ブリリアント10: 科学界で最も革新的な新進気鋭の頭脳

新鮮な視点は世界を変えることができます。パンデミック、気候変動、不平等に悩まされている世界は、私たちがかつて経験したことのないほど変化の機が熟しています。だからこそ、ポピュラーサイエンスは5年間の休止期間を経て、ブリリアント10を復活させます。これは、さまざまな分野の問題に独創的なアプローチを開発している若手科学者とエンジニアの年次リストです。これらのイノベーターを見つけるために、私たちは全国規模の検索に乗り出し、あらゆる種類と規模の機関から何百人もの研究者を精査しました。これらの思想家は、明日、そして今日の前例のない課題を乗り越えるための私たちの最大の希望を表しています。

• アリソン・ウィング：予測をより曖昧にしない
• マイケル・ジャコメリ: 外科病理学のターボチャージ
• ビアンカ・ジョーンズ・マーリン：世代間のトラウマを解き明かす
• マシュー・スタム：ディープフェイクを見つけるためにデジタル指紋を探す
• フランク・ライブファース：飲料水から永久に残る化学物質を除去する
• ジョサイア・ヘスター: バッテリーなしで電子機器に電力を供給する
• ブレンダ・ルーベンスタイン: 化学物質のスープにデータを保存する
• ファンクオン・リン：スマート下水道で公衆衛生を追跡
• マイケル・トロクセル：暗黒物質に光を当てる
• ステイシー・ブランハム：テクノロジーを最も必要とする人々のために適応させる

将来の予測をより明確にする

アリソン・ウィング氏は、世界の主要な気候モデルに欠陥があると見ている。気候変動に関する政府間パネルが発表した報告書は水蒸気を考慮しているが、それが雲を形成する仕組み、より具体的には、雲が上空でどのように集まるかを考慮していない。実際、フロリダ州立大学の気象学者は、これらの空中の雲が環境予測における最大の不確実性の原因かもしれないと述べている。ウィング氏のモデルとシミュレーションは、より高温の惑星が雲や嵐をどのように作り変えるか、そしてこれらの変化が地球温暖化を悪化させるかどうかを予測するのに役立つ可能性がある。

雲のパターンが地域によって異なる影響を及ぼしうることはすでに明らかです。「雲がランダムに分布するのではなく、密集すると、大気全体が乾燥して暖かくなり、雲の覆いも全体的に少なくなります。そして、それが放射エネルギーが気候システムをどのように流れるかに影響します。」とウィング氏は説明します。

2020年に地球システムモデリングの進歩ジャーナルで発表されたウィング氏の研究結果は、雲の挙動の微妙な違いが、気候の未来がどうなるか、そしておそらくはそれに到達する速度がどれくらいかという概念を変える可能性があることを示唆している。「雲がどのように密集しているかだけでなく、雲に関するすべてです」と彼女は言う。彼女は、大気の数学的シミュレーションの実行を率いる40人の国際的な科学者のグループとともに、地球が温暖化するにつれて雲の密度、高さ、明るさなどの要素がどのように変化するかをよりよく把握したいと考えている。これらの詳細に焦点を絞ることで、地球温暖化予測の精度が磨かれる可能性がある。

ウィング氏は現在、異常気象に関する疑問に答えたいと考えている。例えば、ある年に発生するハリケーンの数は何が左右するのか、なぜ大嵐はなぜより速く大きく、より雨量が多くなっているのかなどだ。同氏の研究は、太陽が地球を温める際に反射される赤外線が発生中の嵐の下に閉じ込められ、より強い嵐がより速く発生するという、一種の「雲の温室効果」を指摘している。同氏は、2021年のNASA助成金の一環としてアクセスしたジェット推進研究所のクラウドサット研究衛星の観測データによって、この現象の存在が立証されることを期待している。

ウィング氏は、過去のハリケーンを鮮明に再現することで（このプロセスには多くの変数が関係するため、ワイオミング州にある国立大気研究センターのスーパーコンピューターで実行）、時間の経過とともに再現結果がよりリアルになることを期待している。しかし最終的には、NASA の衛星画像（つまり現実世界）を利用して、人命救助につながる可能性のある予測を行いたいと考えている。

