本文是介绍有可能改变未来计算的十大突破性技术的第二部分。前两周，我们已经刊登了会让电子设备更快速、更强大、更灵活，而且制作成本更低廉的五大芯片级创新的文章(参看：五大突破性芯片技术 改变未来计算)。本周，我们将进一步探讨如何接入网络、如何给设备输送电力，以及如何与设备互动的创新技术。
从电力的无线传送，到神经计算机控制，每种这样的技术都有可能会彻底改变数字世界的未来前景。而利用本文第一部分所介绍过的那些芯片层面的创新，将这些技术融合在一起的话，那我们就会启动一场在计算机和电子设备的设计、制造与使用方面的真正革命。
极速无线网络：数万兆的Wi-Fi
Wi-Fi这种兴起于上世纪90年代的技术，就像是从稀薄的空气中抓取数据的魔术一样不可思议，从那时以来，关于Wi-Fi的热潮已经出现过好多回了。无线万兆联盟(Wireless Gigabit Alliance，WiGig联盟)的总裁兼主席Ali Sadri认为，“我们希望让Wi-Fi真正能够进入21世纪。”该联盟已经研制出了被称作WiGig的无线规范，可支持数万兆速率的无线通信。
Sadri本人还是英特尔无线集团的营销总监，他说，“由于高清视频的出现，Web的用途正在发生巨变。遗憾的是，Wi-Fi的速度却跟不上。总的来说，速度快才是硬道理。”
Wi-Fi的基础是IEEE的802.11标准家族。802.11a设备在1999年问世，使用的是5GHz频段，而后来的802.11b和g设备则使用比较拥挤的2.4GHz频段。目前大多数双频的802.11n设备则可以在这两个频段上运营。802.11的每一次升级都会让Wi-Fi的速度提升一个档次。
WiGig则增加了60GHz传输频段。在这个频段中，可用的频率要比2.4GHz和5GHz频段多很多，因此60GHz频段可大大提升吞吐量和速度。WiGig规范的最高速度可达7Gbps，和今天最高只有600Mbps的802.11n相比，提高了一个数量级。
换句话说，WiGig提供的是真正意义上的数万兆吞吐量——可在数秒之内将一部完整的高清电影平滑传输给浏览器。它还可提供足够的带宽以满足家庭中多个数字用户同时使用大容量数字内容的需求，比如说家中如果既有年轻人想在书房在线玩视频或3D游戏，又有父母要在厨房下载带大量视频内容的演示文档，还有孩子想在起居室里进行视频聊天的话，那么WiGig就是非常好的之选。
WiGig还可用于电脑与外设间的无线连接，例如连接高清显示器或网络硬盘。这种新的无线规范还可兼容现有的Wi-Fi设备。
WiGig规范之所以能够有如此快的速度，其最大的技术亮点就是所谓的波束成形或聚束成形(beam-forming)。和大多数无线数据系统不同，WiGig的信号不是360度散射的，这样的散射信号大部分是被浪费了。WiGig很聪明地调整了发射器和接收器天线的参数，可以在连接的两端之间形成一束集聚的数据流，并将干扰降至最低。波束成形技术虽然已经在一些Wi-Fi产品中使用，但是和其他的Wi-Fi标准不同的是，WiGig规范实际上就是主要依靠这一技术才能实现的。
“波束成形技术非常酷，”美国商务部所属国家标准与技术学会(NIST)半导体电子分会的主席David Seiler说。“正是这种技术让WiGig的高速无线能够实现，它将会有广泛的用途。”
由于WiGig基于和Wi-Fi同样的802.11基础规范，所以该技术能将“Wi-Fi的用途再延续五到十年。”
当然，WiGig也有弱点：WiGig的最高速率只能在45英尺(约合14米)范围内才能达到。这对于住宅面积较大的家庭来说会有问题，比如说，在地下室安放一台路由器，要连接卧室的电视机就会有问题，再比如企业中的一块小型办公区要无线连接所有的员工设备也会出现问题。
