據科學美國人雜誌報道，在不久的將來，人工智能(AI)將大大加快創新藥物和材料的發現。 先進的診斷工具將使越來越個性化的醫學成為可能。
增強現實(AR)將無處不在，將信息和動畫疊加在真實世界的圖像上，幫助我們處理日常任務，並幫助行業更有效地運作。
如果你生病了，醫生可以在身體裡植入活細胞，讓你的身體變成“藥物工廠”，治療你的疾病。你會吃到用幹細胞培育的人造牛肉、雞肉和魚類，大大減少畜牧業對環境的影響。
這些改變世界的想法以及構成今年“十大新興技術”的其他創意，都是由生物、無機化學、機器人和AI等領域的頂尖專家選出的。被選中的技術必須能在未來三五年內為社會和經濟提供重大幫助，必須具有潛在顛覆性，能夠改變行業或既定的行事方式。但它們必須處於相對早期的開發階段，還沒有被廣泛使用。
先來看看前五名。
01
AR技術無處不在
VR(虛擬現實)技術能讓人沉浸在虛構孤立的宇宙中。相比之下，AR則是將計算機生成的信息實時疊加在現實世界中。當你戴著裝備有AR軟件和攝像頭的設備時，無論是智能手機、平板電腦、頭盔亦或是智能眼鏡，程序會分析傳入的視頻流，下載大量關於場景的信息，並將相關數據、圖像或動畫以3D的形式疊加在上面。
眾多的消費應用(包括那些為外國遊客翻譯路標、使學生虛擬解剖青蛙、讓消費者看到椅子在起居室中的虛擬效果)已經具備AR功能，比如幫助你的汽車安全備份的顯示器和流行遊戲Pokemon GO。
在不久的將來，這項技術將使博物館愛好者召喚出類似全息圖的導遊，外科醫生將病人皮膚下的組織以3D的方式可視化，建築師和設計師以新穎的方式進行創作，無人機操作員通過增強圖像控制遠程機器人，新手在醫藥、工廠維護等領域迅速瞭解新任務。
在未來幾年，易於使用的應用程序設計軟件應該能擴大消費產品種類。不過，目前的AR在工業領域的影響最大，它是工業4.0的一個組成部分。
“工業4.0”是指通過將物理和數字系統集成，以提高質量、降低成本和提高效率的方式，對製造業進行系統性的轉型。例如，許多公司正在生產線上使用。AR可以在需要的時候提供正確的信息，從而減少錯誤，提高效率和提高生產力。它還可以將設備中的壓力可視化，並創建問題所在的實時圖像。
ABI Research、IDC和Digi-Capital等市場分析機構認為，AR技術即將成為主流。他們預計到2020年，AR的總市場價值(目前約15億美元)將增長到1000億美元。
包括蘋果、谷歌和微軟在內的科技巨頭都在為開發AR/VR產品及其應用投入大量財力和人力資源。風險投資也開始源源不斷，2017年AR和VR吸引的投資為30億美元。《哈佛商業評論》最近強調，AR技術是一項革命性的技術，將影響所有企業。
不過挑戰依然存在。
目前，硬件和通信帶寬的限制給消費者的日常使用帶來了障礙。例如，許多現有使用AR技術來增強體驗的博物館和旅行應用必須提前下載。即便如此，圖形質量也可能無法滿足用戶的期望。但隨著價格更便宜、速度更快的AR移動芯片的出現，更多的多功能智能眼鏡進入市場。
AR將加入互聯網和實時視頻行列，成為我們日常生活中的常態技術。
02
個性化醫療的先進診斷
今年，研究人員發現，有相當一部分患者的腫瘤具有表明它們可以安全放棄化療的特徵，並避免通常引發的嚴重副作用。
診斷工具的進步加速了許多疾病的個性化或精確治療的發展。這些技術可以幫助醫生檢測和量化多種生物標誌物(標示疾病存在的分子)，將患者分成不同的亞組，這些亞組在對疾病的易感性、預後或對特定治療的反應可能性方面存在差異。早期的分子診斷工具著眼於單個分子，例如糖尿病患者的葡萄糖。