外科病理学のターボチャージ

生検結果を迅速に得るには、モーズ手術に勝るものはない。瘢痕を最小限に抑えるため、病理学者は切除した皮膚がんをその場で分析し、危険な細胞がすべて除去されていることを確認する。前立腺や乳房などの一般的ながん手術では、明確なマージンを確認するのに何日もかかる実験室作業が依然必要であり、繰り返しの手術が必要になることもある。そして、これらすべてが非常に手間がかかる。ロチェスター大学の生物医学エンジニア、マイケル・ジャコメリは、モーズ手術のターンアラウンドタイムさえも凌ぐ顕微鏡を持っている。さまざまな腫瘍からがん細胞をほぼリアルタイムで見つけることができるのだ。

鍵は小型化だ。ジャコメリ氏が開発したタイプの撮像装置、2光子顕微鏡は数十年前からあるが、高価（50万ドル以上もすることが多い）で形状も不規則（部品は物置ほどのスペースに収められることが多い）なため、ほとんどの手術室では実用的ではない。このスコープはレーザーの力を借りて病的な細胞を探す。腫瘍細胞はDNAが過剰であるため核が肥大しているのが特徴で、特殊な染料に浸すと、特大の細胞小器官がレーザー光の下で蛍光を発する。「湿った血まみれの汚い組織塊にまで届き、内部を観察できるのです」とジャコメリ氏は説明する。

光学のバックグラウンドを持つ彼は、溶接や工場の現場では小型で軽量のレーザーが使われていることを知っていた。鍵となるのは、その波長で作動し、従来の研究室でより詳細な検査ができるように人体組織を損傷しない染料を見つけることだった。彼は、ピンクの蛍光ペンのインクの誘導体に適切な色をひとつ見つけ出した。MITで始まった何年もの試行錯誤と数回の反復を経て、それを点灯させるレーザーの重量は5～25ポンドになった。顕微鏡、モニター、CPU、キーボード、ジョイスティックを組み合わせたこのシステムは、手術の間を移動できるほどコンパクトな手押し車に収まる。価格は約10万ドル。

米国では毎年、乳がんの手術が10万件以上、皮膚がんの処置が何百万件も行われており、その影響は甚大なものとなる可能性がある。2019年以来、ジャコメリ氏のシステムの以前のバージョン（洗濯機ほどの大きさ）が、ボストンのベス・イスラエル病院で乳がん患者を対象に臨床試験に使用されている。また、 Modern Pathologyに掲載された前立腺がんのスクリーニングに関する研究では、医師は新しいシステムでも従来の方法と同様に悪性細胞を特定できることが明らかになった。ジャコメリ氏は次に、この新しい、より洗練されたセットアップをモーズ手術やその他の皮膚がんの手術で試したいと考えている。また、迅速な回答を得るために、組織検査室が近くにない地方の診療所に画像診断装置を導入することにも興味を持っている。さらに、黒色腫のような複雑な形状のがんの転帰を改善できる可能性のある3D画像診断用にスコープを改造することも新たな可能性を秘めている。「腫瘍を2Dで見るだけでは、何が起こっているのか理解する範囲が限られてしまう」と同氏は言う。「3D画像は診断に大きな役割を果たすと本当に思う」

世代を超えたトラウマを解き明かす

ビアンカ・ジョーンズ・マーリンは、自分のキャリアに影響を与えたのは兄弟姉妹たちだと言う。30人以上いる。これは誤字ではない。マーリンの両親は、何十人もの里子を引き取った。「私の兄弟姉妹は、想像もできないようなことを経験してきました」と彼女は言う。だからこそ、コロンビア大学の心理学者で神経科学者であり、自身も里子を引き取ったマーリンは、エピジェネティクス、つまり環境や行動が遺伝子に与える影響という、ユニークな分野を研究している。先祖が子孫とほとんど、あるいはまったく接触していなくても、ストレスやトラウマが世代間でどのように受け継がれるのかを記録している。

