全球科技“奥斯卡”发布年度百项科技

2016年11 月 3 日，素有全球“技术产业奥斯卡奖”的“全球百大科技研发奖”（R&D 100 Awards）的荣誉盛宴上，麻省理工学院林肯实验室（MIT Lincoln Lab）一举摘得了 100 个奖项中的 6 项。

R&D百大技术奖（R&D100 Awards）在过去 54 年都扮演了技术创新领域“奥斯卡”奖的角色，被视为技术研发先锋们的无上荣耀。自 1962 年以来，每年评选100 项具有重大创新意义及对人类生活影响深远的商业化技术。

同时，每年举办的R&D百大技术峰会也是当届及往届获奖者的大聚会，为这些地球上最优秀的大脑们提供了一个相互学习、交流、合作的平台。

奖项和峰会各环节都以务实为主，除了总结当下以及预测未来技术发展的主旨演讲外，还包括各种技术研讨会、产业接洽活动等。总体上说，R&D百大技术奖涉及到各个科技领域的创新，为来自不同专业、不同背景的优秀研发者们搭建起了属于他们的舞台。

MIT林肯实验室主任Eric Evans（左1）与获奖同事们合影

今年，麻省理工学院林肯实验室在空中交通安全、生物医学设备和磁场检测等领域获得了全球百大科技研发奖，总计收获了六项技术大奖，这六项技术由实验室研究人员独立研发，或与合作机构共同开发。

2010年以来，林肯实验室已收获26项全球百大科技研发奖，其中包括两个编辑选择奖，以及年度百大科技研发奖的三大顶尖技术。

更早前，MIT林肯实验室也曾获得两个全球百大科技研发奖：1998年，与Cyra技术公司和洛斯阿拉莫斯国家实验室联合开发的三维激光绘图和成像系统；1995年，通过使用GPS确定飞机的位置的技术。

林肯实验室主任Eric Evans说：”今年的百大科技研发奖再次充分肯定了林肯实验室的研发能力和产业化能力，这离不开每个人的努力。”

麻省理工学院林肯实验室

在本年度百大科技研发大奖中，林肯实验室的其中三个获奖技术解决了空中交通安全的挑战：

小型机场监视传感器：这是一种低成本二级监视系统，可为机场塔台控制器提供飞机在机场地面和附近空域的运行状况。

海上降水能力系统：该系统可以预测雷达覆盖外的近海区域的风暴状况，为空中交通管制员提供天气信息。

机载防撞系统：该系统通过处理多传感器数据，能准确检测和跟踪无人机附近的飞机。根据这些信息，空中交通管制员能够很好地保证无人机和其他空中交通之间的安全隔离。

其中两项获奖技术是医疗保健的创新技术：

EnteroPhone：这是一种无线、可吸收的装置，可以从胃肠道内监测心率、呼吸频率和核心温度。

Laserscope：一个工具套件，可在脊柱腔内提供手术导航和精确的激光瞄准，从而可使用门诊手术治疗背痛，而不需要进行开背手术。

第六项获奖技术扩展了当前磁力计的功能和效率：

宽频磁强计和温度传感器：利用光捕获金刚石波导，这个超灵敏的磁场探测器和温度传感器比旧式基于金刚石的磁力计的能量效率高1000倍。

这六项获奖技术都对问题提出了创新的解决方案，可能对当前技术产生重大影响，或促进相关先进技术的发展。以下是对这六项获奖科技的详细介绍。

风筝不再是无人机的敌人

无人机机载防撞系统（ACAS Xu）是一种用于无人飞行系统的自动防撞装置。该系统通过动态规划、自动调谐和并行计算，使无人飞行器能够检测和跟踪附近的飞机利用检测和跟踪信息。

ACAS Xu系统为地面操作员或自动化车辆提供安全警报，帮助他们保持安全距离，防止无人驾驶飞行器之间以及人工驾驶和无人驾驶飞行器之间的空中碰撞。

该系统主要用于人工驾驶飞行器和无人驾驶飞行器之间的协调运作和与防撞操作

ACAS Xu从机载监测系统接收传感器数据，并使用先进的跟踪算法来估计附近飞机的相对位置和速度。预测结果将用于威胁逻辑中，在必要时将提供指导，以避免潜在的空中碰撞。

总体而言，ACAS Xu的模块化架构有两个主要组件：监测跟踪模块（STM）和威胁解析模块（TRM）。STM从多个传感器（例如：GPS，应答机和雷达系统）接收数据（位置，速度和高度等），以监测和跟踪附近的飞机。

