科研发展动态 | 2021年第8期

发布时间:2021/08/24 09:28:21 文章来源:本站

2021年第8



| 要目 |



— 生命科学 —

1.7平方厘米生物芯片可同时检测千种突变酶

2.人工智能或将改变药物研发游戏规则



—  信息科学  —

1.塑料制造全球首个0.8μm柔性原生32位微处理器问世

2.人工智能助失语瘫痪者重新“开口”


—  材料科学  —

1.新型石墨烯防腐涂料延长跨海桥钢梁防护寿命

2.自愈合材料革新体内医学应用





| 生命科学 |




7平方厘米生物芯片可同时检测千种突变酶


们要弄清蛋白质或酶是如何工作的,以及了解基因突变如何影响这些对生命至关重要的分子,往往需要数年时间。研究人员必须一个个地改变分子中的氨基酸,产生变异的酶,并测试变异如何影响酶的机能。现在,一种蚀刻有微小通道的玻璃芯片,可以让研究人员一次测试超千种突变酶,并将时间缩短到几个小时。近日,发表在《科学》上的一篇论文描述了这种名为“高通量微流体酶动力学”(HT-MEK)的新系统,如何为科学家研究致病蛋白质、开发分解环境毒素的酶,以及理解不同物种之间的进化关系提供一种更快的方法。为开发HT-MEK,美国斯坦福大学的生物工程师Polly Fordyce和生物化学家Daniel Herschlag等人工作了6年,最终制成了一个价值10美元、约7平方厘米大小的生物芯片,该芯片包含1568个微孔,每个孔包含一种变异的酶和一个微流控系统,后者可以同时向所有突变体输送试剂,能达到一次测试超过1000种突变酶的效果。


该方法结合了微流体技术和无细胞蛋白质合成技术,使用自动化程序在每个纳米级的腔室内合成一种变体,使研究者可以同时合成并研究一种酶的数千种变体。此项技术不仅可以提高对酶结构功能的认识,还能够为药物研发、机器学习算法提供大量数据。


微评:微孔芯片是指通过缩微技术,根据分子间特异性地相互作用原理,将生命科学领域中不连续的分析过程集成于硅芯片或玻璃芯片表面的微型生物化学分析系统,是一种生物微流控芯片技术,该技术已逐步商业化,有望与“微电子芯片”并列成为21世纪最大的产业之一。





人工智能或改变药物研发游戏规则



人工智能算法可用于专门设计与天然物质具有相同效果、但结构更简单的活性成分。在快速设计、制造、测试、分析循环中,将自动化、基于规则的分子构建与机器学习和实验验证很好地结合在一起。


近日,瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH)的科学家施耐德教授在《先进科学》杂志上发表文章,介绍了如何借助人工智能开发基于自然示例的新药。通过人工智能不仅可以识别天然物质的生物活性,还有助于找到与天然物质有相同效果,但更容易制造的分子。这一方法可以使未来设计新的、无专利的分子结构变得更容易,或许会改变医药研发的游戏规则。未来随着该方法的进一步完善,制药行业将不得不调整其研究策略,以适应新的模式。


微评:人工智能已越来越与其他科学领域技术紧密结合,带来科学研发模式的改变。人工智能已在药物学领域促进了新药开发,同时也将带来医学化学领域研究发生根本性变化。





| 信息科学 |




塑料制造全球首个0.8μm柔性原生32位微处理器问世



7月22日,科学期刊英国《自然》杂志发表了一项电子行业最新突破性技术进展:由ARM公司领衔,联合全球柔性电子产品供应商Pragmat IC等机构,结合金属氧化物薄膜晶体管(TFT)和柔性聚酰亚胺(一种耐高温的塑料),制成了全球首个柔性原生32位、基于ARM架构、高达18,334个等效门的0.8μm工艺微处理器Plastic ARM。该芯片有望推动低成本、全柔性智能半导体与集成电路产业的发展。


     与传统半导体器件不同,柔性电子器件构建在纸张、塑料或金属箔等基板上,并使用有机物或金属氧化物或非晶硅等有源薄膜半导体材料。与晶体硅相比,它们具有许多优势,包括薄度、一致性和低制造成本。薄膜晶体管 (TFT) 可以在柔性基板上制造,其加工成本比在晶体硅晶片上制造的金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 低得多,但TFT 技术的目标不是取代硅。随着这两种技术的不断发展,硅很依然会在性能、密度和功率效率方面保持优势,所以这并非是完全放弃硅基的晶体管,而是基于“硅”材料技术加上柔性特质制造的纤薄、低成本的柔性微处理器。


微评:目前该芯片处理能力还非常有限,仅有18,334个NAND2等效逻辑门,仅能接收128字节的RAM以及456字节的PRAM,考虑到50年前,英特尔创造了世界上第一个可商业量产微处理器——Intel 4004,使用10um工艺技术在硅基材料中制造,只有2300个晶体管,只能进行简单运算计算,相信随着技术进步,塑料制造柔性芯片将在物联网领域得到广泛应用。






人工智能助失语瘫痪者重新“开口”



