2019年十大國際科技新聞解讀：200秒完成萬年計(jì)算

2019年，科學(xué)及其追隨者們探索前行的步伐一如既往的堅(jiān)定。對(duì)于世界我們?nèi)杂泻芏鄦栴}，其解法，是依靠科技的進(jìn)步一次次擊碎桎梏，開啟下一個(gè)增長時(shí)代;用“希望”和“發(fā)展”引導(dǎo)人們走向更加美好的未來。從這個(gè)角度而言，2019年的科技界與科學(xué)家，更值得尊重。

1中國“嫦娥四號(hào)”實(shí)現(xiàn)人類首次月背軟著陸

月球之背，寧靜之地。

此處屏蔽了來自地球的各種無線電干擾信號(hào)，可以監(jiān)測(cè)到地面和地球附近的太空中無法分辨的電磁信號(hào)，為研究恒星起源和星云演化提供重要資料。所以天文學(xué)家一直希望利用這片寂靜去監(jiān)聽來自宇宙深處的微弱信號(hào)，但長久以來，從未有航天器登陸過月球背面。

今年1月3日，“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器成功著陸在月球背面東經(jīng)177.6度、南緯45.5度附近的預(yù)選著陸區(qū)，并通過“鵲橋”中繼星傳回了世界第一張近距離拍攝的月背影像圖，實(shí)現(xiàn)了人類探測(cè)器首次月背軟著陸。

12月21日，著陸器受光照自主喚醒，按計(jì)劃繼續(xù)對(duì)月表線性能量轉(zhuǎn)移譜、綜合粒子輻射劑量及月表低頻射電特征開展有效探測(cè)工作。

靜靜的月背，太陽光照射在“嫦娥四號(hào)”著陸器上。繁忙的地面，在月背刻上中國足跡的青年人團(tuán)隊(duì)，平均年齡僅為33歲。

2高度擴(kuò)展的

仿生物細(xì)胞

機(jī)器人誕生

地球生物皆由細(xì)胞構(gòu)成，而細(xì)胞集體運(yùn)作能力的強(qiáng)悍與復(fù)雜，至今人們也不能說完全了解?？扇绻軌蛟谥悄茴I(lǐng)域模擬出一定程度的細(xì)胞組合運(yùn)動(dòng)，并能輕易擴(kuò)展，那么理論上，便可以利用大規(guī)模機(jī)器人創(chuàng)造出無限的可能。

美國哥倫比亞大學(xué)和麻省理工的科學(xué)家3月份報(bào)告了一種能模擬生物細(xì)胞集體遷移的機(jī)器人，25個(gè)物理機(jī)器人“粒子”，能移動(dòng)、搬運(yùn)物體以及向光刺激移動(dòng)。

有意思的是，單個(gè)機(jī)器人“粒子”并不能移動(dòng)，但如果其中一個(gè)或幾個(gè)成員“喪失行動(dòng)能力”，也不會(huì)對(duì)整體有大影響——在20%粒子失效的情況下，其仍能以完整狀態(tài)一半的速度運(yùn)行。而在傳統(tǒng)機(jī)器人，單獨(dú)個(gè)體的缺失，往往會(huì)導(dǎo)致滿盤崩潰。

25個(gè)松散的“粒子”，可以輕易擴(kuò)增為十萬個(gè)，這比此前傳統(tǒng)機(jī)器人和仿生系統(tǒng)具有更高的可擴(kuò)展性，也為開發(fā)有預(yù)先確定性行為的大規(guī)模群體機(jī)器人系統(tǒng)，提供了全新途徑。

3人類獲得

首張黑洞照片

在我們所有人頭頂，在幾乎每個(gè)大星系的中央，黑洞無聲無息地盤踞、吞噬、輻射。當(dāng)天體物理學(xué)發(fā)展到一定程度，沒有任何一個(gè)文明可以對(duì)黑洞視而不見。

