化學(xué)遺傳技術(shù)的原理精選(九篇)

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第1篇：化學(xué)遺傳技術(shù)的原理范文

全同態(tài)加密、無線空白電視信號頻段、飛輪儲能、光遺傳學(xué)……以前的人們尚有權(quán)利不了解這些拗口的詞匯，但從今起，你再不能說從未聽聞過它們了。美國《大眾機械》雜志在線版近日將十組科技名詞連同其發(fā)展近況一一列出，并指出：這就是2011年人們必須知道的科技概念。

1.名詞：飛輪儲能

概念：指利用電動機帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化成機械能儲存起來，在需要的時候再用飛輪帶動發(fā)電機發(fā)電的儲能方式。

如果要重組我們的電網(wǎng)以便吸收更多的可再生能源，其前提是必須找到更好的儲存能量方式。而一種已被談?wù)摿藬?shù)十年的解決方案如今正開始博取眼球――它就是飛輪儲能。

兒時玩過回力玩具車的人們可能會更好理解這種技術(shù)的基礎(chǔ)原理――飛輪儲能器中沒有任何化學(xué)活性物質(zhì)，也沒有任何化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，旋轉(zhuǎn)時的飛輪是純粹的機械運動。當(dāng)然一套飛輪系統(tǒng)要比回力車復(fù)雜得多了，它主要包括三個部分：儲存能量用的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、支撐轉(zhuǎn)子的軸承系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)換能量和功率的發(fā)電機系統(tǒng)。與其他形式的儲能技術(shù)相比，飛輪儲能具有使用壽命長、儲能密度高、不受充放電次數(shù)限制、安裝維護方便、對環(huán)境危害小等優(yōu)點。

說起來，飛輪儲能技術(shù)的起點可不算成功，且“一誤經(jīng)年”。但就在2011年，首個大型“飛輪計劃”即將展開――Beacon Power公司的“20兆瓦計劃”將于紐約裝置200個飛輪，每一個飛輪的磁懸浮球(轉(zhuǎn)子)轉(zhuǎn)速達到每分鐘1.6萬轉(zhuǎn)。

值得一提的是，飛輪儲能在技術(shù)領(lǐng)域大受關(guān)注，還有一部分得益于動能回收系統(tǒng)在世界一級方程式汽車大賽(F1)上的運用?，F(xiàn)在的F1賽事中，又再允許各個車隊采用動能回收系統(tǒng)。這一部分的工作原理，是通過技術(shù)手段將車身制動能量存儲起來，并在賽車加速過程中將其作為輔助動力釋放利用。這種系統(tǒng)中，剎車時的動能回收后可以選擇儲存在飛輪或電池。

而從技術(shù)上講，相對于鋰電池的長期能量儲存，飛輪則更適合吸收汽車大力制動下釋放的巨大能量流。作為世界最頂尖技術(shù)集成的體育項目，為賽車打造飛輪動能回收系統(tǒng)的FB公司，早在2008年公布的技術(shù)參數(shù)中飛輪轉(zhuǎn)速就能達到每分鐘64500轉(zhuǎn)。

很多人認為F1引入動能回收系統(tǒng)是為增加超車機會、提高比賽興奮度，那就大錯特錯了。F1在領(lǐng)悟全世界汽車工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展與保護環(huán)境這對矛盾時，毫不遜色于任何行業(yè)。國際汽聯(lián)主席馬克思?莫斯利在2006年就曾說過：“世界的趨勢正在發(fā)生改變……如果現(xiàn)在我們不改革，必將錯過這一趨勢，F(xiàn)1將變得落后，并最終死亡?！逼鋵?，該原則也同樣適用于其他所有行業(yè)。

2.名詞：無線空白電視信號頻段

概念：空白電視信號頻段(white space)，是指各電視頻道之間的無線傳輸節(jié)目的頻段。這些無線頻譜的設(shè)計初衷，是為了防止無線傳播的電視信號之間的干擾。

如果我們能看到電磁譜在空間中的狀態(tài)，必然會為它們的擁擠不堪而大驚失色。

早在2008年，在美國無線頻譜拍賣結(jié)果公布不到一周之后，互聯(lián)網(wǎng)搜索引擎巨頭谷歌公司就向FCC(美國聯(lián)邦通信委員會)提出一項建議，建議其將閑置的電視頻段開放用于無線寬帶接入。谷歌希望政府能夠開放閑置的電視頻段，用于無線網(wǎng)絡(luò)的接入服務(wù)，以擴大無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

