۱۰ فناوري نوظهور برتر سال ۲۰۲۰ از نگاه ساينتيفيك آمريكن

اگر برخي از هزاران داوطلب انساني نيازمند به آزمايش واكسن‌هاي ويروس كرونا مي‌توانستند با نسخه‌هاي ديجيتالي جايگزين شوند، واكسن‌هاي كوويد ۱۹ حتي با سرعت بيشتري توليد مي‌شدند و جان انسان‌هاي بيشتري را نجات مي‌دادند. همچنين، به‌زودي آزمايش‌هاي باليني مجازي مي‌توانند واقعيتي براي آزمايش واكسن‌ها و روش‌هاي درماني جديد باشند.

ساير فناوري‌هاي موجود در فهرست مقاله‌ي حاضر نيز مي‌توانند با برقي‌سازي مسافرت‌هاي هوايي و استفاده از نورخورشيد براي توليد مستقيم موادشيميايي صنعتي، انتشار گازهاي گلخانه‌اي را كاهش دهند. افزون‌براين، فناوري‌هاي نوظهور ذكرشده در اين مقاله مي‌توانند زندگي راحت‌تر و پيشرفته‌تري براي نسل ما و نسل‌هاي آينده فراهم كنند. با اخبار تخصصي، علمي، تكنولوژيكي، فناوري مرجع متخصصين ايران همراه باشيد تا چگونگي فعاليت تمام اين ۱۰ فناوري‌ نوظهور را برايتان شرح دهيم.

سوزن‌هاي كوچك (Microneedles) كه به‌سختي قابل‌مشاهده هستند، آماده مي‌شوند تا وارد دوره‌اي جديد از تزريق‌هاي بدون درد و آزمايش خون شوند. اين سوزن‌هاي كوچك چه به سرنگ متصل شوند و چه به يك تكه چسب، با جلوگيري از تماس با انتهاي عصب از درد جلوگيري مي‌كنند. ميكرونيدل‌ها كه قطري كمتر از قطر موي انسان دارند، مي‌توانند تزريق بدون درد را امكان‌پذير كنند.

سوزن‌هاي كوچك بدون ايجاد درد در انتهاي عصب، به پوست نفوذ مي‌كنند و مي‌توانند به سرنگ متصل شوند. بدين‌ترتيب مي‌توان آزمايش خون را در خانه نيز انجام داد و نمونه خون را به آزمايشگاه ارسال كرد. آن‌ها به لايه‌ي بالايي و مرده‌ي پوست كه روپوست نام دارد، نفوذ مي‌كنند تا به لايه‌ي دوم (اپيدرم) دسترسي پيدا كنند. روپوست شامل سلول‌هاي زنده و مايع معروف به مايع بينابيني است. اما بيشتر ميكرونيدل‌ها به غشاي زيرپوستي كه انتهاي عصب‌ها به‌همراه رگ‌هاي خوني و عروق لنفاوي و بافت همبند در آن وجود دارند، دسترسي ندارند يا به‌سختي آن‌ها را لمس مي‌كنند.

بسياري از تقاضاها براي ميكرونيدل‌ها و چسب پوستي درحال‌حاضر براي كنترل واكسن‌ها است. بسياري ديگر از ميكرونيدل‌ها نيز در آزمايشگاه‌هاي باليني براي استفاده در درمان ديابت، سرطان و درد نوروپاتيك درخواست مي‌شوند. ازآنجاكه ميكرونيدل‌ها داروها را مستقيما به روپوست يا غشاي مياني وارد مي‌كنند، به‌طور مؤثرتري درمقايسه‌با روش‌هاي مانوس و آشنايي كه به انتشار ازطريق پوست متكي هستند، داروها را به بدن مي‌رسانند.

امسال محققان تكنيك جديدي براي درمان اختلالات پوستي مانند پسوريازيس، زگيل و انواع خاصي از سرطان‌ها نيز معرفي كردند؛ تركيب كردن ميكرونيدل‌هاي ستاره‌اي شكل با يك كرم يا ژل درماني. سوراخ كردن آرام و تدريجي پوست باعث افرايش عملكرد درماني مي‌شود.

دستگاه‌هاي ميكرونيدل مي‌توانند آزمايش‌ها و معالجات را در مناطقي كه به‌طور نامناسب خدمات يا تسهيلات ارائه مي‌دهند، كاهش دهند؛ زيرا براي اداره‌ي آن‌ها به تجهيزات پرهزينه يا يادگيري زيادي احتياج نيست. ميكرونيدل‌ها همچنين مي‌توانند خطر انتقال ويروس‌هايي را كه ازطريق خون منتقل مي‌شوند، كاهش دهند و ضايعات خطرناك حاصل از استفاده‌ي سوزن‌هاي معمولي را نيز كاهش دهند.

حفره‌هاي كوچك ايجاد‌شده‌ي ميكرونيدل‌ها، تغيير موضعي فشار در روپوست يا غشاي مياني ايجاد مي‌كنند كه مايع سيال يا خون را به‌وسيله‌ي يك دستگاه جمع‌آوري مي‌كنند. اگر اين سوزن‌ها به حسگر‌ها متصل شوند، آن‌ها مي‌توانند در عرض چند دقيقه، علايم بيولوژيكي نشان‌دهنده‌ي سلامت يا وضعيت بيماري مانند گلوكز، كلسترول، الكل، موادمخدر يا سلول‌هاي ايمني را اندازه‌گيري كنند.

