科技新时代城市是否让生活更糟糕.docx
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科技新时代城市是否让生活更糟糕
城市是否让生活更糟糕
城市，让生活更糟糕
新技术正在构建更和谐的城市、更美好的生活。
城市，能让生活更美好吗？
我们的城市必须成为能够让你我过上有尊严的、健康、安全、幸福和充满希望的美满生活的地方。
但事实呢？
令人窒息的空气、拥堵不堪的交通（甚至一场降雪就会使交通瘫痪）、匮乏的水资源、用电也需要进行“紧缺”指数预报、高昂疯涨的房价、恐怖袭击的威胁……仅仅这些已经够糟糕了，但更糟的是，倘若你对城市的每个关节进行认真地审视，那么你会发现，我们所生活的城市就像一个筛子，漏洞百出。
城市的21世纪进程不会一蹴而就，但在未来几年中，你绝对能体会到新技术正在让城市变得更美好。
譬如让汽车发现路面上的坑洞、会弯曲的大桥、自我除冰的道路、能发现裂痕并自我修复的混凝土……众多新技术还将使未来城市的道路和电网具有自我修复能力，而下水道则将成为新的能量来源。
此外，你还将享受到更快的宽带网络连接、喝上更洁净的生活用水、行驶在更畅通的公路上。
策划/张华弟执行/贾鹏赵剑琳姜娜文/贾鹏亚当图/保罗
城市让生活更美好第一步：
大修理
去年，为了迎接世博会的召开，几乎全上海的道路都在彻底翻修，路政的道路养护工人每个月都要趴在地上填补上万个路面坑洞；在杭州，很多社区还在使用70年前的供水管道；在我国的很多地方，一只老鼠就能造成大面积的停电。
我国总共拥有60余万座桥梁（其中包括9.7万多座危桥）、386万千米的公路，还有3000多座污水处理厂都迫切需要得到人们的关注。
要真正解决这些问题，现在已经不能只靠修修补补，而是要彻底进行一次翻新了。
这个过程不会一蹴而就，但在未来几年中，大升级的一些成效将逐步显现出来，比如更快的宽带网络连接和更洁净的生活用水。
问题1：
交通
告别烦人的大堵车、地面坑洞和危险的路面结冰
让汽车发现路面上的坑洞
任务：
对路面情况较差的城市道路进行维修
进度：
3年后将推出样机
在美国东北大学开发的一套全新系统中，那些经常在沥青路面上行驶的汽车——包括出租车、公共汽车、垃圾车等——将被安装上一套声波传感器，它们能在肉眼发现问题之前提前检测出路面上的凹陷和破损。
声波能够深入到距离地表90厘米左右的深度，检查路面下可能造成问题的气穴和小裂缝；而地面穿透雷达能够穿透大桥上的桥板检查内部腐蚀的情况；此外还有用来扫描公路表面的激光。
检测结果将通过手机数据网络传送到控制中心，在那里被整合起来，并绘制成一幅标明问题地点的地图。
会弯曲的大桥
任务：
对城市中的桥梁进行升级
进度：
适用于人行过街天桥的技术已经成型，针对车用桥梁的技术将在10年内问世
普通桥梁所采用的刚性结构在压力的长时间作用下会垮掉。
而所谓的“张拉整体结构”能够通过一组拉紧的缆绳和压缩支杆将载荷分散传递出去，因此拥有更好的弹性和结构强度。
目前加州大学圣迭戈分校正在开发能够承载交通车流压力的张拉整体结构桥梁，它能根据传感器的反馈对缆绳的长度进行精细的调节，从而减轻载重卡车经过时所造成的移动压力、抵消掉地震的频率，还能将某条绷断的缆绳上的载荷分散给其他缆绳。
能自我除冰的道路
任务：
让城市道路不再因为冬季积雪结冰而瘫痪
状态：
这种路面正在接受相关测试
一种被称为SafeLane的新型道路涂层不但能为轮胎提供更大的抓地力，还能通过锁定除冰盐的方式来减少路面积雪结冰的情况：
道路工人在暴风雪降临前一两天就可以事先将盐洒到路面上，而不必再等到雪落到地面之后再采取措施了。
