2006年十大科技要闻

11. 神经植入物助力瘫痪男子

布朗大学的神经科学家John Donoghue使我们离通过意念直接与计算机交互的日子又近了一大步。7月，他和他的团队在《自然》杂志上发表了一篇论文，概述了利用植入电极捕捉脑信号并利用这些信号控制一系列设备的 Remarkable 进展。

实验对象是一名25岁的马萨诸塞州男子，他从颈部以下瘫痪。2004年，外科医生在他控制自主运动的主要运动皮层植入了一个微小的100电极阵列，以收集神经细胞的电脉冲，并将它们发送到一系列信号处理器。随后，Donoghue及其同事监督计算机将该男子的手臂和手部运动意念转化为外部设备的实际运动。系统运行的第一天，他就掌握了这项技术。他能够移动电脑光标、玩电子游戏、打开电子邮件、绘制粗略的圆圈、操作电视遥控器，甚至用意念控制假肢手臂——仅凭意念。

此前，相同的基础脑机接口系统曾在猴子身上进行过测试，早在20世纪90年代，格鲁吉亚的一个研究小组就已在人身上植入电极。但没有其他研究小组能同时监测如此多的神经元，也没有取得如此令人印象深刻的成果。

该系统在14个月后从最初的受试者身上移除。目前正在对另外三名患者进行测试，其中一人患有ALS。Donoghue的论文的主要作者、神经学家Leigh Hochberg希望目前的试验是迈向为严重残疾人士提供前所未有独立性的第一步。“这些试验的参与者是先驱，”他说。

尼古拉斯·巴卡拉

John Donoghue曾获“发现杂志2006年度科学家”亚军，并于2004年获得“发现杂志创新奖”。

12 谁该为新奥尔良的失败负责？

在过去的50年里，陆军工程兵团修建了约350英里的堤坝以保护新奥尔良免受飓风侵袭，这是一个复杂的防御系统，但在卡特里娜飓风袭击时惨遭失败。为了找出问题所在，工程兵团任命了一个由150名科学家和工程师组成的特别工作组。6月1日，跨部门绩效评估特别工作组发布了其6000页、九卷本的调查报告，描述了工程疏忽、设计缺陷以及数十年的忽视，导致了陈旧的结构，既不够高也不够坚固，无法抵御卡特里娜这样的风暴。

事实上，堤坝的设计只能抵御3级飓风。卡特里娜登陆时的风速是强3级，但由于该风暴在海上达到了5级，带来了比更强飓风更强的风暴潮。尽管20世纪70年代的研究已经表明需要加强防洪保护，但工程兵团从未重新设计过该系统。报告还批评工程兵团未能追踪地面沉降的影响：在新奥尔良，地面会随着时间的推移而下沉。自系统建成以来，一些地方的堤坝和防洪墙下沉了多达2.5英尺。由于预算削减，工程兵团可能拒绝了修复方案，并在材料上有所节约。例如，工程师们并没有用黏土建造所有堤坝，而是过多地使用了仅覆盖黏土的沙质、粉砂质液压填土。当卡特里娜飓风来袭时，这些结构无法抵挡风暴潮和海浪。

在新奥尔良举行的新闻发布会上，陆军工程兵团的总工程师兼指挥官Carl Strock中将，对被报告称为“名存实亡的系统”的堤坝失败承担责任。加州大学伯克利分校的工程师兼独立研究报告合著者Robert Bea赞扬了工程兵团勇于面对其失败，但认为特别工作组的努力不够。他认为，只关注工程上的失败，并不能解决导致普遍忽视的组织问题。“工程兵团知道系统已经过时且错误，但却没有人提起，”Bea说。

曾担任工程兵团特别工作组负责人的土木与环境工程师Ed Link认为，这场悲剧不能仅仅归咎于一个机构。“我认为我们作为一个国家，风险承受能力太高了，”他说。“我们没有对新奥尔良进行长期投资，结果被捕获了。我们被狠狠地捕获了。”

Megan Mansell Williams

63 化学将稻草变成黑金

4月，罗格斯大学和北卡罗来纳大学的研究人员宣布了一项极其通用的技术，可以将废物、煤炭或几乎任何碳源转化为合成柴油和汽油。该技术由罗格斯大学化学家Alan Goldman及其团队开发，建立在Fischer-Tropsch化学的基础上，该技术发明于80多年前，用于在德国制造合成燃料。这项名为烷烃复分解的技术结合了两种催化反应，将相对低价值的碳氢化合物链切断，并重新组合成有用的长度的链。例如，它可以将两个6个碳原子的链转化为一个2个碳原子的链（一种良好的加热气体）和一个10个碳原子的链（非常适合作为柴油燃料）。提高该方法的产率和效率，可以使美国将其丰富的煤炭供应转化为合成燃料，从而减少国家对进口石油的依赖。

