從自動駕駛到基因編輯，這15項發明專利改變了世界

資本實驗室·今日創新觀察

聚焦前沿科技創新與傳統產業升級

冉偉

近期，中興通訊受美國制裁的事件戳中了國人心中的「痛」，也對我們長期受制於人的晶元核心技術與產業敲響了警鐘。

我們近乎被動地發現，在科技創新，尤其是技術驅動型創新方面，我們的差距到底有多大。而在沉醉於我們的「新四大發明」的同時，我們需要跳出來重新審視未來的發力點，需要重建真正的創新文化與創新土壤。

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

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

不同於過去發明家的獨自悶頭研究，今天，各種發明來自眾多發明家對各種技術的聚合，例如iPhone和自動駕駛汽車。

而其它發明，如四軸飛行器無人機和3D印表機，數十年前就有相關設計，但直到核心技術發展成熟後，這些發明才真正火遍全球。

美國《大眾機械》雜誌的副主編Jay Bennett近期撰文，提出了改變現代世界的15項發明專利。

這些專利及其背後的故事又一次告訴我們：羅馬不是一天建成的。一項技術從研發到實現大規模商用，到改變世界，往往需要經年累月，甚至幾代探索者不斷開拓、承前啟後的辛勤付出。

1. 磁懸浮

專利名:"地面車輛電磁感應懸架及穩定系統"

磁懸浮列車的故事始於Eric Laithwaite和他的全尺寸直線感應電動機。Laithwaite發明了一種不需要與鐵路軌道接觸的直線電動機，可以用於開發基於磁場的運輸系統，可以使用磁鐵來實現升力和向前的推力。

Laithwaite的工作進一步得到了廣泛的研究。1967年，布魯克海文國家實驗室的James Powell和Gordon Danby獲得了磁懸浮列車的第一項專利。他們的設計旨在使用超導電磁鐵產生「懸浮力，使火車懸浮在地面上」，並用「推進器、噴氣發動機或火箭」來實現推力。

當Laithwaite在直線感應電動機方面的研究與Powell和Danby設計的懸浮列車相結合時，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運營的國家之一。

德國人建造並測試了許多磁懸浮列車的原型，2003年，採用德國技術的上海磁懸浮列車是世界上第一條商業運營的高架磁懸浮專線，設計最高運行速度為每小時430公里。

2015年，日本L0型系列磁浮列車試驗運行時以603公里的時速創造了速度紀錄。

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

2.iPhone

專利名: "電子設備"

最初的iPhone專利僅標註為「電子設備」，僅表示它是「電子設備的裝飾設計」。

儘管iPhone不是第一款連接互聯網的智能手機，但基本設計已經成功改變了許多人每天都在使用的手機的外觀和功能。不僅僅是手持式計算機，iPhone和隨後的「電子設備」的改進已經影響到人類如何交流、導航甚至思考。

3. 外骨骼裝置

專利名: "運動輔助裝置和方法"

外骨骼技術歷史悠久，可追溯到1890年Nicholas Yagin發明的「促進行走裝置」。無動力的外骨骼使用壓縮氣體來儲存能量並幫助運動。

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

隨著技術不斷改進，各公司紛紛投資外骨骼裝置，旨在幫助不同程度癱瘓的人，或協助工作現場的工人。人工智慧外骨骼公司ReWalk在2014年申請動力外骨骼專利，在康復中心推出一個外骨骼裝置，讓輕微癱瘓者能夠學會坐下、站立、走路甚至爬樓梯。

此外，麻省理工學院和歐洲航天局正在開展其他用途設計，未來的建築工人、士兵、甚至宇航員都可以使用外骨骼裝置。

4. 無人機

專利名: "全方位、垂直升降、無人駕駛飛機"

四旋翼無人駕駛飛機在1962年首次獲得專利。

Piasecki飛機公司工程師Edward G. Vanderlip首先設計了一種方法，允許直升機的儀器在電源故障時能繼續工作。

Vanderlip想到將飛行員的飛行系統集成到一個小型遙控旋翼飛機上。他的專利「全方位、垂直升降、無人駕駛飛機」概述了一種設計為「非常簡單」飛行的無人機。

在他的設計中，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於地面。這允許飛機傾斜其升力裝置並向任何方向飛行，同時保持水平控制。