为了克服WiGig的覆盖范围受限问题，Sadri提到了两种不同的解决办法，但两者都不完美。一种办法是在每个房间或每个家庭或一块办公区域设置个人区域网(PAN)。按照这种方法，每个PAN区段都会有数据要从该区段传输到下一房间或下一区段，尽管延迟时间很短，但每过一个区段信号都会有累积的时延。
另一种办法多少有点传统，就是用万兆以太网线缆连接几台WiGig传输器，然后将这些传输器放置在楼内或屋内的几个重要地点——这种解决方案可能更适合小企业，但对于家庭来说可能不适合，因为在住宅里布线是需要穿墙的。
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当然，WiGig还需要新一代Wi-Fi路由器和接收器的支持，这些设备可使用60GHz频段。这些设备配备上三频功能，就可以在2.4GHz和5GHz频段上使用时与现有的Wi-Fi设备互操作。
Sadri预计，到今年年底前，会有4家半导体厂商会按照WiGig的参考设计生产出新一代无线设备所使用的芯片，但他没有透露这些厂商的名字。2012年，这些芯片就会进入规模生产阶段。
到2013年，WiGig设备就有可能在电视、电脑、电话、平板电脑和其他电子设备中使用，最终还可能“出现我们今天无法想象的一些用途”，Sadri说。
自充电设备：无须插电的电源
王忠林(译音)一直有个梦想，那就是能让电子设备自己给自己充电。这位在佐治亚科技大学纳米科学研究小组工作的材料科学家已经有了自己的办法，他说，很快我们就能够看到取代电池或者可自充电的材料。
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王忠林在佐治亚科技大学的这个团队设计出了微型发电机，可产生足够的能量供一些非常小型的设备使用。这些高输出功率的纳米发电机(HONG)只是一个不到指甲盖大小的柔性芯片，可在短时间内产生2到10伏的电压。
这种纳米发电机的设计思路是从一组氧化锌(ZnO)纤维阵列或称纳米线开始的，每根纳米线都比头发丝还细。这些纤维阵列被嵌入由金属电极和塑料聚合物的多层材料中，构成了一块柔性的纳米导线“三明治”。
在电子显微镜下，这些纤维看上去很像一把非常细小的毛刷，一旦纤维摇动或者受到挤压，就会因为神奇的压电特性而产生微弱的电流。如果把数十亿根这样的毛刷组合在一起，我们就能得到足够的电量给电子设备供电，而无须外接电源。
“我们是把动能转变为电能，”王说。到目前为止，HONG设备已可点亮LED灯，为计算器的LCD屏幕供电，或者给实验室里的一些初级电子设备供电。这还只是个开始。王和他的团队正在研发可以给各种无线设备供电的HONG。他们正在研制用途广泛的自充电环境感应器。
例如佐治亚科技大学的这个团队正在研发一种可嵌入大桥里的感应器。“感应器被包在混凝土中，想要更换电池那是很不易的，”王俏皮地说。但是在感应器内部有一个HONG发电机，感应器便可因为车辆经过大桥时产生的振动进行自充电。
这一设计思路是每隔30分钟，感应器便发送一次读数给一个接收站以供分析使用。如果感应器的数据显示大桥已存在坍塌危险时，这座桥就必须停止使用，从而避免2007年明尼苏达州密西西比大桥的坍塌事故。
“自充电设备是一个非常有前景的领域，”MIST的Seiler说。“人们不用再去考虑设备的电池用光了怎么办的问题，而只会去去考虑设备能够做什么。”
尽管纳米发电机还不可能产生足够强大的电力支持比如像电脑或电视这样较大型的设备，但是大量的小型设备去可以用HONG芯片来全部或者部分供电。到2013年，王预计就会出现自充电的手机、数字音乐播放器等。
王说，给电子设备增加一个纳米发电机的成本不高，因为氧化锌是一种常见材料，而HONG芯片也可以利用现有的半导体生产技术来制作——当然，它还是需要在工艺技术上有某些发展才行。此外，HONG芯片还可以降低一些电子设备的成本，因为它部分地或者全部地取消了对电池的需求——在手机和MP3中，电池属于成本最高的组件之一。