Samir S. Patel

83 纳米电极连接神经元

8月，研究人员宣布发明了一种微型设备，可以与单个神经元建立电连接，这项发明有一天可能成为受损神经细胞的合成替代品。

哈佛大学化学家Charles Lieber及其同事发明了一种工具，可以记录、刺激和调节神经元上多个点的信号，从单个树突到轴突，本质上复制了脑细胞交流的方式。该设备非常小——直径仅20纳米——一个神经元可以容纳50个。虽然其他研究人员已经与动物和人类的神经系统建立了电连接，但迄今为止，没有人能够在单个轴突或树突的水平上建立连接。“这些设备不仅可以记录信号，还可以将电压施加到神经元上，”Lieber说。“我们可以刺激神经元放电，并控制电脉冲的传播速率。”

这项发明对研究和治疗具有深远意义。利用多个输入，很快就能破译神经元之间如何传递信号，以及学习、记忆和其他过程是如何发生的。一旦植入大脑，Lieber的电极有一天可能成为修复受损神经功能的假体。“目标是改善人类状况，”他说。

尼古拉斯·巴卡拉

89. 发光激光芯片预示着超快计算机的到来

没有什么比光更快。因此，几十年来，工程师们一直在尝试通过将基于电的传统计算机芯片与基于激光的信号处理器（如用于通过光纤电缆传输互联网数据）相结合，来加速其运行速度。9月，英特尔公司和加州大学圣巴巴拉分校的研究人员宣布，他们找到了一种有前景的方法来实现这一长期目标。

该公司的团队和大学团队着手开发一种能够同时处理电和光的混合设计。他们将一种作为激光介质的化合物——磷化铟薄层——粘合到硅片上，方法是将两种材料暴露在高温带电氧原子的轰击下；磷化铟中掺入了砷化铝镓铟以提高其速度。然后在两个表面形成一层氧化物微层，将它们粘合在一起。“我们可以用一次粘合制造数千个激光器，而不是单独粘合每个激光器，”新设备联合发明者、加州大学圣巴巴拉分校的John Bowers说。

当由电流激励时，粘合层产生的激光通过硅通道传输到一个“调制器”，该调制器每秒闪烁数十亿次。几十个以这种速度切换的激光器可以处理每秒万亿比特的信息——比目前的硅芯片快100多倍。如此强大的能力会带来什么奇迹？Bowers及其团队表示，例如，到本decade末，他们的新芯片就能在几秒钟内下载一部长篇电影。

Curt Suplee

92. 电容器可能取代电池

“谁杀死了电动汽车？”一部纪录片在今年提出了这个问题。主要罪魁祸首之一是基础化学；电池在存储和释放电荷方面效率低下。但由于一种替代技术——一种叫做超级电容器的电能海绵——的最新进展，电动汽车可能会迎来第二次生命。

与通过相对缓慢化学反应工作的电池不同，超级电容器将电荷存储在电极表面；因此它们可以几乎瞬间充电。缺点是，与同等尺寸的电池相比，超级电容器只能储存很小一部分能量。2月，由麻省理工学院工程师Joel Schindall领导的研究人员揭示了一种超级电容器，其极板上覆盖着密集排列的稻草状碳分子，即碳纳米管。纳米管极大地增加了超级电容器电极的表面积，使其能够储存20倍的能量。Schindall估计，基于这一突破的设备可能在五年内进入消费者市场。

Eric Smalley

95. 机器学会“感觉”

内布拉斯加大学的工程师在6月报告说，他们已经开发出一种方法，可以赋予机器人触觉：一种廉价、灵活且灵敏度是人类指尖两倍的电子皮肤。这种灵敏度来自于一种由金和硫化镉纳米粒子交替单层组成的薄膜，它们之间被一层非常薄的聚合物薄膜隔开。任何对电子皮肤的压力都会增加通过薄膜的电导率。

人造皮肤可以帮助机器人抓取精细物体，如火星岩石。研究员Ravi Saraf说，另一个用途是开发一种能够感知患者体内癌变组织的探针。为了测试皮肤的医疗应用，Saraf说，“我们只是去肉店买了肝脏和肌肉。”如果这个概念可行，未来活组织检查可能会被微小的机械抚摸所取代。

Richard Morgan