SafeLane含有一层混合了环氧树脂的白云灰岩，环氧树脂层能够经受得住扫雪机的蹂躏，最长可以使用15年的时间，还能起到密封路面的作用，防止有腐蚀性的盐渗透到底层的钢梁中，损伤桥梁脆弱的桥面。
有趣的是，最初5年的测试结果显示，它能将冬季发生交通事故的数量大幅减少70%。
能发现裂痕并自我修复的混凝土
任务：
用更智能的混凝土升级高速公路
进度：
对自我修复混凝土的实地测试正在进行中
碳纳米管最为人津津乐道的特性是其具有的高强度和压电电阻——受到挤压后，其电阻会发生改变。
明尼苏达大学德鲁斯分校的机械工程系助理教授于迅正在研制一种含有0.1%碳纳米管的新型混凝土，它比传统混凝土更不容易破裂，也更聪明。
只要在铺设混凝土的过程中在里面植入电极，就能通过测量其中电阻的变化检测出从上面经过的车辆所造成的路面压缩情况。
未来的版本还将更进一步地计算出车辆的速度和重量，从而实时对道路的受力情况进行监控。
与此同时，密歇根大学的民用和环境工程学教授威克多•李开发出了另一种新型混合混凝土，其中含有未加水的水泥颗粒，在它暴露在二氧化碳和雨水中时——这也是路面上最常出现裂缝的时候——就会变成水泥凝固成形。
这种反应会生成一个碳酸钙密封层，让破损路面快速恢复正常的承重能力。
无轨道悬浮列车
任务：
建造成本只有传统轻轨1/3的城市列车
进度：
已经建设好了一条3.2千米长的测试线路
新建一条轨道交通线需要在其沿线上清理出宽度约为7.3米的路线来铺设铁轨，为了节约下这笔高达数十亿美元的花销，列车制造商TubularRail想要充分利用现有的基础设施让列车提速到240千米/小时，而他们要依靠的是一系列相隔30米放置的悬浮支柱。
这些支柱上安装有电力驱动的钢制滚轮，当全长约120米的碳素纤维列车经过时，这些滚轮便会推动列车向前运动。
为了节省能源，滚轮上的电动机仅在列车靠近的时候才会开始工作，而且在滚轮减速的过程中，列车90%的动能都将被重新回收。
发光水泥
任务：
会发光的公路能将夜间交通事故的数量减少一半
进度：
试验路面已经建成
纳米磷光体（NanoPhosphor）是一些很小的颗粒，在受到阳光照射之后就会发出荧光。
南非科技与工业研究会（CSIR）已经将这种微粒加入到了诸如水泥和油漆之类的材料中，并用它们创造出了自发光车道标志线和无需路灯照明就能发光的公路。
这些创新能帮助减少在深夜开车时走错车道的情况，以及在没有照明的野外公路上经常出现的动物（也包括行人）碰撞事故。
目前这些材料可以持续发光几个小时的时间，研究人员还在对新的添加剂进行试验，希望可以让其整晚不停地发光。
储存热能的高速公路
任务：
将充水管道铺设到公路下面并用它来捕捉太阳的能量
进度：
在欧洲某些地方已经得到应用
由荷兰OomsAvenhorn公司设计的公路能量系统（RES）能够从热的或者是冷的沥青路面中捕捉到能量。
铺设在特殊的柏油路面下的循环水管道能够在夏天得到加热，或者是在冬天被降温，然后这些热水或者冷水就被输送到地下100米深处的、能自然隔热保温的蓄水层中。
无论是热水还是冷水，都能为附近的建筑所利用。
夏天，储存下的冷水可以用来帮助冷却路面，防止柏油软化变质；冬天，热水还能用来防止路面结冰。
问题2：
水
翻新耗能巨大的水处理厂和20世纪留下的漏水的管道系统
中国大部分城市供水系统的历史要比道路和电网老得多，其中很多铁制管线都埋设在上世纪40～50年代靠手工挖掘的沟渠中。
好不容易经过处理的净水在从处理中心到水龙头之间的管道中泄漏到了土壤里，或是被生锈的管线所污染。
此外，在水的净化处理、远距离输送和最终使用的过程中所需的能耗也都很高。
