TR35 - alla 35aastaste silmapaistvate novaatorite klubi

Tänavu esitleb Technology Review juba seitsmendat korda alla 35aastaste silmapaistvate novaatorite klubi. Saage tuttavaks sihiteadlike loovisiksustega, kelleta meditsiin, infotehnoloogia, side ja energeetika poleks tänasel päeval seal, kus nad on. Nende inimeste tööst sõltub meie tehnoloogiate tulevik.;Sel aastal alustasime rohkem kui 300 nominendiga. Neist 35 välja sõelumine oli keeruline ülesanne, mis tõi kaasa tuliseid vaidlusi koosolekulaudade taga ja koridorides.;Tulemuseks on loominguliste ja sihiteadlike inimeste kirev seltskond, kes on toonud uut hingamist mitmetesse eri valdkondadesse alates energiatootmisest ja sotsiaalsetest võrgustikest ning lõpetades enne­aegsete vastsündinute transpordi ja veebis surfamisega. On ka selliseid probleeme, mis on paelunud rohkem kui üht meie väljavalituist – nimetagem vähkkasvajate ravi, sõltuvuse vähendamist mittetaastuvatest energiaallikatest, internetitoimingute turvalisust ja privaatsust ning kasulike infotehnoloogiliste ressursside kättesaadavaks muutmist vaesele elanikkonnale. Tänu nii nutikatele noortele inimestele võib tsivilisatsiooni tulevik tõepoolest kujuneda helgemaks, kui mõnigi meist on seni arvanud. Järgnevalt tutvustab TR35 teile kõige eeskujulikumaid noori teadlasi, kelle tegevus on suunatud otseselt inimelude päästmisele või siis meie igapäevase elu rikastamisele.

David Berry, 29
Flagship Ventures

Taastuvkütused mikroobide abiga
Stephen S. Hall

David Berry istub ühes Manhattani kohvikus, põiganud siia väikesele lõunapausile vastasmajas toimuvalt CO-kvootide teemaliselt konverentsilt. Tema tähelepanu tõmbab televiisoris näidatav uudisklipp. CNNi klipis räägitakse, et teadlased on loomkatsete abil kindlaks teinud, et Viagrat saab kasutada lennuväsimusega seotud vaevuste leevendamiseks.

“Huvitav,” turtsatab ta naerda, uuesti silmi ekraanile pöörates. “Meil oli juba umbes aasta tagasi juttu, et Viagrat saaks kasutada lennuväsimusest tingitud probleemide puhul.” Viagra üks meditsiinikirjanduses sagedasti kirjeldatud kõrvaltoimeid on sinise valguse taju teravnemine, sinisel valgusel aga on teadaolevalt inimese bioloogilisele äratuskellale nulliv mõju. “Tore on näha, kuidas sellised asjad elus teostuvad,” ütleb ta.

See oli üks neid mõttesähvatusi, mis tema riskikapitalistidest kolleegide suitsunurgajutust kunagi kaugemale ei jõudnud. Küll aga näitab see, kui kergesti turgatavad Berryle, kes on lõpetanud Harvardis meditsiiniteaduskonna, kaitsnud doktorikraadi Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi biotehnoloogia osakonnas ning viimased kaks aastat töötanud Massachusettsi osariigis Cambridge’is asuvas riskikapitalifirmas Flagship Ventures, pähe värsked ideed.

Pärast Massachusettsi Tehnoloogiainstituudis bakalaureusekraadi omandamist 2000. aastal on Berry osalenud insuldi ravimeetodi väljatöötamisel, leiutanud uudse lahenduse vähiravis ning viimati välja mõelnud süsteemi mikroobide geneetiliseks muundamiseks nii, et neid saaks kasutada biokütuste tootmiseks. Tema nimel on menetluses 21 patendiavaldust ja tema huvidering hõlmab meditsiini, diagnostikasüsteeme ja viimasel ajal eriti nähtavalt alternatiivsete energiaallikatega seotud tehnoloogiaid. Berry energeetikaalased ideed on aluseks Californias asutatud firmale LS9, mis tegeleb taastuvtoormest kütuse tootmisega ning millesse Flagship ja California fond Khosla Ventures on juba investeerinud viis miljonit dollarit.

Berry toonitab, et mitmed eesrindlikud biotehno­loogiafirmad mõlgutasid mõtteid seoses energeetika ja biokütustega – eriti just etanooliga – juba 1970. aastatel. “Huvitav küll,” ütleb ta, “aga me oleme jõudnud ringiga tagasi nende asjade juurde, millest biotehnoloogias tol korral mõeldi. Ainult et nüüd on meil nende probleemidega tegelemiseks olemas tänapäevased tehnilised vahendid.”

Nädala esimesel tööpäeval toimub Flagship Venturesis alati üldkoosolek, kus vaadatakse üle investeeringud ja arutatakse uusi ideid. Meie kohtumise ajal oli David Berry noorim ja tõenäoliselt kõige agaram tosinast riskikapitalistist, kes olid kogunenud firma seitsmenda korruse koosolekuteruumi, kust avaneb tore vaade Charlesi jõel sõeluvatele purjekatele.

Koosolek kestis kavandatust mõnevõrra kauem ja lõpuks välja tulles Berry vabandas. “Me arutasime üht võimalikku uut ravimi toimemehhanismi,” selgitas ta. Ehkki mainitud tehnoloogia üksikasjad jäid diskreetselt lahti seletamata, oli ilmne, et sellised arutelud on tema jaoks kaasakiskuvad ja ülimalt erutavad. “Siin võetakse läbi kõige kuumemad ja põnevamad uued tehnoloogiad, mis üldse on välja mõeldud,” ütleb ta. “See on kaif!”

Berry võttis koha firma koosolekuruumis sisse igasuguse ametliku ettevalmistuseta rahandusalal, küll aga oli tal ette näidata hulk tehnoloogilisi saavutusi. Juba ülikooli ajal asus ta koostama molekuli, mis suudaks läbida aju keemilise kaitsebarjääri ja mis tundus olevat paljulubav võimalus insuldi raviks. See valk – muundatud versioon fibroblasti kasvufaktor kahest – põhjustas insuldi sümptomitega katseloomal funktsionaalse seisundi paranemise, ent tõi Berrys eneses esile veel ühe innovatsiooni seisukohast olulise omaduse – kärsituse. Berry mõistis, et töö kõnealuse valguga võib tuua talle PhD märksa kiiremini kui enamik muid projekte, ning ta haaras võimalusest kinni. Ta kaitses doktoritöö aastal 2005 (aasta hiljem ka MD) ja lühikest aega tegeles biotehnoloogiafirma ViaCell ka tema molekuli põhjal ravimi väljatöötamisega.

Berry katsetas ka polümeeride sidumisega suhkrumolekulidele ja leidis võimaluse vähirakkude hävitamiseks, sidudes polümeere hepariinile, mis on verd vedeldava ainena hästi tuntud. Berry polümeerne “pakend” lubab hepariinil kiiremini vähirakkudesse imenduda; sattunud raku sisemusse, rikub hepariin selle biokeemilised toimemehhanismid, põhjustades raku surma. See tehnoloogia äratas Massachusettsi osariigis Cambridge’is tegutseva biotehnoloogiafirma Momenta Pharmaceuticals tähelepanu; Berry kontole lisandus järjekordne publikatsioon ja patendiavaldus.

“David on ebatavaline inimene ses mõttes, et teda ei peata miski,” kommenteerib Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi keemik Robert Langer, kelle juhitavas laboris Berry kraadi kaitsma valmistus. “Ta ei pelga mitte kui midagi. Ta on valmis igal ideel sarvist haarama ja ideid jätkub tal kõvasti. Tema teaduslik haare ja eneseusk on temavanuse inimese kohta märkimisväärsed.”

2004. aastal oli Berry auahneim eesmärk juhtida akadeemilist laborit, välja töötada uusi tehnoloogiaid ja need kommertsettevõtetele maha müüa. Ent 2005. aastal kutsus Flagship Ventures ta kaasa lööma ühe biotehnoloogia-alase äriprojekti käivitamisel. Sama aasta lõpul tõi see konsultandiamet talle kutse asuda tööle firma juhatuses. Flagshipis, kus on kombeks koostada uute firmade arengukavad oma maja sees, nägi Berry vastupandamatut võimalust innovatsiooni kiirendada, toetades projekte rahaliselt juba esimestest sammudest alates.

