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盘点2014年度十大技术创新产品_0

2019-06-09 14:04编辑:admin人气:


  虽然新技术永远蕴含着风险,但积极的突破能催生创新的解决方案,帮助应对迫切的各项挑战,发现更新奇的世界。回顾即将过去的2014年,在工业4.0的浪潮下,科技革命和产业变革正在孕育兴起,全球科技创新呈现出新的发展态势和特征。让我们一起看看那些悄悄接近我们的十大新技术产品。

  批量生产人体器官零件的3D打印机

  将人体器官变成产品,通过流水线生产,最后飞入寻常百姓家,这样的构想以前只能是天方夜谭。近期,俄罗斯、美国等国家在这一课题上各自取得了一些成果,为因器官短缺而无法进行移植手术的患者们带来了生的希望。

  据俄罗斯网站2月16日报道,在俄罗斯乌拉尔地区首府叶卡捷琳堡,开设了一个独特的实验室。在那里,科学家们结合自身以及国外同行的经验,利用需要更换器官者自身的人体细胞进行人体零件的生产,通过3D打印技术成功印制了一块软骨和耳朵。参与实验的生物学家认为,如果他们接下来的计划生产一个健康的肾脏能够成功的话,那么其他的人体器官生产问题也将迎刃而解。届时将有特种机器人昼夜培植人类细胞作为原材料,用以制造所有必要的人体器官从移植烧伤的皮肤到生命重要器官。

  与此同时,美国的一名科学家也利用车祸事故遇难者严重受损的肺部作为原材料,成功培育出了人造肺。据美国《休斯顿纪事报》2月14日报道,负责人尼科尔斯剥离了受损肺部的全部组织,只留下胶原蛋白和弹性蛋白充当骨架。接着,科学家将从其他肺部中选取的健康细胞附着在骨架上面,再把整个结构放入营养液中,促进细胞生长发育。大约4周后,人造肺部竟真的被培育出来。

  与俄罗斯、美国不同,法国巴黎蓬皮杜欧洲医院使用了生物活性组织与电子元件相结合的方式,制造出了一个重约2磅(0.9千克),约是人类心脏3倍重的人造心脏,并于日前完成了世界医学史上第一例人工心脏移植手术。目前,病人已经苏醒,各项指标反应正常,更为周密的观测正在进行之中。阿兰卡尔庞捷表示,这颗人造心脏表面部分选用了牛的组织,心脏内部装有电子传感器,能够根据患者活动情况对血压进行调节。若它能让病人恢复正常的社会生活,在不久的将来,这一技术将会每年帮助成千上万等待器官捐赠的病人。到那时,他们会将此发展为一个行业,实现人造器官的批量生产,甚至还计划携带着成品在证券交易所上市。

  尽管对于人造器官的研究尚处在初级阶段,经过几十年甚至上百年的发展,人类能否实现人造器官批量生产这一问题,将会变得清晰起来。

  发电可以抵个三峡大坝的摩擦发电机

  摩擦起电效应,是自然界中最常见的现象之一,它是由两种不同材料经过相互摩擦而使其接触表面带电的现象。

  2012年1月以来,中科院北京纳米能源与系统研究所首席科学家王中林科研团队设计出一系列摩擦发电机。经过两年时间,最初摩擦发电机的输出电流和功率并不理想的问题已经被成功克服。研究人员发现,摩擦发电机的两个工作部件在相互滑动的过程中,电极之间的电荷转移量可以通过材料表面有序图案化得到极大提高,并和图案密度呈准线性关系。

  因此,他们设计出一种图案化阵列结构,使摩擦发电机的输出功率产生了质的飞跃。最新的摩擦发电装置由平面化的圆形定子和转子两部分组成,采用表面图案化的摩擦层和电极层,通过旋转式接触的驱动设计实现了1.5W的平均输出功率,获得了高达24%50%的能量转化率。

