2016年十大美国科学与工程界最具创新力的青年

在应对世界上最亟待解决的难题时，他们会如何提出最具创新力的解决方案？ 一起来看看这10位青年科学家是如何改变游戏规则的吧。

美国《Popular Science》杂志放眼今年的科学与工程界，在全美范围内评选出十位最具创新力的青年。这已是该杂志第15年进行该类评选。

评选的标准是：在应对世界上最亟待解决的难题时，他们会如何提出最具创新力的解决方案。

一起来看看这10位青年科学家是如何改变游戏规则的吧。

威廉·拉特克利夫：解开进化之谜

威廉·拉特克利夫，35岁，在乔治亚理工学院研究进化生物学。

单细胞是如何聚合起来、形成多细胞生物的？这是生命最大的谜题之一。通过一系列的实验，威廉·拉特克利夫（William Ratcliff）以独到的见解，展示了这一过渡可能需要的条件。

拉特克利夫的研究采用了单细胞酵母。有时，这些细胞会自我复制，但不会彼此分离，而是形成花边状的多细胞结构，即“雪花”。

在最初的实验中，拉特克利夫将最快落入试管底部的酵母细胞挑选出来（在这场竞赛中，优胜者往往都是“雪花”），舍弃其余。这样做的目的，就是向酵母细胞施压。

渐渐地，一种奇怪的现象出现了：有利于个体生存的基因不见得脱颖而出，倒是某些基因开始停止表达，某些则开始显露，结果，细胞变得难以脱离细胞群。由此，“雪花”越滚越大，复杂性日渐增加。

眼下，拉特克利夫正在探究，构成“雪花”的细胞能否发挥不同的才干，为整个细胞群服务，这将是生物演化中的下一步：出现器官等专门结构。拉特克正在帮我们解开进化之谜。

悉达斯·加尔格：捍卫芯片安全

悉达斯·加尔格，34岁，纽约大学电气与计算机工程师。

微芯片被黑客纂改，一经触发，安全之门被毁，黑客肆意征用或摧毁内置该芯片的设备。这听着像是烂俗的电影剧情，但在现实中，它完全有可能发生。只要有人在工厂里做点手脚，后果就不堪设想。

更糟的是，芯片公司一旦将设计交付给生产商，它就失去了控制权，最终产品有没有被动手脚，人们几乎无法辨别。

因此，悉达斯·加尔格（Siddharth Garg）设计了一个解决方案：将芯片制造进行战略性划分，交付给众多生产商。这样一来，就算有人分到的是黑客可利用的部分，他们也不会知情。

虽然分开生产的想法早已有之，但加尔格用的是高级数学计算，而不是随机分配，这在大幅提高安全性的同时，也避免了生产成本的飙升。这种办法还有助于打假。

目前，包括波音在内的一些大公司都在采用他的办法，以保护芯片安全。

丹妮尔·巴塞特：换个角度看大脑

丹妮尔·巴塞特，34岁，在宾夕法尼亚大学研究网络神经科学。

刚步入学术生涯，丹妮尔·巴塞特（Danielle Bassett）就开始叫板神经科学的一条核心原则：研究大脑时，将其分成不同的区域，每个区域负责特定的任务。她认为，这种方式有一个缺陷：难以捕捉到大脑的多才多艺。

在她眼中，大脑是一个动态的神经元网络，它不断地变形，功能常因我们的不同经历而改变。她的理论催生了一个全新的领域——网络神经科学，其中结合了物理学和复杂系统理论。

巴塞特发现，那些学得较慢的人，其大脑采取刻意控制的阶段持续地更久。而那些学得较快的人，其大脑各个脑区的沟通模式灵活多变。对头脑不够敏锐的人，这里有一个好消息：巴塞特的研究显示，进食、摄取咖啡因和充分休息都能提升大脑灵活性。

康纳尔·沃尔什：用软质机器服成就超强体力

康纳尔·沃尔什，34岁，在哈佛大学研究可穿戴机器人。

大学期间，康纳尔·沃尔什（Conor Walsh）专攻机器人学，开始自建外骨骼，因为他关注到一个日渐壮大的领域：电池驱动的外骨骼，即一种可穿戴的机器服——它能帮助残疾人士行走，帮助步兵加快行军速度，同时还能增加负重，缓解疲劳。但这种机器服往往笨重且不贴合人体。

为了改善传统金属框架机器服的种种弊端，沃尔什请来服装设计师，采用尼龙和氨纶弹力面料，制作出可绑到人们腿上的软质机器服。

这种软质机器服非常轻便舒适，有的人甚至还感受不到它的存在。这对负重的士兵和行动不便者来说，都是不小的帮助。

苏奇·萨利亚：预测感染性休克

苏奇·萨利亚，33岁，在约翰霍普金斯大学研究医疗信息与机器学习。

苏奇·萨利亚（Suchi Saria）从小就喜欢写代码、调试代码、设计算法。她曾用自己设计的算法将数千拍字节的凌乱数据加以分类和提炼，以期从中找到规律，更好地预测患者病情。

