1. Окружающая среда: Биопластик на защите экологии
Аннотация: Усовершенствованные растворители и ферменты превратят древесные отходы в биоразлагаемый пластик.
Автор: Хавьер Гарсия Мартинес
Наша цивилизация построена на пластике. По данным Всемирного экономического форума, только в 2014 году промышленность произвела 311 миллионов тонн пластика, и ожидается, что к 2050 году эта цифра увеличится в три раза. Однако из всего этого количества материалов переработке подвергается менее 15%. Большая часть остается на свалках или сжигается.
Биоразлагаемый пластик может в корне изменить ситуацию, способствуя достижению «круговой» пластической экономике, при которой пластик создается из биомассы и превращается в нее обратно после использования. Как и стандартные пластмассы, полученные из нефтехимических продуктов, биоразлагаемые версии состоят из полимеров (длинноцепочечных молекул), которые могут быть отлиты в жидком состоянии в различные формы. Однако доступные в настоящее время варианты, в основном сделанные из кукурузы, сахарного тростника или отработанных жиров и масел, обычно не имеют механической прочности.
Недавние достижения в производстве пластмасс из целлюлозы и лигнина (сухого вещества в растениях) обещают преодолеть эти недостатки, к тому же эти элементы могут быть получены из непищевых растений, таких как гигантский тростник, или из отходов древесины и побочных продуктов сельского хозяйства, которые в противном случае не выполняли бы никакой функции.
Целлюлоза — самый распространенный органический полимер на земле — является основным компонентом клеточных стенок растений; лигнин заполняет пространство в этих стенках, обеспечивая прочность и жесткость. Работа с лигнином особенно важна, потому что мономеры лигнина состоят из ароматических колец — химических структур, которые придают некоторым стандартным пластмассам их механическую прочность. Лигнин не растворяется в большинстве растворителей, но исследования показали, что некоторые экологически чистые ионные жидкости могут избирательно отделять его от древесины и древесных растений. Генетически сконструированные ферменты, подобные грибковым и бактериальным, затем могут расщеплять растворенный лигнин на его компоненты.
На эти выводы и опирается ряд компаний. Например, Chrysalix Technologies, дочерняя компания Imperial College London, разработала процесс, в котором используются недорогие ионные жидкости для отделения целлюлозы и лигнина от исходных материалов. Финская биотехнологическая компания MetGen Oy производит ряд генно-инженерных ферментов, которые расщепляют лигнины различного происхождения на компоненты, необходимые для широкого спектра применений. А Mobius (ранее Grow Bioplastics) разрабатывает пластиковые гранулы на основе лигнина для использования в биоразлагаемых цветочных горшках, сельскохозяйственных мульчах (мульча — это определенный материал, слоем которого покрывается поверхность земли вокруг стебля огородной культуры — прим.ред.) и других продуктах.
2. Инжиниринг: Социальные роботы
Аннотация: Друзья и помощники Droid последовательно интегрируются в нашу жизнь.
Авторы: Коринна Э. Латан и Джоффри Линг
Как и большинство роботов, социальные роботы, созданные для работы с людьми, используют искусственный интеллект, чтобы решить, как действовать на информацию, полученную через камеры и другие датчики. Достижения в области ИИ позволили дизайнерам перевести психологические и нейронаучные идеи восприятия в алгоритмы, которые позволяют роботам распознавать голоса, лица и эмоции; интерпретировать речь и жесты; адекватно реагировать на сложные вербальные и невербальные сигналы; установить зрительный контакт; вести диалог и адаптироваться к потребностям людей, учась на обратной связи, наградах и критике.
Как следствие, социальные роботы играют все более разнообразные роли. Например, 47-дюймовый человекоподобный робот по имени Пеппер (от SoftBank Robotics) распознает лица и основные человеческие эмоции и участвует в разговорах через сенсорный экран в своей «груди». Около 15 000 Пепперов по всему миру выполняют такие услуги, как регистрация в отеле, обслуживание клиентов в аэропорту, помощь с покупками и быстрое оформление заказа.
