改變現(xiàn)代世界的15項發(fā)明專利

近期，中興通訊受美國制裁的事件戳中了國人心中的“痛”，也對我們長期受制于人的芯片核心技術(shù)與產(chǎn)業(yè)敲響了警鐘。

我們近乎被動地發(fā)現(xiàn)，在科技創(chuàng)新，尤其是技術(shù)驅(qū)動型創(chuàng)新方面，我們的差距到底有多大。而在沉醉于我們的“新四大發(fā)明”的同時，我們需要跳出來重新審視未來的發(fā)力點(diǎn)，需要重建真正的創(chuàng)新文化與創(chuàng)新土壤。

換句話來說，我們需要真正引領(lǐng)世界，改變世界的創(chuàng)新成果，而專利是其中至關(guān)重要的組成部分，或者說是最直觀的表現(xiàn)。

就像無人機(jī)、iPhone、藍(lán)牙、全球定位系統(tǒng)（GPS），在它們改變世界之前，這些技術(shù)只是圖紙上的線條與數(shù)字，但卻是未來開始的地方。

不同于過去發(fā)明家的獨(dú)自悶頭研究，今天，各種發(fā)明來自眾多發(fā)明家對各種技術(shù)的聚合，例如iPhone和自動駕駛汽車。

而其它發(fā)明，如四軸飛行器無人機(jī)和3D打印機(jī)，數(shù)十年前就有相關(guān)設(shè)計，但直到核心技術(shù)發(fā)展成熟后，這些發(fā)明才真正火遍全球。

美國《大眾機(jī)械》雜志的副主編Jay Bennett近期撰文，提出了改變現(xiàn)代世界的15項發(fā)明專利。

這些專利及其背后的故事又一次告訴我們：羅馬不是一天建成的。一項技術(shù)從研發(fā)到實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用，到改變世界，往往需要經(jīng)年累月，甚至幾代探索者不斷開拓、承前啟后的辛勤付出。

1. 磁懸浮

專利名:"地面車輛電磁感應(yīng)懸架及穩(wěn)定系統(tǒng)"

磁懸浮列車的故事始于Eric Laithwaite和他的全尺寸直線感應(yīng)電動機(jī)。Laithwaite發(fā)明了一種不需要與鐵路軌道接觸的直線電動機(jī)，可以用于開發(fā)基于磁場的運(yùn)輸系統(tǒng)，可以使用磁鐵來實(shí)現(xiàn)升力和向前的推力。

Laithwaite的工作進(jìn)一步得到了廣泛的研究。1967年，布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的James Powell和Gordon Danby獲得了磁懸浮列車的第一項專利。他們的設(shè)計旨在使用超導(dǎo)電磁鐵產(chǎn)生“懸浮力，使火車懸浮在地面上”，并用“推進(jìn)器、噴氣發(fā)動機(jī)或火箭”來實(shí)現(xiàn)推力。

當(dāng)Laithwaite在直線感應(yīng)電動機(jī)方面的研究與Powell和Danby設(shè)計的懸浮列車相結(jié)合時，第一輛商用磁懸浮列車誕生了。

1995年，磁懸浮列車在英國開通，使英國成為最早將磁懸浮鐵路投入商業(yè)運(yùn)營的國家之一。

德國人建造并測試了許多磁懸浮列車的原型，2003年，采用德國技術(shù)的上海磁懸浮列車是世界上第一條商業(yè)運(yùn)營的高架磁懸浮專線，設(shè)計最高運(yùn)行速度為每小時430公里。

2015年，日本L0型系列磁浮列車試驗(yàn)運(yùn)行時以603公里的時速創(chuàng)造了速度紀(jì)錄。

在未來，hyperloop系統(tǒng)可以使用類似的技術(shù)來懸浮和加速位于真空密封管中的乘客艙，速度可能會高達(dá)750英里/小時（約合1207公里/小時）。