然而，在過去的十年裡，“組學”(omics)技術取得了巨大的進步，能夠快速、可靠、廉價地對個人的整個基因組測序，或者測量體液或組織樣本中所有蛋白質(蛋白質組)、代謝副產物(代謝組)或微生物(微生物組)的水平。
該技術的常規應用同時開始產生巨大的數據集，AI可以挖掘這些數據集，以發現對臨床有用的新的生物標記。這種高通量組學技術與AI相結合，正在引領先進診斷技術的新時代，這將改變人們對許多疾病的理解和治療，使醫生能夠根據單個患者的分子特徵定製治療方法。有些先進的診斷技術已經應用於癌症。
目前，通過臨床醫生對症狀的主觀評估來診斷的大腦紊亂，如自閉症、帕金森症和阿爾茨海默症，血液測試正在開發中。研究人員甚至在探索是否能對整個基因組進行測序，分析微生物群落，測量健康人體內數百種蛋白質和代謝物的水平，從而為這些人如何預防疾病提供個性化的指導。
需要提醒的是，醫療機構和使用這種診斷工具的研究人員，必須嚴格執行保護病人隱私的保障措施。此外，還需要明確的管理準則，以一致的方式評估生物標誌物作為診斷工具的價值。這些指導將加速將新的生物標誌物引入醫療實踐。即便如此，先進的診斷技術已經開始瓦解診斷和治療疾病的標準。
通過引導病人接受最有效的治療，他們甚至可以減少醫療支出。將來，許多人可能會擁有生物標記數據的個人雲，隨著時間的推移，這些數據將積累起來，並幫助提供個性化治療。
03
分子設計AI
想要設計新的太陽能材料、抗癌藥物或者能阻止病毒攻擊農作物的化合物嗎?
首先，你必須解決兩大挑戰：為這種化合物找到正確的化學結構，以及確定哪些化學反應將正確的原子連接到所需的分子或分子組合中。
這個過程非常耗時，並且涉及許多失敗的嘗試。例如，某個綜合計劃可以有數百個單獨的步驟，其中許多步驟會產生副反應或副產品，或者根本不起作用。
然而現在，AI開始提高設計和合成的效率，使這個過程變得更快、更容易、更便宜，同時減少化學廢物。
在AI中，機器學習算法分析所有已知的過去實驗，這些實驗試圖發現併合成感興趣的物質。基於它們所識別的模式，這些算法可以預測潛在有用的新分子結構以及製造它們的可能方法。
沒有任何單獨的機器學習工具可以在按下按鈕時就能完成所有這些工作，但AI技術正在迅速進入藥物分子和材料的現實設計世界。
在製藥領域，基於AI的“生成機器學習”技術也令人興奮。大多數製藥公司儲存了數以百萬計的化合物，並對它們進行篩選，以確定其作為新藥的潛力。但是，即使有了機器人技術和實驗室自動化工具，這種篩選過程也是緩慢的，而且產生的結果也相對較少。
BenevolentAI將AI應用於整個藥物開發過程，從新分子的發現到臨床試驗的設計和分析，旨在人類身上證明安全性和有效性。在材料領域，Citrine Informatics等企業正在採用與製藥企業類似的方法，並與BASF和松下等大公司合作，以加速創新。美國政府也在支持AI設計的研究。自2011年以來，美國已在材料基因組計劃(Materials Genome Initiative)上投資逾2.5億美元。該計劃正在建立包括AI和其他計算方法在內的基礎設施，以加速先進材料的開發。
過去的經驗告訴我們，新材料和化學品可能對健康和安全造成不可預見的風險。幸運的是，AI方法應該能夠預測並減少這些不良結果。這些技術似乎可以顯著提高新分子和新材料被發現並投入市場的速度和功效。在市場上，它們可能提供諸如改善醫療和農業、更大程度地節約資源、提高可再生能源生產和儲存等好處。
04
可辯論和提供指導的AI
如今的數字助手有時會欺騙你，讓你相信它們是人類，但更強大的數字助手正在到來。Siri、Alexa等使用複雜的語音識別軟件來識別你的請求和如何提供相應信息，它們會生成聽起來很自然的語音，給出符合你問題的腳本答案。