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王的研究小组成员还在试验一些更激动人心的，可能产生更高电能的压电化合物，例如锆钛酸铅，但是这一研究项目可能会很艰难。
总之，我们周围众多的电子设备带着难缠的交流电插头和充电器的时代可能要终结了。“运动无处不在，所以我们可以等待未来就能拥有自充电的电池，”王说。“我们所做的就是利用它。”
无线电源：空气中的电流
大约一个世纪前，电子天才尼古拉·特斯拉在我们今天所使用的很多事物上都做了大量的先驱研发工作，从X射线和交流电，到效率电机、发电机和收音机的前身等。但是当他把自己丰富的想象力转向在空气中利用无线电波给各种无线设备发送电力时，却遭遇了一次成本高昂的失败。
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从过去快进到现在，有一家叫做Powercast的公司就在做当年特斯拉梦想要做的事情：通过无线电波给各种设备传输电力。“实际上，我们重新捡起了特斯拉的发明，”Powercast负责营销与研发的副总裁Harry Ostaffe说。“我们正在通过空气去给各种设备传输电力，替换掉昂贵而且不方便更换的电池。”
这种被称为电力收获的技术采用该公司书本大小的Powercast送电器，可将1瓦或3瓦的电力以915MHz无线射频输送到空气中。而在接收端，通过一个Powercast接收芯片可从空中截获电力，接收芯片可将射频能量转换为直流电。
目前，Powercast共开发了两种接收芯片。一块芯片适用于近距离送电，最高可连续输送4.2伏电压，直接供给极低压设备或者给电池充电。另一块芯片则用于较长距离送电，可产生一个最高达5.25伏的间歇性脉冲，直接为较低电压设备供电。
这些芯片可以从空气中捕获少量的可用电力(从微瓦级到毫瓦级)。这些电力虽然不足以为MP3或者手机供电，但是对于耗电量极少的设备，例如Kindle电子书等，却足够了。
然而，Powercast并不是为消费者电子产品设计无线送电系统的，而是专为各种监控环境的感应器供电的，例如炼油厂所使用的温度和压力感应器，或者家庭和办公室使用的烟雾感应器。如今的办公楼宇一般都会有门禁感应器、烟雾探测器和控制灯光开关的运动感应器等，所有这些感应器都可以使用Powercast的技术无线供电。
该公司的目标是最终研制出可以从各种环境资源如Wi-Fi信号中提取足够数量电力的技术。但是目前而言，Powercast的系统必须要有一部送电器才能工作，这就是说它的送电距离是有限制的。
“我们最大的敌人就是距离平方反比定律，”他开玩笑说道。物理学的这一基本定律是指，能量从一个点源向周围辐射——例如光或者无线电波——会随着距离的增加而急剧衰减。接收器距离送电器越远，所接收的能量就会下降得越快。
“迄今为止，我们的最远送电距离大约是40到45英尺，”他说。这个距离足以覆盖一户家庭或者写字楼内的几间相邻的办公室了。一般的办公场所每层每4万平方英尺就需要10或15部送电器，可以在楼内依墙放置，然后将天线指向中央。
NIST的Seiler也认为，无线射频转换成直流电(RF-to-DC)的技术对于某些类型的设备来说的确很有用。“这种技术的确大有前途，但是存在距离和电量上的局限性。但是它还是可以给很多小型设备供电的。”
Powercast并非研制RF-to-DC技术的唯一公司。日本的电业工作公司早就在研发类似的系统，他们利用的是可特殊矫正的天线。不过Powercast声称，它已经领先于竞争对手，可以把芯片做到产品中去。
到2012年，Powercast希望生产出家用感应器，可以给烟感探测器供电，永远都不再需要更换电池了。该公司还在研究如何缩小送电器的外形尺寸以方便家庭使用。Ostaffe设想了一个微型送电器，只有“儿童室夜间照明灯一样大小，但又足可以给一家中产阶级人家的烟感警报器供电。”
