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迈克尔斯蒂尔韦尔/美国专利商标局

在今天我们日常生活中，更常见的是由各种发明家开发的众多技术突然聚集在一起形成一个有凝聚力的整体，例如 iPhone 、自动驾驶汽车。其他发明，如四轴飞行器和 3D 打印机，这些技术其实都是前几十年设计的。

磁悬浮（磁悬浮）

磁悬浮专利图

专利名称： “用于地面车辆的电磁感应悬挂和稳定系统”

磁悬浮列车的故事始于 Eric Laithwaite 和他在全尺寸直线感应电机方面的工作。发明人意识到无需接触铁轨的直线电机可用于开发基于磁场的运输系统。Laithwaite 测试了可以使用磁铁实现升力和向前推力的直线感应电机。

Laithwaite 的工作得到了广泛的研究，1967 年，布鲁克海文国家实验室的 James Powell 和 Gordon Danby 获得了磁悬浮列车的第一项专利。他们的设计旨在使用超导电磁体产生“悬浮力，使火车漂浮在地面上”，并使用“螺旋桨、喷气机或火箭”来实现推力。

当 Laithwaite 的线性感应电机工作与 Powell 和 Danby 的浮动列车设计结合时，第一批商用磁悬浮列车诞生了。1995 年，英国开通了磁悬浮航天飞机，德国人建造并测试了许多原型，从而产生了 Transrapid。在上海，德国开发的 Transrapid 是最快的商用列车，最高运行速度为每小时 270 英里，而日本的 L0 系列磁悬浮列车原型创造了每小时 375 英里的列车速度记录。

未来，超级高铁系统可以使用类似的技术在真空密封管中漂浮和加速乘客舱，可能达到每小时 750 英里的速度。

苹果手机

初代苹果手机专利图

专利名称：“电子装置”

21 世纪的签名设备的专利几乎没有告诉你任何关于它的信息。整体而言，Apple 的原始 iPhone专利被简单地列为“电子设备”，只是说它是“如图所示和描述的电子设备的装饰性设计”。然后，该文件标记了“电子设备”的八个数字，只告诉你它从哪个方向显示，然后引用其他相关专利和文件。

尽管 iPhone 不是第一款智能手机或第一款连接互联网的手机，但其基本设计成功地改变了许多人日常使用的设备的外观和功能。与其说是电话，不如说是掌上电脑，iPhone 以及随后对“电子设备”的改进已经开始影响人类交流、导航甚至思考的方式。

机动外骨骼

外骨骼外观专利

专利名称：“运动辅助装置及方法”

外骨骼有着悠久的历史，可以追溯到 1890 年尼古拉斯·亚金发明的“便于行走的装置”。没有动力的外骨骼使用压缩气体来储存能量并帮助运动。

在 1960 年代，美国军方启动了由通用电气开发的名为 Hardiman 的动力外骨骼项目。大型机械服旨在增强士兵的力量，使他或她可以举起 1,500 磅，但外骨骼在全功率时会遭受剧烈和不受控制的运动，并且从未在人体内部进行过测试。

技术不断改进，许多公司都投资了外骨骼，旨在帮助不同程度的瘫痪患者或协助工作现场的工人。ReWalk 拥有 2014 年的动力外骨骼专利，它制造了一种用于康复中心的外骨骼，可以让低度瘫痪的人学会坐、站、走，甚至爬楼梯。

麻省理工学院和欧洲航天局正在进行其他设计。未来的建筑工人、士兵甚至宇航员都可以使用外骨骼套装。

四旋翼无人机

专利名称： “全方位垂直升降直升机无人机”

今天发现的四旋翼无人机在公园上空嗡嗡作响并打扰飞机，早在 1962 年就首次获得专利。Piasecki Aircraft Corporation 的工程师 Edward G. Vanderlip 首先设计了一种方法，让直升机的仪器在断电时继续工作失败。

范德利普随后萌生了将飞行员友好型飞行系统整合到小型遥控旋翼飞机中的想法。他的“全向垂直升降直升机无人机”专利概述了一种设计为“极其简单”飞行的无人机。无人机设计有“四个成对布置在两端的升力旋翼”，因此垂直倾斜轴始终垂直于地面。这允许飞机倾斜其旋翼并在任何方向飞行，同时保持平台水平。

一旦飞行控制系统和其他电子系统，如摄像头和 GPS 导航，赶上范德利普的想法，四旋翼无人机就成群结队地飞上了天空。

3D打印机

3D打印技术剖面结构专利图

专利名称：“立体光刻法生产三维物体的装置”

3D 打印机专利于 1986 年发布，领先于时代。该文件概述了大多数 3D 打印机使用的基本技术：立体光刻或树脂的光固化。移动平台从计算机获取输入并将底座定位在喷嘴下方。来自喷嘴的液态树脂逐层形成物体，并通过紫外光固化。