據(jù)稱，谷歌并不是為了發(fā)展某一任何特定業(yè)務(wù)而要求推動空白波段的使用。當(dāng)時他們認為利用空白波段有多種商業(yè)模式可以應(yīng)用，例如構(gòu)建小型對等網(wǎng)絡(luò)，或者建立選擇性全國范圍的無線載波。谷歌早已看到，很大范圍的頻譜范圍沒有被利用，或者利用并不充分。而與其他的自然資源不同，這種頻譜不會消耗，如果不充分加以利用將會是一種巨大的浪費。

而更妙的是，空白電視信號頻段利用的是短波，相對于我們熟悉的無線網(wǎng)絡(luò)(WIFI)來講，它在面對長距離以及墻體、樹木等障礙物的阻隔時，表現(xiàn)的會更出色?，F(xiàn)在，有先見之明的谷歌，已在美國俄亥俄州的一家醫(yī)院與Spectrum Bridge公司共同協(xié)作一個試點項目，建成了一種類似“智能網(wǎng)格”的系統(tǒng)。

據(jù)悉，在微軟公司的企業(yè)園區(qū)，也已經(jīng)有了一個運用該技術(shù)而成的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)。

3.名詞：水力壓裂法

概念：又稱水壓致裂法，是一種絕對地應(yīng)力測量方法。

或許所有的美國人都在受益于“水力壓裂法”，盡管半數(shù)以上的人可能沒有聽說過這個名詞。

在今時今日，美國各級政府、企業(yè)對頁巖油產(chǎn)業(yè)的發(fā)展寄予了厚望。美國頁巖油資源極其豐富，在科羅拉多州、猶他州和懷俄明州，被鎖在頁巖之中的油存量達上萬億桶以上，而正是憑借“水力壓裂法”，以前根本不可能企及的大量頁巖油正在被開采。

這種技術(shù)方法，在測量時首先取一段基巖的鉆孔，用封隔器將上下兩端密封起來；然后注入液體，加壓直到孔壁破裂，隨之記錄壓力隨時間的變化，并用印模器或井下電視觀測破裂方位。根據(jù)記錄的破裂壓力、關(guān)泵壓力和破裂方位，利用相應(yīng)的公式算出原地應(yīng)力的大小和方向。

該方法于20世紀(jì)50年代就被科學(xué)家在理論上進行論證，60年代加以完善，在分析了壓裂液滲入的影響后，開始作出大量野外和室內(nèi)實驗工作。由于水力壓裂法操作簡便，且無須水力壓裂法知道巖石的彈性參量，而得到廣泛應(yīng)用。由于頁巖油在美國的戰(zhàn)略資源地位和自身需求，美國已進行很多水力壓裂法地應(yīng)力測量，德國、日本和中國現(xiàn)在也已相繼開展此項工作。資料顯示，目前利用此法已能在5000米深處進行測量。

4.名詞：醫(yī)用同位素匱乏

概念：同位素是一種放射性元素，它是核醫(yī)學(xué)顯像研究中應(yīng)用最廣泛的放射性元素，可檢測癌癥、心臟病以及其他多種疾病在患者體內(nèi)的擴散程度。

作為核醫(yī)學(xué)顯像研究中應(yīng)用最廣泛的放射性元素，醫(yī)用同位素僅在美國，每天就要應(yīng)用于至少5萬項醫(yī)療程序。

全世界約三分之一的醫(yī)學(xué)影像用“萬能核素”――锝99m，都是由加拿大喬克里弗核反應(yīng)堆提供的。锝99m由于能夠在人體內(nèi)迅速衰變，而產(chǎn)生的輻射劑量卻很小，成為了很多核醫(yī)學(xué)檢查的理想核素，如監(jiān)測心血管血流以及癌細胞在骨組織中的擴散。

不過，在2009年，喬克里弗核反應(yīng)堆因發(fā)生重水泄漏需要關(guān)閉一段時間，加拿大政府于當(dāng)年6月曾宣布其要停止喬克里弗核反應(yīng)堆的運行，同時退出醫(yī)用同位素生產(chǎn)領(lǐng)域。當(dāng)時他們認為，其東部安大略省的喬克里弗核反應(yīng)堆已經(jīng)有50多年的歷史，正常運行已經(jīng)難以保證。

