Cuộc hôn nhân của sinh học và silicon đã sẵn sàng để giải phóng những đổi mới thay đổi cuộc sống (theo nghĩa đen)
Máy tính đã biến đổi phòng thí nghiệm. Bây giờ đến lượt sinh học để phát minh lại công nghệ và mọi ngành công nghiệp khác, một nhà nghiên cứu hàng đầu của McKinsey viết.
Cuộc hôn nhân của sinh học và silicon đã sẵn sàng để giải phóng những đổi mới thay đổi cuộc sống (theo nghĩa đen)
[Ảnh: Paul Campbell / iStock; Roozbeh Eslami / Bapt]
BỞI MICHAEL CHUI4 PHÚT ĐỌC
Chưa bao giờ sinh học và silicon được định vị tốt như vậy để tương tác theo cách sẽ mở khóa các hình thức đổi mới mới. Cựu Giám đốc điều hành Google Eric Schmidt đã nói rằng sinh học chắc chắn sẽ tính toán nhiên liệu. Ngược lại, điện toán đã tạo ra những tiến bộ trong sinh học. Bây giờ là lúc để các nhà đổi mới và nhà đầu tư xem xét cẩn thận sự va chạm của khoa học và công nghệ đang tạo ra một biên giới mới.
Một trong những nền tảng của cuộc cách mạng sinh học hiện đang diễn ra là cơ sở tri thức được xây dựng hơn 13 năm khi các nhà khoa học lập bản đồ bộ gen của con người. Tuy nhiên, sức mạnh của bản đồ đó đối với sự đổi mới nhiên liệu chỉ được thực hiện khi nó trở nên rẻ hơn và nhanh hơn để giải trình tự DNA vì những tiến bộ trong điện toán. Ngày nay, chi phí giải trình tự DNA đang giảm với tốc độ nhanh hơn Định luật Moore. Năm 2003, lập bản đồ bộ gen có giá khoảng 3 tỷ USD; vào năm 2016, con số đó đã giảm xuống dưới 1.000 đô la và có thể xuống dưới 100 đô la trong chưa đầy một thập kỷ. Các nhà khoa học đã giải trình tự coronavirus chịu trách nhiệm về COVID-19 trong vài tuần thay vì vài tháng để xác định trình tự virus gây ra dịch SARS ban đầu.
Bây giờ cuộc cách mạng sinh học đang ngày càng về việc sử dụng kiến thức này để chế tạo các sinh vật, như chữa các bệnh nan y hoặc sửa đổi cây trồng để trở thành những đặc điểm chịu nhiệt hay chịu hạn hán hơn bao giờ hết đối với biến đổi khí hậu. Ở đây, phân tích dữ liệu và AI đã là một chất xúc tác chính. Ví dụ, bằng cách quét các mối tương quan giữa trình tự gen của số lượng lớn bệnh nhân, lịch sử y tế và phản ứng của họ với các phương pháp điều trị khác nhau, các nhà nghiên cứu có thể phát hiện ra các biến thể di truyền nào có liên quan đến các bệnh cụ thể (nghiên cứu liên kết trên toàn bộ gen GWAS), và những can thiệp nào có thể hiệu quả nhất cho từng bệnh nhân. Trong phòng thí nghiệm, các viện nghiên cứu công nghệ sinh học và nghiên cứu đang sử dụng tự động hóa và cảm biến robot có thể tăng thông lượng lên tới 10 lần .
Nghiên cứu mới từ Viện toàn cầu McKinsey cho thấy cuộc cách mạng này có thể ảnh hưởng đến hầu hết mọi lĩnh vực theo thời gian. Đã có một hệ thống gồm khoảng 400 ứng dụng, hầu hết trong số đó là khả thi về mặt khoa học, có thể nhìn thấy và có thể có tác động kinh tế trực tiếp từ 2 nghìn tỷ đến 4 nghìn tỷ đô la mỗi năm trên toàn cầu từ năm 2030 đến 2040.
Nhưng silicon không chỉ là một yếu tố thúc đẩy tiến bộ sinh học mà một số ứng dụng được thành lập dựa trên sự tương tác chặt chẽ chưa từng thấy giữa hai bên. Giao diện máy sinh học, trong đó máy móc có thể được liên kết với não, đã trở nên khả thi trong thập kỷ qua. Việc phát hiện các tín hiệu thần kinh đang cải thiện và tạo ra dữ liệu não chất lượng cao hơn, chi tiết hơn và những tiến bộ trong phân tích và học máy đang cho phép giải thích tốt hơn các tín hiệu đó.