  摩擦发电机的独特结构为收集两物体间的相互滑动提供了可行甚至唯一的方案,这也是传统发电机所不能比拟的。不仅如此,摩擦发电机还具有大规模收集和转化自然界中机械能的潜力,有望成为绿色能源供给的全新途径。

  收集自然界中的机械能是摩擦发电机最大的设想。王中林介绍,要收集海水浮动的机械能并不十分容易,随着风向的变化、潮汐的涨落,海水的流动是无法控制的。因此,虽然人们都知道海水中蕴藏着巨大的能量,但是至今仍没有一种合适的办法对其进行收集。对此,王中林认为摩擦发电机或许能够解决这个问题,在幅面1平方公里、深5米的海水中,每隔10厘米放置一个球形摩擦发电机。按照每个球形摩擦发电机的输出功率为1毫瓦计算,海水一天24小时昼夜不停地流动,理论上可持续发出近100万瓦的电,能够点亮10万盏电灯。以此类推,如果大规模的将这种装置置于海中,其发电量将十分可观,当摩擦发电机的覆盖面积达到2万平方公里,其发电量可以与三峡大坝的发电量相媲美。海水浮动的机械能是十分稳定的,它在昼夜或季节变化时浮动不是太大。

  比一粒盐小500倍的纳米发动机

  9月12日消息,据媒体报道,美国德克萨斯大学奥斯汀分校科克雷尔工程学院科学家造出了迄今世界上最小、最快,而且运转时间最长的微型发动机。该发动机比一粒盐要小500倍,能把电能转化为机械运动,达到每分钟18000转,相当于喷气式飞机上发动机的转速,而且能连续旋转15小时。而其他纳米发动机每分钟只有14到500转,只能转几秒到几分钟。

  该校机械工程副教授冬蕾艾玛范领导的研究小组成功设计、组装了这种高性能纳米发动机,并在非生物系统中进行了测试。纳米发动机由三部分组成,能迅速混合、泵出生化药剂,并能在液体中运动,这些特征在未来应用中非常重要。这种纳米发动机是开发微型机器的重要一步,微型机器能注入人体内,控制胰岛素以治疗糖尿病,瞄准或攻击癌细胞而不伤害其他正常细胞。

  虽然微型机器尚未发明出来,但拥有大驱动功率的、超高速纳米发动机已经制造成功。

  纳米发动机从各角度来量都不超过1微米,很适合在人体细胞内工作。为了测试其药物释放能力,研究人员在它表面涂了一层生化药物纳米粒子,然后开始旋转。结果发现发动机转得越快,药物释放得越快。我们能通过转速来制定和控制分子释放速度,这也意味着我们的纳米发动机是第一款能控制药物释放的机器。范说,我们认为,这有助于促进药物递送、细胞间通讯的研究。

  研究人员认为,在不久的将来,他们的纳米发动机就能带来一种控制生化药物在活细胞中释放的新方法。目前,他们计划用活细胞来测试该纳米发动机,检验它们以可控方式递送药物的能力。

 最新核聚变装置 简洁有效成本低

  据媒体报道,目前,美国华盛顿大学工程师表示,最新设计一种核聚变反应堆,如果扩大至发电站等级,将相当于煤电厂的电能输出,但成本明显降低。

  此前还没有人提出核聚变发电厂的设计,它将成为一种新型能量产生方式。华盛顿大学航空航天系托马斯-乔博伊(ThomasJarboe)教授将这项设计方案在本周召开的国际原子能机构聚变能会议上公布,他指出,该设计方案将最有效地制造成本低廉的核聚变能量。

  该设计基于现有技术,在一个放置等离子的密闭空间中建造一个磁场,完成核聚变反应,使炽热等离子反应和燃烧。这个核聚变反应堆具有自维持性,意味着它能够持续加热等离子,保持热核反应状态,实现无限能量供应。

  反应堆产生的热量将加热冷却液,用于旋转涡轮并产生电流,这类似于典型的动力反应堆工作原理。研究同事德里克-萨瑟兰德(Derek Sutherland)说:这是一种非常简洁有效的能量制造方案。