在那一年宣布“罷工”之時，卻沒有另一座替代核反應(yīng)堆的出現(xiàn)。加政府的資金只好先用于喬克里弗核反應(yīng)堆的維修，期望延長其壽命。此時已有人們擔(dān)心，加拿大最終關(guān)停這一核反應(yīng)堆、徹底退出醫(yī)用同位素生產(chǎn)領(lǐng)域后，可能導(dǎo)致全球性醫(yī)用同位素供應(yīng)短缺，從而引發(fā)醫(yī)療危機。

盡管維修過程進展緩慢，但在去年，這座反應(yīng)堆經(jīng)過15個月的停堆維修后，重新啟動運行。這使那些嚴(yán)重依賴核醫(yī)學(xué)的醫(yī)療機構(gòu)得以暫緩一口氣。然而，核醫(yī)學(xué)界已發(fā)出嚴(yán)重警告，喬克里弗反應(yīng)堆最終將于2016年徹底關(guān)閉，而目前，尚無替代方案。

5.名詞：復(fù)合事件處理

概念：可看作一種處理串流(Streaming)的數(shù)據(jù)庫處理。在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中所處理的資料是有許多行(Row)的數(shù)據(jù)表(table)，復(fù)合事件處理將事件串流當(dāng)作是數(shù)據(jù)表來處理，事件類型里的屬性相當(dāng)于數(shù)據(jù)表的字段。

對于政府和企業(yè)來講，處理包含海量信息、圖片的龐大數(shù)據(jù)，已是例行公事。但現(xiàn)在，這一模式正在發(fā)生變化。

以高吞吐量、高利用性、低延遲度為目標(biāo)的復(fù)合事件處理，能夠不僅僅處理單一的事件，也處理由多個事件所組成的復(fù)合事件。相較于以往簡單事件，復(fù)合事件處理監(jiān)測分析事件流(Event streaming)，當(dāng)特定事件發(fā)生時才去觸發(fā)某些動作。

關(guān)于“復(fù)合事件”的概念，史丹佛大學(xué)的戴維?盧克漢姆與布萊恩?弗萊瑟卡早在上世紀(jì)90年代就已提出，在理論的架構(gòu)中，使用模式比對、事件的相互關(guān)系、事件間的聚合關(guān)系，目的則是從事件云(event cloud)中找出有意義的事件，以便更加彈性使用事件驅(qū)動架構(gòu)，并使企業(yè)或政府快速的開發(fā)出較復(fù)雜的架構(gòu)。

以往，使用關(guān)聯(lián)式數(shù)據(jù)庫時，先將數(shù)據(jù)存入關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，再用某些語法將數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)表做處理；而像提供符合事件處理的StreamBase公司和Tibco公司，則再把處理數(shù)據(jù)的過程提前，不用通過保存的動作，就在串流中將事件做處理。因此采用的語言也不同。

證券交易、恐怖活動監(jiān)視、可疑信用卡停用等等，運用復(fù)合事件處理的項目不一而足，而該方式的另一個優(yōu)點就是模式比對的能力――找出事件中各集合的活動、歷史事件中的因果關(guān)系、邏輯運算等等，觸發(fā)新的事件反應(yīng)，讓企業(yè)或政府能夠達到實時決策。而這些對比查詢過程，都在內(nèi)存內(nèi)進行，不須經(jīng)由儲存裝置。

6.名詞：光遺傳學(xué)

概念：結(jié)合遺傳工程與光來操作個別神經(jīng)細胞的活性。

到目前為止，要刺激特定的神經(jīng)元，研究人員依然只能依靠電脈沖這種不精確和難以控制的技術(shù)。這也恰恰是光遺傳學(xué)這塊新領(lǐng)域讓人興奮的原因。光遺傳學(xué)是研究人員使用一種新的光控方法選擇并打開了某種生物的一類細胞，這對于脊髓中某類神經(jīng)元的特殊功能的研究同樣提供了啟發(fā)。