2.iPhone

專利名: "電子設(shè)備"

最初的iPhone專利僅標(biāo)注為“電子設(shè)備”，僅表示它是“電子設(shè)備的裝飾設(shè)計”。

盡管iPhone不是第一款連接互聯(lián)網(wǎng)的智能手機(jī)，但基本設(shè)計已經(jīng)成功改變了許多人每天都在使用的手機(jī)的外觀和功能。不僅僅是手持式計算機(jī)，iPhone和隨后的“電子設(shè)備”的改進(jìn)已經(jīng)影響到人類如何交流、導(dǎo)航甚至思考。

3. 外骨骼裝置

專利名: "運(yùn)動輔助裝置和方法"

外骨骼技術(shù)歷史悠久，可追溯到1890年Nicholas Yagin發(fā)明的“促進(jìn)行走裝置”。無動力的外骨骼使用壓縮氣體來儲存能量并幫助運(yùn)動。

20世紀(jì)60年代，美國軍方發(fā)起了一項由通用電氣開發(fā)的動力外骨骼項目：Hardiman。這種大型機(jī)械套裝旨在增強(qiáng)士兵的力量，士兵可以舉起1500磅的重物，但外骨骼在全力作戰(zhàn)時會因劇烈動作而失控，而且沒有進(jìn)行過人體試用測試。

隨著技術(shù)不斷改進(jìn)，各公司紛紛投資外骨骼裝置，旨在幫助不同程度癱瘓的人，或協(xié)助工作現(xiàn)場的工人。人工智能外骨骼公司ReWalk在2014年申請動力外骨骼專利，在康復(fù)中心推出一個外骨骼裝置，讓輕微癱瘓者能夠?qū)W會坐下、站立、走路甚至爬樓梯。

此外，麻省理工學(xué)院和歐洲航天局正在開展其他用途設(shè)計，未來的建筑工人、士兵、甚至宇航員都可以使用外骨骼裝置。

4. 無人機(jī)

專利名: "全方位、垂直升降、無人駕駛飛機(jī)"

四旋翼無人駕駛飛機(jī)在1962年首次獲得專利。

Piasecki飛機(jī)公司工程師Edward G. Vanderlip首先設(shè)計了一種方法，允許直升機(jī)的儀器在電源故障時能繼續(xù)工作。

Vanderlip想到將飛行員的飛行系統(tǒng)集成到一個小型遙控旋翼飛機(jī)上。他的專利“全方位、垂直升降、無人駕駛飛機(jī)”概述了一種設(shè)計為“非常簡單”飛行的無人機(jī)。

在他的設(shè)計中，有“四個升力裝置，在兩端成對布置”，使得傾斜的垂直軸線總是垂直于地面。這允許飛機(jī)傾斜其升力裝置并向任何方向飛行，同時保持水平控制。

一旦飛行控制系統(tǒng)和其他電子系統(tǒng)（例如相機(jī)和GPS導(dǎo)航）與Vanderlip的想法相整合，就出現(xiàn)今天的四軸飛行器無人機(jī)。

5. 3D打印機(jī)

專利名: "通過立體光刻技術(shù)制作三維物體的設(shè)備"

3D打印機(jī)的專利最早出現(xiàn)在1986年，該文檔描述了大多數(shù)3D打印機(jī)所使用的基本技術(shù)：立體光刻或樹脂的光固化。

移動平臺從計算機(jī)輸入并將底座定位在噴嘴下面。從噴嘴中噴出的液體樹脂逐層形成物體，并通過紫外光將之固化。

隨著計算技術(shù)的進(jìn)步，3D打印的真正價值變得顯而易見。隨著金屬打印，如激光金屬燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代制造商利用3D打印機(jī)科技進(jìn)行更多制造活動，如橋梁和火箭發(fā)動機(jī)。

6. 仿生眼

專利名: "視網(wǎng)膜假體和制造視網(wǎng)膜假體的方法"

