编者语：令环境更清洁、令人类更健康、令生活更智能……

　　居民免费享用太阳能电池板，人们能够实时了解世界的一切——并非在网络世界，而是在供人类生存的物质世界；医生可以提前数年预测某种疾病的侵袭。如果这些 都成为现实，世界会发生怎样的变化？那些改变世界的计划将为我们揭开谜底。一系列构想组成了简单
而又雄心勃勃的图景，以至于我们现在不可能预言全部影响。 《科学美国人》杂志的顾问及编辑委员团挑选出来自能源、运输、环境、电子和机器人以及医学健康这五大领域的多项计划，凸显了科技改变生活的无穷力量。其中 一些计划正在实施，其他的尚在科研转化阶段，毋庸置疑的是，这些创新计划当属最有希望为人类排忧解难的锦囊妙计。

　　能源

　　免费太阳能计划

　　一批新兴企业打算免费为你家安装太阳能电池板。

　　太阳能的最大拦路虎就是资金。在美国，即使有政府出台的鼓励政策，居民在屋顶安装一套能够提供房屋全部能耗的太阳能电池板仍耗资巨大，所需费用足够支付未 来7~10年的电费。好在一项财政创新为那些期望节能减排并且缩减电费开支的房主另辟蹊径：先免费安装太阳能电池板，然后一边使用，一边付款。

　　该政策的实施流程类似住房抵押贷款。银行或市政债券持有人为组织或个人付费安装太阳能电池板，后者则定期偿还前者的投资。这样一来，房主便可直接或间接购 买自家屋顶上的太阳能电池板产生的电能，每度电的成本低于电网供电的价格。由于新一代太阳能电池板运行稳定，使用寿命长，因此对于投资者来说，这是一项安 全投资，同时房主也缩减了开支，更不用说体会减少碳排放带来的满足感了。对此，美国日光城公司（SolarCity）的创办人之一彼得·赖夫（Peter Rive）说：“此举不仅使人们无须为获得太阳能节衣缩食，还能让使用者从第一天起便减少开支。这仅是个开始。”

　　日光城是参与此政策最大的家用太阳能电池板装卸公司。该公司于2006年由一对企业家兄弟投资创立，他们还在硅谷创立了多家企业。日光城将太阳能电池板租 用给房主并提供免费的电力。房主实际上需要支付大幅减少的电费（阴天的时候用户仍然需要公用电网供电）外加使用电池板的月租金。这两项费用之和低于使用太 阳能之前的电费数额。旧金山的SunRun公司也为用户提供类似服务，不同之处是该公司直接向用户收取电费，而非太阳能电池板的租金。

　　美国伯克利和博尔德等城市率先实施了为个人提供太阳能电池板购买和安装全额贷款的财政计划。这笔费用由市政债券先行支付，然后作为财产税的一部分由房主在 20年内还清。实际结果是，用户以税务、租金或长期电力合同的方式支付使用太阳能的费用，而这笔费用低于目前的电费开销。

　　美国加利福尼亚大学伯克利分校可再生及替代能源实验室负责人丹尼尔·M·卡门（Daniel M. Kammen）评论说：“真正值得称道的是，我们转变了用户购买能源产品及服务的思维方式。”卡门初步分析了伯克利贷款计划，他相信该计划让用户能够借助 财政力量，克服使用可再生能源相对于使用当前能源的固有劣势：现存输电网的基础设施已搭建完善，居民已经为此埋单数十年，政府也给予过无数补贴。

　　上述三种方式正风靡美国。除了已实施将近两年的伯克利财政计划，美国还有其他10个州也订立法案允许开展伯克利式的基金投资贷款项目。在《韦克斯曼—马基 气候议案》（Waxman-Markey climate bill，又名《美国清洁能源及安全条例》）的促动下，或许联邦法律将强制此能源项目在城市里实行。总部设在马里兰州的爱迪生太阳能公司 （SunEdison）目前正在美国9个州开展业务。日光城公司已拥有遍及加利福尼亚州、亚利桑那州以及俄勒冈州的4,000多位用户，并将在2010年 把业务推向美国更多的州。

