寰宇*新知*探索~城市是否讓生活更糟糕~
新技術正在構建更和諧的城市、更美好的生活。城市，能讓生活更美好嗎？
城市必須成為能夠讓你我過上有尊嚴的、健康、安全、幸福和充滿希望的美滿生活的地方。但事實呢？令人窒息的空氣、擁堵不堪的交通(甚至一場降雪就會使交通癱瘓)、匱乏的水資源、用電也需要進行“緊缺”指數預報、高昂瘋漲的房價、恐怖襲擊的威脅……僅僅這些已經夠糟糕了，但更糟的是，倘若你對城市的每個關節進行認真地審視，那麼你會發現城市就像一個篩子，漏洞百出。但在城市的21世紀進程未來幾年中，你絕對能體會到新技術正在讓城市變得更美好。
譬如讓汽車發現路面上的坑洞、會彎曲的大橋、自我除冰的道路、能發現裂痕並自我修復的混凝土……眾多新技術還將使未來城市的道路和電網具有自我修復能力，而下水道則將成為新的能量來源。此外，你還將享受到更快的寬頻網路連接、喝上更潔淨的生活用水、行駛在更暢通的公路上。
<告別煩人的大堵車、地面坑洞和危險的路面結冰>
讓汽車發現路面上的坑洞~任務：對路面情況較差的城市道路進行維修~進度：3年後將推出樣機…
在美國東北大學開發的一套全新系統中，那些經常在瀝青路面上行駛的汽車——包括計程車、公共汽車、垃圾車等——將被安裝上一套聲波感測器，它們能在肉眼發現問題之前提前檢測出路面上的凹陷和破損。聲波能夠深入到距離地表90釐米左右的深度，檢查路面下可能造成問題的氣穴和小裂縫；而地面穿透雷達能夠穿透大橋上的橋板檢查內部腐蝕的情況；此外還有用來掃描公路表面的鐳射。檢測結果將通過手機資料網路傳送到控制中心，在那裏被整合起來，並繪製成一幅標明問題地點的地圖。
會彎曲的大橋~任務：對城市中的橋樑進行升級~進度：適用於人行過街天橋的技術已經成型，針對車用橋樑的技術將在10年內問世…
普通橋樑所採用的剛性結構在壓力的長時間作用下會垮掉。而所謂的“張拉整體結構”能夠通過一組拉緊的纜繩和壓縮支杆將載荷分散傳遞出去，因此擁有更好的彈性和結構強度。目前加州大學聖達戈分校正在開發能夠承載交通車流壓力的張拉整體結構橋樑，它能根據感測器的回饋對纜繩的長度進行精細的調節，從而減輕載重卡車經過時所造成的移動壓力、抵消掉地震的頻率，還能將某條繃斷的纜繩上的載荷分散給其他纜繩。
能自我除冰的道路~任務：讓城市道路不再因為冬季積雪結冰而癱瘓~狀態：這種路面正在接受相關測試…
一種被稱為SafeLane的新型道路塗層不但能為輪胎提供更大的抓地力，還能通過鎖定除冰鹽的方式來減少路面積雪結冰的情況：道路工人在暴風雪降臨前一兩天就可以事先將鹽灑到路面上，而不必再等到雪落到地面之後再採取措施了。SafeLane含有一層混合了環氧樹脂的白雲灰岩，環氧樹脂層能夠經受得住掃雪機的蹂躪，最長可以使用15年的時間，還能起到密封路面的作用，防止有腐蝕性的鹽滲透到底層的鋼樑中，損傷橋樑脆弱的橋面。有趣的是，最初5年的測試結果顯示，它能將冬季發生交通事故的數量大幅減少70%。
能發現裂痕並自我修復的混凝土~任務：用更智慧的混凝土升級高速公路~進度：對自我修復混凝土的實地測試正在進行中…
碳納米管最為人津津樂道的特性是其具有的高強度和壓電電阻——受到擠壓後，其電阻會發生改變。明尼蘇達大學德魯斯分校的機械工程系助理教授于迅正在研製一種含有0.1%碳納米管的新型混凝土，它比傳統混凝土更不容易破裂，也更聰明。只要在鋪設混凝土的過程中在裏面植入電極，就能通過測量其中電阻的變化檢測出從上面經過的車輛所造成的路面壓縮情況。未來的版本還將更進一步地計算出車輛的速度和重量，從而即時對道路的受力情況進行監控。與此同時，密歇根大學的民用和環境工程學教授威克多•李開發出了另一種新型混合混凝土，其中含有未加水的水泥顆粒，在它暴露在二氧化碳和雨水中時——這也是路面上最常出現裂縫的時候——就會變成水泥凝固成形。這種反應會生成一個碳酸鈣密封層，讓破損路面快速恢復正常的承重能力。
