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  編者語：令環境更清潔、令人類更健康、令生活更智能……

　　居民免費享用太陽能電池板，人們能夠實時了解世界的一切——并非在網絡世界，而是在供人類生存的物質世界；醫生可以提前數年預測某種疾病的侵襲。如果這些 都成為現實，世界會發生怎樣的變化？那些改變世界的計劃將為我們揭開謎底。一系列構想組成了簡單
而又雄心勃勃的圖景，以至于我們現在不可能預言全部影響。 《科學美國人》雜志的顧問及編輯委員團挑選出來自能源、運輸、環境、電子和機器人以及醫學健康這五大領域的多項計劃，凸顯了科技改變生活的無窮力量。其中 一些計劃正在實施，其他的尚在科研轉化階段，毋庸置疑的是，這些創新計劃當屬最有希望為人類排憂解難的錦囊妙計。

　　能源

　　免費太陽能計劃

　　一批新興企業打算免費為你家安裝太陽能電池板。

　　太陽能的最大攔路虎就是資金。在美國，即使有政府出臺的鼓勵政策，居民在屋頂安裝一套能夠提供房屋全部能耗的太陽能電池板仍耗資巨大，所需費用足夠支付未 來7~10年的電費。好在一項財政創新為那些期望節能減排并且縮減電費開支的房主另辟蹊徑：先免費安裝太陽能電池板，然后一邊使用，一邊付款。

　　該政策的實施流程類似住房抵押貸款。銀行或市政債券持有人為組織或個人付費安裝太陽能電池板，后者則定期償還前者的投資。這樣一來，房主便可直接或間接購 買自家屋頂上的太陽能電池板產生的電能，每度電的成本低于電網供電的價格。由于新一代太陽能電池板運行穩定，使用壽命長，因此對于投資者來說，這是一項安 全投資，同時房主也縮減了開支，更不用說體會減少碳排放帶來的滿足感了。對此，美國日光城公司（SolarCity）的創辦人之一彼得·賴夫（Peter Rive）說：“此舉不僅使人們無須為獲得太陽能節衣縮食，還能讓使用者從第一天起便減少開支。這僅是個開始。”

　　日光城是參與此政策最大的家用太陽能電池板裝卸公司。該公司于2006年由一對企業家兄弟投資創立，他們還在硅谷創立了多家企業。日光城將太陽能電池板租 用給房主并提供免費的電力。房主實際上需要支付大幅減少的電費（陰天的時候用戶仍然需要公用電網供電）外加使用電池板的月租金。這兩項費用之和低于使用太 陽能之前的電費數額。舊金山的SunRun公司也為用戶提供類似服務，不同之處是該公司直接向用戶收取電費，而非太陽能電池板的租金。

　　美國伯克利和博爾德等城市率先實施了為個人提供太陽能電池板購買和安裝全額貸款的財政計劃。這筆費用由市政債券先行支付，然后作為財產稅的一部分由房主在 20年內還清。實際結果是，用戶以稅務、租金或長期電力合同的方式支付使用太陽能的費用，而這筆費用低于目前的電費開銷。

　　美國加利福尼亞大學伯克利分校可再生及替代能源實驗室負責人丹尼爾·M·卡門（Daniel M. Kammen）評論說：“真正值得稱道的是，我們轉變了用戶購買能源產品及服務的思維方式。”卡門初步分析了伯克利貸款計劃，他相信該計劃讓用戶能夠借助 財政力量，克服使用可再生能源相對于使用當前能源的固有劣勢：現存輸電網的基礎設施已搭建完善，居民已經為此埋單數十年，政府也給予過無數補貼。

　　上述三種方式正風靡美國。除了已實施將近兩年的伯克利財政計劃，美國還有其他10個州也訂立法案允許開展伯克利式的基金投資貸款項目。在《韋克斯曼—馬基 氣候議案》（Waxman-Markey climate bill，又名《美國清潔能源及安全條例》）的促動下，或許聯邦法律將強制此能源項目在城市里實行。總部設在馬里蘭州的愛迪生太陽能公司 （SunEdison）目前正在美國9個州開展業務。日光城公司已擁有遍及加利福尼亞州、亞利桑那州以及俄勒岡州的4,000多位用戶，并將在2010年 把業務推向美國更多的州。

