二零二一科學(xué)漫游十大領(lǐng)域深刻改變?nèi)祟愇磥?/h1>

2022-02-15 05:16:02

海外星云 2022年3期 收藏

關(guān)鍵詞：腦機(jī)蛋白質(zhì)機(jī)器人

2021年已經(jīng)落幕，回首這一年，值得慶幸的是，科技界有多項(xiàng)歷史性突破，涌現(xiàn)了一批令人矚目的科研成果。

從CRISPR基因編輯帶來的技術(shù)革命到人工智能技術(shù)可預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，從首個(gè)可自我繁殖機(jī)器人問世到豬腎首次成功植入人體，從宇宙大爆炸的探索到探測器成功登陸火星......人類不僅向內(nèi)探索，探究身體的奧秘和生命的來源，還不斷向宇宙發(fā)問，尋找宇宙的邊界。

解碼意念寫字的腦機(jī)接口示意圖

此前， 權(quán)威媒體和專家共同評(píng)選出了2021年國際十大科技新聞，包括腦機(jī)接口、宏觀物體量子糾纏、天問一號(hào)探測器成功登錄火星、人工智能預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、豬腎首次成功植入人體等十個(gè)不同領(lǐng)域的科研突破與創(chuàng)新成果入選。

基于此，五位相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者，對(duì)相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行了解讀，并分享了他們對(duì)此的認(rèn)識(shí)與理解。

腦機(jī)接口會(huì)隨著臉書和Neuralink在AR和醫(yī)療領(lǐng)域的推動(dòng)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)發(fā)展落地

“科技發(fā)展的意義，在于滿足人類三方面的需求：自身功能的擴(kuò)展、享受、生老病死?！薄皵?shù)學(xué)和半導(dǎo)體芯片技術(shù)推動(dòng)了第三次和第四次科技革命。第五次科技革命會(huì)發(fā)力在生命科學(xué)，當(dāng)硬件和算法這些工具都具備后，通過研究世界上進(jìn)化得最完美、最精密的人類大腦，可以對(duì)智能科技、認(rèn)知科技以及生物醫(yī)療產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，以此拓展人類三方面的需求。”美國匹茲堡大學(xué)工學(xué)博士丁博以對(duì)科技發(fā)展的總結(jié)與展望開啟了這次圓桌暢談。

2019年7月，SpaceX及特斯拉創(chuàng)始人埃隆·馬斯克公布其旗下公司Neuralink的腦機(jī)接口技術(shù)的最新成果，徹底引爆了外界對(duì)于“腦機(jī)接口”技術(shù)的關(guān)注。

從本質(zhì)上說， 腦機(jī)接口所要研究問題是能否以及如何通過腦電信號(hào)控制外部設(shè)備。而關(guān)于這個(gè)問題的研究從20世紀(jì)70年代就已經(jīng)開始了，1969年， 德裔美國神經(jīng)學(xué)家埃伯哈德· 費(fèi)茲已經(jīng)證明了猴子可以利用腦電信號(hào)控制外部設(shè)備的可能性。

相對(duì)于理解腦機(jī)接口技術(shù)的原理， 工作于硅谷的丁博表示對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用和趨勢(shì)有更濃厚的興趣， “ 目前腦機(jī)接口的頭部企業(yè)分兩個(gè)賽道， 一是非接觸式的CTRL-Labs， 一是接觸式的Neuralink?！?/p>

“CTRL-Labs的思路不是讀取你的想法、而是識(shí)別你的意圖。”說到這兩家公司的區(qū)別時(shí)，丁博說道，“CTRL-Labs開發(fā)的臂環(huán)不再是通過頭戴式腦電圖傳感器讀取腦電波，而是截取接近輸出點(diǎn)的信號(hào)，并通過藍(lán)牙將信息無線傳輸至給P C端和智能手機(jī)。CTRL-Labs所使用的肌電圖神經(jīng)接口技術(shù)，可以捕獲肌肉產(chǎn)生的電信號(hào)，最終允許用戶通過意念在虛擬鍵盤上‘打字?！?/p>

2019年9月， CTRL-Labs公司被臉書收購，這也成為了腦機(jī)接口商業(yè)化推動(dòng)過程中的標(biāo)志性事件。而就在剛剛過去的2021年，臉書改名為Meta，元宇宙概念被提出，VR頭顯和控制技術(shù)被推進(jìn)，相信非接觸式腦機(jī)接入的技術(shù)可以率先在不久的將來商業(yè)化。