無軌道懸浮列車~任務：建造成本只有傳統輕軌1/3的城市列車~進度：已經建設好了一條3.2千米長的測試線路…
新建一條軌道交通線需要在其沿線上清理出寬度約為7.3米的路線來鋪設鐵軌，為了節約下這筆高達數十億美元的花銷，列車製造商Tubular Rail想要充分利用現有的基礎設施讓列車提速到240千米/小時，而他們要依靠的是一系列相隔30米放置的懸浮支柱。這些支柱上安裝有電力驅動的鋼制滾輪，當全長約120米的碳素纖維列車經過時，這些滾輪便會推動列車向前運動。為了節省能源，滾輪上的電動機僅在列車靠近的時候才會開始工作，而且在滾輪減速的過程中，列車90%的動能都將被重新回收。
發光水泥~任務：會發光的公路能將夜間交通事故的數量減少一半~進度：試驗路面已經建成…
納米磷光體(NanoPhosphor)是一些很小的顆粒，在受到陽光照射之後就會發出螢光。南非科技與工業研究會(CSIR)已經將這種微粒加入到了諸如水泥和油漆之類的材料中，並用它們創造出了自發光車道標誌線和無需路燈照明就能發光的公路。這些創新能幫助減少在深夜開車時走錯車道的情況，以及在沒有照明的野外公路上經常出現的動物(也包括行人)碰撞事故。目前這些材料可以持續發光幾個小時的時間，研究人員還在對新的添加劑進行試驗，希望可以讓其整晚不停地發光。
儲存熱能的高速公路~任務：將充水管道鋪設到公路下面並用它來捕捉太陽的能量~進度：在歐洲某些地方已經得到應用…
由荷蘭Ooms Avenhorn公司設計的公路能量系統(RES)能夠從熱的或者是冷的瀝青路面中捕捉到能量。鋪設在特殊的柏油路面下的迴圈水管道能夠在夏天得到加熱，或者是在冬天被降溫，然後這些熱水或者冷水就被輸送到地下100米深處的、能自然隔熱保溫的蓄水層中。無論是熱水還是冷水，都能為附近的建築所利用。夏天，儲存下的冷水可以用來幫助冷卻路面，防止柏油軟化變質；冬天，熱水還能用來防止路面結冰。
<翻新耗能巨大的水處理廠和20世紀留下的漏水的管道系統>
能裝在住宅區中的海水脫鹽設施~任務：將淨水體系分散安放~進度：樣機已經問世，可供商用的裝置將在一年內推出…
加州大學洛杉磯分校的化學工程師約拉姆•科恩為加利福尼亞這樣水源緊缺地區找到了一種可行的解決方案。該方案在水處理和輸送環節上所消耗的能量，只相當於依靠高等級蓄水庫遠距離送水的傳統方式的20%，其中的關鍵在於將水處理網路分散到住宅區裏。他創造的這台依靠逆滲透原理工作的機器只有一張單人床大小，將其安裝到海岸附近，並從大海中直接抽取海水，就能為附近的居民提供大約每天19立方米的飲用水。通過該裝置的配套軟體，可以針對當地的水溫、含鹽量、酸鹼性和含泥沙量等具體情況對其過濾系統進行精細的調節，而且從中央控制中心就能進行遠距離遙控操作。
像植物一樣淨化水~任務：用更少的能耗處理水~進度：第一台小型化樣機將在今年面世…
植物能通過滲透作用將水吸入根部，利用的是一種被稱為水通道蛋白的微小通道，這種方法不需要消耗任何能量。現在，一家名為Aquaporin的丹麥公司正在開發一種採用相同工作原理的滲透膜，它能直接從鹽水中析取出淡水，而且相比傳統的逆滲透系統，所需的成本僅為1/3，能耗更只有1/10。這種膜上的每個蛋白質通道的直徑只有幾納米大小，僅允許排成單列的水分子通過，速度大約是每秒鐘10億個水分子，而且不需要使用泵將水抽過通道。
膜~水通道蛋白~離子~經過過濾的水~堵住漏水的管道~任務：將類似橡膠的堵漏物放入輸水管網中，讓它們自動找到並修補好漏洞~進度：已經在英國投入使用…