سوزن‌هاي كوچك هميشه يك مزيت نيستند. آن‌ها زماني‌كه به دوزهاي زياد نياز است، كافي به‌انديشه متخصصين نمي‌رسند. علاوه بر اين، تمام داروها از داخل سوزن‌هاي كوچك منتقل نمي‌شوند و نمي‌‌توان از آن‌ها نمونه‌برداري كرد. تحقيقات بيشتري براي درك اينكه چگونه عواملي مانند سن و وزن بيمار، محل تزريق و تكنيك تحويل بر اثربخشي اين فناوري‌ تأثير مي‌گذارند، موردنياز است.

بااين‌حال، مي‌توان انتظار داشت كه اين روش بدون درد مي‌تواند به‌طور چشمگيري تحويل دارو و تشخيص را گسترش دهد و استفاده‌هاي جديدي از آن به‌صورت روش‌هايي براي استفاده از سوزن‌هاي كوچك در عضو‌هاي خارج از پوست ايجاد شود.

ساخت بسياري از موادشيميايي مهم براي سلامتي و آسايش انسان، باعث مصرف سوخت‌هاي فسيلي مي‌شود؛ درنتيجه فرايندهاي استخراجي نيز به انتشار دي‌اكسيدكربن و تغيير آب‌و‌هوا دامن مي‌زنند. فناوري جديد و نوظهور مي‌تواند از نورخورشيد براي تبديل دي‌اكسيدكربن به موادشيميايي موردنياز استفاده كند. اين اقدام به‌طور بالقوه انتشار گازهاي گلخانه‌اي را از دو طريق كاهش مي‌دهد: استفاده از گاز ناخواسته به‌عنوان ماده‌ي اوليه و نورخورشيد نه سوخت فسيلي، همچنين به‌عنوان منبع انرژي موردنياز براي توليد.

اين فرايند به‌لطف پيشرفت در كاتاليزورهاي‌هاي فعال نورخورشيد يا فتوكاتاليست‌ها امكان‌پذير است. فوتوكاتاليز شتاب يك واكنش نوري در حضور يك كاتاليزور است. در سال‌هاي اخير محققان روش‌هايي را توسعه داده‌اند كه پيوند دوگانه‌ي مقاوم ميان كربن و اكسيژن را در دي‌اكسيدكربن مي‌شكنند. اين نخستين گام مهم در ساخت پالايشگاه‌هاي خورشيدي است كه تركيبات مفيدي ازجمله مولكول‌هاي پلتفرم توليد مي‌كنند و مي‌توانند به‌عنوان مواد اوليه براي ساخت محصولاتي مانند داروها، شوينده‌ها، كودها و منسوجات به‌كار روند.

فتوكاتاليست‌ها معمولا نيمه‌رسانا هستند و به نور ماوراي بنفش و انرژي بالا براي توليد الكترون‌هاي دخيل در تبديل كربن دي‌اكسيد نياز دارند. بااين‌حال، نور ماوراي بنفش كمياب و مضر است. توسعه‌ي كاتاليزورهاي جديد كه تحت نور مرئي بيشتري كار مي‌كنند، هدف اصلي اين تحقيق بوده‌ است. اين تقاضا با مهندسي دقيق تركيب ساختار و مورفولوژي كاتاليزگرهاي موجود مانند دي‌اكسيد تيتانيم مطالعه مي‌شود.

اگرچه به‌طور مؤثر دي‌اكسيدكربن را به مولكول‌هاي ديگر فقط در واكنش به نور فرابنفش تبديل مي‌كند، آلايش آن با نيتروژن انرژي موردنياز براي انجام اين كار را كاهش مي‌دهد. درحال‌حاضر، كاتاليست تغيير يافته فقط به نور مرئي نياز دارد تا به‌طور گسترده در متانول، فرمالدئيد و اسيدفرميك كه در توليد چسب، كف، تخته‌ي سه لا، كابينت، كف‌پوش و ضدعفوني كننده‌ها بسيار مهم است، استفاده شود.

درحال‌حاضر، تحقيقات شيمي خورشيدي تنها در برخي آزمايشگاه‌ها انجام شده است. اين آزمايشگاه‌ها شامل مركز مشترك فتوسنتز مصنوعي اجرا‌شده‌ي مؤسسه‌ي فناوري كاليفرنيا در همكاري با آزمايشگاه ملي لارنس بركلي است. برخي از آن‌ها در حال كار روي يك روش متفاوت براي تبديل دي‌اكسيدكربن به مواد مفيد هستند؛ يعني استفاده از الكتريسيته براي هدايت واكنش‌هاي شيميايي.

استفاده از الكتريسيته براي توليد اين واكنش‌ها به‌وضوح درمقايسه‌با استفاده از نورخورشيد، سازگاري كمتري با محيط‌زيست خواهد داشت؛ اما اتكا به آن‌ها و فتوولتائيك مي‌تواند بر اين اشكال فائق آيد. فتوولتائيك، شاخه‌اي فناوري مربوط به توليد جريان الكتريكي در محل اتصال دو ماده است.

پيشرفت‌هاي رخ داده در تبديل دي‌اكسيدكربن به موادشيميايي، مطمئننا توسط شركت‌هاي نوپا يا شركت‌هاي ديگر در سال‌هاي آتي تبليغ و توسعه داده مي‌شوند. پس از آن، صنعت شيميايي با تبديل آنچه كه امروزه كربن دي‌اكسيد را به محصولات با ارزش تبديل مي‌كند، گامي بزرگ‌تر براي تبديل شدن به بخشي از يك اقتصاد آزاد و عاري از زباله خواهد برداشت. همچنين هدف كمك به توليد كمتر گاز‌هاي گلخانه‌اي نيز تحقق خواهد يافت.

