4. Điện toán không gian

Hãy tưởng tượng một người khoảng 80-89 tuổi sống một mình và sử dụng xe lăn. Tất cả các vật thể tượng trong nhà đều được lập danh mục kỹ thuật số; tất cả các cảm biến và thiết bị điều khiển các vật thể được kết nối Internet; và bản đồ số ngôi nhà của người ấy đã được tích hợp với bản đồ của các vật thể. Khi người ấy di chuyển từ phòng ngủ sang nhà bếp, đèn bật sáng và lúc đó nhiệt độ môi trường được điều chỉnh. Ghế sẽ di chuyển chậm lại nếu có con mèo băng qua. Khi đến nhà bếp, bàn di chuyển để người ấy có thể đi đến tủ lạnh và bếp nấu dễ dàng hơn, sau đó di chuyển trở lại khi đồ ăn đã sẵn sàng. Sau đó, nếu người ấy ngả xuống giường để đi ngủ, đồ đạc của người ấy sẽ thay đổi để bảo vệ người ấy và một thông báo sẽ được gửi đến người con và trạm giám sát địa phương.

“Điện toán không gian”là bước tiếp theo trong sự hội tụ liên tục của thế giới vật lý và kỹ thuật số.

“Điện toán không gian”, trung tâm của khung cảnh này, là bước tiếp theo trong sự hội tụ liên tục của thế giới vật lý và kỹ thuật số. Nó thực hiện mọi thứ mà các ứng dụng thực tế ảo và thực tế tăng cường làm: số hóa các đối tượng kết nối qua đám mây; cho phép cảm biến và động cơ tương tác với nhau; và hiển thị thế giới thực dưới dạng kỹ thuật số. Sau đó, điện toán không gian kết hợp những khả năng này với việc lập bản đồ không gian có độ trung thực cao cho phép một “điều phối viên” máy tính theo dõi và kiểm soát các chuyển động và tương tác của các đối tượng như một người điều hướng qua thế giới kỹ thuật số hay vật lý. Điện toán không gian sẽ sớm đưa các tương tác người - máy và máy - máy lên mức hiệu quả mới trong nhiều tầng lớp xã hội, trong đó có ngành công nghiệp, chăm sóc sức khỏe, giao thông vận tải và gia đình. Các công ty lớn, bao gồm Microsoft và Amazon, đang đầu tư rất nhiều vào công nghệ này.

Cũng giống như thực tế ảo và thực tế tăng cường, điện toán không gian được xây dựng dựa trên khái niệm “bản sao kỹ thuật số” quen thuộc từ phầm mềm máy tính hỗ trợ thiết kế (CAD). Trong CAD, các kỹ sư tạo ra một biểu diễn kỹ thuật số của một đối tượng. Cặp bản sao này có thể được sử dụng đa dạng để in 3D đối tượng, thiết kế các phiên bản mới của nó, cung cấp đào tạo ảo cho nó hoặc kết hợp nó với các đối tượng kỹ thuật số khác để tạo ra thế giới ảo. Điện toán không gian tạo ra các bản sao kỹ thuật số không chỉ của các vật thể mà còn của con người và vị trí - sử dụng GPS, lidar (kỹ thuật đo khoảng cách tới mục tiêu bằng cách chiếu sáng mục tiêu đó bằng một tia laze và đo các xung phản xạ bằng một cảm biến), video và các công nghệ định vị vị trí khác để tạo ra bản đồ kỹ thuật số của một căn phòng, một tòa nhà hoặc thành phố. Các thuật toán phần mềm tích hợp bản đồ kỹ thuật số này với dữ liệu cảm biến và biểu diễn kỹ thuật số của các đối tượng và con người để tạo ra một thế giới kỹ thuật số có thể được quan sát, định lượng và thao tác và cũng có thể thao tác thế giới thực.Trong lĩnh vực y tế, hãy xem xét kịch bản tương lai: Một đội y tế được cử đến một căn hộ trong thành phố để xử lý một bệnh nhân có thể cần phẫu thuật khẩn cấp. Khi hệ thống gửi hồ sơ y tế của bệnh nhân và cập nhật theo thời gian thực đến thiết bị di động của kỹ thuật viên và đến phòng cấp cứu, nó cũng xác định tuyến đường lái xe nhanh nhất để đến được với người đó. Đèn đỏ ngăn dòng xe cộ qua lại và khi xe cứu thương chạy tới, cửa vào của tòa nhà mở ra, để lộ một thang máy đã vào vị trí chờ. Bệnh nhân được đưa đến bệnh viện khi các nhân viên y tế nhanh chóng mang theo cáng. Khi hệ thống hướng dẫn họ đến phòng mổ thông qua con đường nhanh nhất, một nhóm phẫu thuật sử dụng tính toán không gian và thực tế tăng cường để vạch ra hoạt động của toàn bộ phòng phẫu thuật hoặc lập kế hoạch cho lộ trình phẫu thuật trên cơ thể bệnh nhân này.