蘇格蘭的Brinker技術公司開發出了一種無需挖開地面就能對輸水管網進行修理的技術，它模仿了人體傷口上形成凝血的原理。發現水管出現洩漏時，只要派一輛卡車到現場，打開該位置附近的消防栓，然後向裏面灌入被稱為Platelet(血小板)的粘粘的、像橡膠一樣或方或圓的顆粒就可以了，這些顆粒的尺寸從幾毫米到5釐米不等，取決於漏洞的尺寸大小。Platelet會順著管道流動，依靠水流動的壓力被推送到出現漏洞的位置上。在那裏，它們會互相凝聚在一起，形成可以保持很長時間的凝塊。水管養護部門甚至無需找到發生洩漏的具體位置即可完成修補。
不用挖開地面就能換上新水管~任務：新型滑入式襯墊層能讓供水管破裂事故的搶修工作變得更快更方便~進度：這種技術已經修復了近千米的水管…
另外一種無需對地面開腸破肚即可修復破損水管的方法，是在原水管的內部套上一層新的襯墊，這種方法早已被廣泛用於修補下水管道——之前該方法僅適用於修補下水管線，因為下水道依靠重力排出污水，裏面的壓力較低。而美國密蘇里州的Insituform技術公司的新型InsituMain襯層也可以承受住自來水管道中的高壓，因此可以用於對飲用水主管進行現場修理。採用這種方法，不需要將整條管道全部挖開，只要在出現問題的管道兩端分別打開一個開口(它們之間的最大距離可達210米)。工人首先斷開兩端的管道，然後將毛氈-玻璃纖維合成材料製成的柔性襯層塞入管道，並用熱成型環氧樹脂對其浸泡，再將其沿著管道內壁拉過去，最後在襯層中充入蒸汽或者熱水使其硬化並密封，即可讓它穩定地附著在管道內壁上。
新襯層~蒸汽~能讓有毒污水發光的細菌~任務：在飲用水系統中安裝螢光有毒物質探測器~進度：2～5年內實現商業應用…
細菌是識別各種分子的行家裏手，而且它們很容易大量繁殖、成本低廉並且很容易控制，這讓它們成為理想的工人。利用經過基因改造的、無害的大腸桿菌變種，肯塔基大學的化學家西維亞•多納特設計了一種生物感測器系統，它能發現飲用水中的多種有毒物質，包括砷、鉛、炭疽和聚氯化聯苯等。細菌被安放在浸泡在飲用水源中的光導纖維線的頭部，一旦它們檢測到有毒物質就會發光，所產生的光線通過光纖傳送到控制臺，在那裏對光亮的強度進行檢測，就能精確測量出水中有毒物質分子的濃度，其精度可以達納克級(ppb，十億分之一)。發光蛋白質~有毒物質~細菌…
<電力~全面翻新低效能發電站和老化的電網>
不會漏電的超導電線~任務：用電荷通過能力10倍於銅電線的超導電線替代現有電線~進度：廣泛應用還需要10～20年…
與其在全國範圍內大興土木地新建上百萬千米的供電網路來輸送可再生能源，不如用高溫超導電纜對現有電網進行改造。目前，美國橡樹嶺國家實驗室正在對這種技術進行研究。這種新型電纜主要由一層包裹在不銹鋼管外側的1微米厚的超導層構成，鋼管內填充的液氮能夠讓線路的溫度保持在-196攝氏度。在寒冷的超導狀態下，電纜完全沒有電阻，因此不會造成任何能量損失——相比之下，今天使用的銅電纜的傳輸損失大約在5%～7%。
超導層~液氮~絕緣層~銅芯
埋設更高品質的電纜~任務：用絕緣效果更佳、能夠多傳輸25%電能的電線替換數千千米埋在地下的老式電纜~進度：距離大規模應用還有5～10年…
城市裏，懸在空中的電線不但有礙觀瞻而且也是個危險的隱患，因此大城市裏的電線大多鋪設在地下管道中。隨著城市用電需求的不斷增加，我們可能需要挖掘更多的深溝，來鋪設更多的管道和新電線。但一個更簡單的方案是，我們可以在現有的管道中塞進更多的銅。這正是名為電能研究院(EPRI)的一個工業科研協會的目標，他們寄希望於一種新型的絕緣材料，這種材料中加入了含有二氧化矽顆粒的乙烯基矽烷塗層，絕緣效能可比現有電纜上包裹的絕緣層提高33%。這意味著無需增加絕緣材料的厚度，就能讓下一代電力線輸送多1/4的電流。