به‌انديشه متخصصين مي‌رسد كه هر روز يك الگوريتم جديد، كامپيوترها را قادر مي‌سازد تا بيماري را با دقت بي‌سابقه‌اي تشخيص دهند. به‌همين‌دليل، پيش‌بيني مي‌شود كه كامپيوترها به‌زودي جايگزين پزشكان خواهند شد. حال چه مي‌شد اگر كامپيوترها مي‌توانستند جايگزين بيماران شوند؟ به‌عنوان مثال، شايد اگر انسان‌هاي مجازي مي‌توانستند در بعضي از مراحل يك آزمايش براي واكسن ويروس كرونا، جايگزين افراد واقعي شوند، ممكن بود روند پيشرفت ابزاري پيشگيرانه را سرعت بخشيده و روند همه‌گيرشدن اين بيماري را كاهش دهند. به‌همين‌ترتيب، واكسن‌هاي بالقوه‌اي كه احتمالا كارايي مناسبي را ندارند نيز زودتر شناسايي مي‌شدند.

اين روش مي‌توانست باعث كاهش هزينه‌هاي آزمايش و اجتناب از آزمايش گزينه‌هاي متعدد واكسن روي داوطلبان زنده باشد. موارد ذكرشده، برخي از فوايد پزشكي با محاسبات و شبيه‌سازي رايانه‌اي است. اين فناوري يا آزمايش داروها و درمان‌هاي موجود روي اندام‌هاي مجازي يا سيستم‌هاي بدن براي پيش‌بيني اينكه انسان چگونه به اين درمان‌ها واكنش نشان مي‌دهد، طراحي شده‌اند. پزشكي با محاسبات و شبيه‌سازي رايانه‌اي، امكان انجام ارزيابي‌هاي سريع و ارزان از ايمني و اثربخشي و كاهش شديد تعداد افراد زنده‌ي ‌موردنياز براي آزمايش‌ها را فراهم مي‌كند.

با استفاده از اندام‌هاي مجازي، مدل‌سازي با تغذيه‌ي داده‌هاي آناتومي و تشريحي صورت مي‌گيرد كه از تصويربرداري با رزولوشن بالا از يك عضو حقيقي فرد و تبديل به يك مدل رياضي پيچيده از مكانيسم‌هايي عملكرد اندام آغاز مي‌شود.الگوريتم‌هايي كه روي كامپيوترهاي قدرتمند كار مي‌كنند، معادلات به‌دست‌آمده را حل مي‌كنند و يك عضو مجازي را توليد مي‌كنند كه شبيه اندام واقعي يك انسان رفتار مي‌كند.

درحال‌حاضر نمونه‌هايي از آزمايش‌هاي باليني تا حدودي در جريان است. به‌عنوان مثال، اداره‌ي غذا و داروي آمريكا از شبيه‌سازي‌هاي كامپيوتري به‌جاي آزمايش انسان براي ارزيابي سيستم‌هاي ماموگرافي جديد استفاده مي‌كند. اين آژانس همچنين راهنمايي براي طراحي و آزمايش داروها و دستگاه‌هايي كه شامل بيماران مجازي است را منتشر كرده‌ است.

اين فناوري فراتر از سرعت بخشيدن به نتايج و كاهش خطرات آزمايش‌هاي باليني، در محيط مجازي مي‌تواند به‌جاي مداخلات مخاطره‌آميز نيز استفاده شود كه براي تشخيص يا برنامه‌ريزي درمان بيماري‌هاي خاص موردنياز است. به‌عنوان مثال «HeartFlow Analysis» يك سرويس مبتني‌بر ابر است كه FDA تأييد كرده است. اين سيستم پزشكان را قادر مي‌سازد تا بيماري عروق كرونر را براساس تصاوير سي‌تي‌اسكن قلب بيمار تشخيص دهند.

سيستم يادشده از اين تصاوير براي ساخت مدل ديناميك سيال خون از عروق كرونري استفاده مي‌كند و درنتيجه، شرايط غيرعادي و شدت آن‌ها را نيز مشخص مي‌كند. بدون اين فناوري، پزشكان نياز به انجام آنژيوگرافي تهاجمي براي تصميم‌گيري و چگونگي مداخله داشتند. آزمايش روي مدل‌هاي ديجيتالي بيماران فردي مي‌تواند به شخصي كردن درمان براي هر تعداد با شرايط خاص كمك كند. همچنين اين فناوري قبلا در مراقبت از ديابت نيز استفاده مي‌شد.

فلسفه‌ي پشت اين نوع درمان چيز جديدي نيست. توانايي ايجاد و شبيه‌سازي عملكرد يك شي در صدها شرايط عملياتي از قرن‌ها پيش، سنگ بناي مهندسي مانند طراحي مدارهاي الكترونيكي، هواپيماها و ساختمان‌ها و... بوده است؛ اما با وجود پيشرفت‌هاي بسيار، همچنان موانع مختلفي براي اجراي گسترده‌ي اين فناوري در تحقيقات پزشكي و درمان باقي مانده است.

در ابتداي مسير لازم است كه قدرت پيش‌بيني و قابليت اطمينان اين فناوري تأييد شود؛ زيرا به پيشرفت‌هاي متعددي نياز خواهد داشت. اين موارد شامل توليد پايگاه‌هاي اطلاعاتي باكيفيت از مجموعه بيماران متنوع شامل مردان و زنان و اصلاح مدل‌هاي رياضي براي توضيح بسياري از فرايندهاي تعاملي در بدن است.

همچنين، روش‌هاي هوش مصنوعي كه در درجه‌ي اول براي تشخيص تصوير ايجاد شده‌اند، بايد براي ارائه‌ي بينش‌هاي بيولوژيكي توسعه يابند. جامعه‌ي علمي و شركاي صنعتي در حال پرداختن به اين مسائل ازطريق ابتكاراتي مانند پروژه‌ي قلب زنده با استفاده از اين سيستم‌ها هستند.

