先進材料

“水-醚”電解質基水系鋰離子電池的穩(wěn)定電化學界面研究

北京理工大學材料學院陳人杰教授課題組在新型水系鋰離子電池電解質方面取得新的研究進展。相關成果發(fā)表于A d v a n c e d Materials。傳統(tǒng)商業(yè)鋰電池大多數采用的是有機液體電解質，其在使用過程中存在著泄漏、揮發(fā)、氧化分解及熱失控等問題。論文提出了一種新型的“ether-in-water”electrolyte（EIWE）水系混合電解質，將電化學穩(wěn)定窗口擴大到4．2V，并進一步采用紅外/拉曼光譜對形成的新的溶劑化結構中組分間的相互作用進行了分析，并結合DFT和AIMD模擬，對成膜機理進行了深入研究。這種獨特的電解質結構為在水系電池中建立穩(wěn)定的界面提供了新的設計思路。

SEI膜的形成機理（圖片來源于北京理工大學材料學院網站）

E I W E基水系鋰離子電池的結構（圖片來源于北京理工大學材料學院網站）

鎂合金室溫成形性調控研究

重慶科技學院楊青山副教授、西南大學宋波副教授和重慶大學蔣斌教授等人合作，利用孿生變形實現鎂合金板材織構的改變，進而提升鎂合金板材的室溫成形性能。相關論文發(fā)表于Journal of Magnesium and Alloys。論文闡述了{10-12}孿生是一種重要的變形機制，可在低應變下大量地引入（＜8%），可誘發(fā)晶格發(fā)生～86．3°的旋轉并形成孿晶織構，有效提高鎂合金室溫成形性。對于具有基面織構的鎂合金板材而言，沿厚度方向的小應變壓縮可在基體中引入大量的拉伸孿晶。孿晶的c軸聚集在壓縮軸的方向。這種孿生織構可以極大地提升鎂合金板材的厚度變形能力，進而提升板材的室溫成形性能。

仿生礦化材料研究進展

柔性相變儲能材料

中國科學院大連化學物理研究所史全研究團隊與吳忠?guī)浹芯繄F隊合作，開發(fā)了一種柔性相變儲能材料膜，并將其與柔性石墨烯膜相結合應用于可穿戴熱管理器件。相關論文發(fā)表于Energy Storage Materials。該相變材料膜具備表觀的固—固相變特性，相變焓和相變溫度在一定范圍內可調，冷熱循環(huán)1000次后仍然表現出穩(wěn)定的相變性能。此外，該相變材料膜表現出優(yōu)異的本征柔韌性，可折疊或裁剪成任何形狀，可制備大尺寸膜，為大規(guī)模制備柔性相變材料膜提供了可能。該相變材料膜與吳忠?guī)泩F隊開發(fā)的柔性石墨烯膜集成得到柔性熱管理器件，可在不同溫度、光照及電加熱情況下表現出優(yōu)異的溫度控制、光熱轉化及電熱轉化性能。

非角度依賴光子材料研究進展

天津大學材料學院宋東坡教授與劍橋大學同行合作，基于兩親性刷形嵌段共聚物發(fā)展了一種易于規(guī)?；膯尾街苽洳呗?，合成具有短程有序且各向同性結構的多孔微球。相關成果發(fā)表于Advanced Materials。他們利用剪切力控制光學結構生長的有效方法，制備了具有結構色的多孔微球（光子顏料）。該光子顏料無需折射率匹配或者寬譜吸收劑就可以顯著削弱虹彩現象（從而拓寬可視角度）并提高色彩純度，其中的刷形嵌段共聚物P（PSNB）-b-P（PEO-NB）作為“表面活性劑”被溶于甲苯中，并在水中進行乳化，形成的微球的結構色現象來源于微球內部短程有序結構的相干散射，因此能夠在微球的整個橫截面觀察到反射顏色。

刷形嵌段共聚物的結構表征（圖片來源于天津大學材料科學與工程學院網站）

刷形嵌段共聚物的結構色性能表征（圖片來源于天津大學材料科學與工程學院網站）

多晶材料內耗峰值的尺寸效應研究

中國科學院力學研究所段闖闖等人從微觀變形機理出發(fā)，就晶界中的粘彈性蠕變與擴散耦合，發(fā)展了用于描述晶界中粘彈塑性變形的數值方法來研究多晶體中晶界弛豫引起的內耗。相關論文發(fā)表于Acta Materialia。通過建立三維多晶模型，計算了其損耗模量頻率譜，發(fā)現除了晶界切向應力的弛豫會導致?lián)p耗譜上產生耗散峰（“葛式峰”）外，晶界法向應力的弛豫也會引起耗散峰的出現。這一雙峰弛豫臨界頻率與晶粒尺寸d具有不同的冪律關系，其中低頻峰臨界頻率正比于d-3，高頻峰臨界頻率正比于d-1，同時研究了兩個耗散峰存在的條件，發(fā)現高頻的“葛式峰”由晶界的粘滯性滑移引起，低頻峰由晶界的法向弛豫導致。