  据悉,这一最新设计被称为spheromak,是通过驱动电流进入等离子产生磁场,这将减少需求物质的数量,使研究人员能够缩小反应堆的尺寸大小。并且目前最新设计的核聚变反应成本较低,仅是Iter的十分之一,产生的能量却是它的5倍。

  电力传送效率提升五倍的超导线缆

  超导电缆使用高温超导线材的高温超导电缆损耗低,不用绝缘油,没有环境污染,使用方式灵活,可以减少电力运行成本。高温超导电缆比常规电缆所传送的电力要高三到五倍(相同截面时),可以满足城市不断增长的电力需求。

  日本研究团队开发出一种新型超导电缆。该电缆可输送275千伏高压电,几乎是以往超导电缆的2倍。

  据消息,日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)与古河电器工业等研究团队发表声明称,已研制出世界最高水准超导电缆。使用该电缆可输送以往超导电缆约2倍的高电压。

  该研究团队称:预计亚洲新兴国家用电量将增加,2020年该超导电缆可应用在亚洲新兴国家和日本国内城市。

  电缆在超低温冷却情况下,会发生零电阻的超导现象,可大幅度减少输电损失。该研究团队对绝缘导体进行改良,开发出可输送以往超导电缆约2倍(275千伏)的高压电。据估算,使用该新型电缆输电损失将低于普通铜线电缆的四分之一。

  高温耐火纸 打破纸包不住火的历史

  自古以来,火就是纸的天敌,大火曾无数次吞噬人类宝贵的纸质文物,顷刻间将其化为灰烬。然而,这一切或将很快迎来新的变革。中科院上海硅酸盐研究所已成功合成出一种高柔韧性、可耐1000℃以上高温的新型无机材料纸张羟基磷灰石耐火纸。相关研究成果已在国际权威性学术期刊《欧洲化学》上发表。

  据介绍,高柔韧性耐火纸表面呈柔和的乳白色,与普通纸张相比,耐火纸的制作原理相似,只是制作材料有所不同。它不仅可以作为永久和安全的信息存储介质将重要文字、文件及档案等长期保存,还可作为从废水中有效去除有机污染物的可再生吸附剂、药物控释载体、骨缺损修复材料、医用纸、阻燃材料和耐高温材料等。

  易变色、易燃烧是传统纸张的致命软肋。为了能够制造出360度无死角的完美纸张,由中科院上海硅酸盐研究所研究员朱英杰带领的科研团队经过6年时间的不懈努力,终于找到了理想的制备材料具有可控构造的羟基磷灰石纳米材料。

  羟基磷灰石是一种天然矿物质,它是脊椎动物骨骼和牙齿的主要无机成分,具有优良的生物相容性和环境友好性,本身呈现优质的白色,具有长久保存不易变色的优良特性,有利于纸质文件的长久保存。朱英杰说。

  虽然在解决变色问题上,羟基磷灰石很奏效,但它的弊端也非常明显脆性很高、韧性很低,因此一个巨大的挑战就是如何提高羟基磷灰石材料的柔韧性。

  通过反复实验,朱英杰科研团队最终找到了一种新的制备方法:以油酸钙为前驱体,制备出可精确调控的羟基磷灰石超长纳米线,并以此作为新型纸张的构建材料,采用简单的真空抽滤技术,制备出羟基磷灰石耐火纸。

  朱英杰介绍,目前,这种高柔韧性羟基磷灰石耐火纸还仅限于实验室规模的制备。科研团队正考虑进一步改进和优化羟基磷灰石超长纳米线的合成方法,使其进一步向低成本和批量化方向推进,期望为未来可能的规模化生产提供技术支撑。可以预期,在不久的将来,如果高柔韧性羟基磷灰石耐火纸能够实现大规模生产和使用,它不仅能够大幅度减少人类对传统植物纤维素纸的依赖,使大规模森林等宝贵的自然资源得以保全,还能从一定程度上减少环境污染,从而对未来人类社会和环境产生重要而深远的影响。