随着计算技术的进步，3D 打印的真正价值变得显而易见。借助激光金属烧结等金属打印方法，制造商现在正在 3D 打印雄心勃勃的结构，例如桥梁和火箭发动机。

仿生眼

专利名称： “视网膜假体及其制造方法”

让盲人恢复视力的第一次尝试是在 1968 年，当时医生 GS Brindley 和 WS Lewin 通过手术在一名 52 岁的患者体内植入了一个装置。电子设备没有植入病人的眼睛，而是植入了他大脑的视叶。通过刺激大脑的神经元，医生让病人在他一半的视野中看到光点。

如今，正如 2013 年的专利所述，如今，借助更小的电子设备，视力恢复设备可以直接植入视网膜。通常安装在太阳镜上的摄像头已被用于获取有关周围区域的数据，并向视网膜植入物发送信号，然后刺激眼睛中的光感受器。完全失明的患者已经能够使用该技术恢复部分视力，包括看到形状和光线的能力。随着电极不断缩小，可以刺激更多特定的光感受器，这项技术只会变得更好。

全球定位系统

全球定位系统GPS专利示意图

专利名称：“使用卫星和被动测距技术的导航系统”

海军发明了 GPS 卫星，今天，空军操作它们。Roger L. Easton 是全球定位系统的幕后策划者，他在 1950 年代为海军研究实验室 (NRL) 开发了跟踪在轨美国卫星以及苏联卫星的技术。1959 年，伊斯顿开发了海军太空监视系统——第一个跟踪在美国上空运行的每一个物体的雷达网络。

在接下来的几十年里，伊斯顿改变了他的技术，从太空追踪地面上的物体。1974 年授予他的这项专利描述了使用卫星导航的方法。在 TIMATION I 和 II 等任务中发射的高精度时钟改进了技术并纠正了狭义相对论引起的错误。1977 年，导航技术卫星 2 号传输了第一个 GPS 数据。

该技术多年来一直保留在军队中，在第一次海湾战争（有时被称为“第一次太空战争” ）期间，美国使用 GPS 卫星在科威特和伊拉克的沙漠中导航。GPS 于 1995 年通过 24 颗卫星全面投入使用，而今天，谷歌地图几乎从未遥不可及。

CRISPR基因编辑

基因编辑技术专利

专利名称：“改变基因产物表达的CRISPR-Cas系统和方法”

CRISPR-Cas9 是加州大学伯克利分校开发的一种基因编辑工具，用于修改单细胞生物。该技术随后在与哈佛大学和麻省理工学院合作的非营利性机构 Broad Institute 进行了改进，以研究多细胞生物体，如 2014 年专利所述。如今，CRISPR 被用于改造农作物和牲畜，以及治疗患有白血病等疾病的人类患者。

CRISPR-Cas9 工具由三个部分组成：定位生物体 DNA 正确部分的 RNA 链、切割该 DNA 片段的 Cas9 酶，以及替换删除部分的可选 DNA 链。

CRISPR可以注射到胚胎中或引入免疫系统细胞等细胞中，然后注射到患者体内。基因工程的可能性刚刚开始形成，各种疾病的新药和治疗方法即将出现。

脑植入物

专利名称： “三维电极装置”

在 1800 年代后期，医生意识到对大脑的电刺激可能会导致人类和动物的身体运动。在 20 世纪，涉及脑刺激的实验成功地改变了患者的情绪和行为。

犹他大学的这项 1993 年专利概述了所谓的“犹他阵列”，在后来的专利中将其描述为“可植入的集成设备，它通过多个金属针与大脑接触，以检测电信号或将信号传输到脑。”

从那时起，大脑植入物已经发展到患者可以移动机器人假肢或用他们的想法在计算机上输入文本的地步。未来，像神经网络这样覆盖大量神经元的技术可以用来让人类通过大脑与计算机进行交互。

石墨烯

专利名称：“纳米级石墨烯板”

我们可能正在进入石墨烯时代。这种复合材料由以蜂窝结构排列的单层碳分子制成，重量非常轻，比类似的钢层强约 200 倍，并且具有高耐热性和高效导电性。这些特性使石墨烯和类似的碳复合材料非常适合用于计算机芯片、客机机翼和一系列其他用途。

石墨烯是由大块石墨制成的，类似于你在铅笔中发现的。然而，分离出只有一个原子厚的单层碳分子是非常具有挑战性的。直到 2004 年，曼彻斯特大学的 Andre Geim 和 Konstantin Novoselov 才使用称为“透明胶带法”的胶带提取了单层原子厚的石墨烯晶体。这项工作为他们赢得了 2010 年诺贝尔物理学奖，“以表彰他们对二维材料石墨烯的开创性实验”。随后出现了新的和创新的提取材料的方法，例如 2006 年使用“去角质”技术制造石墨烯的专利。