　　當前的技術水平還不足以使屋頂太陽能的總成本降低到與傳統電網等價的程度。也就是說，如果沒有類似投資稅減免這樣的政策優惠，太陽能轉化項目的花費仍舊高 于地區公用設施供電。太陽能電池板安裝費用的30%來自財政補貼，這種補貼至少還將維持8年。日光城公司及競爭對手堅信，到那時它們將不再需要這些補貼。

　　考慮到資本成本、電池板成本、安裝費用以及地區日照強度等諸多因素，愛迪生太陽能公司分管市場的副總裁阿蒂拉·托特（Attila Toth）認為：“實現與傳統電網等價取決于多方面因素，不同的州完成這一目標所需的時間不盡相同。在未來的3~5年內，加利福尼亞州有望成為首批達到太 陽能與電網等價的州。”

　　在過去10年里，化石燃料成本以每年3%~5%的速度上漲，相比之下，如果太陽能電池板的使用數量再翻一番，成本就會下降約20%。不斷增加的化石燃料成 本與逐步降低的太陽能轉化成本交匯之際就是實現太陽能與電網等價之時，而后太陽能將在更多地方派上用場。難怪主推電動汽車的美國特斯拉汽車公司 （Tesla）高管埃隆·馬斯克（Elon Musk），居然會成為日光城公司的董事會成員。

   汽油花園

　　科學家試圖利用基因工程種植以烴類化合物為正常代謝副產物的植物，以期獲得新一代生物燃料。這樣一來，僅靠陽光和二氧化碳便可獲得以汽油為主的燃料。埃克 森美孚（Exxon Mobil）公司于2009年7月份宣布投資6億美元，目標是培育出可以實現這一
轉化功能的藻類。此外，朱爾生物技術公司（Joule Biotechnologies）宣稱已經取得成功，盡管它們尚未透露任何專利細節。

　　熱核發電

　　核反應堆的燃料不僅限于鈾和钚。經過傳統裂變原料“激活”后，釷能夠建立起一種自我維持的增殖反應，形成適用于核能發電的鈾233。此外，這種反應還有另一個好處——防止核擴散，因為最終產物釋放的伽馬射線會使燃料處理變得異常危險，并且易于追蹤。

　　信息節能

　　研究表明，僅須讓用戶了解他們的能耗狀態便可節省5%~15%的用電量。智能電表可以讓用戶隨時了解每臺電器的耗電量（見左圖）。出售智能電表的公司如雨后春筍般興起，谷歌和微軟也各自聯合地區公用事業，以方便用戶利用網絡監控電力使用狀況。

　　高空風力

　　美國斯坦福大學2009年7月份公布的一項研究結果顯示，海拔數萬英尺（1英尺約等于0.3米）之上的持續風能，只需1%便足夠提供全部人類文明所需的能 量。美國加利福尼亞州天空風力公司（Sky WindPower）提議，通過建造系于地面的大型空中風車機群（見下圖）來獲取這部分風能，意大利的凱特根公司（Kite Gen）更是計劃使用風箏來完成這一壯舉。

   運輸

   擺脫石油依賴癥

   充電式混合動力車是解決 短途運輸的長久之計。

　　在美國，從地下開采的石油中有40%是被貨運卡車消耗掉的，而大部分消費者都在關注如何降低轎車的油耗。非營利性清潔運輸技術組織Calstart高級副 總裁、混合動力卡車用戶論壇主管比爾·范安布格（Bill Van Amburg）說：“民眾尚未察覺，即便是一輛小卡車，它的油耗也遠遠超過了普通轎車。一輛混合動力多功能卡車的節油量是9輛豐田普銳斯環保汽車都無法媲 美的。”

　　目前美國大約有1,300輛商用混合動力車已經上路，它們的燃油效率是常規汽車的兩倍。但是這些傳統的混合動力車具有先天缺陷。通過回收剎車過程中損失的部分能量，它們利用汽油燃料的效率還能進一步提高。

　　另一方面，充電式混合動力汽車依靠電網供能。充電后它們無需任何化石燃料即可開動，多數情況下足夠一整天的行駛里程。新技術使汽車能耗由依靠汽油向依靠電網轉變。（2008年全美30%的電力由零碳排放的可再生能源及核能提供。）