  全球首个完整小型化的光纤传感器

  欧盟资助的一个名叫智能纤维(SmartFiber)的研究项目,研制出首个完整的、小型化的光纤传感器系统,可以完全嵌入纤维增强复合材料中。

  这个项目利用RFID无线通讯,将数据传输到光纤传感器网络。这些光纤传感器网络嵌入在纤维增强复合材料中。这个项目旨在开发一个足够小的结构健康监测系统即毫米级,可嵌入到制造飞机、卫星、桥梁、石油和天然气井、风力涡轮叶片、船体和螺旋桨的复合材料中去。目标是生成一个连续的复合材料结构数据,方便技术人员进行结构健康监测,决定什么时候需要维护,并预警可能的结构失效。

  该研究团队开发了一个压力传感器,包括嵌入式光纤传感器和嵌入式纤维信号应答机。通常的外部信号应答机,需要采用纤维连接嵌入式传感器。这个系统消除了潜在的脆弱的纤维隐患。该系统选用光纤布拉格光栅(FBG)传感器而非其他应变监测选择技术,如经典的电子应变仪,是因为FBG系统具备紧凑、轻质、抗电磁干扰(EMI)、高耐腐蚀、高温操作和多路技术能力的优点。这种光纤布拉格光栅(FBG)传感器有一个非常小的直径,在断裂时有极端的伸长率,为尽可能减少对复合材料强度的影响而专门设计。

  智能纤维项目的主要目标之一就是开发出一个可以很容易地融入工作生产环境,同时降低成本的嵌入式传感器系统。该研究团队开发的自动光纤复合材料技术是用了硅基精密加工工艺,将传感器网络嵌入复合材料。该传感器系统的核心是光子集成电路。电路中排列波导光栅作为分光计,与纤光栅传感器的信号应答机精确连接。

  实现非接触式高级手势控制的新一代传感器

  Silicon Laboratories(芯科实验室有限公司)日前宣布推出面向人机界面(HI)应用的新一代红外线(IR)和环境光传感器。Silicon Labs Quick Sense HI产品组合的最新成员Si114x系列产品,为业界最高灵敏度、高效节能以及最远感应距离的接近传感器。采用极小的2mm2mm封装,Si114x传感器能够用于手机、电子阅读器、上网本、平板电脑、个人媒体播放器、玩具、办公设备、工业控制、安全系统、销售终端和许多其他设备,实现高级的接近感应和非接触式界面。

  接近传感器的检测距离和灵敏度是由系统的信噪比(SNR)决定的;SNR越高,距离越远。多种可变因素影响系统的SNR,包括环境噪声/光线补偿、光电二极管灵敏度、滤波和模数转换器(ADC)架构。虽然竞争对手的解决方案可能会克服这些因素中的一或两个,但是专利申请中的Si114x架构克服了所有这些可变因素,从而使噪音最小化,性能最大化。Si114x系列产品的联合架构优化获得了非常高的系统SNR,从而使Si114x接近传感器获得了业界最远感应距离、最高灵敏度和最快数据采集速度。

  Si114x系列产品凭借其业界领先的灵敏度使得开发人员能够在半透明的产品覆盖物后面灵活的放置红外传感器。完备的IR感应架构也可在日光下工作,它包括一个环境光传感器,能够感应高达128kilolux的光照度。此外,Si114x系列产品的先进架构能够在25s内完成接近感应测量,减少了极其耗电的红外发光二极管的开启时间,从而实现了业界最低的系统功耗相较于其它解决方案低了20倍。

  Si114x系列产品包括可选的最多三个红外线LED灯驱动器,开发人员可以自由的实现检测距离超过50cm的一维HI系统或检测距离高达15cm的具有手势感应能力的多维系统。Si1142和Si1143器件分别具有两个和三个红外线LED驱动器,能够实现高级动作和手势感应。通过两个集成的LED驱动器,Si1142支持用于非接触式滑动条界面的Z轴和X轴动作感应。而Si1143支持三个LED驱动,能够在多维非接触式控制中实现创新的三维动作感应。