「世界はあなたの脳と体を変えます。そしてあなたの子孫も変えます」と彼女は言います。「それは社会に、そして私たちが将来何が起こるかを予測する方法に非常に強い影響を及ぼします。」飢餓、大量虐殺、その他多くの苦難に耐えてきたコミュニティは、後の世代で不安やPTSDが強くなる可能性があると彼女は指摘します。ストレスが「未来に伝わる」仕組みを明らかにすることで、治療と予防への道が開かれ、トラウマの連鎖を断ち切ることができるかもしれません。

マーリン氏は、脳の発達と学習に焦点を当てた研究を、社会行動の劇的な変化の原因となるメカニズムの 1 つを特定することから始めた。2015 年、彼女はオキシトシンというホルモンがマウスの母親を子マウスの苦痛の叫びに敏感にさせる仕組みを明らかにした。それ以来、彼女は実験用マウスにおける環境ストレスとトラウマの影響を研究してきた。

しかし、こうした変化はどのように受け継がれるのだろうか？「それが、私たちが取り組んでいる素晴らしく本質的な疑問です」とマーリンは言う。これまで、科学者たちはそうした影響を逸話的にしか見ていなかった。例えば、第二次世界大戦末期のオランダで起きた悪名高い飢饉では、糖尿病、高血圧、統合失調症などの健康問題が、影響を受けた人々だけでなくその子供たちにも増加した。これは、生殖細胞がトラウマの記憶を伝える可能性があることを示唆している。マーリンはマウスを使った研究を通じて、学習した行動（アーモンドの匂いを電気ショックと関連付ける）が、子孫のその匂いに反応する嗅覚細胞の増加とどのように結びついているかを実証した。「私たちは文化の中でそれについて話しますが、そのメカニズムがわからないため、神話だと考えられています」と彼女は指摘する。

マーリンは、自分の研究結果が特定の集団に汚名を着せるために、さらには危害を加えるために使われる可能性があることを認識している。「15年後に、人々が私たちの研究成果を壁として利用し、自分の先祖がこのような経験をしたから、自分も当然このような苦しみを味わうことになるだろうと決めつけるようなことがあれば、私はがっかりするでしょう」と彼女は言う。さらに悪いことに、悪意のある人物が将来の世代に危害を加えるという明確な意図を持って拷問や恐怖を与える可能性もあると彼女は続ける。

ポジティブな影響は、彼女を前進させるのに十分だ。「ネガティブな変化や劇的な変化を誘発できるなら、ポジティブな変化も誘発できるのです」とマーリン氏は言う。「それがエピジェネティクスの素晴らしいところです。永続的なものではありません。」

ディープフェイクを見つけるためにデジタル指紋を調査

「犯罪の激しさを考えれば、犯罪者が痕跡を残さずに行動することは不可能だ」と、20世紀の法医学の先駆者エドモンド・ロカールは書いている。これはマシュー・スタムが頻繁に引用する言葉だ。しかし、ドレクセル大学のコンピューターエンジニアであるロカールは、指紋や髪の毛を狙っているわけではない。彼のツールと技術は、デジタルオブジェクトへの最も微妙な変更、つまりディープフェイクさえも検出する。

2017年にRedditで最初に登場して以来、ディープフェイクは、AIを使って有名俳優の顔をポルノスターの体に載せるという不快ないたずらから、あらゆる種類の合成マルチメディアを伴う憂慮すべきオンラインの脅威へと進化しました。検出は行為自体よりもさらに新しいため、この現象がどれほど広まっているかは誰も把握していません。アムステルダムを拠点とするセキュリティ会社Sensityは、自社製のスニファーで検出された例が2020年の最初の6か月だけで2倍になったと報告しました。しかし、その数は確かに少なく、特にMyHeritage、Avatarify、Womboなどの使いやすいアプリがリリースされ、すでに何千万枚もの写真をアニメーション化するために使用されていることを考えるとなおさらです。

