۱۰ فناوری نوظهور برتر سال ۲۰۲۰ از نگاه ساینتیفیک آمریکن

اگر برخی از هزاران داوطلب انسانی نیازمند به آزمایش واکسن‌های ویروس کرونا می‌توانستند با نسخه‌های دیجیتالی جایگزین شوند، واکسن‌های کووید ۱۹ حتی با سرعت بیشتری تولید می‌شدند و جان انسان‌های بیشتری را نجات می‌دادند. همچنین، به‌زودی آزمایش‌های بالینی مجازی می‌توانند واقعیتی برای آزمایش واکسن‌ها و روش‌های درمانی جدید باشند. سایر فناوری‌های موجود در فهرست مقاله‌ی حاضر نیز می‌توانند با برقی‌سازی مسافرت‌های هوایی و استفاده از نورخورشید برای تولید مستقیم موادشیمیایی صنعتی، انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش دهند. افزون‌براین، فناوری‌های نوظهور ذکرشده در این مقاله می‌توانند زندگی راحت‌تر و پیشرفته‌تری برای نسل ما و نسل‌های آینده فراهم کنند

 ۱. میکرونیدل‌ها می‌توانند تزریقات و خون‌گیری بدون درد را امکان‌پذیر کنند

سوزن‌های کوچک (Microneedles) که به‌سختی قابل‌مشاهده هستند، آماده می‌شوند تا وارد دوره‌ای جدید از تزریق‌های بدون درد و آزمایش خون شوند. این سوزن‌های کوچک چه به سرنگ متصل شوند و چه به یک تکه چسب، با جلوگیری از تماس با انتهای عصب از درد جلوگیری می‌کنند. میکرونیدل‌ها که قطری کمتر از قطر موی انسان دارند، می‌توانند تزریق بدون درد را امکان‌پذیر کنند.

 سوزن‌های کوچک بدون ایجاد درد در انتهای عصب، به پوست نفوذ می‌کنند و می‌توانند به سرنگ متصل شوند. بدین‌ترتیب می‌توان آزمایش خون را در خانه نیز انجام داد و نمونه خون را به آزمایشگاه ارسال کرد. آن‌ها به لایه‌ی بالایی و مرده‌ی پوست که روپوست نام دارد، نفوذ می‌کنند تا به لایه‌ی دوم (اپیدرم) دسترسی پیدا کنند. روپوست شامل سلول‌های زنده و مایع معروف به مایع بینابینی است. اما بیشتر میکرونیدل‌ها به غشای زیرپوستی که انتهای عصب‌ها به‌همراه رگ‌های خونی و عروق لنفاوی و بافت همبند در آن وجود دارند، دسترسی ندارند یا به‌سختی آن‌ها را لمس می‌کنند. بسیاری از تقاضاها برای میکرونیدل‌ها و چسب پوستی درحال‌حاضر برای کنترل واکسن‌ها است. بسیاری دیگر از میکرونیدل‌ها نیز در آزمایشگاه‌های بالینی برای استفاده در درمان دیابت، سرطان و درد نوروپاتیک درخواست می‌شوند. ازآنجاکه میکرونیدل‌ها داروها را مستقیما به روپوست یا غشای میانی وارد می‌کنند، به‌طور مؤثرتری درمقایسه‌با روش‌های مانوس و آشنایی که به انتشار ازطریق پوست متکی هستند، داروها را به بدن می‌رسانند.

امسال محققان تکنیک جدیدی برای درمان اختلالات پوستی مانند پسوریازیس، زگیل و انواع خاصی از سرطان‌ها نیز معرفی کردند؛ ترکیب کردن میکرونیدل‌های ستاره‌ای شکل با یک کرم یا ژل درمانی. سوراخ کردن آرام و تدریجی پوست باعث افرایش عملکرد درمانی می‌شود.

میکرونیدل‌ها که قطری کمتر از قطر موی انسان دارند، می‌توانند تزریق بدون درد را امکان‌پذیر کنند

دستگاه‌های میکرونیدل می‌توانند آزمایش‌ها و معالجات را در مناطقی که به‌طور نامناسب خدمات یا تسهیلات ارائه می‌دهند، کاهش دهند؛ زیرا برای اداره‌ی آن‌ها به تجهیزات پرهزینه یا آموزش زیادی احتیاج نیست. میکرونیدل‌ها همچنین می‌توانند خطر انتقال ویروس‌هایی را که ازطریق خون منتقل می‌شوند، کاهش دهند و ضایعات خطرناک حاصل از استفاده‌ی سوزن‌های معمولی ده‌ی میکرونیدل‌ها، تغییر موضعی فشار در روپوست یا غشای میانی ایجاد می‌کنند که مایع سیال یا خون را به‌وسیله‌ی یک دستگاه جمع‌آوری می‌کنند. اگر این سوزن‌ها به حسگر‌ها متصل شوند، آن‌ها می‌توانند در عرض چند دقیقه، علایم بیولوژیکی نشان‌دهنده‌ی سلامت یا وضعیت بیماری مانند گلوکز، کلسترول، الکل، موادمخدر یا سلول‌های ایمنی را اندازه‌گیری کنند.

سوزن‌های کوچک همیشه یک مزیت نیستند. آن‌ها زمانی‌که به دوزهای زیاد نیاز است، کافی به‌نظر نمی‌رسند. علاوه بر این، تمام داروها از داخل سوزن‌های کوچک منتقل نمی‌شوند و نمی‌‌توان از آن‌ها نمونه‌برداری کرد. تحقیقات بیشتری برای درک اینکه چگونه عواملی مانند سن و وزن بیمار، محل تزریق و تکنیک تحویل بر اثربخشی این فناوری‌ تأثیر می‌گذارند، موردنیاز است.

بااین‌حال، می‌توان انتظار داشت که این روش بدون درد می‌تواند به‌طور چشمگیری تحویل دارو و تشخیص را گسترش دهد و استفاده‌های جدیدی از آن به‌صورت روش‌هایی برای استفاده از سوزن‌های کوچک در عضو‌های خارج از پوست ایجاد شود.