1968年，醫(yī)生G. S. Brindley和W. S. Lewin第一次嘗試恢復(fù)視力的方法，并通過手術(shù)將一種裝置植入52歲的患者體內(nèi)。事實(shí)上，電子設(shè)備沒有植入患者的眼睛，而是植入他大腦的視葉上。通過刺激大腦的神經(jīng)元，使病人可以在視野中看到光點(diǎn)。

如今，正如2013年的一項專利中所描述的，使用更小的電子設(shè)備，視覺恢復(fù)裝置可以直接植入視網(wǎng)膜。

一種通常安裝在太陽鏡上的照相機(jī)已經(jīng)被用來采集周圍區(qū)域的數(shù)據(jù)，并向視網(wǎng)膜植入物發(fā)送信號，然后刺激眼睛中的感光細(xì)胞。

完全失明的患者已經(jīng)能夠使用該技術(shù)恢復(fù)部分視力，包括看到形狀和光線的能力。隨著電極不斷縮小，允許更多特定的感光細(xì)胞受到刺激，這項技術(shù)只會變得更好。

7. 全球定位系統(tǒng)GPS

專利名: "使用衛(wèi)星與被動測距技術(shù)的導(dǎo)航系統(tǒng)"

GPS衛(wèi)星是由美國海軍發(fā)明的，今天由空軍運(yùn)營。Roger L. Easton是全球定位系統(tǒng)的幕后策劃者，在20世紀(jì)50年代，為海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）開發(fā)技術(shù)來跟蹤美國在軌衛(wèi)星和蘇聯(lián)衛(wèi)星。

1959年，Easton開發(fā)了海軍空間監(jiān)視系統(tǒng)，這是第一個用來追蹤繞美國運(yùn)轉(zhuǎn)的每一個物體的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)。

在接下來的幾十年里，Easton把他的技術(shù)轉(zhuǎn)向了從太空跟蹤地面上的物體。授予他的1974年專利描述了使用衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航的方法。

在TIMATION I和TIMATION II等任務(wù)中發(fā)射的高精度時鐘改進(jìn)了該技術(shù)并修正了由狹義相對論引起的誤差。1977年，第一個GPS數(shù)據(jù)由2號導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星發(fā)送。

這項技術(shù)多年來一直在軍隊中使用，美國在第一次海灣戰(zhàn)爭期間使用GPS衛(wèi)星在科威特和伊拉克的沙漠進(jìn)行導(dǎo)航，被稱為“第一次太空戰(zhàn)爭”。GPS在1995年全面使用24顆衛(wèi)星運(yùn)行。

8. CRISPR基因編輯

專利名: "用于改變基因產(chǎn)物表達(dá)的CRISPR-Cas系統(tǒng)和方法"

CRISPR-Cas9是加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)的一種基因編輯工具，用于修改單細(xì)胞生物。這項技術(shù)隨后在與哈佛和麻省理工學(xué)院合作的非盈利研究所（Buld Institute）進(jìn)行了改進(jìn)，正如2014年專利所概述的那樣，專注于研究多細(xì)胞生物體。

今天，CRISPR用于修改作物和牲畜基因，以及治療諸如白血病等人類疾病。

CRISPR-Cas9工具的運(yùn)用分為三個部分：一個定位于生物體DNA正確部分的RNA鏈，切割DNA片段的Cas9酶，一個可選的DNA鏈用于替換被刪除的部分。

CRISPR可以注射到胚胎或被引入細(xì)胞，如免疫系統(tǒng)細(xì)胞，然后注射到病人體內(nèi)?；蚬こ痰目赡苄詣倓傞_始形成，更多新藥物和新的治療方法即將出現(xiàn)。

9. 大腦植入

專利名: "三維電極裝置"