丁博表示：“致力于實(shí)現(xiàn)人類更大夢(mèng)想的埃隆·馬斯克也會(huì)Neuralink專注于醫(yī)療健康領(lǐng)域，通過其強(qiáng)大的資金和市場號(hào)召力，盡早實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和落地應(yīng)用?！?h3>繆子行為異?；蚪沂镜谖宸N作用力的存在

2021年4月份，上海交通大學(xué)繆子物理團(tuán)隊(duì)參與的美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室繆子反常磁矩實(shí)驗(yàn)（ Muon g-2）首批結(jié)果公布，實(shí)驗(yàn)以前所未有的測量精度測得繆子g因子數(shù)值與以往有偏差。

“這可以說是近10年來最重大的物理‘發(fā)現(xiàn)，有可能改寫整個(gè)基礎(chǔ)物理和人類對(duì)微觀世界的認(rèn)知，且可能預(yù)示著世界上或許存在新的未知粒子或存在四大基本作用力（引力、電磁力、以及只在微觀世界里才出現(xiàn)的強(qiáng)作用力和弱作用力）之外的第五種作用力?！眰惗噩旣惻醮髮W(xué)凝聚態(tài)物理博士苗晶良對(duì)這一發(fā)現(xiàn)十分重視。

繆子反常磁矩儲(chǔ)存環(huán)的俯視圖

繆子是一種宇宙中存在的基本粒子，類似于電子， 都帶有一個(gè)單位負(fù)電荷， 自旋1/2，質(zhì)量卻約是電子的207倍。高能宇宙射線在大氣環(huán)境中不間斷地產(chǎn)生著繆子，質(zhì)子加速器也可以制造大量的繆子以用于實(shí)驗(yàn)?？娮觛因子是反映了塞曼效應(yīng)中磁矩與角動(dòng)量之間的聯(lián)系的一個(gè)無量綱物理量。

苗晶良說：“根據(jù)普通量子力學(xué)， g因子的數(shù)值會(huì)非常接近于2，但實(shí)際測出來總有偏差。因?yàn)榭娮佑凶园l(fā)的量子漲落，漲落的大小是由量子力學(xué)的本質(zhì)特征— — 波函數(shù)決定。而量子漲落會(huì)影響到實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果。”

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室公布的繆子g因子數(shù)值的最新結(jié)果究竟為什么這么重要？苗晶良表示：“目前理論的最佳估算值是2.00233183620（86），而這次美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)后的平均觀測值是2.00233184122（82），可以看出兩個(gè)數(shù)值計(jì)入實(shí)驗(yàn)誤差后兩個(gè)數(shù)值還是有不小的誤差。在統(tǒng)計(jì)學(xué)上，顯著程度是4.2δ（隨機(jī)誤差的可能性為1/40000），一般來說物理學(xué)要求的門檻是達(dá)到5δ（隨機(jī)誤差的可能性小于1/3500000），所以雖然馬上不能宣稱新發(fā)現(xiàn)，但是數(shù)據(jù)看上去已經(jīng)很接近了，希望很大。”

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果強(qiáng)烈暗示著在現(xiàn)有理論之外有新東西的存在。

當(dāng)機(jī)器人可以像生物那樣可以自我繁殖

繁殖并不僅僅是生物的特性。當(dāng)賦予機(jī)器人制造自己的神經(jīng)系統(tǒng)和大腦的能力的時(shí)候， 它就可以獨(dú)立復(fù)制出自己的“ 下一代”。

西安電子科技大學(xué)博士馮振鵬在談到打破我們對(duì)機(jī)器人認(rèn)知的可自我繁殖活體機(jī)器人時(shí)， 為我們梳理了其研究歷史和進(jìn)程：“在捷克作家卡雷爾的小說《羅薩姆萬能機(jī)器人公司》里，不甘當(dāng)奴隸的機(jī)器人鬧起了革命，消滅了人類。但這個(gè)勝利帶來一個(gè)意想不到的后果：機(jī)器人不會(huì)自己制造后代，因此面臨著滅絕的危險(xiǎn)。在小說中，作者給了個(gè)好萊塢式的方案：最后的兩個(gè)機(jī)器人戀愛了，變成了新世界的亞當(dāng)和夏娃。