۲. تبدیل دی‌اکسیدکربن به مواد متداول با استفاده از انرژی خورشیدی در شیمی

ساخت بسیاری از موادشیمیایی مهم برای سلامتی و آسایش انسان، باعث مصرف سوخت‌های فسیلی می‌شود؛ درنتیجه فرایندهای استخراجی نیز به انتشار دی‌اکسیدکربن و تغییر آب‌و‌هوا دامن می‌زنند. فناوری جدید و نوظهور می‌تواند از نورخورشید برای تبدیل دی‌اکسیدکربن به موادشیمیایی موردنیاز استفاده کند. این اقدام به‌طور بالقوه انتشار گازهای گلخانه‌ای را از دو طریق کاهش می‌دهد: استفاده از گاز ناخواسته به‌عنوان ماده‌ی اولیه و نورخورشید نه سوخت فسیلی، همچنین به‌عنوان منبع انرژی موردنیاز برای تولید.

این فرایند به‌لطف پیشرفت در کاتالیزورهای‌های فعال نورخورشید یا فتوکاتالیست‌ها امکان‌پذیر است. فوتوکاتالیز شتاب یک واکنش نوری در حضور یک کاتالیزور است. در سال‌های اخیر محققان روش‌هایی را توسعه داده‌اند که پیوند دوگانه‌ی مقاوم میان کربن و اکسیژن را در دی‌اکسیدکربن می‌شکنند. این نخستین گام مهم در ساخت پالایشگاه‌های خورشیدی است که ترکیبات مفیدی ازجمله مولکول‌های پلتفرم تولید می‌کنند و می‌توانند به‌عنوان مواد اولیه برای ساخت محصولاتی مانند داروها، شوینده‌ها، کودها و منسوجات به‌کار روند.

فتوکاتالیست‌ها معمولا نیمه‌رسانا هستند و به نور ماورای بنفش و انرژی بالا برای تولید الکترون‌های دخیل در تبدیل کربن دی‌اکسید نیاز دارند. بااین‌حال، نور ماورای بنفش کمیاب و مضر است. توسعه‌ی کاتالیزورهای جدید که تحت نور مرئی بیشتری کار می‌کنند، هدف اصلی این تحقیق بوده‌ است. این تقاضا با مهندسی دقیق ترکیب ساختار و مورفولوژی کاتالیزگرهای موجود مانند دی‌اکسید تیتانیم بررسی می‌شود.

اگرچه به‌طور مؤثر دی‌اکسیدکربن را به مولکول‌های دیگر فقط در واکنش به نور فرابنفش تبدیل می‌کند، آلایش آن با نیتروژن انرژی موردنیاز برای انجام این کار را کاهش می‌دهد. درحال‌حاضر، کاتالیست تغییر یافته فقط به نور مرئی نیاز دارد تا به‌طور گسترده در متانول، فرمالدئید و اسیدفرمیک که در تولید چسب، کف، تخته‌ی سه لا، کابینت، کف‌پوش و ضدعفونی کننده‌ها بسیار مهم است، استفاده شود.

ایجاد تحول در کاتالیزورهای خورشیدی، گامی برای ایجاد پالایشگاه‌های خورشیدی برای تولید ترکیبات مفید از گاز پسماند است

درحال‌حاضر، تحقیقات شیمی خورشیدی تنها در برخی آزمایشگاه‌ها انجام شده است. این آزمایشگاه‌ها شامل مرکز مشترک فتوسنتز مصنوعی اجرا‌شده‌ی مؤسسه‌ی فناوری کالیفرنیا در همکاری با آزمایشگاه ملی لارنس برکلی است. برخی از آن‌ها در حال کار روی یک روش متفاوت برای تبدیل دی‌اکسیدکربن به مواد مفید هستند؛ یعنی استفاده از الکتریسیته برای هدایت واکنش‌های شیمیایی.

استفاده از الکتریسیته برای تولید این واکنش‌ها به‌وضوح درمقایسه‌با استفاده از نورخورشید، سازگاری کمتری با محیط‌زیست خواهد داشت؛ اما اتکا به آن‌ها و فتوولتائیک می‌تواند بر این مشکل فائق آید. فتوولتائیک، شاخه‌ای فناوری مربوط به تولید جریان الکتریکی در محل اتصال دو ماده است.

پیشرفت‌های رخ داده در تبدیل دی‌اکسیدکربن به موادشیمیایی، مطمئننا توسط شرکت‌های نوپا یا شرکت‌های دیگر در سال‌های آتی تبلیغ و توسعه داده می‌شوند. پس از آن، صنعت شیمیایی با تبدیل آنچه که امروزه کربن دی‌اکسید را به محصولات با ارزش تبدیل می‌کند، گامی بزرگ‌تر برای تبدیل شدن به بخشی از یک اقتصاد آزاد و عاری از زباله خواهد برداشت. همچنین هدف کمک به تولید کمتر گاز‌های گلخانه‌ای نیز تحقق خواهد یافت.

۳. بیماران مجازی می‌توانند علم پزشکی را متحول کنند

به‌نظر می‌رسد که هر روز یک الگوریتم جدید، کامپیوترها را قادر می‌سازد تا بیماری را با دقت بی‌سابقه‌ای تشخیص دهند. به‌همین‌دلیل، پیش‌بینی می‌شود که کامپیوترها به‌زودی جایگزین پزشکان خواهند شد. حال چه می‌شد اگر کامپیوترها می‌توانستند جایگزین بیماران شوند؟ به‌عنوان مثال، شاید اگر انسان‌های مجازی می‌توانستند در بعضی از مراحل یک آزمایش برای واکسن ویروس کرونا، جایگزین افراد واقعی شوند، ممکن بود روند پیشرفت ابزاری پیشگیرانه را سرعت بخشیده و روند همه‌گیرشدن این بیماری را کاهش دهند. به‌همین‌ترتیب، واکسن‌های بالقوه‌ای که احتمالا کارایی مناسبی را ندارند نیز زودتر شناسایی می‌شدند.

این روش می‌توانست باعث کاهش هزینه‌های آزمایش و اجتناب از آزمایش گزینه‌های متعدد واکسن روی داوطلبان زنده باشد. موارد ذکرشده، برخی از فواید پزشکی با محاسبات و شبیه‌سازی رایانه‌ای است. این فناوری یا آزمایش داروها و درمان‌های موجود روی اندام‌های مجازی یا سیستم‌های بدن برای پیش‌بینی اینکه انسان چگونه به این درمان‌ها واکنش نشان می‌دهد، طراحی شده‌اند. پزشکی با محاسبات و شبیه‌سازی رایانه‌ای، امکان انجام ارزیابی‌های سریع و ارزان از ایمنی و اثربخشی و کاهش شدید تعداد افراد زنده‌ی ‌موردنیاز برای آزمایش‌ها را فراهم می‌کند.

