10 Breakthrough Technologies 2019, organisées par Bill Gates

Dextérité du robot

Les robots apprennent à gérer le monde physique.

Malgré toutes les discussions sur les machines qui prennent des emplois, les robots industriels sont toujours maladroits et inflexibles. Un robot peut ramasser à plusieurs reprises un composant sur une chaîne de montage avec une précision incroyable et sans jamais s’ennuyer – mais déplacez l’objet d’un demi-pouce, ou remplacez-le par quelque chose de légèrement différent, et la machine va maladroitement ou patte à l’air mince.

Mais même si un robot ne peut pas encore être programmé pour comprendre comment saisir un objet simplement en le regardant, comme le font les gens, il peut désormais apprendre à manipuler l’objet par lui-même par essais et erreurs virtuels.

Un de ces projets est Dactyl, un robot qui a appris lui-même à retourner un bloc de construction jouet dans ses doigts. Dactyl, qui vient de l’OpenAI à but non lucratif de San Francisco, se compose d’une main de robot sur étagère entourée d’un ensemble de lumières et de caméras. En utilisant ce que l’on appelle l’apprentissage par renforcement, le logiciel de réseau neuronal apprend à saisir et à transformer le bloc dans un environnement simulé avant que la main ne l’essaye pour de vrai. Le logiciel expérimente, au hasard au début, en renforçant les connexions au sein du réseau au fil du temps, à mesure qu’il se rapproche de son objectif.

Il n’est généralement pas possible de transférer ce type de pratique virtuelle dans le monde réel, car des choses comme la friction ou les propriétés variées de différents matériaux sont si difficiles à simuler. L’équipe OpenAI a contourné cela en ajoutant de l’aléatoire à la formation virtuelle, donnant au robot un proxy pour le désordre de la réalité.

Nous aurons besoin de nouvelles percées pour que les robots maîtrisent la dextérité avancée nécessaire dans un véritable entrepôt ou une véritable usine. Mais si les chercheurs peuvent utiliser ce type d’apprentissage de manière fiable, les robots pourraient éventuellement assembler nos gadgets, charger nos lave-vaisselle et même aider grand-mère à sortir du lit. –Will Knight

L’énergie nucléaire nouvelle vague

Les réacteurs avancés de fusion et de fission se rapprochent de la réalité.

Les nouvelles conceptions nucléaires qui ont pris de l’ampleur au cours de la dernière année promettent de rendre cette source d’énergie plus sûre et moins chère. Parmi eux, les réacteurs à fission de génération IV, une évolution des conceptions traditionnelles; petits réacteurs modulaires; et les réacteurs à fusion, une technologie qui semble éternellement hors de portée. Les développeurs de conceptions de fission de génération IV, comme Énergie terrestre canadienne et TerraPower, basé à Washington, ont conclu des partenariats de R&D avec les services publics, visant à fournir un réseau (quelque peu optimiste, peut-être) d’ici les années 2020.

Les petits réacteurs modulaires produisent généralement des dizaines de mégawatts d’énergie (à titre de comparaison, un réacteur nucléaire traditionnel produit environ 1 000 MW). Des entreprises comme NuScale de l’Oregon affirment que les réacteurs miniaturisés peuvent économiser de l’argent et réduire les risques environnementaux et financiers.

Il y a même eu des progrès sur la fusion. Bien que personne ne s’attende à une livraison avant 2030, des sociétés comme General Fusion et Commonwealth Fusion Systems, une spin-off du MIT, progressent. Beaucoup considèrent la fusion comme un rêve de pipe, mais parce que les réacteurs ne peuvent pas fondre et ne créent pas de déchets de haute activité à longue durée de vie, elle devrait faire face à une résistance publique beaucoup moins importante que le nucléaire conventionnel. (Bill Gates est un investisseur dans TerraPower et Commonwealth Fusion Systems.) –Leigh Phillips

Prédire les prématurés

Un simple test sanguin peut prédire si une femme enceinte risque d’accoucher prématurément.

Notre matériel génétique vit principalement à l’intérieur de nos cellules. Mais de petites quantités d’ADN et d’ARN «sans cellules» flottent également dans notre sang, souvent libérées par les cellules mourantes. Chez les femmes enceintes, ce matériau acellulaire est une soupe alphabétique d’acides nucléiques provenant du fœtus, du placenta et de la mère.

Stephen Quake, un bio-ingénieur à Stanford, a trouvé un moyen de l’utiliser pour s’attaquer à l’un des problèmes les plus insolubles de la médecine: environ un bébé sur 10 est né prématurément.