「視覚的に説得力のある、完全に偽のメディアを迅速に作成する能力は、技術的な側面からそれを処理する私たちの能力を上回っています。そして重要なのは、社会的側面です」とスタムは指摘する。2021年の議会調査局の報告書によると、これらの行為は国家安全保障上の大きな脅威となっている。それらは、選出された公職者を脅迫したり、国民を過激化させたり、選挙に影響を与えたり、さらには戦争を扇動したりする目的で、偽のプロパガンダを広めるために利用される可能性がある。

この脅威の高まりを受けて、マイクロソフトやフェイスブックなどの大企業を含む多くの企業や研究者が、AIによる偽造動画を嗅ぎ分けるソフトウェアの開発に乗り出している。だが、自動ディープフェイク検出装置の開発で国防高等研究計画局（DARPA）から資金提供を受けているスタム氏は、AIが使われているのは、われわれが心配しなければならない改ざんされたメディアのごく一部にすぎないと指摘する。専門的な技術やハードウェアがなくても、Adobe Photoshopを使えば、いわゆるチープフェイクやダムフェイクが作れる。2019年には、ナンシー・ペロシ下院議長の動画が、サウンドトラックを遅くして酔っ払ってろれつが回らないように改変された。2020年には、当時候補者だったジョー・バイデン氏がインタビュー中に居眠りしているように見せるために、動画が切り刻まれた。

スタムの画像分析のアプローチは、どんなに説得力のある単純な操作でも検出できる。「メディアの作成に関係するすべての処理要素、すべての物理的ハードウェア デバイスは、統計的な痕跡を残します」と彼は指摘する。彼は、さまざまな領域に残されたデジタル「指紋」を見つけて比較する、法医学的類似性と呼ばれる概念に基づいてアルゴリズムを構築した。彼のソフトウェアは、画像を小さな断片に分割し、写真のすべての部分を他のすべての部分と比較する分析を実行して、あらゆる種類の不正な編集の局所的な証拠を作成する。

スタム氏の最新の研究は、感情の一貫性に焦点を当てており、ビデオ内の音声パターン（強度とトーン）と顔の特徴（表情と動き）を一致させている。心理学者であるスタム氏の妻にヒントを得たこのアイデアは、ビデオ操作では、特に音声において、感情の一貫性を長期間維持することが難しいという考えから生まれたものだとスタム氏は言う。これらの技術はまだ開発中だが、有望である。

飲料水から「永遠の化学物質」を除去する

ノースカロライナ州のケープフィア川は、同州南東部の大部分の飲料水を供給している。しかし、化学大手デュポン社は数十年にわたり、この水路に不潔なものを流していた。PFAS（パーフルオロアルキルおよびポリフルオロアルキル化合物）は、炭素とフッ素が強く結合した鎖で、「永遠の化学物質」という名声を得ている。その一部であるPFOAとPFOSは、コレステロールの上昇、甲状腺疾患、免疫力の低下、がんの原因となる可能性がある。米国疾病対策センターは、1999年以来、検査したほぼすべてのアメリカ人の血流からこれらを発見している。デュポン社（現在はケマーズという名称の部門）は2013年に生産を段階的に中止したが、テフロン、スコッチガード、ゴアテックスなど、家庭で欠かせない製品の旧処方の名残は今も残っている。

ノースカロライナ大学チャペルヒル校の化学者フランク・ライブファース氏は、これらの毒素を除去できるフィルターを開発しており、ノースカロライナ州の汚染された水路からその研究を始めている。

ライブファート氏は、PFASのようなフッ素系ポリマーを専門としている。NC Policy Collaboratoryが2018年に同州の水質汚染問題解決のために資金提供を行う前は、フッ素で外側が硬化されていることもある使い捨てプラスチックの安価で持続可能な代替品を見つけることに注力していた。ライブファート氏の解決策は、おむつからヒントを得た。「おむつは大量の水を吸い取る超吸収性ポリマーです」と同氏は言う。同氏は、PFASと構造が十分に似ているため、化合物を引き寄せて保持できるフッ素系樹脂を開発した。同氏のチームがAmerican Chemical Society Central Science誌に発表した結果によると、この材料は水からこれらの物質のほぼすべて、そしてPFOAとPFOSを100%濾過する。 2020年4月に発売予定。この素材は安価で拡張性が高いため、市営水処理施設では、コスト効率の高い追加のろ過ステップとしてこのフィルターを導入することができます。