با استفاده از اندام‌های مجازی، مدل‌سازی با تغذیه‌ی داده‌های آناتومی و تشریحی صورت می‌گیرد که از تصویربرداری با رزولوشن بالا از یک عضو حقیقی فرد و تبدیل به یک مدل ریاضی پیچیده از مکانیسم‌هایی عملکرد اندام آغاز می‌شود.الگوریتم‌هایی که روی کامپیوترهای قدرتمند کار می‌کنند، معادلات به‌دست‌آمده را حل می‌کنند و یک عضو مجازی را تولید می‌کنند که شبیه اندام واقعی یک انسان رفتار می‌کند.

درحال‌حاضر نمونه‌هایی از آزمایش‌های بالینی تا حدودی در جریان است. به‌عنوان مثال، اداره‌ی غذا و داروی آمریکا از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری به‌جای آزمایش انسان برای ارزیابی سیستم‌های ماموگرافی جدید استفاده می‌کند. این آژانس همچنین راهنمایی برای طراحی و آزمایش داروها و دستگاه‌هایی که شامل بیماران مجازی است را منتشر کرده‌ است.

این فناوری فراتر از سرعت بخشیدن به نتایج و کاهش خطرات آزمایش‌های بالینی، در محیط مجازی می‌تواند به‌جای مداخلات مخاطره‌آمیز نیز استفاده شود که برای تشخیص یا برنامه‌ریزی درمان بیماری‌های خاص موردنیاز است. به‌عنوان مثال «HeartFlow Analysis» یک سرویس مبتنی‌بر ابر است که FDA تأیید کرده است. این سیستم پزشکان را قادر می‌سازد تا بیماری عروق کرونر را براساس تصاویر سی‌تی‌اسکن قلب بیمار تشخیص دهند.

سیستم یادشده از این تصاویر برای ساخت مدل دینامیک سیال خون از عروق کرونری استفاده می‌کند و درنتیجه، شرایط غیرعادی و شدت آن‌ها را نیز مشخص می‌کند. بدون این فناوری، پزشکان نیاز به انجام آنژیوگرافی تهاجمی برای تصمیم‌گیری و چگونگی مداخله داشتند. آزمایش روی مدل‌های دیجیتالی بیماران فردی می‌تواند به شخصی کردن درمان برای هر تعداد با شرایط خاص کمک کند. همچنین این فناوری قبلا در مراقبت از دیابت نیز استفاده می‌شد.

الگوریتم‌های رایانه‌ای می‌توانند ارگان مجازی تولید کنند که مانند نمونه‌ی واقعی رفتار می‌کند

فلسفه‌ی پشت این نوع درمان چیز جدیدی نیست. توانایی ایجاد و شبیه‌سازی عملکرد یک شی در صدها شرایط عملیاتی از قرن‌ها پیش، سنگ بنای مهندسی مانند طراحی مدارهای الکترونیکی، هواپیماها و ساختمان‌ها و... بوده است؛ اما با وجود پیشرفت‌های بسیار، همچنان موانع مختلفی برای اجرای گسترده‌ی این فناوری در تحقیقات پزشکی و درمان باقی مانده است.

در ابتدای مسیر لازم است که قدرت پیش‌بینی و قابلیت اطمینان این فناوری تأیید شود؛ زیرا به پیشرفت‌های متعددی نیاز خواهد داشت. این موارد شامل تولید پایگاه‌های اطلاعاتی باکیفیت از مجموعه بیماران متنوع شامل مردان و زنان و اصلاح مدل‌های ریاضی برای توضیح بسیاری از فرایندهای تعاملی در بدن است.

همچنین، روش‌های هوش مصنوعی که در درجه‌ی اول برای تشخیص تصویر ایجاد شده‌اند، باید برای ارائه‌ی بینش‌های بیولوژیکی توسعه یابند. جامعه‌ی علمی و شرکای صنعتی در حال پرداختن به این مسائل ازطریق ابتکاراتی مانند پروژه‌ی قلب زنده با استفاده از این سیستم‌ها هستند.

در سال‌های اخیر، FDA و قانون‌گذاران اروپایی، برخی استفاده‌های تجاری از تشخیص مبتنی‌بر کامپیوتر را تصویب کرده‌اند؛ بااین‌حال برآورده کردن تقاضاها و نظارت مستلزم زمان چشمگیری است. ایجاد تقاضا برای این ابزارها باتوجه‌به پیچیدگی اکوسیستم مراقبت بهداشتی، چالش برانگیز است. پزشکی با محاسبات و شبیه‌سازی رایانه‌ای باید قادر به ارائه‌ی ارزش مؤثر به هزینه برای بیماران، پزشکان و سازمان‌های بهداشت و درمان باشد تا آن‌ها را برای استفاده از این تکنولوژی جدید تشویق کند.

۴. رایانش فضایی مکانی مبتنی‌بر رایانه

مارتا را تصور کنید که هشتادساله است. او به‌طور مستقل زندگی می‌کند و از صندلی چرخ‌دار استفاده می‌کند. تمام اشیاء در خانه‌ی او به‌صورت دیجیتالی فهرست شده‌اند. تمام حسگرها و دستگاه‌هایی که اشیاء را کنترل می‌کنند، ازطریق اینترنت فعال شده‌اند. یک نقشه‌ی دیجیتالی از خانه‌ی او با نقشه‌ی اشیاء ادغام شده است. با حرکت مارتا از اتاق خواب به آشپزخانه، چراغ‌ها روشن می‌شوند و دمای محیط تنظیم می‌شود.

اگر گربه از کنار او عبور کند، حرکت صندلی مارتا آهسته می‌شود. وقتی او به آشپزخانه می‌رسد، میز برای راحتی دسترسی او به یخچال و اجاق گاز حرکت می‌کند و تغییر مکان می‌دهد. سپس هنگامی‌که او آماده‌ی غذا خوردن است، دوباره میز به عقب برمی‌گردد. اگر مارتا هنگام خوابیدن ناگهان سقوط کند، مبلمانش برای محافظت از او تغییر مکان می‌دهند و زنگ هشدار برای پسرش و ایستگاه نظارت محلی به صدا درمی‌آید.