Ngành công nghiệp đã chấp nhận sự tích hợp của các cảm biến chuyên dụng, bản sao kỹ thuật số và Internet vạn vật để tối ưu hóa năng suất và có thể sẽ là một ứng dụng sớm của điện toán không gian. Công nghệ này có thể bổ sung tính năng theo dõi dựa trên vị trí cho một phần thiết bị hoặc toàn bộ nhà máy. Bằng cách đeo tai nghe thực tế tăng cường hoặc xem hình ảnh nổi ba chiều được chiếu không chỉ hiển thị hướng dẫn sửa chữa mà còn hiển thị bản đồ không gian của các thành phần máy móc, công nhân có thể được hướng dẫn để sửa chữa nó hiệu quả nhất có thể - rút ngắn thời gian và chi phí. Hoặc nếu một kỹ thuật viên đang tương tác với phiên bản thực tế ảo của một địa điểm thực sự rất xa để chỉ đạo một số robot đang xây dựng nhà máy, thì các thuật toán điện toán không gian có thể giúp tối ưu hóa độ an toàn, hiệu quả và chất lượng của công việc bằng cách cải thiện, ví dụ: sự phối hợp của các robot và lựa chọn các nhiệm vụ được giao cho chúng. Trong một kịch bản phổ biến hơn, các công ty bán lẻ và thức ăn nhanh có thể kết hợp tính toán không gian với các kỹ thuật công nghiệp tiêu chuẩn (chẳng hạn như phân tích thời gian thao tác) để nâng cao quytrình làm việc hiệu quả.

5. Y học kỹ thuật số

Một loạt các ứng dụng đang được sử dụng hoặc đang được phát triển hiện có thể phát hiện hoặc theo dõi các rối loạn tâm thần và thể chất một cách tự động hoặc trực tiếp quản lý các liệu pháp điều trị. Được gọi chung là y học kỹ thuật số, phần mềm này vừa có thể tăng cường chăm sóc y tế truyền thống vừa hỗ trợ bệnh nhân khi khả năng tiếp cận dịch vụ chăm sóc sức khỏe bị hạn chế - một nhu cầu mà cuộc khủng hoảng COVID-19 đã làm gia tăng.

Nhiều công cụ hỗ trợ phát hiện dựa vào thiết bị di động để ghi lại các đặc điểm như giọng nói, vị trí, nét mặt, hoạt động tập thể dục, ngủ và nhắn tin của người dùng. Sau đó, dựa trên trí tuệ nhân tạo, chúng phát hiện sự khởi phát hoặc sự trầm trọng của một bệnh. Ví dụ, một số đồng hồ thông minh có chứa cảm biến tự động phát hiện và cảnh báo mọi người về chứng rung nhĩ, nhịp tim nguy hiểm. Các công cụ tương tự đang được tiến hành để sàng lọc các chứng rối loạn nhịp thở, trầm cảm, Parkinson, Alzheimer, tự kỷ và các bệnh khác. Những công cụ hỗ trợ phát hiện này sẽ không sớm thay thế được bác sĩ nhưng có thể là những đối tác hữu ích trong việc làm nổi bật những lo ngại cần theo dõi. Các thiết bị hỗ trợ phát hiện cũng có thể ở dạng viên thuốc có thể nuốt vào bụng, mang cảm biến, được gọi là thiết bị vi sinh điện tử. Một số loại đang được phát triển để phát hiện ví dụ như ADN ung thư, các loại khí do vi khuẩn đường ruột thải ra, chảy máu dạ dày, nhiệt độ cơ thể và nồng độ oxy. Những cảm biến này chuyển dữ liệu đến các ứng dụng để ghi lại.

