1876年2月，约翰霍普金斯大学首任校长丹尼尔·科伊特·吉尔曼在就职演讲中承诺："我们创始人的名字将流传两百多年，他的馈赠将永垂不朽。"如今，我们已经走过了吉尔曼目标的四分之三，而世界也在此过程中发生了巨大变化。
就在吉尔曼演讲后一个月，亚历山大·贝尔为电话申请了专利。那年春天，托马斯·爱迪生开设了门洛帕克实验室，在那里他开发了留声机和电灯照明系统。五十年后，即1920年代中期，维尔纳·海森堡建立了量子力学基础，埃德温·哈勃证实了其他星系的存在，亚历山大·弗莱明发现了青霉素。1976年，当约翰霍普金斯大学庆祝百年校庆时，苹果I型个人电脑和首台克雷超级计算机问世。
在约翰霍普金斯大学，研究人员在1940年代创建了大爆炸理论模型，十年后发明了如今被数百万医疗工作者使用的救命心肺复苏协议。1970年代，科学家们开发了打开基因工程前沿的分子"剪刀"，制造了首批可植入起搏器，并从太空拍摄了地球的首批彩色照片。
吉尔曼无法预见这些创新，但他知道变革即将来临，约翰霍普金斯大学将成为这一变革的一部分。"每个时代都需要新的开始，"他说，"我们扬帆驶入帕塔普斯科河，驶向未知的海洋。"
经过150年，霍普金斯大学的教职员工和学生已经探索了吉尔曼只能梦想的前沿领域。但未来五十年将带来哪些奥秘和奇迹？我们请约翰霍普金斯大学的当代研究人员展望一下，当学校迎来200周年校庆时，他们的领域可能会是什么样子。
老龄化将不再是一种负担
当迪士尼乐园在1950年代推出"未来之屋"展览时，游客们排队穿过麻省理工学院设计的塑料外壳，惊叹于专为年轻家庭设计的奇迹——包括微波炉和壁挂式电视。当时，只有8%的美国人年龄在65岁以上，但如今这一比例接近20%；到2076年，这一比例预计将达到27%以上。为了管理这一转变，我们需要一种新的家庭环境设计方法，约翰霍普金斯大学老年医学工程中心工程总监纳吉姆·德哈克(Najim Dehak)表示。"老年人有不同的需求和愿望，"他解释道，"我们需要设计未来的房屋，让老年人能够更安全、更长久、更健康地生活。"
在贝维尤校区，德哈克的团队正在建造新一代"未来之屋"：配备了传感器和AI工具的示范公寓，以帮助老年居民。德哈克预测，50年后，人们将能够更长时间地保持独立，使用自动驾驶汽车去办事或与朋友会面。到家后，他们无需摆弄钥匙；他们的房屋将识别他们，记录他们安全返回，并自动开门。室内，从运动探测器到扫描冰箱内容的摄像头，各种传感器将监测每位居民的健康状况，确保他们饮食良好、保持水分和活动。如果我们没有照顾好自己，语音操作的人工智能助手——德哈克的专业领域——将鼓励我们拿点零食，给亲人打电话，或戴上虚拟现实眼镜参加沉浸式团体活动。
"也许我们会拥有机器人管家给我们送饮料，"德哈克说，"但更重要的是，我们将拥有更智能、更互联的家庭，这将使我们在衰老过程中更容易保持安全和健康。"
医生将利用来自互联家庭的大量数据来跟踪老年患者的情况，并在出现问题时发出警报。传感器可以跟踪一个人的语音、笔迹、步态或眼动，以提供认知能力下降或帕金森病等疾病的早期预警，或帮助医生监测治疗计划并调整药物。"我们将能够根据家中的连续数据为你个性化治疗，"德哈克说。
全天候监控听起来可能令人不安，但德哈克指出，人们已经佩戴设备来跟踪生物特征。"随着时间推移，人们将更加接受这种东西，"他预测。从长远来看，整个社区可能会配备传感器来监测居民的健康状况。"这就是未来的方向，"德哈克说。
我们仍将继续探寻外星生命
