震撼当今科学界的十位年轻天才

我们这里有一个信条：未来会更好。鉴于我们严峻的环境和步履蹒跚的经济，这听起来可能很乐观，但你还没有见过“杰出十人”——PopSci 每年评选出的全国最有前途的年轻研究人员。

这 10 个理由足以让我们看到光明的一面。以材料科学家 Ting Xu 为例。她正在使用纳米技术制造比石油或煤炭更节能、更环保的太阳能电池。John Rinn 正在揭开 RNA 的秘密，让我们更健康，这是解决我们的医疗保健问题的重要一步。Jerome Lynch 正在为桥梁制造智能传感器，以便在灾难发生前发现结构缺陷。这些天才中没有一个人超过 40 岁。我们承认，世界正面临着一些相当大的问题，但随着这些才华横溢的人才解决这些问题，你能责怪我们感到充满希望吗？

机器人制造者

杰出之处：他制造的精密机器人不只是复制生物学，还对其最优雅、最有效的原理进行了改进

姓名： Dennis Hong
年龄： 38岁
所属：弗吉尼亚理工大学

1977 年，一名来自韩国的六岁男孩第一次从洛杉矶观看了《星球大战》 。他惊讶地看着 R2-D2 的奇特移动方式和 C-3PO 的人机互动。丹尼斯·洪 (Dennis Hong) 回忆道，在飞回家乡的途中，“我知道我将用余生来制造机器人。”

洪出生在加州，但三岁时，他的父亲（一位航空工程师）为了工作，将全家搬到了首尔。洪一直住在那里，直到大学二年级，之后他转学到威斯康星大学，然后进入普渡大学读研究生。“我学的是机械工程，专注于机器人技术，”他说。

如今，洪负责弗吉尼亚理工大学的机器人与机械实验室，该实验室已生产出可以灵巧地抓取鸡蛋的机械手、用于建筑检查的爬杆蛇形机器人、以及动量驱动的三足机器人等项目。

“我加入 VT 时，人们认为机器人应该完全围绕智能展开，”洪说。但他选择专注于自然界的机械系统。“我们不是复制自然，而是利用自然的原理，”他解释道。例如，三足机器人的设计看起来不自然，但它模仿了人类步态的动量。为了向前移动，它的轮毂会翻转，导致一条腿在另外两条腿之间摆动。机械手由压缩空气控制，无需使用其他电机即可改变其抓握力，就像人类的抓握力依靠弹性韧带帮助手指弯曲一样。

他实验室的最新成果是一款名为 CHARLI 的人形机器人，CHARLI 是具有学习智能的认知人形自主机器人。CHARLI 是研究人类运动的研究平台，也是 2010 年机器人足球锦标赛（机器人足球比赛）的参赛选手。

洪的最终目标是设计出能够像人类一样优雅、灵活地移动的机器人。他认为，关键在于不受约束的研究。洪回忆道，在韩国，“我成长的环境里，人们害怕或羞于表达自己的想法。在我的实验室里，没有批评，只有改进。你想在你的机器人里安装核反应堆吗？好吧，让我们继续吧。”

洪氏以身作则，有条不紊地将自己最不受约束的想法付诸实践。“我的床边放着一本笔记本和一支笔，”他说。“每天晚上，我脑子里都会浮现出线条和色彩斑斓的东西。我早上 4 点起床，记下所有东西。早上，我将其输入到我的想法数据库中。当资助者想要这个或那个时，我会寻找匹配的方案。” ——雅各布·沃德

追星者

出色之处：她发现了围绕我们星系旋转的几乎看不见的星系，以及主导这些星系的神秘暗物质

姓名： Marla Geha
年龄： 35岁
所属：耶鲁大学

玛拉·格哈会根据询问者的不同而使用不同的头衔。“如果我在飞机上，我倾向于称自己为物理学家，”她说。“那么就没人愿意和我说话了。”当她觉得需要给别人留下深刻印象时，她就会称自己为天体物理学家。而当她不介意长达两个小时的谈话时，她就会告诉他们她是一名天文学家。

