基因编辑更快更准更简单
1973年，斯坦利·N·科恩(StanleyN.Cohen)和赫伯特·W·博耶(HerbertW.Boyer)找到了改变生物体基因组的方法，成功将蛙的DNA插入到细菌中。20世纪70年代末，博耶的基因泰克(Genetech)公司对大肠杆菌进行基因改造，使其带有一个人源基因(这个基因是人工合成的)，最后生产出治疗糖尿病的胰岛素。很快，加利福尼亚州拉霍亚的索尔克生物研究所(SalkInstituteforBiologicalStudies)的科学家培育出了第一只转基因小鼠。
现在，一种名叫CRISPR的新技术，也许将彻底革新基因组编辑。这一技术源自细菌的免疫防御系统，比传统方法更快速、更便宜、更简单。商业化的CRISPR技术公司己经吸引到了大量资金。
瑞典于默奥大学(UmeUniversity)的埃马纽埃尔·卡彭蒂耶(EmmanuelleCharpentier)和加利福尼亚大学伯克利分校的珍妮弗·杜德娜(JenniferDoudna)领导的研究人员报道，他们在细胞中发现了一种
遗传机制，能让科学家以前所未有的速度编辑基因组，并且过程十分简单。此后不久，哈佛大学和麻省理工大学的一个课题组运用这种技术，一次性地对细胞基因组的多个位点进行了修改。
这种先进的技术已经加快了基因工程产业的发展，对遗传学和医学也有深远的推动作用。科学家现在只要几周时间，就能按需定制出经过基因改造的实验动物，省去了从前一年的工作量与时间。目前，研究人员正在运用该技术，探索艾滋病、阿尔茨海默病、精神分裂症等疾病的治疗方法。该技术将生物体的基因修饰过程变得相当简单与廉价，研究人员和伦理学家甚至开始担心，这会催生负面效应。
CRISPR已经勇猛地踏上了商业化的征途，研究人员和商人都在为这种技术设想新的商业用途，其中的某些想法甚至有些狂妄。运用这种技术，医生或许可以在怀孕早期的妇女体内，改造与唐氏综合征有关的异常染色体；育种人员可以重新向抗性杂草的基因组中引入对除草剂敏感的基因；我们还可以复活已经灭绝的物种。这当然会让有些人感到害怕。比如，最近就有一些警告性的头条报道，将这种技术形容为“扮演上帝的好方法”，或者“瓶中妖”。这些文章担心，当我们急于摆脱疟蚊，太想治好亨廷顿病，或者期望“设计”出更好的婴儿时，我们也可能是在创造一个充满有害新基因的“侏罗纪公园”。
科学家正在快速行动，他们希望预见CRISPR技术最可能的危害，并制定应对措施。
可编程的细胞
通过轻轻地挤压细胞，就可以让一些大分子或纳米材料进入细胞，进而改变细胞的运作
假如人类能让体内的细胞按照我们的要求去运作，比如让它们适时地合成胰岛素，或去攻击肿瘤，那么许多健康问题将会迎刃而解。不过，实现这一愿望并非易事。现在普遍使用的方法是，利用病毒穿透细胞膜，对细胞进行干预，但这样会对细胞造成永久性的损坏。
2009年，麻省理工学院的研究人员在不经意间解决了这一技术难题。他们当时正尝试用显微水枪向细胞注入一些大分子和纳米材料。这些物质可以改变细胞的运作机制，同时又能保证细胞存活。化学工程师阿蒙·沙雷(ArmonSharei)发现，水枪的冲击使部分细胞的外形产生了短暂的畸变。
令人吃惊的是，当细胞的外形处于畸变状态时，注射的物质成功地进入到了细胞内。沙雷说道：“这让我们意识到，如果让细胞在足够短的时间内产生形变，便可暂时克服细胞膜的阻碍。”不管怎样，显微水枪还只是一种较为粗放的方法，下一步工作是找到一种更加温和的方式来挤压细胞。
为此，在显微流控领域的奠基人之一克拉夫·F·延森(KlavsF.Jensen)，以及另一位生物领域的先锋人物罗伯特·S·兰格(RobertS.Langer)的带领下，沙雷开发出了一种以硅和玻璃为材质的微芯片。这种芯片的表面，预先蚀刻了供细胞流动的通道，随着细胞流动的方向，通道逐渐收窄，直到细胞无法继续向前行进。此时，被卡住的细胞因受挤压而产生形变，细胞膜上便会出现小孔。这些小孔的直径，足够许多可改变细胞运作的介质通过，如蛋白质、核酸、碳纳米管等。
