2021年第1期(总第9期)

发布时间:2021/01/01 09:45:24 文章来源:本站

2021年第1期(总第9期)

要 目


l  生命科学

1.英国科学家利用全光学方法读写位置细胞活动

2.新型支架状电极使脑机接口更加实用可行

3.中科院深圳先进院微纳机器人研究取得突破


l  信息科学

1.DeepMind推出可以自学规则玩游戏的人工智能新模型

2.科学家利用人工智能求解薛定谔方程

3.潘建伟团队发布空对地长距离量子通信网络成果

l  材料科学

1.中科大在纳米限域毛细凝聚理论的研究取得重要突破

2.赛维LDK旋式铸造单晶炉研制成功



l  阿里巴巴达摩院发布《2021十大科技趋势》


3.

l  生命科学


英国科学家利用全光学方法读写位置细胞活动

伦敦大学学院Wolfson生物医学研究所尼克·罗宾森博士及其团队近日在《细胞》杂志上发表研究,解释了如何利用双光子钙成像和双光子光遗传学的“全光学”组合,同时读写小鼠“位置细胞”(神经元的一种)中的活动,而这种细胞可以在虚拟现实环境中进行导航,它告诉小鼠身在哪里,而小鼠在做决定时,实际上是“听取”位置细胞的信息。通过刺激位置细胞,科学家们能够重新激活(或找回)小鼠获得奖励的相关位置记忆,进而对小鼠进行“心理传输”,使小鼠行为同身处奖励位置时的行为保持一致。换句话说,这一发现为我们提供了关于记忆是如何存储在大脑中的新观点,同时还提供了操纵这些记忆来影响行为的新工具。

这项新研究的基础是约翰·奥基夫教授(伦敦大学学院,UCL)所取得的突破性进展。约翰·奥基夫教授在2014年因发现位置细胞而获得诺贝尔生物学奖。这些细胞存在于海马体中,只有当动物进入环境中的特定位置时,这些细胞才会变得活跃。人们将位置细胞视为环境的认知地图,这就像一个内在的GPS定位系统,同时其能够保留位置记忆。伦敦大学学院的这项新研究,首次直接表明位置细胞活动是构成大脑导航能力的基础。

微评:位置细胞的定位机理,有助于揭开人类记忆的奥秘。这项研究改变了游戏规则,因为它表明我们可以利用光学读写特定神经元的活动来操纵记忆,从而使我们能够更好地理解,并有可能改善神经回路活动帮助我们做出决策的这一过程。这项研究最终可能会使人们更好地了解老年痴呆症和阿尔茨海默氏症中所存在的记忆障碍。


新型支架状电极使脑机接口更加实用可行

研究人员已经进行了超过15年的实验来感知人脑活动并将其直接转换成计算机命令。这些系统大多涉及开放性脑外科手术。但近日,Neurointerventional Surgery杂志刊登了一种无需进行脑外科手术、而利用支架状电极连接电脑的发明成果。据发明者墨尔本Synchron的创始人Tom Oxley介绍,这种被称为“stentrode”支架状电极的装置,植入进了两名患有神经肌肉疾病的澳大利亚人大脑中,使他们能够利用自己的思想操作电脑。Stentrode提供了一种将电极连接到大脑的侵入性较小的方法。这个装置被挤进导管,放在颈部的颈静脉里。从那里导管蜿蜒穿过血管,直到到达大脑的运动皮层;然后它释放支架,支架上有16个电极接触点,跳出一个管状支架后,紧贴着大脑那一部分的血管壁。支架由一根引线连接到一个外科植入胸腔的装置上。该装置提供电力和数据传输。外部设备使用机器学习算法解释来自大脑的信号,并将其转换为计算机命令。在血管中的电极,足以让参与者在禁用预测文字的情况下,每分钟准确地输入20个字符,并进行网上购物和银行业务。所有这些都不需要举手或使用语音命令,患者能够在家里、实验室外使用脑机接口系统。