　　將充電式混合動力技術運用于卡車在諸多方面都比運用在小轎車上更有意義。貨運卡車日行程較短，再生制動系統（regenerative braking）可在多次停靠時發揮功效。例如，全美郵電行業共有20多萬輛郵政卡車，其中大部分日行程不足20英里。此外，這些汽車夜間可進入車庫，由 120或240伏特電源充電。

　　美國能源部最近斥資4,540萬美元，啟動了全國最大的商用充電式混合動力汽車項目，計劃在2011年初使378輛中型卡車投入使用。這些卡車將組成50 個市政和公用車隊，最顯著的特點是裝配有伊頓（Eaton，一家大型電器元件生產商）提供的動力系統及福特公司制造的F-550型底盤。（福特公司出于自 身考慮，要等商用充電式混合動力卡車證實有市場潛力后再進行自主研發。）美國南加利福尼亞州電力汽車協會主席保羅·斯科特（Paul Scott）預測：“這些（充電式混合動力）汽車將在2011年重拳出擊。”

　　新興汽車公司布萊特動力（Bright Automotive）的計劃更為龐大。他們打算于2014年之前將至少5萬輛卡車替換為混合動力卡車。該公司的新型汽車艾迪亞（IDEA，見右上圖）能 夠依靠蓄電池行駛約65千米，電池耗盡后可換用百千米油耗約5.88升的四缸引擎驅動。利用鋁材料制成的流線型車身具有更強的空氣動力性能，使它的載重量 堪比郵政車，而自身重量卻僅相當于中型轎車。

　　布萊特動力的創始人約翰·E·沃特斯（John E. Waters）曾是通用公司創新型電力汽車EV1蓄電系統的開發者。他宣稱每輛艾迪亞汽車每年能夠比現有的多功能卡車節省5,700升汽油，并減少16噸 二氧化碳排放。沃特斯稱，只待4.5億美元的政府貸款到位就可立刻動工裝配生產。

　　除了減排效果，新型卡車的主要用戶更多地還是考慮切實利益。艾迪亞的最終報價尚無定論，布萊特公司的執行官對此閃爍其辭。不過他們說，如果用戶擁有 2,000輛新型卡車，保證每周使用5天、每天行駛130千米，一年下來就能節省720萬美元。但現在不會有人會在毫無折扣的情況下大量購買，除非政府開 始征收二氧化碳排放稅。盡管生產成本會隨產量增加而下降，但范安布格估算，目前每輛汽車升級為混合動力還是需要花費3萬~ 5萬美元。

　　蓄電池技術的改進也將助一臂之力。現在僅那套13千瓦時鋰電池組的費用便占據了艾迪亞汽車總成本的1/4。針對雪佛蘭Volt和其他充電式混合動力汽車的 電池組所做的大多數研究，也都應該應用到商業化電池當中。布萊特公司分管產品開發的副總裁戴維·勞桑（David Lauzun）表示：“盡管我們都想做到盡善盡美，但只有等到新動力汽車具備了經濟競爭力，人人都在說‘我必須去買一輛，因為它太省錢了’的時候，它們才 能占領全球市場。”

　　快速公交系統

　　地鐵式公交線路撐起未來城市客運重擔。

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　　隨著生產力水平的進步，人們不斷從農村涌入城市。雖然這開創了人類文明新篇章，隨之而來的許多麻煩卻又使人左右為難。其中一個不容忽視的問題便是大城市中 的客運。使用轎車會造成交通擁堵和環境污染，輕軌建造進度緩慢且造價昂貴。緩解交通緊張的一種既簡單又便宜的方法就是，使用有著“車輪上的地鐵”之稱的快 速公交（Bus Rapid Transit，BRT）。快速公交系統利用現有公路劃分出專用通道來行駛大載客量公交車。乘客付款后進入封閉的車站內候車。公交車進站時，隔離門會自動 打開，讓乘客從跟車廂底部齊平的站臺上登車。暢通的道路、上下客的快捷以及舒適的現代化車站，使快速公交系統更像是輕軌，而不同于混亂的常規公交車。哥倫 比亞首都波哥大自2001年以來已開通了7條快速公交線路（見右圖），日客運量達到160萬人。快速公交系統的成功運營使該城停運了7,000輛私人巴 士，公交運輸的油耗和相關的環境污染降低了至少59%。