Temi (из Temi USA) и Loomo (Segway Robotics) — это персональные помощники следующего поколения, такие как Amazon Echo и Google Home, к тому же, они мобильны, что позволяет обеспечивать новый уровень функциональности. Например, Loomo не только является компаньоном, но и по команде может трансформироваться в самокат для перевозки.
В помощи социальных роботов особенно нуждается пожилое население мира. Терапевтический робот PARO, разработанный Японским национальным институтом передовых промышленных наук и технологий, выглядит как милый тюлень и предназначается для снижения стресса у людей с болезнью Альцгеймера. Мабу (Catalia Health) обслуживает пациентов, в частности пожилых людей, напоминая им о необходимости погулять, принять лекарства и позвонить семье, если есть какие-либо угрозы жизни. Социальные роботы также завоевывают популярность среди игрушек. Ранние попытки включить социальное поведение в игрушки, такие как Hasbro's Baby Alive и Sony AIBO-робот, имели ограниченный успех. Но обе эти разработки возрождаются, а самая последняя версия AIBO обладает более точным распознаванием голоса и жестов, может обучаться трюкам и развивает новое поведение на основе предыдущих взаимодействий.
В 2018 году продажи потребительских роботов по всему миру достигли 5,6 миллиардов долларов, ожидается, что к концу 2025 года рынок вырастет до 19 миллиардов долларов. В год будет продаваться порядка 65 миллионов роботов.
3. Инжиниринг: Миниатюрные линзы обеспечат дизайн новых оптических устройств
Аннотация: Тонкие, плоские металинзы могут заменить громоздкое стекло для управления светом.
Автор: Альберто Москателли
Несмотря на то, что электроника и гаджеты упорно стремятся к уменьшению своих размеров, сделать меньше их линзы — непростая задача. Однако ученые нашли решение — металинзы. Они могут обеспечить большую миниатюризацию микроскопов и других лабораторных инструментов, а также потребительских товаров, таких как камеры, гарнитуры виртуальной реальности и оптические датчики.
Металинза состоит из плоской поверхности, тоньше микрона, которая покрыта массивом наноразмерных объектов — выступающих столбов или просверленных отверстий. Когда падающий свет попадает на эти элементы, то многие их свойства меняются, включая поляризацию, интенсивность, фазу и направление распространения. Исследователи могут точно позиционировать наноразмерные объекты, чтобы гарантировать, что свет, выходящий из металинз, будет выдавать заданные характеристики.
В дополнение к уменьшению размера, в конечном итоге металинзы должны снизить стоимость оптических компонентов, поскольку уменьшающие линзы могут быть изготовлены с использованием того же оборудования, которое уже используется в полупроводниковой промышленности. Эта особенность открывает привлекательную перспективу производства, например, для крошечного оптического и электронного компонента датчика света рядом друг с другом.
Однако до сих пор металинзы являются дорогим решением, к тому же они не пропускают свет так же эффективно, как традиционные линзы. В том числе они слишком миниатюрны для того, чтобы захватывать большое количество света, а значит в данный момент, они не пригодны для съемки качественных фотографий. Но металинзы обладают большим потенциалом: как минимум один стартап — Metalenz — планирует выпустить их на рынок в течение следующих нескольких лет.
4. Медицина и биотехнологии: Возможности белков для лечения рака и болезни Альцгеймера
Аннотация: Специальный класс белков обещает перспективы в создании лекарств от неизлечимых на данный момент заболеваний.
Автор: Элизабет О’Дей
Десятилетия назад ученые определили особый класс белков, которые сопровождают различные болезни — от рака до нейродегенеративных заболеваний. Эти «внутренне неупорядоченные белки» (IDP — intrinsically disordered protein) выглядели иначе, чем белки с жесткими структурами, которые были более знакомы в клетках. IDPs — это оборотни, которые выглядят как совокупность компонентов, постоянно меняющих конфигурацию. Но когда IDPs не функционируют должным образом, у человека может развиться серьезное заболевание.
Долгое время ученые не могли найти методы лечения или регулирования неисправных белков. Это связано с тем, что большинству применяемых в настоящее время лекарств требуются стабильные структуры, а IDPs недостаточно долго остаются на месте.
