科研发展动态2020年第5期

发布时间:2020/09/15 10:51:28 文章来源:本站

要 目


l  生命科学

1.马斯克展示脑机接口技术新进展

2.通过智能手机摄像头诊断糖尿病

3.浙江大学发表目前神经元规模最大的类脑计算机

4.墨尔本皇家理工大学研发出一种电子皮肤

5.中国三款新冠疫苗亮相2020中国服贸会


l  信息科学

1.东南大学突破毫米波硅基CMOS集成电路技术

2.AI算法以压倒性优势战胜人类飞行员

3.量子计算机成功模拟化学反应

4.华为云手机正式公测


l  材料科学

1.康奈尔大学科学家发明草履虫大小的微型机器人

2.我国高速磁浮研发取得重要新突破


3.

l  生命科学


马斯克展示脑机接口技术新进展

北京时间8月29日,在15万人围观的直播中,埃隆·马斯克发布了旗下公司Neuralink的脑机交互设备,并向大家展示了三只植入脑机芯片的小猪。该公司成立于2016年,目标是创建脑机接口,一年多前,该公司首次向世人展示了脑机接口技术(BCI)的愿景、软件和可植入硬件平台。本次演示意在表明,Neuralink的脑机接口技术正在进步,有望在未来某一天安全地应用于人类。

马斯克展示的产品是一枚硬币大小的可以植入大脑的芯片N1、和一台手术机器人V2。他希望在2020年底开始对人体进行临床试验。马斯克创建Neuralink的目标很明确:让人脑与计算机融合,成为“半机械人”,帮助人类与AI实现共生,避免AI对人类造成“生存威胁”。

微评:脑机接口一方面正在打开大脑里的秘密,另一方面它可以连接到比人脑更强的超级计算机,也可以连接上比人体更强的机械。尽管马斯克通过小猪进行的展示说明了神经元活动的情况能够无线传输到计算机上,但它还没能展现出Neuralink所畅想的脑机接口的真正未来。比如计算机将指令有效地发送给大脑以及计算机能够理解神经元活动的波峰代表的真正含义。


通过智能手机摄像头诊断糖尿病

8月18日,美国加州大学旧金山分校发表在《自然-医学》上的一项新研究,展示了一种通过智能手机摄像头诊断2型糖尿病的方法,准确率超80%。糖尿病初期并没有什么症状,因此很容易让人们忽视。此外,到目前为止,还缺乏检测糖尿病的无创且可扩展的工具,因此科学家决定开展这项研究。

该系统基于光电容积描记(PPG)技术,它利用光电传感器,检测经过人体血液和组织吸收后的反射光强度的不同,描记出血管容积在心动周期内的变化,从得到的脉搏波形中计算出心率。研究人员猜测利用智能手机摄像头捕捉到的PPG数据,能够检测到糖尿病引起的血管损伤。研究人员首先过深度神经网络检测了53870名糖尿病患者的260万份PPG记录,并以此开发了一种深度学习算法,并验证了其是否能够有效地识别糖尿病患者和健康受试者。在开发出算法后,研究人员测试了通过智能手机的PPG数据检测出糖尿病的能力,结果发现,该系统在受试者中准确地检测到大约80%糖尿病患者。

微评:在这个智能手机普及的年代,此技术如果能发展成为手机应用程序,将可以开展个人自助糖尿病早期筛查,从而降低糖尿病早期患者进一步发展加重的风险。


浙江大学发表目前神经元规模最大的类脑计算机

9月1日,浙江大学联合之江实验室共同研制成功了我国首台基于自主知识产权类脑芯片的类脑计算机(Darwin Mouse)。这台类脑计算机包含792颗浙江大学研制的达尔文2代类脑芯片,支持1.2亿脉冲神经元、近千亿神经突触,与小鼠大脑神经元数量规模相当,典型运行功耗只需要350-500瓦,同时它也是目前国际上神经元规模最大的类脑计算机。与此同时,团队还研制了专门面向类脑计算机的操作系统——达尔文类脑操作系统(DarwinOS),实现对类脑计算机硬件资源的有效管理与调度,支撑类脑计算机的运行与应用。

