过去的一两年，我们所生活的这个世界经历了前所未有的巨大变革。
一方面，新冠疫情让我们发现，疾病面前，人人平等。传染病不再只是欠发达地区的专有名词，而是已经在全世界范围内夺走了数百万条生命的现实危机。新冠病毒的肆虐更是加重了其它疾病的防治难度。疟疾，这个人类历史上最恐怖的杀手之一，正在全球一半人口生活的地方卷土重来。
另一方面，气候变化对我们生活的威胁正越来越显著。过去几年，全球各地的史上“最严重自然灾害”“最高气温”等记录持续不断地被刷新着。仅仅一场极端天气事件，就足以抹平一个发达经济体一年的 GDP 增长。最新数据显示，只需要二十多年，气候变化就可能让全球 GDP 衰退接近两成。
此外，在前些年带给了我们巨大惊喜的信息技术革命，则进入了需要攻坚克难的“深水区”。许多之前没有得到解决的问题，正变得越来越无法忽视：人工智能在工业界和科学界的应用遇到了不少的实际困难，而被不少人认为代表了人类金融未来的加密货币，其采矿所排放的温室气体已经超过一个中等发达国家的排放量。
然而，只要有问题，就会有人站出来解决。
从二十一年前开始，《麻省理工科技评论》推出了年度“十大突破性技术”（10 Breakthrough Technologies）。不少在当年初露峥嵘的技术，如今已经深刻改变了我们生活。数据挖掘（2001 年）让数据成为了新世纪的生产力，智能软件助理（2009 年）已经成为了 Siri、各种助手、精灵等陪伴我们的小伙伴，深度学习（2013 年）让人工智能走进了千家万户，可回收火箭（2016 年）则已经彻底改变了航天工业的面貌。
自 2019 年比尔·盖茨加入评选以来，我们开始更加侧重于谋求和提升人类福祉的新技术。其中最典型的例子就是 mRNA 疫苗（2021 年），这项革命性的、定制化开发疫苗的技术，已经在新冠疫情中拯救了亿万人的生命。
今年，也不例外。
面对传染病的肆虐，人类的“武器库”正在逐渐丰富起来。新冠变异追踪技术时刻监控着病毒的变异，让新冠病毒成为了史上被测序最多的生物；方便服用的新冠口服药则试图为人类筑起一道应对这种疾病和未来更多疾病的坚实屏障；至于又开始抬头的疟疾疫情，疟疾疫苗的进展则有望将其致死率降低 70% 之多。
面对气候变化，人类也终于开始以前所未有的团结、勇气和决心，共同应对挑战。长时电网储能电池试图突破电池的成本瓶颈，让更多的可再生能源为人类提供清洁电力；实用型聚变反应堆离生产出近乎取之不尽、用之不竭的安全清洁能源又近了一步；除碳工厂则聚焦于人类的历史排放，希望可以让已经排放到大气中的二氧化碳重新回到地下。
在计算机和信息科学领域，进步也从未放慢脚步。AI 蛋白质折叠用算法和算力解决了困扰生命科学领域 50 年的问题；AI 数据生成则试图面对一个一直以来未曾引起足够重视的基础性问题：数据偏见；终结密码有望绕开已经不够强大的密码，继续保护我们的信息安全；而加密货币的 PoS 权益证明技术，则试图颠覆旧有的证明方式，让交易的能耗大幅降低。
我们的评委比尔·盖茨坚信，未来依然是美好的，我们也应该为美好的未来而继续奋斗。我们也希望，在看完今年的评选结果以后，你也能有同样的感受，获得同样的力量。
此次 2022 年《麻省理工科技评论》“全球十大突破性技术”发布会由杭州未来科技城（海创园）管委会主办，DeepTech协办，将在杭州未来科技城举办。
杭州未来科技城是国家四大科技城之一，拥有多个重大科技创新平台，是高新技术企业和高科技人才的集聚地。尤其是近年来，杭州未来科技城根据新一轮高质量发展战略行动规划，聚焦“万千人才成长摇篮、万家企业战略同盟、万亿营收产业平台”建设，正加速集聚人才项目、不断迸发创新活力，进而推动经济实力持续增长。
