科學(xué)家呼吁全球攜手創(chuàng)建AI

虛擬細(xì)胞

科技日報(bào)2024年12月16日報(bào)道，美國斯坦福大學(xué)、基因泰克制藥公司和陳-扎克伯格基金會的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在發(fā)表于最新一期《細(xì)胞》雜志的論文中指出，鑒于人工智能（AI）的最新進(jìn)展以及關(guān)于人類生物學(xué)的大規(guī)模實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已達(dá)到關(guān)鍵量級，科學(xué)界迎來了一個“前所未有的機(jī)遇”，可以利用AI來創(chuàng)建虛擬人類細(xì)胞。這種細(xì)胞將能夠代表和模擬人類生物分子、細(xì)胞乃至最終組織和器官的精確行為。

這種合成細(xì)胞模型將使人們更深入地理解健康人類細(xì)胞工作中化學(xué)、電學(xué)、力學(xué)，以及其他力量和過程的復(fù)雜相互作用，并揭示導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙或死亡的疾病的根本原因。

論文稱，也許更令人期待的是，AI虛擬細(xì)胞還將使科學(xué)家能夠在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而無需在活體細(xì)胞和生物體上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這種能力將拓展人類對人體生物學(xué)的認(rèn)知，加速新藥研發(fā)和新療法出現(xiàn)。

借助AI虛擬細(xì)胞，癌癥生物學(xué)家可以模擬某些突變?nèi)绾螌⒔】导?xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)閻盒约?xì)胞，微生物學(xué)家能夠預(yù)測病毒對感染細(xì)胞乃至宿主身體的影響，醫(yī)生能在患者的“數(shù)字孿生體”上測試治療方法，從而加速實(shí)現(xiàn)人們期待已久的更快速、更經(jīng)濟(jì)、更安全的個性化醫(yī)療目標(biāo)。

然而，論文表示，要想獲得成功，AI虛擬細(xì)胞需要實(shí)現(xiàn)3個目標(biāo)：首先，它必須使研究人員能夠創(chuàng)建跨物種和細(xì)胞類型的通用表征；其次，它必須準(zhǔn)確預(yù)測細(xì)胞功能、行為和動態(tài)，并理解細(xì)胞機(jī)制；最后，AI虛擬細(xì)胞還要能在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)假設(shè)并指導(dǎo)數(shù)據(jù)收集，從而以遠(yuǎn)低于當(dāng)前的成本和速度擴(kuò)展虛擬細(xì)胞的能力。

論文認(rèn)為，AI在科學(xué)界開創(chuàng)了一個擁有可預(yù)測、可生成、可查詢工具的時代。但實(shí)現(xiàn)AI虛擬細(xì)胞絕非易事，需要遺傳學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域的全球開放科學(xué)合作。

該論文提議，全球?qū)W術(shù)界、工業(yè)界和非營利組織等全球利益相關(guān)方之間密切合作，共同創(chuàng)建世界首個AI虛擬細(xì)胞。但論文也警告稱，進(jìn)行任何有關(guān)AI虛擬細(xì)胞的工作都有一個前提，即所得模型將不受限制地向整個科學(xué)界開放。

（2024年12月 16日 張佳欣 科技日報(bào)）

量子自旋液體新證據(jù)發(fā)現(xiàn)

科技日報(bào)2024年12月16日報(bào)道，一個由瑞士、美國、法國等多國科學(xué)家組成的國際團(tuán)隊(duì)宣布，他們在錫酸鈰材料發(fā)現(xiàn)了量子自旋液體的新證據(jù)。這一發(fā)現(xiàn)有望促進(jìn)基礎(chǔ)物理學(xué)和量子計(jì)算領(lǐng)域取得新突破。相關(guān)論文12月12日發(fā)表于《自然·物理學(xué)》雜志。

量子力學(xué)理論認(rèn)為，電子擁有“自旋”的性質(zhì)，這意味著其行為類似微小的條形磁鐵。當(dāng)電子相互作用時，它們的“自旋”會對齊或反對齊（沿相反方向?qū)R）。但在某些材料（如錫酸鈰）內(nèi)，這種對齊/反對齊可能被破壞。這種現(xiàn)象被稱為磁阻挫，可能產(chǎn)生量子自旋液體等有趣的量子現(xiàn)象。不過，盡管名字中帶有“液體”二字，這種現(xiàn)象可在包括固體在內(nèi)的多種物質(zhì)狀態(tài)中表現(xiàn)出來。

早在1973年，諾貝爾物理學(xué)獎得主菲利普·沃倫·安德森就提出了量子自旋液體的概念。這種特殊物質(zhì)狀態(tài)的主要特征是：即使冷卻到絕對零度（-273 ℃），其內(nèi)部電子的自旋仍保持無序狀態(tài)。因?yàn)殡S著材料冷卻，自旋方向會持續(xù)波動。

研究團(tuán)隊(duì)表示，量子自旋液體對于模擬宇宙中光和粒子之間的相互作用具有重要意義，但證明其存在極具挑戰(zhàn)性。在最新研究中，他們利用中子散射等先進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段以及理論模型，首次觀察到了這種物質(zhì)狀態(tài)。