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然而，在空气中输送电力仍然还是距离主流相差一两步远。虽然Powercast已经有了设计，并且做好了芯片，但它还需要一家制造厂商生产和销售实际产品给消费者或者企业。
自修复电池：电池不死鸟
我们都碰到过这样的事：你的移动设备——手机、平板电脑、笔记本——用上几年以后，电池就得报废，你要么得更换电池，要么只好把设备扔到一边，因为有些设备是不允许用户自己更换电池的，比如iPhone和iPad，要想继续使用，你得花功夫掏运费把设备送回厂商那里去更换电池。
不过伊利诺伊大学贝克曼高级科学与技术学院的科学家们有了一个更好的想法。由Scott White教授领导的一批研究人员正在寻找延长移动设备电池使用寿命的办法，他们已经找到了让电池自己修复的办法，这样一来，用户甚至不知道还有更换电池的问题。
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无论是在手机还是笔记本里面，锂离子电池通过把电子从锂基的负极移动到电池的阳极而产生电力。而当你将设备接上电源时，电子的流动方向刚好相反，这样就成了给电池充电的过程了。
而问题就在于，随着时间的推移，或者电池受到剧烈震动时，电池就可能短路，最终受损。这时，你能做的就只有更换新电池了。
White的团队已经解决了这个问题，他们给电池的阴极涂抹上数十亿个黏糊糊的镓铟微球体。这些微球体一旦电池受到压力(比如设备突然坠地)或者剧烈升温(例如电池短路)时，这些微球体就会像胶囊一样裂开。
“我们可以利用机械力量、温度或者pH值来触发这些微胶囊，”White解释道。“一旦有危险发生时，这些胶囊就会释放出内部物质，修复过程会开始了。”
镓铟微球体会迅速流动，填充空隙，修复短路之处，于是电池就会在40毫秒左右得到修复。在多数情况下，电池甚至没有足够的时间去控制电子就坏掉了。“而我们可以瞬间还原导电性。”
不过到目前为止，这些微胶囊只能工作一次。如果你的设备第二次摔到地上的话，那你的电池就没法再自修复了。但是White说，他的团队正在研究多种不同材料的相互协同，以便可以多次对电池进行修复。
一般的笔记本电池每年的充放电周期大约为100到150次，寿命大约为三年。而利用贝克曼学院的技术，电池可以使用5到6年，我们最终或许能看到寿命长达10年的电池。
“这种方法很酷，今天我们就很需要，”惠普实验室量子科学研究小组组长兼高级研究员Stanley Williams说。“在我们日常所使用的很多设备中，电池是相当脆弱的一个环节。”
那么这种自修复电池何时可以供大家使用呢?对这个问题，White表现的相当谨慎，只是说微胶囊方法还处在实验室阶段。不过他也指出，给电池添加微胶囊不会增加太多的成本。
他说，要想把这种方法用于修复所有类型的电子设备，这将是一个长期的过程。White的清单中的下一个修复项目将是电网中常见的一些设备，如变压器和电容器。如果他的小组成功了，那么有一天我们就再也不会出现电力故障了。
神经计算机控制：会思维的计算
虽然人类的大脑在电视节目《危险边缘》中输给了IBM的沃森电脑，但人脑仍旧是地球上最强大、最灵活、最复杂的信息处理器。不过人的大脑必需通过我们容易出错的肢体去和电脑交互。我们常常会点错图标、敲错键盘、瞬间发呆，或者更糟糕，一下午的努力会因为一个误操作而全部白费。
这就为什么众多的科学家和未来学家长期梦想着如何让纯思维与电脑互动，利用人的大脑直接输入、编辑和操控概念。
就像是直接摘自科幻小说的场景一样，利用人脑作为电脑接口可以说是我们的这两篇文章所介绍的十大突破性技术中最神秘也最具疑问的想法。但是，回报也将会是巨大的。这种能力会把我们从计算链条中最低效的部分，也就是接口部分解放出来。