در سال‌هاي اخير، FDA و قانون‌گذاران اروپايي، برخي استفاده‌هاي تجاري از تشخيص مبتني‌بر كامپيوتر را تصويب كرده‌اند؛ بااين‌حال برآورده كردن تقاضاها و نظارت مستلزم زمان چشمگيري است. ايجاد تقاضا براي اين ابزارها باتوجه‌به پيچيدگي اكوسيستم مراقبت بهداشتي، چالش برانگيز است. پزشكي با محاسبات و شبيه‌سازي رايانه‌اي بايد قادر به ارائه‌ي ارزش مؤثر به هزينه براي بيماران، پزشكان و سازمان‌هاي بهداشت و درمان باشد تا آن‌ها را براي استفاده از اين تكنولوژي جديد تشويق كند.

مارتا را تصور كنيد كه هشتادساله است. او به‌طور مستقل زندگي مي‌كند و از صندلي چرخ‌دار استفاده مي‌كند. تمام اشياء در خانه‌ي او به‌صورت ديجيتالي فهرست شده‌اند. تمام حسگرها و دستگاه‌هايي كه اشياء را كنترل مي‌كنند، ازطريق اينترنت فعال شده‌اند. يك نقشه‌ي ديجيتالي از خانه‌ي او با نقشه‌ي اشياء ادغام شده است. با حركت مارتا از اتاق خواب به آشپزخانه، چراغ‌ها روشن مي‌شوند و دماي محيط تنظيم مي‌شود.

اگر گربه از كنار او عبور كند، حركت صندلي مارتا آهسته مي‌شود. وقتي او به آشپزخانه مي‌رسد، ميز براي راحتي دسترسي او به يخچال و اجاق گاز حركت مي‌كند و تغيير مكان مي‌دهد. سپس هنگامي‌كه او آماده‌ي غذا خوردن است، دوباره ميز به عقب برمي‌گردد. اگر مارتا هنگام خوابيدن ناگهان سقوط كند، مبلمانش براي محافظت از او تغيير مكان مي‌دهند و زنگ هشدار براي پسرش و ايستگاه نظارت محلي به صدا درمي‌آيد.

محاسبات مكاني در قلب اين صحنه، گام بعدي در همگرايي مداوم جهان فيزيكي و ديجيتال است. اين فناوري تمام كارهايي كه برنامه‌هاي واقعي را انجام‌ مي‌دهند و حتي برنامه‌هايي افزون بر برنامه‌هاي دنياي واقعي را، انجام مي‌دهد. محاسبات مكاني به‌زودي تعاملات انسان و ماشين را به سطوح جديدي از كارايي در بسياري از حوزه‌هاي زندگي ازجمله صنعت، مراقبت‌هاي بهداشتي، حمل‌و‌نقل و خانه مي‌رسانند.

شركت‌هاي بزرگ، ازجمله مايكروسافت و آمازون، سرمايه‌گذاري زيادي در اين فناوري انجام داده‌اند. كنترل مجازي، گام بلندي براي درهم آميختن جهان‌هاي فيزيكي و ديجيتالي است كه قبلا با برنامه‌هاي واقعيت مجازي شاهد اجرا آن بوديم. برخي برنامه‌هاي كامپيوتري كه اشيايي را در دنياي مجازي ايجاد كرده‌اند، به حسگرها و موتورها اجازه مي‌دهند تا در دنياي واقعي نيز به آن‌ها واكنش نشان دهند.

در حوزه‌ي پزشكي، اين سناريو‌ي مدرن در آينده را در انديشه متخصصين بگيريد: يك تيم پزشكي براي رسيدگي به بيماري كه ممكن است به جراحي اضطراري نياز داشته باشد، به يك آپارتمان در يك شهر اعزام مي‌شوند. اين سيستم، سوابق پزشكي بيمار و به‌روزرساني ‌هاي زمان واقعي را به دستگاه‌هاي تلفن همراه و بخش اورژانس ارسال مي‌كند، سريع‌ترين مسير رانندگي را براي رسيدن به اين فرد مشخص مي‌كند و چراغ‌هاي قرمز عبور از ترافيك را قطع مي‌كند.

وقتي آمبولانس مي‌رسد، درهاي ورودي باز مي‌شوند و يك آسانسور در موقعيت قرار مي‌گيرد. وقتي پزشكان با برانكارد به داخل خانه مي‌روند، اشيا از مسير حركت آن‌ها كنار مي‌روند. زماني‌كه سيستم آن‌ها را ازطريق سريع‌ترين مسير به اورژانس هدايت مي‌كند، يك تيم جراحي از رايانش فضايي مكاني استفاده مي‌كند تا طراحي كل اتاق عمل را طرح‌ريزي كرده يا يك مسير جراحي را براي بدن اين بيمار برنامه‌ريزي كند.

صنعت درحال‌حاضر از يكپارچه‌سازي حسگرهاي اختصاصي‌، دوقلوهاي ديجيتال و اينترنت اشياء استفاده كرده است تا بهره‌وري را بهينه كند و به احتمال زياد در آينده از رايانش فضايي مكاني نيز استفاده خواهد كرد. اين تكنولوژي مي‌تواند رديابي مبتني‌بر مكان را به يك قطعه از تجهيزات يا يك كارخانه اضافه كند.

با پوشيدن هدست گسترش واقعيت مجازي يا مشاهده‌ي تصوير هولوگرافيك، نه‌تنها دستورالعمل‌هاي تعمير، بلكه نقشه‌ي مكاني از اجزاي دستگاه را به نمايش مي‌گذارد. نيروي سادهان مي‌توانند از اين طريق به اطراف يك ماشين خراب و نقطه‌اي از آن كه اشكال دارد هدايت شوند تا آن را به با صرفه‌جويي در زمان و هزينه تعمير كنند.