L’ADN et l’ARN flottants peuvent fournir des informations qui nécessitaient auparavant des moyens invasifs de saisir les cellules, comme la biopsie d’une tumeur ou la perforation du ventre d’une femme enceinte pour effectuer une amniocentèse. Ce qui a changé, c’est qu’il est désormais plus facile de détecter et de séquencer les petites quantités de matériel génétique acellulaire dans le sang. Au cours des dernières années, les chercheurs ont commencé à développer des tests sanguins pour le cancer (en repérant l’ADN révélateur des cellules tumorales) et pour le dépistage prénatal de maladies comme le syndrome de Down.

Les tests pour ces conditions reposent sur la recherche de mutations génétiques dans l’ADN. L’ARN, d’autre part, est la molécule qui régule l’expression des gènes – la quantité de protéine produite à partir d’un gène. En séquençant l’ARN flottant librement dans le sang de la mère, Quake peut repérer les fluctuations de l’expression de sept gènes qu’il distingue comme étant associées à la naissance prématurée. Cela lui permet d’identifier les femmes susceptibles d’accoucher trop tôt. Une fois alertés, les médecins peuvent prendre des mesures pour éviter une naissance précoce et donner à l’enfant de meilleures chances de survie.

La technologie derrière le test sanguin, dit Quake, est rapide, facile et coûte moins de 10 $ la mesure. Lui et ses collaborateurs ont lancé une startup, Akna Dx, pour la commercialiser. –Bonnie Rochman

Sonde intestinale dans une pilule

Un petit appareil avalable capture des images détaillées de l’intestin sans anesthésie, même chez les nourrissons et les enfants.

La dysfonction entérique environnementale (DEE) est peut-être l’une des maladies les plus coûteuses dont vous n’ayez jamais entendu parler. Marqué par des intestins enflammés qui fuient et absorbent mal les nutriments, il est répandu dans les pays pauvres et est l’une des raisons pour lesquelles de nombreuses personnes souffrent de malnutrition, ont des retards de développement et n’atteignent jamais une taille normale. Personne ne sait exactement ce qui cause la DEE et comment elle pourrait être évitée ou traitée.

Un dépistage pratique pour le détecter aiderait le personnel médical à savoir quand intervenir et comment. Des thérapies sont déjà disponibles pour les nourrissons, mais le diagnostic et l’étude des maladies intestinales de ces jeunes enfants nécessitent souvent de les anesthésier et d’insérer un tube appelé endoscope dans la gorge. C’est cher, inconfortable et peu pratique dans les régions du monde où l’EED est répandu.

Guillermo Tearney, pathologiste et ingénieur au Massachusetts General Hospital (MGH) à Boston, développe donc de petits appareils qui peuvent être utilisés pour inspecter l’intestin à la recherche de signes d’EED et même obtenir des biopsies tissulaires. Contrairement aux endoscopes, ils sont simples à utiliser lors d’une visite de soins primaires.

Les capsules à avaler de Tearney contiennent des microscopes miniatures. Ils sont attachés à une attache souple en forme de chaîne qui fournit puissance et lumière tout en envoyant des images à une console de type mallette avec un moniteur. Cela permet à l’agent de santé de suspendre la capsule aux points d’intérêt et de la retirer une fois terminée, ce qui permet de la stériliser et de la réutiliser. (Bien que cela semble induire un bâillon, l’équipe de Tearney a développé une technique qui, selon eux, ne cause pas d’inconfort.) Il peut également transporter des technologies qui imagent la totalité de la surface du tube digestif à la résolution d’une seule cellule ou capturent en trois dimensions sections transversales de quelques millimètres de profondeur.

La technologie a plusieurs applications; à l’HGM, il sert à dépister l’œsophage de Barrett, précurseur du cancer de l’œsophage. Pour EED, l’équipe de Tearney a développé une version encore plus petite pour les nourrissons qui ne peuvent pas avaler une pilule. Il a été testé sur des adolescents au Pakistan, où l’EED est répandu, et des tests pour nourrissons sont prévus pour 2019.

La petite sonde aidera les chercheurs à répondre aux questions sur le développement de l’EED – telles que les cellules affectées et les bactéries impliquées – et à évaluer les interventions et les traitements potentiels. –Courtney Humphries

Vaccins contre le cancer personnalisés

Le traitement incite les défenses naturelles du corps à ne détruire que les cellules cancéreuses en identifiant des mutations propres à chaque tumeur

Les scientifiques sont sur le point de commercialiser le premier vaccin personnalisé contre le cancer. S’il fonctionne comme espéré, le vaccin, qui déclenche le système immunitaire d’une personne pour identifier une tumeur par ses mutations uniques, pourrait effectivement arrêter de nombreux types de cancers.