  与Silicon Labs电容式触摸感应微控制器(例如F700、F800或F99xMCU)提供的智能控制相结合,Si114x传感器能够用于多种动作和手势检测,以及目标物体距离校准应用。Si114x器件的感应模式提供有用信息给MCU,用以确定背景光类型,如日光、荧光灯光或白炽灯光。这种信息在许多应用中非常有用,可改善IR接近感应、优化红外感应功耗、增强显示设备的背景亮度调节功能,以及控制系统内的其他设备。

  云机器人

  美剧《超脑特工》里一个名叫Gabriel的特工,在自己的大脑植入了一块芯片,就能够实时地和泛在地与互联网络联接,只要在没有被屏蔽的情况下,可在任何时间、任何地点进行搜索和计算。

  当然这是发生在科幻影视中的情景,但现实中的机器人平台已实现。因为机器人天然地就具备控制系统和芯片,可方便地与互联网进行联接。云机器人就在网络日益发达、云计算日益成熟的今天应运而生。

  目前,云机器人已成为机器人领域中最前沿的技术。部分工业机器人,以及当下大热的Nao机器人、Kiva机器人、谷歌的无人驾驶汽车、亚马逊的四旋翼无人机运输系统、达芬奇的手术系统及PR2,都属于云机器人。它们身上应用了机器人领域最优秀的技术。

  同时,它们身上都有接入无线网络的设备,这些机器人能实时地与互联网络进行连接。为了实现如图所示,工程师们进行了大量的技术革新。

  从遥操作机器人系统发展到网络机器人系统,多机器人可以在同一网络进行相互协作。虽然存储和计算尚发生在机器人本体,但是机器人之间可经由通讯相互协调,共同完成复杂任务,这是网络机器人技术。云计算出现后,它进化成云机器人。

  云机器人出现的时间并不长,许多国家很重视对它的研究开发,直到最近1~2年国内才有研究,但是不乏成功案例。在国家863项目的支持下,南开大学从2012年开始,花了两年时间,成功研制出云架构家庭服务机器人系统。

  云机器人是云计算与机器人学的一个结合。如同其他网络终端一样,机器人本身并不存储所有的资料信息或具备超强的计算能力,但可在需要时连接相关的服务器,并获得所需信息。

  云计算这里是针对机器人机载计算能力的限制而言。一个机器人所能装载的计算单元是有限的。而许多问题恰恰需要具备更多的计算能力才能够解决。比如说基于视频的识别、音频的互动,或对一堆混杂在一起的事物进行分类,这对机器人来说是很困难的,需要大计算量。在云环境下,机器人需要运用统计学上的一个方法信任空间(Believespace)进行问题的求解。它开始需要运用到概率分布的方法来对环境、传感器和运动进行建模,而Believespace是一种有效地快速求解的形式。

  柔性压力传感器

  大面积使用、同时又具有与迄今性能最好的装置相媲美的灵敏度的柔性压力传感器,这些装置(它们制造简单、成本低)让我们离高性能柔性压力传感器在真实装置如人造皮肤中的使用更近了一步。

  柔性压力传感器已受到很大关注,它们使人造皮肤(监测从关节运动到脉搏的压力刺激)成为可能。这类装置设计中很多迄今都依赖复杂的、昂贵的制造工艺,从而限制了它们在现实中的应用。WenlongCheng及同事报告了由夹在两个薄聚合物电极之间、嵌入了金纳米线的棉纸构成的一种柔性压力传感器。他们证明这种传感器与迄今性能最好的传感器一样灵敏,同时也演示了其用作麦克风和用于监测心率的应用。重要的是,它们的设计使其本身能够低成本地、简单地大面积制造,同时耗电量又很低。

  这些传感器使我们离实现包括柔性触摸屏显示器、人-机界面装置和人造皮肤在内的未来电子装置更近了一步。

(来源:未知)

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