Kuigi Flagshipi varem käivitatud firmad keskendusid enamasti traditsioonilistele eluteadustele, nagu genoomika, huvitusid investorid üha enam ka bioloogia uuest rakendusalast – energeetikast. “2005. aastal,” meenutab Berry, “küsisime endalt: “Mida huvitavat annaks ära teha kütustega?”” Projekti juhtimine usaldati Berryle.

Berry eesmärk oli ei midagi vähemat kui “leida uudne ja kaugeleulatuv lahendus energiaprobleemile”. Koostöös Harvardi meditsiiniteaduskonna genoomikaspetsialisti George Churchi ja Stanfordi ülikooli taimebioloogi Chris Somerville’iga võtsid Berry ja tema kolleegid Flagshipis käsile ülesande, mida keegi kommertstasandil varem ei olnud püüdnud lahendada: luua sünteetilise bioloogia vahenditega mikroorganismid, mis toodaksid kütteõlilaadset kütust. Berry otsustas tõestada, et äsja asutatud firma LS9 suudab toota biokütust, mis pärineb taastuvast allikast, on parem maisist toodetavast etanoolist ja suudab hinnalt võistelda fossiilsete kütustega.

Etanool on biokütustest kõige levinum, kuid paljud vaatlejad, sealhulgas Berry, suhtuvad kütusekriisi püsiva lahendamise võimalikkusesse maisist toodetava etanooli abil üsna kahtlevalt. Etanooli energeetiline väärtus on nafta omast umbes kolmandiku v& amp; amp; otilde;rra väiksem ja selle tootmine nõuab märkimisväärseid põllumajanduslikke ressursse.

Berry eestvedamisel asuti looma süsteemi, mis lubab LS9 spetsialistidel muuta mikroorganismide ainevahetust nii, et neist saavad süsivesinikke kütusteks töötlevad elus “tehased”. Berry keskendas tähelepanu biokeemilistele mehhanismidele, mille abil mikroobid töötlevad glükoosi energia varumiseks sobivateks rasvhapete molekulideks. Koos teiste LS9 teadlastega eraldas ta seejärel mitmetelt teistelt organismidelt vajalikud geenid, mille abil koostatud ainevahetuslike “moodulite” kompleksid istutatakse mikroobidesse; erinevalt kombineerituna panevad need moodulkompleksid mikroobe tootma raske kütteõli, diisli, bensiini või süsivesikupõhiste tööstuskemikaalidega praktiliselt ekvivalentseid aineid.

Töö käigus tuli Berryl ja kolleegidel osa geenide tegevust ergutada, et suurendada spetsiifiliste vaheetapi-molekulide tootmist. Lisaks tuli neil välja mõelda, kuidas valikuliselt blokeerida teised ainevahetuse juhteteed, et nende mikroobid tõepoolest keskenduksid süsivesinike tootmisele. Samuti õnnestus neil panna mikroorganismid eritama protsessi lõppsaadust nii, et seda on võimalik hõlpsasti koguda.

“David on olnud LS9 intellektuaalse vara peamine ülesehitaja,” ütleb Flagshipi peadirektor Noubar Afeyan. “Kui tema panust poleks, poleks firmat.”

Kuna kõnealuse tehnoloogia kujul on tegu ärisaladusega ja see on alles varases arendusjärgus, ei soostu Berry avalikustama, mis tüüpi organismidele ja millistele konkreetsetele protsessidele ta oma töös keskendub. LS9 tegeleb oma California tootmisüksuses jätkuvalt süsteemi optimeerimise ja oma disaineri-biokütuste tootmise tõhustamisega. Seni laboritingimustes saavutatud tootmisefektiivsus on suurusjärgu võrra madalam kui tselluloosist etanooli valmistamisel, räägib Afeyan, kuid aasta pärast loodab firma jõuda juba sellega võrreldava tasemeni.

Samas pole LS9-l seni ühtki toodet, küll aga on mitmeid ületamist nõudvaid takistusi. Esiteks on Berry süsteem rajatud glükoosi sisaldavate söötade, näiteks tselluloosi kasutamisele. Berry nimetab end agnostikuks küsimuses, millise tselluloosi tooraine abil tuleks LS9 süsteem käivitada tööstuslikus ulatuses; ta nimetab võimalike biomasside seas vitshirssi, puiduhaket, papleid ja siidpöörist – suhkruroosarnast kõrgekasvulist rohttaime. Samas on rentaabli ja suure tööstusliku kasuteguriga tselluloosi tooraine leidmine seni üks kõige olulisemaid takistusi mis tahes biokütuste tootmisel.

Vaatamata lahendamata küsimustele kätkeb Berry meetod endas palju biokütustele üldiselt omaseid hüvesid. Toormaterjal oleks kodumaine ja põllumajanduslikult viljeldav, taastuv ning energiaallikana põhimõtteliselt keskkonnasõbralikum kui traditsiooniline nafta (mille töötlemiseks on tarvis tossavaid tehaseid). Kuna kogu töö teevad ära mikroobid, saaks kütuseid toota samasugustes suurtes fermenteerimistankides, nagu on praegu kasutusel biotehnoloogiafirmades.

Süsivesinike biosünteesil on Berry sõnul “tõelise tehnoloogilise trumpässa potentsiaal”. “Tal on mitmeid eelised julgeoleku seisukohast. Ja jätkusuutlikkuse seisukohast. Just sedalaadi väärtused, lisaks tasuvuseelisele, teevad sellest äärmiselt köitva tehnoloogia,” lausub ta. Rääkimata veel ühest köitvast faktist kogu asja juures – et selle tehnoloogia töötas välja doktor, kel lel vanust vaid veidi peale paarikümne eluaasta.

Abraham Stroock, 34
Cornelli ülikool

Mikromehaanilised biomaterjalid
Corinna Wu

Abraham Stroock on inimene, kes puud vaadates näeb keerukat inseneriteost. Tüves, okstes ja lehtedes paikneb kapillaaride võrgustik, mis imeb vee maapinnast mitmekümne meetri kõrgusele ilma ühegi pumbajaama abita. See imeline süsteem on andnud Stroockile ideid ka mikromehaanika vallas.

Mikromehaanika tegeleb imeväikeste vedelikukoguste toimetamisega läbi kanalite, mis on enamasti puuritud jäikadesse materjalidesse, nagu klaas ja räni. Stroock aga töötab vett imavate pehmete polümeeride – hüdrogeelidega. Hiljuti valmistas ta hüdrogeelist samba, mille sees on puu kapillaarsüsteemi jäljendav kapillaaride võrk. Selline “sünteetiline puu” imab vett kapillaaridesse, kasutades ära vee aurumist. Tekkiv jõud suudaks tekitada 85 meetri kõrguse veesamba, mis võrdub sekvoia keskmise kõrgusega.

Vedelik imendub läbi kapillaaride hüdrogeeli täpselt samuti nagu elusas puidus. Hüdrogeelid sobivad ka kasutamiseks bioloogiliste kudedega, nii et neist saab nende vedelikuimavuse ja medikamentide läbilaskvuse tõttu valmistada paranemist kiirendavaid haavaplaastreid. Samuti võib neid kasutada laboritingimustes kasvatatava koematerjali matriitsides, sest nende kaudu on võimalik rakkudeni viia hapnikku ja toitaineid. Elusa koe jäljendamiseks tuleb sellised materjalid varustada valkude ja rakkude liikumist võimaldavate kanalitega – “elavad” hüdro­geelid ongi Stroocki järgmine projekt. 

Doris Tsao, 31
Bremeni ülikool, Saksamaa

Kuidas inimaju eristab nägusid
Emily Singer

Tõenäoliselt piisab teil ainsast pilgust ajakirja kaanele, et ära tunda kaanepildil olev nägu – profiilis tõsine Al Gore või sarkastiliselt muigav Dick Cheney. Ent selle ainsa hetkega lahendab teie aju terve hulga keerukaid ülesandeid: teeb kindlaks, et tegemist on näoga (hoolimata kujutise suurusest ja vaatenurgast), mõtestab lahti näoilme ja saadab päringu mälule, et selgitada, kas nägu on varasemast tuttav.

Kuidas aju kõike seda teeb, on alles vähe uuritud, ent Doris Tsao kavatseb kogu protsessi üksipulgi selgeks teha, ühendades omavahel neuroloogia kaks tähtsamat töövõtet – piltdiagnostika ja üksikute neuronite elektriimpulsside mõõtmise.