在19世紀(jì)后期，醫(yī)生發(fā)現(xiàn)對大腦的電刺激可能會導(dǎo)致人體和動物的身體活動。到了20世紀(jì)，涉及大腦刺激的一些實(shí)驗(yàn)成功地改變了患者的情緒和行為。

1993年，猶他大學(xué)的一項專利概述了所謂的“猶他陣列”，在后來的專利中被描述為“可植入的、集成的裝置，其用大量金屬針與大腦接觸以檢測電信號或向大腦發(fā)送信號?！?/p>

以后，大腦植入物已經(jīng)發(fā)展到讓患者可以移動機(jī)器假肢或在計算機(jī)上輸入文本的地步。未來，像“神經(jīng)織網(wǎng)”這樣覆蓋大量神經(jīng)元的技術(shù)可以用于讓人們用大腦與電腦進(jìn)行交互。

10. 石墨烯

專利名: "納米級石墨烯薄片"

我們可能正在進(jìn)入石墨烯時代。由單層碳分子排列成蜂窩狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料非常輕便，強(qiáng)度是相同鋼層的200倍，具有高耐熱性和高導(dǎo)電性。

這些特性使石墨烯和類似的碳復(fù)合材料非常適合于電腦芯片、客機(jī)機(jī)翼和其他用途。

目前，國內(nèi)的恒力盛泰公司擁有第7071258B1號美國專利《Nano-scaled Graphene Plates（納米級石墨烯薄片）》授權(quán)。

石墨烯由石墨塊制成，然而，隔離只有一個原子厚的單層碳分子，是非常具有挑戰(zhàn)性的。

直到2004年，曼徹斯特大學(xué)的Andre Geim和Konstantin Novoselov才用一種稱為“Scotch膠帶法”的方式，用膠帶提取出單層原子厚的石墨烯晶體。這項工作為他們贏得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎。

隨后，采用新的創(chuàng)新方法提取材料的技術(shù)不斷出現(xiàn)，例如2006年使用“剝落”技術(shù)制造石墨烯的專利。

11. 藍(lán)牙

專利名: "移動通信設(shè)備的點(diǎn)對點(diǎn)信息交換"

Jaap Haartsen于1994年發(fā)明了藍(lán)牙，允許靠近的電子設(shè)備使用低功率、超高頻無線電波互相連接。Haartsen還起草了多項與藍(lán)牙有關(guān)的專利，但它們受到專利訴訟和專利釣餌的阻撓。這份2013年的專利描述了該技術(shù)如何用于傳輸GPS數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)使用小型計算機(jī)芯片植入微型無線電設(shè)備中，運(yùn)行相互連接所需的軟件。這些設(shè)備通過名為微微網(wǎng)（piconet）的短程網(wǎng)絡(luò)“配對”。這項技術(shù)在當(dāng)今幾乎所有手持設(shè)備中都有使用，包括耳機(jī)、攝像機(jī)和智能恒溫器。

12. 自動駕駛汽車

專利名: "自主車輛視覺系統(tǒng)"

自動駕駛汽車的歷史可以追溯到近一百年前。1925年，Hodina用無線電控制一輛無人駕駛的1926年錢德勒（Chandler）汽車，在曼哈頓的交通擁擠的道路上行駛。

70年后，在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的Navlab項目“No Hands Across America”無人駕駛汽車測試中，一輛半自主式汽車中行駛了3100英里，除了駕駛員完成加速和剎車外，其它動作完全由汽車自主完成。

自動駕駛汽車技術(shù)擁有數(shù)百項專利，但突破障礙的公司是一家名為VisLab的意大利機(jī)器視覺公司。

2013年7月，VisLab的自動駕駛汽車BRAiVE在意大利帕爾馬市中心自主駕駛通過雙向街道、人行橫道、紅綠燈、環(huán)形交叉路口和其他障礙物。該公司在自動駕駛汽車技術(shù)方面擁有的第一項專利是用于攝像機(jī)和傳感器系統(tǒng)，以獲取有關(guān)車輛周圍環(huán)境的信息并向計算機(jī)輸入命令。

