我们这里有个信条：未来会更好。考虑到我们令人沮丧的环境和摇摇欲坠的经济，这听起来可能过于乐观，但那是因为你还没见过“杰出十人”——《大众科学》每年选出的全国最有前途的年轻研究人员。
他们是让我们看到光明面的十个强有力的理由。以材料科学家徐婷（Ting Xu）为例。她正利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。约翰·林恩（John Rinn）正在解开 RNA 的秘密，以增强我们的健康，这是解决我们医疗保健困境的重要一步。杰罗姆·林奇（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性缺陷。而这些天才中，没有一个人超过 40 岁。我们承认，世界正面临一些相当大的问题，但有了这些才华横溢的人在解决它们，你能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仅仅模仿生物，还在生物最优雅高效的原理基础上进行了改进。
姓名：丹尼斯·鸿（Dennis Hong）
年龄 38
所属机构：弗吉尼亚理工学院
1977 年，一位 6 岁的男孩从韩国来到洛杉矶，第一次看到了《星球大战》。他目瞪口呆地看着 R2-D2 奇特的移动方式和 C-3PO 与机器人的人类互动，在乘飞机回国的路上，丹尼斯·鸿回忆说：“我知道我将为我的一生制造机器人。”
鸿出生在加利福尼亚，但在他三岁时，他的父亲，一位航空航天工程师，为了工作举家搬到了首尔。鸿在那里生活直到大学二年级，然后转到威斯康星大学，之后进入普渡大学攻读研究生。“所有课程都是机械工程，专注于机器人技术，”他说。
如今，鸿负责弗吉尼亚理工学院的机器人与机构实验室，该实验室已研制出足够灵巧以抓取鸡蛋的机械手、用于建筑检查的爬杆蛇形机器人，以及一个依靠动量推进的三腿机器人等项目。
“当我加入弗吉尼亚理工学院时，人们认为机器人技术应该完全是关于智能的，”鸿说。相反，他选择专注于自然界中的机械系统。“我们不是在模仿自然；我们是在利用它的原理，”他解释道。例如，三腿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。机械手通过压缩空气控制，无需使用其他电机即可改变抓握力的大小，这与人类的抓握方式类似，依靠弹性韧带来帮助手指弯曲。
他的实验室最新的研究项目是一个名为 CHARLI（认知人形自主学习智能机器人）的仿人机器人。它作为研究平台，用于研究人类运动，并参加 2010 年机器人世界杯足球赛。
最终，鸿希望能够设计出像人类一样优雅且适应性强的机器人。他认为关键在于不受约束的研究。鸿回忆说：“我在韩国长大，那里的环境是人们害怕或羞于表达意见。在我的实验室里，没有批评，只有改进。你想在你的机器人里装一个核反应堆？好吧，让我们来试试。”
鸿以身作则，他有一种有条理的方式来利用自己最不受约束的想法。“床边放着一个笔记本和一支笔，”他说。“每晚，我都会看到脑海中闪过一些线条，五颜六色的东西。我凌晨 4 点醒来，把所有东西都记下来。早上，我将它们输入我的想法数据库。当资助者需要这个或那个时，我就会寻找匹配项。”——雅各布·沃德（Jacob Ward）
追星者
杰出之处：她发现了围绕我们银河系的几乎看不见的星系，以及主导它们的神秘暗物质。
姓名：玛拉·盖哈（Marla Geha）
年龄 35
所属机构：耶鲁大学
玛拉·盖哈的头衔取决于她问谁。“如果我在飞机上，我倾向于说我是物理学家，”她说。“那样就没有人想和我说话了。”当她觉得需要给某人留下深刻印象时，她就说自己是天体物理学家。当她不介意进行两小时的谈话时，她告诉他们自己是天文学家。
事实上，她三者都是。盖哈现在是耶鲁大学的教授，她白天（当然还有晚上）都在试图识别可能比银河系形成更早的微弱星系。银河系演化的模拟预测大约有 1000 个这样的形成体。五年前盖哈出现时，天文学家只发现了其中的 11 个。她和其他人相信还有更多存在，但由于这些星系主要由暗物质组成，它们隐藏了起来。暗物质是指宇宙中那些不发光但却占据宇宙总质量 90% 到 95% 的物质。
为了解决所谓的“卫星丢失问题”，盖哈仔细研究了天空的数字地图，寻找星星异常集中的区域。然后她 painstaking 地测量了每颗恒星的速度。令她惊讶的是，她发现这些恒星的运动速度相对于它们的大小来说太快了——这是暗物质可能在吸引它们的诱人证据。