اگر تكنسين با نسخه‌ي واقعيت مجازي از مكاني دورافتاده سروكار داشته باشد تا چندين ربات را به‌صورت مستقيم راه‌اندازي كند، الگوريتم‌هاي محاسبه‌ي فضايي مي‌توانند به بهينه‌سازي ايمني، كارايي و كيفيت بهتر كار او كمك كنند. در سناريويي رايج، شركت‌هاي فست‌فود و خرده‌فروشي مي‌توانند رايانش فضايي مكاني را با تكنيك‌هاي مهندسي صنعتي استاندارد مانند تحليل‌هاي زمان و حركت، تركيب كنند تا كارايي كسب‌و‌كار خود را افزايش دهند.

آيا نسخه‌ي بعدي دكتر مي‌تواند در يك برنامه يا اپليكيشن ارائه شود؟ مجموعه‌اي از برنامه‌هاي متخصصدي در حال استفاده يا تحت توسعه درحال‌حاضر مي‌توانند اختلالات ذهني و جسماني را به‌طور مستقل و خودكار شناسايي و حتي مستقيما درمان كنند. درمجموع به‌عنوان داروهاي ديجيتال، نرم‌افزار مي‌تواند مراقبت‌هاي پزشكي سنتي و حمايت از بيماران را هنگام دسترسي‌نداشتن به مراقبت‌هاي بهداشتي يا محدودبودن دسترسي افزايش دهد؛ نيازي كه مخصوصا در روزهاي شيوع كوويد ۱۹، تشديد شده است.

بسياري از وسايل شناسايي و تشخيصي به دستگاه‌هاي تلفن همراه متصل مي‌شوند تا ويژگي‌هايي مانند صداها، مكان‌ها، حالات چهره، فعاليت، خواب و پيام‌ها را ضبط كنند. سپس از هوش مصنوعي براي نشانه گذاري شروع يا تشديد بيماري استفاده مي‌كنند. براي مثال، برخي ساعت‌هاي هوشمند شامل يك حسگر هستند كه به‌طور خودكار به افراد درباره‌ي لختگي دهليزي و ضربان قلب نامنظم هشدار مي‌دهند.

برخي ابزارهاي مشابه ساعت‌هاي هوشمند نيز طراحي شده است كه توانايي تشخيص اختلالات تنفسي، افسردگي، آلزايمر و موارد ديگر را دارد. جهت شناسايي مواردي مانند دماي بدن، خونريزي معده و DNA سرطاني، ابزارهاي حسگر ديگري نيز در حال توليد هستند. اين فناوري آنچنان عميق و گسترده نيست كه به‌زودي جايگزين پزشكي شود؛ اما مي‌تواند براي نگراني‌هايي كه نياز به پيگيري دارند و امكان دسترسي به پزشك را ندارند، فناوري مفيدي باشند.

طبق محاسبات انجام شده، ۲/۵ درصد كربن توليد شده‌ي سال ۲۰۱۹ در جهان مربوط به مسافرت‌هاي هوايي بوده است كه اين رقم تا سال ۲۰۵۰ مي‌تواند افزايش سه برابري داشته باشد. برخي از شركت‌هاي هواپيمايي تلاش‌هايي براي كاهش ميزان كربن توليدشده‌ي خود را آغاز كرده‌اند؛ بااين‌حال هنوز نيازمند كاهش چشمگيري در اين زمينه هستيم.

هواپيماهاي الكتريكي مي‌توانند تحول موردنياز در اين زمينه را فراهم كنند؛ به‌همين‌دليل، شركت‌هاي زيادي براي توليد آن‌ها به رقابت پرداخته‌اند. موتورهاي پيشران الكتريكي اين هواپيماها نه‌تنها آلايندگي‌هاي كربن مسافرت‌هاي هوايي را حذف مي‌كنند، بلكه تا ۹۰ درصد هزينه‌ي سوخت، ۵۰ درصد هزينه‌ي نگه‌داري و ۷۰ درصد نويز را كاهش مي‌دهند.

Airbus ،Ampaire ،MagniX و Eviation چند نمونه از شركت‌هاي بزرگي هستند كه روي پروژه‌ي پروازهاي الكتريكي كار مي‌كنند. هم‌اكنون پروازهاي آزمايشي براي سفرهاي خصوصي و شركتي انجام شده و به‌دنبال صدور گواهينامه از اداره‌ي هواپيمايي فدرال ايالات متحده هستند. انتظار مي‌رود كه Cape Air به‌عنوان يكي از بزرگ‌ترين شركت‌هاي هواپيمايي محلي، از اولين مشتريان جدي اين مدل هواپيماها باشد و هواپيماي برقي ۹ سرنشين آليس را از شركت Eviation خريد.

مديرعامل كاپ اير، دان ولف، مي‌گويد كه علاقه‌مندي اين شركت‌ هواپيمايي براي خريد اين هواپيماها، نه‌تنها براي مزاياي محيط زيستي آن، بلكه براي كاهش هزينه‌هاي احتمالي حاصل از آن است. موتورهاي الكتريكي معمولا طول عمر بيشتري از موتورهاي با سوخت هيدروكربن دارند؛ به‌طوري‌كه نياز به تعمير آن‌ها هر ۲۰،۰۰۰ ساعت و براي موتورهاي سوختي ۲،۰۰۰ ساعت برآورد مي‌شود.