電纜檢查機器人~任務：用靈活的機器人替代人在高架電纜上進行高空作業，並及時發現問題~進度：第一個商用版機器人將于2012年面世…
傳統的電纜檢查工作進度慢、成本高，還常常需要借助直升機的空中支援。EPRI正在研究一種能夠每年兩次自動對長約130千米的電纜進行檢測的機器人，讓檢查的成本更低、效果更可靠。這種機器人將騎掛在電纜上，並攜帶有攝像頭、漫射掃描鐳射和機載圖像分析軟體，它們能夠用圖像記錄下一條線路破損、老化的情況和過程，同時還能在三維地圖上描繪出有樹枝阻擋或者其他問題的地點。
電力電纜~天線
能自我療傷的地下電纜~任務：為電纜塗上一層自修復藥膏~進度：10～15年內實現商用…
另一種減少挖掘街道施工的方式是減少對地下電纜進行小修。當電纜的絕緣層出現小裂口或者較小的破損時，銅導線中的電場就會發生微小的變化。EPRI在其開發的一種新型絕緣材料中加入了對這種變化非常敏感的納米微粒，發現問題後它們會發熱並熔化掉周圍的聚合物分子，形成一個新的保護層來封閉裂口。目前很多電纜系統都在日益老化，EPRI希望在能用帶有自修復能力的電纜替換它們。
像植物一樣產生能量~任務：將陽光轉換為化學能~進度：去年科學家發現了一種存量豐富的天然材料能幫助從水中分離出氧…
太陽能電池板不是利用陽光的惟一選擇。多年來，科學家一直在嘗試學習植物利用陽光的方式——光合作用。目前為止，大多數此類嘗試都需要依賴缺乏實用性的稀有材料——比如銥——作為促發反應過程的催化劑。但去年，勞倫斯•伯克利國家實驗室的研究人員找到了一種利用二氧化鈷的新方法，這是一種存量最豐富的工業催化劑。直接靠二氧化鈷利用陽光分解水分子並釋放氧的反應效率相對較低，但研究人員通過將這種催化劑塗抹在密實堆積的框架上，成功讓它的工作效率提高了1600倍。試驗結果顯示，由二氧化鈷板所組成的陣列能夠穩定地釋放出氧、質子和電子。下一步是要再找到另一種同樣高效能的催化劑，將副產品轉化為類似甲醇的高能量密度燃料，使其在性價比上達到或超過汽油的水準。
電網儲能器~任務：建造用旋轉的飛輪存儲電能的蓄電廠，將過剩的能量保存下來~進度：一座容量2萬千瓦的飛輪蓄電廠正在興建…
這可能有點難以置信，但今天的電網其實是沒有任何實際的存儲能力的。從你的插座中流出的電就是在不到1毫秒之前剛剛發出來的，因此發電廠必須連續不停地發電來滿足最高峰的用電需要。為了適應可再生能源波動式的發電方式，我們必須有能力將過剩的電能儲存起來，以備陰天、無風時和夜晚使用。位於美國馬薩諸賽州的Beacon電力公司提出的解決方案是將電網中過剩的電能儲存到上百個旋轉的碳素纖維和玻璃纖維製成的圓筒上。每一個第四代飛輪都帶有一個重達1.1噸的轉子，它被安裝在磁性軸承上，並密封在真空的轉筒內，以實現幾乎完全沒有摩擦的理想工作環境。來自電網的能量能讓直徑0.9米的轉子加速到最高1.6萬轉/分鐘(接近音速的兩倍)，其旋轉的效率至少能達到97%。需要將能量返還給電網時，一部分旋轉的動能將被用來驅動安裝在主軸上的電動機。每個飛輪能夠儲存15分鐘、100千瓦的電力，在20年中可以反復放電15萬次。
真空艙~磁性軸承~碳素纖維和玻璃纖維製成的轉筒~電動機/發電機…
<大幅提升寬頻和無線網路的速率>
更高速的光纖~任務：用更粗的光導纖維替代目前使用的國際網路光纖，讓資料傳輸速率提高10倍~進度：去年已經進行了演示…
美國新一代跨洋海底光纖電纜很可能將採用阿爾卡特-朗訊公司的設計，不久前，它剛剛創下了10倍于現有電纜的資料傳輸速度紀錄。新電纜的光纖線芯平均要比目前鋪在海底的電纜粗40%。工程師還設計了一組155個雷射器來發射不同波長的光線，除了像現有的電纜一樣通過控制光線脈衝的時長來編碼資訊，新系統還能通過控制光線的偏振和相位在每種不同波長的光線上附加更多的資訊。僅需1秒，新電纜就能將15.5TB的資料(相當於400張DVD光碟的容量)從美國發送到歐洲。