Möödunud aastal õnnestus Tsaol aju aktiivsust kaudsel teel mõõtva tehnoloogia, funktsionaalse magnetresonantstomograafia abil kindlaks teha ahvi ajus need piirkonnad, mis aktiveeruvad üksnes siis, kui loom vaatab nägusid. Seejärel paigutas ta väga üksikasjalikke magnetresonantskujutisi abiks võttes mitmesse neist piirkondadest elektroodid. Mõõtes elektroodi abil üksikute neuronite impulsse, selgitas ta välja, et näo eri tunnusjoontele, nagu näo kuju või silmade suurus, reageerivad eri närvirakud. Nii täpsete järelduste tegemine oleks üksnes piltdiagnostika abil olnud võimatu.

Tsao töö võimaldab saada olulist teavet sellest, kuidas sõltub nägemistaju neuronite aktiivsusest, ütleb California tehnikaülikooli neuroloog Christof Koch. “See on järjekordne samm teel vastuseni igiammusele küsimusele, kuidas on isekeskis seotud meie teadvus ja aju.”

Sanjit Biswas, 25
Meraki Networks

Odav ja lihtne internetiühendus
Neil Savage

Sanjit Biswas tegeles süsteemi loomisega, millega lülitada paikkonna elanikke juhtmevabalt internetti. 2006. aastal tundis üks mittetulundusühing huvi, kas seda tehnoloogiat ei saaks kasutada internetiteenuste pakkumiseks vaesele elanikkonnale. Biswas, kellele küsimus tundus intrigeeriv, võttis akadeemilise puhkuse ja asutas koos partneritega Californias Mountain View’s firma Meraki Networks, et hakata välja töötama juhtmevabasid silmusvõrke, mis võimaldaksid inimestel odavalt internetti kasutada.

Enamikus silmusvõrkudes andmepaketi saanud sõlmed lihtsalt edastavad selle, Biswasi lahenduse puhul aga sõlmed “kõnelevad” üksteisega ja alles seejärel otsustavad vastavalt adressaadile ja oma signaali tugevusele, milline neist paketi edastab. Protokoll arvestab ka muutuvate tingimustega võrgus – näiteks kasutajate sisse- või väljalogimisega või mõne sõlme raadiosignaali blokeerimisega mööduva veoauto poolt. Biswasi protokoll, mis toimib tavaliste, hõlpsasti kättesaadavate riistvarakomponentidega, võimaldab Merakil toota wifi-ruutereid, mille hind jääb 50 dollari piiresse (ruuterite hind, millega Biswas töötas Massachusettsi Tehnoloogiainstituudis, oli 1500 dollarit).

Meraki võrgu tööpõhimõte on järgmine: keegi kasutajatest siseneb lairibaühenduse kaudu võrku, tema naabrid kinnitavad ruuterid oma akendele ja nii moodustub automaatselt kuni mitusada inimest hõlmav traadita silmusvõrk. Kasutajad võivad internetiühendust naabritele kinkida või müüa. Meraki võrgud töötavad juba 25 riigis Slovakkiast Venezuelani, teenindades rohkem kui 15 000 kasutajat.


Jeff LaPorte, 30
Eqo Communications

Mobiilikõned interneti kaudu
Wade Roush

Probleem: arvuti taga istudes võime Skype’i ja teiste sarnaste programmide abil teha telefonikõnesid kodu- ja välismaale tasuta. Kes aga on sunnitud kasutama rahvusvahelise kõne tegemiseks mobiiltelefoni, maksab selle eest üüratut hinda. Mobiilikõnede suunamine läbi interneti, nagu teeb Skype arvutikõnedega, oleks odavam – kuid suurtel teenusepakkujatel selline teenus puudub ja tänu nende mõjuvõimule mobiiltelefonide valmistajate juures on siseringi mittekuuluvatel arendajatel raske välja töötada kasutajasõbralikku internetikõnede tarkvara.

Lahendus: Jeff LaPorte mõtles välja leidliku viisi mobiilteenusepakkujatest mööda hiilimiseks ja asutas oma idee turustamiseks koos partneritega Vancouveris firma Eqo Communications. Kui Eqo (hääldatakse “eko”) kasutaja valib välismaise telefoni­numbri, ühendab vastav alla laetud tarkvara taskutelefoni kohaliku Eqo numbriga. Seejärel muudab Eqo server kasutaja hääle andmepaketti­deks ja saadab läbi interneti vastuvõtjariigi Eqo ­serverisse, mis suunab kõne ümber sealsesse mobiilvõrku. Puudub igasugune vajadus keerukate ümberseadistuste ja erinumbritel helistamise järele ning kõnekvaliteet on niisama hea kui tavalises mobiilvõrgus.

Kõned ühelt Eqo kliendilt teisele on tasuta ja ülejäänud rahvusvahelised kõned võivad maksta vaid viis protsenti suurte teenusepakkujate hinnast. Eqo klientidel peab küll olema ligipääs kodumaisesse mobiilvõrku, ent LaPorte’i sõnul “muudab Eqo teie kohalikud kõneminutid rahvusvahelisteks kõneminutiteks” – ja kasudega.


Shetal Shah, 32
New Yorgi osariigi Stony Brooki ülikool

Pehme ase enneaegsetele vastsündinutele
Erika Jonietz

Neonatoloogina on Shetal Shah pidanud veetma sadu tunde, loksudes kiirabiautodes, mis sõidutavad ohtlike tervisehäiretega enneaegseid vastsündinuid New Yorgi ülikooli kliiniku vastsündinute eriravi osakonda.

“Kiirabiautos istudes on palju aega mõelda,” räägib ta. “Ma panin tähele, kui häirivalt mõjus see raputamine mulle, ja siis mõtlesin, kuidas see võib veel mõjuda vastsündinule.” Shah, kes nüüd töötab pediaatriaprofessorina Stony Brooki ülikoolis, oli teadlik, et ühest haiglast teise sõidutatud enneaegsetel lastel esineb rohkem probleeme – näiteks ajuverejookse ja kroonilisi kopsuhaigusi – kui neil, keda ei transpordita. Sestap otsustas ta välja uurida, millist osa võivad selles mängida järsud raputused. Ta kohaldas selleks kiirendusmõõturi, kinnitas selle vastsündinut kujutava mannekeeni pea külge ja hakkas laenatud kiirabiautoga mööda linna ringi sõitma. Sel viisil selgitas ta ligikaudselt välja jõud, mis transporditavale beebile sõidu ajal mõjuvad. Nende jõudude neutraliseerimiseks kasutas Shah esialgu viskoelastse vahtpolüuretaani (memory foam) madratsipoest saadud näidist, hiljem aga töötas välja ja esitas patenteerimiseks tervikliku transportimissüsteemi. Mitu firmat on selle vastu huvi tundnud ja sõjavägi uurib võimalusi süsteemi rakendamiseks peatraumadega sõdurite transpordil.

Partha Ranganathan, 34
Hewlett-Packardi teaduslabor

Energiasäästlik infotehnoloogia
David Talbot

Igal aastal tarvitavad infotehnoloogilised seadmed alates taskutelefonidest ja lõpetades serveritega vähemalt 125 teravatt-tundi elektrienergiat, mille tootmiseks tuleks põletada ligikaudu 350 miljonit tonni kivisütt. Hewlett-Packardi teaduslabori juhtivaid spetsialiste Partha Ranganathan töötab välja strateegiaid selle koguse vähendamiseks. “Kõik need ideed on äärmiselt intuitiivsed,” ütleb ta. “Aga meil tuli lahendada terve hulk keerukaid probleeme, et üldse alustada.” Tema osalusel välja töötatud tehnoloogiad, mis aitavad säästa raha ja vähendada kasvuhoonegaaside õhkupaiskamist, on juba leidnud koha uusimates IT-toodetes.

Ivan Krsti?, 21
One Laptop per Child

Viirusetõrjetarkvara sureb välja
Richard L. Brandt

Ivan Krsti? (fotol) armastab üle kõige klassiväliseid tegevusi. Sündinud Horvaatias, sai ta 13aastasena stipendiumi, et õppida ühes Michigani keskkoolis. Kooli ajal kirjutas ta ühele Michigani ülikooli neuroloogile andmelugemistarkvara. Kaks suve veetis ta Horvaatias, kus ehitas patsientide andmeid töötlevat arvutisüsteemi Zagrebi lastehaiglale. 2004. aastal astus ta Harvardi ülikooli, ent võttis otsemaid aasta akadeemilist puhkust, et naasta Horvaatiasse ümber tegema Zagrebi haigla IT-süsteemi – seda pärast kuuajalist põiget Silicon Valleysse, kus ta aitas täiustada Facebooki tarkvaraarhitektuuri.