ノースカロライナ州議会は2021年に一連のPFAS除去法案を検討しており、そのうちの1つは、樹脂の製造や自治体のろ過システムへの取り付けなど、ライブファースの解決策の商業化に資金を提供する予定だ。他の地域も間違いなく追随するだろう。非営利団体の環境ワーキンググループによると、2021年1月現在、PFAS汚染が確認されている場所は米国全土で2,000か所以上ある。すでに7つの州が飲料水に含まれる化学物質の制限を実施しており、今後さらに増える予定だ。

こうした中、環境保護庁は2021年3月に、PFASへの曝露による新たな脅威を特定した。それは、ライブファート氏の初期研究が廃止を目指していたまさにその硬化プラスチック容器である。「有用かつ持続可能な材料を開発するために何が必要かという分野の考え方を変えたいのです」と同氏は語る。

バッテリーなしで電子機器に電力を供給する

個人用ガジェットへの愛着が、大量の廃棄物を生みだしている。現在の傾向からすると、人類が所有する電池駆動のガジェットは、2030 年までに数兆個に達する可能性がある。ノースウェスタン大学のコンピューター エンジニア、ジョサイア ヘスター氏は、電力を大量に消費するこれらのデバイスが、潜在的に有毒な電池で埋め立て地に溢れるのを防ぎたいと考えている。彼の計画は単純かつ大胆だ。これらの小さなコンピューターに、自ら電力を供給させるのだ。

ヘスター氏のチームは、周囲のエネルギーを吸収する小型でスマートなバッテリー不要の電子機器の配列を作成しています。彼の研究は、断続的コンピューティングと呼ばれる概念に基づいています。これは、電力とインターネット接続の頻繁な中断に対処できるアプローチです。言い換えると、電力網からの絶え間ない雑音なしに機能するデバイスです。

彼のチームは、テキサス インスツルメンツなどの企業の既製プロセッサとセンサーや回路を組み合わせた回路基板を組み立て、太陽、環境からの電波、温度勾配、微生物、衝撃力などの電源を活用します。また、チームはセンサーを稼働させるためのカスタム ソフトウェアも作成します。これらの回路基板の最も注目すべき特徴は、バッテリーがないことです。電気が利用できるときはコンデンサーを通じて電力が流れ、利用できないときは短時間のパワーダウンに対応できるようにデバイスが設計されています。

2020年、ヘスター氏は概念実証として、昔ながらのゲームボーイをモデルにした携帯型ゲーム機（ENGAGE）を発表しました。画面を囲む小さな太陽電池と、ボタンを押すと磁石がコイルに落ちることで電気が発生、電力はボタンの押下によって得られます（振れるファラデーライトも同様の仕組みです）。このおもちゃは、市場に出回っているほとんどの没入型プラットフォームに搭載されている大量の電力を消費するプロセッサにはかないませんが、今後の先駆けとなっています。パンデミックの間、ヘスター氏の研究室は、体温、心拍リズム、呼吸数などのバイタルサインをチェックする小さなセンサーを搭載した「スマートマスク」のプロトタイプを開発しました。これらはすべて、ユーザーの呼吸の振動で駆動します。

電力網からデバイスを解放することで、遠隔地での用途にもより実用的になる。ヘスター氏は現在、オジブワ族が管理する五大湖保護区カカゴン湿地帯の野生イネの生息地と鳥の群れを監視するプログラムなど、いくつかのプログラムを進めている。土壌微生物と太陽光からエネルギーを得るセンサーが今年後半に設置されれば、水質や作物を荒らす水鳥の鳴き声を追跡することになる。同氏はまた、ネイチャー・コンサーバンシーと協力し、太平洋の中心に位置し、15,000エーカーを超えるサンゴ礁に囲まれた島、パルミラ環礁に非侵入型の太陽光発電カメラを設置している。かつては気象観測所と核実験の監視場所だったこの場所は、今では渡り鳥を追跡するのに最適な場所であり、最終的には気候変動が海洋生物に与える影響も追跡できるかもしれない。