محاسبات مکانی در قلب این صحنه، گام بعدی در همگرایی مداوم جهان فیزیکی و دیجیتال است. این فناوری تمام کارهایی که برنامه‌های واقعی را انجام‌ می‌دهند و حتی برنامه‌هایی افزون بر برنامه‌های دنیای واقعی را، انجام می‌دهد. محاسبات مکانی به‌زودی تعاملات انسان و ماشین را به سطوح جدیدی از کارایی در بسیاری از حوزه‌های زندگی ازجمله صنعت، مراقبت‌های بهداشتی، حمل‌و‌نقل و خانه می‌رسانند.

شرکت‌های بزرگ، ازجمله مایکروسافت و آمازون، سرمایه‌گذاری زیادی در این فناوری انجام داده‌اند. کنترل مجازی، گام بلندی برای درهم آمیختن جهان‌های فیزیکی و دیجیتالی است که قبلا با برنامه‌های واقعیت مجازی شاهد اجرا آن بودیم. برخی برنامه‌های کامپیوتری که اشیایی را در دنیای مجازی ایجاد کرده‌اند، به حسگرها و موتورها اجازه می‌دهند تا در دنیای واقعی نیز به آن‌ها واکنش نشان دهند.

رایانش مکانی به‌زودی تعاملات انسان و ماشین را به سطوح جدیدی از کارایی در بسیاری از حوزه‌های زندگی ازجمله صنعت و حمل‌و‌نقل می‌رساند

در حوزه‌ی پزشکی، این سناریو‌ی مدرن در آینده را در نظر بگیرید: یک تیم پزشکی برای رسیدگی به بیماری که ممکن است به جراحی اضطراری نیاز داشته باشد، به یک آپارتمان در یک شهر اعزام می‌شوند. این سیستم، سوابق پزشکی بیمار و به‌روزرسانی ‌های زمان واقعی را به دستگاه‌های تلفن همراه و بخش اورژانس ارسال می‌کند، سریع‌ترین مسیر رانندگی را برای رسیدن به این فرد مشخص می‌کند و چراغ‌های قرمز عبور از ترافیک را قطع می‌کند.

وقتی آمبولانس می‌رسد، درهای ورودی باز می‌شوند و یک آسانسور در موقعیت قرار می‌گیرد. وقتی پزشکان با برانکارد به داخل خانه می‌روند، اشیا از مسیر حرکت آن‌ها کنار می‌روند. زمانی‌که سیستم آن‌ها را ازطریق سریع‌ترین مسیر به اورژانس هدایت می‌کند، یک تیم جراحی از رایانش فضایی مکانی استفاده می‌کند تا طراحی کل اتاق عمل را طرح‌ریزی کرده یا یک مسیر جراحی را برای بدن این بیمار برنامه‌ریزی کند.

صنعت درحال‌حاضر از یکپارچه‌سازی حسگرهای اختصاصی‌، دوقلوهای دیجیتال و اینترنت اشیاء استفاده کرده است تا بهره‌وری را بهینه کند و به احتمال زیاد در آینده از رایانش فضایی مکانی نیز استفاده خواهد کرد. این تکنولوژی می‌تواند ردیابی مبتنی‌بر مکان را به یک قطعه از تجهیزات یا یک کارخانه اضافه کند.

با پوشیدن هدست گسترش واقعیت مجازی یا مشاهده‌ی تصویر هولوگرافیک، نه‌تنها دستورالعمل‌های تعمیر، بلکه نقشه‌ی مکانی از اجزای دستگاه را به نمایش می‌گذارد. کارگران می‌توانند از این طریق به اطراف یک ماشین خراب و نقطه‌ای از آن که مشکل دارد هدایت شوند تا آن را به با صرفه‌جویی در زمان و هزینه تعمیر کنند.

اگر تکنسین با نسخه‌ی واقعیت مجازی از مکانی دورافتاده سروکار داشته باشد تا چندین ربات را به‌صورت مستقیم راه‌اندازی کند، الگوریتم‌های محاسبه‌ی فضایی می‌توانند به بهینه‌سازی ایمنی، کارایی و کیفیت بهتر کار او کمک کنند. در سناریویی رایج، شرکت‌های فست‌فود و خرده‌فروشی می‌توانند رایانش فضایی مکانی را با تکنیک‌های مهندسی صنعتی استاندارد مانند تحلیل‌های زمان و حرکت، ترکیب کنند تا کارایی کسب‌و‌کار خود را افزایش دهند.

۵. پزشکی دیجیتال می‌تواند بیماری شما را تشخیص دهد و درمان کند

آیا نسخه‌ی بعدی دکتر می‌تواند در یک برنامه یا اپلیکیشن ارائه شود؟ مجموعه‌ای از برنامه‌های کاربردی در حال استفاده یا تحت توسعه درحال‌حاضر می‌توانند اختلالات ذهنی و جسمانی را به‌طور مستقل و خودکار شناسایی و حتی مستقیما درمان کنند. درمجموع به‌عنوان داروهای دیجیتال، نرم‌افزار می‌تواند مراقبت‌های پزشکی سنتی و حمایت از بیماران را هنگام دسترسی‌نداشتن به مراقبت‌های بهداشتی یا محدودبودن دسترسی افزایش دهد؛ نیازی که مخصوصا در روزهای شیوع کووید ۱۹، تشدید شده است.

بسیاری از وسایل شناسایی و تشخیصی به دستگاه‌های تلفن همراه متصل می‌شوند تا ویژگی‌هایی مانند صداها، مکان‌ها، حالات چهره، فعالیت، خواب و پیام‌ها را ضبط کنند. سپس از هوش مصنوعی برای نشانه گذاری شروع یا تشدید بیماری استفاده می‌کنند. برای مثال، برخی ساعت‌های هوشمند شامل یک حسگر هستند که به‌طور خودکار به افراد درباره‌ی لختگی دهلیزی و ضربان قلب نامنظم هشدار می‌دهند.