COVID-19 làm nổi bật tầm quan trọng của y học kỹ thuật số

Các ứng dụng trị liệu cũng được thiết kế cho nhiều loại rối loạn. Phương pháp điều trị kỹ thuật số theo toa đầu tiên được FDA chấp thuận là công nghệ reSET của Pear Therapeutics điều trị chứng rối loạn do sử dụng chất gây nghiện. Được chấp thuận vào năm 2018 như một phụ tá chăm sóc, reSET cung cấp liệu pháp hành vi nhận thức 24/7 và cung cấp cho các bác sĩ lâm sàng dữ liệu thời gian thực về cảm giác thèm ăn và kích thích của bệnh nhân. Somryst, một ứng dụng trị liệu chứng mất ngủ, và EndeavourRX, liệu pháp đầu tiên được cung cấp dưới dạng trò chơi điện tử dành cho trẻ em mắc chứng rối loạn tăng động giảm chú ý, đã nhận được giấy phép của FDA vào đầu năm 2020.

Sắp tới, Luminopia, một công ty khởi nghiệp về y tế dành cho trẻ em, đã thiết kế một ứng dụng thực tế ảo để điều trị chứng nhược thị (hay còn gọi là mắt lười), một giải pháp thay thế cho băng che mắt. Một ngày nào đó, các sinh viên đại học có thể nhận được cảnh báo từ chiếc đồng hồ thông minh đề xuất rằng họ cần tìm kiếm sự trợ giúp cho chứng trầm cảm nhẹ sau khi đồng hồ phát hiện những thay đổi trong cách nói và cách giao tiếp xã hội; sau đó họ có thể chuyển sang bot trò chuyện Woebot để được tư vấn liệu pháp hành vi nhận thức.

Không phải tất cả các ứng dụng chăm sóc sức khỏe đều đủ điều kiện là y học kỹ thuật số. Phần lớn, các phương pháp nhằm chẩn đoán hoặc điều trị các rối loạn phải được chứng minh là an toàn và hiệu quả trong các thử nghiệm lâm sàng và nhận được sự chấp thuận của cơ quan quản lý; một số có thể cần đơn thuốc của bác sĩ. (Vào tháng 4 năm 2020, để giúp đối phó với đại dịch COVID-19, FDA đã đưa ra các ngoại lệ tạm thời cho các thiết bị chăm sóc sức khỏe tâm thần có nguy cơ thấp).

COVID-19 làm nổi bật tầm quan trọng của y họckỹ thuật số. Khi đại dịch này bùng phát, hàng chục ứng dụng để phát hiện trầm cảm và tư vấn đã có sẵn. Ngoài ra, các bệnh viện và cơ quan chính phủ trên toàn cầu đã triển khai các biến thể của dịch vụ Healthcare Bot của Microsoft. Thay vì chờ đợi trung tâm cấp cứu hoặc mạo hiểm đến phòng cấp cứu, những người lo lắng về tình trạng bệnh của họ, chẳng hạn như ho và sốt, có thể trò chuyện với một bot, sử dụng xử lý ngôn ngữ tự nhiên để hỏi về các triệu chứng và dựa trên phân tích trí tuệ nhân tạo, có thể mô tả các nguyên nhân có thể xảy ra hoặc bắt đầu một phiên điều trị y tế từ xa để bác sĩ đánh giá. Vào cuối tháng 4, các bot đã thực hiện hơn 200 triệu câu hỏi về các triệu chứng và phương pháp điều trị COVID. Những can thiệp như vậy làm giảm đáng kể áp lực cho hệ thống y tế.