天文學(xué)家們?yōu)榇舜罱艘粡埿行羌?jí)觀測(cè)網(wǎng)——“事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)”，它比任何獨(dú)立設(shè)備都更了解黑洞，它還能達(dá)到足夠分辨率來區(qū)分光被拉入黑洞時(shí)的狀況。拜其成全，從來都無法直接觀察到的黑洞，此次“眼見為實(shí)”。

北京時(shí)間4月10日21時(shí)7分，全球6個(gè)城市(比利時(shí)布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國上海和臺(tái)北、日本東京、美國華盛頓)在同一時(shí)間公布了首張黑洞照片，揭示了室女座星系團(tuán)中超大質(zhì)量星系M87中心的黑洞。黑洞這一神秘天體，終于展露真容。

黑洞“現(xiàn)身”的同時(shí)，其中的物理現(xiàn)象還很可能為我們闡明廣義相對(duì)論和量子力學(xué)間的巨大矛盾——眾所周知，這二位“不和”已久，皆因我們找不到一種既是宏觀又是微觀的東西。而黑洞，恰好兼具大尺度宏觀形態(tài)和小尺度微觀量子理論的特性。

這就是科學(xué)的進(jìn)步，既不會(huì)忽略小到無法體驗(yàn)的粒子，也不會(huì)避開大到超乎你我想象的物體。

43D打印出會(huì)

“呼吸”的人造器官

“上上世紀(jì)的思想，上世紀(jì)的技術(shù)，本世紀(jì)的市場”，說的就是3D打印。

但在今年，這項(xiàng)已然不再新鮮的技術(shù)取得了具有里程碑意義的成果。5月，《科學(xué)》雜志封面報(bào)道了美國萊斯大學(xué)與華盛頓大學(xué)主導(dǎo)的研究，該團(tuán)隊(duì)克服了3D打印器官的一大障礙，創(chuàng)造出一個(gè)由水凝膠3D打印而成的肺氣囊模型。

這個(gè)模型，具有與人體血管和氣管結(jié)構(gòu)相同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在體外模擬肺氣囊生理學(xué)功能，實(shí)現(xiàn)了往周圍血管輸送氧氣，完成了“呼吸”過程。而通常認(rèn)為，只有3D打印的組織能像健康組織一樣“呼吸”，且構(gòu)建出可與其他組織交互的管路系統(tǒng)，才可以說它在功能上已經(jīng)接近一個(gè)健康組織。

這項(xiàng)成果被認(rèn)為代表了3D生物打印可實(shí)現(xiàn)的最強(qiáng)生理功能，它也意味著，未來的器官移植以及人類壽命延長等許多問題，都將可能得到解決。

5超導(dǎo)材料最高

臨界溫度刷新

應(yīng)用物理界有一個(gè)終極使命，就是尋找能在室溫下具有超導(dǎo)性的材料并將其用于生活中。

一般的材料在導(dǎo)電過程中會(huì)消耗大量能量，而超導(dǎo)體在傳輸中幾乎沒有耗損，還能在每平方厘米上承載更強(qiáng)的電流。但目前，超導(dǎo)材料只有在低溫環(huán)境下才會(huì)具有超導(dǎo)性。

今年5月，美德兩國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在《自然》上發(fā)文稱，其所觀察到的3個(gè)特征已可證明，在250K(約為-23℃)的溫度下，氫化鑭在超過100萬倍地球大氣壓下會(huì)變成超導(dǎo)物質(zhì)。

而250K，是迄今為止超導(dǎo)材料中證實(shí)的最高臨界溫度，其距離室溫的295K已并不遙遠(yuǎn)。

值得注意的是，在2018年，已有兩個(gè)獨(dú)立研究小組同時(shí)發(fā)布對(duì)壓縮氫化鑭化合物超導(dǎo)性的理論預(yù)測(cè)，并指出了其臨界溫度范圍值。這一從“預(yù)測(cè)”到“驗(yàn)證”的過程表明，人類對(duì)超導(dǎo)材料的研究可能進(jìn)入了一個(gè)新階段——從靠經(jīng)驗(yàn)規(guī)則、直覺或運(yùn)氣發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體，向由具體理論預(yù)測(cè)指導(dǎo)研究過渡。