太空探索需要长远的时间规划，因为规划和发射太空探测器需要数年时间，然后需要更多年甚至数十年才能到达目的地。"那些研究遥远天体的人总是在展望遥远的未来，"行星科学家莎拉·霍斯特(Sarah Hörst)解释道。霍斯特花了过去十年时间规划美国宇航局的"蜻蜓"任务，该任务计划于2034年登陆土星的卫星之一泰坦，以及"DAVINCI"探测器，该探测器将在同一时期左右穿过金星大气层。"我的生活将在2030年代中期突然变得非常复杂，"她笑着说。
每个新的探测器都建立在之前任务的洞察基础上，但中间的时间间隔由行星排列决定。例如，前往土星的任务大约每30年才能发送一次，因此到2076年，研究人员可能正在消化2060年代中期假设的"蜻蜓二代"任务的数据，并决定下一步关注什么。有一点是肯定的：泰坦将不会在此之前揭示其所有秘密。研究人员将继续探索其复杂化学和天气如何揭示地球生命起源或在其他地方发现生命的可能性。
"这些是我们希望取得进展的问题类型，"霍斯特说。
在未来的几十年里，其他旗舰探测器可能包括2030年到达木星卫星的"欧罗巴快船"、约在本世纪中叶到达天王星的任务，以及可能在2050年代到达土星卫星恩克拉多斯的"恩克拉多斯轨道着陆器"。霍斯特最大的问题——例如欧罗巴埋藏的海洋中是否有生命，或金星表面究竟是什么样子——几乎肯定需要更长时间才能解答，需要机器人技术和材料科学的重大突破。"我个人会惊讶于我们在2076年之前能够进入欧罗巴的海洋或向金星表面发送漫游车，"她说。
在更远的地方，系外行星的研究将产生新的见解：虽然已经发现了数千颗行星，但仍有大量信息有待了解。但事情并不像将变焦镜头指向遥远行星并看到外星人向我们挥手那么简单。相反，霍斯特说，见解是通过仔细研究嘈杂的数据集，推断出遥远大气中存在哪些化学物质而获得的。"人们会不断声称在某个系外行星上探测到了生命，"她说，"但要真正证明我们已经探测到生命将困难得多。"
霍斯特解释说，太阳系探索的历史表明，在不访问其他行星的情况下很难真正理解它们。虽然正在努力将人类送回月球——并有一天送至火星——但目前没有实用的方法将人类或机器人送到其他恒星。随着研究人员继续寻找外星生命，可能需要新的轨道或地面望远镜，甚至全新的成像技术。"在这个领域，你肯定是在玩一场长期游戏，"霍斯特说。
太阳能板将更加高效
如今，几乎所有太阳能电池板都是由硅制成的，这种材料价格低廉、耐用、丰富——但理论上只能吸收任何给定光束中三分之一的能量。实际上，大多数当前的光伏电池板仅能将不到四分之一的入射太阳能转化为电能，限制了其效用并推高了清洁能源的成本。
到2076年，情况可能会发生巨大变化，电气和计算机工程副教授苏珊娜·索恩(Susanna Thon)说。通过纳米制造、分层半导体和其他创新技术——其中一些索恩正在她的实验室中测试——将很快能够从更广泛的高能和低能光子中收集能量，潜在地将电池板的效率提高三倍。"我们有一系列策略，所以现在是一个技术挑战，"索恩说。
热力学因素使得效率无法超过86%，但将光伏电池板推向这一极限将降低太阳能成本，同时允许小型、超高效率的电池板安装在从手持设备到汽车车顶的任何地方。"如果你能使其与当今的硅技术一样便宜——而且没有根本原因说明为什么不应该如此——它可能会产生巨大影响，"索恩说。
纳米技术材料可能会催生可安装在窗户或设备屏幕上的透明太阳能电池板。索恩自己的创新之一——一种喷涂式太阳能电池板——可以将光伏能力直接喷涂到电池上，创造出自充电能源存储。与此同时，轨道太阳能收集器可以将廉价能源传输到地球或为太空中的数据中心供电，减少人工智能在地球上的能源足迹。
索恩表示，某些工业应用将需要化石燃料。但除此之外，先进的太阳能可能满足人类几乎所有需求。"从长期来看，可再生能源的需求只会增长，"她说，"太阳能是唯一能够为整个人类文明提供动力的可再生资源。"
