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　　谷歌的量子處理器芯片 圖源：《科學(xué)》網(wǎng)站
　　嫦娥四號著陸器地形地貌相機環(huán)拍全景圖（圓柱投影）圖源：中國國家航天局
　　用“萬物DNA”特殊材料3D打印的兔子 圖源：《自然·生物技術(shù)》
　　基因組編輯的演變 圖源：《自然》網(wǎng)站
　　首張黑洞照片 圖源：NASA官網(wǎng)
　　仿生物細(xì)胞機器人 圖源：《自然》網(wǎng)站
　　超導(dǎo)材料最高臨界溫度刷新 圖源：《自然》網(wǎng)站
　　首座浮動核電站 圖源：俄羅斯衛(wèi)星通訊社
　　3D打印肺氣囊模型 圖源：《科學(xué)》網(wǎng)站
　　2019年，科學(xué)及其追隨者們探索前行的步伐一如既往的堅定。對于世界我們?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，開啟下一個增長時代；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” 實現(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，可以監(jiān)測到地面和地球附近的太空中無法分辨的電磁信號，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，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”探測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，實現(xiàn)了人類探測器首次月背軟著陸。
　　12月21日，著陸器受光照自主喚醒，按計劃繼續(xù)對月表線性能量轉(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工作。
　　靜靜的月背，太陽光照射在“嫦娥四號”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，平均年齡僅為33歲。
　　2、高度擴(kuò)展的仿生物細(xì)胞機器人誕生
　　地球生物皆由細(xì)胞構(gòu)成，而細(xì)胞集體運作能力的強悍與復(fù)雜，至今人們也不能說完全了解。可如果能夠在智能領(lǐng)域模擬出一定程度的細(xì)胞組合運動，并能輕易擴(kuò)展，那么理論上，便可以利用大規(guī)模機器人創(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月份報告了一種能模擬生物細(xì)胞集體遷移的機器人，25個物理機器人“粒子”，能移動、搬運物體以及向光刺激移動。
　　有意思的是，單個機器人“粒子”并不能移動，但如果其中一個或幾個成員“喪失行動能力”，也不會對整體有大影響——在20%粒子失效的情況下，其仍能以完整狀態(tài)一半的速度運行。而在傳統(tǒng)機器人，單獨個體的缺失，往往會導(dǎo)致滿盤崩潰。
　　25個松散的“粒子”，可以輕易擴(kuò)增為十萬個，這比此前傳統(tǒng)機器人和仿生系統(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，沒有任何一個文明可以對黑洞視而不見。
　　天文學(xué)家們?yōu)榇舜罱艘粡埿行羌売^測網(wǎng)——“事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）”，它比任何獨立設(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”。
　　北京時間4月10日21時7分，全球6個城市（比利時布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國上海和臺北、日本東京、美國華盛頓）在同一時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，其中的物理現(xiàn)象還很可能為我們闡明廣義相對論和量子力學(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，既不會忽略小到無法體驗的粒子，也不會避開大到超乎你我想象的物體。
　　4、3D打印出會“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)隊克服了3D打印器官的一大障礙，創(chuàng)造出一個由水凝膠3D打印而成的肺氣囊模型。
　　這個模型，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)接近一個健康組織。
　　這項成果被認(rèn)為代表了3D生物打印可實現(xiàn)的最強生理功能，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的電流。但目前，超導(dǎo)材料只有在低溫環(huán)境下才會具有超導(dǎo)性。
　　今年5月，美德兩國科學(xué)家團(tuán)隊在《自然》上發(fā)文稱，其所觀察到的3個特征已可證明，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變成超導(dǎo)物質(zhì)。