除了翻新整个输水管网，未来在水处理上最重要的问题是，减少各个环节中不必要的浪费。
能装在住宅区中的海水脱盐设施
任务：
将净水体系分散安放
进度：
样机已经问世，可供商用的装置将在一年内推出
加州大学洛杉矶分校的化学工程师约拉姆•科恩为加利福尼亚这样水源紧缺地区找到了一种可行的解决方案。
该方案在水处理和输送环节上所消耗的能量，只相当于依靠高等级蓄水库远距离送水的传统方式的20%，其中的关键在于将水处理网络分散到住宅区里。
他创造的这台依靠逆渗透原理工作的机器只有一张单人床大小，将其安装到海岸附近，并从大海中直接抽取海水，就能为附近的居民提供大约每天19立方米的饮用水。
通过该装置的配套软件，可以针对当地的水温、含盐量、酸碱性和含泥沙量等具体情况对其过滤系统进行精细的调节，而且从中央控制中心就能进行远距离遥控操作。
像植物一样净化水
任务：
用更少的能耗处理水
进度：
第一台小型化样机将在今年面世
植物能通过渗透作用将水吸入根部，利用的是一种被称为水通道蛋白的微小通道，这种方法不需要消耗任何能量。
现在，一家名为Aquaporin的丹麦公司正在开发一种采用相同工作原理的渗透膜，它能直接从盐水中析取出淡水，而且相比传统的逆渗透系统，所需的成本仅为1/3，能耗更只有1/10。
这种膜上的每个蛋白质通道的直径只有几纳米大小，仅允许排成单列的水分子通过，速度大约是每秒钟10亿个水分子，而且不需要使用泵将水抽过通道。
膜
水通道蛋白
离子
经过过滤的水
堵住漏水的管道
任务：
将类似橡胶的堵漏物放入输水管网中，让它们自动找到并修补好漏洞
进度：
已经在英国投入使用
苏格兰的Brinker技术公司开发出了一种无需挖开地面就能对输水管网进行修理的技术，它模仿了人体伤口上形成凝血的原理。
发现水管出现泄漏时，只要派一辆卡车到现场，打开该位置附近的消防栓，然后向里面灌入被称为Platelet（血小板）的粘粘的、像橡胶一样或方或圆的颗粒就可以了，这些颗粒的尺寸从几毫米到5厘米不等，取决于漏洞的尺寸大小。
Platelet会顺着管道流动，依靠水流动的压力被推送到出现漏洞的位置上。
在那里，它们会互相凝聚在一起，形成可以保持很长时间的凝块。
水管养护部门甚至无需找到发生泄漏的具体位置即可完成修补。
不用挖开地面就能换上新水管
任务：
新型滑入式衬垫层能让供水管破裂事故的抢修工作变得更快更方便
进度：
这种技术已经修复了近千米的水管
另外一种无需对地面开肠破肚即可修复破损水管的方法，是在原水管的内部套上一层新的衬垫，这种方法早已被广泛用于修补下水管道——之前该方法仅适用于修补下水管线，因为下水道依靠重力排出污水，里面的压力较低。
而美国密苏里州的Insituform技术公司的新型InsituMain衬层也可以承受住自来水管道中的高压，因此可以用于对饮用水主管进行现场修理。
采用这种方法，不需要将整条管道全部挖开，只要在出现问题的管道两端分别打开一个开口（它们之间的最大距离可达210米）。
工人首先断开两端的管道，然后将毛毡-玻璃纤维合成材料制成的柔性衬层塞入管道，并用热成型环氧树脂对其浸泡，再将其沿着管道内壁拉过去，最后在衬层中充入蒸汽或者热水使其硬化并密封，即可让它稳定地附着在管道内壁上。
新衬层
蒸汽
能让有毒污水发光的细菌
任务：
在饮用水系统中安装荧光有毒物质探测器
进度：
2～5年内实现商业应用
细菌是识别各种分子的行家里手，而且它们很容易大量繁殖、成本低廉并且很容易控制，这让它们成为理想的工人。
利用经过基因改造的、无害的大肠杆菌变种，肯塔基大学的化学家西尔维亚•多纳特设计了一种生物传感器系统，它能发现饮用水中的多种有毒物质，包括砷、铅、炭疽和聚氯化联苯等。