Krsti? naasis Harvardisse infotehnoloogiat ja teoreetilist matemaatikat õppima aastal 2005, kuid võttis mullu kevadel jälle puhkuse, et asuda tööle juhtiva turvaarhitektina programmi juures One Laptop per Child (OLPC), mille abiga koostatakse odavaid sülearvuteid Kolmanda Maailma lastele. Tema ülesandeks sai luua turvaline ning lastele jõukohane süsteem, mis ei nõuaks tehnilist tuge ega pidevat värskendamist nagu üldlevinud viirusetõrjeprogrammid.

Sestap võttis ta ette töö, mille tulemus muudab kõik senised programmid tarbetuks – ehitas OLPC Linuxi-põhisele operatsioonisüsteemile turvaplatvormi Bitfrost (nimi tuleneb muinaspõhja mütoloogiast tuntud Bitfrösti sillast, mis viib maalt taevasse ega lase surelikel end ületada). Selle asemel, et blokeerida konkreetseid viirusi, avab süsteem kõik arvutis olevad programmid omaette virtuaalses operatsioonisüsteemis, nii et ükski programm ei saa kahjustada arvutit, varastada faile ega nuhkida kasutaja toimingute järele. Viirused on isoleeritud ja kasutud ega saa oma tööd tegema hakatagi. “See muudab mõttetuks nende loomise üleüldse,” ütleb Krsti?.

Mõnedki Linuxi-inimesed on sellest uudsest pahavaraga võitlemise võttest nii vaimustatud, et soovitavad muuta selle osaks Linuxi standardversioonist. Ent kuna Bitfrost lubab käivitada ainult programme, mis teda ära tunnevad, muudaks see Linuxi juba olemasolevate rakendustega ühildamatuks. Lahendus oleks see, et programmeerijad loovad vastavad “pakendid” – olemasolevatele rakendustele ümber pandavad programmikesed, mis võimaldaksid neil Bitfrostiga suhelda. Tänavu aasta lõpul, kui OLPC arvuti on valmis, tahab Krsti? naasta Harvardisse – et aidata kirjutada neidsamu pakendeid. Uus “klassiväline” töö seega juba ootab.

Ju Li, 32
Ohio ülikool

Uued materjalid tellimise peale
Kevin Bul lis

Teadlased on pikka aega lootnud, et aatomite vastastikust mõju modelleerivad arvutisimulatsioonid aitavad neil ühel päeval hakata looma kasulikke materjale otse oma töölaual. Ent aatomite vastasmõjude füüsikalised tagajärjed muutuvad juba üsna varases kirjelduse järgus nii keerukaks, et reaalsete materjalide omaduste ja käitumise ennustamine on osutunud peaaegu võimatuks. Materjalitehnoloogia professor Ju Li on välja töötanud uued algoritmid selleks, et modelleerida keerulise nanostruktuuriga materjalide mehaanilisi omadusi, mille ennustamine on tema alal üks kõige raskemaid ülesandeid üldse. Mudeli abil, mida näete illustratsioonil, demonstreerib Li, et kombineerides amorfse vasktsirkooniumi ja kristallilise ehitusega vase nanokihte on tulemuseks vasest kuni kümme korda tugevam materjal, mis ometi ei muutu liiga hapraks. Keskel asuvas kristallstruktuuriga kihis võivad ühe kihi aatomid naaberkihi omade suhtes nihkuda, võimaldades materjalil surve all kergesti kuju muuta. Välimised amorfsed kihid jäävad samas endiseks, niisiis hoiavad nad aatomikihte koos, et need üksteisest liiga kaugele ei eemalduks. Li kolleegid on juba katseliselt tõestanud, et tulemuseks on tõepoolest tugev, kuid plastiline materjal.

Tadayoshi Kohno, 29
Washingtoni ülikool

Süsteemide krüptograafiline turve
Neil Savage

Üha enam sõltub inimkond internetist. Informaatika ja infotehnoloogia professor Tadayoshi Kohno muretseb, et ka krüptitud andmete puhul võivad häkkerid kõigile koodidele vaatamata info enda valdusse saada. Nii näiteks ei pruugi teie süsteemi tunginud võõras küll näha filmi, mida te parajasti vaatate, ometi võib ta mitmesuguste muude tunnuste, nagu faili suuruse ja kompressioonialgoritmi põhjal ära arvata, mis filmiga on tegu.

Seetõttu lõi Kohno süsteemide matemaatiliselt tõestatava turbe kontseptsiooni. Traditsiooniliselt on krüptoloogid eeldanud, et turvaprotokoll on lahtimurdmatu, kui ükski inimene, kellele nad seda näitavad, ei suuda seda murda. Ent matemaatiliselt tõestatava turbe puhul kasutatakse keerulisi arvutusi näitamaks, et antud koodi lahtimuukimine eeldaks teadaolevalt turvalise krüptograafilise komponendi dešifreerimist.

Kohno laiendas seda tehnikat süsteemitasandile, võttes tähelepanu alla kõik alates faili tihendamiseks mõeldud tarkvarast kuni failide edastamiseks mõeldud internetiprotokollideni.

Ta otsib välja nõrgad kohad, kust võib lekkida tuvastatavaid andmeid, ja kirjutab nende turvamiseks tõestatavalt turvalised algoritmid. Üks tema pakutavaid lahendusi suudab ka toime tulla uue internetistandardiga, andmeedastusmahuga 10 gigabaiti sekundis, millega varasemad turvaprotokollid hätta jäid. USA valitsus kavatseb muuta selle lahenduse ühe variandi ametlikuks krüptimisstandardiks; Kohno usub, et seda hakkavad peagi kasutama ka pangad ja firmad oma sisevõrkude kaitseks.


Tariq Krim, 34
Netvibes

Kuidas koostada isikupärast ja löövat veebilehekülge

“Oma veebisirvija avalehel tahan ma näha kõige värskemat just mulle olulist materjali,” räägib tarkvaraarendaja, veebiärimees ja endine ajakirjanik Tariq Krim. Just sel põhimõttel lõigi Krim Netvibesi, tasuta veebiteenuse, mis võimaldab veebisõltlastel koostada eri moodulitest – näiteks blogide, võistlevate uudistesaitide nagu Google ja Yahoo ning kas või kasutajate endi tõlgitud võõrkeelsete saitide RSS-voogudest – oma suva järgi lehekülgi. Tema enda Netvibesi lehelt leiame ikooni “Tariq”, mille alla Krim otsingumoodulite abiga tõmbab kõike, mida blogijad temast ja tema firmast räägivad.

Kristala Jones Prather, 34
Massachusettsi Tehnoloogiainstituut

Bioloogiline pöördprojekteerimine
Jennifer Chu

Teadlased otsivad üha enam võimalusi ühendite saamiseks mitte keemiliste reaktsioonide, vaid bioloogiliste protsesside teel. Bioloogiliste meetoditega on võimalik keskkonda vähem saastates toota kõike – alates biokütustest ja lõpetades ravimitega, vältides tavapärases sünteesis osalevaid agressiivseid lahusteid ja mürgiseid kõrvalsaadusi. Keemiatehnoloogia professor Kristala Jones Prather töötab välja paljulubavat strateegiat masstoodetavate molekulide sünteesiks algusest lõpuni bioloogilisel teel.

Orgaanilises keemias on teadlastel sageli valmis mõeldud loodava molekuli ehitus ning alles seejärel hakatakse otsima lihtsaimat viisi selle koostamiseks. Sellist strateegiat nimetatakse retrosünteesiks. Prather on veendunud, et sarnast pöördprojekteerimise põhimõtet – tema nimetab seda “retrobiosünteesiks” – saavad ühendite loomisel kasutada ka bioloogid, sidudes näiteks looduslikke ja tehnoloogiliselt muundatud ensüüme uutmoodi ahelateks peremeesmikroobide, nagu E. coli sisemuses.

“Mind huvitab, kuidas muuta organisme keemiatehasteks,” räägib Prather, kes on neli aastat töötanud Mercki teadus- ja arendusosakonnas bioprotsesside laboris. “Tavaliselt me kasutasime bioloogilisi süsteeme vaid üheks reaktsiooniks ja andsime saaduse edasi keemikutele, kes said kogu ülejäänud põneva töö endale. Nii ma mõtlesingi, et miks ei võiks bioloogia teha rohkem.”