而此次 2022 “十大突破性技术”的发布，将为未来科技城构建科技人才高端矩阵、抢占科创“尖峰”开辟一条新路径；同时，也将加速推动未来科技城成为全国科技创新策源功能的主引擎，以及引领经济高质量发展的主力军。
以下是榜单详细内容解读：
新冠口服药
A pill for COVID
重大意义：易于服用的治疗严重的 COVID-19 的药片也可能对下一次大流行病起作用。
主要研究者：默克，辉瑞，Pardes Biosciences
技术可实现性：已实现
还记得唐纳德·特朗普（Donald Trump）服用的治疗疟疾的羟氯喹，以及将人们送到毒物控制中心的马用驱虫剂伊维菌素（ivermectin）吗？这些药物对新冠肺炎 COVID-19 并不有效。但是，人们还是迫切地希望它们是有效的。吞下一粒药丸就能使病毒消失，这是一个朴素的愿望。
现在，这个愿望变成了现实：通过使用截然不同的方法来设计药片以阻止新冠病毒。事实证明，新的方法确实有效。感染几天的病人服用辉瑞公司的一种抗病毒药物后，可将住院的几率减少 89%。美国政府已经订购了价值 100 亿美元的这种名为 Paxlovid 的新药。
新的药片并不只是在黑暗中一次幸运的尝试。化学家们设计这种药物来扰乱病毒的自我复制能力，该药会锁定并阻断一种叫做蛋白酶的蛋白质，它是新冠病毒进行具有威胁性的复制的核心。
其它类型的冠状病毒中也存在类似的蛋白酶，这意味着辉瑞公司的药物也有望抵御下一次大流行病。而且，科学家们确信，更多像 SARS-CoV-2 病毒（新冠病毒） 这样的病原体，正潜伏在蝙蝠居住的洞穴和工业化的养殖场中。
新的抗病毒药物的研发比病毒疫苗的设计、合成和测试时间更长（其中一种来自默克公司，这种药物主要针对病毒复制的不同机制）。但是，这些抗病毒药物仍然创造了记录。以前从未有一种全新的战胜疾病的分子能如此迅速地从化学家的实验室进入志愿者的口中，并获得美国食品和药物管理局的批准。辉瑞公司的 CEO 艾伯特·波拉（Albert Bourla）说，当他在 2021 年 11 月得到该药物有效的消息时，他激动得“泪流满面”。
该药片将防止许多人死于 COVID-19，包括免疫系统较弱而疫苗对其无效的人。如果出现了能打败疫苗的新变种，抗病毒药物可能是我们最后的手段。
实用型聚变反应堆
Practical fusion reactors
重大意义：核聚变有望产生廉价的、无碳的、永远在线的能源，没有核反应堆堆芯熔毁的危险，也几乎没有放射性废物。
主要研究者：Commonwealth Fusion Systems，国际热核聚变实验反应堆（ITER），美国劳伦斯利弗莫尔国家点火装置，Helion Energy，托卡马克能源公司（Tokamak Energy），通用聚变公司（General Fusion）
技术可实现性：大约 10 年
2021 年 9 月， Commonwealth Fusion Systems 的研究人员对一块 10 吨重的 D 型磁铁缓慢充电并提升场强，直到它超过 20 特斯拉（T）。这是同类磁铁的一个新记录。该公司的创始人说，这一壮举解决了开发一个紧凑、廉价的聚变反应堆过程中所面临的主要工程挑战。
几十年来，核聚变发电一直是物理学家的梦想。在远高于 1 亿摄氏度的温度下，就像在太阳中一样，核子融合在一起，在此过程中释放出大量的能量。如果研究人员能够在地球上以可控和持续的方式实现这些反应，那么它就可以利用几乎无限的燃料来源，提供廉价、持续、无碳的电力来源。
在其中一种方法中，磁铁被用于将离子和电子的气体，即所谓的等离子体，限制在甜甜圈形状的反应器内。更强大的磁铁意味着更少的热量损失，从而使得更多的核聚变反应可以在一个更小、更便宜的设施内发生。这种改变不仅仅是一点点：磁场强度增加一倍，产生相同能量所需的等离子体的体积就会减少 16 倍。