　　当前的技术水平还不足以使屋顶太阳能的总成本降低到与传统电网等价的程度。也就是说，如果没有类似投资税减免这样的政策优惠，太阳能转化项目的花费仍旧高 于地区公用设施供电。太阳能电池板安装费用的30%来自财政补贴，这种补贴至少还将维持8年。日光城公司及竞争对手坚信，到那时它们将不再需要这些补贴。

　　考虑到资本成本、电池板成本、安装费用以及地区日照强度等诸多因素，爱迪生太阳能公司分管市场的副总裁阿蒂拉·托特（Attila Toth）认为：“实现与传统电网等价取决于多方面因素，不同的州完成这一目标所需的时间不尽相同。在未来的3~5年内，加利福尼亚州有望成为首批达到太 阳能与电网等价的州。”

　　在过去10年里，化石燃料成本以每年3%~5%的速度上涨，相比之下，如果太阳能电池板的使用数量再翻一番，成本就会下降约20%。不断增加的化石燃料成 本与逐步降低的太阳能转化成本交汇之际就是实现太阳能与电网等价之时，而后太阳能将在更多地方派上用场。难怪主推电动汽车的美国特斯拉汽车公司 （Tesla）高管埃隆·马斯克（Elon Musk），居然会成为日光城公司的董事会成员。

   汽油花园

　　科学家试图利用基因工程种植以烃类化合物为正常代谢副产物的植物，以期获得新一代生物燃料。这样一来，仅靠阳光和二氧化碳便可获得以汽油为主的燃料。埃克 森美孚（Exxon Mobil）公司于2009年7月份宣布投资6亿美元，目标是培育出可以实现这一
转化功能的藻类。此外，朱尔生物技术公司（Joule Biotechnologies）宣称已经取得成功，尽管它们尚未透露任何专利细节。

　　热核发电

　　核反应堆的燃料不仅限于铀和钚。经过传统裂变原料“激活”后，钍能够建立起一种自我维持的增殖反应，形成适用于核能发电的铀233。此外，这种反应还有另一个好处——防止核扩散，因为最终产物释放的伽马射线会使燃料处理变得异常危险，并且易于追踪。

　　信息节能

　　研究表明，仅须让用户了解他们的能耗状态便可节省5%~15%的用电量。智能电表可以让用户随时了解每台电器的耗电量（见左图）。出售智能电表的公司如雨后春笋般兴起，谷歌和微软也各自联合地区公用事业，以方便用户利用网络监控电力使用状况。

　　高空风力

　　美国斯坦福大学2009年7月份公布的一项研究结果显示，海拔数万英尺（1英尺约等于0.3米）之上的持续风能，只需1%便足够提供全部人类文明所需的能 量。美国加利福尼亚州天空风力公司（Sky WindPower）提议，通过建造系于地面的大型空中风车机群（见下图）来获取这部分风能，意大利的凯特根公司（Kite Gen）更是计划使用风筝来完成这一壮举。

   运输

   摆脱石油依赖症

   充电式混合动力车是解决 短途运输的长久之计。

　　在美国，从地下开采的石油中有40%是被货运卡车消耗掉的，而大部分消费者都在关注如何降低轿车的油耗。非营利性清洁运输技术组织Calstart高级副 总裁、混合动力卡车用户论坛主管比尔·范安布格（Bill Van Amburg）说：“民众尚未察觉，即便是一辆小卡车，它的油耗也远远超过了普通轿车。一辆混合动力多功能卡车的节油量是9辆丰田普锐斯环保汽车都无法媲 美的。”

　　目前美国大约有1,300辆商用混合动力车已经上路，它们的燃油效率是常规汽车的两倍。但是这些传统的混合动力车具有先天缺陷。通过回收刹车过程中损失的部分能量，它们利用汽油燃料的效率还能进一步提高。

　　另一方面，充电式混合动力汽车依靠电网供能。充电后它们无需任何化石燃料即可开动，多数情况下足够一整天的行驶里程。新技术使汽车能耗由依靠汽油向依靠电网转变。（2008年全美30%的电力由零碳排放的可再生能源及核能提供。）

