2021 年已經(jīng)落幕,，回首這一年，疫情依舊籠罩著全世界,，而值得慶幸的是,，科技界有多項歷史性突破，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 AI 技術(shù)可預測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),，從首個可自我繁殖機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,。

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

基于此,，絡(luò)繹科學邀請了五位相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者,，對相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新點進行了解讀，并分享了他們對此的認識與理解,。

腦機接口會隨著 Facebook 和 Neuralink 在 AR 和醫(yī)療領(lǐng)域的推動,，實現(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：自身功能的擴展,、享受,、生老病死?！?“數(shù)學和半導體芯片技術(shù)推動了第三次和第四次科技革命,。第五次科技革命會發(fā)力在生命科學,，當硬件和算法這些工具都具備后，通過研究世界上進化得最完美,、最精密的人類大腦,，可以對智能科技、認知科技以及生物醫(yī)療產(chǎn)生深遠的影響,，以此拓展人類三方面的需求,。”美國匹茲堡大學工學博士丁博以對科技發(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 的腦機接口技術(shù)的最新成果，徹底引爆了外界對于“腦機接口”技術(shù)的關(guān)注,。

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

圖 | 解碼意念寫字的腦機接口示意圖（圖片來源：Nature）

相對于理解腦機接口技術(shù)的原理,，工作于硅谷的丁博表示對這項技術(shù)的應(yīng)用和趨勢有更濃厚的興趣,，“目前腦機接口的頭部企業(yè)分兩個賽道，一是非接觸式的 CTRL-Labs （成立于 2015 年）,，一是接觸式的 Neuralink （成立于 2016 年）,。”

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

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

丁博表示：“致力于實現(xiàn)人類更大夢想的埃隆·馬斯克也會將 Neuralink 專注于醫(yī)療健康領(lǐng)域,，通過其強大的資金和市場號召力，盡早實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和落地應(yīng)用,?！?/p>

繆子行為異常或揭示第五種作用力的存在

2021 年 4 月份,，上海交通大學繆子物理團隊參與的美國費米實驗室繆子反常磁矩實驗（ Muon g-2 ）首批結(jié)果公布,，實驗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。

“這可以說是近十年來最重大的物理'發(fā)現(xiàn)’,，有可能改寫整個基礎(chǔ)物理和人類對微觀世界的認知,，且可能預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)的強作用力和弱作用力）之外的第五種作用力,。”倫敦瑪麗女王大學凝聚態(tài)物理博士苗晶良對這一發(fā)現(xiàn)十分重視,。

圖 | 繆子反常磁矩儲存環(huán)的俯視圖,。（圖源：費米實驗室）

繆子是一種宇宙中存在的基本粒子，類似于電子,，都帶有一個單位負電荷,，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驗?？娮?g 因子是反映了塞曼效應(yīng)中磁矩與角動量之間的聯(lián)系的一個無量綱物理量。

苗晶良說：“根據(jù)普通量子力學,， g 因子的數(shù)值會非常接近于 2 ,，但實際測出來總有偏差。因為繆子有自發(fā)的量子漲落,，漲落的大小是由量子力學的本質(zhì)特征——波函數(shù)決定,。而量子漲落會影響到實驗測量結(jié)果?！?/p>

費米實驗室公布的繆子 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） ，而這次美國費米實驗室實驗后的平均觀測值是 2.00233184122（82） ,，可以看出兩個數(shù)值計入實驗誤差后兩個數(shù)值還是有不小的誤差,。在統(tǒng)計學上,，顯著程度是 4.2δ （隨機誤差的可能性為 1/40000 )，一般來說物理學要求的門檻是達到 5δ （隨機誤差的可能性小于 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,?！?/p>

這項實驗結(jié)果強烈暗示著在現(xiàn)有理論之外有新東西的存在。

當機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,。當賦予機器人制造自己的神經(jīng)系統(tǒng)和大腦的能力的時候,，它就可以獨立復制出自己的“下一代”。

西安電子科技大學博士馮振鵬在談到打破我們對機器人認知的可自我繁殖活體機器人時,，為我們梳理了其研究歷史和進程：

“在捷克作家卡雷爾的小說《羅薩姆萬能機器人公司》里,，不甘當奴隸的機器人鬧起了革命，消滅了人類,。但這個勝利帶來一個意想不到的后果：機器人不會自己制造后代,，因此面臨著滅絕的危險。在小說中,，作者給了個好萊塢式的方案：最后的兩個機器人戀愛了,，變成了新世界的亞當和夏娃。