2015年和2019年浙江大学分别研制成功达尔文1代和达尔文2代类脑计算芯片,用芯片去模拟大脑神经网络的结构与功能机制,在图像、视频、自然语言的模糊处理中具有优势。而这次的成果是将792颗我国自主产权的达尔文2代类脑计算芯片集成在3台1.6米高的标准服务器机箱中,形成了一台强大的机架式类脑计算机。

微评:类脑计算研究还处于初级阶段,Darwin Mouse类脑计算机,无论从规模还是智能化程度上都与真正的人类大脑还有很大的差距,但其意义在于能够为这种技术路径提供一个重要的实践样例,为研究人员提供一个工具和平台,验证类脑算法,以更强的鲁棒性、实时性和智能化去解决实际的任务。


墨尔本皇家理工大学研发出一种电子皮肤

近日澳大利亚墨尔本皇家理工大学(RMIT University)的研究人员成功研发出了一种电子人造皮肤,它可以像真实皮肤一样对疼痛刺激做出反应。这项新研究发表在《先进智能系统》(Advanced Intelligent Systems)杂志上。据悉,这款人造皮肤实际上包含了三种独立的传感技术:可伸缩电子材料如贴纸一样薄,它将氧化材料与生物相容的硅结合在一起,提供透明的、不易破损的、可穿戴的电子产品;温度反应涂层是一种比人的头发还要薄 1000 倍的自修饰涂层,其所用材料可以随温度的变化而变化;电子记忆细胞则可以模仿大脑使用长期记忆,来回忆和保留以前的信息。

设计这三种功能原型,是为了以电子形式传递皮肤感知能力的关键特征。首席研究员Madhu Bhaskaran教授表示,这款人造皮肤可以对真实的机械压力、温度和疼痛做出反应,并发出正确的电子响应,它可以分辨出手指轻轻触碰别针和用别针刺伤自己这两者之间的区别,而这是此前的电子设备无法做到的。

微评:皮肤是人类身体最大的感觉器官,具有复杂的功能,可以在受到任何伤害时发出快速警报信号。因此,具有与人类皮肤相同感觉功能的电子皮肤可能对机器人和医疗设备领域有重大意义。在生物相容性、类皮肤伸缩性等基本问题得到解决后,随着技术的进一步突破与发展,可伸缩人造皮肤将为更好的假肢、更智能的机器人和非侵入性皮肤移植的替代品提供了更多的可能。


中国三款新冠疫苗亮相2020中国服贸会

9月5日,2020中国国际服务贸易交易会迎来首个开放日。由国药集团中国生物技术股份有限公司(中国生物)旗下北京生物制品研究所、武汉生物制品研究所和科兴控股生物技术有限公司(科兴)研发的三款新冠灭活疫苗,首次亮相服贸会展位。每款疫苗的规格、使用说明均给出详细介绍,引发大量民众驻足。这些疫苗正进行第三期国际试验,预计能在今年年底上市。

三款国产疫苗的集体亮相吸引了国内外媒体大量关注。然而,外媒在报道时却表现出复杂心态,质疑抹黑者有之、认为中国借机“炫耀”者有之,但也有报道客观评价中国在疫苗研发领域的进展。

微评:中国疫苗研发公司正处于全球研发竞赛的“头位”(pole position),占据目前9个处于第三期疫苗研发项目中的5个。美、欧只有核酸疫苗项目,而中国同时在研发灭活疫苗与核酸疫苗等不同类型疫苗,中国的开发路线相对来说更全面、容错率更高。