污水處理新材料

浙江農林大學教授陳亮團隊通過實驗和理論結合，利用改進電子束輻照還原方法，實現了在氧化石墨烯中對環(huán)氧基團的精確去除，同時保留了大量羥基。相關論文發(fā)表于Carbon。通過改進電子束輻照的實驗方法，形成以氫自由基為主的輻照環(huán)境，成功實現了環(huán)氧基團的選擇性還原。制備得到的還原氧化石墨烯，在含氧量顯著下降的同時具有極好的親水性。制備的石墨烯膜在截留有機污染物和重金屬廢液時，展示出超高滲透性能和截留穩(wěn)定性能。在對污水中甲基藍、副品紅、羅丹明B等常見的有機染料和鐵離子、鉛離子、銅離子等過渡金屬離子進行有效截留的同時，還保持了超高水通量。

用于靶向治療小鼠炎癥性腸病口服納米酶

南京大學現代工程與應用科學學院魏輝教授等人與合作者研制備了一種具備活性氧（ROS）有效清除活性、消化道高穩(wěn)定性和結腸炎癥部位靶向能力的口服氧化鈰（CeO2）納米酶與天然負電性的蒙脫土（MMT）納米酶藥物CeO2@MMT。相關論文發(fā)表于Advanced Functional Materials。炎癥性腸病（IBD）是一種難以治愈的慢性疾病。常見的臨床療法是利用小分子藥物、抗生素或抗體進行治療，但由于治療缺乏特異性，長期使用可能造成免疫反應、抗生素耐藥性、多并發(fā)癥等問題。這種新型的納米酶藥物設計方法彌補了CeO2和MMT各自的缺陷，將兩者的性能優(yōu)勢最大化結合，產物呈現出了顯著的小鼠結腸炎模型改善能力。

植物科學

榕樹氣生根發(fā)育、性別決定和榕-蜂協(xié)同多樣化的分子機制

中國科學院西雙版納熱帶植物園陳進課題組與福建農林大學明瑞光課題組等研究團隊合作，發(fā)布了榕樹和榕小蜂精細基因組圖譜，并在分子機制上揭示了榕樹氣生根發(fā)育、性別決定和榕樹-榕小蜂協(xié)同多樣化等多項研究進展。相關成果發(fā)表于Cell。榕屬植物是熱帶雨林的關鍵類群，具有極高的物種多樣性、生活型多樣性。榕屬植物和與傳粉榕小蜂有高度的專性共生關系。該項研究揭示了絞殺榕氣生根形成的分子機制，發(fā)現對葉榕的性染色體和性別決定基因并確定榕樹性別系統(tǒng)進化方向，揭示榕樹－榕小蜂協(xié)同進化的基因組學證據，構建了2種榕樹和1種榕小蜂的高質量基因組精細圖譜。

西雙版納植物園內高山榕氣生根形成的“獨樹成林”景觀（圖片來源于中國科學院西雙版納熱帶植物園網站）

小葉榕（F. microcarpa）和對葉榕（F.hispida）的基因組特征。（A）染色體核型；（B）S D s；（C）基因密度；（D）LTR TEs;（E）DNA TEs;（F）R N A測序的基因表達；（G）兩基因組的共線性（圖片來源于中國科學院西雙版納熱帶植物園網站）

大豆茸毛密度的遺傳網絡調控研究進展

中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所田志喜研究組挖掘到調控大豆茸毛密度的3個關鍵基因：多毛控制基因Pd1、少毛控制基因Ps和無毛控制基因P1。相關論文發(fā)表于Molecular Plant。大豆馴化起源于中國，隨后廣泛傳播于世界各地，是世界性的重要糧食經濟作物。Pd1、Ps與P1三者之間存在相互調控關系：Pd1通過結合啟動子促進P1和Ps的表達并且抑制Pd1自身的表達。同時，Pd1與Ps也存在分子互作，它們形成蛋白復合體共同調控下游相關基因的表達。并且Ps能夠抑制Pd1的轉錄活性從而使大豆茸毛密度維持在一個平衡的狀態(tài)。此外，赤霉素（GA）和細胞分裂素（CK）信號通路能夠上調轉錄因子編碼基因Pd1的表達。

