馬薩諸塞理工學院（MIT）
十五項林肯實驗室技術獲得2024年R&D 100獎項
這些創新技術包括海底和大腦的地圖繪製，預防中暑和認知損傷，擴展AI處理和量子系統能力，並引入新的製造方法。
Kylie Foy | MIT林肯實驗室
出版日期：2024年9月24日
十五項技術獲得2024年R&D 100獎項
MIT林肯實驗室開發的十五項技術獲得了2024年R&D 100獎項。該獎項由R&D World頒發，這是一個服務於全球研究科學家和工程師的在線出版物。被稱為“創新奧斯卡”的這些獎項旨在表彰過去一年中進入市場或轉化為應用的100項最具意義的技術。一個獨立的專家評審小組選出了獲獎者。
“R&D 100獎項是對實驗室技術能力及其轉化技術以產生實際影響的重要認可，”林肯實驗室主任Melissa Choi說。“看到這麼多項目獲得這一榮譽，我們感到非常興奮，並為每一位憑藉創造力、好奇心和技術卓越性實現這些和其他許多創新的人感到驕傲。”
獲獎技術具有廣泛的應用範圍。其中一些技術旨在預防人類損害，例如監測中暑或認知損傷。其他技術則提出了新的3D打印玻璃、製造硅成像傳感器和互連集成電路的過程。一些技術則是應對長期存在的挑戰，如繪製人腦和海底地圖。這些獲獎者共同展示了林肯實驗室創新的創造力和廣度。自2010年以來，該實驗室已獲得101項R&D 100獎項。
今年的R&D 100獎項獲獎技術如下所述。
保護人類健康和安全
Neuron Tracing and Active Learning Environment（NeuroTrALE）軟件使用人工智能技術從高維生物醫學數據中創建大腦神經網絡的高分辨率地圖或圖集。NeuroTrALE解決了AI輔助大腦繪圖中的一個主要挑戰：缺乏用於訓練AI系統以構建對研究大腦神經結構和機制至關重要的圖集的標記數據。該軟件是首個端到端系統，能夠執行密集顯微鏡數據的處理和註釋；生成神經元的分割；並使專家能夠從網絡瀏覽器中審查、糾正和編輯NeuroTrALE的註釋。這一獎項與MIT化學工程系、醫學工程與科學研究所和Picower學習與記憶研究所的Kwanghun（KC）Chung實驗室共享。
許多軍事和執法人員在訓練環境中經常暴露於低水平爆炸。這些爆炸通常不會立即引起可診斷的損傷，但長期暴露與焦慮、抑鬱和其他認知狀況有關。Electrooculography and Balance Blast Overpressure Monitoring（EYEBOOM）是一個可穿戴系統，旨在監測個體的爆炸暴露情況，並在他們風險增加時提醒他們。它使用兩個身體傳感器，一個用於捕捉連續的眼睛和身體運動，另一個則測量爆炸能量。算法分析這些數據以檢測生理上的微妙變化，這些變化結合累積的爆炸暴露，可能預測認知損傷。目前，該系統已被選定的美國特種部隊部隊使用。該實驗室與Creare LLC和Lifelens LLC共同開發了EYEBOOM。
可調節的針織幹細胞支架：為再生醫學應用開發模仿活體組織自然伸展性和韌性的人工組織結構需求量很大。林肯實驗室和MIT機械工程系的團隊開發了新的生物相容性織物形式，這些織物模仿了本地組織的機械特性，同時培養生長中的幹細胞。這些可穿戴的幹細胞支架可以加快皮膚、肌肉和其他軟組織的再生，從而減少恢復時間並限制嚴重燒傷、撕裂和其他身體創傷的併發症。