细菌被安放在浸泡在饮用水源中的光导纤维线的头部，一旦它们检测到有毒物质就会发光，所产生的光线通过光纤传送到控制台，在那里对光亮的强度进行检测，就能精确测量出水中有毒物质分子的浓度，其精度可以达纳克级（ppb，十亿分之一）。
发光蛋白质
有毒物质
细菌
问题3：
电力
全面翻新低效能发电站和老化的电网
每年，仅因为断电给中国造成的经济损失就高达数千亿元，而断电的原因很多都是由于老化的电网所造成的。
同时，中国2009年的用电量达到了36430亿千瓦时。
在杭州，缺电的状况正由季节性缺电变为全年性缺电，为了让市民了解到当天的用电紧缺情况，自觉采取措施减少电力消费，当地电力部门正在像预报天气那样进行“用电紧缺指数”预测。
所以，未来更聪明的智能电网肯定将会大派用场，但我们还需要更多像下面这样的创新技术才能及时填补用电缺口。
不会漏电的超导电线
任务：
用电荷通过能力10倍于铜电线的超导电线替代现有电线
进度：
广泛应用还需要10～20年
与其在全国范围内大兴土木地新建上百万千米的供电网络来输送可再生能源，不如用高温超导电缆对现有电网进行改造。
目前，美国橡树岭国家实验室正在对这种技术进行研究。
这种新型电缆主要由一层包裹在不锈钢管外侧的1微米厚的超导层构成，钢管内填充的液氮能够让线路的温度保持在-196摄氏度。
在寒冷的超导状态下，电缆完全没有电阻，因此不会造成任何能量损失——相比之下，今天使用的铜电缆的传输损失大约在5%～7%。
超导层
液氮
绝缘层
铜芯
埋设更高质量的电缆
任务：
用绝缘效果更佳、能够多传输25%电能的电线替换数千千米埋在地下的老式电缆
进度：
距离大规模应用还有5～10年
城市里，悬在空中的电线不但有碍观瞻而且也是个危险的隐患，因此大城市里的电线大多铺设在地下管道中。
随着城市用电需求的不断增加，我们可能需要挖掘更多的深沟，来铺设更多的管道和新电线。
但一个更简单的方案是，我们可以在现有的管道中塞进更多的铜。
这正是名为电能研究院（EPRI）的一个工业科研协会的目标，他们寄希望于一种新型的绝缘材料，这种材料中加入了含有二氧化硅颗粒的乙烯基硅烷涂层，绝缘效能可比现有电缆上包裹的绝缘层提高33%。
这意味着无需增加绝缘材料的厚度，就能让下一代电力线输送多1/4的电流。
电缆检查机器人
任务：
用灵活的机器人替代人在高架电缆上进行高空作业，并及时发现问题
进度：
第一个商用版机器人将于2012年面世
传统的电缆检查工作进度慢、成本高，还常常需要借助直升机的空中支援。
EPRI正在研究一种能够每年两次自动对长约130千米的电缆进行检测的机器人，让检查的成本更低、效果更可靠。
这种机器人将骑挂在电缆上，并携带有摄像头、漫射扫描激光和机载图像分析软件，它们能够用图像记录下一条线路破损、老化的情况和过程，同时还能在三维地图上描绘出有树枝阻挡或者其他问题的地点。
电力电缆
天线
能自我疗伤的地下电缆
任务：
为电缆涂上一层自修复药膏
进度：
10～15年内实现商用
另一种减少挖掘街道施工的方式是减少对地下电缆进行小修。
当电缆的绝缘层出现小裂口或者较小的破损时，铜导线中的电场就会发生微小的变化。
EPRI在其开发的一种新型绝缘材料中加入了对这种变化非常敏感的纳米微粒，发现问题后它们会发热并熔化掉周围的聚合物分子，形成一个新的保护层来封闭裂口。
目前很多电缆系统都在日益老化，EPRI希望在能用带有自修复能力的电缆替换它们。
像植物一样产生能量
任务：
将阳光转换为化学能
进度：
去年科学家发现了一种存量丰富的天然材料能帮助从水中分离出氧