湖泊沉水植被對沉積物氮循環(huán)細菌群落的影響

中國科學院武漢植物園邢偉研究員等人針對洪湖西南、東北湖區(qū)不同沉水植被情勢，調查沉積物氮循環(huán)細菌如硝化、反硝化、厭氧氨氧化（anammox）和硝酸鹽異化還原成銨（DNRA）細菌群落組成、多樣性和豐度對不同沉水植被物種豐富度和生物量的響應結果，以及相關環(huán)境因子如水質和沉積物性質的響應趨勢。相關論文發(fā)表于Science of the Total Environment。研究沉水植被對沉積物氮細菌群落的影響結果及作用途徑，對揭示植物-微生物相互關系具有重要的指導意義，能夠為湖泊生態(tài)系統(tǒng)管理與保護提供重要的理論依據?？傮w來說，淺水湖泊中沉水植被生長越好，沉積物脫氮效率就越高。

藝術技巧是表現，文化底蘊則是作品的靈魂，綜觀中華藝術之長河，大浪淘沙留有美名的藝術家大都是大文豪，如蘇東坡、文征明等等。

植物新種互葉蕕

中國科學院華南植物園陳又生、昆明植物研究所向春雷等人合作，發(fā)現植物新種互葉蕕，為我國唇形科植物添獨特新成員。相關論文發(fā)表于Phytotaxa?；ト~蕕是我國唇形科第二種具有互生葉的種類，非常獨特，目前僅在我國廣東潮州發(fā)現有分布?；ト~蕕不僅形態(tài)獨特，其生長環(huán)境和花期也很特殊?；ト~蕕生長在土壤貧瘠的河岸巖石坡，雨季很可能被河水淹沒，開花時間為比較干燥的冬季。冬季時節(jié)的植物科學考察相對比較少，導致這個物種長期沒有被人發(fā)現。該種目前僅發(fā)現2個種群，成熟個體數少于250株。依據國際自然保護聯(lián)盟（IUCN）的評估等級和標準，可以列入瀕危（EN）的等級，屬于比較典型的極小種群植物。

溫帶竹類輻射演化和網狀進化歷史

中國科學院昆明植物研究所李德銖和郭振華研究團隊揭示了青籬竹族復雜的演化歷史。相關成果發(fā)表于Systematic Biology。作為竹亞科三個族之一的青籬竹族，即溫帶竹類，是一個自然的單系分支。論文通過計算機模擬的方法評估了使用ddRAD-seq數據探討多倍化和快速輻射類群系統(tǒng)發(fā)育的可行性，優(yōu)化了數據組裝的聚類閾值和直系同源序列鑒定的分析流程。并選取了32屬200種213個個體構建了溫帶竹類的系統(tǒng)發(fā)育框架。分子鐘時間估算和多樣化分析結果顯示溫帶竹類的干群發(fā)生于晚始新世至早漸新世，冠群于早中新世（18．73或20．96百萬年前）開始分化，內部各主要支系在3．45百萬年內快速分化完成。

基于ddRAD數據構建的溫帶竹類系統(tǒng)發(fā)育樹，分支顏色表示地下莖的性狀轉變推導結果（圖片來源于中國科學院昆明植物研究所網站）

三種不同ddRAD數據組裝策略獲得的溫帶竹類5大分支系統(tǒng)發(fā)育關系圖（圖片來源于中國科學院昆明植物研究所網站）

抑制植物免疫新機制

中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心上海植物逆境生物學研究中心Alberto Macho研究組發(fā)現了青枯菌致病新機制，探索了通過遺傳改良作物抗病反應的潛力。相關論文發(fā)表于PLoS Pathogens。青枯菌效應子蛋白RipAC不但能與植物ETI免疫反應的重要調控蛋白SGT1相互作用，而且SGT1被MAPK3/6激酶磷酸化后，能促進NLR介導的ETI免疫反應增強，并可持續(xù)激活MAPK3/6，使其形成一個持續(xù)且強勁的免疫信號轉導回路，保障ETI免疫反應。而RipAC抑制MAPK3/6與SGT1互作，最終使植物發(fā)病。SGT1具有通過遺傳改良作物抗病反應的潛力。