这项技术甚至能将介质成功引入脆弱的
干细胞和免疫细胞中，这些细胞无法经受以前那种挤压方式的摧残。“这项技术适用的细胞种类之多，让我们都始料不及，”沙雷介绍道。
自这项技术问世以来，沙雷所在的研究团队已经开发出了16种适用于不同细胞的芯片。当然，还会有更多的芯片陆续问世。而且，在现有每秒挤压50万个细胞的基础上，相关设备的处理效率还将更上一层楼。该团队已经成立了一家名为“SQZ生物科技”的公司，将这项技术推向市场。法国、德国、荷兰及英国的科研人员有望很快用上该技术。
透明动物
通过注入特殊化合物，可以使动物变得通体透明，这项技术将成为生物医学领域发展的助推器。
5年前，维维安娜·格勒迪纳鲁(VivianaGradinaru)还在神经生物学实验室里，缓慢地处理着小鼠大脑切片的二维图像，并将其合成为三维模型。一天，她慕名参观了“人体世界”标本展。整个展览最让她着迷的，是经过塑化处理、完整的人体循环系统。这件展品让她深深感到，类似的处理方法可以运用到她的研究领域中，大大地提高实验效率。
“组织剥离”概念的提出已有100多年，但当时的方法，如使用溶剂浸泡等，效率十分低下，通常也会破坏标记细胞所需的荧光蛋白。为了找到更好的解决方法，当时还是研究生的格勒迪纳鲁，与已故神经免疫学家保罗?帕特森(PaulPatterson)实验室的同事一起，开展了相关研究。这些研究的目的是替换组织中的脂肪分子——正是脂肪使得组织不透明。不过，他们必须找到一种可替代脂肪的物质，用以支撑组织的结构。
最终，他们找到了合适的方法：首先对啮齿类动物实施安乐死，并将甲醛注入其体内，利用心脏将甲醛泵至动物全身；之后，剥去动物的皮肤，从血管注入一种名为丙烯酰胺单体(acrylamidemonomers)的白色无味化合物。丙烯酰胺单体可在动物体内建立一个具有支撑作用的水凝胶网，取代动物组织内的脂肪，并使其呈现无色状态；两周之内，这种物质可以使一只小鼠变得通体透明。
这种方法诞生后不久，他们便开始尝试着绘制透明小鼠的完整神经网络。透明器官让他们梦想的不少研究都成为现实，比如分辨周围神经——这类人们从前知之甚少的细微神经束。再比如向透明小鼠尾部注入带有荧光标记的病毒，观察病毒如何透过血脑屏障进入小鼠的大脑。“掌握这项技术，就好比拥有了洞察世间万物的‘透视眼’，”格勒迪纳鲁介绍道。透明器官一方面可降低实验中人为误差的概率，另一方面可提高实验效率，丰富实验数据，同时减少实验动物的使用数量。格勒迪纳鲁愿意向任何有需要的实验室提供她的水凝胶制作方法。下一步她将把这一技术推广到癌症以及干细胞领域的研究上。
简易快速的纳米显微镜
一种可以拍摄纳米粒子的电子显微镜能快速检测
药物、爆炸物中的分子信息。
具备纳米尺度分辨率的电子显微镜已经得到了广泛应用，但其价格动辄高达数百万美元，准备样品也非常麻烦。对于专业的研究型实验室来说，这样的状况还能够接受，但如果要快速扫描产品样品，来查看内置的微尺度水印呢？
纽约大学物理学家戴维·格里尔(DavidGrier)和同事研制出的一种新型全息显微镜，就能解决这一问题。他们以商用蔡司(Zeiss)显微镜为基础，将它的白炽灯光源换成激光光源。激光照射到待观察的样品上，然后发生散射，形成由激光束和散射光互相干涉而成的三维图像(即全息图)，并由摄像机录下。
数十年以来，科学家已经可以生成微尺度物体的全息图像，但从中提取出有用的信息总是很困难。这就是格里尔这项发明的价值所在。他的研究小组编写了一种软件，能够快速求解描述光在球体上散射的方程中的未知参数。这些参数中包含了关于散射物体的所有信息。由于这种显微镜具有纳米级的分辨率，研究人员得以追踪胶体中悬浮的粒子(例如涂料样品中漂浮的纳米珠)。同时，它的成本只有电子显微镜的十分之一。