　　環境

　　海洋大檢修

　　面對海洋危機，區域化管理是一個大膽的補救措施。

　　最近，甚至連許多政客都不再否認海洋出了大問題。許多國家現在都把保護近海水域水質作為一項國家政策。為此，世界各國的領導人都開始提出一個所謂革命性的解決方法：海洋區域規劃。其實在多年以前，資源保護者就已經在主張這個方法了。

　　這個想法是近一個世紀以來指導城市景觀發展的管理政策的自然延伸。眾所周知，幼兒園旁邊不能開情趣商店，鉆井也不會被設置在國家公園里。同樣，海洋區域規 劃的擁護者也在設想，能不能把地球上所有的水域都根據特定的用途劃分成小塊。鉆探和開采礦藏只能在特定的海區進行，另一些海區只用于捕魚。受威脅最大的海 區則禁止一切捕撈和開采活動。

　　在陸地上，人們很容易就能找到地圖，告訴他們在哪里能做什么事，但是海洋領域的管理卻混雜了大量機構制定的各種條例，每種條例只負責一個方面。以美國為 例，一個機構管理商業捕魚，往往一次只負責一個魚種；另一個組織負責管理有毒物質；海底采礦又歸另外一個機構管理——諸如此類的管理機構有將近20個。美 國杜克大學海洋生態學家拉里·B·克勞德（Larry B. Crowder）解釋說，這些機構在作決策時都傾向于各行其是，而不去考慮其他機構在做些什么。“想象一下，如果所有醫生在面對重癥病人時都只考慮自己的 專科，從來不跟其他同事交流，那會多么糟糕，”克勞德說，“如果對海洋也采取這種管理方式，不變得更糟才怪呢。”

　　像克勞德這樣的海洋保護者急切地期待，美國總統奧巴馬負責的一個專責委員會就全面治理美國近海200海里的海域提出最終意見。這樣一個項目的涉及范圍非常 大：美國控制著約1,140萬平方千米的海域——換句話說，美國的領海面積比領土面積還大25%。2009年9月，這個委員會提出一個預案指出，把人類對 海洋的有害影響降到最小的最好方法是區域化管理，而不是專項管理。

　　許多環保人士都希望，這些類似市政區域規劃的計劃能在海洋上實施，這會讓他們擁有一定的影響力，在那些現在他們影響不到的區域。一旦一個海區被指定為資源 保護區，商業捕撈和采礦這樣的工業活動都將受到限制。但在目前的法規條件下，保護組織想要阻止一個他們認為有害的項目——比如在近海開設一個新的鉆探點 ——唯一的辦法就只能通過昂貴的訴訟。

　　不過到目前為止，專責委員會還是很謹慎，并未暗示海洋區劃管理會是唯一的方案，這在很大程度上是因為任何限制商業利益的行動都會遭致強烈反對。“并非每個 人都喜歡搞區劃管理，”美國南佛羅里達大學坦帕分校佛羅里達海洋學研究所所長約翰·C·奧格登（John C. Ogden）提醒說，“總有人的利益要受到損害。”最排斥這項改革的很可能就是海洋的那些“老主顧”——商業捕撈者和石油工業集團。奧格登說：“長期以來 他們都只顧自身的利益。”

　　然而奧格登和其他人很快就指出，區劃管理的實踐不但可以起到保護資源的作用，也能帶來商業利益。南加利福尼亞大學法學院副教授喬希·伊格爾（Josh Eagle）解釋說，工業集團通過放棄進入某些海域，反而可以獲得在另一些海域的活動許可，而那些海域開采會更容易，成本也更低。石油公司現在雖然可以申 請在幾乎任何地方進行鉆探，但每次都要面臨很大的商業風險。石油公司可能為開發一座新油井投入了幾百萬美元，到了最后一刻卻因為一紙訴訟而不得不放棄。在 區域化管理剛開始執行的時候，對立的各方都能對對方指手畫腳，而區域一旦劃分完成，各方就不太會阻礙彼此的行動。