事实上，格哈三者兼具。如今，格哈是耶鲁大学的教授，她日日夜夜都在努力寻找可能比银河系更早形成的暗淡星系。银河系演化的模拟预测，大约有 1,000 个这样的星系。五年前，当格哈出现时，天文学家只发现了 11 个这样的星系。她和其他人认为，还存在更多的星系，只是因为这些星系主要由暗物质组成，所以它们被隐藏起来。暗物质指的是那些不发光但不知何故占了整个宇宙质量的 90% 到 95% 的物质。

为了解决所谓的“失踪卫星”问题，格哈仔细研究了天空的数字地图，寻找恒星出乎意料地聚集的区域。然后她煞费苦心地测量了每颗恒星的速度。令她惊讶的是，她发现这些恒星的移动速度相对于它们的大小来说太快了——这是一个诱人的证据，表明暗物质可能在拖拽它们。

到目前为止，格哈和她的团队已经发现了 14 个星系。她希望找到足够多的星系来验证宇宙形成的主流理论，并可能在此过程中帮助其他领域完全定义暗物质。“天文学家和粒子物理学家彼此交流不多，”她说。在未来，她将成为对话的发起者。——道格·坎托

活力者

出色之处：她将分子转变成具有巨大存储容量的微型硬盘

姓名：徐婷
年龄： 35岁
所属：加州大学伯克利分校

去年秋天，加州大学伯克利分校材料科学教授徐婷头痛得厉害，医生担心她可能得了脑瘤。但一位神经科医生提出了一个更简单的原因。减少每天在实验室工作 16 小时的时间，睡觉，甚至在正常时间吃饭，怎么样？

徐女士此后减少了工作时间，但工作效率却丝毫未减。今年早些时候，她与他人合作撰写了一篇论文，介绍了一种新技术，可以诱导微小的聚合物链自组装成具有精确模式的 10 万亿个圆柱体。该方法可以制造出 25 美分硬币大小的光盘，存储 175 张 DVD（7 兆兆位）的数据。然后，她对这项技术进行了改进，使其可以用于制造一系列基于纳米颗粒的设备——超高效光伏电池和储能系统，以及高分辨率柔性显示器。马萨诸塞大学聚合物物理学家托马斯·拉塞尔说，徐女士聪明、勤奋、知识渊博，但更重要的是，“她有想象力。 ”

而且还是年轻的女孩。她喜欢变形金刚。她是汤姆和杰瑞的忠实粉丝——看着这对猫和老鼠的战斗帮助她思考。和她的卡通英雄一样，徐是土生土长的中国人，她一直很不安分。她从小就打排球、跑田径，但这些都不会让她精疲力竭。如果她能一次坐 15 分钟以上，她父亲会主动增加她的零花钱。他从来不用付钱，这种活力至今仍在激励着她。

在报告了她与拉塞尔共同发明的自组装方法后，徐立即看到了更大的潜力。她意识到，这些线可以作为微型起重机，用于排列更小的建筑材料，制造超小型电子设备和薄如纸的可打印太阳能电池等产品。在她最近的工作中，徐将自组装聚合物与纳米级粒子结合在一起。通过迫使这些粒子呈现聚合物的基本顺序，她设法让数万亿个粒子按照她想要的方式排列。

徐希望这项工作能让太阳能电池比化石燃料更具竞争优势，但与此同时她不会休息。她一直在寻找新的想法，设计实验，希望给自己带来惊喜，而不仅仅是证实现有的理论。“以垂直的方式思考科学很重要，而不是平行的方式，”她说。“否则你最终会为别人粉刷房子。” ——格雷戈里·莫恩

心灵信使

杰出之处：他的工程成就将使残疾人能够控制机器

姓名：亚当·威尔逊
年龄： 28岁
隶属关系：纽约州卫生部沃兹沃斯中心

去年 4 月，亚当·威尔逊 (Adam Wilson) 成为首位通过心灵感应发送信息的人——在社交网站 Twitter 上。他写道：“使用脑电图发送推文”，脑电图是指他用来记录大脑电信号的脑电图仪。他戴着一顶红色的无边便帽，里面嵌有与电脑相连的电极，他通过专注于屏幕上闪现的字母来拼写出他的讯息。