6新癌癥疫苗

讓CAR-T療法

高效攻擊實(shí)體瘤

誓要向癌癥進(jìn)軍的CAR-T療法，還缺一副鎧甲?，F(xiàn)在，“抗癌疫苗”可做其鎧甲。

在人類與癌癥抗?fàn)幍臍v史長河中，CAR-T療法獨(dú)占鰲頭。這名字中的T，是指從患者體內(nèi)分離出免疫T細(xì)胞，再在體外對(duì)這些細(xì)胞進(jìn)行基因改造，給它們裝上識(shí)別癌細(xì)胞表面抗原的“嵌合抗原受體”——即名字中的CAR。

該明星療法被認(rèn)為徹底地改變了癌癥治療格局，但卻有一定局限——僅能治療某些類型的白血病。但今年7月，麻省理工學(xué)院科學(xué)家們?cè)凇犊茖W(xué)》雜志上發(fā)表了題為“利用疫苗增強(qiáng)CAR-T細(xì)胞治療實(shí)體瘤的療效”的研究。他們開發(fā)出新型“抗癌疫苗”，可以讓CAR-T細(xì)胞對(duì)實(shí)體腫瘤進(jìn)行攻擊，極大提高CAR-T療效，最終可清除60%的小鼠體內(nèi)的實(shí)體瘤，此外還能刺激免疫系統(tǒng)產(chǎn)生記憶T細(xì)胞，防止腫瘤復(fù)發(fā)。

這項(xiàng)開創(chuàng)型的研究，不啻于為千萬人帶來希望，而對(duì)研究者來說，它為對(duì)抗實(shí)體瘤的攻堅(jiān)戰(zhàn)提供了新思路。

7全球首座浮動(dòng)

核電站正式啟航

20870型“羅蒙諾索夫院士”號(hào)浮動(dòng)核電站，是移動(dòng)式低功率核電機(jī)組的首型號(hào)，也是世界上最北端的核裝置。

浮動(dòng)核電站本質(zhì)上就是一個(gè)建在船上的核電站，因其安全性和經(jīng)濟(jì)性獲得各國廣泛持續(xù)關(guān)注，被認(rèn)為是最理想的海洋能源開發(fā)保障。8月23日，“羅蒙諾索夫院士”號(hào)從俄羅斯北極不凍港摩爾曼斯克港啟航，9月抵達(dá)楚科奇地區(qū)的佩斯韋克市，隨后連接到電網(wǎng)。

12月份，浮動(dòng)核電站開始試運(yùn)行。等正式運(yùn)營后，它將能替代當(dāng)?shù)匾蛔懮虾穗娬竞突鹆﹄娬镜陌l(fā)電產(chǎn)能。這座浮動(dòng)式核電站在設(shè)計(jì)時(shí)留有了很大的安全余量，兩臺(tái)KLT-40S反應(yīng)堆能產(chǎn)生高達(dá)70兆瓦的電功率，可以滿足一個(gè)10萬人口城鎮(zhèn)的能源所需。

“羅蒙諾索夫院士”號(hào)啟航，標(biāo)志著俄羅斯在該領(lǐng)域取得實(shí)質(zhì)性突破?，F(xiàn)在，俄國家原子能公司正在研制第二代浮動(dòng)式核電站，將成為解決北極等特殊地域能源供應(yīng)的重要選項(xiàng)。

8“量子霸權(quán)”實(shí)現(xiàn)：

200秒完成

萬年計(jì)算

當(dāng)量子計(jì)算在某些任務(wù)上擁有超越所有傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，就是“量子霸權(quán)”。

9月，谷歌發(fā)表題為《使用可編程超導(dǎo)處理程式的量子優(yōu)勢(shì)》的文章，宣布其實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”：一臺(tái)可編程量子計(jì)算機(jī)超越了最快的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)。該量子系統(tǒng)只用了約200秒，就完成了經(jīng)典計(jì)算機(jī)大約需要1萬年才能完成的任務(wù)——而這里慘敗的對(duì)手，是目前世界排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)、美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的“Summit”。