柔性光纖~任務：讓高速光纖得以直接進入每個家庭~進度：現已成型…
Corning公司的新型柔性ClearCurve電纜在光纖線芯上使用了納米材料製成的網狀包覆層，即使受到擠壓、彎曲，甚至是在釘子上纏繞幾圈也能讓光子正常通過——而一般光纖遇到角度較大的彎曲就會被阻斷。這意味著電信公司終於可以將光纖直接安裝到普通用戶的家裏了——電纜從外面接入房屋時經常會碰到直角的轉彎或者被緊密地纏繞起來。Verizon公司提供的FiOS服務目前已經採用了這種電纜。
光纖線芯~納米材料~從天而降的網路~任務：漂浮在空中的寬頻飛艇可以將網路送到難以鋪設有線電纜的地區~進度：首艘飛艇今年將交付，3～5年內商用…
為了滿足通信帶寬需求爆炸式的增長，我們要在地下鋪設更多的光纖和銅芯電纜，或者，我們也可以選擇放飛一艘懸浮飛艇。製造無人飛行器的Sanswire公司正在研製一種160米長、填充氦氣、以汽油為動力的飛艇Stratellite，它能安靜地在同溫層懸浮，為其所覆蓋的地面區域提供寬頻網路連接。飛行高度約為2萬米的飛艇能夠提供包括電話、電視和高速網路連接在內的資料中繼服務，每艘飛艇能夠覆蓋面積相當河北省、河南省、山東省、山西省的區域總和，而且不會出現衛星通信中常常遇到的信號延遲問題。Stratellite可以將全國的大城市與偏遠地區相互聯通，卻完全不需要在地上鋪設一根新電纜。
<下水道~淘汰耗能巨大的水處理廠和爛掉的管道>
讓機器人去爬下水道~任務：派遣自動化機器人去發現下水管中的洩漏點~進度：能利用鐳射檢測下水管道的機器人將在2011年準備就緒…
RedZone Robotics公司的新型Solo機器人採用了由卡耐基•梅隆大學開發的圖像識別軟體，能夠對它們拍下的畫面進行分析，並將管道中可能出現問題的位置標明出來。這樣，原來需要10個小時才能完成的全面檢查，就能被壓縮成一次只要兩小時的重點檢查，直接找到滴漏的破損部位，並及時發現問題的根源。每一台Solo機器人都在兩端裝有攝像機，還有用來在水下掃描的聲納，以及探測管壁受酸腐蝕情況的鐳射。
用淤泥發電~任務：減少用來處理廢水的能耗~進度：反應器正在進行測試，2015年前投入商用…
美國賓夕法尼亞大學的環境工程學教授布魯斯•洛根設計了一種微生物燃料電池，能夠直接將下水道裏的化學能轉化為電能，並在這個過程中對下水道進行清潔。裝在石墨纖維陽極中的細菌會分解下水道裏的脂肪、蛋白質和糖，並穩定地釋放出電子，再由細菌直接將其送到電極上。這些電子移動到陰極就能提供電力供應，同時在陰極上產生氫氣。
陽極~陰極~細菌~電子~回收尿液~任務：從廢水中回收磷和氮來製造肥料~進度：首座處理廠於去年6月在美國啟用，還有一座今年將投入使用…
信不信由你，由10萬人產生的廢水每年能夠製造出200噸高品質肥料。加拿大的Ostara公司希望這種方法能夠彌補可再生磷酸鹽資源日益減少的缺口，而磷是現代化肥中的3種主要成分之一。Ostara公司的Pearl養分回收系統能夠從市政污水中萃取出磷和氨等有用成分，再將這些養料加入到能安全、緩慢地釋放效力的顆粒狀肥料中，以“Crystal Green”的商品名出售。其中的難點在於尿液的提取，它在下水道裏的所有汙物中只占大約1%。一個解決辦法是分類廁所(試想在一個大馬桶裏套上一個小尿盆)，這種設計已經在瑞典和丹麥進行試用。
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