2021年已经结束了。回顾这一年，疫情依然笼罩着全球。幸运的是，科技界有许多历史性的突破，出现了一批令人瞩目的科研成果。从CRISPR基因编辑带来的技术革命到AI技术的可预测蛋白质结构，从第一个自我复制机器人到第一次成功将猪肾植入人体，从BIGBANG的探索到探测器成功登陆火星.........................................................................................................................此前，权威媒体和专家共同评选出2021年十大国际科技新闻，包括脑机接口、宏观物体量子纠缠、田文一号探测器成功登陆火星、人工智能预测蛋白质结构、猪肾首次成功植入人体等十个不同领域的科研突破和创新。基于此，onstream Science邀请了五位相关领域的学者对相关技术的创新进行了解读，并分享了他们的知识和理解。图|扫码回望2021年底。科学漫谈的脑机接口将随着脸书和Neuralink在AR和医疗领域的推动实现技术发展。“科技发展的意义在于满足人类自身功能的拓展和享受、生老病死三个方面的需求。”“数学和半导体芯片技术推动了第三次和第四次科技革命。第五次科技革命将聚焦生命科学。当硬件和算法的工具具备后，它可以通过研究世界上最完善、最精密的人脑，对智能技术、认知技术和生物医学产生深远的影响，从而拓展人类三方面的需求。”来自美国匹兹堡大学的工程学博士丁波以对科技发展的总结和展望拉开了圆桌会议的序幕。2019年7月，SpaceX和特斯拉创始人埃隆·马斯克公布了他们公司Neuralink的脑机接口技术最新成果，彻底引爆了外界对“脑机接口”技术的关注。本质上，BCI要研究的问题是是否以及如何通过脑电信号控制外部设备。对这一问题的研究始于20世纪70年代。1969年，德裔美国神经科学家埃伯哈德·费茨(Eberhard Fetz)证明了猴子利用脑电信号控制外部设备的可能性。图|脑机接口解码和编写思想的示意图(来源:Nature)相比了解脑机接口技术的原理，在硅谷工作的丁波对这项技术的应用和趋势表达了更浓厚的兴趣。“目前脑机接口的头部企业分为两条赛道，一条是非接触式的CTRL-Labs(成立于2015年)，一条是接触式的Neuralink(成立于2016年)。”“CTRL-Labs的理念不是读懂你的想法，而是识别你的意图。”在谈到两家公司的区别时，丁波说，“CTRL-Labs开发的臂环不再通过头戴式脑电图(EEG)传感器读取脑电波，而是在输出点附近拦截信号，并通过蓝牙将信息无线传输到PC和智能手机。CTRL-Labs使用的肌电图(EMG)神经接口技术可以捕捉肌肉产生的电信号，最终让用户通过意念在虚拟键盘上‘打字’。”2019年9月，CTRL-Labs被脸书收购，这也成为脑机接口商业化进程中的标志性事件。就在刚刚过去的2021年，脸书更名为meta，提出了元宇宙的概念，推动了VR头显和控制的技术。相信在不久的将来，非接触式脑机接入技术可以率先实现商业化。丁波表示:“致力于实现人类更大梦想的埃隆·马斯克也将专注于Neuralink的医疗健康领域，通过其强大的资本和市场号召力，尽快实现产业化和应用。”