去年，萨利亚和团队开发出构建首个感染性休克预警系统的算法。感染性休克会导致器官衰竭，美国每年有超过20万人因此死亡，但其早期症状很难被发现。萨莉亚团队开发的这个系统可以赶在病人器官受损之前，预测感染性休克，准确率达到85%。

当医生无法持续监测每个病人，病人的风险超过一定的阈值时，这个工具就会发出提醒。而萨莉亚团队开发的这种萨利亚的算法用途众多，感染性休克只是其中之一。

康斯坦丁·巴蒂金：在模型中寻找太阳系第九大行星

康斯坦丁·巴蒂金，30岁，在加州理工学院研究行星天体物理学。

今年我们得知，太阳系中可能存在第九颗行星。这一发现得益于康斯坦丁·巴蒂金（Konstantin Batygin）和他的协作者麦克·布朗（Mike Brown）。他们曾着眼于海王星外围的碎石带，试图研究其中的物体运动，以解释一些异常轨道存在的原因。

结果，他们的发现震动了科学界：太阳系中也许存在第九颗行星，它距我们十分遥远，2万年才绕太阳一圈。这也解释了碎石带中的其他怪异现象。巴蒂金说，“好的理论本应如此，”即一个答案能够解决诸多问题。

巴蒂金改变了我们对太阳系的认识，他对海量数据进行了梳理，找出其中的异类——与当前解释相悖的反常值和怪异值，以此构建理论，不但用它来解答谜团，也藉此寻找有待发现的新现象。

西格尔·卡多克：揪出癌症诱发机制

西格尔·卡多克，31岁，在波士顿达纳-法伯癌症研究所，探索癌症生物学的微观世界。

西格尔·卡多克（Cigall Kadoch）喜欢寻找癌细胞增殖的诱发过程。通过勤勉的工作，她找到了一个新“嫌犯”——一类名为BAF的蛋白质，此前，BAF与癌症的联系并不为人知。

卡多克已知，在一种名为滑膜肉瘤的罕见肌纤维癌中，所有病人的SS18蛋白质都发生了突变，而SS18是BAF的亚基。她继而发现，这种突变似乎破坏了BAF的指挥系统，基因的开启与关闭发生紊乱，恶性肿瘤细胞得以增殖。

卡多克还发现，在人类癌症之中，20%以上都存在这种BAF缺陷。因此，该发现有望惠及众多人。到目前为止，在卡多克研究过的所有癌症类型中，将BAF复原（或使异常形态失活）的方法都成功阻断了癌细胞的生长。

约翰·贡纳尔·卡尔森：用几何学重绘世界

约翰·贡纳尔·卡尔森，33岁，南加州大学工业和系统工程师。

当初，旧金山49人橄榄球队的体育场还在建设之中，一名球队经理跑到斯坦福大学，提出一个难题：要把热狗送到观众手中，我们得雇佣多少服务人员？他们该走什么路线？多久能够送达？他得到的答复是：“去问约翰·贡纳尔·卡尔森（John Gunnar Carlsson）。”

卡尔森善于专门用数学的力量，即用几何学重构问题的办法，来解决此类分配计算难题。举个例子，快递服务应采取何种送货路线？这个问题会变成：送货区域应划分成何种形状？周长应为多少？从中，快递公司就能找到最高效的解决方案。

将概念问题转化为几何问题，这种策略可以应用到任何行业中。波音、甲骨文，乃至美国空军都曾找上门来，请卡尔森解决他们最复杂的难题。

希亚姆·哥拉科塔：Wifi供电

希亚姆·哥拉科塔，31岁，在华盛顿大学研究计算机科学和工程学。

智能手机和笔记本电脑等设备实现通信，靠的是WiFi芯片产生的无线电信号，这个过程非常耗电。

而希亚姆·哥拉科塔（Shyam Gollakota）找到一种方法，无需无线电晶体管，就能产生WiFi信号。

他们可以从这些看不见的信号中捕获电力——用传统WiFi网络的闲置信道输送电力。这些“被动WiFi”设备的耗电量是普通WiFi芯片的万分之一，是能效最高的蓝牙芯片的千分之一，大大削减了对电池的消耗。

张良方：将纳米药物“偷运”到患病组织

张良方，36岁，在加州大学圣迭戈分校，研究纳米医学和化学工程。

纳米粒子是一种微型人造球体，可以将药物精准地送至患病组织，但它们都面临一个难题：作为一种病毒大小的粒子，它们被免疫系统视为威胁，往往还没抵达靶标，就已经被免疫系统吞噬。

研究人员曾试图“骗”过免疫系统，但成效寥寥。但，张良方却成功将纳米药物“偷运”到患病组织。

他将红细胞的细胞膜切割开来，裹住纳米粒子。再将红细胞换成了血小板。张良方和同事们让纳米粒子满载抗生素，再用血小板膜裹住纳米粒子，注入到感染了耐药性葡萄球菌的老鼠体内。

成效惊人：纳米粒子运载的药量只有标准剂量的六分之一，但效果比传统给药方式显著得多。“这显示了靶向递送的实力和前景。”张良方说。

翻译：雁行

来源：Popular Science

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