格里尔希望这种仪器能够提供一种快速而经济的方式，用来观察产品内部的单个粒子。设想一下，涂料桶或洗发水瓶中每滴液体都含有标注了产品生产信息的微粒——就像指纹一样。格里尔还补充道，这种显微镜同样容易“读”出“加盖”在药物、爆炸物及其他物品中的分子信息。
液体发电
唾液也许会成为医用设备的新能源。
默罕默德·穆斯塔法·侯赛因(MuhammadMustafaHussain)，这位沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学(KingAbdullahUniversityofScienceandTechnology)的教授，毕生致力于极微型装置的研发。他用一句话总结自己的研究：“小东西拉近了我们与未来的距离。”于是，当他在2010年着手研究高效、可再生的发电设备，为偏远地区的净水或医疗诊断提供充足的能源时，他首先考虑的因素就是小巧。不过，利用唾液驱动燃料电池，却是他在研究开始时完全没有想到的。
这个“吐口唾沫”的点子来自于当时侯赛因实验室的同事、当时正在攻读博士学位的贾丝廷?E?明克(JustineE.Mink，现为陶氏化学公司的研究员)。那时，明克正尝试开发一种可以植入人体，安放在胰腺附近监测糖尿病人
血糖水平的微型装置。微生物燃料电池——这种通过向细菌提供有机物(唾液中也富含有机物)，利用细菌代谢产生电流的方法映入了她的眼帘。碰巧她和侯赛因的项目都可以利用这种方法，因此两人找来高导电性的石墨烯电极，在上面附着了唾液细菌，在一周之内，这些细菌产生了1微瓦(百万分之一瓦)的电量。
虽然1微瓦看起来微不足道，却足以驱动诸如芯片、诊断工具、或是明克的
糖尿病监测仪这样的微型设备了。侯赛因现在正与3D打印人造器官的公司合作，将他的燃料电池嵌入人造肾脏中，并通过各种体液为电池充电。他说这只是他宏伟目标的第一步，今后，他打算帮助贫困国家，利用工业废弃物中的有机物来发电，并将电力用于海水淡化。
“原子积木”搭建新奇材料
新材料的发现总是会促进人类文明的进步。
乐高积木是一种很有魔力的塑料玩具，它不断地激发出一个又一个新创意。乐高积木的塑料组件体积很小，能按照不同方式组合到一起，从而变成神奇的汽车、设计巧妙的城堡和许多其他结构。而今天，新一代材料科学家正受乐高积木的启发，将这种组合方式应用到纳米世界。
这里的积木组件是一些层状材料。这些材料最薄可以达到仅有一层原子，可以按照设计好的结构，以精确的顺序一层一层地叠加到一起。这种前所未有的精密组合方式，能够制造出全新的物质，这些物质具备前所未有的电学和光学性能。科学家们进一步设想，可以利用这些物质，制造出几乎没有电阻的导电材料，运算能力更强大、运行更快的计算机，以及可弯曲、可折叠而且非常轻的可穿戴电子器件。
为了理解这种材料究竟会带来什么诱人的可能性，我们可以想一下室温超导。要实现无能量损失的电流传输，而且又不需要将设备置于超低温环境中，这一直是几代科学家的梦想。如果发现了可以实现这个目标的材料，对人类文明一定会产生非常深远的影响。研究人员的共识是，原则上这个目标是可以实现的，但没有人知道如何实现。到今天，超导材料的最高临界温度(超导材料从正常态转变为超导态时的温度)也要在-100℃以下。过去20年来，这方面的进展非常有限。
研究人员在研究这类新材料时，如果能有一些重大突破，我们相信，一定会发展出相应的大规模制备技术，以实现其工业应用。就像石墨烯和其他一些二维晶体材料那样。最初制备那些材料时，仅能得到几微米大的微晶，现在我们已经可以得到几百平方米大的片状材料。
目前，还没有人发现这类新材料有什么改变世界的“杀手级应用”，然而，这一领域取得的进步，已经让很多科学家感到兴奋。新材料的发现总是会促进人类文明的进步。这是推动人类社会从石器时代到青铜时代，再到铁器时代，最后来到硅时代的背后力量。纳米尺度的“乐高积木”代表了人类从未制造过的新材料。现在，我们只能猜想未来的一切，但我们相信，这种新材料带来的可能性将是无限的。