缪子行为异常或揭示第五种作用力的存在2021年4月，上海交通大学μ介子物理团队参与的美国费米实验室μ介子g-2实验首批结果公布。实验以前所未有的测量精度测得的μ因子值与以前不同。“这可以说是最近十年最重大的物理‘发现’，可能会改写整个基础物理学和人类对微观世界的认知，可能预示着世界上可能存在新的未知粒子，或者是四种基本力(引力、电磁力、只出现在微观世界的强弱力)之外的第五种力。”伦敦玛丽女王大学凝聚态物理博士苗·梁静对这一发现非常重视。图|子木异常磁矩储存环的俯视图。(图片来源:费米实验室)子木是宇宙中存在的基本粒子，类似于电子，单位负电荷，自旋为1/2，但质量约为电子的207倍。高能宇宙射线在大气环境中不断产生枪口，质子加速器也能产生大量的枪口用于实验。缪尔G因子是塞曼效应中反映磁矩和角动量关系的无量纲物理量。苗梁静说:“根据一般的量子力学，G因子的值会非常接近2，但实际测量时总会有偏差。因为妙子有自发的量子涨落，涨落是由波函数决定的，这是量子力学的本质特征。而量子涨落会影响实验测量结果。”为什么费米实验室公布的子木G因子值最新结果如此重要？苗亮说:“目前理论的最佳估计值是2.0023183620 (86)，而美国这次费米实验室实验后的平均观测值是2.0023184122 (82)。可以看出，这两个值计入实验误差后，仍然存在较大的误差。统计上显著性为4.2δ(随机误差概率为1/40000)。一般来说，物理学要求的阈值是5δ(随机误差的概率小于1/350万)。所以新发现虽然不能马上公布，但数据看起来很接近，希望很大。”这个实验的结果强烈地表明在现有的理论之外还有新的东西。
繁殖不仅仅是生物特征。当机器人被赋予制造自己的神经系统和大脑的能力时，它就能独立地繁殖出自己的“下一代”。西安电子科技大学的冯博士在谈到打破我们对机器人认识的自我复制的活体机器人时，为我们梳理了研究历史和过程:“在捷克作家卡雷尔的小说《罗萨姆万能机器人公司》中，不甘做奴隶的机器人发动了一场革命，消灭了人类。但这一胜利带来了一个意想不到的后果:机器人不会制造自己的后代，因此面临灭绝的危险。在小说中，作者给出了一个好莱坞式的计划:最后两个机器人相爱，成为新世界中的亚当和夏娃。但在2000年，纽约康奈尔大学的利普森教授提出了一个更简单的计划:赋予机器人自我复制和进化的能力。为了实现这一方案，利普森教授对他的三棱锥塑料机器人进行了进化实验。在计算机中繁殖了数百代后，最终输出程序促使‘快速原型复制器’创造出一个可以变形和爬行的计算机化物种。2008年，巴斯大学的阿德里安博士开发出了RepRap项目的第一代产品——机器人‘达尔文’，它可以成功地制造出自己的完整副本。2020年，美国佛蒙特大学和塔夫茨大学的研究团队创造了一种新的人工物种——异种机器人。经过过去两年的两次升级，研究团队发现了一种新的生物繁殖方式，并利用这一发现创造了有史以来第一个能够自我繁殖的活体机器人——xeno bots 3.0。”图| Xenobots 3.0，一个自我复制的活体机器人(来源:塔夫茨大学)。与之前的研究结果不同，研究人员引入了人工智能技术，花了几个月的时间测试了数十亿种体型，最终在超级计算机集群上找到了新生命形式的最佳设计形式，并将异种机器人矩阵确定为‘C型’。最终的外观类似于上世纪80年代的电子游戏“吃豆人”(Pac-Man)，并被赋予在谈到所开发的活体机器人的应用前景时，冯博士表示:“它可能有助于医学的新突破——除了有望用于精确的药物输送，异种机器人的自我复制能力也使再生医学有了新的帮手，这无疑为对抗创伤、出生缺陷、癌症和衰老提供了开创性的解决方案。在未来，它可能为创伤、出生缺陷、癌症、衰老等提供更直接和个性化的药物治疗。“这可以称得上是里程碑式的技术突破，但它突破了人工智能+生物科学的边界，很多科学络绎不绝的用户都表达了对其是否符合科技伦理审查的担忧。冯解释说:“这项实验已经通过了美国所有必要的伦理审查。制造异种机器人的细胞本身就是发育成青蛙的皮肤细胞。如果它不能自我复制，它就会死亡。在这种情况下，虽然可以复制，但每个副本的后代都比原物小。经过几代复制，少于50个细胞的异种机器人失去自我复制能力。当储存在细胞中的能量耗尽时，它们最终会消亡。此外，研究活机器人的人员说，没有外界的帮助，细胞无法繁殖。