到目前为止，盖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关于宇宙如何形成的现有理论，并可能在此过程中帮助其他领域全面定义暗物质。“天文学家和粒子物理学家之间交流不多，”她说。未来，她将是那个开始对话的人。——道格·坎托（Doug Cantor）
能量人
杰出之处：她将分子转化为具有巨大存储容量的微型硬盘。
姓名：徐婷（Ting Xu）
年龄 35
所属机构：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患上了严重的头痛，医生担心她可能患有脑瘤。但一位神经科医生提出了一个更简单的原因。也许可以减少每天在实验室 16 小时的工作时间，多睡觉，甚至按时吃饭？
徐婷此后放缓了工作节奏，但效率并未降低。今年早些时候，她联合发表了一篇论文，描述了一种新的技术，该技术能促使微小的聚合物链自组装成具有精确图案的 10 万亿个圆柱体。该方法可能产生一张四分之一美元大小的磁盘，可存储 175 张 DVD 的数据——即 7 太比特。然后她调整了这项技术，使其可用于构建一系列基于纳米粒子的设备——超高效的光伏电池和储能系统，以及更高分辨率的柔性显示器。马萨诸塞大学的聚合物物理学家托马斯·罗素（Thomas Russell）表示，徐婷聪明、勤奋、知识渊博，但更重要的是，“她有想象力。”
而且是年轻人的想象力。她喜欢《变形金刚》。她是《猫和老鼠》的忠实粉丝——看着这对争斗的猫鼠搭档有助于她思考。就像她的卡通英雄一样，中国出生的徐婷一直很不安分。她小时候打排球和跑步，但这些都无法让她筋疲力尽。她父亲会提议增加她的零花钱，如果她能坐着超过 15 分钟。他从来不用付钱，而这种精力至今仍驱动着她。
在报道了她与罗素共同创造的自组装方法后，徐婷立即看到了更大的潜力。她意识到，这些链条可以作为微小的起重机，排列更小的建筑材料，并制造出超小型电子设备和纸一样薄的可打印太阳能电池。在她最近的工作中，徐婷将自组装聚合物与纳米颗粒结合起来。通过迫使这些颗粒承担聚合物的底层顺序，她设法让数万亿的颗粒按照她想要的方式精确排列。
徐婷希望这项工作能让太阳能电池相对于化石燃料具有竞争优势，但在此期间她不会休息。她一直在寻找新的想法，设计实验，希望能够惊喜到自己，而不仅仅是证实现有理论。“科学重要的是要从不同的角度去思考，而不是从同一个角度，”她说。“否则你就会在帮别人粉刷房子。”——格雷戈里·莫恩（Gregory Mone）
精神信使
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（Adam Wilson）
年龄 28
所属机构：纽约州卫生部沃兹沃思中心
去年四月，亚当·威尔逊成为第一个在社交网站 Twitter 上发送心灵感应信息的人。他写道：“使用脑电图发送推文”，指的是他用来记录大脑电信号的脑电图。他戴着一个镶嵌有电极的红色头套，这些电极连接到电脑上，通过让他专注于屏幕上闪烁的字母来拼出他的信息。
除了超感官的推文，威尔逊对这项技术的更深远的目标是帮助那些失去沟通能力的人，无论是由于中风还是脊髓损伤。他现在正在开发强大的脑机接口，将电极连接到大脑皮层，即头骨下方的褶皱组织，那里的信号比他在 Twitter 实验中使用的脑电图技术更强。受到他对音乐的迷恋的启发——威尔逊从七年级开始弹吉他——他的新系统可以利用大脑中控制听觉刺激反应的区域，让神经系统疾病患者只需通过想象手机铃声就能控制电脑光标。
他的下一个挑战是设计无缝的无线系统，有朝一日能够破译复杂的思想——也许能足以帮助他的偶像，物理学家斯蒂芬·霍金，他因患有肌萎缩侧索硬化症而几乎完全瘫痪，让他仅凭思想就能开门或操控轮椅。威尔逊说：“我很想和他一起工作。”——梅琳达·韦纳（Melinda Wenner）
规则破坏者
杰出之处：一个辍学滑板爱好者变身生物学精英，他正证明“垃圾” RNA 是人类健康的潜在关键。
姓名：约翰·林恩（John Rinn）
年龄 33
所属机构：哈佛大学/贝斯以色列女执事医疗中心
约翰·林恩一直以来都与传统格格不入。成长过程中，滑板和滑雪板比学习更重要——他四年读了四所高中，直到他母亲承诺给他一辆车才毕业。他去了明尼苏达大学上大学，因为那似乎是参加派对和滑雪的借口。但在大二那年因滑雪受伤卧床不起后，林恩突然醒悟，受到安·兰德《源泉》中特立独行的建筑师霍华德·罗克（Howard Roark）的启发。“我能做什么让我如此投入？”他问自己。他开始沉浸在生物学课程中，并意识到他不仅有科学天赋，而且实际上很喜欢科学。他大多得了 A，并很快发现了将激励他未来职业的东西：RNA。