برخی ابزارهای مشابه ساعت‌های هوشمند نیز طراحی شده است که توانایی تشخیص اختلالات تنفسی، افسردگی، آلزایمر و موارد دیگر را دارد. جهت شناسایی مواردی مانند دمای بدن، خونریزی معده و DNA سرطانی، ابزارهای حسگر دیگری نیز در حال تولید هستند. این فناوری آنچنان عمیق و گسترده نیست که به‌زودی جایگزین پزشکی شود؛ اما می‌تواند برای نگرانی‌هایی که نیاز به پیگیری دارند و امکان دسترسی به پزشک را ندارند، فناوری مفیدی باشند.

۶. امکان انجام سفرهای هوایی بدون آلایندگی کربن؛ هوانوردی الکتریکی می‌تواند از آنچه فکر می‌کنید نزدیک‌تر باشد

طبق محاسبات انجام شده، ۲/۵ درصد کربن تولید شده‌ی سال ۲۰۱۹ در جهان مربوط به مسافرت‌های هوایی بوده است که این رقم تا سال ۲۰۵۰ می‌تواند افزایش سه برابری داشته باشد. برخی از شرکت‌های هواپیمایی تلاش‌هایی برای کاهش میزان کربن تولیدشده‌ی خود را آغاز کرده‌اند؛ بااین‌حال هنوز نیازمند کاهش چشمگیری در این زمینه هستیم.

هواپیماهای الکتریکی می‌توانند تحول موردنیاز در این زمینه را فراهم کنند؛ به‌همین‌دلیل، شرکت‌های زیادی برای تولید آن‌ها به رقابت پرداخته‌اند. موتورهای پیشران الکتریکی این هواپیماها نه‌تنها آلایندگی‌های کربن مسافرت‌های هوایی را حذف می‌کنند، بلکه تا ۹۰ درصد هزینه‌ی سوخت، ۵۰ درصد هزینه‌ی نگه‌داری و ۷۰ درصد نویز را کاهش می‌دهند.

Airbus ،Ampaire ،MagniX و Eviation چند نمونه از شرکت‌های بزرگی هستند که روی پروژه‌ی پروازهای الکتریکی کار می‌کنند. هم‌اکنون پروازهای آزمایشی برای سفرهای خصوصی و شرکتی انجام شده و به‌دنبال صدور گواهینامه از اداره‌ی هواپیمایی فدرال ایالات متحده هستند. انتظار می‌رود که Cape Air به‌عنوان یکی از بزرگ‌ترین شرکت‌های هواپیمایی محلی، از اولین مشتریان جدی این مدل هواپیماها باشد و هواپیمای برقی ۹ سرنشین آلیس را از شرکت Eviation خرید.

۷. سیمان با کربن کم می‌تواند به مبارزه با تغییرات آب‌وهوایی کمک کند

بتن، پرکاربردترین ماده‌ی ساخت بشر، بیشتر دنیای ساخته‌شده در اطراف ما را تشکیل داده است. به‌گفته‌ی اتاق فکر چاتهام هاوس، ساخت یکی از اجزای اصلی بتن، یعنی سیمان‌، حدود ۸ درصد از انتشار گاز دی‌اکسید‌کربن در کل جهان را تشکیل می‌دهد. تولید سیمان سومین عامل بزرگ انتشاردهنده‌ی گاز پس از چین و ایالات متحده است.

درحال‌حاضر، سالانه چهارمیلیارد تن سیمان تولید می‌شود؛ بااین‌حال به‌دلیل افزایش شهرنشینی، طبق گزارش چاتهام هاوس انتظار می‌رود این رقم به پنج‌میلیارد تن در ۳۰ سال آینده برسد. به‌همین‌دلیل، محققان و شرکت‌های نوپا در حال کار روی تولید سیمان با حداقل انتشار کربن هستند.

اگرچه صنعت ساخت‌و‌ساز به‌دلایل مختلف که ایمنی و قابلیت اطمینان جزو مهم‌ترین این موارد است، معمولا در‌برابر تغییر مقاوم است؛ اما فشار برای کاهش سهم این صعنت در تغییرات آب‌و‌هوایی ممکن است مقاومت این صنعت را درهم بشکند.

در سال ۲۰۱۸، اتحادیه‌ی جهانی سیمان و بتن که حدود ۳۰ درصد از تولید جهانی را نمایندگی می‌کند، اولین رهنمودهای پایداری صنعت را اعلام کرد. این رهنمودها شامل مجموعه‌ای از اندازه‌گیری‌های کلیدی مانند میزان انتشار و میزان مصرف آب درنظر‌گرفته‌شده برای بهبود عملکرد و شفاف‌سازی آن‌ها بود. مواردی که با نظارت سازمان‌های مدنظر ساخته خواهد شد، مانند بتن در ساختمان‌های امروزی کاربرد نخواهد داشت و به‌طورکلی، نمی‌تواند جایگزین سیمان و بتن شود. بااین‌حال، آن‌ها می‌توانند برای سنگ‌فرش و نما و سازه‌های موقت به‌کار برده شوند.

۸. حسگرهای کوانتومی می‌توانند به خودروهای خودکار اجازه دهند اطراف خود را مشاهده کنند

کامپیوترهای کوانتومی امروزه همه‌ی توجه و هیاهوی تبلیغاتی را به خود جلب کرده‌اند؛ اما حسگرهای کوانتومی نیز می‌توانند به همان اندازه در صنعت تحول ایجاد کنند. آن‌ها می‌توانند این امکان را برای وسایل نقلیه‌ی مستقل فراهم کنند که اطراف و گوشه‌و‌کنار خود، سیستم‌های ناوبری زیر آب، سیستم‌های هشدار سریع برای فعالیت‌های آتشفشانی و زمین‌لرزه و اسکنرهای کنترل‌کننده‌ی فعالیت مغزی یک فرد در زندگی روزمره‌اش را بتواند مشاهده کنند. خودرو‌های خودران و خودکار را تصور کنید که می‌توانند همه‌جا را ببینند و اسکنرهای متحرکی که می‌توانند فعالیت مغز فرد را کنترل کنند. حسگرهای کوانتومی می‌توانند این‌ها و... را به واقعیت تبدیل کند.