2004. aastal lahkus Prather tööstusest ja asus tööle akadeemilises maailmas, eesmärgiga aidata bioloogial tõepoolest saavutada rohkem. Ensüümid toimivad katalüsaatoritena väga paljudes keemilistes reaktsioonides. Prather koostab nende reaktsioonide andmebaasi. See sisaldab algoritme, mille abil on võimalik leida uudsete ainevahetusmehhanismide loomiseks kõige sobivamaid ensüüme – paljudel juhtudel on tulemuseks ained, mida loodusliku biosünteetilise reaktsiooni käigus kunagi ei tekiks. Juhul kui mõneks otstarbeks kõlbavad mitmed ensüümid, aitab tema loodud tarkvara välja valida sobivaima; kui vastavat ensüümi pole olemas, pakub programm välja, millist olemasolevatest võiks “augutäiteks” muundada.

Pratheri tarkvara on tõeline kingitus teistele sünteetilise bioloogia alal töötavatele teadlastele, kes seni on pidanud uute ainevahetusmehhanismide loomiseks palehigis lappama ensüümide kohta olemasolevat kirjandust, ütleb California Berkeley ülikooli juhtivaid biolooge ja Pratheri doktoritöö juhendaja Jay Keasling.

Tema mõtet toetab Taani tehnikaülikooli keemiatehnoloogia professor John Woodley: “Äärmiselt teravmeelne idee.”

J. Christopher Anderson, 31
California Berkeley ülikool

Bakterid, mis hävitavad kasvajaid
Emily Singer


Rakendades sünteetilises bioloogias geenitehnoloogia võtteid, kavatseb Chris Anderson programmeerida baktereid nii, et need hakkaksid selektiivselt tapma vähkkasvaja rakke. Ta kombineerib eri bakteritüüpide DNAd ja istutab seda E. coli bakterisse, eesmärgiga luua organism, mis suudaks läbi murda immuunsüsteemist, kinnituda kasvajatele ja kasvajarakke üle kavaldades neisse siseneda, asudes seal eritama toksiini.

Anderson on koostanud ja läbi katsetanud kõik vähitapjapisiku bioloogilised koostisosad ja tegeleb nüüd nende kokkuklapitamisega. “Kõik vajalikud osad on geneetiliste programmijuppide kujul olemas,” räägib ta. Anderson usub, et geneetilise manipulatsiooni abil saab luua ka teisteks meditsiinilisteks otstarveteks kohandatud baktereid, sest “asi toimib moodulite põhimõttel, nii et vastavaid juppe saab kasutada hoopis teistes rakendustes, mille puhul probleemid osaliselt kattuvad”. Nii näiteks saab tema loodud geneetilisi mooduleid kasutada ravimite toimetamiseks HI-viirusega nakatunud immuunrakkudesse.

Luis von Ahn, 29
Carnegie Melloni ülikool

“Robotilõksud” abiks raamatute digiteerimisel
David Talbot

Luis von Ahn on mees, kes mõtles välja graafilised “robotilõksud” – moonutatud kirjamärkide kombinatsioonid, mida paljud veebisaidid lasevad kasutajatel vastavale väljale sisse toksida, veendumaks, et tegu on inimese ja mitte pahatahtliku arvutiga. Ent von Ahn ise näeb selle tehnoloogia edus kahe teraga mõõka. “Alguses olin ma enda üle päris uhke,” jutustab 2006. aasta MacArthuri nn geeniuse stipendiumi võitja, kes 2000. aastal leiutas robotilõksu (ehk CAPTCHA – akronüüm ingliskeelsest terminist completely automated public Turing test to tell computers and humans apart) Yahoo tellimusel, et peatada automaatne e-postiaadresside registreerimine spämmerite poolt. “Aga hiljem see ei tundunud enam nii tore, sest iga robotilõksu lahendamisele kulub 10 sekundit aega.” Iga päev lahendatakse maailmas ligikaudu 60 miljonit robotilõksu – mis tähendab üle 150 000 tunni raisatud aega.

Informaatikaprofessor von Ahn on juhtivaid spetsialiste valdkonnas, mis tegeleb inimvõimete kaasamisega arvutite täiustamiseks. Näiteks on ta loonud onlain-mängu, mille mängijad saavad ära arvata fotode elemente; saadud vastuseid kasutatakse pildiotsingualgoritmide parandamiseks. Praegusel ajal tegeleb ta robotilõksude rakendamisega infoajastu ühe suurejoonelisema ettevõtmise – miljonite trükitud raamatute digiteerimise ja otsingusüsteemiga varustamise teenistusse.

Arvatavalt kaheksa protsenti vanade raamatute tekstist on raamatute skanneerimiseks kasutatava optilise tekstituvastustarkvara abil loetamatu. Von Ahn koostöös mittetulundusühinguga Internet Archive tahab masinaga loetamatute sõnade tuvastamiseks kasutada robotilõkse. “Lahendades robotilõksu,” ütleb ta, “lahendame me ju ülesannet, mida arvuti lahendada ei suuda.” Selleks lõi ta rakenduse nimega recaptcha, mis kõrvutab tundmatu sõna mõne tuntud sõnaga. Mõlemad sõnad moonutatakse ja neist tõmmatakse joon läbi, mis on tavaline meetod robotilõksude koostamisel. Kasutaja peab saidile pääsemiseks ära tundma mõlemad sõnad. Tuntud sõna korrektselt ümber löömine toimib turvaelemendina nagu tavaline robotilõks, ent lisaks suurendab ka tõenäosust, et tundmatu sõna on tuvastatud õigesti ja sobib tekstituvastustarkvara pakutud mõttetuse asemele. Vabatahtlikud on juba asunud sääraseid topeltfunktsiooniga robotilõkse üles panema ning sel viisil on Internet Archive’i raamatudigiteerimis­projekti käigus juba dešifreeritud kaks miljonit sõna. Recaptcha’d loovad inimeste, võrkude ja arvutite ühendatud jõudusid kanaliseerides võimsa sünergia, kinnitab internetiärimees ning kõnealuse arhiivi üks asutajaid Brewster Kahle. “See on nagu Taj Mahal, mida ehitavad miljon töösipelgat.”

Javier García-Martínez, 34
Alicante ülikool, Hispaania

Uued tseoliidid nafta krakkimiseks
Corinna Wu

Probleem: naftat töödeldakse bensiiniks protsessi käigus, mida nimetatakse katalüütiliseks krakkimiseks. Seejuures lõhustatakse suured süsivesiniku molekulid lihtsamateks fragmentideks. Naftatöötlemistehastes kasutatakse tavaliselt katalüsaatoritena sünteetilisi poorseid materjale – tseoliite.

Harilike tseoliitide pooride läbimõõt on ühest nanomeetrist väiksem, seetõttu ei mahu suurimad süsivesinike molekulid neist läbi ja edasiste reaktsioonide käigus lõhutakse nende aatomitevahelised sidemed. Pooride suurendamine võimaldaks töödelda kasulikeks toodeteks suurema fraktsiooniga naftat. Firmad on kulutanud kolm aastakümmet ja miljoneid dollareid, et pooride läbimõõtu suurendada, kuid seni üsna edutult.

Lahendus: Alicante ülikooli moleku­laarnanotehnoloogia labori juhataja Javier García-Martínez töötas välja meetodi pooride suurendamiseks kahest kümne nanomeetrini, mis on ideaalne vahemik bensiini tootmiseks. Ta segab tseoliite leelislahusega. Lahusele lisatakse seebitaolist pindaktiivset ainet, mis moodustab tseoliite kobaratena enda ümber koguvad struktuurid. Seejärel pindaktiivne aine põletatakse.

Erineva molekulisuurusega pindaktiivsed ained võimaldavad García-Martínezil määrata pooride läbimõõtu vastavalt vajadusele, seega on võimalik optimeerida tseoliite ka muude ülesannete jaoks, nagu keemiline süntees ja veepuhastus. Ettevõte Rive Technology, mille üks kaasasutajatest ta on, tegeleb praegu kõnealuse tehnoloogia kommertskasutusse rakendamise ja naftatöötlemistehases katsetamisega.