今天，許多大型科技公司和汽車公司正在開發(fā)自動駕駛汽車，如谷歌，亞馬遜和特斯拉。未來，自動駕駛汽車將取代城市中的傳統(tǒng)公共交通和傳統(tǒng)汽車，將城市交通向互聯(lián)交通網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變，從而有效消除交通擁堵。

13. 太陽能電池板

專利名: "太陽輻射能利用裝置"

19世紀(jì)初，法國物理學(xué)家Edmund Bequerel發(fā)現(xiàn)，某些材料在暴露于光照時會產(chǎn)生微小的電流，即光伏效應(yīng)。1839年，他將氯化銀置于酸性溶液中，并與鉑電極連接，創(chuàng)造了第一個光伏電池。

大約五十年后，第一個美國太陽能電池專利被授予給Edward Weston。該專利描述了一種“熱電元件”，其在一端連接兩個“異種金屬”體，并在其他地方絕緣，以便暴露在陽光時，“在電路中產(chǎn)生電流”。

Weston甚至有先見之明地描繪出一個能量儲存系統(tǒng)，以便“在夜間或陰天時，可以利用日照時積累的能量”，這是當(dāng)今大規(guī)模太陽能發(fā)電面臨的主要挑戰(zhàn)。

幾十年來，太陽能電池板技術(shù)不斷改進(jìn)，今天它們主要由硅制成。

1968年，先鋒1號衛(wèi)星成為第一艘使用太陽能電池板的航天器。目前，世界上最大的太陽能發(fā)電廠——印度Kamuthi太陽能發(fā)電項目占地約3.9平方英里，發(fā)電能力接近650兆瓦。

14. 第三代無線移動通信（3G）

專利名: "移動互聯(lián)網(wǎng)接入"

第一代無線移動電信技術(shù)使模擬蜂窩電話成為可能，第二代技術(shù)則支持?jǐn)?shù)字手機(jī)。但是直到3G或通用移動通信系統(tǒng)（UMTS），才改變了我們每天隨身攜帶的設(shè)備。

如2003年專利中所述，手機(jī)通過3G連接到GPS和互聯(lián)網(wǎng)。它使手持設(shè)備上的視頻通話和流媒體傳輸成為可能。10年后，隨著4G基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，對網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)使手機(jī)變成了錢包、個人助理和娛樂設(shè)備。

技術(shù)發(fā)展如此之快，短短數(shù)年間，我們又即將進(jìn)入一個全新的5G時代。

15. 虛擬現(xiàn)實(shí)

專利名: "用于顯示抽象信息的虛擬現(xiàn)實(shí)生成器"

最初的VR頭戴設(shè)備不是用于玩電子游戲或觀看體育比賽，而是幫助用戶分析財務(wù)數(shù)據(jù)。

2000年，發(fā)明家Paul Marshall的“虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)生器”專利描述了一個計算機(jī)生成的世界，用戶可以通過“使用控制設(shè)備，如軌跡球或太空球、電子數(shù)據(jù)手套、磁頭位置跟蹤器、鍵盤、操縱桿或方向盤?！?/p>

Paul Marshall繼續(xù)致力于這些技術(shù)，以創(chuàng)建一個“三維信息場景”，仍然旨在幫助“理財經(jīng)理或金融分析師”篩選數(shù)據(jù)。

該技術(shù)曾長期處于研究階段，直到2016年Oculus Rift發(fā)布娛樂頭戴設(shè)備，以及HTC隨后發(fā)布HTC Vive設(shè)備。

其他虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，如三星VR和谷歌Cardboard，使用智能手機(jī)來顯示虛擬世界。

像微軟HoloLens這樣的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在將來通過現(xiàn)實(shí)世界數(shù)據(jù)的疊加，用于幫助從施工人員到科學(xué)家的每個人。