微评:这种完全植入式脑机接口,因其侵入性小,对使用者更加友好、方便,因而更具备商业实用性与可行性,未来在较好地解决信号质量的基础上,将会有广阔的市场前景。


中科院深圳先进院微纳机器人研究取得突破

近日,中国科学研究院深圳先进技术研究院医药所在微纳机器人的医学应用方面取得了最新突破,实现了对肿瘤治疗的新方案,目前该技术处于全球领先水平。团队成员在团队前期工作基础上,选用海洋来源的趋磁细菌(AMB-1)作为模板,利用迈克尔加成反应将纳米光敏剂负载到细菌表面,构建了智能微纳生物机器人(AI microrobot),通过磁/光序贯操控,在小鼠体内实现了磁控导航、肿瘤穿透和光热消融。研究结果表明,微纳生物机器人在磁场操控下,实现了微米尺度的单一或群体精准迁移控制,通过荧光和磁共振双模成像在体内进行实时追踪。利用微纳生物机器人的磁性和缺氧集成靶向,利用远程近红外激光触发产生局部高温,实现了肿瘤的可视化精准治疗。相关论文《微纳生物机器人磁/光序贯操控靶向治疗肿瘤》在线发表于材料领域权威刊物《先进功能材料》。论文第一作者是深圳先进院客座硕士生邢婕华、博士后尹婷,通讯作者是深圳先进院客座研究员郑明彬与蔡林涛。本项目获得国家自然科学基金、科技部国际合作、中科院重点部署项目、广东省纳米医药重点实验室、深圳市科技计划等基金的大力支持。

微评:微纳生物机器人是微纳尺度的类生命机器人,具有自动化和智能化等机器人属性,能够到达现有医疗器械难以企及的微观区域,有望革新传统医学实现疾病的精准诊疗。但是如何构建具有自主驱动的微纳生物机器人,采用磁、光、声等外场操纵和内生能源驱动机器人穿越复杂生物屏障,实现疾病的精准治疗,并保障其生物安全性,是当前微纳生物机器人的挑战难题和前沿趋势。中科院深圳先进院的此项突破,意义重大。



l  信息科学


DeepMind推出可以自学规则玩游戏的人工智能新模型

12月24日,继AlphaGo扬名海外后,DeepMind再推新模型MuZero,该模型可以在不知道游戏规则的情况下,自学围棋、国际象棋、日本将棋和Atari游戏并制定最佳获胜策略,相关论文发表在新一期《Nature》上。正如公布的情况,一代AlphaGo基于人类棋手的训练数据和游戏规则,采用了神经网络和树状搜索方法,成为了第一个精通围棋的AI棋手。二代AlphaGo Zero于2017年在《Nature》发表,与上代相比,不需要人类棋手比赛数据作为训练集,而是通过自对抗的方式自己训练出最佳模型。三代AlphaZero在2018年诞生,将适应领域拓宽至国际象棋和日本将棋,而不是仅限于围棋。第四代、也就是新公布的MuZero最大的突破就在于可以在不知道游戏规则的情况下自学规则,不仅在更灵活、更多变化的Atari游戏上代表了AI的最强水平,同时在围棋、国际象棋、日本将棋领域也保持了相应的优势地位。

微评:基于环境要素建模的MuZero,用在多个游戏上的“超人”表现证明了卓越的规划能力,也象征着DeepMind又一在强化学习和通用算法方面的重大进步。它的前辈AlphaZero也已投身于化学、量子物理学等领域,切实为人类科学家们解决一系列复杂问题。在未来,MuZero是否可以应对机器人、工业制造、未知“游戏规则”的现实问题所带来的挑战,我们拭目以待。


科学家利用人工智能求解薛定谔方程

最近,来自柏林自由大学的科学家提出利用人工智能计算薛定谔方程的基态解,相关研究发表在 Nature Chemistry 上。量子化学旨在预测分子的化学和物理性质,它仅利用分子在三维空间中的原子排列来完成,理论上这可以通过求解薛定谔方程来完成,但在实践中这往往非常困难。目前,人们仍无法高效求得任意分子的精确解。来自柏林自由大学的科学家受到“泡利不相容原理”的启发,提出一种深度学习方法,可以获得电子薛定谔方程的近乎精确解,达到了前所未有的计算效率和准确度权衡。该研究作者之一Frank Noé教授认为这一方法或将极大地影响量子化学的未来,该研究一作Jan Hermann表示避免在准确度和计算成本之间进行权衡是量子化学的最高成就。

微评:求解薛定谔方程在量子化学领域具有广泛的应用。从计算机视觉到材料科学,求解薛定谔方程将会促成人类想象不到的商业发展。虽然这一革命性创新离落地应用还有很长的一段路要走,但这一研究成果依然令人兴奋。