En utilisant les défenses naturelles de l’organisme pour détruire sélectivement uniquement les cellules tumorales, le vaccin, contrairement aux chimiothérapies conventionnelles, limite les dommages aux cellules saines. Les cellules immunitaires attaquantes pourraient également être vigilantes pour repérer les cellules cancéreuses errantes après le traitement initial.

La possibilité de tels vaccins a commencé à prendre forme en 2008, cinq ans après l’achèvement du projet sur le génome humain, lorsque les généticiens ont publié la première séquence d’une cellule tumorale cancéreuse.

Peu de temps après, les enquêteurs ont commencé à comparer l’ADN des cellules tumorales avec celui des cellules saines et d’autres cellules tumorales. Ces études ont confirmé que toutes les cellules cancéreuses contiennent des centaines, voire des milliers de mutations spécifiques, dont la plupart sont propres à chaque tumeur.

Quelques années plus tard, une start-up allemande appelée BioNTech a fourni des preuves convaincantes qu’un vaccin contenant des copies de ces mutations pourrait catalyser le système immunitaire du corps pour produire des cellules T prêtes à rechercher, attaquer et détruire toutes les cellules cancéreuses qui les hébergent.

En décembre 2017, BioNTech a commencé un grand test du vaccin chez des patients cancéreux, en collaboration avec le géant des biotechnologies Genentech. L’essai en cours vise au moins 10 cancers solides et vise à recruter plus de 560 patients dans des sites à travers le monde.

Les deux sociétés conçoivent de nouvelles techniques de fabrication pour produire des milliers de vaccins personnalisés sur mesure à moindre coût et rapidement. Cela sera délicat car la création du vaccin implique la réalisation d’une biopsie sur la tumeur du patient, le séquençage et l’analyse de son ADN, et la précipitation de ces informations vers le site de production. Une fois produit, le vaccin doit être livré rapidement à l’hôpital; les retards pourraient être mortels. –Adam Piore

Le burger sans vache

Les alternatives cultivées en laboratoire et à base de plantes se rapprochent du goût et de la valeur nutritive de la vraie viande sans la dévastation environnementale.

L’ONU prévoit que le monde comptera 9,8 milliards de personnes d’ici 2050. Et ces personnes s’enrichissent. Aucune de ces tendances n’est de bon augure pour le changement climatique, en particulier parce que les gens qui échappent à la pauvreté ont tendance à manger plus de viande.

À cette date, selon les prévisions, les humains consommeront 70% de viande de plus qu’en 2005. Et il s’avère que l’élevage d’animaux pour la consommation humaine est l’une des pires choses que nous faisons à l’environnement.

Selon l’animal, produire une livre de protéines de viande avec les méthodes industrialisées occidentales nécessite 4 à 25 fois plus d’eau, 6 à 17 fois plus de terres et 6 à 20 fois plus de combustibles fossiles que la production d’une livre de protéines végétales.

Le problème est que les gens ne sont pas susceptibles d’arrêter de manger de la viande de si tôt. Ce qui signifie que des alternatives cultivées en laboratoire et à base de plantes pourraient être le meilleur moyen de limiter la destruction.

La fabrication de viande cultivée en laboratoire implique d’extraire le tissu musculaire des animaux et de le cultiver dans des bioréacteurs. Le produit final ressemble beaucoup à ce que vous obtiendriez d’un animal, bien que les chercheurs travaillent toujours sur le goût. Des chercheurs de l’Université de Maastricht aux Pays-Bas, qui travaillent à produire de la viande cultivée en laboratoire à grande échelle, pensent qu’ils auront un hamburger cultivé en laboratoire d’ici l’année prochaine. Un inconvénient de la viande cultivée en laboratoire est que les avantages environnementaux sont au mieux encore sommaires – un récent rapport du Forum économique mondial indique que les émissions de viande cultivée en laboratoire ne seraient que d’environ 7% inférieures aux émissions de la production de viande bovine.

Le meilleur cas environnemental peut être fait pour les viandes à base de plantes d’entreprises comme Beyond Meat et Impossible Foods (Bill Gates est un investisseur dans les deux sociétés), qui utilisent des protéines de pois, du soja, du blé, des pommes de terre et des huiles végétales pour imiter la texture et goût de viande animale.