氮富集影響溫帶草原物種多樣性

中國科學院植物研究所張文浩研究組解析了典型草原不同物種和功能群對氮富集的響應。相關論文發(fā)表于Journal of Ecology。研究大氣氮沉降對草地生態(tài)系統(tǒng)的影響及作用機理，對于揭示和預測全球變化背景下草地生態(tài)系統(tǒng)的響應特征及草地生態(tài)系統(tǒng)的科學管理和可持續(xù)利用具有重要意義。與禾草相比，雜類草根系在氮富集條件下具有較強的酸化能力、較強的磷酸酶和有機酸分泌能力，導致雜類草具有較高的磷獲取潛力，進而導致葉片的總氮磷比對氮富集的響應顯著低于禾草葉片的總氮磷比。此發(fā)現對傳統(tǒng)的“養(yǎng)分限制”假說和“化學計量”學術假說提出了挑戰(zhàn)，為揭示草原不同功能群植物對氮富集的響應提供了新思路。

無標記質譜采集模式技術研究進展

南京林業(yè)大學生物與環(huán)境學院朱福遠教授團隊將SWATH-MS應用到植物科學研究，在植物功能蛋白質組學領域取得重要進展。相關成果發(fā)表于Trends in Plant Science。論文詳細闡述了SWATH-MS的基本原理與實驗流程，并提出了若干提高該技術在植物領域應用效率的具體辦法，將該技術拓寬到多維度熱點應用場景中，如高通量篩選植物互作蛋白與修飾蛋白、可變剪接轉錄本的蛋白層面鑒定、無參考基因組植物的蛋白組分析、植物蛋白修飾組學、植物樣品大隊列分析等。文章進一步展望了該技術的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)，對于推動該項技術在組學領域科研服務市場的普及與推廣，具有廣闊的市場應用前景。

神經科學與人工智能

結構化神經信息解碼技術重建自然及人臉圖像

中國科學院自動化研究所類腦智能研究中心神經計算與腦機交互團隊何暉光等人提出一種結構化神經解碼模型，實現了根據腦活動模式進行自然圖像、人臉等復雜視覺刺激的高質量重建。相關成果發(fā)表于IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems。論文通過多任務特征解碼的方式揭示了多個典型計算機視覺模型（如VGG、ResNet）與人腦腹側視覺通路在層次化特征表達方面的聯(lián)系。通過高效結構化地利用這種層次化特征與人腦視覺皮層信號表達之間的關系，根據采集到的少量人腦fMRI數據清晰重建出被試所感知到的復雜自然圖像和人臉刺激內容。

論文提出的多任務結構化視覺神經信息編解碼框架，包含Voxel2Unit和Unit2Pixel兩個階段（圖片來源于中國科學院自動化研究所網站）

深度學習解決功能磁共振缺損信號修復難題

鄭州大學人民醫(yī)院王梅云團隊與清華大學醫(yī)學院洪波團隊、航天航空學院李路明團隊、哈佛大學醫(yī)學院Martinos影像中心劉河生團隊合作，采用深度學習方法重建個體大腦缺損的血氧水平依賴信號。相關論文發(fā)表于Nature Communications。新方法不僅可以修補大腦皮層網絡的連接圖譜，還可以實現信號缺損腦區(qū)功能磁共振激活時間序列的單幀重建，實現了對大腦激活磁共振信號在時間和空間上的完整重建。該方法在信號序列波動一致性、功能網絡連接圖譜相似性、個體大腦功能網絡特異性等方面，都達到了良好的性能指標。植入磁共振兼容腦起搏器的帕金森患者，腦功能圖像通過該方法實現了準確修復。

機器學習駕駛行為數據識別大五人格

中國科學院心理研究所行為科學重點實驗室朱廷劭研究組與寶馬中國合作，使用數據記錄儀采集了5種傳輸至控制器局域網絡的車載傳感器數據，利用駕駛行為數據結合機器學習，實現對大五人格特質的自動識別，具有更高的生態(tài)效度，而且侵入性更小。相關論文發(fā)表于Journal of Advanced Transportation。該研究通過訓練機器學習模型，并采用了10折交叉驗證。結果顯示，對于大五人格的五個維度，預測模型對各個維度的預測得分與自我報告得分之間的相關性可以達到中等到強相關水平（0．56～0．88）。論文提供了一種新的測量駕駛員人格特質的方法，結果表明駕駛模式可以很好地表征大五人格特質。