۹. هیدروژن سبز می‌تواند شکاف‌های بزرگ انرژی تجدیدپذیر را پر کند

وقتی هیدروژن می‌سوزد، تنها محصول جانبی آن آب است؛ به‌همین‌دلیل، هیدروژن برای دهه‌ها منبع انرژی با تولید کربن صفر بوده است. بااین‌حال، فرایند سنتی تولید هیدروژن که در آن سوخت‌های فسیلی درمعرض بخار قرار می‌گیرند، حتی از‌راه‌دور نیز به‌صورت کربن صفر نیست. هیدروژن تولیدشده از این طریق هیدروژن خاکستری نامیده می‌شود و اگر CO2 گرفته و توزیع شود، آن را هیدروژن آبی می‌نامند؛ به‌همین‌دلیل، هیدروژن سبز متفاوت است. این ماده ازطریق الکترولیز تولید می‌شود که در آن، ماشین‌ها آب را به هیدروژن و اکسیژن تقسیم می‌کنند و هیچ محصول جانبی دیگری ندارد.

ازنظر تاریخی، الکترولیز به برق زیادی احتیاج داشت که تولید هیدروژن از آن طریق چندان منطقی نبود. حال به دو دلیل وضعیت در حال تغییر است: ۱. مقادیر درخورتوجهی از انرژی تجدیدپذیر اضافی در مقیاس شبکه دردسترس است. پس به‌جای ذخیره‌ی برق اضافی در آرایه‌های باتری، می‌توان از برق اضافی برای هدایت الکترولیز آب و ذخیره‌ی برق به شکل هیدروژن استفاده کرد؛ ۲. الکترولیزرها کارایی بیشتری دارند.

درحال‌حاضر، شرکت‌ها در حال تلاش برای تولید الکترولیزرهایی هستند که بتوانند هیدروژن سبز را به همان قیمت هیدروژن خاکستری یا آبی تولید کنند و تحلیلگران انتظار دارند که تا دهه‌ی آینده به این هدف برسند. در همین حال نیز، شرکت‌های انرژی ادغام مستقیم الکترولیزرها در پروژه‌های برق تجدیدپذیر را شروع می‌کنند. به‌عنوان مثال، کنسرسیومی (انجمنی که معمولا از چندین شرکت تشکیل شده است) از شرکت‌های پشتیبان پروژه ای به‌نام Gigastack قصد دارد نیروگاه بادی دریایی Horn sea Two Ørsted را به ۱۰۰ مگاوات الکترولیزر برای تولید هیدروژن سبز در مقیاس صنعتی مجهز کند.

۱۰. سنتز کل ژنوم می‌تواند مهندسی سلول را دگرگون کند

در اوایل شیوع بیماری کووید ۱۹، دانشمندان در چین توالی ژنتیکی این ویروس و طرح تولید آن را در پایگاه داده‌های ژنتیکی بارگذاری کردند. سپس گروهی سوئیسی کل ژنوم را سنتز و ویروس را از آن تولید کردند. در اصل، آن‌ها ویروس را به آزمایشگاه خود انتقال دادند، بدون اینکه در انتظار نمونه‌های فیزیکی بمانند. چنین سرعتی نمونه‌ای از چگونگی پیشرفت چاپ کل ژنوم در پزشکی و سایر فعالیت‌ها است.

سنتز کل ژنوم توسعه‌ای در زمینه‌ی پررونق زیست‌شناسی مصنوعی است. محققان با استفاده از نرم‌افزار‌ها، توالی‌های ژنتیکی را تولید و به میکروب وارد می‌کنند. بدین‌ترتیب مانند ساخت داروی جدید، با راه‌اندازی مجدد میکروب او را وادار می‌کنند که کار مدنظر را انجام دهد.

امروزه، یکی از الزامات پیشرفت در فناوری طراحی مدل‌های ژنتیکی میکروب‌ها است. این فناوری می‌تواند به آگاهی درباره‌ی نحوه‌ی انتشار ویروس‌ها یا کمک به کشف راه درمان آن‌ها و پیداکردن واکسن و سایر روش‌های درمانی منجر شود. پیش‌بینی شده‌ است که این مدل از فناوری در آینده می‌تواند به تولید مواد گوناگون شیمیایی یا سوختی و حتی گازهای زائد کمک کند. این فناوری فرصتی نیز برای داشنمندان فراهم خواهد کرد تا گیاهان مقاوم در برابر عوامل بیماری‌زا تولید کنند و از این طریق مسیر درمان بیماری‌های ژنتیکی هموارتر شود.

مروری بر ۹ پیشرفت چشمگیر فناوری باتری در سال ۲۰۲۰

به عنوان موتورخانه بخش اعظمی از جهان مدرن،‌ اکنون محققان سراسر دنیا بر بهبود عملکرد باتری‌های امروزی متمرکز شده‌اند و برای دستیابی به این مهم، دست به هر ابتکار عملی که بتوان متصور شد می‌زنند. چه موضوع صحبت ساخت سریع‌ترین الکترودهای جهان باشد، چه ساخت قطعات باتری با ضایعات اتمی و چه جلوگیری از خطر آتش‌سوزی با امواج صوتی، سال ۲۰۲۰ نشان داد که محققان سراسر جهان بسیار خلاق بوده و مشغول به توسعه انبوهی از تکنولوژی‌های گوناگون برای نسل بعدی فضای ذخیره‌سازی انرژی شده‌اند.

در سالی که گذشت، چندین راه خلاقانه برای بهبود عملکرد الکترودها کشف شد، متوجه شدیم که استفاده از گرافین می‌توان الکترولیت‌ها را سرسخت‌تر کند و مواد پیشرفته هم به ساخت باتری‌هایی با قابلیت شارژ سریع‌تر منجر شدند. بیایید مروری کامل بر برجسته‌ترین ابداعات سال ۲۰۲۰ در حوزه باتری‌ها داشته باشیم و ببینیم تفکر خارج از چارچوب چگونه به پیشرفت منجر می‌شود.

تخته گاز 

وقتی نوبت به بهبود عملکرد باتری‌ها با استفاده از مواد جدید برسد، گزینه‌های زیادی روی میز یافت خواهد شد، اما آنچه بیشترین پتانسیل را دارد لیتیوم فلز است. لیتیوم فلز که برخی نام «ماده رویایی» را برایش انتخاب کرده‌اند در کنار گرافیت و مس می‌تواند به تراکم هرچه بیشتر باتری‌های امروزی منجر شود و باتری نه‌تنها انرژی بیشتری در خود نگه می‌دارد، بلکه برای مدتی طولانی‌تر عمر می‌کند.