Beyond Meat possède une nouvelle usine de 26 000 pieds carrés (2 400 mètres carrés) en Californie et a déjà vendu plus de 25 millions de hamburgers dans 30 000 magasins et restaurants. Selon une analyse du Center for Sustainable Systems de l’Université du Michigan, un pâté Beyond Meat générerait probablement 90% moins d’émissions de gaz à effet de serre qu’un hamburger conventionnel fabriqué à partir d’une vache. –Markkus Rovito

Capteur de dioxyde de carbone

Des moyens pratiques et abordables de capturer le dioxyde de carbone de l’air peuvent absorber les émissions excessives de gaz à effet de serre.

Même si nous ralentissons les émissions de dioxyde de carbone, l’effet de réchauffement des gaz à effet de serre peut persister pendant des milliers d’années. Pour empêcher une augmentation dangereuse des températures, conclut le panel climatique de l’ONU, le monde devra éliminer jusqu’à 1 billion de tonnes de dioxyde de carbone de l’atmosphère ce siècle.

Dans une découverte surprise de l’été dernier, le spécialiste du climat de Harvard, David Keith, a calculé que les machines pourraient, en théorie, retirer cela pour moins de 100 $ la tonne, grâce à une approche connue sous le nom de capture directe de l’air. C’est un ordre de grandeur moins cher que les estimations précédentes qui ont conduit de nombreux scientifiques à rejeter la technologie comme beaucoup trop chère, même s’il faudra encore des années pour que les coûts tombent à un niveau proche de ce niveau.

Mais une fois que vous capturez le carbone, vous devez encore savoir quoi en faire.

Carbon Engineering, la start-up canadienne Keith cofondée en 2009, prévoit d’agrandir son usine pilote pour augmenter la production de ses carburants synthétiques, en utilisant le dioxyde de carbone capturé comme ingrédient clé. (Bill Gates est un investisseur dans Carbon Engineering.)

L’usine de capture directe d’air de Zurich, Climeworks, en Italie, produira du méthane à partir du dioxyde de carbone et de l’hydrogène capturés, tandis qu’une deuxième usine en Suisse vendra du dioxyde de carbone à l’industrie des boissons non alcoolisées. Il en sera de même du Global Thermostat de New York, qui a terminé la construction de sa première usine commerciale en Alabama l’an dernier.

Pourtant, s’il est utilisé dans des carburants synthétiques ou des sodas, le dioxyde de carbone se retrouvera principalement dans l’atmosphère. Le but ultime est de bloquer à jamais les gaz à effet de serre. Certains pourraient être imbriqués dans des produits comme la fibre de carbone, les polymères ou le béton, mais beaucoup plus devront simplement être enfouis sous terre, un travail coûteux qu’aucun modèle commercial ne semble susceptible de soutenir.

En fait, en tirant le CO₂ du point de vue de l’ingénierie est l’un des moyens les plus difficiles et les plus coûteux de faire face au changement climatique. Mais étant donné la lenteur avec laquelle nous réduisons les émissions, il ne reste plus de bonnes options. –James Temple

Un ECG à votre poignet

L’approbation réglementaire et les progrès technologiques permettent aux gens de surveiller plus facilement leur cœur avec des appareils portables.

Les trackers de fitness ne sont pas des appareils médicaux sérieux. Un entraînement intense ou une bande lâche peut perturber les capteurs qui lisent votre pouls. Mais un électrocardiogramme – le genre de médecins qui utilisent pour diagnostiquer les anomalies avant qu’elles ne provoquent un accident vasculaire cérébral ou une crise cardiaque – nécessite une visite à la clinique, et les gens échouent souvent à passer le test à temps.

Les montres intelligentes à ECG, rendues possibles par les nouvelles réglementations et les innovations matérielles et logicielles, offrent la commodité d’un appareil portable avec quelque chose de plus proche de la précision d’un appareil médical.

Un groupe compatible Apple Watch de la startup AliveCor de la Silicon Valley qui peut détecter la fibrillation auriculaire, une cause fréquente de caillots sanguins et d’accidents vasculaires cérébraux, a reçu l’autorisation de la FDA en 2017. L’an dernier, Apple a publié sa propre fonctionnalité ECG approuvée par la FDA, intégrée dans le se regarder.

La société d’appareils de santé Withings a également annoncé son projet d’une montre équipée d’un ECG peu de temps après.
Les appareils portables actuels n’utilisent toujours qu’un seul capteur, alors qu’un véritable ECG en a 12. Et aucun appareil portable ne peut encore détecter une crise cardiaque en cours.

Mais cela pourrait bientôt changer. L’automne dernier, AliveCor a présenté des résultats préliminaires à l’American Heart Association sur une application et un système à deux capteurs qui peuvent détecter un certain type de crise cardiaque. –Karen Hao

Assainissement sans égouts

Les toilettes économes en énergie peuvent fonctionner sans système d’égout et traiter les déchets sur place.