團(tuán)隊(duì)表示，中子散射是分析磁體自旋行為的有力工具。他們在法國格勒諾布爾勞厄-朗之萬研究所的一臺專業(yè)光譜儀上進(jìn)行了中子散射實(shí)驗(yàn)，獲得了分辨率極高的數(shù)據(jù)，并通過理論分析，發(fā)現(xiàn)了量子自旋液體存在的證據(jù)。

這一最新成果將幫助人們在由材料內(nèi)電子自旋構(gòu)成的“宇宙”中，尋找其他類似磁單極子的粒子。磁單極子只有一個磁極，就像電子只攜帶一個負(fù)電荷一樣。這些發(fā)現(xiàn)將加深人類對宇宙以及物質(zhì)在最小尺度上如何運(yùn)作的理解。

（2024年12月16日 劉霞 科技日報(bào)）

電子堆疊新技術(shù)

造出多層芯片

科技日報(bào)2024年12月18日報(bào)道，美國麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)在最新一期《自然》雜志上介紹了一種創(chuàng)新的電子堆疊技術(shù)。該技術(shù)能顯著增加芯片上的晶體管數(shù)量，從而推動人工智能（AI）硬件發(fā)展更加高效。通過這種新方法，團(tuán)隊(duì)成功制造出了多層芯片，其中高質(zhì)量半導(dǎo)體材料層交替生長，直接疊加在一起。

隨著計(jì)算機(jī)芯片表面容納晶體管數(shù)量接近物理極限，業(yè)界正在探索垂直擴(kuò)展——即通過堆疊晶體管和半導(dǎo)體元件到多個層次上來增加其數(shù)量，而非繼續(xù)縮小單個晶體管尺寸。這一策略被形象地比喻為“從建造平房轉(zhuǎn)向構(gòu)建高樓大廈”，旨在處理更多數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)有電子產(chǎn)品更加復(fù)雜的功能。

然而，在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的過程中遇到一個關(guān)鍵障礙：傳統(tǒng)上，將硅片作為半導(dǎo)體元件生長的主要支撐平臺，體積龐大且每層都需要包含厚厚的硅“地板”，這不僅限制了設(shè)計(jì)靈活性，還降低了不同功能層之間的通信效率。

為了解決這個問題，工程師們開發(fā)了一種新的多層芯片設(shè)計(jì)方案，摒棄了對硅基板的依賴，并確保操作溫度保持在較低水平以保護(hù)底層電路。這種方法允許高性能晶體管、內(nèi)存以及邏輯元件可以在任何隨機(jī)晶體表面上構(gòu)建，而不再局限于傳統(tǒng)的硅基底。沒有了厚重的硅“地板”，各半導(dǎo)體層之間可以更直接地接觸，進(jìn)而改善層間通信質(zhì)量與速度，提升計(jì)算性能。

這項(xiàng)技術(shù)有望用于制造筆記本電腦、可穿戴設(shè)備中的AI硬件，其速度和功能性將媲美當(dāng)前的超級計(jì)算機(jī)，并具備與實(shí)體數(shù)據(jù)中心相匹配的數(shù)據(jù)存儲能力。這項(xiàng)突破為半導(dǎo)體行業(yè)帶來了巨大潛力，使芯片能夠超越傳統(tǒng)限制進(jìn)行堆疊，極大提升了人工智能、邏輯運(yùn)算及內(nèi)存應(yīng)用的計(jì)算能力。

這項(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn)，稱得上是半導(dǎo)體行業(yè)的一個重要里程碑。其不僅突破了現(xiàn)有材料和技術(shù)的限制，還預(yù)示著未來AI硬件可能實(shí)現(xiàn)的巨大飛躍——你手中的筆記本電腦速度和功能甚至可與當(dāng)今超算相匹敵。這不僅是對消費(fèi)電子產(chǎn)品的升級，更是對整個信息處理范式的革新，有望開啟一個計(jì)算資源更加普及且效能更高的時代。

（2024年12月18日 張夢然 科技日報(bào)）

培育人類脊索組織的干細(xì)胞模型成功開發(fā)

科技日報(bào)2024年12月18日報(bào)道，英國弗朗西斯·克里克研究所科學(xué)家開發(fā)了一種能培育出人類脊索的干細(xì)胞模型，這是人類首次在干細(xì)胞模型中培育出脊索組織。在胚胎發(fā)育過程中，脊索就像是一個GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，引導(dǎo)細(xì)胞構(gòu)建脊柱和神經(jīng)系統(tǒng)。這一成果標(biāo)志著科學(xué)家在研究人體早期發(fā)育形態(tài)方面邁出了重要一步，相關(guān)論文18日發(fā)表在《自然》雜志上。

脊索是一種棒狀組織，是所有脊椎動物的標(biāo)志性特征。是發(fā)育中支撐軀干的關(guān)鍵部分，有助于確定身體的主軸。它就像發(fā)育中胚胎的GPS系統(tǒng)，指導(dǎo)脊柱和神經(jīng)系統(tǒng)的形成。但由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在實(shí)驗(yàn)室中生成這種重要組織一直是個難題。