l  信息科学


东南大学突破毫米波硅基CMOS集成电路技术

8月13日,由东南大学信息科学与工程学院尤肖虎教授、赵涤燹教授牵头,联合成都天锐星通科技有限公司、网络通信与安全紫金山实验室等单位完成的“Ka频段CMOS相控阵芯片与大规模集成阵列天线技术”项目成果通过了中国电子学会组织的现场鉴定。由15位专家组成的鉴定委员会对该项成果进行了现场鉴定并给予了高度评价,一致认为:该项目解决了硅基CMOS毫米波Ka频段相控阵芯片和天线走向大规模推广应用的核心技术瓶颈问题;在硅基CMOS毫米波技术路线取得重大突破,在大规模相控阵天线集成度方面国际领先。该成果在5G/6G毫米波和宽带卫星通信等领域具有广阔的应用前景,已在相关应用部门得以成功推广应用。本次鉴定会现场所演示的4096T/4096R宽带卫星大规模相控阵是目前世界上集成度最高、规模最大的基于CMOS工艺的相控阵,与中星16高轨卫星互连,传输速率接近现有4G移动通信系统水平。所研发的低成本解决方案已在车载、舰船和飞行器等“动中通”中得以应用。

微评:宽带卫星移动通信系统将极大地扩展现有地面移动通信系统的覆盖范围,是未来移动互联网络的主要发展方向之一,已成为全球科技竞争的新焦点。毫米波硅基CMOS集成电路技术的突破,将带来无线通信行业的一次变革,解决相控阵系统“不是不想用,只是用不起”的问题,把毫米波芯片及大规模相控阵变成来一种极低成本的易耗品,极大地促进宽带卫星移动通信技术的发展。


AI算法以压倒性优势战胜人类飞行员

美国时间8月20日,在美国DARPA AlphaDogfight挑战赛的人机大战中,美国苍鹭系统(Heron Systems)公司的AI算法在虚拟空战中以压倒性优势击败了人类飞行员。这次 DARPA 的模拟对战,是在一个高度结构化的框架内,让不同的AI智能体互相竞争,最后才与人类飞行员竞争。最终,经过8月18日-20日三天的激烈角逐,苍鹭系统在七支参赛团队中脱颖而出,成为了此次DARPA AlphaDogfight挑战赛的冠军团队,并与戴着AR眼镜的人类F16飞行员Banger在VR F16模拟器中展开角逐,苍鹭系统公司AI算法的碾压式攻击令人类飞行员毫无招架之力,最终AI算法以5:0战胜了人类飞行员。美国空军希望在明年实现操纵一架无人机和人类驾驶的飞机进行对战。这一系统的命名为“R2-D2”,参考的原型正是电影《星球大战》中的同名机器人。

微评:AlphaDogfight大赛的结果,让我们了解到美国空军内部正在进行的利用人工智能和机器学习开发具备载人能力的“虚拟副驾驶”的军事价值和应用潜力。飞行驾驶场景下,人类飞行员将面临AI的强大挑战甚至是局部替代,人机共生或许将开启人类飞行的新时代。人类飞行员专注于人类最擅长的事情,比如高阶战略思考,而人工智能也将专注于人工智能最擅长的操作层面的事情。


量子计算机成功模拟化学反应

近日,谷歌公司研究人员首次借助量子计算机,成功模拟了一个化学反应。他们表示,尽管这一反应很简单,但却是量子计算机走向实用化的重要一步。未来有一日,科学家或许可借助量子模拟来研发新化学物质。相关研究发表于最新一期《科学》杂志。

微评:量子计算机的应用潜力,远不止提高计算速度,它还能帮助人类模拟化学反应,将会创造更多的人工合成物质,从而成为人类改变物质世界的革命性利器。


华为云手机正式公测

9月1日,华为云鲲鹏云手机正式公测。在一个月公测期,价值5950元的手机,0元发放,两种月费在100左右的使用套餐捆绑手机的发放。云手机,即手机原有的操作系统和各种应用程序都放置在云端实现,通过云计算服务在线提供,手机本地不需要强大的芯片硬件来支持操作系统和应用程序的运行,只需要有本地显示(屏幕)支持、电池管理、信息输入、移动网络等有限的功能,就可以实现原有手机使用的体验。华为云手机将成为“华为云+5G网+显示屏”三位一体的全新设备。一旦使用云手机,对手机端的芯片精度要求就不高了。与手机芯片相比,屏幕的显示驱动芯片的生产工艺要求,我们国内现有的光刻机技术,完全能够满足。云手机和远程云服务器之间的信息传输,对通讯网络时延和带宽有极高要求,这是4G满足不了的。然而,一旦全国5G网全面建设成功,华为云手机的市场将会快速成长。