太阳能电池板不是利用阳光的惟一选择。
多年来，科学家一直在尝试学习植物利用阳光的方式——光合作用。
目前为止，大多数此类尝试都需要依赖缺乏实用性的稀有材料——比如铱——作为促发反应过程的催化剂。
但去年，劳伦斯•伯克利国家实验室的研究人员找到了一种利用二氧化钴的新方法，这是一种存量最丰富的工业催化剂。
直接靠二氧化钴利用阳光分解水分子并释放氧的反应效率相对较低，但研究人员通过将这种催化剂涂抹在密实堆积的框架上，成功让它的工作效率提高了1600倍。
试验结果显示，由二氧化钴板所组成的阵列能够稳定地释放出氧、质子和电子。
下一步是要再找到另一种同样高效能的催化剂，将副产品转化为类似甲醇的高能量密度燃料，使其在性价比上达到或超过汽油的水平。
电网储能器
任务：
建造用旋转的飞轮存储电能的蓄电厂，将过剩的能量保存下来
进度：
一座容量2万千瓦的飞轮蓄电厂正在兴建
这可能有点难以置信，但今天的电网其实是没有任何实际的存储能力的。
从你的插座中流出的电就是在不到1毫秒之前刚刚发出来的，因此发电厂必须连续不停地发电来满足最高峰的用电需要。
为了适应可再生能源波动式的发电方式，我们必须有能力将过剩的电能储存起来，以备阴天、无风时和夜晚使用。
位于美国马萨诸赛州的Beacon电力公司提出的解决方案是将电网中过剩的电能储存到上百个旋转的碳素纤维和玻璃纤维制成的圆筒上。
每一个第四代飞轮都带有一个重达1.1吨的转子，它被安装在磁性轴承上，并密封在真空的转筒内，以实现几乎完全没有摩擦的理想工作环境。
来自电网的能量能让直径0.9米的转子加速到最高1.6万转/分钟（接近音速的两倍），其旋转的效率至少能达到97%。
需要将能量返还给电网时，一部分旋转的动能将被用来驱动安装在主轴上的电动机。
每个飞轮能够储存15分钟、100千瓦的电力，在20年中可以反复放电15万次。
真空舱
磁性轴承
碳素纤维和玻璃纤维制成的转筒
电动机/发电机
问题4：
通信
大幅提升宽带和无线网络的速率
虽然我国宽带用户数量早就超越了美国居全球首位，而且规模还在进一步扩大，但是我国宽带的普及率仅为21%（大多停留在普通ADSL水平），全球排名第43位。
现在的情况是，过时的铜导线已经无法承载高清晰度流媒体视频播放所需要的数据带宽了；同时，中国无线网络的建设进度也要明显慢于发达国家——其中的主要原因在于中国辽阔的国土面积。
好消息是，今年4月，我国工信部等7部委要求加快“光进铜退”的宽带网基础设施改造，以实现2011年光纤宽带端口超过8000万，城市用户接入能力平均达到8Mbit/秒以上。
而更先进的光纤电缆和宽带飞艇的应用将为家庭和智能手机的数据传输速度带来质的飞跃。
更高速的光纤
任务：
用更粗的光导纤维替代目前使用的国际网络光纤，让数据传输速率提高10倍
进度：
去年已经进行了演示
美国新一代跨洋海底光纤电缆很可能将采用阿尔卡特-朗讯公司的设计，不久前，它刚刚创下了10倍于现有电缆的数据传输速度纪录。
新电缆的光纤线芯平均要比目前铺在海底的电缆粗40%。
工程师还设计了一组155个激光器来发射不同波长的光线，除了像现有的电缆一样通过控制光线脉冲的时长来编码信息，新系统还能通过控制光线的偏振和相位在每种不同波长的光线上附加更多的信息。
仅需1秒，新电缆就能将15.5TB的数据（相当于400张DVD光盘的容量）从美国发送到欧洲。
柔性光纤
任务：
让高速光纤得以直接进入每个家庭
进度：
现已成型
Corning公司的新型柔性ClearCurve电缆在光纤线芯上使用了纳米材料制成的网状包覆层，即使受到挤压、弯曲，甚至是在钉子上缠绕几圈也能让光子正常通过——而一般光纤遇到角度较大的弯曲就会被阻断。