除了超感官推文之外，威尔逊对这项技术的更深层次的期望是帮助那些因中风或脊髓损伤而失去交流能力的人。他目前正在开发强大的脑机接口，将电极连接到大脑皮层（头骨下方的皱褶组织），在那里它们可以接收到比他在推特实验中使用的脑电图技术更强的脑信号。威尔逊从七年级开始弹吉他，这在一定程度上受到他对音乐的迷恋的启发，他的新系统利用大脑中控制听觉刺激反应的区域，让患有神经系统疾病的人只需想象手机铃声就可以控制电脑光标。

他的下一个挑战是设计无缝无线系统，以便将来能够破译复杂的思想——也许能够帮助他的偶像、物理学家斯蒂芬·霍金（因肌肉萎缩症而几乎完全瘫痪）仅凭思想就能开门或操纵轮椅。威尔逊说：“我很乐意与他合作。”_ —梅琳达·温纳_

规则粉碎机

杰出之处：从一名辍学者变成了顶尖生物学家，他证明了“垃圾”RNA 是人类健康的潜在关键

姓名：约翰·林恩
年龄： 33岁
隶属关系：哈佛大学/贝斯以色列女执事医疗中心

约翰·林恩 (John Rinn) 长期以来一直不拘小节。在他的成长过程中，滑板和单板滑雪比学业更重要——他四年内上了四所高中，只是因为母亲答应给他买车才得以毕业。他去明尼苏达大学上大学，因为这似乎是一个参加派对和滑雪的借口。但是大二之后，林恩因滑雪受伤而卧床不起，受到安·兰德 (Ayn Rand) 的《源泉》中不妥协的建筑师霍华德·罗克的启发，他问自己：“我能做什么让我如此关心？”他开始沉浸在生物课中，并意识到自己不仅有科学天赋，而且他真的很喜欢它。他的成绩大多为 A，很快便发现了激发他未来职业生涯的东西：RNA。

科学并没有削弱林恩叛逆的一面。他已经颠覆了生物学家对人类基因组的看法。尽管与 DNA 相似，但 RNA 一直被认为是 DNA 的帮手；它最著名的工作是将基因转化为蛋白质。其中一些甚至被认为根本没有功能，相当于细胞垃圾。但在 2003 年，作为耶鲁大学的研究生，林恩发现了数千种新型 RNA，称为大型中间非编码 RNA 或 LINC，后来证明它们在调节基因方面发挥的不仅仅是辅助作用——它们似乎指导了整个过程。当时，这种观点被认为是有争议的，甚至是荒谬的。“这又是同样的事情——‘你热衷的事情是愚蠢的’，”林恩说。“传统科学还没有为此做好准备。几乎没有人为此做好准备。”

2007 年，他证明了其中一种 LINC 在人类细胞中发挥着至关重要的作用，从而平息了批评者们的不满。他将其命名为 HOTAIR，讽刺的是，许多科学家认为他的研究领域充满了这种分子。该分子将蛋白质输送到一组关键的基因中，并有助于调节免疫反应、癌症生长、脂肪和干细胞生成等。“如果我们能解开它们的密码，我们就可以设计这些分子，让基因组按照我们的意愿改变，”Rinn 说。“这将是治疗学和人类健康的一个全新方面。”

高功能RNA并不是他唯一的发现。2006年，他解答了一个长期存在的生物学问题：细胞如何知道去哪里以及如何行动？通过比较身体各处细胞中表达的基因，他发现了一种可以引导和重新引导细胞的遗传密码。

他仍在寻找 LINC，希望它们能揭示细胞的秘密。归根结底，Rinn 热爱遗传学的原因与他热爱滑雪板的原因相同：“我想利用一些旧的东西，对其进行改造，然后从中获得新的东西。” —Melinda Wenner

碰撞测试防假人

出色之处：他的软件让飞机、火车和汽车旅行更加安全

姓名：安德烈·普拉泽 (André Platzer)
年龄： 30
所属：卡内基梅隆大学

时不时地，就会出现一项至关重要的创新，很难想象如果没有它我们该如何生活。想想安全带、抗生素、消防水管。现在加上 André Platzer 的 KeYmaera，这是一款帮助计算机控制的安全系统避免灾难性错误的软件。