尽管过去数十年的研究已经耗费数十亿美元的投资，但还没有人建造出一个产生能量比反应堆的消耗更多的核聚变工厂。但是，Commonwealth Fusion Systems 及其支持者充满希望，其他聚变初创公司和研究工作也报告了最近的进展。
Commonwealth Fusion Systems 正在建设一个工厂，以大规模生产磁铁，并为原型反应堆奠定基础。如果一切如愿，这家初创公司计划在 21 世纪 30 年代初期向电网提供聚变能源。
终结密码
The end of passwords
重大意义：各大公司终于改变了认证方式，不再使用极其不安全的字母和数字。
主要研究者：微软，谷歌，Okta，Duo（Alphabet 旗下）
技术可实现性：已实现
在 20 世纪 60 年代初，麻省理工学院教授费尔南多·科尔巴托（Fernando Corbató）正在开发一种新的共享计算机系统，并希望有一种方法让人们能够保护他们的私人文件，他的解决方案是使用密码。多年来，科尔巴托的解决方案战胜了其它技术手段，成为了我们登录几乎所有地方的标准方式。
那么问题是什么？密码本质上是不安全的。它可以被窃取、猜测或被暴力破解。但大多数情况下，人们会使用一些低级的密码。更糟糕的是，他们还重复使用。
像 Dashlane 和 1Password 这样的密码管理器可以为你追踪所有这些不同的字母数字，甚至可以替换掉那些薄弱的密码。但在安全方面，密码管理只是措施的一半，真正的行动是完全消除密码。
这一过程已经在进行中。像 Okta 和 Duo 这样面向企业的公司，以及像谷歌这样的个人身份供应商，都为人们提供了无需输入密码就能登录应用和服务的方法。同时，苹果公司的面部识别系统已将生物识别登录纳入主流。最值得注意的是，微软在 2021 年 3 月宣布，其部分客户可以完全不输入密码，随后在 9 月，告诉人们可以完全删除他们的密码。那些被称为“其他”的认证方法，终于取得了胜利。
你可能已经亲身经历过这种情况。你去登录一个网站或启动一个应用程序，但你没有被要求输入密码，而是被提示从认证应用程序中输入一个六位数的代码，点击你手机上的通知，或点击发送到你电子邮件的链接，抑或只需要把手机举到你的面前。这些操作都很简单。
至于输入一堆你必须回忆、写下或存储在数据库中的字符和符号？摆脱这一切吧。
AI 蛋白质折叠
AI for protein folding
重大意义：DeepMind 通过解决生物学中一个困扰研究者长达 50 年的问题，为药物发现和设计开辟了新的道路。
主要研究者：DeepMind（Alphabet 旗下），lsomorphic Labs（Alphabet 旗下），Baker Lab（华盛顿大学）
技术可实现性：已实现
到 2020 年底，英国的人工智能实验室 DeepMind 已经在人工智能方面取得了许多令人印象深刻的成就。然而，当该小组预测蛋白质折叠的程序于当年 11 月发布时，生物学家对它的工作效果感到震惊。
你的身体所做的一切，几乎都是通过蛋白质完成的。因此，获悉单个蛋白质的作用对大多数药物开发和了解许多疾病都至关重要，而一个蛋白质的作用是由其三维结构决定的。
蛋白质是由氨基酸组成的，氨基酸会折叠成一个复杂而扭曲的结。确定这种形状，从而确定蛋白质的功能，需要在实验室中花费数月时间。多年来，科学家们一直在尝试用计算机预测的方法来使这一过程更容易。但是，没有一种技术能够接近人类所达到的准确性。
DeepMind 开发的 AlphaFold2 改变了这种情况。该软件使用一种称为深度学习的人工智能技术，可以预测蛋白质的形状，甚至精确到原子，这是计算机第一次达成与实验室中使用的速度较慢但结果准确的技术相当的水准。
世界各地的科学团队已经开始使用它来研究癌症、抗生素抗性和新冠病毒。