Các giao diện máy sinh học tiên tiến nhất là trong chăm sóc sức khỏe. Thần kinh học đã được phát triển trong nhiều năm nhưng ngày càng trở nên tinh vi. Chân tay giả truyền thống có sức mạnh cơ thể: Một cánh tay giả có thể được liên kết với vai và tùy thuộc vào chuyển động của vai, bàn tay có thể mở hoặc đóng. Bước tiếp theo là chân tay giả sử dụng các cảm biến điện cơ phản ứng với tín hiệu điện từ cơ bắp. Biên giới mới là các chi thần kinh lấy tín hiệu từ một con chip được phẫu thuật cấy ghép trong não của bệnh nhân. Tập đoàn điện tử sinh học tại MIT do Hugh Herr đứng đầu, tự mình là một người cắt cụt đôi, đang tinh chỉnh một phương pháp tái tạo các cặp cơ để não nghĩ rằng chi vẫn còn đó, giúp di chuyển chi bionic dễ dàng hơn.
Ngoài thuốc an thần kinh, các nhà nghiên cứu đang khám phá các giao tiếp từ não đến thiết bị, trong đó ngôn ngữ từ não của bệnh nhân được dịch trực tiếp sang máy tính bằng cách sử dụng một thiết bị phẫu thuật thần kinh được đưa vào phẫu thuật hoặc đeo băng đầu đeo được. Một kỹ thuật như vậy có thể được sử dụng cho những bệnh nhân mắc hội chứng bị khóa paraplegia.
Kích thích não sâu, trong đó một chất kích thích xung được kết nối với các điện cực trong não, đang được sử dụng để giúp kiểm soát chứng run cơ bản thường thấy trong bệnh Parkinson, nhưng hiện tại các nhà khoa học đang nghiên cứu kỹ thuật này để sử dụng cho bệnh nhân Alzheimer , trầm cảm và sự lo ngại.
Các phiên bản của các kỹ thuật này đang tìm đường vào thị trường tiêu dùng, chẳng hạn như thiết bị chơi game và máy theo dõi sức khỏe. Chẳng hạn, những chiếc băng đô sử dụng tín hiệu điện từ não có thể đo được sự căng thẳng. Một số ứng dụng tương lai đang được khám phá có thể được quan tâm cho ngành công nghiệp quốc phòng và hàng không. Các thí nghiệm đã chứng minh rằng việc điều khiển phương tiện dựa trên não là khả thi, có khả năng được quân đội quan tâm. Các nhà nghiên cứu tại một trường đại học ở Munich đã trình diễn một thuật toán có thể ghi lại tín hiệu não trong một chiếc mũ được phi công đeo trên mũ, ngay cả những người không có kinh nghiệm bay cũng có thể lái máy bay trong một mô phỏng.
Trong tương lai, sinh học có thể giúp đỡ một trong những thách thức của cuộc cách mạng kỹ thuật số cách thức lưu trữ tất cả dữ liệu được tạo ra. DNA là một câu trả lời có thể. DNA thô dày hơn khoảng một triệu lần so với lưu trữ đĩa cứng thông thường; hạn chế kỹ thuật sang một bên, một kg DNA thô có thể lưu trữ tất cả dữ liệu của thế giới ngày nay. Loại lưu trữ này không suy giảm như silicon và có thể lưu trữ dữ liệu một cách an toàn trong hàng trăm năm.
Một cuốn sách 659 kilobyte đã được mã hóa trên DNA vào năm 2011 bởi Đại học Harvard và nhóm nghiên cứu đã mã hóa hơn năm megabyte dữ liệu một năm sau đó, và chính xác hơn nhiều. Năm 2013, Viện Tin sinh học châu Âu đã báo cáo độ chính xác 100%. Intel, Micron và Microsoft hiện đang đầu tư vào công nghệ này.