潘建伟团队发布空对地长距离量子通信网络成果

1月7日,中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟团队在顶级科学期刊《Nature》上发表了量子通信领域的重磅成果,他们通过“墨子号”卫星与京沪干线的串联,首次构建了一张集成的空间对地量子通信网络,综合通信链路距离长达4600公里。据了解,该网络由700多个光纤量子密钥分发(QKD)链路的大规模光纤网络,以及2个高速卫星对地自由空间QKD链路组成。地面光纤网络采用可信的中继结构,覆盖2000多公里,提供了实际的安全性、可靠性和稳定性。同时,卫星对地QKD技术的平均密钥传输速率达47.8kb,比之前的“墨子号”卫星实验提高40倍以上,其信道损耗量与对地静止卫星与地面之间的信道损耗相近,这使得通过地静止卫星构建更多功能和超长量子链路成为可能。基于此,研究人员通过结合光纤和自由空间QKD链路,将QKD网络扩展到2600公里外的远程节点,使网络内的任何用户都能与其他人进行通信。这是潘建伟团队继去年12月与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作研发“九章”量子计算原型机,实现“量子计算优越性”后,又一次在量子领域发表新成果。

微评:尽管量子技术离我们的生活还十分遥远,但是在探测、通信和计算机等领域,中国的量子技术已处于全球领跑水平。尤其是我国在2011年12月立项、2016年8月成功发射升空的“墨子号”量子科学实验卫星,不仅标志着我国空间科学研究迈出重要一步,也有效地协助我国科学家们成功将量子通信发展到实用阶段。本次潘建伟团队的科研成果,意味着这条连接北京上海两地核心的京沪干线,将有能力通过广域光纤量子通信网络为线上的金融、政务等机构提供加密通信技术支持。



l  材料科学


中科大在纳米限域毛细凝聚理论的研究取得重要突破

近日中国科学技术大学王奉超教授与英国曼彻斯特大学教授、诺贝尔物理奖得主安德烈·海姆团队合作,在纳米限域毛细凝聚研究方面取得了重要进展。研究成果刊登在12月10日出版的国际著名学术期刊《自然》上。毛细凝聚是指在毛细通道限域空间内的气体,不必达到过饱和状态即可发生凝聚从而转变成液体的现象。开尔文方程从理论上描述了毛细管内弯曲的液气界面引起的蒸气压变化,被认为是固液界面润湿领域三大经典理论之一。然而,当通道直径缩小到水分子大小相当的尺寸时,由于实验观测难度大,开尔文方程里采用的弯月面曲率、接触角等概念难以被准确定义,而如何在纳米尺度下修正开尔文方程,一直是研究者们关心的问题。

此次由中、英国两国组成的联合研究团队利用二维材料构筑的纳米通道器件开展实验,巧妙地通过壁面变形来表征毛细凝聚现象,并对实验结果和力学机理给出合理解释。中国科大王奉超教授研究揭示了固液界面能的尺寸效应,发现了在纳米/亚纳米尺度的毛细凝聚中,是固液界面的力学作用在扮演重要的角色,而不是人们普遍认为的液气界面在起主导作用。据此,他们建立了纳米限域毛细凝聚的新理论,修正了经典的开尔文方程,并将方程适用性拓展到亚纳米尺度。该研究不仅为理解极限尺度下毛细凝聚现象的认知和理解奠定了基础,而且在微电子、制药、食品等行业具有非常重要的实际应用前景。

微评:尺寸缩小到纳米尺度上的时候,很多我们习惯运用的理论和定律将不再适用。纳米尺度下新理论、新认知的发现,将会给微电子、量子计算、制药、基因、特殊材料和传感器等领域带来很多颠覆式变革。


赛维LDK旋式铸造单晶炉研制成功

12月22日,江西赛维LDK宣布,经过近10年的研发和多次测试,世界首个旋式铸造单晶炉研制成功。该旋式铸造单晶炉由陈仙辉院士团队和赛维技术团队合作研制,由多晶硅铸锭炉改造而成,单炉硅锭重量可达1200kg。相比传统直拉单晶工艺,旋式铸造单晶炉制造的单晶成本大幅降低20%;同时可以改造、升级多晶硅企业现有的多晶硅铸锭炉,盘活多晶硅铸锭设备资产,具有巨大的经济效益。业内专家分析认为,旋式铸造单晶炉一改直拉单晶传统工艺,是一项单晶制造行业颠覆性技术革新,比传统直拉单晶更适合HIT高效电池,且成本大幅降低。

微评:旋式铸造单晶炉一经推广开来,将极大降低单晶制造乃至光伏发电成本,对光伏高质量发展和光伏发电的普及应用都具有里程碑式的推动意义,为中国2060年前实现碳中和,为地球村天更蓝、水更清、草更绿,贡献出中国方案、智慧和力量。




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