در جت‌هاي معمولي، بال‌ها بايد به‌اندازه‌ي كافي بزرگ باشند تا بتوانند هنگامي‌كه ابتدا جت با سرعت كم حركت مي‌كند، هواپيما را بلند كند. بااين‌حال سطح بزرگ بال‌ها موجب افزايش كشش در سرعت‌هاي بيشتر مي‌شود و كارايي را كاهش مي‌دهد. بال‌هاي الكتريكي جايگزين، امكان بلندشدن جت با بال‌هاي كوچك‌تر را فراهم مي‌كند و كارايي را افزايش مي‌دهند.

براي آينده مي‌توان پيش‌بيني كرد كه اين هواپيماهاي الكتريكي در سفرهاي خود محدوديت‌هايي داشته باشند. بهترين باتري‌هاي امروزي توان به‌مراتب كمتري درمقايسه‌با سوخت‌هاي سنتي با وزن مشابه دارند: تراكم انرژي ۲۵۰ وات‌ساعت در هر كيلوگرم براي باتري‌هاي الكتريكي در مقابل ۱۲،۰۰۰ وات‌ساعت در هر كيلوگرم براي سوخت جت.

به‌عبارت‌ديگر، باتري‌هاي موردنياز براي پرواز طولاني بسيار سنگين‌تر از سوخت استاندارد موردنياز است و فضاي بيشتري را نيز اشغال مي‌كنند. بااين‌حال، تقريبا نيمي از پروازهاي جهاني مسافتي كمتر از ۸۰۰ كيلومتر دارد و انتظار مي‌رود اين پروازها تا سال ۲۰۲۵ با هواپيماهاي برقي مجهز به باتري انجام شود.

هواپيمايي الكتريكي با هزينه‌ها و موانع نظارتي نيز رو‌به‌رو هستند؛ بااين‌حال سرمايه‌گذاران، مراكز رشد فناوري‌ها، شركت‌ها و دولت‌هايي كه از پيشرفت اين فناوري هيجان زده‌اند، در توسعه‌ي آن سرمايه‌گذاري و مشاركت چشمگيري مي‌كنند؛ به‌طوري‌كه حدود ۲۵۰ ميليون دلار بين سال‌هاي ۲۰۱۷ و ۲۰۱۹ در شركت‌هاي هواپيمايي الكتريكي سرمايه‌گذاري شده است.

درحال‌حاضر، حدود ۱۷۰ پروژه‌ي توليد هواپيماي برقي در حال انجام است. اغلب اين هواپيماهاي برقي براي مسافرت‌هاي خصوصي طراحي شد‌ه‌اند؛ اما شركت ايرباس مي‌گويد كه قصد دارد تا سال ۲۰۳۰، نسخه‌هاي ۱۰۰ سرنشينه‌ي اين مدل هواپيماها را توليد و آماده‌ي پرواز كند. 

بتن، پركاربردترين ماده‌ي ساخت بشر، بيشتر دنياي ساخته‌شده در اطراف ما را تشكيل داده است. به‌گفته‌ي اتاق فكر چاتهام هاوس، ساخت يكي از اجزاي اصلي بتن، يعني سيمان‌، حدود ۸ درصد از انتشار گاز دي‌اكسيد‌كربن در كل جهان را تشكيل مي‌دهد. توليد سيمان سومين عامل بزرگ انتشاردهنده‌ي گاز پس از چين و ايالات متحده است.

درحال‌حاضر، سالانه چهارميليارد تن سيمان توليد مي‌شود؛ بااين‌حال به‌دليل افزايش شهرنشيني، طبق گزارش چاتهام هاوس انتظار مي‌رود اين رقم به پنج‌ميليارد تن در ۳۰ سال آينده برسد. به‌همين‌دليل، محققان و شركت‌هاي نوپا در حال كار روي توليد سيمان با حداقل انتشار كربن هستند.

به‌طوركلي چهار مرحله‌ي اصلي در توليد سيمان وجود دارد:

• خردكردن و آسياب‌كردن مواد خام
• تركيب مواد به نسبت مناسب
• پخت مخلوط تهيه‌شده در كوره (سيستم پخت)
• آسياب يا نرم كردن محصول پخته‌شده‌ي معروف به «كلينكر»

در سال ۲۰۱۸، اتحاديه‌ي جهاني سيمان و بتن كه حدود ۳۰ درصد از توليد جهاني را نمايندگي مي‌كند، اولين رهنمودهاي پايداري صنعت را اعلام كرد. اين رهنمودها شامل مجموعه‌اي از اندازه‌گيري‌هاي كليدي مانند ميزان انتشار و ميزان مصرف آب درانديشه متخصصين‌گرفته‌شده براي بهبود عملكرد و شفاف‌سازي آن‌ها بود. مواردي كه با نظارت سازمان‌هاي مدانديشه متخصصين ساخته خواهد شد، مانند بتن در ساختمان‌هاي امروزي متخصصد نخواهد داشت و به‌طوركلي، نمي‌تواند جايگزين سيمان و بتن شود. بااين‌حال، آن‌ها مي‌توانند براي سنگ‌فرش و نما و سازه‌هاي موقت به‌كار برده شوند.

كامپيوترهاي كوانتومي امروزه همه‌ي توجه و هياهوي تبليغاتي را به خود جلب كرده‌اند؛ اما حسگرهاي كوانتومي نيز مي‌توانند به همان اندازه در صنعت تحول ايجاد كنند. آن‌ها مي‌توانند اين امكان را براي وسايل نقليه‌ي مستقل فراهم كنند كه اطراف و گوشه‌و‌كنار خود، سيستم‌هاي ناوبري زير آب، سيستم‌هاي هشدار سريع براي فعاليت‌هاي آتشفشاني و زمين‌لرزه و اسكنرهاي كنترل‌كننده‌ي فعاليت مغزي يك فرد در زندگي روزمره‌اش را بتواند مشاهده كنند. خودرو‌هاي خودران و خودكار را تصور كنيد كه مي‌توانند همه‌جا را ببينند و اسكنرهاي متحركي كه مي‌توانند فعاليت مغز فرد را كنترل كنند. حسگرهاي كوانتومي مي‌توانند اين‌ها و... را به واقعيت تبديل كند.