Desney Tan, 31
Microsofti arendusosakond

Arvutid õpivad mõtteid lugema
Kate Greene

Kui külastada Desney Tani tema töökohal Microsofti arendusosakonnas, võib teda sageli kohata sinipunase ­­

elektro­entsefalograafiakiivriga, mille küljest langevad õlgadele valged juhtmekimbud nagu patsid. Tani päevad mööduvad kuvari ees, jälgides ja tuunides rägastikku, mis tähistab tema aju elektriimpulsse. Analüüsides elektroentsefalograafi andmeid vastavate algoritmide abil, loodab ta edaspidi muuta elektroodid täisväärtuslikeks sisendseadmeteks, niisama igapäevasteks kui klaviatuur või arvutihiir.

Säärane tehnoloogia tõstaks tema sõnul tootlikkust töökohtadel, muudaks realistlikumaks videomänguelamused ja lihtsustaks arvutitega suhtlemist. Tulevikus loodab Tan välja töötada väheste elektroodidega laiatarbe-EEG-süsteemi, mis inimese pähe kinnitatuna võimaldaks juhtmevabalt suhelda arvuti tarkvaraga. Selline tarkvara võiks näiteks kinni hoida e-posti, kui arvutikasutaja keskendub, või valida vastavalt meeleolule taustamuusikat.

Et vaimne pingutus muudab teataval määral elektroentsefalogrammi, avastasid teadlased juba 1929. aastal. Ent mitmetel põhjustel pole siiani ühtki laiatarbe-sisendseadet arvutile loodud.

Esiteks toimub enamik EEG-katseid laboritingimustes, kus elektriline müra on vähendatud miinimumini, väljaspool laborit aga mõjutavad EEGd võõrad elektromagnetväljad. Teiseks on entsefalograafiaseadmed enamasti kallid. Samuti on varasema uurimismaterjali puhul tegu paljudelt katsealustelt pika aja jooksul kogutud andmete keskmisega; mitmed uuringud on aga näidanud, et individuaalsed entsefalogrammid võivad üksteisest väga oluliselt erineda.

Tani arvates saab probleemid lahendada sel teel, et inimkõne dešifreerimiseks ja fotode äratundmiseks mõeldud arvutialgoritmid programmeeritakse arvestama ka erinevustega inimeste entsefalogrammides ning vahet tegema olulistel ning rämpssignaalidel. Erinevalt tüüpilistest teaduslaboritest on Tani oma täis tavalise kodu või kontoriga võrreldavat elektrilist taustamüra. Pealegi kasutab ta kõige odavamat EEG-komplekti, mis tal õnnestus leida – töövahend on ostetud paarisaja dollari eest ühest New Age’i poest (osa inimesi kasutab EEG-seadet abivahendina mediteerimisel).

Tani EEG-kiivril on 32 elektroodi, mis kinnitatakse peanahale elektrogeeliga. Aktiveerumisel tekitavad neuronid mõnemillivoldise signaali. Seade registreerib kõik need signaalid ja edastab arvut ile.

Tani süsteemi katsetajad tegelevad 10–20 minutit järjest rohkem või vähem keskendumist eeldavate tegevustega, näiteks tähekombinatsioonide või piltide lühemaks või pikemaks ajaks meeldejätmisega. Saadud elektroentsefalogrammid söödetakse arvutisse, mis matemaatiliselt töödeldes teisendab need tuhandeteks eri tuletisteks ehk “elementideks”. Seejärel töödeldakse neid elemente iseõppiva algoritmi abil, tuvastades kokkulangevused, mis suure tõenäosusega näitavad isiku keskendumisastet. Tan ja tema kolleegid Washingtoni osariigi Seattle’i ja Carnegie Melloni ülikoolist on tõestanud, et umbes 30 elemendist koosnev mürast puhastatud graafik näitab isiku keskendumisastet 99protsendilise täpsusega.

Tan näeb selle tehnoloogia esialgse kasutusvaldkonnana mänguseadmeid – mängijad on tema sõnul harjunud “endale uutmoodi seadmeid külge panema”. Näiteks plaanib San Franciscos baseeruv firma Emotiv Systems juba tuleval aastal turule tulla EEG-seadmega, mis võimaldab kontrollida teatavaid mänguparameetreid. Samas on firma keeldunud oma tehnoloogiat lähemalt tutvustamast ning selle toimivuse ja töökindluse suhtes puudub laiem konsensus.

Kõige raskem ülesanne on Tani sõnul luua EEG-liidest, mis oleks piisavalt lihtne, et meeldida massidele. Tema ja tema töörühm tegutsevadki selles suunas, et vähendada elektroodide arvu, asendada elektrogeel mõne pooltahke materjaliga ja luua juhtmevabad elektroodid. Laiatarbeseadme turule tulekuni võib minna veel aastaid. Ent kui Tani plaane saadab edu, siis loeb arvuti ühel päeval teie mõtteid niisama lihtsalt kui täna Bluetooth-peakomplekti signaali.

Mark Zuckerberg, 23
Facebook

Sõpruskond
Kate Greene


Kolme ja poole aasta eest lõi tookordne Harvardi teise kursuse tudeng Mark Zuckerberg koos mõne sõbraga veebisaidi, et vahetada ülikoolikaaslastega fotosid ja isikuandmeid.

Zuckerbergist sai uue firma Facebook tegevjuht. Tasapisi avas loodud sotsiaalvõrgustik oma uksed teiste ülikoolide tudengitele, seejärel ka keskkooliõpilastele. Nüüd, kus registreeruda võib iga e-postiaadressi omav inimene, on saidil üle 30 miljoni blogiva, pilte vahetava, veebilehe kaudu sõpradega suhtleva ja uusi tutvusi sõlmiva kasutaja.

Mais tõi firma välja “Facebooki platvormi”, mis võimaldab kasutajatel jagada ka oma isiklike lehekülgede koostamiseks ja põnevamaks tegemiseks kasutatavaid programme ning riputada üles muusika- ja videomaterjale teistelt saitidelt. Idee on Zuckerbergi sõnul selles, et anda kasutajatele võimalus leida Facebooki kaudu tekkinud isiklike kontaktide abil huvitavaid materjale.

Firmal käib juba pikemat aega juriidiline vaidlus Harvardis loodud saidiga ConnectU lähtekoodi ja isegi äriidee kui niisuguse omandiõiguse üle. Ometi teatas Bloomberg mullu detsembris, et eraomanduses oleva Facebooki väärtus võib – peamiselt tänu reklaamiandjate huvile – olla rohkem kui miljard dollarit. Mida enam Facebook kasvab, seda enam kasvavad ka tema šansid muutuda oluliseks sisuedastajaks. Projekti kohta, mis sai alguse ühiselamutoast, pole see sugugi halb väljavaade.

Christopher Loose, 27
SteriCoat

Bakteritele kere peale
Katherine Bourzac

Probleem: igal aastal põeb umbes miljon ameeriklast põletikke, mis on seotud meditsiinitehniliste vahendite kasutamisega, nagu näiteks veenisisesed kateetrid, mille ab il teostatakse keemiaravi ja viiakse organismi toitaineid. Nende vahendite katmine aeglaselt eralduvatest antibiootikumidest kihiga aitab küll põletikke ära hoida, kuid kattekihid muutuvad kasutuks, kui kõik ained on eraldunud, samuti võivad bakterid omandada nende suhtes vastupanuvõime.

Lahendus: Massachusettsi Tehnoloogia­instituudi tudengina leiutas Christopher Loose vahendi looduslike antibiootikumide, nn antibakteriaalsete peptiidide struktuuri optimeerimiseks ja töötas välja võimaluse, kuidas kasutada neid meditsiiniseadmetes. Need lühikese ahelaga valgud, mida leidub mõnedes bakterites, inimese higis ja taimedes, torkavad baktereid lõhki nagu nõel õhupalli. Mehhanism on mittespetsiifiline, seetõttu ei suuda mikroobid ka nende peptiidide suhtes vastupanuvõimet välja kujundada.

Kuid antibakteriaalsed peptiidid on rutiinseks suukaudseks või veenisiseseks manustamiseks liiga kallid. Sestap lisas Loose optimeeritud peptiide meditsiiniseadmete kattekihile, kus piisab väikestest peptiidide kogustest. Niisuguse kõrgtehnoloogilise peptiidkattega implantaat või kateeter “näeb bakterite jaoks välja nagu nõelapadi”, ütleb Loose. Selline kaitsekiht ei eralda medikamente nagu tavalised antibakteriaalsed katted, järelikult on see sama hästi kui igavene. Loose asutas oma tehnoloogia turustamiseks firma SteriCoat, mille peatehnoloog ta praegu on. Hetkel testib firma uudse kattega veenisiseseid kateetreid katseloomadel, turule loodetakse nendega tulla aastal 2011.