Environ 2,3 milliards de personnes n’ont pas un bon assainissement. Le manque de toilettes adéquates encourage les gens à déverser des matières fécales dans les étangs et ruisseaux à proximité, propageant des bactéries, des virus et des parasites qui peuvent provoquer la diarrhée et le choléra. La diarrhée provoque un décès d’enfants sur neuf dans le monde.

Maintenant, les chercheurs travaillent à construire un nouveau type de toilettes qui soit suffisamment bon marché pour le monde en développement et qui peut non seulement éliminer les déchets, mais aussi les traiter.

En 2011, Bill Gates a créé ce qui était essentiellement le X Prize dans ce domaine: le Reinvent the Toilet Challenge. Depuis le lancement du concours, plusieurs équipes ont mis des prototypes sur le terrain. Tous traitent les déchets localement, il n’ya donc pas besoin de grandes quantités d’eau pour les transporter dans une usine de traitement éloignée.

La plupart des prototypes sont autonomes et n’ont pas besoin d’égouts, mais ils ressemblent à des toilettes traditionnelles logées dans de petits bâtiments ou des conteneurs de stockage. Les toilettes NEWgenerator, conçues à l’Université de Floride du Sud, filtrent les polluants avec une membrane anaérobie, qui a des pores plus petits que les bactéries et les virus. Un autre projet, de Biomass Controls basé au Connecticut, est une raffinerie de la taille d’un conteneur d’expédition; il chauffe les déchets pour produire un matériau riche en carbone qui peut, entre autres, fertiliser le sol.

Un inconvénient est que les toilettes ne fonctionnent pas à toutes les échelles. Le produit Biomass Controls, par exemple, est conçu principalement pour des dizaines de milliers d’utilisateurs par jour, ce qui le rend moins bien adapté aux petits villages. Un autre système, développé à Duke University, est destiné à être utilisé uniquement par quelques foyers à proximité.

Le défi consiste donc maintenant à rendre ces toilettes moins chères et plus adaptables à des communautés de tailles différentes. «C’est formidable de construire une ou deux unités», déclare Daniel Yeh, professeur agrégé à l’Université de Floride du Sud, qui dirigeait l’équipe NEWgenerator. « Mais pour vraiment que la technologie ait un impact sur le monde, la seule façon de le faire est de produire en masse les unités. » –Erin Winick

Assistants IA fluides

De nouvelles techniques qui capturent les relations sémantiques entre les mots améliorent la compréhension du langage naturel par les machines.

Nous sommes habitués aux assistants IA – Alexa jouant de la musique dans le salon, Siri réglant les alarmes sur votre téléphone – mais ils n’ont pas vraiment été à la hauteur de leur prétendu intelligence. Ils étaient censés avoir simplifié nos vies, mais ils ont à peine fait une brèche. Ils ne reconnaissent qu’une gamme étroite de directives et sont facilement déclenchés par des écarts.

Mais certaines avancées récentes sont sur le point d’élargir le répertoire de votre assistant numérique. En juin 2018, des chercheurs d’OpenAI ont développé une technique qui forme une IA sur du texte sans étiquette pour éviter les frais et le temps de catégoriser et de marquer toutes les données manuellement. Quelques mois plus tard, une équipe de Google a dévoilé un système appelé BERT qui a appris à prédire les mots manquants en étudiant des millions de phrases. Dans un test à choix multiples, il a réussi aussi bien que les humains à combler les lacunes.

Ces améliorations, associées à une meilleure synthèse vocale, nous permettent de passer des commandes simples aux assistants IA à des conversations avec eux. Ils pourront gérer les minuties quotidiennes comme prendre des notes de réunion, trouver des informations ou faire des achats en ligne.

Certains sont déjà là. Google Duplex, la mise à niveau étrangement humaine de Google Assistant, peut prendre vos appels pour filtrer les spammeurs et les télévendeurs. Il peut également vous appeler pour planifier des réservations de restaurant ou des rendez-vous de salon.

En Chine, les consommateurs s’habituent à AliMe d’Alibaba, qui coordonne les livraisons de colis par téléphone et négocie le prix des marchandises par chat.

Mais bien que les programmes d’IA soient devenus meilleurs pour comprendre ce que vous voulez, ils ne peuvent toujours pas comprendre une phrase. Les lignes sont scriptées ou générées statistiquement, reflétant à quel point il est difficile d’imprégner les machines d’une véritable compréhension du langage. Une fois que nous aurons franchi cet obstacle, nous verrons encore une autre évolution, peut-être du coordinateur de la logistique à la baby-sitter, au professeur ou même à un ami? –Karen Hao