此次，研究人員首先通過雞胚胎了解了脊索如何自然形成。通過將其與現(xiàn)有小鼠和猴子胚胎信息進(jìn)行比較，他們終于確定了形成脊索組織所需的分子信號的時機(jī)和順序。

以前實(shí)驗(yàn)室培育脊索失敗的原因之一是不清楚何時添加所需的成分?，F(xiàn)在，團(tuán)隊(duì)找到了正確“配方”，生成了一系列精確的化學(xué)信號序列，并借此誘導(dǎo)人類干細(xì)胞形成脊索。

干細(xì)胞形成了一個微型的“軀干狀”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可發(fā)出化學(xué)信號，可自發(fā)延長至1～2毫米。它包含正在發(fā)育的神經(jīng)組織和骨干細(xì)胞，其排列方式與人類胚胎的發(fā)育方式相似。這表明脊索正在促使細(xì)胞在正確的時間、正確的位置發(fā)育成正確的組織類型。

研究人員表示，這項(xiàng)成果有助于深入探索影響脊柱和脊髓的先天性缺陷，還可能為研究影響椎間盤（由脊索發(fā)育而來的位于椎骨之間的減震墊）的疾病提供新見解。

（2024年12月18日 張佳欣 科技日報(bào)）

集群微型磁力機(jī)器人

可協(xié)同工作

科技日報(bào)2024年12月19日報(bào)道，韓國首爾漢陽大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種集群微型磁力機(jī)器人，這些小機(jī)器能夠像螞蟻一樣協(xié)同工作，完成一系列復(fù)雜任務(wù)，比如搬運(yùn)遠(yuǎn)大于自身的物體。這項(xiàng)研究發(fā)表在12月18日的《設(shè)備》期刊上，顯示了這些依靠旋轉(zhuǎn)磁場運(yùn)行的微型機(jī)器人集群，在面對單個機(jī)器人無法解決的挑戰(zhàn)性難題時，可以執(zhí)行一些復(fù)雜的任務(wù)，例如為動脈阻塞提供微創(chuàng)治療、精準(zhǔn)引導(dǎo)生物等。

團(tuán)隊(duì)對不同組合方式的微型機(jī)器人集群進(jìn)行了測試，觀察它們在不同任務(wù)中的表現(xiàn)。結(jié)果顯示，高縱橫比配置的組合能爬上超過單個機(jī)器人5倍高度的障礙，并逐一跨越這些障礙。

當(dāng)1 000個這樣的微型機(jī)器人聚集在一起時，可以在水面形成一個筏子，并能夠包裹住一個比單個機(jī)器人重2 000倍的藥丸，使得整個群體可以在液體中運(yùn)輸藥物。而在陸地上，這些微型機(jī)器人群也展示了強(qiáng)大的能力，成功搬運(yùn)了重達(dá)單個機(jī)器人350倍的貨物，并疏通了類似堵塞血管的管道。此外，通過旋轉(zhuǎn)和軌道拖拽的方式，研究人員還創(chuàng)建了一個系統(tǒng)，允許機(jī)器人群控制小型生物的運(yùn)動路徑。

團(tuán)隊(duì)從螞蟻身上獲取靈感，學(xué)習(xí)它們?nèi)绾螀f(xié)作以填補(bǔ)道路上的空隙或在洪水來臨時組成木筏。這種合作機(jī)制提高了機(jī)器人面對失敗時的容錯率，即使部分成員未能完成任務(wù)，其余成員也會繼續(xù)按照編程行動，直到足夠多的成員達(dá)成目標(biāo)。

之前的集群機(jī)器人研究大多關(guān)注球形機(jī)器人，這些機(jī)器人通過點(diǎn)接觸聚集在一起。此次研究則采用立方體形狀的微型機(jī)器人，由于表面積更大，它們之間的磁場吸引力更強(qiáng)，每個面都可以與其它機(jī)器人接觸。每個微型機(jī)器人尺寸為600微米，由嵌入鐵磁性釹鐵硼顆粒的環(huán)氧樹脂構(gòu)成，使它們能夠響應(yīng)磁場并與其它機(jī)器人互動。通過旋轉(zhuǎn)兩個相連磁鐵產(chǎn)生的磁場驅(qū)動，這些機(jī)器人可以自我組裝。團(tuán)隊(duì)通過調(diào)整機(jī)器人的磁化角度，實(shí)現(xiàn)了不同的組合配置。

這是集群機(jī)器人技術(shù)的一個重要進(jìn)步。這些小機(jī)器人在未來應(yīng)用中組合模式之靈活多變，可能遠(yuǎn)超你的想象：它不僅代表了微型機(jī)器人群體在搬運(yùn)重物、穿越障礙以及疏通管道等任務(wù)上的強(qiáng)大能力，還預(yù)示著其在未來醫(yī)療領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用潛力，如動脈阻塞的微創(chuàng)治療、藥物靶向輸送等。這些機(jī)器人向人們展現(xiàn)了群體智能與微納米技術(shù)結(jié)合的巨大潛力。

（2024年12月19日" 張夢然" 科技日報(bào)）