我们将不再那么害怕AI
如果约书亚·T·福格尔斯坦(Joshua T. Vogelstein)——一位研究领域涵盖生物医学工程、计算机科学、数学和神经科学的博学者——有一台时间机器，他会前往2076年，询问家人和朋友对人工智能的看法。
"当普通民众——那些不参与创造AI的人——不再害怕它时，我就知道我们取得了真正的进步，"他说。
福格尔斯坦表示，目前我们处于一个令人不安的境地：AI发展迅速，但我们不知道它将走向何方。一些人预计进展将雪球般增长，导致"奇点"——机器智能将人类远远抛在后面的转折点。其他人则认为计算机永远不会实现类人智能。"这两种说法都有充分的支持，"福格尔斯坦说。
福格尔斯坦认为，揭开AI的神秘面纱需要对智能本身有更全面的理解。他自己的一个项目——果蝇大脑的神经元级地图——指明了前进方向：他预计到2076年我们将拥有的人类大脑等效地图，可能会阐明人类智能的生物学基础，并阐明它是否可以通过计算机模拟真正复制。
但他补充说，仅靠生物见解是不够的。相反，我们需要融合跨越神经科学、人类和动物认知以及神经网络的跨学科研究，形成类似于物理学家使用的标准模型的东西。"我希望到2076年将有一套统一的理论来解释广义智能，"福格尔斯坦说。
对人类和机器智能的更深入了解可能会揭示AI的潜力和局限性。"事实可能证明AI比我们想象的要愚蠢得多，"福格尔斯坦说。毕竟，当今的前沿模型已经有效地阅读了所有现存的书籍，但仍然会犯我们在受过良好教育的人类身上无法容忍的基本错误。"我们对AI的惊人之处感到震惊，但很难推断出它应该有多惊人，"他说。
对人类和机器智能的新见解最终可能为更好的护栏铺平道路，确保AI造福整个社会。"我们之前已经弄清楚如何驾驭强大而危险的事物，"福格尔斯坦说，"我们也需要对AI这样做，并确保它服务于我们的集体福祉。"
量子科学将保持奇妙
量子力学已经存在了一个世纪，但继续挑战研究人员，物理学教授彼得·阿米塔奇(Peter Armitage)说。该领域的核心见解——在最小的微观层面上，宇宙是参差不齐和像素化的，而不是平滑和连续的——迅速导致了令人费解的结论，量子物体在周围传送，在广阔距离上瞬间相互影响，或同时作为波和粒子存在。
支配量子力学的核心方程现在已被充分理解，但新技术和理论进步意味着该领域的实际影响仍在探索中。"我没有看到任何迹象表明我们已经触及这个井的底部，"阿米塔奇说，"我们如此忙碌，就像从消防水带中喝水。"
研究人员已经在使用量子方法窥视亚原子世界。为了找到希格斯玻色子——赋予物体质量的神秘"上帝粒子"——科学家使用了一个五英里宽的粒子加速器，以惊人的力量将质子碰撞在一起。如今，约翰霍普金斯大学的戴夫·德米勒(Dave DeMille)构建了桌面量子传感器——使用激光将超冷分子推入高度敏感的量子状态——可以探索能量水平比即使在最大加速器中发现的高出10倍的情况。到2040年，研究人员可能使用类似方法研究petaelectron volt尺度——比揭示希格斯玻色子的碰撞强度高约100倍——以寻找新粒子和物理力。
由于量子传感器揭示了最微小的振动，它们有一天可能能够探测到暗物质和暗能量，尽管它们构成了宇宙的绝大部分，但对传统传感器来说是看不见的，甚至可能探测到据理论支撑引力本身的粒子。
新的量子材料还可能实现无电阻能源传输，使经典计算机效率大大提高。这可能为混合系统打开大门，一些任务由超高效经典计算机完成，而其他任务则由强大的量子计算实现。
但阿米塔奇说，即使量子技术成为主流，量子力学的深层奇妙性将继续吸引和迷惑人们。"它仍将显得奇怪，"他说，"50年后，像我这样的人仍将坐下来思考，'但它真的可能吗？'我认为这永远不会消失。"