　　将充电式混合动力技术运用于卡车在诸多方面都比运用在小轿车上更有意义。货运卡车日行程较短，再生制动系统（regenerative braking）可在多次停靠时发挥功效。例如，全美邮电行业共有20多万辆邮政卡车，其中大部分日行程不足20英里。此外，这些汽车夜间可进入车库，由 120或240伏特电源充电。

　　美国能源部最近斥资4,540万美元，启动了全国最大的商用充电式混合动力汽车项目，计划在2011年初使378辆中型卡车投入使用。这些卡车将组成50 个市政和公用车队，最显著的特点是装配有伊顿（Eaton，一家大型电器元件生产商）提供的动力系统及福特公司制造的F-550型底盘。（福特公司出于自 身考虑，要等商用充电式混合动力卡车证实有市场潜力后再进行自主研发。）美国南加利福尼亚州电力汽车协会主席保罗·斯科特（Paul Scott）预测：“这些（充电式混合动力）汽车将在2011年重拳出击。”

　　新兴汽车公司布莱特动力（Bright Automotive）的计划更为庞大。他们打算于2014年之前将至少5万辆卡车替换为混合动力卡车。该公司的新型汽车艾迪亚（IDEA，见右上图）能 够依靠蓄电池行驶约65千米，电池耗尽后可换用百千米油耗约5.88升的四缸引擎驱动。利用铝材料制成的流线型车身具有更强的空气动力性能，使它的载重量 堪比邮政车，而自身重量却仅相当于中型轿车。

　　布莱特动力的创始人约翰·E·沃特斯（John E. Waters）曾是通用公司创新型电力汽车EV1蓄电系统的开发者。他宣称每辆艾迪亚汽车每年能够比现有的多功能卡车节省5,700升汽油，并减少16吨 二氧化碳排放。沃特斯称，只待4.5亿美元的政府贷款到位就可立刻动工装配生产。

　　除了减排效果，新型卡车的主要用户更多地还是考虑切实利益。艾迪亚的最终报价尚无定论，布莱特公司的执行官对此闪烁其辞。不过他们说，如果用户拥有 2,000辆新型卡车，保证每周使用5天、每天行驶130千米，一年下来就能节省720万美元。但现在不会有人会在毫无折扣的情况下大量购买，除非政府开 始征收二氧化碳排放税。尽管生产成本会随产量增加而下降，但范安布格估算，目前每辆汽车升级为混合动力还是需要花费3万~ 5万美元。

　　蓄电池技术的改进也将助一臂之力。现在仅那套13千瓦时锂电池组的费用便占据了艾迪亚汽车总成本的1/4。针对雪佛兰Volt和其他充电式混合动力汽车的 电池组所做的大多数研究，也都应该应用到商业化电池当中。布莱特公司分管产品开发的副总裁戴维·劳桑（David Lauzun）表示：“尽管我们都想做到尽善尽美，但只有等到新动力汽车具备了经济竞争力，人人都在说‘我必须去买一辆，因为它太省钱了’的时候，它们才 能占领全球市场。”

　　快速公交系统

　　地铁式公交线路撑起未来城市客运重担。

　　随着生产力水平的进步，人们不断从农村涌入城市。虽然这开创了人类文明新篇章，随之而来的许多麻烦却又使人左右为难。其中一个不容忽视的问题便是大城市中 的客运。使用轿车会造成交通拥堵和环境污染，轻轨建造进度缓慢且造价昂贵。缓解交通紧张的一种既简单又便宜的方法就是，使用有着“车轮上的地铁”之称的快 速公交（Bus Rapid Transit，BRT）。快速公交系统利用现有公路划分出专用通道来行驶大载客量公交车。乘客付款后进入封闭的车站内候车。公交车进站时，隔离门会自动 打开，让乘客从跟车厢底部齐平的站台上登车。畅通的道路、上下客的快捷以及舒适的现代化车站，使快速公交系统更像是轻轨，而不同于混乱的常规公交车。哥伦 比亚首都波哥大自2001年以来已开通了7条快速公交线路（见右图），日客运量达到160万人。快速公交系统的成功运营使该城停运了7,000辆私人巴 士，公交运输的油耗和相关的环境污染降低了至少59%。