В 2017 году исследователи во Франции и Испании продемонстрировали, что можно прицелиться и изменить «нечеткий» интерфейс IDPs. Они показали, что одобренный FDA препарат под названием трифлуоперазин, который используется для лечения психотических расстройств и тревоги, связан и ингибирует NUPR1, нарушенный белок, участвующий в форме рака поджелудочной железы. Масштабные скрининговые тесты для оценки тысяч потенциальных лекарств на терапевтический потенциал выявили несколько белков, которые ингибируют MYC. Также были идентифицированы дополнительные молекулы, которые работают на IDPs, среди них бета-амилоид, причастный к таким заболеваниям, как болезнь Альцгеймера.
Этот список будет расти, тем более что роль IDPs в важнейших клеточных частях, известных как безмембранные органеллы, становится более ясной. Часто называемые капельками или конденсатами, эти органеллы сближают жизненно важные клеточные молекулы, такие как белки и РНК, в определенное время, оставляя другие отдельно друг от друга. Ученые разработали новые мощные инструменты для молекулярных манипуляций, которые называются Corelets и CasDrop. Они позволяют исследователям контролировать формирование этих капель. Используя эти и другие инструменты, ученые узнали, что IDPs могут помочь контролировать сборку, функционирование и разборку капель.
Промышленность также делает ставку на терапевтический потенциал IDPs. Например, биотехнологическая компания IDP Pharma разрабатывает тип ингибитора белка для лечения множественной миеломы и мелкоклеточного рака легкого. Graffinity Pharmaceuticals определила небольшие молекулы для нацеливания на неупорядоченный тау-белок, который участвует в патологии Альцгеймера. Cantabio Pharmaceuticals ищет небольшие молекулы для стабилизации IDPs, участвующих в нейродегенерации. А новая компания под названием Dewpoint Therapeutics исследует идею о том, что капли и их неупорядоченные компоненты из-за способа, которым они объединяют молекулы для усиления реакций, могут использоваться в качестве мишеней для лекарств. Весьма вероятно, что в ближайшие три-пять лет эти некогда «нерасщепляемые» белки окажутся в центре фармацевтической разработки.
5. Окружающая среда: Умные удобрения сократят загрязнение окружающей среды
Аннотация: Новые составы удобрений обеспечат питание «по требованию».
Автор: Джефф Карбек
Стандартные удобрения работают неэффективно, а также наносят вред экологии. Однако уже сейчас ученые разрабатывают умные удобрения, которые обладают контролируемым высвобождением химических веществ.
Фермеры обычно удобряют урожай двумя способами: опрыскивают поля аммиаком, мочевиной или другими веществами, которые выделяют питательный азот при взаимодействии с водой, или применяют гранулы калия или других минералов для производства фосфора, что также происходит в ответ на взаимодействие с водой. Но относительно мало этих питательных веществ попадает в растения. Вместо этого большая часть азота попадает в атмосферу, а фосфор стекает в водосборные бассейны, часто вызывая чрезмерный рост водорослей. Составы с контролируемым высвобождением, напротив, могут гарантировать, что зерновые культуры получат значительно более высокие уровни питательных веществ, что повысит урожайность при использовании меньшего количества удобрений.
Умные удобрения — это крошечные капсулы, заполненных веществами, которые содержат азот, фосфор и другие полезные питательные элементы. Внешняя оболочка капсул замедляет скорость, с которой вода может получить доступ к внутреннему содержимому. В результате питательные вещества дозируются и выходят постепенно.
Недавно были разработаны удобрения, которые могут менять скорость высвобождения питательных веществ по мере изменения температуры, кислотности или влажности почвы. Комбинируя различные типы специально настроенных капсул, производители могут создавать удобрения с профилями, адаптированными к потребностям конкретных культур или условий выращивания. Такие компании, как Haifa Group и ICL Specialty Fertilizers, входят в число тех, кто предлагает более точный контроль.
Хотя технологии с контролируемым высвобождением делают удобрения более эффективными, они не устраняют все их недостатки. Они все еще включают аммиак, мочевину и калий; производство этих веществ остается энергоемким, то есть может способствовать образованию парниковых газов и изменению климата. Однако этот эффект можно смягчить, если использовать более благоприятные для окружающей среды источники азота и включить микроорганизмы, которые повышают эффективность поглощения азота и фосфора растениями.