　　專責委員會的最終報告是否會明確提出海洋區域化管理，目前還是未知數。不過他們已經承諾要徹底改革海洋治理機構，方法就是提議成立國家海洋委員會，這一機構的任務就是要協調整合目前由無數個聯邦機構負責的海洋事務。

　　這項行動來得正是時候。正如社會開始意識到保護海洋健康需要付出巨大努力一樣，為了獲得更多能源、更多食物，為了更靈活地發展沿岸經濟以及應對氣候的變 化，我們還需要付出更多的努力。海洋危機的根源并不在于人們向海洋傾倒了什么或掠奪了什么，而在于各國政府沒有恰當地管理這些行為。就像克勞德所說：“對 于海洋問題我們不得不全盤考慮，再不能頭痛醫頭腳痛醫腳了。”

　　垃圾的能量

　　人造電弧可以處理垃圾并產生電能。

　　垃圾蘊含的能量存在于它的化學鍵當中。等離子氣化技術（plasma gasification）已經發展了數十年，用這種技術可以把垃圾中的能量提取出來。這個過程在理論上很簡單。當電流穿過封閉容器內的氣體（通常是普通 空氣）時，會產生電弧和超高溫等離子體——也就是離子化的氣體，溫度可達7,000℃，甚至比太陽表面還熱。這個過程如果發生在自然界中，就被稱為閃電， 因此從字面上說，等離子氣化其實就是發生在容器中的人工閃電。等離子體的極高溫度可以破壞容器中任何垃圾的分子鍵，從而將有機物轉化為合成氣（一種一氧化 碳和氫氣的混合物），其他物質則變成類似玻璃體的熔渣。合成氣可以用在渦輪機中作為燃料進行發電，也可以用來生產乙醇、甲醇和生物柴油；熔渣則可以加工成 建筑材料。

　　過去，氣化法在成本上還難以跟傳統的城市垃圾處理方法相競爭。但逐漸成熟的技術使這種方法的成本不斷降低，同時能源的價格也在不斷攀升。現在“兩條曲線已 經相交了——把垃圾送到等離子體處理廠處理變得比堆成垃圾山要便宜了”，美國佐治亞理工學院等離子體研究所所長路易斯·齊爾切奧（Louis Circeo）說。2009夏初，垃圾處理業巨頭廢物管理公司（Waste Management）開始與InEnTec公司（總部設在俄勒岡）展開合作，將InEnTec公司的等離子體氣化設備投入商業使用。它們正在美國的佛羅 里達、路易斯安那和加利福尼亞三個州建設大型試驗工廠，每個工廠日處理垃圾的能力超過1,000噸。

　　等離子體也并非完美無缺。雖然玻璃體熔渣里隱含的有毒重金屬已經通過了美國環保局的可浸出標準（日本和法國在很多年前就已經使用這種東西作為建筑材料）， 但社區對于建造這樣一個工廠還是心存疑慮。合成氣發電的碳足跡小于燃煤發電。齊爾切奧介紹說：“用等離子體處理一噸垃圾，相當于把排放到大氣中的二氧化碳 減少了兩噸。”但這個方法還是會增加溫室氣體的凈排放。

　　齊爾切奧承認：“事情不可能盡善盡美。不過美國環保局統計過，如果美國所有城市固體垃圾都用等離子體處理并發電的話，就能提供全國用電需求總量的5%~8 %——相當于大約25座核電站或目前所有水電站的發電量。”預計到2020年，美國的垃圾日產量將達100萬噸，因此利用等離子體技術從垃圾中回收部分能 量的做法將變得越來越重要。

　　水泥像海綿一樣吸收二氧化碳

　　傳統水泥生產過程所產生的二氧化碳排放至少占全球總排放量的5％，不過使用新材料可以制造出“碳中性”水泥。英國倫敦大學帝國理工學院資助成立的 Novacem公司用二氧化鎂制造水泥，這種水泥在凝固過程中會自然吸收二氧化碳。美國加利福尼亞州的Calera公司則用海水把附近一家發電廠排放的碳 固定到水泥里。