一旦飛行控制系統和其他電子系統（例如相機和GPS導航）與Vanderlip的想法相整合，就出現今天的四軸飛行器無人機。

5. 3D印表機

專利名: "通過立體光刻技術製作三維物體的設備"

3D印表機的專利最早出現在1986年，該文檔描述了大多數3D印表機所使用的基本技術：立體光刻或樹脂的光固化。

移動平台從計算機輸入並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，並通過紫外光將之固化。

隨著計算技術的進步，3D列印的真正價值變得顯而易見。隨著金屬列印，如激光金屬燒結技術的發展，現代製造商利用3D印表機科技進行更多製造活動，如橋樑和火箭發動機。

6. 仿生眼

專利名: "視網膜假體和製造視網膜假體的方法"

1968年，醫生G. S. Brindley和W. S. Lewin第一次嘗試恢復視力的方法，並通過手術將一種裝置植入52歲的患者體內。事實上，電子設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元，使病人可以在視野中看到光點。

如今，正如2013年的一項專利中所描述的，使用更小的電子設備，視覺恢復裝置可以直接植入視網膜。

一種通常安裝在太陽鏡上的照相機已經被用來採集周圍區域的數據，並向視網膜植入物發送信號，然後刺激眼睛中的感光細胞。

完全失明的患者已經能夠使用該技術恢復部分視力，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胞受到刺激，這項技術只會變得更好。

7. 全球定位系統GPS

專利名: "使用衛星與被動測距技術的導航系統"

GPS衛星是由美國海軍發明的，今天由空軍運營。Roger L. Easton是全球定位系統的幕後策劃者，在20世紀50年代，為海軍研究實驗室（NRL）開發技術來跟蹤美國在軌衛星和蘇聯衛星。

1959年，Easton開發了海軍空間監視系統，這是第一個用來追蹤繞美國運轉的每一個物體的雷達網路。

在接下來的幾十年里，Easton把他的技術轉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星進行導航的方法。

在TIMATION I和TIMATION II等任務中發射的高精度時鐘改進了該技術並修正了由狹義相對論引起的誤差。1977年，第一個GPS數據由2號導航技術衛星發送。

這項技術多年來一直在軍隊中使用，美國在第一次海灣戰爭期間使用GPS衛星在科威特和伊拉克的沙漠進行導航，被稱為「第一次太空戰爭」。GPS在1995年全面使用24顆衛星運行。

8. CRISPR基因編輯

專利名: "用於改變基因產物表達的CRISPR-Cas系統和方法"

CRISPR-Cas9是加州大學伯克利分校開發的一種基因編輯工具，用於修改單細胞生物。這項技術隨後在與哈佛和麻省理工學院合作的非盈利研究所（Buld Institute）進行了改進，正如2014年專利所概述的那樣，專註於研究多細胞生物體。

今天，CRISPR用於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工具的運用分為三個部分：一個定位於生物體DNA正確部分的RNA鏈，切割DNA片段的Cas9酶，一個可選的DNA鏈用於替換被刪除的部分。

CRISPR可以注射到胚胎或被引入細胞，如免疫系統細胞，然後注射到病人體內。基因工程的可能性剛剛開始形成，更多新藥物和新的治療方法即將出現。

9. 大腦植入

專利名: "三維電極裝置"

在19世紀後期，醫生髮現對大腦的電刺激可能會導致人體和動物的身體活動。到了20世紀，涉及大腦刺激的一些實驗成功地改變了患者的情緒和行為。

1993年，猶他大學的一項專利概述了所謂的「猶他陣列」，在後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送信號。」

以後，大腦植入物已經發展到讓患者可以移動機器假肢或在計算機上輸入文本的地步。未來，像「神經織網」這樣覆蓋大量神經元的技術可以用於讓人們用大腦與電腦進行交互。

10. 石墨烯

專利名: "納米級石墨烯薄片"