秒殺經(jīng)典計(jì)算機(jī)業(yè)界翹楚，這一成就被視為量子計(jì)算的重大里程碑事件，“對(duì)世界領(lǐng)先的超級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，無疑是一項(xiàng)了不起的成就”。

但也要看到，從實(shí)用的量子計(jì)算系統(tǒng)再到通用可編程的量子計(jì)算機(jī)，其路漫漫。在量子計(jì)算機(jī)投入實(shí)際應(yīng)用前，還需開展更多工作，譬如，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的容錯(cuò)運(yùn)算。

9“基因魔剪”升級(jí)，

新基因編輯系統(tǒng)

問世

CRISPR-Cas這把“基因魔剪”的潛力，一直受到難以進(jìn)行精確修飾的限制。

近年來，我們看到基因組編輯技術(shù)取得了重要進(jìn)展，但是已知的約75000個(gè)人類病理性遺傳變異體，大部分仍無法得到有效修正——受到復(fù)雜細(xì)胞過程的影響，CRISPR-Cas在精度和效率上并不完美。

但現(xiàn)在，許多研究工作正集中將不完美平衡為一種精確的編輯。今年10月，美國博德研究所等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家在《自然》發(fā)文稱，他們開發(fā)出新型多功能基因組編輯技術(shù)，可以精確地編輯基因，而不造成DNA雙鏈斷裂。其比傳統(tǒng)Cas9效率更高、副產(chǎn)物更少、脫靶率更低。

這項(xiàng)新技術(shù)名為“先導(dǎo)編輯”，原則上，其可以修正約89%的已知與疾病相關(guān)的人類遺傳變異體。

基因組編輯的最終目標(biāo)，就是能夠?qū)ι{(lán)圖做出任何特定的改變。而一種用于基因組編輯的“搜索和替換”方法，使我們朝著這一宏偉目標(biāo)邁出了一大步。

10“萬物DNA”材料

讓存儲(chǔ)無處不在

人們隨口就說“數(shù)據(jù)暴漲”這個(gè)詞，但你我只是轉(zhuǎn)手去買塊新硬盤，但對(duì)技術(shù)人員來說，數(shù)據(jù)量的不斷增加、既有存儲(chǔ)架構(gòu)的不足，是恐懼之源。

傳統(tǒng)存儲(chǔ)方式難以為繼。幸好，我們還有“更傳統(tǒng)的”——依靠自然界神奇而精巧的生物存儲(chǔ)。有人研究過，DNA信息儲(chǔ)存密度為一千萬TB/立方厘米。在這種密度下，一個(gè)大約一米長的DNA立方體，就能滿足目前世界上一年的信息儲(chǔ)存需求。而且，它如此穩(wěn)定。

今年12月，哥倫比亞大學(xué)著名專家、以色列計(jì)算遺傳學(xué)家亞尼夫·埃爾利赫與蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院報(bào)告了一種運(yùn)用“萬物DNA”特殊材料3D打印出來的“兔子”，該材料包含了用以合成DNA編碼的兔子藍(lán)圖。之后，原始兔子所含的DNA被解碼，并穩(wěn)定復(fù)制了五代兔子。這種新的存儲(chǔ)架構(gòu)，意味著DNA存儲(chǔ)的潛力又被進(jìn)一步拓展。

而今年稍早時(shí)間，美國微軟與華盛頓大學(xué)也聯(lián)合公布了全球首個(gè)全自動(dòng)DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索系統(tǒng)。這是人類首次采用全自動(dòng)手段去進(jìn)行DNA存儲(chǔ)。全自動(dòng)的合成和讀取，不但有助于推動(dòng)規(guī)?；⒔档统杀荆€將是DNA存儲(chǔ)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向商業(yè)數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵步驟。(記者 張夢(mèng)然)

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