Xudong Wang, 31
Georgia tehnikaülikool

Nanomaailma vooluallikad

Kui Xudong Wang 2005. aastal Georgia tehnikaülikoolis materjalitehnoloogia alal doktorikraadi kätte sai, ei raatsinud ta väärt tööd pooleli jätta. Ta otsustas jääda edasi Zhong Lin Wangi laborisse, olles veendunud, et tema ja tema töökaaslased on lähedal uudse nanotehnoloogilise generaatori loomisele, mis nende hinnangul pidi muutma kogu nanotehnoloogia tulevikku.

Risk tasus end ära tänavu, kui ajakiri Science avaldas tema ja ta kolleegide artikli, kus kirjeldatakse uutmoodi seadet, mis muundab ultraheli ehk kõrgsagedusega mehaanilised võnked – elektrienergiaks. Tilluke seade annab ühtlase 0,5nanoamprise tugevusega voolu, mida arvatavasti saab tulevikus kasutada kudedesse siiratud bioandurite, kaugjuhitavate keskkonnajälgimisseadmete jmt toiteks.

“Väga lahe idee,” kommenteerib California Berkeley ülikooli nanojuhtmete spetsialist Peidong Yang. “Vibratsioonienergiat leidub kõikjal.” Kui Wangi seadmed suudavad selle odavalt tööle panna, “oleks see võimas samm”, arvab Yang.

Kõnealune generaator on krooniks Wangi arvukatele silmapaistvatele saavutustele Z. L. Wangi laboris, kuhu ta tuli Hiinast aastal 2002. Seni olid teadlased valmistanud nanojuhtmeid tsinkoksiidist. See on universaalne optiline piesoelektriline pooljuhtmaterjal, kuid sellest tehtud juhtmed keerdusid valmistamisprotsessis alati spagetide kombel puntrasse. Samas vajatakse paljudes potentsiaalsetes kasutusvaldkondades korrapäraselt paiknevaid nanojuhtmeid.

2004. aastal leiutas Xudong viisi, kuidas valmistada tsinkoksiidi aurust korrapärase asetusega sirgeid juhtmeid, kasutades katalüsaatorina kulda.

Kuni Xudong tegeles oma doktoritööga, õnnestus Z. L. Wangil ja teisel samas laboris töötaval noorel teadlasel Jinhui Songil demonstreerida, et üksikuid tsinkoksiidist nanojuhtmeid aatomjõumikroskoobi teraviku abil painutades tekib ülinõrk elektrivool. Kuid et sel viisil ka tegelikkuses energiat toota, oli teadlastel vaja välja mõelda viis, kuidas üheaegs elt painduvates tuhandetes nanojuhtmetes tekkiv elekter kätte saada.

Algasid katsed, kus galliumnitriidist, safiirist või elektrit juhtivast polümeerist elektroodid kaeti Xudong Wangi mikroskoopilise tsinkoksiidist “muruga”. Selle peale kinnitas Xudong teise, plaatinaga kaetud ränielektroodi, mille pind oli täis saehambataolisi tillukesi teravikke. Seejärel pandi elektroodid ultraheli abil vibreerima. Seejuures elektroodide kaugus teineteisest vähenes, nanojuhtmed paindusid, tekitades elektrivoolu, mis suundus läbi plaatinakihi elektroodiga ühendatud vooluahelasse.

Generaator ise oli kollektiivne leiutis, ent katse teostajaks võib Z. L. Wangi sõnul pidada Xudongi. “Ükskõik mida keegi välja ei mõtle, tema paneb selle alati tööle,” kinnitab Z. L.
Kaheruutmillimeetrine seade annab küll väga nõrka voolu, ent Science’is kirjelduse avaldamisest möödunud aja jooksul on teadlased suutnud suurendada selle võimsust juba 30 korda. Ning arenguruumi on veel ohtralt – kui suudetaks tagada kõikide nanojuhtmete aktiivne töö, võiks seadme jõudlus kasvada nelja vatini kuupsentimeetri kohta. “Kui me selle tasemeni jõuame, siis võime juba toita kantavaid elektroonikaseadmeid, näiteks taskutelefone,” ütleb Xudong. Samuti tegeleb rühm seadme modifikatsioonide väljatöötamisega, mis genereeriksid elektrit madalama sagedusega helilainetest ja mehaanilistest võngetest. Need võimaldaksid nanotehnoloogidel muuta vooluallikaks niihästi tuksuvad veresooned kui maanteel kulgeva auto veermiku.

Karen Liu, 30
Georgia tehnikaülikool

Animategelased saavad kehakeele
Wade Roush

Rahvarohkel tänaval vaatab meile vastu sõnatute, kuid ometi eksimatult loetavate sõnumite kakofoonia. Noore naise sammus peituv “ma olen täna vallatu” on vaevata eristatav tsiklimehe “ära tule minuga norima” kõnnakust. Kuid selliste pooside külgepookimine arvuti abil loodud tegelaskujudele on siiani paras alkeemia. Animaatoritel tuleb kas, silm punnis, joonistada oma tegelaste liigutamiseks käsitsi sadu abikaadreid, jättes vahepealsete kaadrite genereerimise tarkvara hooleks, või siis “spikerdada”, kasutades hirmkalleid skännereid, millega saab digitaalseks teisendada elusate näitlejate liikumist.

Sajandivahetuse paiku Washingtoni ülikoolis infotehnoloogiat õppides asus Karen Liu otsima lihtsamat meetodit. Tema kreedo oli järgmine: “Pole võimalik, et tänapäevaste füüsika- ja biomehaanikateadmistega ei suudeta määratleda kõnnakut eristavaid tunnuseid.”
Biomehaanika spetsialistid olid juba ammu analüüsinud inimeste liikumist mõjutavaid mehaanilisi tegureid. Kui suudaksime neid tegureid simuleerida, saaksime ka arvutianimatsioonide tegelased loomulikumalt kõndima panna, eeldas Liu. Ent inimese kehas on sadu üksteist mõjutavaid osi ja poleks sugugi otstarbekas hakata mõõtma või isegi arvuti abil tuletama selliseid iga lihase, kõõluse ja sideme parameetreid nagu pinge ja elastsus. Koostöös oma juhendaja Zoran Popoviciga õnnestus Liul viimaks näidata, et konkreetset meeleolu, näiteks head tuju väljendava kõnnaku saavutamiseks animeeritud inimestel või kas või pingviinidel piisab animatsioonitarkvarale käputäie vastavate väärtuste ettesöötmisest.

Meeleoluparameetrite määratlemiseks töötas Liu välja hulga algoritme, mis põhinesid ühel lihtsustaval eeldusel – et kõndides püüab inimene loomup äraselt kulutada võimalikult vähe energiat. Neisse algoritmidesse sisestab ta andmejupikesi liikumisskänneriga jälgitud inimeste liikumise kohta, kellel palutakse kõndida ühel või teisel konkreetsel moel – näiteks rõõmsatujuliselt. Osa parameetrite väärtused “mõistatab” tarkvara seejärel juba ise, lähtudes väärtustest, mis muudavad liigutused energia kokkuhoiu seisukohast kõige otstarbekamaks.
Liu, kes äsja asus tööle Georgia tehnikaülikooli informaatikateaduskonnas, peab juba läbirääkimisi suurte mängutootjate ja filmistuudiotega oma algoritmide kasutamiseks videomängudes ja animafilmides. Noor naine loodab, et need aitavad animaatoritel edaspidi luua hoopis loomulikumalt kõndivaid tegelasi kui robotlikult kanged kujud näiteks “Polaarekspressis”. “Mulle tundub, et see päev pole enam sugugi kaugel,” ütleb ta.


Garrett Camp, 28
StumbleUpon

Rohkem huvitavat veebist
Erika Jonietz

Aastal 2001 hakkas Garrett Camp kahe sõbraga – “magamistoas”, nagu ta ise ütleb – välja töötama rakendust, mille abil oleks võimalik pooljuhuslikult leida veebist huvitavat materjali. Camp, kes tollal õppis ülikoolis programmeerimist, on olnud sellest ajast peale veebisaidi taustatöö ja arhitektuuri peamine eestvedaja. Mais ostis Web 2.0 “leiumootori” umbes 75 miljoni dollari eest eBay. Juuli seisuga oli StumbleUponi tööriista­riba, lihtsa kasutajaliidese, mis koosneb umbes 15 klikitavast nupust veebisirvija ülaservas, alla laadinud rohkem kui kolm miljonit kasutajat. Kui vaatate mõnd veebisaiti ja klikite “I like it”, siis võrdub see soovitusega; klikkides pöial-all-ikooni, edastatakse negatiivne ­hinnang. Klikkimine nupul “Stumble” viib kasutaja mõnele rohkem kui 10 miljonist sõprade või sarnaste huvidega kasutajate soovitatud veebisaidist. Süsteem viimistleb individuaalseid soovitusi kasutaja varasemate hinnangute ja saidi arvates sarnaste huvidega inimeste eelistuste põhjal. Millistele saitidele on Camp “komistanud”?