Con người đang dần quen với ý tưởng làm việc bên cạnh máy móc; cuộc cách mạng sinh học làm cho mối quan hệ đó gần gũi hơn nhiều lần. Tác động có thể là một số cách, nhưng những người chơi nhìn thấy tiềm năng và có được trên mặt đất có thể tạo ra những cơ hội mới năng động.
Cuộc hôn nhân của sinh học và silicon đã sẵn sàng để giải phóng những đổi mới thay đổi cuộc sống (theo nghĩa đen)
[Ảnh: Paul Campbell / iStock; Roozbeh Eslami / Bapt]
BỞI MICHAEL CHUI4 PHÚT ĐỌC
Chưa bao giờ sinh học và silicon được định vị tốt như vậy để tương tác theo cách sẽ mở khóa các hình thức đổi mới mới. Cựu Giám đốc điều hành Google Eric Schmidt đã nói rằng sinh học chắc chắn sẽ tính toán nhiên liệu. Ngược lại, điện toán đã tạo ra những tiến bộ trong sinh học. Bây giờ là lúc để các nhà đổi mới và nhà đầu tư xem xét cẩn thận sự va chạm của khoa học và công nghệ đang tạo ra một biên giới mới.
Một trong những nền tảng của cuộc cách mạng sinh học hiện đang diễn ra là cơ sở tri thức được xây dựng hơn 13 năm khi các nhà khoa học lập bản đồ bộ gen của con người. Tuy nhiên, sức mạnh của bản đồ đó đối với sự đổi mới nhiên liệu chỉ được thực hiện khi nó trở nên rẻ hơn và nhanh hơn để giải trình tự DNA vì những tiến bộ trong điện toán. Ngày nay, chi phí giải trình tự DNA đang giảm với tốc độ nhanh hơn Định luật Moore. Năm 2003, lập bản đồ bộ gen có giá khoảng 3 tỷ USD; vào năm 2016, con số đó đã giảm xuống dưới 1.000 đô la và có thể xuống dưới 100 đô la trong chưa đầy một thập kỷ. Các nhà khoa học đã giải trình tự coronavirus chịu trách nhiệm về COVID-19 trong vài tuần thay vì vài tháng để xác định trình tự virus gây ra dịch SARS ban đầu.
Bây giờ cuộc cách mạng sinh học đang ngày càng về việc sử dụng kiến thức này để chế tạo các sinh vật, như chữa các bệnh nan y hoặc sửa đổi cây trồng để trở thành những đặc điểm chịu nhiệt hay chịu hạn hán hơn bao giờ hết đối với biến đổi khí hậu. Ở đây, phân tích dữ liệu và AI đã là một chất xúc tác chính. Ví dụ, bằng cách quét các mối tương quan giữa trình tự gen của số lượng lớn bệnh nhân, lịch sử y tế và phản ứng của họ với các phương pháp điều trị khác nhau, các nhà nghiên cứu có thể phát hiện ra các biến thể di truyền nào có liên quan đến các bệnh cụ thể (nghiên cứu liên kết trên toàn bộ gen GWAS), và những can thiệp nào có thể hiệu quả nhất cho từng bệnh nhân. Trong phòng thí nghiệm, các viện nghiên cứu công nghệ sinh học và nghiên cứu đang sử dụng tự động hóa và cảm biến robot có thể tăng thông lượng lên tới 10 lần .
Nghiên cứu mới từ Viện toàn cầu McKinsey cho thấy cuộc cách mạng này có thể ảnh hưởng đến hầu hết mọi lĩnh vực theo thời gian. Đã có một hệ thống gồm khoảng 400 ứng dụng, hầu hết trong số đó là khả thi về mặt khoa học, có thể nhìn thấy và có thể có tác động kinh tế trực tiếp từ 2 nghìn tỷ đến 4 nghìn tỷ đô la mỗi năm trên toàn cầu từ năm 2030 đến 2040.
Nhưng silicon không chỉ là một yếu tố thúc đẩy tiến bộ sinh học mà một số ứng dụng được thành lập dựa trên sự tương tác chặt chẽ chưa từng thấy giữa hai bên. Giao diện máy sinh học, trong đó máy móc có thể được liên kết với não, đã trở nên khả thi trong thập kỷ qua. Việc phát hiện các tín hiệu thần kinh đang cải thiện và tạo ra dữ liệu não chất lượng cao hơn, chi tiết hơn và những tiến bộ trong phân tích và học máy đang cho phép giải thích tốt hơn các tín hiệu đó.