　　环境

　　海洋大检修

　　面对海洋危机，区域化管理是一个大胆的补救措施。

　　最近，甚至连许多政客都不再否认海洋出了大问题。许多国家现在都把保护近海水域水质作为一项国家政策。为此，世界各国的领导人都开始提出一个所谓革命性的解决方法：海洋区域规划。其实在多年以前，资源保护者就已经在主张这个方法了。

　　这个想法是近一个世纪以来指导城市景观发展的管理政策的自然延伸。众所周知，幼儿园旁边不能开情趣商店，钻井也不会被设置在国家公园里。同样，海洋区域规 划的拥护者也在设想，能不能把地球上所有的水域都根据特定的用途划分成小块。钻探和开采矿藏只能在特定的海区进行，另一些海区只用于捕鱼。受威胁最大的海 区则禁止一切捕捞和开采活动。

　　在陆地上，人们很容易就能找到地图，告诉他们在哪里能做什么事，但是海洋领域的管理却混杂了大量机构制定的各种条例，每种条例只负责一个方面。以美国为 例，一个机构管理商业捕鱼，往往一次只负责一个鱼种；另一个组织负责管理有毒物质；海底采矿又归另外一个机构管理——诸如此类的管理机构有将近20个。美 国杜克大学海洋生态学家拉里·B·克劳德（Larry B. Crowder）解释说，这些机构在作决策时都倾向于各行其是，而不去考虑其他机构在做些什么。“想象一下，如果所有医生在面对重症病人时都只考虑自己的 专科，从来不跟其他同事交流，那会多么糟糕，”克劳德说，“如果对海洋也采取这种管理方式，不变得更糟才怪呢。”

　　像克劳德这样的海洋保护者急切地期待，美国总统奥巴马负责的一个专责委员会就全面治理美国近海200海里的海域提出最终意见。这样一个项目的涉及范围非常 大：美国控制着约1,140万平方千米的海域——换句话说，美国的领海面积比领土面积还大25%。2009年9月，这个委员会提出一个预案指出，把人类对 海洋的有害影响降到最小的最好方法是区域化管理，而不是专项管理。

　　许多环保人士都希望，这些类似市政区域规划的计划能在海洋上实施，这会让他们拥有一定的影响力，在那些现在他们影响不到的区域。一旦一个海区被指定为资源 保护区，商业捕捞和采矿这样的工业活动都将受到限制。但在目前的法规条件下，保护组织想要阻止一个他们认为有害的项目——比如在近海开设一个新的钻探点 ——唯一的办法就只能通过昂贵的诉讼。

　　不过到目前为止，专责委员会还是很谨慎，并未暗示海洋区划管理会是唯一的方案，这在很大程度上是因为任何限制商业利益的行动都会遭致强烈反对。“并非每个 人都喜欢搞区划管理，”美国南佛罗里达大学坦帕分校佛罗里达海洋学研究所所长约翰·C·奥格登（John C. Ogden）提醒说，“总有人的利益要受到损害。”最排斥这项改革的很可能就是海洋的那些“老主顾”——商业捕捞者和石油工业集团。奥格登说：“长期以来 他们都只顾自身的利益。”

　　然而奥格登和其他人很快就指出，区划管理的实践不但可以起到保护资源的作用，也能带来商业利益。南加利福尼亚大学法学院副教授乔希·伊格尔（Josh Eagle）解释说，工业集团通过放弃进入某些海域，反而可以获得在另一些海域的活动许可，而那些海域开采会更容易，成本也更低。石油公司现在虽然可以申 请在几乎任何地方进行钻探，但每次都要面临很大的商业风险。石油公司可能为开发一座新油井投入了几百万美元，到了最后一刻却因为一纸诉讼而不得不放弃。在 区域化管理刚开始执行的时候，对立的各方都能对对方指手画脚，而区域一旦划分完成，各方就不太会阻碍彼此的行动。