声波充电
2011年，美国宾夕法尼亚大学，当时还是古生物学专业高年级学生的梅瑞狄斯?佩里(MeredithPerry)伸手去拿她的笔记本电脑充电器。
突然间，一个想法跃入了她的脑海：是否有一天能抛开这些麻烦的充电线呢？她随即开始寻找将这个想法变为现实的途径。
佩里了解到，已经有基于磁共振和电磁感应的无线电力传输技术了，但它们的传输距离有限。限制它们的是平方反比定律(inversesquarelaw)，即电磁辐射的强度与辐射源的距离的平方成反比。
然而，机械振动却不存在这个问题。使用压电转换器从空气中获取振动能量，就可以将机械能转化为电能，这看起来是一个更好的主意。因为声音其实就是振动的空气粒子，所以从理论上来说，它应该能够传输能量。而安全、安静且高能的超声波是个完美的选择。
当佩里同本校教授以及其他专家讨论时，很多人都认为这个想法不可行，因为无法利用超声波提取出足够的能量来为电子设备充电；而且，如果她真要尝试的话，还会遇到大量的电子工程和声学方面的问题。“但是，我知道这在理论上是可行的，”佩里说，“而且没有人能提出足够的证据，证明这绝对无法实现。”所以，她找到了uBeam公司，来研发这项技术。
目前，他们已经开发出了uBeam发射机的原型样机。它相当于一台定向扬声器，可以将超声波聚焦，产生一个能量“焦点”；与电子设备相连的接收器负责接收这股能量，并将其转化为电能。她计划在两年内推出第一批产品。
佩里说，通用无线充电系统不仅能让我们不用再携带目前各式各样且互不兼容的电线和充电器，还可以保证移动设备在进行高耗电操作时不会用尽电量。摆脱电线的束缚，还能带来崭新的室内装修设计思路。此外，目前载有沉重输电线缆的飞机、汽车、太空船等运载工具，重量也可以大幅降低。
“总的来说，无线充电技术将彻底改变我们与物质世界的作用方式，”佩里说，“我们将不再受制于电源插座。”
储存热能的电池
基于热耦合效应的新型电池，可以将白白流失的热能转化为电能，这一技术拥有巨大的应用前景。
在工业生产中，每年都有100亿瓦特的电量以热能的形式被浪费掉了，而这些能量足够为1000万户家庭提供照明用电。通过热电效应(thermoelectriceffect)，就可以利用温差发电，把这类热能转化为电能。但是，这样也只能利用其中的一部分。麻省理工学院的博士后研究员杨远(YuanYang)解释道：这是因为几十年来的研究都表明，需要达到500℃以上的温差，才能产生出具有实际使用价值的能量。不幸的是，据美国环境保护局(EnvironmentalProtectionAgency)的估计，在美国每年浪费的能量中，有三分之一都是以低于100℃的温度逃逸掉的。
杨远和他的导师、斯坦福大学的陈刚(GangChen)，以及博士后研究员崔屹(YiCui)和李硕祐(SeokWooLee)一道，研发出了一种温差仅为理论值1/10(低至50℃)的发电技术。这种技术的关键是利用了热耦效应(thermogalvaniceffect，与热电效应有类似之处)。在这个过程中，材料整体的温度都随电压而变化，而非仅在电池中产生温度差。研究团队使用不带电的电池芯，配以铜电极，在高温时进行充电，然后再让它们冷却——神奇的事情发生了，电池的放电电压比为它们充电时所用的电压更高。换句话说，用于加热电池的能量被电池以电能的形式收集了起来。
直到近两年，电池电极的效率才达到能将如此小的温差转化为电能的程度，杨远介绍说。而且在实现商业化前，这项技术还需要很多的研究工作来进一步完善。但是，人们迟早会建起由大量电池组筑起的“围墙”，环绕在工厂烟囱或发电厂的周围，将以往白白浪费掉的热能转化为电力。“这一场景非常诱人，”杨远说，“因为被浪费掉的热能随处可见。”
新型聚合物“泰坦”
环保、高强度、可自我愈合、可回收的聚合物，将改变汽车、飞机等诸多行业。