Josh Bongard, 33
Vermonti ülikool

Kohanevad robotid

Postdoktorandina Cornelli ülikoolis arendas Bongard koos robotiteadlase Hod Lipsoni ja doktorant Victor Zykoviga robotit, mis suudaks kohaneda oma keha või keskkonna muudatustega – see on peamine eeldus robotite puhul, mis mõeldud töötama väljaspool kontrollitud laboritingimusi.

Bongard, kellest praeguseks on saanud infotehnoloogia professor, alustab katset sellega, et programmeerib oma robotisse alusinformatsiooni selle ehituse, näiteks selle osade massi ja kuju kohta. Tavaliselt võtab ta seejärel küljest ühe jala. Et tekkinud probleemist aru saada, kõigutab robot end edasi-tagasi, aktiveerides kaks kaldeandurit. Seejärel loob ta enesest simulatsioonitarkvara abil virtuaalse mudeli ja testib selle mudeli abil võimalusi, kuidas oma puudest hoolimata kõndida. Kui mõni neist simulatsioonidest osutub edukaks, püüab ta seda tehnikat kasutades kõndima hakata.

Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi robotitehnoloogia professori Rodney Brooksi sõnul on Bongardi lähenemine huvitav seetõttu, et võtab eeskuju elussüsteemide kohanemisviisidest. Robotitehnoloogide homses töös, isekonfigureeruvate robotite loomisel, “kuluvad sellised ideed hädasti ära”, kinnitab Brooks.

Lili Yang, 32
California tehnikaülikool

Geenitehnoloogia immuunsüsteemi teenistuses
Alexandra Goho

Immuunsüsteem on keerukas aparaat, mis on loodud tagasi lööma haigusttekitavate mikroobide pidevaid rünnakuid. Paraku ei ole see nii osav võitlema vähiga, mis maskeerib end normaalseks koeks. Lili Yang tegeleb immuunsüsteemi ümberprogrammeerimisega geeniravi abil, et panna see ära tundma ja hävitama vähirakke.

Immuunsüsteemi stimuleerimine vähiga võitlemiseks on nüüdisaja üks kuumimaid teadusteemasid. Osa teadlasi tahab sel eesmärgil geneetiliselt muundada patsientide valgeid vereliblesid, kuid Yang kavatseb katsetada potentsiaalselt hoopis mõjuvamat meetodit – muuta vereloome tüvirakke. Kuna tüvirakud uuenevad iseeneslikult, võib tulemuseks olla haigusega võitlemiseks või isegi selle ärahoidmiseks programmeeritud rakkude tagavara, millest jätkub inimesele kogu eluks.

California tehnikaülikooli Engineering Immunity programmi projektijuht ja teadusdirektor Yang töötas välja viirusvektori, mis võimaldab tüvirakkudesse viia korraga kaks geeni. Viimased kodeerivad T-rakkude retseptorvalgu selliselt, et T-rakkudeks nimetatavad valged verelibled on võimelised avastama ja hävitama vähirakke. Muundatud tüvirakkudest arenevad seejärel vastava retseptoriga T-rakud. Selle meetodi abil on kasvajate ravi hiirtel olnud nii edukas, et kevadel loodab Yang alustada katseid melanoomi põdevatel patsientidel.

Et ravida haigeid, tuleb Yangil nende vereloome-tüvirakud laboris isoleerida, geneetiliselt töödelda ja seejärel tagasi verre süstida, mis on töömahukas ja kallis protsess. Sestap tahab ta koostöös oma Lõuna-California ülikoolis töötava abikaasa Pin Wangiga luua viirusvektorid, mis toimetaksid raviotstarbelised geenid ainult üht konkreetset tüüpi rakkudesse. Hiirte puhul on see neil ka õnnestunud, mida loetakse geeniteraapias väga oluliseks edusammuks.

Tulevikus, ütleb Yang, peaks vähi raviks piisama sääraste konkreetse sihtmärgiga vektorite süstimisest organismi. Geeniteraapia tohutu arstiteadusliku potentsiaali teostumiseni läheb veel aega, kuid “Lili suudab selle teostada”, ütleb Yangi juhendaja, California tehnikaülikooli bioloog ja Nobeli auhinna laureaat David Baltimore. Lisaks eespool mainitutele töötab Yang välja vektoreid, mis stimuleeriksid teatavaid immuunsüsteemi rakke tootma antikehasid HIVi vastu. Kui seda projekti saadab edu, võib sellest sündida vähemasti aidsivaktsiin.


Rachel Segalman, 31
California Berkeley ülikool

Odav elekter soojusest
Kevin Bullis

Enamik kütustes sisalduvast energiast läheb raisku soojuse kujul. Ent suure osa sellest soojusest saaks muundada elektrienergiaks – termoelektriliste materjalide abil, kui need oleksid odavamad ja suurema kasuteguriga. Nüüd on keemiatehnoloogia professor Rachel Segalman avastanud, et soojuse elektrienergiaks muundamiseks saab kasutada odavaid orgaanilise aine molekule. Siiani on praktikas saadud pinge madal, aga Segalman ja tema kolleegid tegelevad molekulide täiustamisega ja töötavad välja uudseid seadmeid, et neid paremini ära kasutada. Säärased seadmed võiksid näiteks koguda arvutist eralduvat soojust ja laadida selle abil sülearvuti akut.

Segalmani termoelektriline materjal koosneb metalli või pooljuhi nanoosakestest, mis on omavahel ühendatud benseenditiooli, süsinikuringiga sidemes väävli- ja vesinikuaatomitest koosneva odava orgaanilise ühendi molekulidega.

Nanoosakestest ja orgaanilise aine molekulidest koosnev aine juhib elektrit, aga ei juhi soojust – see ongi termoelektriliste materjalide tähtsaim omadus, sest elektrivool tekitatakse temperatuurierinevuste abil. Termoelektrilises seadmes asub selline materjal kahe elektroodi vahel. Ühe elektroodi kuumenemisel ja teise jahutamisel tekib elekter. Elektroodide ühendamisel vooluringi saadakse elektrivool.

Neil Renninger, 33
Amyris Biotechnologies

Mikroobide varjatud energia
Emily Singer

Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi kurikuulsa blackjackimeeskonna endise liikmena Neil Renninger teab, mida tähendab võtta suuri kaalutletud riske ja näha neist tulu tõusmas. Kolme aasta eest võttis ta täpselt samasuguse riski, asutades California Berkeley ülikooli postdoktorandina koos partneritega biotehnoloogiafirma Amyris. Ettevõtte uuenduslik tegevus biokütuste valdkonnas on tekitanud suurt elevust investorite hulgas ja huvi suurkorporatsioonides, nagu Virgin, mis hiljuti asutas omaenda kütusedivisjoni.

Amyris alustas oma tegevust tõhusa malaariaravimi artemisiniini mikroobsel baasil valmistatud eellasmolekuli kaubastamisega. Artemisiniini toodetakse praegu koirohust, kuid Renninger visandas võimaluse, kuidas seda saaks toota odavamalt bakterite abil – teenides endale ja kolleegidele osa Gatesi fondi 42 miljoni dollarilisest teadusstipendiumist. Renningeril on võtmeroll ka Amyrise biokütuste projektis. Esmalt selgitas ta välja, millised molekulid toimiksid hästi kütusena ja ühtlasi sobiksid olemasolevate mootorite ja kütusemüügi infrastruktuuriga, seejärel kavandas nende tootmise bioloogiliste ja keemiliste protsesside kombineerimise teel.

Praeguseks on Amyrises loodud mikroobid, mis suudavad toota võimalikke asendajaid biodiislile, reaktiivkütusele ja bensiinile. “Nüüd tuleb pisikutega veel veidi nokitseda, et sundida nende ainevahetust tootma väärt kraami piisavalt odavalt, et seda saaks kütusepaaki valada,” ütleb ta.