但在2000年，紐約康奈爾大學(xué)的利普森教授給出了更簡單的方案：賦予機(jī)器人自我復(fù)制和進(jìn)化的能力。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)方案，利普森教授對(duì)他的三棱錐形的塑膠機(jī)器人進(jìn)行了進(jìn)化演變實(shí)驗(yàn)。在計(jì)算機(jī)內(nèi)經(jīng)過數(shù)百代繁殖， 最后輸出的程序促使“ 快速原型復(fù)制機(jī)” 制造了能夠變形和爬動(dòng)的計(jì)算化的物種。

可自我繁殖的活體機(jī)器人X e n o b o t s 3 . 0

2008年，英國巴斯大學(xué)的阿德里安博士。研制出RepRap計(jì)劃的首代產(chǎn)物— — 機(jī)器人“達(dá)爾文”，它能成功地制造出一個(gè)自己的完整復(fù)制品。

2020年，美國佛蒙特大學(xué)和塔夫茨大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造出一個(gè)新的人造物種— —Xenobots。經(jīng)歷近兩年升級(jí)了兩次之后，該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種全新的生物繁殖方式，并利用這一發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了有史以來第一個(gè)可自我繁殖的活體機(jī)器人——Xenobots 3.0。

與之前的研究成果不同的是，研究人員引入了人工智能技術(shù)，花費(fèi)數(shù)月時(shí)間，測試了數(shù)十億種體型，最終在超級(jí)計(jì)算機(jī)集群上為新生命形式找到了最佳設(shè)計(jì)形態(tài)， 將Xenobots母體確定為“C形”，最終外觀酷似20世紀(jì)80年代的電子游戲《吃豆人》，并賦予了它們能夠完成特定任務(wù)的能力。

當(dāng)談到研究出的這種活體機(jī)器人的應(yīng)用前景時(shí)，馮振鵬博士表示：“或許可以有助于醫(yī)學(xué)的全新突破——除了有望用于精準(zhǔn)的藥物遞送之外，Xenobots的自我復(fù)制能力也使得再生醫(yī)學(xué)有了新的幫手，這無疑為對(duì)抗創(chuàng)傷、出生缺陷、癌癥與衰老提供了開創(chuàng)性的解決思路。未來或可為外傷、先天缺陷、癌癥、衰老等提供更直接、更個(gè)性化的藥物治療。

這可以堪稱是一項(xiàng)里程碑式的技術(shù)突破，但它突破了人工智能+生物科學(xué)的邊界，有很多絡(luò)繹科學(xué)的用戶表達(dá)了其是否符合科學(xué)技術(shù)中的倫理審查的擔(dān)心， 馮振鵬解釋道：“該實(shí)驗(yàn)在美國通過了所有必要的倫理審查。制造Xenobots的細(xì)胞本身是要發(fā)育成青蛙的皮膚細(xì)胞，如果不能自我復(fù)制，那它就會(huì)死亡。在此案例中，雖然它可以復(fù)制，但每次復(fù)制出來的后代都比原先的要小一些。當(dāng)經(jīng)過幾代的復(fù)制以后，那些小于50個(gè)細(xì)胞的Xenobots就失去了自我復(fù)制能力，當(dāng)儲(chǔ)存在細(xì)胞中的能量耗盡， 它們終將消亡?！贝送?，活體機(jī)器人的研究者表示沒有外界的幫助，這種細(xì)胞無法繁殖。

CRISPR基因編輯被發(fā)現(xiàn)以來首次真正被用于疾病治療領(lǐng)域

2020年，CRISPR基因編輯系統(tǒng)的先驅(qū)EmmanuelleCharpentier教授和JenniferDoudna教授斬獲了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。一年之后，首個(gè)人體內(nèi)CRISPR基因編輯臨床試驗(yàn)結(jié)果公布，且療法安全有效，這是自CRISPR技術(shù)被發(fā)現(xiàn)以來首次被真正用于疾病治療領(lǐng)域，可以被稱為里程碑事件。

“CRISPR基因編輯技術(shù)可以看作是一把剪切DNA的剪刀，具有導(dǎo)向性，可以將要修改的任何DNA拷貝，并置入一個(gè)活細(xì)胞?！北本┐髮W(xué)醫(yī)學(xué)部博士彭作翰在講談中以形象的比喻解釋了CRISPR基因編輯的概念，并補(bǔ)充道：“CRISPR基因編輯很好地解決了舊技術(shù)繁瑣、昂貴及無法工程化應(yīng)用的問題，帶來了技術(shù)革命?！?p>

基因編輯概念圖

CRISPR技術(shù)的應(yīng)用范圍很廣，不僅可用于表達(dá)調(diào)控和基因功能的研究、作物育種、動(dòng)物模型的構(gòu)建、疾病檢測和藥物篩選，在基因治療中更是有巨大的發(fā)展前景，為單基因遺傳病、癌癥等疾病提供了新的治療方法。