Rõ ràng, xã hội phải cẩn trọng bước vào tương lai của y học kỹ thuật số - đảm bảo rằng các công cụ này phải trải qua quá trình kiểm tra nghiêm ngặt, bảo vệ quyền riêng tư và tích hợp suôn sẻ vào công việc của bác sĩ. Với những biện pháp bảo vệ như vậy, kỹ thuật số và phương pháp trị liệu có thể tiết kiệm chi phí chăm sóc sức khỏe bằng cách cải thiện các hành vi không lành mạnh và giúp mọi người thay đổi trước khi bệnh tật phát sinh. Hơn nữa, việc áp dụng trí tuệ nhân tạo vào các bộ dữ liệu lớn được tạo ra bởi các ứng dụng điều trị kỹ thuật số sẽ hữu ích để cá nhân hóa việc chăm sóc bệnh nhân. Các mô hình xuất hiện cũng sẽ cung cấp cho các nhà nghiên cứu những ý tưởng mới về cách tốt nhất để xây dựng thói quen lành mạnh và ngăn ngừa bệnh tật.

6. Máy bay điện

Năm 2019, du lịch hàng không chiếm 2,5% lượng phát thải carbon toàn cầu, con số này có thể tăng gấp ba lần vào năm 2050. Trong khi một số hãng hàng không đã bắt đầu bù đắp những đóng góp của họ cho lượng carbon trong khí quyển thì lượng phát thải này vẫn cần phải cắt giảm đáng kể. Máy bay điện có thể cung cấp quy mô chuyển đổi cần thiết và nhiều công ty đang chạy đua để phát triển chúng. Động cơ đẩy chạy bằng điện không chỉ giúp loại bỏ khí thải carbon trực tiếp mà còn có thể giảm tới 90% chi phí nhiên liệu, tới 50% chi phí bảo trì và giảm gần 70% tiếng ồn.

Nhiều công ty đang chạy đua phát triển máy bay điện

Trong số các công ty nghiên cứu máy bay điện có Airbus, Ampaire, MagniX và Efining. Tất cả đều là máy bay thử nghiệm bay dành cho các chuyến đi tư nhân, công ty hoặc đi lại và đang xin chứng nhận từ Cục Hàng không Liên bang Hoa Kỳ. Cape Air, một trong những hãng hàng không lớn nhất trong khu vực, dự kiến sẽ là một trong những khách hàng đầu tiên, có kế hoạch mua máy bay điện 9 chỗ ngồi Alice từ Efining. Giám đốc điều hành của Cape Air, Dan Wolf, cho biết ông không chỉ quan tâm đến lợi ích môi trường mà còn tiết kiệm chi phí vận hành. Động cơ điện nói chung có tuổi thọ cao hơn so với động cơ chạy bằng nhiên liệu hydrocacbon trong các máy bay hiện nay: chúng cần đại tu khi bay 20.000 giờ so với 2.000 giờ.

Động cơ đẩy - tiến không phải là động cơ duy nhất chạy bằng điện. Máy bay điện X-57 Maxwell của NASA, đang được phát triển, thay thế các cánh thông thường bằng các cánh ngắn hơn có trang bị một bộ cánh quạt điện phân tán. Trên máy bay phản lực thông thường, cánh phải đủ lớn để tạo lực nâng khi máy bay di chuyển ở tốc độ thấp, nhưng diện tích bề mặt lớn sẽ tạo thêm lực cản ở tốc độ cao hơn. Cánh quạt điện giúp tăng lực nâng trong quá trình cất cánh, cho phép cánh nhỏ hơn và hiệu suất tổng thể cao hơn.

Trong tương lai gần, cự li bay của máy bay điện vẫn còn bị hạn chế. Các loại pin tốt nhất hiện nay có mật độ năng lượng thấp hơn so với nhiên liệu truyền thống: mật độ năng lượng 250 watt-giờ/kg so với 12.000 watt-giờ/kg đối với nhiên liệu máy bay. Do đó, pin cần cho một chuyến bay nhất định nặng hơn nhiều so với nhiên liệu tiêu chuẩn và chiếm nhiều không gian hơn. Khoảng một nửa chuyến bay trên toàn cầu có cự ly dưới 800 km, dự kiến sẽ nằm trong phạm vi hoạt động của máy bay điện chạy bằng pin vào năm 2025.