这意味着电信公司终于可以将光纤直接安装到普通用户的家里了——电缆从外面接入房屋时经常会碰到直角的转弯或者被紧密地缠绕起来。
Verizon公司提供的FiOS服务目前已经采用了这种电缆。
光纤线芯
纳米材料
从天而降的网络
任务：
漂浮在空中的宽带飞艇可以将网络送到难以铺设有线电缆的地区
进度：
首艘飞艇今年将交付，3～5年内商用
为了满足通信带宽需求爆炸式的增长，我们要在地下铺设更多的光纤和铜芯电缆，或者，我们也可以选择放飞一艘悬浮飞艇。
制造无人飞行器的Sanswire公司正在研制一种160米长、填充氦气、以汽油为动力的飞艇Stratellite，它能安静地在同温层悬浮，为其所覆盖的地面区域提供宽带网络连接。
飞行高度约为2万米的飞艇能够提供包括电话、电视和高速网络连接在内的数据中继服务，每艘飞艇能够覆盖面积相当河北省、河南省、山东省、山西省的区域总和，而且不会出现卫星通信中常常遇到的信号延迟问题。
Stratellite可以将全国的大城市与偏远地区相互联通，却完全不需要在地上铺设一根新电缆。
问题5：
下水道
淘汰耗能巨大的水处理厂和烂掉的管道
每年，我国的下水道里要生产出454亿立方米污水，而将其净化到满足饮用水标准又要消耗掉210亿千瓦•时的电能。
那么，为什么不能给这些散发着恶臭的脏东西找到些更好的用途呢？
感谢新一代的先进技术，下水道污水很快也将被回收再利用，用来生产能源、制造肥料，最后再还原成干净的水。
换句话说，用不了多久，你喝下去的水可能就是你刚刚排放出去的那些东西。
让机器人去爬下水道
任务：
派遣自动化机器人去发现下水管中的泄漏点
进度：
能利用激光检测下水管道的机器人将在2011年准备就绪
RedZoneRobotics公司的新型Solo机器人采用了由卡耐基•梅隆大学开发的图像识别软件，能够对它们拍下的画面进行分析，并将管道中可能出现问题的位置标明出来。
这样，原来需要10个小时才能完成的全面检查，就能被压缩成一次只要两小时的重点检查，直接找到滴漏的破损部位，并及时发现问题的根源。
每一台Solo机器人都在两端装有摄像机，还有用来在水下扫描的声纳，以及探测管壁受酸腐蚀情况的激光。
用淤泥发电
任务：
减少用来处理废水的能耗
进度：
反应器正在进行测试，2015年前投入商用
美国宾夕法尼亚大学的环境工程学教授布鲁斯•洛根设计了一种微生物燃料电池，能够直接将下水道里的化学能转化为电能，并在这个过程中对下水道进行清洁。
装在石墨纤维阳极中的细菌会分解下水道里的脂肪、蛋白质和糖，并稳定地释放出电子，再由细菌直接将其送到电极上。
这些电子移动到阴极就能提供电力供应，同时在阴极上产生氢气。
阳极
阴极
细菌
电子
回收尿液
任务：
从废水中回收磷和氮来制造肥料
进度：
首座处理厂于去年6月在美国启用，还有一座今年将投入使用
信不信由你，由10万人产生的废水每年能够制造出200吨高品质肥料。
加拿大的Ostara公司希望这种方法能够弥补可再生磷酸盐资源日益减少的缺口，而磷是现代化肥中的3种主要成分之一。
Ostara公司的Pearl养分回收系统能够从市政污水中萃取出磷和氨等有用成分，再将这些养料加入到能安全、缓慢地释放效力的颗粒状肥料中，以“CrystalGreen”的商品名出售。
其中的难点在于尿液的提取，它在下水道里的所有污物中只占大约1%。
一个解决办法是分类厕所（试想在一个大马桶里套上一个小尿盆），这种设计已经在瑞典和丹麦进行试用
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