　　专责委员会的最终报告是否会明确提出海洋区域化管理，目前还是未知数。不过他们已经承诺要彻底改革海洋治理机构，方法就是提议成立国家海洋委员会，这一机构的任务就是要协调整合目前由无数个联邦机构负责的海洋事务。

　　这项行动来得正是时候。正如社会开始意识到保护海洋健康需要付出巨大努力一样，为了获得更多能源、更多食物，为了更灵活地发展沿岸经济以及应对气候的变 化，我们还需要付出更多的努力。海洋危机的根源并不在于人们向海洋倾倒了什么或掠夺了什么，而在于各国政府没有恰当地管理这些行为。就像克劳德所说：“对 于海洋问题我们不得不全盘考虑，再不能头痛医头脚痛医脚了。”

　　垃圾的能量

　　人造电弧可以处理垃圾并产生电能。

　　垃圾蕴含的能量存在于它的化学键当中。等离子气化技术（plasma gasification）已经发展了数十年，用这种技术可以把垃圾中的能量提取出来。这个过程在理论上很简单。当电流穿过封闭容器内的气体（通常是普通 空气）时，会产生电弧和超高温等离子体——也就是离子化的气体，温度可达7,000℃，甚至比太阳表面还热。这个过程如果发生在自然界中，就被称为闪电， 因此从字面上说，等离子气化其实就是发生在容器中的人工闪电。等离子体的极高温度可以破坏容器中任何垃圾的分子键，从而将有机物转化为合成气（一种一氧化 碳和氢气的混合物），其他物质则变成类似玻璃体的熔渣。合成气可以用在涡轮机中作为燃料进行发电，也可以用来生产乙醇、甲醇和生物柴油；熔渣则可以加工成 建筑材料。

　　过去，气化法在成本上还难以跟传统的城市垃圾处理方法相竞争。但逐渐成熟的技术使这种方法的成本不断降低，同时能源的价格也在不断攀升。现在“两条曲线已 经相交了——把垃圾送到等离子体处理厂处理变得比堆成垃圾山要便宜了”，美国佐治亚理工学院等离子体研究所所长路易斯·齐尔切奥（Louis Circeo）说。2009夏初，垃圾处理业巨头废物管理公司（Waste Management）开始与InEnTec公司（总部设在俄勒冈）展开合作，将InEnTec公司的等离子体气化设备投入商业使用。它们正在美国的佛罗 里达、路易斯安那和加利福尼亚三个州建设大型试验工厂，每个工厂日处理垃圾的能力超过1,000吨。

　　等离子体也并非完美无缺。虽然玻璃体熔渣里隐含的有毒重金属已经通过了美国环保局的可浸出标准（日本和法国在很多年前就已经使用这种东西作为建筑材料）， 但社区对于建造这样一个工厂还是心存疑虑。合成气发电的碳足迹小于燃煤发电。齐尔切奥介绍说：“用等离子体处理一吨垃圾，相当于把排放到大气中的二氧化碳 减少了两吨。”但这个方法还是会增加温室气体的净排放。

　　齐尔切奥承认：“事情不可能尽善尽美。不过美国环保局统计过，如果美国所有城市固体垃圾都用等离子体处理并发电的话，就能提供全国用电需求总量的5%~8 %——相当于大约25座核电站或目前所有水电站的发电量。”预计到2020年，美国的垃圾日产量将达100万吨，因此利用等离子体技术从垃圾中回收部分能 量的做法将变得越来越重要。

　　水泥像海绵一样吸收二氧化碳

　　传统水泥生产过程所产生的二氧化碳排放至少占全球总排放量的5％，不过使用新材料可以制造出“碳中性”水泥。英国伦敦大学帝国理工学院资助成立的 Novacem公司用二氧化镁制造水泥，这种水泥在凝固过程中会自然吸收二氧化碳。美国加利福尼亚州的Calera公司则用海水把附近一家发电厂排放的碳 固定到水泥里。