普拉泽现在是卡内基梅隆大学的计算机科学家，他在德国长大，在那里，他成为了一名技艺精湛的交际舞者。“我赢过几场比赛，”他说。“但我对计算机很着迷，这开始占据了我的时间。”2006 年，作为德国奥尔登堡大学的教授，他开始研究自动驾驶系统如何失效。当他发现没有模型可以测试超过少数几种情况时，他建立了 KeYmaera。在此之前，美国联邦航空管理局的一项防撞提案会要求两架飞行路线相交的近距离飞机各自右转，飞半圈，然后再右转，以避免相撞。当 KeYmaera 测试飞机在不同空速、高度和轨迹下会发生什么时，它发现，在极少数情况下，该协议实际上可能会让飞机走上相撞的航线。普拉泽将替代方案输入 KeYmaera，直到它验证了一种更安全的绕飞机动。他的软件还对欧洲高速列车系统和汽车自适应巡航控制系统的模型进行了可能挽救生命的修正。“在你花 10 亿美元购买一个系统之前，”他指出，“最好确保它能正常工作。” —Bjorn Carey

飞行病毒猎手

出色之处：她揭开了致命病毒的基因秘密，现在她作为一名宇航员将自己的科学智慧带到太空

姓名：凯特·鲁宾斯
年龄： 31岁
隶属关系：麻省理工学院怀特黑德研究所

凯特·鲁宾斯小时候梦想成为一名宇航员，并认为驾驶战斗机是进入 NASA 的最佳途径。她甚至在 12 岁时就去了太空营，以便提前开始训练。后来她得知了一个令人失望的消息：当时，飞行员的工作不允许女性从事。

父母暗自希望女儿选择更安全的职业，但到了高中时，鲁宾斯已将目光投向了另一个危险的职业：追踪致命病毒。而这一次，没有任何玻璃天花板可以阻挡她。1999 年，在加州大学圣地亚哥分校读本科期间，鲁宾斯发表了第一篇有关 HIV 的论文。2001 年，在斯坦福大学攻读博士学位期间，她帮助美国陆军传染病医学研究所创建了第一个测试天花的动物模型。天花是一种在 1980 年被根除之前导致数百万人死亡的疾病。鲁宾斯的工作使人们能够研究病毒如何在活体组织中逃避免疫系统的攻击，如果恐怖分子以某种方式获得两种已知天花样本中的一种，这将是朝着新药和疫苗的研发迈出的重要一步。正是这种为世界带来积极变化的能力激励着鲁宾斯。“作为研究人员，我们有责任帮助人们，”她说。

继天花之后，鲁宾斯迅速将注意力转向了另一种疾病——猴痘，这种疾病目前在非洲已达到流行病的程度。猴痘病毒是天花的近亲，是猴子和啮齿动物的特有病毒，但它可以在屠宰或食用野味时传染给人类，导致面部脓肿、失明甚至死亡。在麻省理工学院担任怀特黑德研究员期间，鲁宾斯在刚果民主共和国偏远的丛林中度过了数月，偶尔吃一些蛴螬（她的座右铭是：“如果有人提供，我就吃它”），试图弄清楚为什么这种疾病似乎传播得如此之快。该地区卫生基础设施不发达，感染率难以确定，但病例数量的上升表明病毒正在增强。

为了追踪猴痘的基因进化，鲁宾斯和她的团队收集并分析了志愿者患者的 DNA 样本。由于传统的基因测序技术可能需要数周时间，而且经常得出不完整的结果，因此她帮助开发了一种更快、更准确的方法。通常，科学家从患者样本中提取猴痘病毒，并在人类或猴子细胞上培养病毒。问题是病毒会根据其生长培养基而进化，因此最终的病毒种群可能与感染非洲人的病毒大不相同。鲁宾斯的想法是跳过组织培养步骤，而是依靠一种新的高性能 DNA 测序仪来扩增所有遗传物质。然后，她设计了实验室方案和算法来将猴痘病毒与人类细胞区分开来。整个过程不到五天，并产生了鲁宾斯所说的“大量”病毒基因数据。