然后，STM关联来自每个传感器的数据，并将最可靠的信息传递给TRM。考虑到附近飞机的相对位置和速度，TRM的数字查找表会向无人机系统和地面操作员建议最佳操作。通常情况下，无人机和地面操作员不需要进行任何操作，但是如果附近的飞机存在碰撞风险，TRM将选择并发送最佳的决策，建议爬升，下降或转弯以保持安全距离。

ACAS Xu开发团队的首席研究员Wes Olson说：“该系统为民用空域无人飞行器扩展运行的需求提供了有效的解决方案。“

ACAS Xu已经证明，该项技术比现有的基于转发器的防撞系统安全性提高40％以上，此外，它还可以监测没有配备转发器的飞机并避免与之发生碰撞。目前，还没有其他决策系统能提供这种能力。

ACAS Xu由林肯实验室、联邦航空局、约翰霍普金斯大学应用物理实验室、斯坦福大学和MITER公司的代表组成的团队开发。

增强离岸天气预测能力

由林肯实验室与联邦航空管理局联合开发的离岸降水能力系统（OPC）可为空中交通管制员提供天气信息，该系统可以协助使他们在可能发生冰雹、湍流、结冰或其他恶劣天气的区域安全地改变航道。

OPC在近海地区生成“雷达式”描述的降水强度和风暴高度，这些区域往往是天气雷达不能完整覆盖或不可用的。OPC利用监督机器学习进行高级分析，并通过机器学习来融合多个异构数据集、创建类似雷达的代理、显示沿海地区的天气信息。

OPC通过融合来自非雷达数据源的信息创建天气图像，包括雷电检测、地球同步卫星的信息以及数字天气预测模型的输出。闪电是对流天气的强烈指标，也就是说，能够产生强大的上升气流，可引起严重的湍流和其他安全危害，如严重的冰雹。

位于地球周围的地球同步卫星可提供地球大部分的可见和红外图像。数值天气预测模型模拟许多气象数据，包括环境温度，压力和湿度，以及其他相关参数，如雷达反射率，降雨率和对流云顶高度等。

将OPC数据融合的结果与雷达系统的输出混合，可以得到无缝拼接的天气系统，拓展到离岸和海洋地区。OPC应用运动跟踪算法来估计风暴运动，使得从卫星图像和数值模型获得的特征可以在空间上移动，以持续更新天气信息。

Mark Veillette开发团队主要研究员表示：“通过高分辨率输入，例如可见的卫星图像和闪电密度，OPC能够分析更高分辨率的风暴特征，这是只依靠红外卫星或雷电数据的系统做不到的。与单输入天气分析系统相比，OPC框架可为用户提供更准确的天气分析。”

低成本小型机场监测雷达

小型机场监视传感器（SASS）是一种廉价的监视系统，为机场塔台控制器在所有可见度条件下（包括夜间和恶劣天气）在机场表面和附近的空域提供机场情况感知。

SASS系统由一个主单元和两个传感器单元组成，其中传感器单元位于最长跑道的端部附近，主单元位于机场控制塔中。传感器单元监听来自附近飞行器的自发回复，飞行器配备有模式S信标应答器。至少一个传感器还可以向不产生自发回复的飞行器发出询问。传感器使用新颖的八元件相控阵天线来进行高精度方位测量，并使用GPS来精确记录回复的到达时间。

附近飞机的回复传递给主单元，主单元计算出地面和空中目标（例如车辆和飞机）的地理位置的。目标位置被传递到融合跟踪器，融合跟踪器将地理位置数据与外部信息组合以产生轨迹（平滑预测的移动路径）。轨迹也可以输入到安全逻辑，为塔式控制器和飞行员提供视觉和听觉警报。

由于在机场地面上仅需要两个传感器，所以系统的购买、安装和维护成本对于小型机场来说是可负担的，这些机场通常缺乏雷达监测设备，而是依赖塔台控制器来扫描机场表面和附近空域。开发SASS的林肯实验室团队的技术主管Steven Campbell说：“SASS将提高美国数百个小型机场的安全性和效率”。

聆听身体的重要信息

EnteroPhone是由林肯实验室和麻省理工学院研究人员开发的一种小型、无线、可吸收的设备。它通过聆听身体的声音来监测心脏和呼吸频率，并监测核心温度，所有监测任务都在胃肠道内进行。

EnteroPhone可靠地监测这些关键生命体征的能力使得医生、物理治疗师和运动训练者不再需要表面附着型传感器或植入的内部传感器。身体佩戴的装置可能加重损伤或引起皮肤刺激，例如在烧伤患者中，或在剧烈活动期间，不舒适的感觉也会阻碍运动表现。