　　新型蜜蜂

　　自2006年以来，蜂群崩溃衰竭症 （CCD）已经导致超过1/3的蜜蜂群消亡（参见《环球科学》2009年第5期《蜂群为何神秘消失》）。曾经依赖蜜蜂给杏树、桃树、苹果树等作物授粉的农 民，现在正指望一种蓝色果园壁蜂挽回大局。一只高效的果园壁蜂（右图）授粉范围相当于50只普通蜜蜂的总和，但这种蜂很难饲养，因为它们天性喜欢独居。这 些小家伙不能完全取代蜜蜂的作用，但在科学家跟蜂群崩溃衰竭症作斗争的时候，它们可以组成一道农业安全的防线。

　　咸水作物

　　世界淡水供应日趋紧张，食物需求却不断激增，耐盐作物无疑可以减轻这一负担。澳大利亚阿德莱德大学的研究者，利用基因工程提高了一种作物抵抗盐类在叶片内 蓄积的能力，使这种植物能够在本来会令它枯萎的环境下存活。假如同样的基因改造运用在水稻（下图）和小麦之类的谷类作物上，那些被干旱或过度灌溉破坏的土 地就有可能再次成为人们的粮仓。科学家正在进行相关实验。

　　电子和机器人

　　全能机器

　　通过使用小巧而又无处不在的传感器，我们将能感知整个物理世界，就像畅游网络空间一样。

　　2009年年初，惠普公司对外公布了地球中枢神经系统（Central Nervous System for the Earth，CeNSE）项目，该项目计划用10年时间在地球上部署1万亿个图钉大小的传感器。技术人员称，这种无处不在的传感网络收集的信息会极大地改 变我们对世界的认识，就像互联网给商业带来的巨大变革一样。“人们还没有意识到这个即将到来的新浪潮，”科技预测者保罗·萨福（Paul Saffo）说，“现在我们正在进入感知世界的新时代，令人震惊的变革即将到来。”

　　大量安装传感器，即“传感微粒”，采用计算机对采集到的信息进行分析处理，并自动发出提示，甚至直接进行响应，这不仅仅会增进我们对大自然的了解，而且会 带来更具革命性的应用。例如：可管理自身能量使用的建筑物、出现问题时能自动向工程人员发出维修请求的大桥、能跟踪交通模式并检测堵车情况的汽车、能分辨 进入宅院的是足球还是狗的家庭安全系统——这些只是随便列举的几个例子。

　　虽然到目前为止，CeNSE是公开发布的相关项目中最引人注目的，但事实上惠普并不是开发此项感知世界技术的唯一机构。英特尔公司正在设计新型传感套件，还有很多高校实验室也在开展研究工作。

　　从这个领域所有的发展情况来看，未来的世界无疑将是一个充满传感器的世界。这些传感器设备要能产生丰富、可信的数据，还必须足够可靠以适应恶劣环境。传感 套件本身非常微小，但它所需的计算能力很巨大。它们收集的所有信息必须发送出去，保存到服务器集群中进行分析处理。最后必须有人为此付费。“经济性是个基 本问题，”美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的计算机科学家徳博拉·埃斯特林（Deborah Estrin）指出，“每个传感器都是有使用成本的，因为传感器需要维护、供电和校准。因此随随便便地把传感器到处散播是不可行的。”

　　事实上，惠普公司高级研究员彼得·哈特韦尔（Peter Hartwell）认为：CeNSE项目要想达到预期目标，必须使传感器的使用成本接近于零。这就是惠普公司要设计一种新型传感器的原因，这种新型传感套 件只有图钉大小，却集成了各种各样的计量器，几乎可以完成所有事情，包括测量光强、温度、湿度、振动、张力等，而以前每一种数据都需要一个专门设备来采 集。哈特韦尔指出，这种能同时完成多种功能的传感器体积会比以前大，但每个数据采集单元的成本却降低了。有了它，惠普公司可以使用一个传感器同时为不同的 客户提供服务，从而降低费用。

　　让我们来看看传感器在工程项目中的一个重要应用——超敏感加速计。集成在芯片中的传感器能跟踪内部可移动平台相对于芯片其他部位的细微移动情况，从而测量加速变化，准确性比任天堂Wii所用同类技术高1,000多倍。