“这听起来确实很疯狂，”英特尔实验室的研究员Dean Pomerleau说，“想象一下，只要你戴上一顶可以扫描你的大脑的帽子，坐在电脑前就可以查看日程安排，回复邮件，在大型电子表格上工作，而所有这一切都不用在敲击键盘或者移动鼠标即可完成。”
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其实，加州大学从上世纪70年代就开始了此项研究，全世界已有众多研究人员都在实验脑机接口(BCI)，刚开始利用动物，后来开始利用人脑。在这些努力中，有很多都是通过将电极植入人脑来进行的。但是这种方法存在一个问题，那就是围绕着植入切口，疤痕组织会出现扩张，从而干扰脑电波信号。还有一些实验项目是把电极附着在头皮上，但是头骨也会阻碍或者扭曲大脑发出的信号。
尽管存在各种局限性，但科学家们仍在继续推动BCI研究向前发展。举例说，Pomerleau目前就在与匹兹堡大学和卡内基梅隆大学的研究人员合作，开展了一项叫做NeuroSys的项目。
这个小组的研究人员使用一台机能性磁共振成像(fMRI)仪器，通过观察人脑的活动，力图把思维转变成计算行为。思维会告诉主体一些特殊的词汇，例如“搜索”或“狗”，然后该仪器就会创建一幅脑神经的活动图像，点亮大脑中产生这一思维的特殊区域。
在与很多测试对象(目前仅限于说英语的测试对象)进行试验之后，NeuroSys的研究人员已经从名词开始逐步向动词扩展，正在积累大脑的扫描图像，指出各种图像间的相似之处，最终找出清晰的图像。所有获得的数据都已输入一个计算机程序，该程序可将神经活动图像翻译成词汇。
这个程序目前已累积了1000个词汇，已能够根据试验对象的大脑图像分析出简单句子来。当然，这个项目还需要处理语言中令人沮丧的细微差别和模棱两可，不过它的成功还是令人惊讶的。到目前为止，该程序在预测测试对象的思维时准确度达到了90%。
问题在于，极少会有哪个电脑用户有这种需求，或者有这样的财力，会坐在价值200万美元的大脑扫描器前面给老板写新的市场营销备忘录的。“感知技术需要一次重大飞跃，过了飞跃点一切就都好办了，”Pomerleau说。
这样的飞跃可能即将到来。小型脑电图仪(EEG)感应器如今可以放在耳机或者帽子里，跟踪和解释大脑的活动，或许可以很好地替代大型fMRI仪器的作用。
此类仪器目前主要用于医学研究，但也可以做成任何东西，例如“神经营销”助理(无线耳机可以记录测试对象对于营销活动和品牌的反应)，或者一个动作玩具，你可以让自己假扮成绝地武士，用意念的力量来控制一个球悬浮起来。最近，有一组德国工程师已经在制作一辆可以用意念来控制其行驶的特殊改装车。
奥地利的一家公司G.tec在今年初的CeBit展会上展示了他们的Intendix系统。这套电脑接口系统采用了一个带有很多电极的EEG头盔，然后再一台Windows PC上安装配套的软件。这个接口看起来很像典型的全尺寸键盘，还有一些额外的表征事物的符号，例如打印和发送邮件等。在经过培训后，你需要做的就是注视着Intendix屏幕，脑子里想着你要拼写的邮件中的字母、数字或者符号就OK啦。
就目前而言，这套系统每分钟大约可识别出5个字符——这当然不是正常的打字速度，但毕竟是个不错的起步。由于这套系统标价12000美元，因此人脑驱动的计算多半首先还只能用于那些自主肌肉控制受限的病人，或者有“闭锁综合征”的患者，例如肌肉萎缩患者(卢格瘫痪症)。
神经接口会给这些病患们打开一个新的世界，最终也会给我们健康人带来新的体验。但是这种技术在足够成熟，足够便宜，在复杂的脑机接口成为主流之前，可能还需要数十年时间。
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“这种技术的回报肯定是巨大的，”IBM物理科学部门主任Supratik Guha称。“但是为了让这类接口能够正常工作，还需要做大量的工作。”