DeepMind 还建立了一个公共数据库，在 AlphaFold2 预测蛋白质结构时，它会将其填入数据库。这个数据库目前有大约 80 万个条目，DeepMind 说它将在明年增加超过 1 亿个条目，包含了几乎科学上已知的所有蛋白质。
DeepMind 已将这项工作孵化成一家名为 Isomorphic Labs 的公司，据说该公司将与现有的生物技术和制药公司合作。AlphaFold2 的真正影响可能需要一两年的时间才能明确，但其潜力正在世界各地的实验室中迅速展开。
PoS 权益证明
Proof of stake
重大意义：一种确保数字货币安全的替代方法可以结束加密货币的能源消耗困境。
主要研究者：Cardano，Solana，Algorand，以太坊
技术可实现性：以太坊 2022 年可实现
像比特币这样的加密货币需要使用大量的电力。2021 年，比特币网络消耗了超过 100 太瓦时，比芬兰的年度能耗还要多。
权益证明提供了一种建立不需要耗能太多的网络的方法。如果一切按计划进行，世界第二大加密货币、运行各种应用程序的以太坊将在 2022 年上半年过渡到这种模式。预计这一转变将减少 99.95% 的能源使用。
加密货币在区块链上运行，通过交易产生的数字账本，其安全性必须得到保证，防止作弊者、欺诈者和黑客入侵。比特币和以太坊目前使用工作量证明算法来确保安全：“矿工”解决加密难题，从而竞争验证新交易区块的权利。成功的“矿工”会获得加密货币作为他们工作的奖励。
工作量证明意味着寻找数学难题的解决方案，这需要大量的计算能力，因此也需要电力。
有了权益证明，验证者不必相互争夺并在能源和计算硬件上投入巨大。相反，他们的加密货币缓存或权益，允许他们进入一个抽奖活动。那些被选中的人获得了验证一组交易的权力（并因此获得更多的加密货币）。在一些网络中，表现出不良行为的验证者会受到惩罚，从而失去一部分权益。
以太坊将成为使用权益证明的最大网络。它已经为该系统建立了一个新的区块链，且该系统一直在平行运行。现在需要发生的是“合并”，将实际执行交易和持有用户资产的“层”（Layer）转移过来，并在此过程中摒弃工作量证明。
如果成功，以太坊的股权证明区块链可以为广泛应用的节能技术创造条件。其他网络也考虑过转换，但他们似乎采取了观望的态度。
长时电网储能电池
Long-lasting grid batteries
重大意义：廉价、持久的铁基电池可以帮助分摊可再生能源的供应压力，并扩大清洁能源的使用范围。
主要研究者：ESS，Form Energy
技术可实现性：已实现
2021 年 4 月，一个阳光明媚的下午，可再生能源打破了加州主要电网的记录，提供了足够的电力来满足 94.5% 的需求。这一时刻被誉为低碳化道路上的一个里程碑。但是，当太阳落山，微风停止，会发生什么？
处理可再生能源带来的波动式电力生产需要廉价的存储，时间为数小时甚至数天，新型的铁基电池可能能够胜任这一任务。
总部位于俄勒冈州的 ESS 公司，其电池可以储存 4 至 12 小时的能量，它在 2021 年推出了其第一个电网规模的项目。总部位于马萨诸塞州的 Form Energy 公司在 2021 年筹集了 2.4 亿美元，其电池可储存电能长达 100 小时，它的第一次安装将是在明尼苏达州的一个一兆瓦的试验工厂，预计将在 2023 年完成。
这两家公司都选择使用铁基电池，而铁是地球上最丰富的材料之一。这意味着他们的产品最终可能比其他电网存储候选者，如锂离子电池和钒系液流电池更便宜。 Form Energy 公司表示，其电池最终的成本可能仅为每千瓦时 20 美元，甚至低于未来几十年对锂离子电池的乐观预测。