借助光纖和設(shè)計的病毒，研究者便能高度精確地對神經(jīng)元進行刺激。這也將令移植技術(shù)獲得諸如接管因為外傷或中風(fēng)而受到損傷的大腦區(qū)域的功能之類的發(fā)展。其原理是：首先，一個被設(shè)計出來、旨在當(dāng)某些特定神經(jīng)元被光擊中時激活它們的病毒被注入大腦，然后研究人員便能夠通過一條連接著電極的光纖纜繩向大腦發(fā)出光線，按照意愿控制神經(jīng)元的開閉。

可以說，光遺傳學(xué)開辟了一個新的讓人激動的研究領(lǐng)域，人們得以挑選一種類型的細胞然后發(fā)現(xiàn)其功能。相關(guān)的研究一開始使用老鼠進行試驗，但現(xiàn)在研究人員已經(jīng)把該技術(shù)應(yīng)用到猴子身上。美國國防部高級研究計劃局最近更是宣布了一項旨在運用光遺傳技術(shù)幫助傷殘老兵的項目計劃。

同時，光遺傳學(xué)也幫助科學(xué)家解答一個長期存在的難題，即關(guān)于脊髓中某類神經(jīng)元的特殊功能的研究。作為工具，其能夠激活清醒哺乳動物的單一神經(jīng)元，并直接演示神經(jīng)元激活表現(xiàn)出的行為結(jié)果，從而使得研究人員能夠獲得關(guān)于脊髓回路的一些重要信息。再接下來，則是將光遺傳學(xué)研究中的新技術(shù)，推廣到所有類型的神經(jīng)細胞，比如大腦的嗅覺、視覺、觸覺、聽覺細胞等。

7.名詞：機械響應(yīng)聚合物

概念：可感知和回應(yīng)環(huán)境的“智能”材料。簡單的說，是被施加了機械力后，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的聚合材料。其發(fā)出的信號可以變色，而這緣于內(nèi)部一種特殊成分破裂后引起的化學(xué)反應(yīng)，因此可借以看到材料的損傷情況。

據(jù)《大眾機械》描述，以美國為例，基礎(chǔ)設(shè)施需要全部更新，但很顯然一切不可能一蹴而就，因此需要一個可靠的算法讓人們知道哪一部分結(jié)構(gòu)會最先崩潰，以便安排最為合理的改造計劃。這時候，我們就可以拿出“機械響應(yīng)聚合物”這項技術(shù)。

當(dāng)機械響應(yīng)聚合物這種材料受到力的作用時，它會改變顏色，因而可以看到材料的損傷程度。這個現(xiàn)象的原理可以用于許多場合，除了大方面的基礎(chǔ)設(shè)施改造，還可用于各種物體的涂層，從橋梁到機翼，甚至對起重行業(yè)的鋼絲繩進行檢測，以維護高危險度作業(yè)的安全。

對于工程師們而言，這項技術(shù)令他們大松一口氣，因為該材料可降低其在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)中的過失疏忽。而且，當(dāng)金屬和混凝土材料開始腐朽和無法承重時，眾多小裂縫是典型的提醒信號，但是在一般情況下，塑料斷裂前幾乎不會有任何征兆。而現(xiàn)在，機械響應(yīng)聚合物的變色將在其斷裂前給出預(yù)警。

在2010年8月，美國伊利諾斯大學(xué)的研究人員公布了對變色聚合材料的研究成果，就為更好地進行鋼絲繩的檢查和探傷鋪平了道路。其在自修復(fù)功能材料研究基礎(chǔ)上進行擴展，利用包括環(huán)氧樹脂涂層、纖維復(fù)合材料和橡膠等，過程則是通過共價鍵將化合物螺吡喃巧妙融合到聚合材料中，當(dāng)中心某種成分鏈接斷裂后，其從吸光形式轉(zhuǎn)變成可見光譜，就使顏色發(fā)生變化。盡管該技術(shù)還沒有達到商業(yè)應(yīng)用的水平，但卻為開發(fā)出損傷探測的有效方法鋪平了道路。

8.名詞：手機診斷

概念：這種手機不僅具備普通手機那樣接打電話的功能，還可作為一種醫(yī)療器械產(chǎn)品使用。

時至今日，對于廣大發(fā)展中國家而言，訓(xùn)練有素的醫(yī)療護理依舊是僧多粥少，但手機卻早已經(jīng)成了大路貨。實際上，地球上80%到90%的人現(xiàn)在都生活在移動通訊塔的覆蓋范圍之內(nèi)。這也讓手機成為將現(xiàn)代醫(yī)學(xué)帶進偏遠貧窮地區(qū)的有力工具。