科学并没有减弱林恩反叛的一面。他已经颠覆了生物学家对人类基因组的看法。虽然 RNA 与 DNA 类似，但一直被认为是 DNA 的助手；它最著名的作用是将基因转化为蛋白质。其中一些甚至被认为没有任何功能，相当于细胞中的垃圾。但在 2003 年，在耶鲁大学读研究生期间，林恩发现了数千种新型 RNA，称为大型内含非编码 RNA（LINCs），后来证明它们在基因调控中扮演的不仅仅是辅助角色——它们似乎在指挥整个过程。当时，这种说法被认为是有争议的，甚至是荒谬的。“又是一样的事情——‘你所热爱的东西是愚蠢的’，”林恩说。“经典科学还没有准备好迎接这一切。几乎没有人准备好。”
2007 年，他证明了其中一种 LINCs 在人体细胞中起着至关重要的作用，从而 silencing 了批评者。他将其命名为 HOTAIR，是对许多科学家认为他的研究领域都是“胡说八道”的嘲讽回应。这种分子将蛋白质输送到一个关键的基因簇，并帮助调控免疫反应、癌症生长以及脂肪和干细胞的产生等。林恩说：“如果我们能破译它们的密码，我们就能设计这些分子来屈服于基因组的意志。这将是治疗学和人类健康的一个全新层面。”
高功能 RNA 并非他唯一的发现。2006 年，他回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表现？通过比较身体各处细胞表达的基因，他发现了一种遗传密码，可以定位和重定向细胞。
他仍在寻找 LINCs，希望它们能揭示细胞的秘密。最终，林恩热爱遗传学与他热爱滑雪的原因相同：“我想把旧的东西，扭转它，从中获得新的东西。”——梅琳达·韦纳（Melinda Wenner）
碰撞测试假人杀手
杰出之处：他的软件使飞机、火车和汽车的出行更加安全。
姓名：安德烈·普拉策（André Platzer）
年龄 30
所属机构：卡内基梅隆大学
偶尔，一项至关重要的创新会出现，让我们难以想象没有它的生活。想想安全带、抗生素、消防水龙带。现在，再加上安德烈·普拉策的 KeYmaera，一款帮助计算机控制的安全系统避免灾难性错误的软件。
普拉策现在是卡内基梅隆大学的计算机科学家，他在德国长大，他曾是一位技艺精湛的交谊舞者。“我赢了几场比赛，”他说。“但我对计算机着迷，它开始占用了我的时间。”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可能如何失效。当他发现没有模型能够测试超过少数几种情况时，他开发了 KeYmaera。在此之前，美国联邦航空管理局（FAA）的一项防碰撞建议会告诉两架接近且航线相交的飞机分别向右转，飞行半圈，再向右转以避免碰撞。当 KeYmaera 测试飞机在不同空速、高度和轨迹下的情况时，它发现，在极少数情况下，该协议实际上可能使飞机发生碰撞。普拉策将替代方案输入 KeYmaera，直到它验证了一个更安全的绕行机动。他的软件还对欧洲高速列车系统和汽车自适应巡航控制的模型进行了潜在的救生修正。“在你花费 10 亿美元购买一套系统之前，”他指出，“最好确保它能正常工作。”——比约恩·凯里（Bjorn Carey）
飞行病毒猎手
杰出之处：她揭示了致命病毒的遗传秘密，现在她将她的科学智慧带入太空，成为一名宇航员。
姓名：凯特·鲁宾斯（Kate Rubins）
年龄 31
所属机构：麻省理工学院怀特海德研究所
小时候，凯特·鲁宾斯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 岁时就参加了太空营，为她的训练打下基础。然后她得知了一个令人失望的消息，当时飞行员职位对女性来说是不允许的。