但是，仍有一些挑战需要解决。铁基电池的效率通常很低，这意味着投入其中的相当一部分能量无法被回收。另外，副反应也会随着时间的推移而使电池退化。但是，如果铁基电池能够以足够低的成本被广泛部署，它们可以帮助更多人使用可再生能源供电。
AI 数据生成
Synthetic data for AI
重大意义：人工智能的好处主要集中在数据资源丰富的领域，而合成数据有望填补这些空白。
主要研究者：Synthetic Data Vault，Syntegra，Datagen，Synthesis AI
技术可实现性：已实现
2021 年，尼日利亚数据科学公司的研究人员注意到，旨在训练计算机视觉算法的工程师可以从大量以西方服装为特色的数据集里进行选择，但却没有非洲服装的数据集。该团队通过使用人工智能生成非洲时尚的人工图像来解决这一不平衡问题，这是一个全新的数据集。
这种合成数据集，即计算机生成的样本，具有与真品相同的统计特征，且在数据饥渴的机器学习领域越来越普遍。在真实数据稀缺或过于敏感的领域，如医疗记录或个人财务数据，这些假数据可用于训练人工智能。
合成数据的想法并不新鲜，例如，无人驾驶汽车已经在虚拟街道上进行了许多训练。在 2021 年，这项技术已经变得很普遍，许多初创公司和大学都在提供这种服务。例如，Datagen 和 Synthesis AI 根据需要提供数字人脸，其他公司为金融和保险业提供合成数据。合成数据库是麻省理工学院数据和人工智能实验室在 2021 年推出的一个项目，为创建广泛的数据类型提供开源工具。
这种合成数据集的繁荣是由生成对抗网络（GANs）推动的。这是一种人工智能技术，它善于生成逼真但虚假的案例，无论是图像还是医疗记录。
支持者声称，合成数据避免了许多数据集中普遍存在的偏见。但是，它的无偏见程度仅次于用于生成它的真实数据。例如，在黑人面孔少于白人面孔的情况下训练的 GAN，可能的确会创造出一个黑人面孔比例较高的合成数据集，但鉴于原始数据有限，这些面孔最终可能不太逼真。
疟疾疫苗
Malaria vaccine
重大意义：疟疾每年造成数十万儿童死亡。与其他措施相结合，该疫苗可以减少多达 70% 的死亡率。
主要研究者：葛兰素史克，世界卫生组织
技术可实现性：已实现（有局限性）
疟疾寄生虫是一个臭名昭著的致命敌人，它已经进化出无数种方法来躲避免疫系统的检测，并在人类宿主体内茁壮成长。疟疾主要集中在撒哈拉以南的非洲地区，该地区的病例约占全世界 95% 。每年有 60 多万人死于疟疾，其中大部分是 5 岁以下的儿童。
2021 年 10 月，经过多年的发展，世界卫生组织终于批准了世界上第一种对抗由蚊子传播的致命疾病的疫苗。
葛兰素史克公司的疫苗，即 RTS,S 或 Mosquirix，并不是一种特别有效的疫苗。它需要在 5 个月至 17 个月大的儿童中接种三剂，并在 12 至 15 个月后接种第四剂。在肯尼亚、马拉维和加纳的 80 多万名儿童中，这种疫苗在第一年对严重疟疾的有效率约为 50%，而且随着时间的推移，其疗效急剧下降。
即便如此，公共卫生官员仍将这种自 1987 年就开始测试的疫苗誉为非洲的“游戏改变者”。当与其他疟疾控制措施（包括驱虫蚊帐和在雨季使用的预防药物）相结合时，与使用现有药物的儿童的死亡率相比，它有望将疟疾死亡人数减少多达 70%。
Mosquirix 还具有更广泛的意义。它是第一种被批准用于寄生虫病的疫苗。寄生虫是复杂的多细胞生物，其基因组比大多数病毒和细菌中的基因组大 500 至 1000 倍。这种复杂性使它们在受到免疫反应的挑战时能够以无数种方式进行变异。葛兰素史克公司的疫苗由一个单一蛋白质的副本组成，该蛋白质在寄生虫生命的早期点缀在其表面，并与一系列分子配对，旨在敲响免疫系统的警钟，并催化抗体的产生，以保护潜在的宿主免受感染。