　　新型蜜蜂

　　自2006年以來，蜂群崩潰衰竭癥 （CCD）已經導致超過1/3的蜜蜂群消亡（參見《環球科學》2009年第5期《蜂群為何神秘消失》）。曾經依賴蜜蜂給杏樹、桃樹、蘋果樹等作物授粉的農 民，現在正指望一種藍色果園壁蜂挽回大局。一只高效的果園壁蜂（右圖）授粉范圍相當于50只普通蜜蜂的總和，但這種蜂很難飼養，因為它們天性喜歡獨居。這 些小家伙不能完全取代蜜蜂的作用，但在科學家跟蜂群崩潰衰竭癥作斗爭的時候，它們可以組成一道農業安全的防線。

　　咸水作物

　　世界淡水供應日趨緊張，食物需求卻不斷激增，耐鹽作物無疑可以減輕這一負擔。澳大利亞阿德萊德大學的研究者，利用基因工程提高了一種作物抵抗鹽類在葉片內 蓄積的能力，使這種植物能夠在本來會令它枯萎的環境下存活。假如同樣的基因改造運用在水稻（下圖）和小麥之類的谷類作物上，那些被干旱或過度灌溉破壞的土 地就有可能再次成為人們的糧倉。科學家正在進行相關實驗。

　　電子和機器人

　　全能機器

　　通過使用小巧而又無處不在的傳感器，我們將能感知整個物理世界，就像暢游網絡空間一樣。

　　2009年年初，惠普公司對外公布了地球中樞神經系統（Central Nervous System for the Earth，CeNSE）項目，該項目計劃用10年時間在地球上部署1萬億個圖釘大小的傳感器。技術人員稱，這種無處不在的傳感網絡收集的信息會極大地改 變我們對世界的認識，就像互聯網給商業帶來的巨大變革一樣。“人們還沒有意識到這個即將到來的新浪潮，”科技預測者保羅·薩福（Paul Saffo）說，“現在我們正在進入感知世界的新時代，令人震驚的變革即將到來。”

　　大量安裝傳感器，即“傳感微粒”，采用計算機對采集到的信息進行分析處理，并自動發出提示，甚至直接進行響應，這不僅僅會增進我們對大自然的了解，而且會 帶來更具革命性的應用。例如：可管理自身能量使用的建筑物、出現問題時能自動向工程人員發出維修請求的大橋、能跟蹤交通模式并檢測堵車情況的汽車、能分辨 進入宅院的是足球還是狗的家庭安全系統——這些只是隨便列舉的幾個例子。

　　雖然到目前為止，CeNSE是公開發布的相關項目中最引人注目的，但事實上惠普并不是開發此項感知世界技術的唯一機構。英特爾公司正在設計新型傳感套件，還有很多高校實驗室也在開展研究工作。

　　從這個領域所有的發展情況來看，未來的世界無疑將是一個充滿傳感器的世界。這些傳感器設備要能產生豐富、可信的數據，還必須足夠可靠以適應惡劣環境。傳感 套件本身非常微小，但它所需的計算能力很巨大。它們收集的所有信息必須發送出去，保存到服務器集群中進行分析處理。最后必須有人為此付費。“經濟性是個基 本問題，”美國加利福尼亞大學洛杉磯分校的計算機科學家徳博拉·埃斯特林（Deborah Estrin）指出，“每個傳感器都是有使用成本的，因為傳感器需要維護、供電和校準。因此隨隨便便地把傳感器到處散播是不可行的。”

　　事實上，惠普公司高級研究員彼得·哈特韋爾（Peter Hartwell）認為：CeNSE項目要想達到預期目標，必須使傳感器的使用成本接近于零。這就是惠普公司要設計一種新型傳感器的原因，這種新型傳感套 件只有圖釘大小，卻集成了各種各樣的計量器，幾乎可以完成所有事情，包括測量光強、溫度、濕度、振動、張力等，而以前每一種數據都需要一個專門設備來采 集。哈特韋爾指出，這種能同時完成多種功能的傳感器體積會比以前大，但每個數據采集單元的成本卻降低了。有了它，惠普公司可以使用一個傳感器同時為不同的 客戶提供服務，從而降低費用。

　　讓我們來看看傳感器在工程項目中的一個重要應用——超敏感加速計。集成在芯片中的傳感器能跟蹤內部可移動平臺相對于芯片其他部位的細微移動情況，從而測量加速變化，準確性比任天堂Wii所用同類技術高1,000多倍。