她的父母暗地里希望女儿选择一个更安全的事业，但到了高中，鲁宾斯已经将目标锁定在另一个危险的职业：猎杀致命病毒。这一次，没有任何玻璃天花板阻碍她。1999 年，鲁宾斯在加州大学圣地亚哥分校读本科时发表了她的第一篇关于 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首个用于测试天花（一种曾导致数百万人死亡，在 1980 年被根除的瘟疫）的动物模型。鲁宾斯的工作使得研究病毒如何在活体组织中逃避免疫系统成为可能，这是朝着开发新药物和疫苗迈出的重要一步，以防恐怖分子 somehow 获得两种已知天花样本之一。是这种改变世界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另一种瘟疫——猴痘，它目前在非洲已达到流行规模。作为天花的一种近亲，这种病毒在猴子和啮齿动物身上普遍存在，但可以通过屠宰或食用丛林肉传播给人类，导致面部溃疡、失明甚至死亡。在她担任麻省理工学院怀特海德研究员期间，鲁宾斯花了数月时间在刚果民主共和国的偏远丛林中，偶尔吃虫子（她的座右铭是：“人们提供什么，我就吃什么”），试图弄清楚为什么这种疾病似乎传播得如此之快。该地区欠发达的卫生基础设施使得感染率难以确定，但病例数量的增加表明病毒正在增强。
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，并且结果往往不完整，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。问题在于病毒可能因生长介质而发生变异，因此最终的病毒种群可能与感染非洲人民的病毒几乎没有相似之处。鲁宾斯想到的办法是跳过组织培养步骤，转而依靠一种新的高性能 DNA 测序仪来扩增所有遗传物质。然后，她设计了实验室协议和算法，将猴痘病毒与人类细胞区分开来。整个过程不到五天，并产生了鲁宾斯称之为“惊人”数量的病毒遗传数据。
如今，美国空军不再禁止女性战斗机飞行员。这项政策在 1993 年发生了变化，但那时鲁宾斯已经继续前进。她从来不是那种坐等时机改变的人。今年秋天，当她的团队继续在非洲工作时，鲁宾斯终于有机会实现她童年的梦想，她将加入 NASA 的第 20 届宇航员班，接受训练，成为首批驾驶“猎户座”飞船（参见第 42 页）的宇航员之一。她从数千名候选人中脱颖而出，她说她全速发展的爱好，如跳伞和潜水，更不用说她在危险环境中茁壮成长的能力，使她与众不同。当被问及对驾驶新飞船前往月球的前景是否感到紧张时，鲁宾斯平静地笑了。“一点也不。我想成为第一个驾驶它的人，对吧？我只是太激动了。”——妮可·戴尔（Nicole Dyer）
牙齿侦探
杰出之处：他对古代饮食习惯的研究有助于解开人类进化的奥秘。
姓名：内森尼尔·多米尼（Nathaniel Dominy）
年龄 33
所属机构：加州大学圣克鲁兹分校
内特·多米尼（Nate Dominy）在一次与解剖学教授的大学研究旅行中，在哥斯达黎加找到了他的使命。作为约翰霍普金斯大学的橄榄球运动员，多米尼被分配了捕捉从树上掉下来的小型迷药猴子的体力劳动。“你有一个移动的目标，完全失去知觉，手里拿着网，”他解释道。当他第二年夏天再次去时，他想的不仅仅是猴子是如何掉下来的，而是开始通过研究猴子的牙齿来破译它们的饮食习惯。“我迅速了解了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。“我享受了每一分钟。”
在经历了研究食物和牙齿的转型经历十年后，多米尼现在是一位开拓者。作为加州大学圣克鲁兹分校的人类学副教授，他致力于回答人类学中最重要的问题之一：现代人类是如何从类猿祖先进化而来的？
多米尼认为食物起着至关重要的作用，他最近帮助解开了食物在进化中作用的十年之谜。1999 年，科学家们分析了我们三百万年前的灵长类祖先南方古猿的牙齿化石，寻找揭示饮食习惯的化学模式。他们的发现表明，草以及吃草的动物是主要的食物来源。但化石的大小和形状表明了截然不同的情况——我们的祖先花费更多时间咀嚼坚硬、易碎的食物，例如高淀粉的草根。
多米尼认为，这些富含卡路里的蔬菜可能是进化的燃料，提供了足够的能量让我们能够智胜食肉动物，发明更智能的方法来忍受恶劣环境，并最终繁衍后代。2007 年，他发现了进一步支持这一理论的证据，表明完全以块茎为食的古代和现代非洲鼹鼠的牙齿与我们祖先的化学成分相同。
今年，多米尼希望解开另一个谜团：为什么有些人种比其他人高？10 月，他前往乌干达，从两个平均身高不到五英尺的俾格米部落 Twa 和 Sua 收集 DNA。他认为矮小的身材有助于人们在茂密的丛林中穿行并保持凉爽。没有人测试过这个想法，当他谈论它时，多米尼听起来既兴奋又有点难以置信，竟然没有人抓住这个机会。“体型是生存的关键。它影响我们吃的食物、我们的繁殖、我们的新陈代谢，”他说。“现在是 2009 年了，我们仍然不知道它为什么变化如此之大。”——梅琳达·韦纳（Melinda Wenner）