مشکل اصلی، امنیت است. همینطور که باتری شارژ می‌شود، روی سطح لیتیوم فلز شاهد شکل‌گیری چیزی به نام دندریت هستیم که می‌تواند منجر به اتصالی، آتش‌سوزی و در نهایت از کار افتادن دستگاه شود. در سال ۲۰۲۰ شاهد چند رویکرد نوآورانه برای حل این مشکل بودیم. برای مثال محققان دانشگاه ایالتی واشنگتن با افزودن چند ماده شیمیایی کلیدی به قطب منفی و الکترولیت، قادر به جلوگیری از تشکیل دندریت بوده‌اند.

همین نوآوری منجر به ساخت یک لایه محافظتی روی سطح قطب مثبت لیتیوم فلز شد که آن را در حداقل ۵۰۰ چرخه شارژ باثبات نگه می‌دارد. تیم دانشگاه واشنگتن حالا می‌خواهد از این ابداع خود استفاده تجاری و آن را به پروسه‌های تولید باتری اضافه کند.

حالت جامد، بدون دندریت

 در ماه دسامبر، شرکت کالیفرنیایی QuantomScape به اعلام اعداد و ارقام مربوط به برخی از باتری‌های لیتیون فلز و حالت جامد خود پرداخت که برای استفاده در اتومبیل‌های الکتریکی طراحی شده بودند و این شرکت مسلما در جلب توجه عمومی موفق بود. آیا یک روز می‌توان ۸۰ درصد از باتری اتومبیل‌های تمام الکتریکی را در عرض تنها ۱۵ دقیقه شارژ کرد؟

QuantomScape دقیقا وعده چنین چیزی را داده،‌ عمدتا به این خاطر که به جای الکترولیت مایع، به استفاده از الکترولیت جامد روی آورده و قطب مثبت باتری نیز از جنس لیتیوم فلز است که هنگام اتصال باتری به شارژر، نقش گردآورنده جریان را ایفا می‌کند. باتری لیتیوم فلز جالت جامد ضمنا مشکل دندریت را نیز حل کرده. به این صورت که حفاظی از جنس سرامیک جامد میان قطب مثبت و قطب منفی قرار گرفته.

بزرگ‌ترین وعده این طراحی نوآورانه‌، باتری‌ای با تراکم بسیار بالا و حدودا ۴ برابر بیشتر از باتری‌های لیتیومی موجود در تسلا مدل ۳ است. وقتی هم که نوبت به وزن می‌رسد، این باتری قادر به ارائه ۳۸۰ الی ۵۰۰ وات ساعت به ازای هر کیلوگرم خواهد بود که به مراتب از ۲۶۰ وات ساعت به ازای هر کیلوگرم در باتری پک‌های تسلا بیشتر است. ناگفته نماند که بعد از پشت سر گذاشتن ۸۰۰ چرخه شارژ، باتری مورد اشاره توانسته ۸۰ درصد از ظرفیت خود را حفظ کند که از امنیت و طول عمر بالا حکایت دارد.

سواری بر امواج

در ماه فوریه، گروهی از محققان دانشگاه کالیفرنیا توانستند رویکردی خلاقانه برای جلوگیری از شکل‌گیری دندریت روی باتری‌های لیتیوم فلز بیابند. این تیم یک دیوایس فراصوت کوچک ساخت و آن را درون یک باتری لیتیوم فلزی تعبیه کرد. این دستگاه امواجی صوتی با فرکانس بالا را از میان الکترولیت‌های مایع عبور می‌دهد و با به جریان انداختن آن‌ها، از ایستا باقی ماندن‌شان جلوگیری می‌کند.

این کار منجر به توزیع یکپارچه لیتیوم روی قطب مثبت شد و دیگر مثل سابق شاهد توزیع نامساوی لیتیوم که به شکل‌گیری دندریت منجر می‌شود نبودیم. این باتری مجهز به دیوایس فراصوت در تست‌های خود توانست طی تنها ۱۰ دقیقه از صفر تا ۱۰۰ شارژ شود و بعد از پشت سر گذاشتن ۲۵۰ چرخه شارژ نیز کماکان باثبات باقی ماند.

یک باتری شارژ سریع

در مثالی دیگر که نشان می‌دهد محققان چطور قادر به تبدیل کردن باتری‌های لیتیوم فلز به محصولی واقع هستند، تیمی از دانشگاه Texas A&M دیوایسی را به نمایش درآورد که به عنوان قطب مثبت، از داربست‌هایی از جنس لوله‌های کربنی در ابعاد نانو استفاده می‌کرد. این لوله‌ها مولکول‌هایی درون خود دارند که لیتیوم یون را به سطح می‌چسبانند و منجر به عدم شکل‌گیری دندریت در سطح می‌شوند.

درحالی که این طراحی کاملا امن به حساب می‌آید، معماری باتری نیز به گونه‌ای بود که می‌توانست جریان‌های عظیم‌تر تولید کند. در واقع آنقدر عظیم که تیم مورد اشاره گفت دیوایسش قادر به کار با جریانی ۵ برابر بیشتر از باتری‌های معمول است و این یعنی شاید بزودی باتری‌هایی داشته باشیم که تنها در عرضه چند ثانیه یا دقیقه شارژ می‌شوند.

افزودن سیلیکون به معادله

درحالی که لیتیوم فلز ماده‌ای با پتانسیل‌های فراوان برای استفاده به عنوان قطب مثبت به حساب می‌آید، احتمالات هیجان‌انگیز دیگری نیز به چشم می‌خورد. برای مثال سیلیکون قادر به نگهداری چهار برابر لیتیوم یون بیشتر نسبت به گرافیت و مس امروزی است، هرچند که ظرفیت معمولا به سرعت کاهش می‌یابد.

در ماه ژوئن ۲۰۲۰ شاهد یک راه حل احتمالی برای این مشکل بودیم. محققان انستیتوی علم و تکنولوژی کره جنوبی از تکنیکی به نام پیش‌بارگذاری لیتیوم استفاده کردند که می‌تواند طول عمر باتری را بهبود ببخشد. روش کار به این صورت است که قطب مثبت سیلیکونی درون محلولی خاص غوطه‌ور می‌گردد که باعث نشت الکترون‌ها و یون‌های لیتیوم به درون الکترود می‌شود و به این شکل، خساراتی که هنگام پشت سر گذاشتن چرخه‌های شارژ به وجود می‌آیند جبران خواهد شد.

