为了创造一种新材料，研究人员通常从一种已知材料开始，去除一两个原子，看看会发生什么。由于元素可能组合的数量非常庞大，因此此类操作在实验室中可能需要一整天的时间。
为了加快发现的步伐，劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家项晓东（Xiao-Dong Xiang）和化学家彼得·舒尔茨（Peter Schultz）开发了一种技术，可以同时制造和测试多达 10,000 种新组合。项和舒尔茨取一个一英寸见方的网格，在其上以各种浓度喷洒不同物质的一层又一层。当然，诀窍在于让每种物质精确地落在网格上的预定点上。为了实现这一点，他们使用类似于工程师用来在微芯片上蚀刻电子电路的模板式掩模。在网格的每个点上，不同物质的组合会重叠并相互反应，形成微观实验。一旦反应发生，项和舒尔茨就会测试网格上每个点的超导性和其他所需性能。
这种称为组合合成的方法的优点是，科学家可以采用久经考验的试错法，但更有效率。项解释说：“我们正在努力加速这个试错反馈过程，就像计算机一样。我们并没有改变我们运用智慧来指导搜索或做科学的方式。我们正在开发一种强大的技术，它将加速这一过程。”
项于去年 6 月发表了他的第一个概念验证论文。现在，他正试图增加他的网格尺寸，以便一次可以测试 40,000 种组合。
决赛选手
人人皆有的雷达
劳伦斯利弗莫尔国家实验室的
微功率脉冲雷达
创新者：Thomas McEwan
在试图开发一种可以探测隐形轰炸机的雷达时，Thomas McEwan 灵光一闪。他回忆说：“我着迷于系统是如何探测到我在房间里走动的，当我看着电脑显示屏时——那是在 1992 年——我突然想到，有一种方法可以让它便宜一百倍，并将系统变成一个非常好的防盗警报器。”
McEwan 是加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的一名电子工程师，他很快发明了他称之为微功率脉冲雷达（Micropower Impulse Radar）的东西，这是一种经济实惠的家用雷达，可以探测夜间发出的“砰砰”声（指人或物）。传统的远程雷达通过向外发送强大的无线电波脉冲，并计时回波返回所需的时间来工作。然而，要制造一个防盗警报器，雷达必须只关注一定固定、短距离内的物体——你房子的周长。如果雷达听到该周长内出现意外的回声，它就知道有入侵者进入了。
由于雷达只需要在这些固定的短距离内运行，McEwan 能够将电子设备简化到如此程度，以至于它可以使用低功耗电池运行——它的脉冲比手机信号弱一百万倍。该设备只有信用卡大小，制造成本不到 10 美元。去年，利弗莫尔开始将低功率雷达授权给商业公司。到目前为止，已有 15 家公司签约，它们不仅将这项技术用于防盗警报器，还用于汽车保险杠（警告即将发生的碰撞）、一种测量地下储罐液位的电子油尺，以及可以定位混凝土中金属的工具。
工人军团
麻省理工学院的机器蚂蚁
创新者：James McLurkin
机器人不一定很大才有意义。想象一下，在你的冰箱下面藏着一小群机器人：晚上关灯时，它们会赶紧出来捡地上的碎屑；它们甚至可能保卫你的橱柜，防止蟑螂和其他害虫。
James McLurkin，麻省理工学院人工智能实验室的一名 24 岁的研究员，已经制造了一支由 12 个机器人组成的小型部队，它们可能是这类有用生物的先驱。每个机器人大约有一个大核桃那么大，重一盎司多一点，并且在其微小的机身上携带四个光传感器、四个红外接收器、碰撞传感器、倾斜传感器以及用于检测食物存在的传感器。