但在 2000 年,，紐約康奈爾大學的利普森教授給出了更簡單的方案：賦予機器人自我復制和進化的能力,。為了實現(xiàn)這個方案，利普森教授對他的三棱錐形的塑膠機器人進行了進化演變實驗,。在計算機內(nèi)經(jīng)過數(shù)百代繁殖,，最后輸出的程序促使'快速原型復制機’制造了能夠變形和爬動的計算化的物種。

2008 年,，英國巴斯大學的阿德里安博士研制出 RepRap 計劃的首代產(chǎn)物--機器人'達爾文’,，它能成功地制造出一個自己的完整復制品。

2020 年,，美國佛蒙特大學和塔夫茨大學的研究團隊創(chuàng)造出一個新的人造物種-- Xenobots,。經(jīng)歷近兩年升級了兩次之后，該研究團隊發(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可自我繁殖的活體機器人—— Xenobots 3.0,。”

圖 | 可自我繁殖的活體機器人 Xenobots 3.0（圖源：塔夫茨大學）

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),，花費數(shù)月時間，測試了數(shù)十億種體型,，最終在超級計算機集群上為新生命形式找到了最佳設(shè)計形態(tài),，將 Xenobots 母體確定為' C 形 ’,，最終外觀酷似 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,?！?/p>

當談到研究出的這種活體機器人的應(yīng)用前景時，馮振鵬博士表示：“或許可以有助于醫(yī)學的全新突破——除了有望用于精準的藥物遞送之外,， Xenobots 的自我復制能力也使得再生醫(yī)學有了新的幫手,，這無疑為對抗創(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、更個性化的藥物治療,?！?/p>

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

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) Emmanuelle Charpentier 教授和Jennifer Doudna 教授斬獲了諾貝爾化學獎,。一年之后，首個人體內(nèi) CRISPR 基因編輯臨床試驗結(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,，具有導向性,，可以將要修改的任何 DNA 拷貝，并置入一個活細胞,?！北本┐髮W醫(yī)學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>

圖 | 基因編輯概念圖（圖源：Pixabay）

CRISPR 技術(shù)的應(yīng)用范圍很廣,，不僅可用于表達調(diào)控和基因功能的研究、作物育種,、動物模型的構(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)用在免疫細胞治療和造血干細胞治療領(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,，都取得不錯的進展,。”彭作翰博士講到,。

體內(nèi) CRISPR 基因編輯系統(tǒng)令人擔心的一點是基因編輯系統(tǒng)可能會對靶點序列以外的基因組序列進行編輯,，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胞的事件,?！?/p>

如何解決這些問題，將是科學家們接下來要挑戰(zhàn)的問題,。

以 AI 輔助計算可以快速實現(xiàn)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預測,，有望改善數(shù)百萬患者的生活質(zhì)量

AlphaFold 準確預測人類蛋白質(zhì)組結(jié)構(gòu)的熱度還未消散，AI 技術(shù)可預測蛋白質(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 David Baker 團隊經(jīng)過不懈努力,，實現(xiàn)了通過深度網(wǎng)絡(luò)幻想從頭設(shè)計蛋白質(zhì)，該項研究成果在線發(fā)表在《自然》雜志上,。作為大名鼎鼎的蛋白質(zhì)設(shè)計大師,，David Baker 近幾年一直被認為是諾獎熱門人選。

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

圖 | 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)模型圖（圖源：Pixabay）

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)地折疊成復雜的三維形狀,，這幾乎是每個生物過程的關(guān)鍵,。例如，構(gòu)成我們免疫系統(tǒng)的抗體蛋白是“Y 形”,，類似于獨特的鉤狀物,，通過鎖定病毒和細菌，抗體蛋白能夠檢測并標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)的作用機制,，常常需要測定蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。預測蛋白質(zhì)形狀的能力對科學家是有用的,，因為理解其在體內(nèi)的作用對診斷和治療被認為是由蛋白質(zhì)的錯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,。”惠人杰強調(diào)了蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)測定的原因,，并且表示“利用 AI 來預測蛋白結(jié)構(gòu),，可以在滿足精確度要求的情況下，大幅提高計算效率,，使得科學家在短時間內(nèi)能夠設(shè)計出新的,、更有效的治療疾病的方法?！?/p>

此外,，此項成果的研究者 David Baker 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，并打開了直接研究蛋白質(zhì)功能部分的可能性,?！?/p>

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

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