公共卫生官员说，批准这一药物可能会鼓励创新。第二代疟疾疫苗，以及其他寄生虫病的疫苗，已经在筹备之中。
除碳工厂
Carbon removal factory
重大意义：一个从空气中捕获碳的大型工厂可以帮助创造一个世界需要的产业，以避免本世纪危险的变暖趋势。
主要研究者：Climeworks，Carbon Engineering，Carbon Collect
技术可实现性：已实现
2021 年 9 月，Climeworks 打开了 Orca 的开关，这是迄今为止最大的旨在从空气中清除二氧化碳的工厂。
该设施位于冰岛雷克雅未克的郊外，每年可捕获 4000 吨二氧化碳。大型风扇将空气吸过一个过滤器，在那里材料与二氧化碳分子结合。然后，该公司的合作伙伴 Carbfix，将二氧化碳与水混合，并将其泵入地下，在那里与玄武岩反应，最终变成石头。该设施完全依靠无碳电力运行，主要来自附近的地热发电厂。
可以肯定的是，4000 吨并不是那么多。它比 900 辆汽车的年排放量还要少。而且，根据各种研究，这只是世界上可能需要从大气中抽出的数十亿吨二氧化碳的一小部分，以防止全球变暖超过工业化之前水平的 2°C。
更大的设施也正在建设中。位于加拿大不列颠哥伦比亚省斯夸米什（Squamish）的碳工程公司，计划今年在美国西南部开始建设一个工厂，每年可消除 100 万吨二氧化碳。该公司与合作伙伴一起，也开始了在苏格兰和挪威的工厂的工程或设计工作，这些工厂将每年捕获 50 万至 100 万吨二氧化碳。
一个愿景是建立更多更大的工厂来捕获空气中的碳，这将有助于公司找出优化操作的方式，推动成本下降，并实现规模经济。Climeworks 公司估计，到本世纪 30 年代末，捕集每吨碳的成本将从 600 至 800 美元之间降低至约 100 至 150 美元。
今天，越来越多的个人和公司，包括微软、Stripe 和 Square，已经在支付高额费用来吸走空气中的碳，以努力抵消他们所产生的排放。这些资金提供了关键的早期收入。
新冠变异追踪
COVID variant tracking
重大意义：SARS-CoV-2 病毒是地球上被测序最多的生物体，使科学家能够在其传播时迅速发现新的变种。
主要研究者：全球共享禽流感数据倡议组织（GISAID），Nextstrain，Illumina
技术可实现性：已实现
新冠肺炎病毒仍在全球蔓延，在所有对 COVID-19 呈阳性反应的鼻拭子中，约有两百个被送到基因测序机中进行额外分析。这样做的目的是为 SARS-CoV-2 病毒的基因组创建一个新的地图，并看看有什么变化。这个地图共有 30000 个左右的字母组成。
这样的基因监测使科学家能够迅速发现并警告新的变体，如阿尔法（α）、德尔塔（δ）和最近的奥密克戎（Omicron）。这是一项史无前例的工作，它使 SARS-CoV-2 成为历史上被测序最多的生物体，超越了流感、HIV，甚至我们自己的人类基因组。像 GISAID 和 Nextstrain 这样的开放数据库已经显示了超过 700 万个病菌的基因图谱。
Omicron 是迄今为止变异程度最高的变种。2021 年 11 月，南非的一个实验室在其测序仪发现了一个有 50 多个变异的病毒基因组，并首次发出警告信号。几乎在瞬间，西雅图、波士顿和伦敦的计算机都在使用这些数据进行预测：Omicron 是个麻烦，它是一个可能逃避抗体的变种。
测序仪还不能告诉我们的一件事是，SARS-CoV-2 接下来究竟会如何演变。这就是为什么有人说我们应该更密切地追踪这个病毒。大部分的序列是在英国、美国和丹麦等地产生的，但是在没有测序能力的地区，病毒仍然可以在不知不觉中演变。幸运的是，南非在发现 Omicron 和追踪其传播方面的快速工作为全世界提供了早期预警。
【原载： 《麻省理工科技评论》 】