微观世界大师
杰出之处：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（Michael Strano）
年龄 33
所属机构：麻省理工学院
当迈克尔·斯特拉诺还在莱斯大学做博士后研究员时，他的导师给了他一个简单的建议。“他告诉我，‘看看学科交叉的领域’，”斯特拉诺说。八年后，他已成为麻省理工学院的终身教授，也是量子限制材料领域的世界领先研究员之一，这一纳米技术领域有潜力彻底改变癌症医学、太阳能、电子产品等。
量子限制材料的力量来源于其微小的尺寸。例如，单层碳原子，即石墨烯，其性质与普通碳完全不同。在铜线等导体中，电子只是缓慢地移动。但在石墨烯中，电子的移动速度接近光速。“这就像一个微型粒子加速器，”斯特拉诺说。石墨烯可以成为最终的太阳能电池板导体；它导电性强，价格适中，而且非常薄，对光透明。“这是我们能想象到的最薄的导体，”他说。
他特别着迷于碳纳米管的医疗潜力。这些微小的结构会发出近红外光，这种光可以无害地穿透人体组织。注入细胞后，它们可以用作生物传感器，灵敏度极高，可以检测到单个潜在有害化学物质分子的存在。
考虑到斯特拉诺的长长的待办事项清单，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？“科学几乎就是我的爱好，”他说。——赛斯·弗莱彻（Seth Fletcher）
桥梁低语者
杰出之处：他的桥梁传感器可以捕捉人眼看不见的结构缺陷。
姓名：杰罗姆·林奇（Jerome Lynch）
年龄 34
所属机构：密歇根大学
杰瑞·林奇（Jerry Lynch）为自己的职业感到自豪。例如，他喜欢指出，美国有超过 60 万座桥梁，而且故障极其罕见。“我们有一个非常非常好的记录，”他说。“我们是一群勤奋的人，土木工程师。”但当发生故障时，就会发生非常糟糕的事情——就像 2007 年明尼阿波利斯 I-35W 大桥倒塌，造成 13 人死亡，原因是用作连接承重梁的斜接板有缺陷一样。正是这些灾难性的故障促使林奇，这位密歇根大学的工程学教授，不断思考事物是如何组合在一起的，以及如何防止它们分开。
他提出的解决结构性故障（如 I-35W 大桥的故障）的方法是使用“传感器皮肤”，它可以持续监测薄弱点，并在问题变得危险之前向检查员发出警报。“如果我们能提前看到大型结构性故障，那不是很好吗？”他说。
如今，美国为数不多的拥有某种传感器的桥梁通常只监测地震活动，这主要是因为用足够的设备为桥梁布线以监测多种威胁的成本太高。“金门大桥长达一英里多，”林奇说。“所需的特殊管道每英尺成本为 10 美元，而一个传感器可能要花费数千美元。”因此，工程师们通常依赖每两年一次的目视检查。
林奇的传感器连接到无线节点，这些节点与其他桥梁上的节点通信，自行处理数据，并通过蜂窝数据连接将潜在问题中继回当地检查员办公室。每个传感器由高达一英尺平方、厚度仅几微米的聚合物片组成，覆盖关键结构部件，例如在明尼阿波利斯发生故障的斜接板。在预设的时间间隔或根据检查员的命令，一个小型微处理器可以通过嵌入在纸张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、载荷以及数十种其他应力迹象。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，但仅仅是无线的这一事实将使其部署成本低于今天的传感器，并消除与不必要检查相关的成本。
林奇知道如何明智地利用时间。这位出生在纽约皇后区的他，在斯坦福大学获得了土木工程硕士和博士学位，然后又获得了第二个电气工程硕士学位。9·11 事件后，他创办了一家公司来建造无线基础设施传感器，然后离开去密歇根大学任教，在那里他在工作的第二年被评为年度教授。“林奇博士可能是他在职业生涯早期阶段最受同行尊敬的学者，”斯坦福大学结构工程学教授金乔·劳（Kincho Law）说道。
林奇的传感器皮肤将在明年离开实验室，在密歇根州的三座公路桥和韩国的三座桥梁上进行测试。他已经开始研究一种油漆状的版本，可以应用于任何需要监测的东西，从飞机到管道，以及一个版本，可以从其涂覆物的振动中自行发电。“目视检查存在固有的不确定性，”林奇说。“我们需要更好的工具来密切关注事物。”——迈克·哈尼（Mike Haney）