     据美国《大众科学》月刊网站7月15日报道,2003年,一名20岁的男子在车祸后发生了严重的中风,这使他陷入瘫痪,只剩下眼睛可以活动,还有头部的极轻微活动,声道的肌肉瘫痪也使他无法开口讲话。18年后科学家宣布,在植入电极组以及人工智能的帮助下,这名男子恢复了部分说话能力。报道称,在长达3小时的手术中,科学家打开了这名男子的颅骨,在他的感觉运动皮质(这里是与语言处理相关的神经区域)中植入了共128个电极的电极组。在闭合颅骨之前,科学家将电极连接到从患者头部伸出的端口上,并通过可拆卸电线将这些电极信号传送至计算机。


报道称,当这位化名为“潘乔”的男子在思考言语时,电极会探测到这些信号。在长达81周的50次会话中,潘乔在与人工智能接口相连的情况下检索了常见单词列表。科学家训练这种深度学习模型以适应潘乔的神经模式,并将其与他想要说的词语相匹配。通过这一系统,潘乔的交流不仅限于“是”和“否”。他能说出“他们要出去了”“请把我的眼镜拿来”之类的话。目前他只能以每分钟15至18个单词的速度说话(远远低于每分钟125至150个单词的正常对话速度),但研究团队乐观地认为,他们能改进系统,提高其速度和准确度,并最终实现无线化。


微评:该研究利用人工智能和脑机接口,首次从瘫痪失语患者的大脑活动中解码完整语句,实现了失语者的“重新发声”。该技术为后续研究开辟了道路。未来大规模(如大样本的临床试验)、全方位(如通过脑机接口恢复瘫痪者的肢体功能)的试验,将有可能引发医学研究范式的变革。




| 材料科学 |



新型石墨烯防腐涂料延长跨海桥钢梁防护寿命



     近年来,作为我国唯一面向航空,从事航空先进材料应用基础研究、材料研制与应用技术研究的综合性科研机构北京航空材料研究院(以下简称“北京航材院”)通过创新工艺,将石墨烯材料与热塑性特种工程树脂复合,研制出一系列复合材料。中国铁建第四勘察设计院集团有限公司依托北京航材院等多家单位的研究成果,立项了“石墨烯重防腐涂装体系”,将其应用在福厦高铁跨海大桥钢结构防腐技术方案和工程上,设计团队充分利用石墨烯材料,对传统涂装体系进行改性,利用片状锌粉、石墨烯、片状云母的鳞片型涂层结构,大幅提升了涂装体系的防腐防护性能。


     解决海洋对大桥的腐蚀问题,是设计跨海大桥遇到的一大难题。业内统计显示,由于国内桥梁主体钢结构防腐涂装体系防腐年限一般在15年以内,部分附属结构钢构件在3-5年内即会出现涂装起泡剥落现象而需重新涂装。而即将合龙的福厦高铁泉州湾跨海大桥,采用了自主创新的“石墨烯重防腐涂装体系”,将实现30年超长防腐寿命的突破,按照30年的设计涂装寿命,100年内只需涂装4次,可节约原防腐投资45%以上。


微评:在全球重防腐产业链中,从原料配方到技术研发等众多链条环节中,中国涂料企业仅能位列中低端的第一梯队。国内研发石墨烯新型重防腐涂料的出现不仅可改善国内防腐涂料产品的防腐质量,还将填补国内高端防腐品牌的市场空白。这对于保障海洋装备、海洋工程和国家重大基础设施的安全服役,促进防腐涂料的产业升级,实现高端防腐涂料的国产化替代具有十分重大的意义。





自愈合材料革新体内医学应用



     近日,东华大学纤维材料改性国家重点实验室游正伟教授团队与上海交通大学医学院附属瑞金医院心脏外科赵强、叶晓峰主任医师团队合作,研制了力学可调的系列自愈合聚肟氨酯弹性体,成功应用于多种体内生物医学修复治疗,相关研究成果发表在《自然-通讯》上。


    自愈合材料是一种“有生命”的材料,在损伤后,能够像人类的皮肤一样自行愈合,恢复其原有的结构和功能。但是大多数材料的愈合过程需要额外的刺激(如加热,紫外光等),这些刺激对于生物体而言是有害的,难以在体内实施。因此自愈合材料的体内医学应用研究很少。聚肟氨酯是近年来新兴的自愈合材料,游正伟团队在该领域开展了一系列工作,实现了其在室温自发自愈合,证明了其具有多重化学转化能力特性。基于这项研究,研究人员进一步研制了一种力学可调、生物相容、生物可降解,在生理环境下具有出色自发自愈合性的聚肟氨酯弹性体,在体内病变处原位构建修复器件,代替缝合线和金属丝在手术治疗中的功能,有效避免手术对病变部位及周围组织的次生损伤,大大方便手术操作,改善手术效果。


微评:科学界一直在探索自愈合材料在桥梁、汽车、机器人等领域的应用研发,该研究中研发的新型自愈合材料不依赖于外界刺激,可在室温下即能实现自愈合性来解决临床问题,将为自愈合材料在医学等领域的应用提供新方案。