此外，可穿戴传感器不能收集核心体温、临界生理参数。由外部装置收集的皮肤温度无法很好地预测以内核心温度，特别是人正在发烧或进行体育活动时。内置传感器在手术切除之前一直保留在身体中，这使得医生无法使用某些诊断程序，例如MRI，而EnteroPhone不会遇到这方面的问题。。

目前，其他生理传感器每次只能完成一个测量，并且通常不是实时监测身体的重要信息。EnteroPhone，只有维生素丸大小，通过使用单个压电水听器组件来听取心脏和肺的声音以确定呼吸和心率。

此外，还有一个用于测量真实身体核心温度的热敏电阻，一个加速度计和一个用于测量胃肠（GI）压力的气压计——测压法（目前用于评估沿着胃肠道的平滑肌的工作机理）。然后将这些测量值从身体内部无线传输到处理器，该处理器将背景噪声与GI道分离，得到患者的心脏和呼吸速率的可靠信息。EnteroPhone的传输范围约为20英尺。

Enterophone项目首席研究员AlbertSwiston说，“Enterophone将推动远程医疗；优化性能监测和运动员、军事服务人员和急救人员的安全；并提供快速的临床评估和分类的一种简单的方法。”

革命性的背部手术

Laserscope由林肯实验室的工作人员与来自马萨诸塞州总医院的神经外科医生合作开发。这项技术将使外科医生能够通过在骶骨基部附近的自然存在的进入端口在脊柱管内进行非常精确的内窥镜手术。

Laserscope主要用于治疗腰椎管狭窄——这是背部和腿部疼痛的主要原因。通常而言，腰椎管狭窄是正常老化，严重创伤或反复脊柱创伤引起的。使用Laserscope，外科医生将能够在微创的门诊手术中降低椎管压力，为开背手术提供替代方案。

Laserscope能够微创进入椎管，具有视觉识别压缩组织的能力，以及去除这种压缩组织所需的激光能量。与椎管的形状一致，Laserscope具有3mm直径的弯曲，这允许外科医生平稳地拉起脊髓管，从而移动到压缩组织。

该器件结合了具有高级图像处理的互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器，以保证组织移除操作的高保真视频可视化。Laserscope还设计有“花瓣”，当在管内扩张时，外科医生可清晰地看到目标区域。

如果使用同心的镍钛诺管系统，Laserscope将允许外科医生在视场内的任何地方精确地操纵激光光纤，对压缩组织的靶向消融，同时对周围组织的损伤最小。

Laserscope公司首席研究员MattJohnson说：“对于50万名患有腰椎管狭窄症的美国人来说，Laserscope将能够显著降低手术成本、住院时间和疼痛康复。”

超灵敏磁场检测

林肯实验室和MIT的科学家开发了利用光捕获金刚石波导的宽频带磁强计和温度传感，可以测量穿透宇宙的磁场的小变化。从金属物体的永久偶极矩到在生物器官例如大脑或心脏中流动的电流，甚至诸如太阳耀斑或海潮等自然现象，磁场的存在说明了对象本身的细节。

为了检测磁场中的这些细微变化，该传感器使用了氮空位（NV）中心量子系统，由金刚石的纯碳晶格中的缺失原子和氮原子配对组成。每个NV中心具有磁矩，其与局部磁场的相互作用可以量化且与物理常数相关。

该传感器通过用绿色激光激发和微波辐射探测，大量的NV集可增强外部磁场检测效果，提高系统灵敏度。在金刚石表面添加棱镜面用于激光激发，即可通过光捕获金刚石波导。利用金刚石的高折射率，全内反射可使光停留在金刚石里面，就像多模光纤一样。捕获激光诱发出NV中心集合，从而使得传感器能量效率提高1000倍，并且在测量中具有更高的灵敏度。

“我们已经通过实验证明，这个传感器对磁场的超灵敏性，同时它为矢量磁强计带来了量子稳定性。一个比指甲小得多的金刚石芯片可以通过技术手段获得数万亿个氮空位，每个氮空位都能通过金刚石矢量轴和量子稳定性独立执行磁场测量。这种新型的磁力计可以在医疗和材料成像等领域实现微型化，检测违禁品和研究地球磁场，”这项研究的首席科学家Danielle Braje说。

关于林肯实验室

这个实验室你可能没有听过，但这恐怕是麻省理工学院最神秘、最具创新能力的一个实验室。比如，可以充分说明其重要性的是，林肯实验室是整个麻省理工学院的单一最大财政收入贡献者，其研发收入占麻省理工学院所有财政收入的27％，高达8亿多美金（如下，2014年的学校公开数据）。