微评:考虑到华为目前的状况,云手机未必不可行。美国对华为芯片技术的封杀,如何破局,如何绕开对方的技术继续做手机业务,或许云手机指明了一个可行的方向。



l  材料科学


康奈尔大学科学家发明草履虫大小的微型机器人

8月27日,来自康奈尔大学的科学家发明的一个只有草履虫大小的微型机器人,登上了Nature杂志。这款机器人的厚度约5微米、宽约40微米、长度范围从40到70微米。肉眼无法看见,只能靠显微镜来观察,可被轻松吸入注射器中。微型机器人通过激光的照射控制,机器人交替摆动前后腿,在液体中游动。因为它体积小、方便大批量制造,科学家甚至能一次能释放出上千个这样的机器人,组成一支“大军”。

这个微型机器人特别之处在于,首先是因为它用了与制造芯片相同的工艺技术。一个4英寸(约10厘米)的晶圆就能生产超过100万个机器人。其次就是它特殊的推进装置,将能源和机器人分开。每个机器人由以下两部分组成,一个硅光伏材料制成的简单电路,以及四个电化学致动器制成的腿部。研究人员使用原子层沉积和光刻技术,用只有几十个原子厚的铂构造了支腿,铂的一侧被一层惰性钛覆盖。当对铂施加正电时,周围溶液中带负电荷的离子将吸附到暴露的表面上,以中和电荷。这些离子迫使裸露的铂膨胀,令其弯曲。条带的超薄特性让腿部能急剧弯曲而不会断裂。为了帮助控制3D肢体运动,研究人员在条带端部加上了刚性聚合物面板。面板之间的间隙相当于膝盖或脚踝,从而使腿部以受控方式弯曲来运动。其三是机器人运动的能源和信号都来自外部的激光。机器人的前后腿由两组不同的光电池控制,当光电池被激光照射时,就会在腿上施加电压。通过控制在两组光电池之间来回切换激光,就可以控制机器人行走。

微评:虽然这个微型机器人的功能很原始,不够快也没有什么计算能力,但是却为微型机器人智能化打开了大门。因为它使用了芯片制造工艺,可以快速批量生产,未来还有可能在上面加工出集成电路。微型机器人想象空间会很大,微型动作装置加上亚毫米级电路板、传感器,微型机器人“医生”钻入我们人体治疗各种疾病的前景,将更加清晰可见。


我国高速磁浮研发取得重要新突破

8月底,由中车四方股份公司承担研制的时速600公里高速磁浮试验样车,在上海同济大学磁浮试验线上成功试跑。时速600公里高速磁浮交通系统研制,是科技部国家重点研发计划“先进轨道交通”重点专项课题。该项目目的是攻克高速磁浮核心技术,研制具有自主知识产权的时速600公里高速磁浮工程化系统,形成我国高速磁浮产业化能力。自2016年7月项目启动以来,历经近四年的科技攻关,项目团队突破高速磁浮系列关键核心技术,首次试跑,实现了从静态到动态运行的突破,获取了大量关键数据,高速磁浮系统及核心部件的关键性能得到了初步验证。按照计划,时速600公里高速磁浮工程样机系统预计在2020年底下线,将形成高速磁浮全套技术和工程化能力。

微评:时速600公里高速磁浮填补了高铁和航空运输之间的速度空白,可以形成航空、高铁、高速磁浮和城市交通速度梯度更加合理、高效、灵活便捷的多维交通架构,满足不同人群出行需求。2019年,高速磁浮作为前沿关键科技被列入国家《交通强国建设纲要》。未来,通过高速磁浮示范工程建设,进行时速600公里线路运行等相关工作,可以推动该技术的持续创新和产业化落地,拉动我国高端装备制造升级和战略新兴