在一項由麻省理工學(xué)院旗下組織SanaMobile和Click-Diagnotics負責(zé)的先驅(qū)性研究，便是讓農(nóng)村地區(qū)的醫(yī)療工作者把X光等醫(yī)療信息，通過手機遠程傳輸給外地的專家，幫助其完成診斷；此外，加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家與洛杉磯分校獲得項目突破獎的研究者，已經(jīng)將廉價顯微鏡的配件與普通手機組合起來，使之可以即使記錄和分析顯微鏡圖片，以檢測出瘧疾病毒或結(jié)核病病菌。這款伯克利分校設(shè)計、并成為手機顯微的的診斷工具，將在今年開始實地測驗。

而同樣是在加州，加利福尼亞州最大電訊公司Qaulcomm開發(fā)出一套無線醫(yī)療服務(wù)新軟件，但凡在加州擁有一只上網(wǎng)手機的人使用Qualcomm電訊公司開發(fā)的醫(yī)療服務(wù)新軟件系統(tǒng)，即可隨時隨地解決健康問題。

9.名詞：同態(tài)加密

概念：以往加密手段的一個弊處在于它通常是將數(shù)據(jù)保存在盒子內(nèi)而不讓外界使用或者分析數(shù)據(jù)，除非使用解密密鑰將盒子打開，而完全同態(tài)加密方案可以讓你在數(shù)據(jù)加密的情況下對數(shù)據(jù)進行分析和計算。

IBM的工程師們近日突破了一項折騰他們幾十年的老大難問題：如何對數(shù)據(jù)進行加密，這樣其他人可以進行排序和搜索，而無需實際揭示它的內(nèi)容。

如果說，一種加密算法，對于乘法和加法都能找到對應(yīng)的操作，就稱其為全同態(tài)加密算法。換句話說，它的意義就在于，對于允許任意復(fù)雜的明文操作，都能構(gòu)造出相應(yīng)的加密操作。但直到目前還沒有真正可用的全同態(tài)加密算法，因為“在同步加密方案成為實用工具前，還需要進行很多理論上的工作以提高其效率”。不過，IBM的研究員已使其該方向上前進了一大步，有效性已在逐步改善。

隨著云計算將在未來變得越來越普及，同步加密技術(shù)將允許公司將敏感的信息儲存在遠程服務(wù)器里，既避免從當(dāng)?shù)氐闹鳈C端發(fā)生泄密，又依然保證了信息的使用和搜索。用戶也得以使用搜索引擎進行查詢并獲取結(jié)果，而不用擔(dān)心搜索引擎會留下自己的查詢記錄。

這項技術(shù)的關(guān)鍵點在于“雙盲”設(shè)計――可以檢測加密漏洞并進行修復(fù)，而不會造成信息泄露。而最好的消息還在于，它能夠在幾分鐘之內(nèi)部署在普通的電腦上，而非成為那些天價超級計算機的專屬。

10.名詞：100GBPS光纖

概念：GBPS，千兆比特每秒，作為交換機的背板帶寬單位，其代表了交換機接口處理器或接口卡和數(shù)據(jù)總線間所能吞吐的最大數(shù)據(jù)量。目前，100GBPS光纖的應(yīng)用和部署正在日益加快。

感謝智能手機這類堪稱數(shù)據(jù)饕餮的電子產(chǎn)品，整個世界正陷入到對帶寬的無限饑渴當(dāng)中。

幸運地是，新一代光纖能夠滿足這個巨大的需求，它將令人類從現(xiàn)在的10GBPS到40GBPS的速度一躍邁入100GBPS的傳輸新時代。屆時，同步轉(zhuǎn)播1.5萬個高清電視頻道亦毫無壓力。由于新的光纜在極化和光脈沖相位中分別編入了2個比特而不是1個比特，所以每個信號可以包含的數(shù)據(jù)數(shù)量增加了4倍，并且還減少了電纜中微觀缺陷的影響。

目前，阿爾卡特-朗訊公司已經(jīng)在兩所德國大學(xué)之間進行了38公里距離的測試，并單獨在達拉斯的威瑞森公司進了100GBPS以太網(wǎng)設(shè)備的檢測。現(xiàn)在，高速率光纜已經(jīng)商品化，或許在未來幾年，就能夠傳送你所使用的信息。