“CRISPR用于基因治療包括了體外和體內(nèi)遞送兩種類型。體外主要應(yīng)用在免疫細(xì)胞治療和造血干細(xì)胞治療領(lǐng)域。體內(nèi)則包括了2021年突破性的治療轉(zhuǎn)甲狀腺素淀粉樣變性（ATTR淀粉樣變性）疾病的CRISPR肝臟遞送、AAV遞送CRISPR治療艾滋病等，都取得不錯(cuò)的進(jìn)展?！迸碜骱膊┦恐v到。

體內(nèi)CRISPR基因編輯系統(tǒng)令人擔(dān)心的一點(diǎn)是基因編輯系統(tǒng)可能會(huì)對(duì)靶點(diǎn)序列以外的基因組序列進(jìn)行編輯，從而引入有害突變。這是人們常說的“脫靶效應(yīng)”。

彭作翰博士還補(bǔ)充道： “ 除此之外，CRISPR還面臨的還有倫理審查監(jiān)管的挑戰(zhàn)，比如利用基因編輯編輯胚胎干細(xì)胞的事件。”

如何解決這些問題，將是科學(xué)家們接下來要挑戰(zhàn)的問題。

以人工智能輔助計(jì)算可以快速實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測，有望改善數(shù)百萬患者的生活質(zhì)量

AlphaFold準(zhǔn)確預(yù)測人類蛋白質(zhì)組結(jié)構(gòu)的熱度還未消散，人工智能技術(shù)可預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的好消息就紛至沓來。

2021年12月，美國華盛頓大學(xué)戴維·貝克團(tuán)隊(duì)經(jīng)過不懈努力，實(shí)現(xiàn)了通過深度網(wǎng)絡(luò)幻想從頭設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)，該項(xiàng)研究成果在線發(fā)表在《自然》雜志上。作為大名鼎鼎的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)大師，戴維·貝克近幾年一直被認(rèn)為是諾貝爾獎(jiǎng)熱門人選。

巴黎綜合理工學(xué)院博士惠人杰說：“這項(xiàng)成果最終可以改善全世界數(shù)百萬患者的生活質(zhì)量?！?p>

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)模型圖

每一種天然蛋白質(zhì)都有自己特有的空間結(jié)構(gòu)或稱三維結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)自發(fā)地折疊成復(fù)雜的三維形狀，這幾乎是每個(gè)生物過程的關(guān)鍵。例如，構(gòu)成我們免疫系統(tǒng)的抗體蛋白是“Y形”，類似于獨(dú)特的鉤狀物，通過鎖定病毒和細(xì)菌，抗體蛋白能夠檢測并標(biāo)記致病微生物以便消滅它們。

“為了從分子水平上了解蛋白質(zhì)的作用機(jī)制，常常需要測定蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。預(yù)測蛋白質(zhì)形狀的能力對(duì)科學(xué)家是有用的，因?yàn)槔斫馄湓隗w內(nèi)的作用對(duì)診斷和治療被認(rèn)為是由蛋白質(zhì)的錯(cuò)誤折疊引起的疾病是至關(guān)重要的，如阿爾茨海默氏癥、帕金森氏癥、亨廷頓氏癥和囊性纖維化。”惠人杰強(qiáng)調(diào)了蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)測定的原因，并且表示“利用人工智能來預(yù)測蛋白結(jié)構(gòu)，可以在滿足精確度要求的情況下，大幅提高計(jì)算效率，使得科學(xué)家在短時(shí)間內(nèi)能夠設(shè)計(jì)出新的、更有效的治療疾病的方法?！?/p>

此外，此項(xiàng)成果的研究者戴維·貝克也曾在其他采訪中表示：“這種方法極大地簡化了蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)，并打開了直接研究蛋白質(zhì)功能部分的可能性。”

在幾位博士各自分享他們對(duì)2021年創(chuàng)新技術(shù)的理解與認(rèn)識(shí)后，他們還展望了未來的創(chuàng)新技術(shù)，比如人工智能、量子計(jì)算機(jī)、自我繁殖機(jī)器人等，讓我們對(duì)未來的各項(xiàng)新突破充滿了期待。

技術(shù)的突破總能令人為之一振，打開我們認(rèn)識(shí)世界的大門，突破人類認(rèn)知的邊界。期待2022年科學(xué)家們的新成果！