這樣的系統首先必須經過“訓練”，而且適當的響應必須由人類編寫並組織成高度結構化的數據格式。這項工作非常耗時，而且會導致數字助手在執行任務時受到限制。這些系統可以“學習”但程度有限。即便如此，它們仍然令人印象深刻。
在複雜性更高的層次，技術正在開發中，以便讓下一代數字助手來吸收和組織更多的非結構化數據(原始文本、視頻、圖片、音頻、電子郵件等)，然後自動組成有說服力的建議或充當辯論對手，應對它們從未被訓練過的問題。我們已經在許多提供聊天機器人的網站上看到這種功能，這些聊天機器人可以用自然語言回答問題，涵蓋了他們訓練過的各種數據集。
這些聊天機器人在特定問題或請求方面需要相對較少或根本不需要培訓，它們結合了預先配置的數據和“讀取”提供給它們的相關背景材料的緊急能力。然而，在做出高度準確的反應之前，它們確實需要些識別語言和意圖的訓練。
非腳本AI系統對公認的人類專家的勝利打開了無數相關應用的大門，這些應用可能在未來三到五年甚至更短的時間內出現。例如，這樣的系統可以幫助醫生迅速找到與複雜病例相關的研究，然後討論給定治療方案的優點。這些智能系統將只對組合現有知識有用，而不是像實驗室科學家或專家那樣創造知識。儘管如此，
隨著機器變得越來越智能，它們還是增加了失業擔憂。05
植入式製藥細胞
許多糖尿病患者每天會刺幾次手指來測量血糖水平，並決定他們需要的胰島素劑量。通常在體內製造胰島素的胰臟細胞植入物，也就是所謂的胰島細胞，會取代這個繁瑣的過程。
同樣，細胞植入物可以改變其他疾病的治療，包括癌症、心力衰竭、血友病、青光眼和帕金森氏症。但是細胞植入有個缺點，即接受者必須無限期地服用免疫抑制劑來防止免疫系統的排斥反應。這類藥物會導致嚴重的副作用，包括增加感染或惡性腫瘤的風險。
幾十年來，科學家們發明了一種方法，將細胞包裹在半透性的保護膜中，防止免疫系統攻擊植入的細胞。這些膠囊仍然允許營養物質和其他小分子流入，需要激素或其他治療蛋白流出。然而，不讓這些細胞受到傷害是不夠的，如果免疫系統認為這種保護性物質本身是外來的，它將導致疤痕組織在膠囊上生長。這種“纖維化”會阻止營養物質到達細胞，從而殺死它們。
現在研究人員開始解決“纖維化”挑戰。例如，2016年，麻省理工學院的研究人員發現了新方法，可以使植入物對免疫系統不可見。在生產和篩選了數百種材料後，研究人員確定了一種名為藻酸鹽的凝膠化學物質，它在人體中有很長的安全使用歷史。當他們將這種凝膠中的胰島細胞植入糖尿病小鼠體內時，它們會立即釋放胰島素，以應對血糖水平的變化，在6個月的研究過程中成功控制了血糖水平，未見纖維化。在另一項研究中，研究人員後來報告說，在巨噬細胞上阻斷一個特定的分子可以抑制瘢痕形成，巨噬細胞是重要的纖維化免疫細胞，添加這種阻滯劑可以進一步提高植入物的存活率。
現在已經有公司專門開發封裝細胞療法。其中Sigilon Therapeutics公司正在推進麻省理工學院開發的用於糖尿病、血友病等代謝紊亂疾病的治療技術。美國禮來製藥公司(Eli Lilly)正與Sigilon合作開展糖尿病研究。
如今，被整合到膠囊中的細胞是從動物或人類屍體中提取的，或者是從人類幹細胞中提取的。將來，植入性細胞療法可能會包含更廣泛的細胞類型，包括通過合成生物技術改造而成的細胞，這些生物技術可以重組細胞的遺傳基因，使其執行新的功能，比如控制特定藥物分子按需釋放到組織中。封裝細胞療法的安全性和有效性都沒有在大型臨床試驗中得到證實，但這些跡象令人鼓舞。
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