ヘスター氏は、断続的なコンピューティングの限界を押し広げてデバイスの持続可能性を向上させようとしていますが、その指針となっているのは、ネイティブ ハワイアンとして育った経験から得た哲学です。その哲学は、シンプルな質問に集約されます。「7 世代先に良い影響を与える決定を今どのように下すか?」

化学物質のスープにデータを保存する

最近の報告によると、地球には、2020年に人類が生成した640億テラバイトを超えるデータの約10％を保持するのに十分な永続的な物理的ストレージスペースしかありません。幸いなことに、すべてのミームとツイートが永遠に存在する必要はない。しかし、2018年以降に生産量が2倍になっていることを考えると、歴史的アーカイブや貴重な家族の写真などの重要な情報が近い将来に行き場を失うのではないかと懸念するのも当然です。それが、ブラウン大学の理論化学者ブレンダ・ルーベンスタインが解決したいと考えている問題です。彼女は、進化のストレージ設計（つまり分子）を利用して、根本的に新しいタイプのハードドライブ、つまり液体ハードドライブを作成したいと考えています。彼女の化学コンピューターは、溶解した小さな分子を使用して数値を計算し、情報を保存します。

2020年、彼女と彼女の同僚は、小さなアミン、アルデヒド、カルボン酸、イソシアニドのカクテルを一種のバイナリコードピューレに変換しました。「浮遊している分子の無秩序な混合物に情報を保存できる方法は、それらが存在するかどうかです」とルーベンスタインは指摘します。「分子がそこにあればそれは1で、分子がそこになければそれは0です。」ネイチャーコミュニケーションズで発表されたこの方法は、ピカソの絵画のスキャンを保存および取得することに成功しました。2021年、彼女のチームは同様のスラリーを使用して、カンガルーやヒトデなどの動物の単純な白黒画像を認識できるニューラルネットワークと呼ばれるタイプのAIを構築しました。

分子ストレージはすでに開発が進められている。DNA、つまり長鎖分子に情報を埋め込む実験は2000年代初頭にさかのぼり、マイクロソフトやIBMなどの大手IT企業、専門企業、米国連邦諜報研究機関IARPAなどが参加している。

しかし、小分子には DNA に比べて明らかな利点があるかもしれない。二重らせん構造に比べて、その構造は合成が簡単 (製造コストが安い)、耐久性が高い (劣化しにくい)、エラーが起こりにくい (読み取りや書き込みに配列やエンコードが不要なため)。さらに、ルーベンシュタインの大まかな計算によると、小分子のフラスコ 1 杯には、エンパイア ステート ビル 200 棟分のテラバイト ハード ドライブと同じ容量を格納できる。乾燥した結晶として保存すると、分子の寿命は現代のストレージ メディアよりも長く、おそらく数千年になる可能性がある。現在のハード ドライブや磁気テープは 10 年から 20 年である。主なトレードオフは速度である。ルーベンシュタインの技術では、たとえばこの記事を保存するのに約 6 時間かかり、それを読み取るには質量分析計などの特殊な機器が必要になるため、この方法は日常的なコンピューティングよりもアーカイブ保存に適している。

ルーベンスタイン氏と彼女の同僚は、ここ数年で化学コンピューティングの特許を申請し、ベンチャーキャピタル企業と交渉して、この新技術の活用に重点を置いたスタートアップ企業を立ち上げている。「私が朝起きるきっかけは、小さな分子を使ったコンピューティングの可能性です」とルーベンスタイン氏は言う。