混合物解卷積管道用於法醫調查基因譜系學：法醫科學的一個快速增長的領域是調查基因譜系學，其中調查人員將DNA譜提交到商業基因譜系數據庫以識別失蹤人員或犯罪嫌疑人。林肯實驗室的軟件發明解決了這一領域的一個重大未滿足需求：解卷混合DNA譜的能力，這些混合譜包括多個未知人物的DNA。該軟件管道估算DNA混合物中的貢獻者數量，每個貢獻者的DNA百分比，和每個貢獻者的性別；然後，它將不同的DNA譜分開，隔離兩個貢獻者，而不需要匹配已知貢獻者的參考譜，這是以前軟件所要求的。
每年有數百人因中暑而死亡或遭受嚴重傷害，尤其是那些在高風險戶外職業如軍事、建築或急救中的人員。Heat Injury Prevention System（HIPS）在可見症狀出現前幾分鐘提供準確的中暑早期預警。該系統從穿戴在胸帶上的傳感器收集數據，並使用算法估算體溫、步態不穩定性和自適應生理應變指數。然後該系統通過移動應用程序提供個人的中暑預測。HIPS的可負擔性、準確性和用戶接受度使其整合到軍事的操作環境中。
觀察世界
超過80%的海底幾乎未被繪製和探索。歷史上，深海地圖是由安裝在船上的大型聲納陣列以低分辨率生成的，或者由緩慢而昂貴的水下車輛以較高分辨率生成的。新的自主稀疏孔徑多波束回聲聲納技術使用大約20個自主表面車輛協同工作，作為一個大型聲納陣列，實現了兩者的優點：以船載聲納的100倍分辨率和水下車輛50倍的覆蓋率繪製深海底圖。新的估算算法和聲學信號處理技術使這一技術成為可能。該系統有望顯著改善人道主義搜索和救援能力以及海洋和氣候建模。該R&D 100獎項與MIT機械工程系共享。
FocusNet是一種用於分析空中地圖激光雷達數據的機器學習架構。空中激光雷達通過激光掃描地面並創建該區域的數字3D表示，稱為點雲。人類或算法然後分析點雲以對場景特徵如建築物或道路進行分類。近年來，激光雷達技術不斷改進和多樣化，數據分析方法卻難以跟上。FocusNet填補了這一空白，使用卷積神經網絡——一種在圖像中尋找模式以識別對象的算法——自動對點雲中的對象進行分類。它可以在不需要重新訓練的情況下，實現對不同類型激光雷達系統數據的對象識別，代表了理解3D激光雷達場景的重大進步。
從飛機收集的大氣觀測數據，例如溫度和風，為天氣預報模型提供了最高價值的輸入。然而，這些數據收集稀少且延遲，目前通過安裝在選定飛機上的專門系統獲得。Portable Aircraft Derived Weather Observation System（PADWOS）提供了一種顯著擴展這些數據質量和數量的方法，該系統利用已經安裝在超過95%的商業飛機和大多數通用航空飛機上的Mode S Enhanced Surveillance（EHS）應答機。從地面，PADWOS詢問裝備有Mode S EHS的飛機，在毫秒內收集由應答機報告的飛機狀態數據，以進行風和溫度估算。該系統有望改善預報、監測氣候和支持其他天氣應用。
推動計算和通信技術
量子網絡有望革新全球連接，釋放計算、感測和通信方面的前所未有的能力。為了實現這一潛力，分布在量子網絡中的糾纏光子必須精確控制到達和與其他光子互動的方式。林肯實驗室的精密光子同步系統是首個提供高效解決方案來同步空間到地面的量子網絡鏈接的系統，其精度達到亞皮秒。與其他技術不同，該系統通過衛星進行自由空間量子糾纏分配，而無需在空間中定位複雜的糾纏源。這些糾纏源則位於地面，提供了一個易於訪問的測試環境，隨著新的量子糾纏生成技術的出現可以進行升級。
超導多態記憶和比較邏輯：林肯實驗室開發了原生存儲和比較多於兩個離散狀態的電路，利用超導材料的量化磁場。這一特性允許創建超越二進制邏輯的三進制邏輯數字電路，提升存儲吞吐量而不顯著增加所需設備數量或電路表面積。與傳統記憶體相比，研究團隊發現其超導三進制邏輯記憶可以在幾乎30倍更快的速度下在整個數字國會圖書館中進行模式匹配。這些電路代表了先進、超高速和低功耗數字邏輯的基本構建塊。