当化学家珍妮特?加西亚(JeannetteGarcía)在最近用过的一个烧瓶里，发现了一块糖果大小的白色材料时，她压根不知道到自己做出了什么东西。这种材料紧紧附着在玻璃上，所以只能用锤子打碎烧瓶才将其取出。但是，当她再次用举起锤子，去敲打这块材料本身时，后者却毫发无损。“当意识到它的有多坚固时，我就知道必须要弄清楚我究竟做出了什么东西，”加西亚说。
加西亚是IBM公司阿尔马登研究中心的科学家。最终，她在几位同事的帮助之下解开了这个谜团。他们发现，这种令人吃惊的材料是一类新型热固性聚合物。这是一类极为坚固的塑料，能用于从智能手机到飞机机翼等众多产品中。虽然在全球每年生产的聚合物中，热固性材料就占到了三分之一，但是它们很难被回收利用。而加西亚发现的新材料(被称为“泰坦”)，是目前为止发现的第一种可回收的、具有工业级强度的热固性材料。
传统热固塑料无法回收重塑，而上述新型聚合物可以通过化学反应进行重新加工。在2014年5月的《科学》(Science)杂志上，加西亚和同事介绍了他们的发现。
预计，全球对耐用且可回收的塑料产品的需求将很快大幅攀升。到2015年，欧洲和日本都将要求厂家在生产汽车部件时，可回收材料的比例要达到95%。“‘泰坦’恰恰可以完美地满足这种需求，”加西亚说。此外，她相信这种新材料最终还能推广到更广泛的应用中，包括抗蚀抗菌涂层、给药设备、粘结剂、3D打印、水净化领域等。
“泰坦”还有其他优点。加西亚和同事发现，这种材料还有第二种形态——在低温时，它会呈现出可自愈合、类似凝胶的形态。这种形态被研究人员称为“海德鲁”(Hydro，意为水)。“如果将海德鲁切成两半，再放回一起，它们会立刻互相粘结，”加西亚介绍说。这样，“泰坦”就可以用作粘合剂，或者自修复涂料，其他相关的化学产品也将陆续被开发出来。“(我们发现的)不仅仅是一种新型聚合物，而且还是一种新的聚合物生成反应。”加西亚说。
视力矫正显示屏
在美国，40岁以上的人群中，超过40%的人在阅读时都需要戴眼镜；而对于80岁以上的人群，这一比例更是达到了近70%。“随着年龄的增长，屈光不正(refractiveerror)对我们日常生活的影响与日俱增，”美国斯坦福大学电气工程学助理教授戈登?维茨斯坦(GordonWetzstein)说。
但是，无论框架眼镜还是隐形眼镜，都有不甚理想的地方。举例来说，一个远视的人，在开车时观察交通路况没有任何问题，但在查看速度表或GPS导航的时候就需要戴眼镜了。这种情况下，最好的解决办法是使用视力矫正显示屏，即能根据用户的情况给显示屏“戴上眼镜”，维茨斯坦说。
与麻省理工学院(维茨斯坦曾在这里工作)及加利福尼亚大学伯克利分校的同事们合作，维茨斯坦研制出了这种显示屏。在智能手机或平板电脑的标准高分辨率显示屏的基础上，他主要做了两项改动：一是打印一种低成本的、布满小孔的透明薄膜，覆盖在屏幕上；二是为智能手机或平板电脑编写算法，来判断用户相对于显示屏的位置，并根据他(她)的验光处方来调整投射的图像。当调整过的图像通过显示屏透明薄膜上的小孔阵列时，在软硬件的共同作用下，屏幕上会产生误差，正好同视力误差相抵消，在用户眼中形成清晰的画面。这种显示屏能为近视、远视、散光和其他更为复杂的视力问题提供相应的矫正。2014年8月，在加拿大温哥华举行的计算机图形图像特别兴趣组(SpecialInterestGroupforComputerGraphics)年会上，研究人员首次展示了这项技术。
据维茨斯坦介绍，在少量用户中进行的非正式测试显示，该技术起到了应有的作用，不过还需要更大规模的研究来进一步完善。研究人员还计划开发一种滑动条，用于手动调整显示屏的焦距。维茨斯坦说，对发展中国家的用户来说，这项技术尤为便利，因为在某些地区，获得移动设备要比通过医生处方购买眼镜更容易。
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