如今，美国空军不再禁止女性战斗机飞行员。该政策于 1993 年发生变化，但那时鲁宾斯已经离开了。她从来都不是那种坐以待毙的人。今年秋天，当她的团队继续在非洲开展工作时，鲁宾斯终于有机会实现童年的梦想，她将加入美国宇航局第 20 届宇航员班，接受训练成为首批驾驶航天飞机继任者猎户座的人之一 [见第 42 页]。从数千名候选人中脱颖而出，她说，她对跳伞和水肺潜水的热爱，更不用说她在危险地方生存的能力，使她与众不同。当被问及是否对驾驶新宇宙飞船前往月球感到紧张时，鲁宾斯平静地笑了笑。“一点也不。我想成为第一个驾驶它的人，对吧？我只是很激动。” — 妮可·戴尔

牙齿侦探

杰出之处：他对古代饮食习惯的探索有助于破解人类进化之谜

姓名：纳撒尼尔·多米尼
年龄： 33岁
所属：加州大学圣克鲁斯分校

内特·多米尼在一次与解剖学教授一起去哥斯达黎加进行研究的大学旅行中发现了自己的使命。多米尼是约翰霍普金斯大学的一名足球运动员，他被分配了一项体力要求很高的任务，即在小猴子从树上掉下来时，捕捉它们。“你要抓住这个移动的目标，它们完全失去意识，而你手里要拿着一张网，”他解释道。第二年夏天，当他再次回去时，他发现自己思考的不仅仅是猴子是如何掉下来的，他开始通过研究猴子的牙齿来帮助破译它们的饮食习惯。“我很快就了解到食物和饮食在思考灵长类动物和人类的适应和行为方面的重要性，”他说。“我非常享受每一分钟。”

在研究食物和牙齿的十年后，多米尼成为了一名先驱。作为加州大学圣克鲁斯分校的人类学副教授，他致力于解答人类学最大的问题之一：现代人类是如何从我们的类人猿祖先进化而来的？

多米尼认为，食物在其中扮演了至关重要的角色，最近他帮助解决了一个长达十年之久的谜团，即食物在进化中的作用。1999 年，科学家分析了我们三百万年前的灵长类祖先南方古猿非洲种的牙齿化石，以寻找揭示饮食习惯的化学模式。他们的研究结果表明，草和吃草的动物是人类的主食。但化石的大小和形状却表明了完全不同的东西——我们的祖先花更多的时间咀嚼坚硬易碎的食物，比如富含淀粉的草球。

多米尼认为，这些高热量的蔬菜可能是人类进化的燃料，它们提供的能量足以让我们战胜食肉动物，发明更聪明的方法来忍受恶劣天气，并最终在地球上繁衍生息。2007 年，他发现了支持这一理论的更多证据，表明完全以鳞茎为食的古代和现代非洲鼹鼠的牙齿化学成分与我们的祖先相同。

今年，多米尼希望破解另一个谜团：为什么有些人比其他人高？10 月，他前往乌干达收集了两个矮人部落特瓦人和苏阿人的 DNA，这两个部落的平均身高不到 5 英尺。他认为，矮小的身材可以帮助人们穿越茂密的丛林并保持凉爽。没有人测试过这个想法，当多米尼谈论它时，他听起来既兴奋又有点难以置信，因为以前没有人尝试过。“体型是生存的关键。它影响我们吃的东西、我们如何繁殖、我们的新陈代谢，”他说。“现在是 2009 年，我们仍然不知道为什么体型差异如此之大。”_ —Melinda Wenner_

小主人

出色之处：他正在利用纳米技术的奇异力量来检测癌症

姓名：迈克尔·斯特拉诺
年龄： 33岁
所属：麻省理工学院

当迈克尔·斯特拉诺在莱斯大学做博士后研究员时，他的导师给了他一些简单的建议。“他告诉我，‘看看学科交叉的领域’，”斯特拉诺说。八年后，他成为麻省理工学院的终身教授，也是世界领先的量子限制材料研究人员之一，量子限制材料是纳米技术领域的一个领域，有可能改变癌症医学、太阳能、电子产品等。