Megachip是一種將許多小型專用芯片（稱為芯片塊）互連成單芯片樣的單片集成電路的方法。能夠包含數十億個晶體管，這種互連結構擴展了超出傳統晶圓級封裝限制的設備性能。Megachip可以應對AI處理和高性能計算以及移動設備和服務器對微電子設備越來越大的尺寸和性能需求。
帶有先進干擾消除的同頻全雙工（IBDF）無線系統解決了無線網絡日益擁堵的問題。先前的IBFD系統已經展示了無線設備能夠在同一頻率上同時發送和接收的能力，通過抑制自干擾，實際上將設備在頻譜上的效率提高了一倍。然而，這些系統並未解決來自同一頻率上的外部無線源的干擾問題。林肯實驗室的技術首次允許IBFD消除多個干擾源，從而形成一個無線系統，能夠增加支持的設備數量、數據速率和通信範圍。這一IBFD系統可以使未來的智能車輛同時連接到無線網絡、共享道路信息並自動駕駛——這是當今無法實現的能力。
使用新工藝進行製造
林肯實驗室開發了一種用於3D打印功能材料的納米複合材料墨水系統。使用主動混合噴嘴的沉積方法允許生成從一種材料逐漸過渡到另一種材料的漸變結構。這種控制材料電磁和幾何特性的能力可以實現更小、更輕和更省電的射頻（RF）元件，同時容納大頻率帶寬。此外，以模塊化方式將不同的顆粒引入墨水中，允許吸收各種類型的輻射。預計這種3D打印屏蔽將用於保護小型衛星中的電子設備。該獎項與哈佛大學Jennifer Lewis教授的研究小組共享。
實驗室為快速先進成像傳感器開發的工程基板大大減少了開發先進硅成像傳感器的時間和成本。這些基板將大部分背光照過程（增加光線擊中像素的量的方法）直接預先構建到起始晶圓中，在設備製造開始之前。然後，專門的工藝允許探測器基板和讀出電路在芯片級而不是晶圓級均勻地結合並減薄到微米厚度。這兩個方面可以通過允許小批量探測器的生產而不是整個晶圓的運行來節省項目的製造成本數百萬美元，同時提高傳感器的噪聲和性能。這一平台使研究人員能夠原型化新成像傳感器概念——包括未來NASA自主登陸任務的探測器——這些概念在傳統過程中需要數年才能開發。
增材製造，即3D打印，有望製造傳統玻璃製造技術無法實現的複雜玻璃結構。林肯實驗室的低溫增材製造玻璃複合材料技術允許在不需要昂貴的高溫處理的情況下3D打印多種材料玻璃物品。這一低溫技術在250攝氏度下固化玻璃，而標準技術則需要1000攝氏度，依賴於簡單的成分：液體矽酸鹽溶液、結構填料、煙霧納米顆粒和可選的功能添加劑，以生產具有光學、電氣或化學特性的玻璃。該技術可以促進3D打印在微流體系統、自由形式光學透鏡或光纖以及高溫電子元件中的廣泛應用。
每項獲得R&D 100獎項的技術背後的研究人員將於11月21日在加利福尼亞州棕櫚泉的頒獎晚會上獲得榮譽。
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評論：這篇文章展示了MIT林肯實驗室在多個領域的創新成就，這些技術不僅在學術界具有突破意義，還有潛力改變日常生活和工作方式。從大腦神經網絡的高分辨率地圖，到預防中暑和認知損傷的可穿戴系統，再到新的3D打印技術，每一項發明都展示了技術與實際應用的深度融合。特別是新型量子網絡和超導多態記憶的應用，預示著未來通信和計算能力的飛躍。但是，這些技術的實際應用和普及還需要克服不少挑戰，例如商業化過程中的成本控制和市場接受度。總的來說，這些獎項不僅是對MIT技術創新的肯定，也為未來科技發展指出了新的方向。
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