我們可能正在進入石墨烯時代。由單層碳分子排列成蜂窩狀結構的複合材料非常輕便，強度是相同鋼層的200倍，具有高耐熱性和高導電性。

這些特性使石墨烯和類似的碳複合材料非常適合於電腦晶元、客機機翼和其他用途。

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

石墨烯由石墨塊製成，然而，隔離只有一個原子厚的單層碳分子，是非常具有挑戰性的。

直到2004年，曼徹斯特大學的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年諾貝爾物理學獎。

隨後，採用新的創新方法提取材料的技術不斷出現，例如2006年使用「剝落」技術製造石墨烯的專利。

11. 藍牙

專利名: "移動通信設備的點對點信息交換"

Jaap Haartsen於1994年發明了藍牙，允許靠近的電子設備使用低功率、超高頻無線電波互相連接。Haartsen還起草了多項與藍牙有關的專利，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如何用於傳輸GPS數據。

該系統使用小型計算機晶元植入微型無線電設備中，運行相互連接所需的軟體。這些設備通過名為微微網（piconet）的短程網路「配對」。這項技術在當今幾乎所有手持設備中都有使用，包括耳機、攝像機和智能恆溫器。

12. 自動駕駛汽車

專利名: "自主車輛視覺系統"

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年後，在卡內基梅隆大學的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。

自動駕駛汽車技術擁有數百項專利，但突破障礙的公司是一家名為VisLab的義大利機器視覺公司。

2013年7月，VisLab的自動駕駛汽車BRAiVE在義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、環形交叉路口和其他障礙物。該公司在自動駕駛汽車技術方面擁有的第一項專利是用於攝像機和感測器系統，以獲取有關車輛周圍環境的信息並向計算機輸入命令。

今天，許多大型科技公司和汽車公司正在開發自動駕駛汽車，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公共交通和傳統汽車，將城市交通向互聯交通網路轉變，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世紀初，法國物理學家Edmund Bequerel發現，某些材料在暴露於光照時會產生微小的電流，即光伏效應。1839年，他將氯化銀置於酸性溶液中，並與鉑電極連接，創造了第一個光伏電池。

大約五十年後，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，並在其他地方絕緣，以便暴露在陽光時，「在電路中產生電流」。

Weston甚至有先見之明地描繪出一個能量儲存系統，以便「在夜間或陰天時，可以利用日照時積累的能量」，這是當今大規模太陽能發電面臨的主要挑戰。

幾十年來，太陽能電池板技術不斷改進，今天它們主要由硅製成。

1968年，先鋒1號衛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電廠——印度Kamuthi太陽能發電項目佔地約3.9平方英里，發電能力接近650兆瓦。

14. 第三代無線移動通信（3G）

專利名: "移動互聯網接入"

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

如2003年專利中所述，手機通過3G連接到GPS和互聯網。它使手持設備上的視頻通話和流媒體傳輸成為可能。10年後，隨著4G基礎設施的發展，對網路改進使手機變成了錢包、個人助理和娛樂設備。

技術發展如此之快，短短數年間，我們又即將進入一個全新的5G時代。

15. 虛擬現實

專利名: "用於顯示抽象信息的虛擬現實生成器"

最初的VR頭戴設備不是用於玩電子遊戲或觀看體育比賽，而是幫助用戶分析財務數據。

2000年，發明家Paul Marshall的「虛擬現實發生器」專利描述了一個計算機生成的世界，用戶可以通過「使用控制設備，如軌跡球或太空球、電子數據手套、磁頭位置跟蹤器、鍵盤、操縱桿或方向盤。」

Paul Marshall繼續致力於這些技術，以創建一個「三維信息場景」，仍然旨在幫助「理財經理或金融分析師」篩選數據。

該技術曾長期處於研究階段，直到2016年Oculus Rift發布娛樂頭戴設備，以及HTC隨後發布HTC Vive設備。

其他虛擬現實系統，如三星VR和谷歌Cardboard，使用智能手機來顯示虛擬世界。

像微軟HoloLens這樣的增強現實技術可以在將來通過現實世界數據的疊加，用於幫助從施工人員到科學家的每個人。

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