スマート下水道で公衆衛生を追跡

北京という名前は、高層ビル、交通、人混みを思い起こさせることが多い。しかし、人口2000万人を超えるこの都市で育ったファンクオン・リンは、17世紀の清朝時代の名が今も残る、風光明媚な湖、前海、后海、西海を思い浮かべる。リンは高校時代にこれらの湖沼の藻類の大量発生を研究した。リンとクラスメートは、きれいな環境と汚染された環境に集まる種のグループが異なる傾向があることを知っていたため、底生無脊椎動物（ザリガニ、カタツムリ、ミミズなど）を使って水質を分析した。それ以来、リンはどんどん小さな生物をセンサーに変えてきた。

セントルイスのワシントン大学の環境微生物学者で化学エンジニアのリン氏は、今も都市インフラを流れる_水を研究している。しかし、彼女は水質から廃水疫学（WBE）と「スマート下水道」の利用へと研究分野を移行した。

この概念は新しいものではない。公衆衛生当局は長年、下水のサンプルを採取し、違法薬物、ウイルス、細菌、抗生物質、処方薬など、幅広い生物製剤や化学物質を検出してきた。しかし、サンプルに含まれる人体由来物質の数を正確に計算するツールがなかったため、汚染の範囲と規模の評価が困難だった。たとえば、下水サンプルで高濃度のニコチンが検出されたとしたら、その急増は採取場所近くのヘビースモーカーがトイレを1回流しただけの結果かもしれないし、街中の多くの喫煙者が一斉に流した結果かもしれない。コロナウイルスや炭疽菌に置き換えれば、その違いがいかに重要であるかは簡単にわかる。

リン氏の画期的な発見は、RNAを迅速に配列解析することで明らかになった、廃水中の腸内細菌の相対数を利用して、そのサンプルに寄与した細菌集団の実際の規模を推定する方法を解明したことだった。

彼女の分野は今、注目を集めている。COVID-19 の流行中、多くの都市が WBE に目を向け、そのプロジェクト数は世界中で 10 数件から 200 件以上に急増した。2020 年、米国疾病予防管理センターは公衆衛生ツールとして、新しい国家廃水監視システムを発表した。リン氏は、2021 年の全米科学財団の助成金を利用して、通勤者、観光客、その他の移動者の出入りによって結果が歪められない程度まで人口推計を改善したいと考えている。これらのツールは、正確な場所での汚染物質や伝染病の自動かつ高精度な評価に向けた一歩となる。「微生物は、人間や都市と非常に基本的な関係を持っています」とリン氏は指摘する。「私は、微生物が語る物語を掘り起こそうとしているだけです」

暗黒物質に光を当てる

標準的な宇宙論モデルは、星、惑星、太陽系、銀河、さらにはブラックホールのようなほとんど理解されていない物体が、どのようにして原始粒子の騒々しい雲から凝固したかを説明します。ビッグバンを裏付ける証拠は豊富にありますが（宇宙の膨張や宇宙の出来事が残した背景放射など）、いくつかの厄介なギャップがあります。たとえば暗黒物質です。銀河が私たちが観測する速度で回転するには、私たちが目にすることのできた質量の少なくとも5倍の質量が必要です。「暗黒物質が存在するという証拠はありません。宇宙が現在の状態になるために必要なことだけです」とデューク大学の宇宙学者マイケル・トロクセルは言います。不足しているものをつなぎ合わせるために、トロクセルはこれまでにないほど大規模で正確な宇宙の地図を作成しています。

トロクセル氏は2014年以来、宇宙の重大な未知数に挑むため、400人以上の科学者が参加する野心的な国際共同プロジェクトであるダークエネルギーサーベイ（DES）に取り組んでいる。DESは遠くの空を観測するため、赤色光に高度に調整された画像センサーを備えた特注の5億7000万画素カメラをチリのアンデス山脈の高所に設置した望遠鏡に取り付けた。この望遠鏡からは、約3億個の銀河を見つけることができる。

