью зарядить электромобиль за 10 минут.

Беспилотные грузовики

Мы почти привыкли к идее беспилотных автомобилей еще до того, как увидели их на дорогах. По правде говоря, вы вполне сможете увидеть гораздо больше беспилотных грузовиков – в конце концов, именно логистика «заставляет мир вращаться». Они будут дешевле в эксплуатации, чем обычные большегрузы, будут двигаться более плавно и, следовательно, потреблять меньше топлива. Компьютеры никогда не устают и не нуждаются в комфортных перерывах, поэтому они смогут преодолевать более длинные маршруты. И они могли бы ехать колоннами, друг за другом, чтобы минимизировать сопротивление ветра.

Такие компании, как Mercedes и Peloton, уже изучают эти возможности, и, если обещанные выгоды будут реальны, грузовые компании могут обновить весь автопарк в одночасье. С другой стороны, это может мгновенно лишить работы водителей и даже сотрудников на стоянках для грузовиков, предназначенных для их обслуживания, но многие компании заявляют, что машинам по-прежнему будет нужен пассажир-человек, чтобы гарантировать безопасность грузов.

Искусственные нейроны на кремниевых чипах

Один из искусственных нейронов, в защитной оболочке, на кончике пальца © University of Bath / PA

Ученые нашли способ прикрепить искусственные нейроны к кремниевым чипам, имитируя нейроны в нашей нервной системе и копируя их электрические свойства.

«До сих пор нейроны были подобны «черным ящикам», но нам удалось открыть их и заглянуть внутрь, – рассказал профессор Ален Ногаре из Университета Бата, возглавлявший проект. – Наша работа меняет парадигму, потому что она обеспечивает надежный метод воспроизведения электрических свойств реальных нейронов в мельчайших деталях. Нашим нейронам требуется всего 140 нановатт энергии. Это одна миллиардная потребляемая мощность микропроцессора, по сравнению с другими попытками создать синтетические нейроны».

Исследователи надеются, что их работа может быть использована в медицинских имплантатах для лечения сердечной недостаточности и болезни Альцгеймера, поскольку для этого требуется очень мало энергии.

Плавучие фермы

По прогнозам ООН, к 2050 году в мире будет на два миллиарда человек больше, что увеличит потребность в продуктах питания на 70%. К тому времени 80% из нас будут жить в городах, и большая часть еды, которую мы потребляем в городе, станет привозной. Таким образом, фермы, пришвартованные в море или на внутренних озерах, недалеко от городов, определенно уменьшат путь продовольствия до потребителя.

Но как они будут работать? Проект архитектора Хавьера Понсе из Forward Thinking Architecture представляет собой трехуровневую конструкцию высотой 24 метра с солнечными батареями наверху для обеспечения энергией. На среднем ярусе на площади 51 000 м² выращиваются различные овощи, но вместо почвы для них используются питательные вещества из жидкости. Эти вещества попадают в нижний слой для кормления рыб, которые разводятся в замкнутом пространстве.

Одна умная плавучая ферма размером 350 х 200 м будет производить около 8,1 тонны овощей и 1,7 тонны рыбы в год. Агрегаты спроектированы так, чтобы соединяться вместе, что удобно, поскольку нам понадобится много ферм: например, один только Дубай импортирует 11 000 тонн фруктов и овощей каждый день.

Плейстоценовый парк

Российский ученый Сергей Зимов надеется воссоздать 12000-летнюю среду в парке дикой природы для травоядных (дикая лошадь и бизон), заменив вымершую мегафауну (например, мамонтов) современными гибридами. Зимов изучит влияние животных на окружающую среду и климат.

Почти идеальная изоляция

У большинства людей в западном мире есть две вещи: холодильник и мобильный телефон. Аэрогели могут произвести революцию в производстве и того, и другого.

Аэрогель – это материал с крошечными порами. Он создан путем удаления всей жидкости из геля, и поры в нем могут составлять до 95% от объема. Эти поры настолько малы (от 20 до 50 нанометров), что молекулы газа просто не могут «протиснуться» через них. В результате аэрогели не могут передавать тепло, представляя собой материал с невероятными изоляционными свойствами.

Необычные электрические свойства аэрогелей делают их также пригодными в качестве легких антенн для мобильных телефонов, спутников и самолетов.