درحالی که اکثر قطب‌های مثبت سیلیکونی بیش از ۲۰ درصد از یون‌های لیتیوم خود را در چرخه نخست شارژ از دست می‌دهند، این قطب مثبت جدید تنها ۱ درصد از یون‌ها را از دست داد. ناگفته نماند که باتری جدید کره‌ای‌ها، تراکم انرژی ۲۵ درصد بیشتر نسبت به همتایانی دارد که اکنون در بازار یافت می‌شوند.

ریزموج‌ها و نمک

یک ماده شیمیایی دیگر که پتانسیل‌های فراوان برای باتری‌ها به ارمغان می‌آورد -البته به دلایل متفاوت-، سدیم-یون است. لیتیوم نسبتا نادر است و استخراج آن نه‌تنها هزینه بسیاری می‌برد، بلکه به محیط زیست آسیب می‌زند. از سوی دیگر اما نمک را می‌توان تقریبا در هر جا یافت و این یعنی استفاده از آن در ابعاد وسیع می‌تواند بسیار ارزان‌تر تمام شود. در ماه آپریل متوجه شدیم که یکی از اجزای کلیدی باتری‌های غول‌آسا و صنعتی را می‌توان از ماده‌ای که به وفور یافت می‌شود استخراج کرد.

با آغاز کار با پلاستیک قابل بازیافت PET، محققان دانشگاه پوردو قادر به فشردن ماده تا رسیدن به دانه‌های ریز بودند و سپس با استفاده از تکنیک تابش ریزامواج فوق سریع، آن را به چیزی تبدیل کردند که تحت عنوان «دی‌سدیم ترافتالات» می‌شناسیم. این مولکول ارگانیک کوچک برای مدتی طولانی به عنوان یک ماده ایده‌آل برای قطب مثبت باتری‌ها در نظر گرفته شده و علت موضوع، عملکرد الکتروشیمیایی قدرتمندش است.

دوست شدن با گرانش

یک راهکار نویدبخش برای ذخیره‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر در ابعاد وسیع، احتمالا به کمک نیروی گرانش امکان‌پذیر شود. کمپانی اسکاتلندی Gravitricity در حال توسعه یک سیستم ذخیره‌سازی انرژی جدید است که از مجموعه‌ای از وزنه‌های غول‌آسا، بکسل‌های قدرتمند و کابل‌هایی که همه‌چیز را کنار یکدیگر نگه می‌دارند تشکیل شده. هنگام نیاز به انرژی، این وزنه‌ها به درون یک لوله می‌افتند و بکسل‌ها را به حرکت در می‌آورند، در نتیجه الکتریسیته تولید می‌شود.

تمام این پروسه در عرض ۱۵ دقیقه طی می‌‌شود اما می‌تواند تا سقف ۸ ساعت نیز ادامه یابد و پیک خروجی ۱ الی ۲۰ مگاوات را با خود به ارمغان آورد. به این ترتیب اکنون یک راهکار کم‌هزینه و طولانی‌مدت برای تولید انرژی داریم و Gravitricity همین حالا مشغول به پایان رساندن کار توسعه نسخه پروتوتایپ تکنولوژی‌اش است تا تست کامل آن را اواخر ۲۰۲۱ اجرایی کند.

اندکی گرافین برای مقاومت بیشتر

در ماه ژوئن یک مثال دیگر از باتری‌های حالت جامد را مشاهده کردیم که این‌بار سطحی تحسین‌برانگیز از مقاومت را به نمایش در می‌آورند. در این باتری، الکترولیت مایع جای خود را به الکترولیت جامد می‌دهد و هدف غایی، ساخت باتری‌هایی با تراکم انرژی بیشتر است. اما استفاده از این ماده گاهی به ترک خوردن یا فرسایش باتری منجر می‌شود.

تیمی از محققین دانشگاه براون در صدد حل این مشکل برآمدند و شروع به استفاده از ماده گرافین کردند. گرافین در ابعاد بسیار کوچک به مواد سرامیکی افزوده شد تا الکترولیت جامد شکل بگیرد و به ادعای خود محققین، این مقاوم‌ترین ماده‌ای است که تا به امروز درون یک باتری به کار رفته.

آنچه این پژوهش را جالب‌تر می‌کند اینست که گرافین شدیدا رسانای الکتریسیته به حساب می‌آید و این خصیصه‌ای ایده‌آل برای الکترولیت یک باتری نیست و رسانایی باید فقط برای یون‌ها باشد. اما با اندک نگه داشتن مقادیر گرافین، تیم دانشگاه براون توانسته به نقطه تعادلی بی‌نظیر از رسانایی الکتریکی و سرسختی دیده‌نشده دست یابد.

سریع‌ترین الکترودهای جهان

تمام باتری‌ها یک جفت الکترود در خود دارند که کاتد (منفی) و آند (مثبت) نامیده می‌شود و جریان الکتریکی‌ از میان‌شان عبور می‌کند. ساختار این الکترودها معمولا شلخته است و یون‌های حامل شارژ را مجبور می‌کند تا از درون هزارتویی درهم‌پیچیده عبور کنند. حالا شرکت Nawa از ورژن خودش از یک الکترود رونمایی کرده که مسیری بسیار سرراست‌تر در اختیار یون‌ها قرار می‌دهد.

این الکترود ساختاری عمودی و هم‌تراز دارد که طراحی شانه سر را یادآوری می‌کند. هزاران میلیارد لوله کربنی در ابعاد نانو و با خاصیت رسانایی فراوان رو به بالا چیده شده‌اند و لایه‌ای از مواد فعال مانند لیتیوم-یون، آن‌ها را پوشانده. این ساختار عملا نقش یک بزرگراه را برای یون‌ها ایفا می‌کند و به آن‌ها اجازه می‌دهد به شکلی بهینه‌تر وارد باتری و از آن خارج شوند.

از نظر کاربرد در دنیای واقعی، کمپانی مورد اشاره می‌گوید که الکترودها فوق سریعش می‌توانند نرخ شارژ و تخلیه باتری را تا ۱۰ برابر سریع‌تر‌ کنند و این یعنی احتمالا می‌توان در عرض ۵ دقیقه، منتظر پر شدن ۸۰ درصد از ظرفیت باتری بود. تراکم انرژی از سوی دیگر تا ۲ الی ۳ برابر بیشتر می‌شود و هزینه تولید هم ارزان است.