基于余數相機的高動態(tài)范圍成像技術

北京大學人工智能研究院施柏鑫研究團隊采用深度學習的方法對余數圖像進行恢復進而獲取高動態(tài)范圍圖像。相關論文發(fā)表于NeurIPS 2020。該方法將恢復算法設計為一個雙模塊的神經網絡，把余數圖像到高動態(tài)范圍圖像的恢復過程當作一個迭代的二元標記問題來處理。其中，恢復算法將所預測的二元標記模板的值是否為零作為依據，來判斷是否輸出具有高動態(tài)范圍的恢復結果。研究發(fā)現，余數圖像的特殊邊緣能為迭代恢復過程提供更詳細的語義信息，可以更好地緩解非余數區(qū)域的誤解情況，呈現對比度和色彩表現更佳的恢復結果。該方法有望為單幀八比特高動態(tài)范圍成像提供原理和性能上達到全新高度的解決方案。

新發(fā)帕金森中序列工作記憶損傷的神經基礎

中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心（神經科學研究所）、中國科學院靈長類神經生物學重點實驗室葉錚研究組與北京大學第三醫(yī)院張英爽團隊和北京大學心理與認知科學學院周曉林研究組合作，完成丘腦底核在新發(fā)帕金森病序列工作記憶中的作用研究。相關成果發(fā)表于Movement Disorders。該研究利用功能磁共振成像、認知心理檢測和神經心理評估等技術，揭示了丘腦底核在序列工作記憶中的調節(jié)作用，以及丘腦底核的異常激活與帕金森病序列工作記憶損傷的關系，提示下調丘腦底核的激活和上調丘腦底核與紋狀體之間的功能連接可能是改善帕金森病患者序列工作記憶的潛在策略。

（A）數字序背任務。（B）新發(fā)帕金森病中丘腦底核的過度激活。（C）新發(fā)帕金森病中丘腦底核與紋狀體等的功能連接減弱。（D）新發(fā)帕金森病中丘腦底核的調節(jié)作用減弱（圖片來源于中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心（神經科學研究所）網站）

模式分析與人工智能領域研究進展

南京大學工程管理學院李華雄、陳春林、周獻中等和山西大學計算機與信息技術學院錢宇華合作開展模式分析與人工智能相關研究。相關論文發(fā)表于IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence。機器學習與數據挖掘是人工智能研究的核心領域之一。該研究從噪聲信息的低秩與稀疏結構精準刻畫角度開展研究，通過引入非凸函數建立混合范數以提升傳統(tǒng)L1與核范數度量性能，更為精準地描述噪聲信息的低秩與稀疏結構。同時結合距離先驗信息，構建具有判別性的監(jiān)督回歸系數正則項，采用交替方向乘子法（ADMM）設計優(yōu)化模型的快速求解算法。該方法在魯棒人臉識別等任務中，獲得了同等實驗條件下多種經典方法對比的最優(yōu)性能。

人工智能及互聯(lián)網醫(yī)院在疫情防控中的落地應用研究

中山眼科中心林浩添教授和林曉峰教授團隊通過對2020年2月1日到3月13日的逾三萬線上問診和近兩萬線下問診進行大數據分析，并與2019年同期比較，發(fā)現線上醫(yī)院在慢病管理、術后復診、在線開設處方、緩解患者不適導致的焦慮情緒等場景，有較大的應用價值。相關論文發(fā)表于Ophthalmology。分析發(fā)現，不同年齡層有明顯的需求區(qū)別：青年線上問診主要以眼部不適癥狀咨詢?yōu)橹鳎?8～34歲，60．4%），中老年人則以續(xù)簽處方藥為主（＞55歲，63．5%）。線上咨詢病種分析發(fā)現，2020年線上問診量以眼表疾病居首，區(qū)別于2020年的線下問診（視網膜病變）和2019年的線下問診（屈光異常）。

揭示知覺訓練干預計算障礙及其認知機制

北京師范大學認知神經科學與學習國家重點實驗室周新林教授研究團隊開展了關于發(fā)展性計算障礙的知覺訓練干預的研究。相關成果發(fā)表于Developmental Science。當兒童經常觀察物體的不同數量時，雖然這個過程看起來沒有任何數字的參與，但其實對于數字計算是非常有益的。適當地讓孩子參與一些數量估計相關的益智游戲或訓練（如小豬收蘋果游戲）可能是一項有效的訓練方案，有助于培養(yǎng)兒童的數學能力。研究結果提示，形狀知覺能力在數學學習中起著重要的調節(jié)作用，在DD兒童的數學教育教學中，需要更加重視學生基本認知能力的發(fā)展，重視符號視覺形狀加工的作用，提高DD兒童對數學符號的形狀表征與加工能力。