حسگرهاي كوانتومي با استفاده از ماهيت كوانتومي ماده (به‌عنوان مثال استفاده از اختلاف بين الكترون‌ها در حالت‌هاي مختلف انرژي به‌عنوان واحد پايه) به دقت بسيار زيادي مي‌رسند. دقت درخورتوجه حسگرهاي كوانتومي در ساعت‌هاي اتمي به‌خوبي نشان داده مي‌شود.

استاندارد جهاني زمان مبتني‌بر اين واقعيت است كه الكترون‌هاي موجود در اتم‌هاي سزيم ۱۳۳، انتقالي خاص را ۹،۱۹۲،۶۳۱،۷۷۰ بار در ثانيه تكميل مي‌كنند. اين نوساني است كه ساعت‌هاي ديگر براساس آن ميزان كوك مي‌شوند. ساير حسگرهاي كوانتومي از انتقال‌هاي اتمي براي تشخيص تغييرات بسيار كوچك در حركت و تفاوت‌هاي بسيار ريز در ميدان‌هاي گرانشي، الكتريكي و مغناطيسي استفاده مي‌كنند.

درحال‌حاضر، روش‌هاي ديگري نيز براي ساخت حسگر كوانتومي وجود دارد. به‌عنوان مثال، محققان در دانشگاه بيرمنگام انگلستان روي اتم‌هاي در حال سقوط آزاد و فوق خنك‌شده‌اي كار مي‌كنند كهبتوانند تغييرات كوچك در جاذبه‌ي محلي را شناسايي كنند. اين مدل اندازه‌گيري گرانش كوانتومي مي‌تواند در تشخيص لوله‌ها و كابل‌ها و ساير اشياي مدفون در زمين بدون نياز به حفاري، به‌ كار رود. امروزه تنها با عمليات حفاري مي‌توان آن‌ها را با اطمينان پيدا كرد. كشتي‌هاي دريانوردي نيز مي‌توانند از فناوري مشابه براي شناسايي اشياي زير آب استفاده كنند.

اگرچه پيش‌بيني مي‌شود كه بيشتر سيستم‌هاي سنجش كوانتوم همچنان گران، حجيم و پيچيده باقي بمانند، نسل جديد حسگرهاي كوچك‌تر و مقرون‌به‌صرفه بايد متخصصدهاي جديدي براي اين فناوري مطرح كنند. سال گذشته، محققان در انستيتو فناوري ماساچوست از روش‌هاي متداول صنعتي براي قراردادن حسگر كوانتومي مبتني‌بر الماس روي تراشه‌ي سيليكون استفاده و اجزاي مختلف معمولا بزرگ را در مربعي به عرض چنددهم ميلي‌متر فشرده‌سازي كردند.

نمونه‌ي اوليه‌ي ساخته‌شده در اين تحقيق گامي است به‌سوي توليد انبوه و ارزان حسگرهاي كوانتومي كه در دماي اتاق كار مي‌كنند و مي‌توانند براي هر متخصصدي استفاده شوند كه شامل اندازه‌گيري دقيق ميدان‌هاي مغناطيسي ضعيف است.

سيستم‌هاي كوانتومي همچنان بسيار حساس به اختلالات باقي مي‌مانند. اين نكته مي‌تواند متخصصد آن‌ها را در محيط‌هاي كنترل‌شده محدود كند. بااين‌حال دولت‌ها و سرمايه‌گذاران خصوصي سرمايه‌ي زيادي براي حل اين مسئله و اشكالات ديگر ازجمله مسائل مربوط به هزينه و مقياس و پيچيدگي صرف مي‌كنند. به‌عنوان مثال ، دولت انگليس ۳۱۵ ميليون پوند را براي مرحله‌ي دوم برنامه محاسبات ملي كوانتوم خود در سال ۲۰۲۰-۲۰۱۹ سرمايه‌گذاري كرده است. تحليلگران صنعت پيش‌بيني مي‌كنند حسگرهاي كوانتومي در سه تا پنج سال آينده با تأكيد اوليه بر متخصصدهاي پزشكي و دفاعي وارد بازار شوند.

وقتي هيدروژن مي‌سوزد، تنها محصول جانبي آن آب است؛ به‌همين‌دليل، هيدروژن براي دهه‌ها منبع انرژي با توليد كربن صفر بوده است. بااين‌حال، فرايند سنتي توليد هيدروژن كه در آن سوخت‌هاي فسيلي درمعرض بخار قرار مي‌گيرند، حتي از‌راه‌دور نيز به‌صورت كربن صفر نيست. هيدروژن توليدشده از اين طريق هيدروژن خاكستري ناميده مي‌شود و اگر CO2 گرفته و توزيع شود، آن را هيدروژن آبي مي‌نامند؛ به‌همين‌دليل، هيدروژن سبز متفاوت است. اين ماده ازطريق الكتروليز توليد مي‌شود كه در آن، ماشين‌ها آب را به هيدروژن و اكسيژن تقسيم مي‌كنند و هيچ محصول جانبي ديگري ندارد.

ازانديشه متخصصين تاريخي، الكتروليز به برق زيادي احتياج داشت كه توليد هيدروژن از آن طريق چندان منطقي نبود. حال به دو دليل وضعيت در حال تغيير است: ۱. مقادير درخورتوجهي از انرژي تجديدپذير اضافي در مقياس شبكه دردسترس است. پس به‌جاي ذخيره‌ي برق اضافي در آرايه‌هاي باتري، مي‌توان از برق اضافي براي هدايت الكتروليز آب و ذخيره‌ي برق به شكل هيدروژن استفاده كرد؛ ۲. الكتروليزرها كارايي بيشتري دارند.