McLurkin 的灵感来自真正的蚂蚁，它们整体上很复杂，尽管每个都很简单。为了将成本降至每个 300 美元，他坚持使用市售零件，走访了数百家经销商，寻找最小的可用零件。他和同事们建造了齿轮箱、下颚和其他蚂蚁部件，手工接线和焊接。五个电路板组合在一起形成昆虫机器人的外壳——一种外骨骼——它由微型坦克式履带承载。
McLurkin 的机器人拥有普通的微处理器芯片，但并不具备任何人工智能。它们总是互相碰撞。但它们至少有足够的智能，可以通过红外信号相互通信，并进行一场激烈的“抓人”或“跟屁虫”游戏。去年 6 月，McLurkin 开始鼓励他的蚂蚁练习合作觅食以及往返巢穴的导航。他认为，更大版本的这些机器人最终将可用于搜寻炸弹或对垃圾进行分类回收。“你会把机器人放出去，”他说，“几个月后回来，你会发现垃圾填埋场已经按照你要求的四个堆排列好了，而且还有一大群无聊的机器人在那里等着做别的事情。”
令人难以置信的缩小实验室
橡树岭国家实验室的芯片实验室
创新者：J. Michael Ramsey
如果你曾经验过血，你可能会想，为什么护士需要装那么多小瓶。这是因为医学实验室用于自动化验血的机器无法足够精确地处理少量样本——它们至少需要几毫升血液才能获得准确的结果。抽取如此多的血液给医院带来了处理问题，并且难以开发家用验血套件。但原则上，同样的测试并不一定需要大量的血液。
田纳西州橡树岭国家实验室的 J. Michael Ramsey 寻求计算机芯片技术来处理这些少量样本。毕竟，几十年来，工程师们一直在完善制造具有最小导线的集成电路或芯片的技术。Ramsey 想，与其制造微小的导线来导电，为什么不制造通道来输送血液和其他液体呢？由洛克希德·马丁能源研究公司赞助的 Ramsey 发明了一种可以内置于微芯片中的电子阀。Ramsey 的阀门没有活动部件，它利用血液中带电的分子。通过在通道中产生电压，阀门可以迫使这些带电分子朝一个或另一个方向通过通道，从而带动其余的血液。
要使用他的芯片实验室，Ramsey 将血液或其他液体放在其表面雕刻的水库中。通过在计算机上键入命令，他可以打开和关闭阀门，从而执行测试的规定步骤。液体流经微细加工的通道，并在微细加工的烧杯和试管等效物中混合。
Ramsey 的芯片实验室大约有硬币大小，它可以利用不到十亿分之一升的血液进行血液测试——这太少了，肉眼看不见，需要放大镜。橡树岭最近将这项技术授权给了加利福尼亚州帕洛阿尔托的 Caliper Technology 公司和巴尔的摩的 Molecular Tool 公司。现在 Ramsey 已经成功地将该技术用于室温反应，他计划测试需要加热的反应。“基本上，你可以做的是在上面放一个小金属薄膜，然后像炉灶一样通过电阻加热它，”他说。
窃听大脑
密歇根大学的
微型脑探针
创新者：Kensall Wise
Kensall Wise 在攻读电气工程博士学位时就开始对制造用于刺激和监测神经元活动的微型电子设备感兴趣，并且一直致力于此。“我猜我是地球上唯一一个 30 年后还在研究自己论文的人，”他开玩笑说。
他的勤奋得到了回报。Wise 现在是安娜堡密歇根大学的一名教授，他已经完善了一种可以植入大脑深处并用于监测和刺激大脑的电子探针。他的设备是剑形集成电路，比人类头发还细，灵敏到足以检测神经元之间传递的微弱电脉冲。去年，他将他的探针排列成一个阵列，看起来有点像一个小跑鞋的鞋底。Wise 将该阵列植入豚鼠的大脑，并用它监测了三维大脑组织——这是前所未有的。
该设备为更复杂的大脑实验和假肢设备打开了大门。例如，两个研究小组正在研究如何使用 Wise 开发的探针阵列作为人造眼睛的基础。到目前为止，Wise 只在动物身上使用过他的设备，但他希望很快开始在人类身上进行测试。“我认为在未来几年内，这项技术将开始应用于真正帮助人们的事物，”Wise 说。“对我来说，那将是非常令人满意的。”