蓝牙

专利名称： “移动通信设备的点对点信息交换”

Jaap Haartsen 于 1994 年发明了蓝牙，允许靠近的电子设备使用低功率、超高频无线电波相互连接。Haartsen 起草了多项与蓝牙相关的专利，但一直受到诉讼和专利流氓的阻碍。这项 2013 年的专利描述了该技术如何用于传输 GPS 数据。

该系统使用植入设备中的小型计算机芯片，这些设备充当迷你收音机并运行相互连接所需的软件。这些设备通过称为微微网的短程网络“配对”。如今，该技术几乎用于所有手持设备，包括耳机、相机和智能恒温器。

自动驾驶汽车

自动驾驶专利技术示意图

专利名称：“自动驾驶汽车视觉系统”

无人驾驶汽车的历史可以追溯到近 100 年前。1925 年，Houdina Radio Control 驾驶一辆无人驾驶的 1926 Chandler 驶下交通繁忙的曼哈顿，通过来自后面的汽车的无线电信号来操作它。70 年后，卡内基梅隆大学的 Navlab 项目“No Hands Across America”驾驶一辆半自动驾驶汽车穿越全国 3,100 英里，该汽车在驾驶员进行加速和制动时完成所有转向。

自动驾驶汽车技术已有数百项专利，但突破这一壁垒的公司是一家名为 VisLab 的意大利机器视觉公司。2013 年 7 月，VisLab 的汽车 BRaiVE 自动在意大利帕尔马市中心的双向街道、人行横道、红绿灯、环形交叉路口和其他障碍物中导航。该公司拥有的自动驾驶汽车技术的第一项专利是用于摄像头和传感器系统，以获取有关车辆周围环境的信息并将命令输入计算机。

如今，许多大型科技和汽车公司都在开发自动驾驶汽车，例如谷歌、亚马逊和特斯拉。有人预测，自动驾驶汽车将取代城市中的传统公共交通和传统汽车，将城市交通转变为互联车辆网络，有效消除交通拥堵。

太阳能板

专利名称： “一种利用太阳辐射能的装置”

19世纪初，法国物理学家埃德蒙·贝克勒尔（Edmund Becquerel）发现某些材料在光照下会产生小电流：光伏效应。1839 年，他通过将置于酸溶液中的氯化银与铂电极连接起来，创造了第一个光伏电池。

大约五十年后，第一个太阳能电池的美国专利被授予 Edward Weston。该专利描述了一种“热电元件”，其两端连接着两个“不同金属”主体，并在其他地方绝缘，以便在暴露于光线时“在电路中产生电流”。韦斯顿甚至有远见地勾勒出一个能源存储系统，以便“可以在夜间或多云天气期间利用在日照时间积累的能量”，从而确定了当今大规模太阳能发电的主要挑战。

几十年来，太阳能电池板的技术不断改进，如今它们主要由硅制成。先锋 1 号卫星于 1958 年成为第一艘使用太阳能电池板的航天器，普及了该技术。目前，世界上最大的太阳能发电厂——印度的卡穆蒂太阳能项目，占地约 3.9 平方英里，发电量近 650 兆瓦。

(3G) 第三代无线移动通信

专利名称：“移动互联网接入”

第一代无线移动通信技术使模拟蜂窝电话成为可能。第二个支持数字手机。但是，从通用移动电信系统 (UMTS) 开始的 3G 改变了我们每天随身携带的设备。

3G 将手机连接到 GPS 和互联网，如 2003 年专利所述。它使手持设备上的视频通话和流媒体成为可能。十年后，使用 4G 基础设施对网络进行的改进继续改变您的手机，将其变成钱包、个人助理和娱乐设备。

虚拟现实

专利名称： “用于显示抽象信息的虚拟现实生成器”

第一个提出的 VR 头戴设备不是为了玩视频游戏或观看体育赛事而设计的，而是为了帮助用户分析财务数据。2000 年授予发明家保罗·马歇尔的“虚拟现实发生器”专利描述了一个计算机生成的世界，用户可以“使用控制设备，如轨迹球或太空球、电子数据手套、磁头位置跟踪器、键盘、操纵杆或方向盘。”

Marshall 继续致力于这些技术以创建“三维信息景观”，仍然旨在帮助“资金经理或金融分析师”筛选数据。直到 2016 年 Oculus Rift 发布了他们的娱乐头显，HTC Vive 紧随其后，该技术才主要停留在研究领域。其他虚拟现实系统，如三星 VR 和谷歌 Cardboard，使用智能手机来显示计算机世界。微软 HoloLens 等增强现实 (AR) 可以在未来通过在现实世界中叠加数据来帮助从建筑工人到科学家的所有人。