درحال‌حاضر، شركت‌ها در حال تلاش براي توليد الكتروليزرهايي هستند كه بتوانند هيدروژن سبز را به همان ارزش هيدروژن خاكستري يا آبي توليد كنند و تحليلگران انتظار دارند كه تا دهه‌ي آينده به اين هدف برسند. در همين حال نيز، شركت‌هاي انرژي ادغام مستقيم الكتروليزرها در پروژه‌هاي برق تجديدپذير را شروع مي‌كنند. به‌عنوان مثال، كنسرسيومي (انجمني كه معمولا از چندين شركت تشكيل شده است) از شركت‌هاي همراه پروژه اي به‌نام Gigastack قصد دارد نيروگاه بادي دريايي Horn sea Two Ørsted را به ۱۰۰ مگاوات الكتروليزر براي توليد هيدروژن سبز در مقياس صنعتي مجهز كند.

فناوري‌هاي تجديدپذير فعلي، مانند خورشيد و باد مي‌توانند با جايگزيني گاز و زغال‌سنگ با برق پاك، بخش انرژي را تا ۸۵ درصد كربن‌زدايي كنند. الكتريكي‌شدن در بخش‌هاي ديگر اقتصاد مانند حمل‌و‌نقل و توليد سخت‌تر است؛ زيرا اين بخش‌ها اغلب به سوختي نياز دارند كه چگالي انرژي فراوان يا گرماي زياد در دماي بالا داشته باشد. هيدروژن سبز در اين بخش‌ها قابليت دارد. كميسيون انتقال انرژي گروه صنعتي اعلام كرده است كه هيدروژن سبز يكي از چهار فناوري لازم براي دستيابي به هدف توافق پاريس است. هدف اين توافق، كاهش بيش از ۱۰ گيگاتن دي‌اكسيدكربن در سال، از دشوارترين بخش‌هاي صنعتي ازجمله معدن و ساختمان و موادشيميايي است.

شيلي برنامه‌هايي براي هيدروژن در شمال خشك و باير اين كشور دارد؛ زيرا جايي است كه برق خورشيدي فراواني در آن وجود دارد. چين نيز قصد دارد تا سال ۲۰۳۰، يك‌ميليون وسيله‌ي نقليه‌ با پيل سوختي هيدروژني را در جاده‌ها قرار دهد.

پروژه‌هاي مشابه در كره‌‌جنوبي، مالزي، نروژ و ايالات متحده‌ي آمريكا در حال انجام است. براي مثال، ايالت كاليفرنيا در تلاش است اتوبوس‌هاي سوخت فسيلي را تا سال ۲۰۴۰ حذف كند. همچنين، استراتژي هيدروژن ۲۰۳۰ كميسيون اروپا كه اخيرا منتشر شده است، خواستار افزايش ظرفيت هيدروژن از ۰/۱ گيگاوات امروز تا ۵۰۰ گيگاوات تا سال ۲۰۵۰ است. به‌همين‌دليل در اوايل سال جاري، گلدمن ساكس پيش‌بيني كرد كه هيدروژن سبز تا سال ۲۰۵۰ به بازار ۱۲ تريليون دلاري تبديل خواهد شد.

در اوايل شيوع بيماري كوويد ۱۹، دانشمندان در چين توالي ژنتيكي اين ويروس و طرح توليد آن را در پايگاه داده‌هاي ژنتيكي بارگذاري كردند. سپس گروهي سوئيسي كل ژنوم را سنتز و ويروس را از آن توليد كردند. در اصل، آن‌ها ويروس را به آزمايشگاه خود انتقال دادند، بدون اينكه در انتظار نمونه‌هاي فيزيكي بمانند. چنين سرعتي نمونه‌اي از چگونگي پيشرفت چاپ كل ژنوم در پزشكي و ساير فعاليت‌ها است.

سنتز كل ژنوم توسعه‌اي در زمينه‌ي پررونق زيست‌شناسي مصنوعي است. محققان با استفاده از نرم‌افزار‌ها، توالي‌هاي ژنتيكي را توليد و به ميكروب وارد مي‌كنند. بدين‌ترتيب مانند ساخت داروي جديد، با راه‌اندازي مجدد ميكروب او را وادار مي‌كنند كه كار مدانديشه متخصصين را انجام دهد.

امروزه، يكي از الزامات پيشرفت در فناوري طراحي مدل‌هاي ژنتيكي ميكروب‌ها است. اين فناوري مي‌تواند به آگاهي درباره‌ي نحوه‌ي انتشار ويروس‌ها يا كمك به كشف راه درمان آن‌ها و پيداكردن واكسن و ساير روش‌هاي درماني منجر شود. پيش‌بيني شده‌ است كه اين مدل از فناوري در آينده مي‌تواند به توليد مواد گوناگون شيميايي يا سوختي و حتي گازهاي زائد كمك كند. اين فناوري فرصتي نيز براي داشنمندان فراهم خواهد كرد تا گياهان مقاوم در برابر عوامل بيماري‌زا توليد كنند و از اين طريق مسير درمان بيماري‌هاي ژنتيكي هموارتر شود.

مجمع جهاني اقتصاد نيز سعي مي‌كند ازطريق انجمن پيش‌گامان فناوري و شبكه جهاني آيندگان جهاني، اين نوع نوآوري را همراهي كند كه براي رشد اقتصادي و رفاه آينده جامعه حياتي است و كمك‌هاي لازم را براي پيشرفت آن انجام دهد.