你将能吞下你的外科医生
在1966年的电影《奇妙旅程》中，科学家缩小到微观尺寸，探索人体并治疗患者的血栓。在接下来的半个世纪里，我们不会实现这一点——但生物分子工程师大卫·格拉西亚斯(David Gracias)说，次优选择将是智能微型机器人，可以像药丸一样被吞下，使它们能够从内部检查和治疗患者。"我们可以将探测器送入太空，但没有系统可以导航我们自己的身体。这是激励我的重大挑战，"他说。
格拉西亚斯已经开发出星形装置，每个大小如沙粒，可以夹住肠壁，更缓慢、更精确地输送药物。接下来，格拉西亚斯希望开发可吞咽的机器人，可以在选择性地对组织进行活检前拍摄照片或视频，实现非侵入性结肠镜检查和输尿管镜检查。
格拉西亚斯专注于胃肠道，因为它更容易、更安全，但有一天类似的技术可能用于血液或大脑。"当然，人们会这样做，而霍普金斯是做这件事的地方，因为我们有着革命性医学发现和干预措施的历史，"他说。
与此同时，格拉西亚斯正在开发"细胞纹身"——标签，如由纯金制成的微型二维码，可以嵌入活细胞中。目标是远程跟踪它们的生物化学，如果出现问题，提供早期预警系统。"人体大约有30万亿个细胞，"他说，"也许在50年内，我们将能够标记和跟踪体内的每个细胞。"
格拉西亚斯说，到2076年，我们可能拥有身体的"数字孪生"，持续监测肝脏、肺部和其他器官的健康状况，就像我们跟踪睡眠或运动一样。结合药丸大小的"外科医生"，这意味着医疗护理标准将大大提高——即使是对那些无法获得专家的人。"拥有安全、广泛可及的干预措施，"格拉西亚斯说，"将大大提高结果，不仅对少数人，而且更普遍地对社会。"
我们将终于理解感觉
当你伸手触摸某物——粗糙或光滑、湿或干、硬或软——你触及了一个仍然让研究人员困惑的谜题，机械工程副教授杰里米·D·布朗(Jeremy D. Brown)说。"我们仍然不完全理解触觉传感如何真正起作用，"布朗说，"在接下来的50年里，我怀疑科学家们将更好地理解触觉系统如何协调不同的刺激来形成对物理世界的感知。"这将解锁人类与机械和数字工具互动的新方式。
早期的假肢主要是装饰性的，或使用连接到用户身体的简单电缆来控制原始的机械"手"。如今最先进的假肢要复杂得多，具有动力部件和完全铰接的手指，但仍然缺乏使用户能够完成精细任务所需的感官反馈。添加机载AI可能为创建能够实时适应和反应的智能假肢铺平道路。"如果你拿着一个咖啡杯，它开始滑落，假肢可能会检测到这一点并握得更紧，甚至在你意识到它在滑落之前，"布朗解释道，"我们需要这种共享控制形态，使这些设备以我们可以直观理解的方式运行。"
更好的触觉技术还可以升级医疗工具，使使用腹腔镜机器人的外科医生能够感受到身体深处正在发生的事情，并像自己的手一样灵巧地操纵机器人。"能够自然地获取这种感官信息会改变你在手术环境中如何与组织进行物理互动，"布朗说。
当前的触觉技术与用户身体进行物理交互——当外科医生推动机器人手术刀时产生阻力，或振动向假肢用户发送信号。布朗说，在未来，我们将更善于将这些信号直接输入神经系统，甚至输入大脑本身。布朗将这与科幻畅销书《头号玩家》(给斯皮尔伯格2018年大片改编)进行比较，在该书中VR和触觉工具结合创造出超真实的沉浸式环境。"我希望我们能在未来50年内达到《头号玩家》，设备提供丰富的触觉反馈，"他说，"然后50年之后，我们将把植入物直接放入大脑，给你所有你想要的感觉。"
本·惠特福德是驻芝加哥的科技记者。
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