Mặc dù máy bay điện phải đối mặt với các rào cản về chi phí và quy định, nhưng các nhà đầu tư, cơ sở ươm tạo, tập đoàn và chính phủ vẫn đang đầu tư đáng kể để phát triển công nghệ này - khoảng 250 triệu USD đã được rót vào các công ty khởi nghiệp máy bay điện từ năm 2017 - 2019. Hiện tại, khoảng 170 dự án máy bay điện đang được triển khai. Hầu hết các máy bay điện được thiết kế cho các chuyến bay tư nhân, công ty và đi lại, nhưng Airbus cho biết họ có kế hoạch sẵn sàng cung cấp 100 phiên bản chở khách vào năm 2030.

Nhiều phương pháp sản xuất xi măng cacbon thấp đang được triển khai

Mặc dù ngành xây dựng thường đưa ra nhiều lý do trong đó có sự an toàn và độ tin cậy, tuy nhiên áp lực đối với việc giảm sự đóng góp của ngành này vào biến đổi khí hậu có thể đẩy nhanh việc giảm thiểu phát thải. Vào năm 2018, Hiệp hội Bê tông và Xi măng toàn cầu, chiếm khoảng 30% sản lượng trên toàn thế giới, đã công bố Hướng dẫn Bền vững đầu tiên của ngành, một tập hợp các phép đo chính như khí thải và sử dụng nước nhằm theo dõi các cải tiến về hiệu suất và làm cho chúng minh bạch.

Trong khi đó, nhiều phương pháp tiếp cận carbon thấp hơn đang được theo đuổi, với một số phương pháp đã được áp dụng. Công ty khởi nghiệp Solidia ở Piscataway, New Jersey, đang sử dụng một quy trình hóa học được cấp phép từ Đại học Rutgers nhằm cắt giảm 30% lượng carbon dioxide phát thải trong quá trình sản xuất xi măng. Công thức này sử dụng nhiều đất sét hơn, ít đá vôi hơn và ít nhiệt hơn các quy trình điển hình. Công ty CarbonCure ở Nova Scotia, miền Đông Canada tái chế carbon dioxide thu được từ các quy trình công nghiệp khác thành bê tông thông qua quá trình khoáng hóa thay vì giải phóng nó vào khí quyển như một sản phẩm phụ.

Công ty CarbiCrete có trụ sở tại Montreal hoàn toàn không sử dụng xi măng trong bê tông, thay thế xi măng bằng một sản phẩm phụ của quá trình luyện thép được gọi là xỉ thép. Và Norcem, một nhà sản xuất xi măng lớn ở Na Uy, đang đặt mục tiêu biến một trong những nhà máy của mình thành nhà máy sản xuất xi măng không khí thải đầu tiên trên thế giới. Nhà máy này đã sử dụng nhiên liệu thay thế từ chất thải và dự định bổ sung công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon để loại bỏ hoàn toàn lượng khí thải vào năm 2030.

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã kết hợp vi khuẩn vào công thức sản xuất bê tông để hấp thụ carbon dioxide từ không khí và cải thiện các đặc tính của nó. Các công ty khởi nghiệp theo đuổi vật liệu xây dựng “sống” bao gồm BioMason ở Raleigh, Bắc Carolina, công ty “trồng” những viên gạch giống như xi măng bằng cách sử dụng vi khuẩn và các hạt được gọi là cốt liệu. Và trong một sáng tạo do Cơ quan quản lý Dự án nghiên cứu tiên tiến quốc phòng tài trợ và được công bố vào tháng 2/2020 trên tạp chí Matter, các nhà nghiên cứu tại Đại học Colorado Boulder đã sử dụng vi khuẩn quang hợp gọi là vi khuẩn lam để tạo ra một loại bê tông phát thải carbon thấp hơn. Họ đã cấy vi khuẩn vào các khung bằng cát hydrogel để tạo ra những viên gạch có khả năng tự chữa lành vết nứt. Những viên gạch này không thể thay thế xi măng và bê tông trong tất cả các ứng dụng hiện nay. Tuy nhiên, một ngày nào đó chúng có thể thay thế các vật liệu nhẹ, chịu lực, chẳng hạn như vật liệu dùng để lát, mặt tiền và các công trình tạm thời.