Các giao diện máy sinh học tiên tiến nhất là trong chăm sóc sức khỏe. Thần kinh học đã được phát triển trong nhiều năm nhưng ngày càng trở nên tinh vi. Chân tay giả truyền thống có sức mạnh cơ thể: Một cánh tay giả có thể được liên kết với vai và tùy thuộc vào chuyển động của vai, bàn tay có thể mở hoặc đóng. Bước tiếp theo là chân tay giả sử dụng các cảm biến điện cơ phản ứng với tín hiệu điện từ cơ bắp. Biên giới mới là các chi thần kinh lấy tín hiệu từ một con chip được phẫu thuật cấy ghép trong não của bệnh nhân. Tập đoàn điện tử sinh học tại MIT do Hugh Herr đứng đầu, tự mình là một người cắt cụt đôi, đang tinh chỉnh một phương pháp tái tạo các cặp cơ để não nghĩ rằng chi vẫn còn đó, giúp di chuyển chi bionic dễ dàng hơn.
Ngoài thuốc an thần kinh, các nhà nghiên cứu đang khám phá các giao tiếp từ não đến thiết bị, trong đó ngôn ngữ từ não của bệnh nhân được dịch trực tiếp sang máy tính bằng cách sử dụng một thiết bị phẫu thuật thần kinh được đưa vào phẫu thuật hoặc đeo băng đầu đeo được. Một kỹ thuật như vậy có thể được sử dụng cho những bệnh nhân mắc hội chứng bị khóa paraplegia.
Kích thích não sâu, trong đó một chất kích thích xung được kết nối với các điện cực trong não, đang được sử dụng để giúp kiểm soát chứng run cơ bản thường thấy trong bệnh Parkinson, nhưng hiện tại các nhà khoa học đang nghiên cứu kỹ thuật này để sử dụng cho bệnh nhân Alzheimer , trầm cảm và sự lo ngại.
Các phiên bản của các kỹ thuật này đang tìm đường vào thị trường tiêu dùng, chẳng hạn như thiết bị chơi game và máy theo dõi sức khỏe. Chẳng hạn, những chiếc băng đô sử dụng tín hiệu điện từ não có thể đo được sự căng thẳng. Một số ứng dụng tương lai đang được khám phá có thể được quan tâm cho ngành công nghiệp quốc phòng và hàng không. Các thí nghiệm đã chứng minh rằng việc điều khiển phương tiện dựa trên não là khả thi, có khả năng được quân đội quan tâm. Các nhà nghiên cứu tại một trường đại học ở Munich đã trình diễn một thuật toán có thể ghi lại tín hiệu não trong một chiếc mũ được phi công đeo trên mũ, ngay cả những người không có kinh nghiệm bay cũng có thể lái máy bay trong một mô phỏng.
Trong tương lai, sinh học có thể giúp đỡ một trong những thách thức của cuộc cách mạng kỹ thuật số cách thức lưu trữ tất cả dữ liệu được tạo ra. DNA là một câu trả lời có thể. DNA thô dày hơn khoảng một triệu lần so với lưu trữ đĩa cứng thông thường; hạn chế kỹ thuật sang một bên, một kg DNA thô có thể lưu trữ tất cả dữ liệu của thế giới ngày nay. Loại lưu trữ này không suy giảm như silicon và có thể lưu trữ dữ liệu một cách an toàn trong hàng trăm năm.
Một cuốn sách 659 kilobyte đã được mã hóa trên DNA vào năm 2011 bởi Đại học Harvard và nhóm nghiên cứu đã mã hóa hơn năm megabyte dữ liệu một năm sau đó, và chính xác hơn nhiều. Năm 2013, Viện Tin sinh học châu Âu đã báo cáo độ chính xác 100%. Intel, Micron và Microsoft hiện đang đầu tư vào công nghệ này.
Con người đang dần quen với ý tưởng làm việc bên cạnh máy móc; cuộc cách mạng sinh học làm cho mối quan hệ đó gần gũi hơn nhiều lần. Tác động có thể là một số cách, nhưng những người chơi nhìn thấy tiềm năng và có được trên mặt đất có thể tạo ra những cơ hội mới năng động.
Nhận xét
Đăng nhận xét