現在、DES 科学委員会の共同委員長を務める Troxel 氏は、2016 年を通じて収集されたデータの分析を取りまとめ、その過程で時空を越えて天体に残る暗黒物質の無数の痕跡を極めて詳細に発見した。物体の明るさと赤さは、物体までの距離と、宇宙が膨張しているため移動してきた時間の両方を示す。弱い重力レンズ効果と呼ばれる光の微妙な曲がり (拡大または引き伸ばされた波を想像してください) をモデル化することで、目に見えるものと見えないものの両方の質量のある物体が明らかになる。また、物体自体の構成によって、画像がさらに充実する。Troxel 氏は機械学習を使用して銀河の色のパターン (赤の濃淡と淡さ) を分類し、数学モデルを使用して形状 (楕円形、渦巻き形、不規則形) を推測し、1,000 種類を超える銀河のカタログを作成した。銀河団がどのように見えるかの基準があれば、暗黒物質を示している可能性のある歪みを検出する取り組みに役立つ。 「これにより、宇宙が今どのように見えるかだけでなく、60億年前、あるいは90億年前の宇宙がどう見えたかを3D画像で再現することが可能になります」とトロクセル氏は説明する。

2021年5月に発表されたこの研究結果は、地球の空の8分の1と1億個以上の銀河をカバーしている。トロクセル氏は、DESデータセット全体の結果が公開される頃には（おそらく2023年までに）、暗黒物質を予測し計算できるようになると期待している。「正しいものを測定したり、現在測定しているものを十分な精度で測定して、物理学がどこで破綻しているかを根本的に理解したりするという、画期的な瞬間が来るでしょう」と同氏は言う。「もうすぐそこに近づいています」

最も必要とする人々のためにテクノロジーを適応させる

ステイシー・ブランハムにとって、障がい者はライフハッカーの元祖であり、それは悪いことだ。カリフォルニア大学アーバイン校のコンピューター科学者であるブランハムは、人生を生き抜くためにマクガイバーになる必要はないと考えている。疎外されたグループは、しばしばアプリやガジェットを自分たちのニーズに合わせて調整する。例えば、1950年代には、視覚障がい者はレコードプレーヤーを操作して高速化し、学校や仕事でオーディオブックを「流し読み」できるようにした。今日では、動画を早送りするブラウザ拡張機能にも同じ効果がある。ブランハムは、同様の洞察を活用して、最初からより良い製品を設計したいと考えている。「イノベーションとは、適切な人材を集めることです」と彼女は言う。

ブランハム氏は、バーチャルアシスタントなどの既成のテクノロジーを斬新な方法で組み合わせ、サービスが行き届いていないコミュニティのニーズに応えている。同氏のプロジェクトの1つであるジェイミーというニックネームは、高齢者や障害者が複雑な空港のチェックポイント、標識、通路を移動できるよう、ステップバイステップの道順案内を提供するものだ。ジェイミー氏は音声アシスタント、BluetoothビーコンやWiFi信号などの情報源からヒントを得る地理位置情報システム、「スタッフソーシング」（空港従業員による修理作業などの動的な変更に関する毎日の報告）、音声ヒントや振動などを利用する。ロサンゼルス国際空港でこのシステムを試験運用する計画はCOVID-19の影響で頓挫したが、ブランハム氏は近いうちに復活させると期待している。「このシステムは最初から、目の不自由な人、車椅子の人、高齢者の意見を取り入れて構築された」と同氏は言うが、この技術は空港で迷った人なら誰でも役立つだろう。

次にブランハム氏は、テキスト読み上げ技術を応用して、視覚障がい者が子供と一緒に本を読めるようにしたいと考えている。同氏が提案する Google Voice ベースのアプリは電子書籍の通訳として機能し、イヤホンを通じて介護者に適切な言葉や画像の説明を伝え、家族とより充実した読み聞かせ体験をできるようにする。

現代のツールが障害のあるコミュニティを念頭に置いて設計されている場合、たとえば、ベビーカーと荷物を持つ人の通過を可能にする現在のユビキタスな縁石のカットが、彼女のようなソフトウェアが他の人を助けるかどうかを指摘します。イノベーションと科学の提供は、それらを最も必要とするかもしれない人々がアクセスできます。

このストーリーはもともと、PopSci 2021年秋号のYouth号に掲載されました。PopSci+のストーリーをもっと読む。