CRISPR基因编辑被发现以来首次真正被用于疾病治疗领域2020年，CRISPR基因编辑系统的先驱Emmanuelle Charpentier教授和Jennifer Doudna教授获得诺贝尔化学奖。一年后，首次人体CRISPR基因编辑临床试验结果公布，该疗法安全有效。这是CRISPR技术自被发现以来第一次真正应用于疾病治疗领域，堪称里程碑事件。“CRISPR基因编辑技术可以看做是一把剪切DNA的剪刀，它是定向的，可以复制任何要修改的DNA，放入活细胞中。”北京大学医学部博士彭作汉在讲座中用形象的比喻解释了CRISPR基因编辑的概念，并补充道:“CRISPR基因编辑解决了旧技术繁琐、昂贵、无法在工程中应用的问题，带来了一场技术革命。”图|基因编辑概念图(图片来源:Pixabay)CRISPR技术的应用非常广泛。它不仅可用于表达调控和基因功能的研究、作物育种、动物模型构建、疾病检测和药物筛选，而且在基因治疗方面具有巨大的发展前景，为单基因遗传病、癌症等疾病提供了新的治疗方法。“用于基因治疗的CRISPR包括体外和体内两种给药方式。主要用于体外免疫细胞治疗和造血干细胞治疗领域。体内包括2021年的CRISPR肝脏交付，这是甲状腺素淀粉样变性(ATTR淀粉样变性)治疗的突破，以及AAV交付的CRISPR治疗艾滋病等。，都取得了不错的进展。”彭作汉博士说。CRISPR基因编辑系统在体内的一个担忧是，基因编辑系统可能会编辑目标序列以外的基因组序列，从而引入有害的突变。这就是人们常说的“脱靶效应”。彭作汉博士补充道:“除此之外，CRISPR还面临着伦理审查和监管的挑战，比如使用基因编辑来编辑胚胎干细胞的事件。”如何解决这些问题将是科学家的下一个挑战。
以 AI 辅助计算可以快速实现蛋白质结构预测，有望改善数百万患者的生活质量AlphaFold精确预测人类蛋白质结构的热度还未散去，AI技术可以预测蛋白质结构的好消息就不断涌入。2021年12月，华盛顿大学大卫·贝克团队经过不懈努力，通过深度网络幻想，从零开始设计蛋白质，研究成果在线发表在《自然》杂志上。大卫·贝克(David Baker)作为著名的蛋白质设计师，近年来一直被视为诺贝尔奖的热门人选。巴黎理工学院博士惠·徐人杰说:“这项成果最终将改善全世界数百万患者的生活质量。”图|蛋白质结构模型图(图片来源:Pixabay)每一种天然蛋白质都有自己独特的空结构或三维结构。蛋白质自发折叠成复杂的三维形状，这几乎是每一个生物过程的关键。例如，组成我们免疫系统的抗体蛋白质是“Y形”的，类似于独特的钩子。通过锁定病毒和细菌，抗体蛋白可以检测和标记病原微生物，以便消灭它们。“为了在分子水平上了解蛋白质的作用机制，往往需要确定蛋白质的三维结构。预测蛋白质形状的能力对科学家来说很有用，因为了解它在体内的作用对于诊断和治疗被认为是由蛋白质错误折叠引起的疾病至关重要，如阿尔茨海默病、帕金森病、亨廷顿舞蹈病和囊性纤维化。”惠徐人杰强调了蛋白质三维结构确定的原因，并表示，“利用AI预测蛋白质结构，在满足精度要求的同时，可以大大提高计算效率，使科学家在短时间内设计出新的更有效的治疗疾病的方法。”此外，这项成果的研究人员大卫·贝克(David Baker)在其他采访中也表示:“这种方法极大地简化了蛋白质设计，开启了直接研究蛋白质功能部分的可能性。”几位博士在分享了自己对2021年创新技术的理解和认识后，也对未来的创新技术进行了展望，比如人工智能、量子计算机、自繁殖机器人等。，这让我们期待未来有新的突破。技术的突破总是鼓舞人心的，打开了我们认识世界的大门，突破了人类认知的边界。期待2022年科学家的新成果！
