2021年已經(jīng)落幕，回首這一年，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革命到人工智能技術可預測蛋白質結構，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接口示意圖

此前， 權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、人工智能預測蛋白質結構、豬腎首次成功植入人體等十個不同領域的科研突破與創(chuàng)新成果入選。

基于此，五位相關領域學者，對相關技術的創(chuàng)新點進行了解讀，并分享了他們對此的認識與理解。

腦機接口會隨著臉書和Neuralink在AR和醫(yī)療領域的推動，實現(xiàn)技術發(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?！薄皵?shù)學和半導體芯片技術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?！泵绹テ澅ご髮W工學博士丁博以對科技發(fā)展的總結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的腦機接口技術的最新成果，徹底引爆了外界對于“腦機接口”技術的關注。

從本質上說， 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備。而關于這個問題的研究從20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· 費茲已經(jīng)證明了猴子可以利用腦電信號控制外部設備的可能性。

相對于理解腦機接口技術的原理， 工作于硅谷的丁博表示對這項技術的應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， 一是接觸式的Neuralink?！?/p>

“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P C端和智能手機。CTRL-Labs所使用的肌電圖神經(jīng)接口技術，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?！?/p>

2019年9月， CTRL-Labs公司被臉書收購，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，臉書改名為Meta，元宇宙概念被提出，VR頭顯和控制技術被推進，相信非接觸式腦機接入的技術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Neuralink專注于醫(yī)療健康領域，通過其強大的資金和市場號召力，盡早實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和落地應用?！?h3>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10年來最重大的物理‘發(fā)現(xiàn)，有可能改寫整個基礎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?！眰惗噩旣惻醮髮W凝聚態(tài)物理博士苗晶良對這一發(fā)現(xiàn)十分重視。

繆子反常磁矩儲存環(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， 都帶有一個單位負電荷， 自旋1/2，質量卻約是電子的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，質子加速器也可以制造大量的繆子以用于實驗?？娮觛因子是反映了塞曼效應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特征— — 波函數(shù)決定。而量子漲落會影響到實驗測量結果。”

費米實驗室公布的繆子g因子數(shù)值的最新結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。

可自我繁殖的活體機器人X e n o b o t s 3 . 0

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。

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，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計形態(tài)， 將Xenobots母體確定為“C形”，最終外觀酷似20世紀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的能力。

當談到研究出的這種活體機器人的應用前景時，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。

這可以堪稱是一項里程碑式的技術突破，但它突破了人工智能+生物科學的邊界，有很多絡繹科學的用戶表達了其是否符合科學技術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域

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

“CRISPR基因編輯技術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繁瑣、昂貴及無法工程化應用的問題，帶來了技術革命?！?p>

基因編輯概念圖

CRISPR技術的應用范圍很廣，不僅可用于表達調控和基因功能的研究、作物育種、動物模型的構建、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遞送兩種類型。體外主要應用在免疫細胞治療和造血干細胞治療領域。體內則包括了2021年突破性的治療轉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?！迸碜骱膊┦恐v到。

體內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”。

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。”

如何解決這些問題，將是科學家們接下來要挑戰(zhàn)的問題。

以人工智能輔助計算可以快速實現(xiàn)蛋白質結構預測，有望改善數(shù)百萬患者的生活質量

AlphaFold準確預測人類蛋白質組結構的熱度還未消散，人工智能技術可預測蛋白質結構的好消息就紛至沓來。

2021年12月，美國華盛頓大學戴維·貝克團隊經(jīng)過不懈努力，實現(xiàn)了通過深度網(wǎng)絡幻想從頭設計蛋白質，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設計大師，戴維·貝克近幾年一直被認為是諾貝爾獎熱門人選。

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)百萬患者的生活質量。”

蛋白質結構模型圖

每一種天然蛋白質都有自己特有的空間結構或稱三維結構，蛋白質自發(fā)地折疊成復雜的三維形狀，這幾乎是每個生物過程的關鍵。例如，構成我們免疫系統(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的作用機制，常常需要測定蛋白質的三維結構。預測蛋白質形狀的能力對科學家是有用的，因為理解其在體內的作用對診斷和治療被認為是由蛋白質的錯誤折疊引起的疾病是至關重要的，如阿爾茨海默氏癥、帕金森氏癥、亨廷頓氏癥和囊性纖維化?！被萑私軓娬{了蛋白質三維結構測定的原因，并且表示“利用人工智能來預測蛋白結構，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能夠設計出新的、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設計，并打開了直接研究蛋白質功能部分的可能性?！?/p>

在幾位博士各自分享他們對2021年創(chuàng)新技術的理解與認識后，他們還展望了未來的創(chuàng)新技術，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！