　　而250K，是迄今為止超導(dǎo)材料中證實的最高臨界溫度，其距離室溫的295K已并不遙遠(yuǎn)。
　　值得注意的是，在2018年，已有兩個獨立研究小組同時發(fā)布對壓縮氫化鑭化合物超導(dǎo)性的理論預(yù)測，并指出了其臨界溫度范圍值。這一從“預(yù)測”到“驗證”的過程表明，人類對超導(dǎo)材料的研究可能進(jìn)入了一個新階段——從靠經(jīng)驗規(guī)則、直覺或運氣發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體，向由具體理論預(yù)測指導(dǎo)研究過渡。
　　6、新癌癥疫苗讓CAR-T療法高效攻擊實體瘤
　　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，再在體外對這些細(xì)胞進(jìn)行基因改造，給它們裝上識別癌細(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)家們在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了題為“利用疫苗增強CAR-T細(xì)胞治療實體瘤的療效”的研究。他們開發(fā)出新型“抗癌疫苗”，可以讓CAR-T細(xì)胞對實體腫瘤進(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)。
　　這項開創(chuàng)型的研究，不啻于為千萬人帶來希望，而對研究者來說，它為對抗實體瘤的攻堅戰(zhàn)提供了新思路。
　　7、全球首座浮動核電站正式啟航
　　20870型“羅蒙諾索夫院士”號浮動核電站，是移動式低功率核電機組的首型號，也是世界上最北端的核裝置。
　　浮動核電站本質(zhì)上就是一個建在船上的核電站，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，浮動核電站開始試運行。等正式運營后，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。這座浮動式核電站在設(shè)計時留有了很大的安全余量，兩臺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10萬人口城鎮(zhèn)的能源所需。
　　“羅蒙諾索夫院士”號啟航，標(biāo)志著俄羅斯在該領(lǐng)域取得實質(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。
　　8、“量子霸權(quán)”實現(xiàn)：200秒完成萬年計算
　　當(dāng)量子計算在某些任務(wù)上擁有超越所有傳統(tǒng)計算機的計算能力，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》的文章，宣布其實現(xiàn)“量子霸權(quán)”：一臺可編程量子計算機超越了最快的經(jīng)典超級計算機。該量子系統(tǒng)只用了約200秒，就完成了經(jīng)典計算機大約需要1萬年才能完成的任務(wù)——而這里慘敗的對手，是目前世界排名第一的超級計算機、美國能源部橡樹嶺國家實驗室的“Summit”。
　　秒殺經(jīng)典計算機業(yè)界翹楚，這一成就被視為量子計算的重大里程碑事件，“對世界領(lǐng)先的超級計算機實現(xiàn)量子霸權(quán)，無疑是一項了不起的成就”。
　　但也要看到，從實用的量子計算系統(tǒng)再到通用可編程的量子計算機，其路漫漫。在量子計算機投入實際應(yīng)用前，還需開展更多工作，譬如，實現(xiàn)可持續(xù)的容錯運算。
　　9、“基因魔剪”升級，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”材料讓存儲無處不在
　　人們隨口就說“數(shù)據(jù)暴漲”這個詞，但你我只是轉(zhuǎn)手去買塊新硬盤，但對技術(shù)人員來說，數(shù)據(jù)量的不斷增加、既有存儲架構(gòu)的不足，是恐懼之源。
　　傳統(tǒng)存儲方式難以為繼。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。有人研究過，DNA信息儲存密度為一千萬TB/立方厘米。在這種密度下，一個大約一米長的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)院報告了一種運用“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。這種新的存儲架構(gòu)，意味著DNA存儲的潛力又被進(jìn)一步拓展。
　　而今年稍早時間，美國微軟與華盛頓大學(xué)也聯(lián)合公布了全球首個全自動DNA數(shù)據(jù)存儲和檢索系統(tǒng)。這是人類首次采用全自動手段去進(jìn)行DNA存儲。全自動的合成和讀取，不但有助于推動規(guī)模化并降低成本，還將是DNA存儲技術(shù)從實驗室走向商業(yè)數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵步驟。
　　（原載于《科技日報》 2019-12-30 02版）