量子受限材料的能量来源于其微小的尺寸。例如，单层碳原子（称为石墨烯）的行为与普通碳完全不同。在铜线等导体中，电子只是缓慢移动。然而，在石墨烯中，电子的移动速度接近光速。“它就像一个小型粒子加速器，”斯特拉诺说。石墨烯可以成为终极太阳能电池板导体；它导电性高、价格低廉，而且非常薄，光线可以透过。“这是我们能想象到的最薄的导体，”他说。

他对碳纳米管的医学潜力尤其感兴趣。这种微小的结构发出近红外光，可以无害地穿过人体组织。将它们注入细胞后，它们可以用作生物传感器，灵敏度极高，可以检测到潜在有害化学物质的单个分子。

考虑到斯特拉诺的待办事项清单，得知他还有三个五岁以下的孩子，这有点令人震惊。他不需要休息时间吗？“科学几乎是我的爱好，”他说。—塞思·弗莱彻

桥语者

出色之处：他的桥梁传感器可以捕捉到人眼看不见的结构缺陷

姓名：杰罗姆·林奇
年龄： 34岁
所属：密歇根大学

杰瑞·林奇为自己的职业感到自豪。例如，他喜欢指出，美国有 60 多万座桥梁，而且倒塌极为罕见。“我们有着非常非常好的记录，”他说。“我们是一群勤奋的土木工程师。”但是，一旦发生倒塌，就会发生非常糟糕的事情——例如 2007 年明尼阿波利斯的 I-35W 大桥倒塌，导致 13 人死亡，原因是连接承重梁的角撑板存在缺陷。正是这些灾难性的倒塌促使密歇根大学工程学教授林奇不断思考事物如何连接在一起以及如何防止它们分崩离析。

针对 I-35W 大桥等结构性故障，他采用的解决方案是使用“传感器外壳”，持续监测薄弱环节，并在问题变得危险之前向检查人员发出警报。“如果我们能提前发现重大结构性故障，那不是很棒吗？”他说。

如今，美国为数不多的几座安装有传感器的大桥通常只跟踪地震活动，这主要是因为在大桥上安装足够多的设备来监测多种威胁的成本太高了。“金门大桥超过一英里长，”林奇说。“所需的特殊导管每英尺可能要 10 美元，一个传感器可能要花费数千美元。”因此，工程师通常依靠两年一次的目视检查。

林奇的传感器连接到无线节点，这些节点与桥上的其他节点通信，自行处理数据，并通过蜂窝数据连接将潜在问题传回当地检查员办公室。每个传感器由最大一平方英尺、厚度只有几微米的聚合物片组成，覆盖着关键的结构元素，比如在明尼阿波利斯垮塌的角撑板。在设定的时间间隔或根据检查员的指令，一个小型微处理器可以通过嵌入在片材中的导电碳纳米管发送电流，而电极则测量电阻以检测应变、腐蚀、负载和许多其他应力迹象。热点显示在桥梁的计算机地图上。林奇还不知道每个传感器的成本是多少，但仅仅是无线传感器这一事实就使它们的部署成本比今天的传感器更低，并且可以消除与不必要检查相关的成本。

林奇懂得如何合理利用时间。这位纽约皇后区人从斯坦福大学获得了土木工程硕士和博士学位，然后又回到斯坦福大学获得了电气工程硕士学位。9/11 事件后，他创办了一家制造无线基础设施传感器的公司，然后离开公司前往密歇根大学任教，在任职第二年就被评为年度教授。斯坦福大学结构工程学教授金乔·劳 (Kincho Law) 表示：“在职业生涯的早期阶段，林奇博士可能是同行中最受尊敬的学者。”

林奇的传感皮肤将于明年离开实验室，在密歇根州的三座公路桥和韩国的三座桥梁上进行测试。他已经在研究一种基于油漆的版本，可以应用于任何需要监控的东西，从飞机到管道，以及一种可以从涂漆物体的振动中产生能量的版本。“视觉检查本身就存在不确定性，”林奇说。“我们需要更好的工具来密切关注事物。” ——迈克·哈尼