01 從生物演化到AI突破，E2VD模型革新病毒進化預(yù)測

近日，北京大學(xué)深圳研究生院信息工程學(xué)院田永鴻、陳杰團隊在AI"for"Science方面取得了新進展，團隊聯(lián)合廣州國家實驗室周鵬開展研究，他們通過定制化蛋白質(zhì)語言模型和創(chuàng)新性進化預(yù)測策略，實現(xiàn)了跨病毒類型的通用進化預(yù)測，極大展現(xiàn)了AI助力自然科學(xué)研究范式革新的潛力。

在自然界，物種多樣性與生物體內(nèi)承載功能的蛋白質(zhì)相互約束，這是因為蛋白質(zhì)作為功能的載體決定了生物的性狀，而這些性狀經(jīng)過選擇壓力篩選后形成了當下的物種多樣性分布結(jié)果。立足達爾文進化論及表觀遺傳學(xué)持續(xù)新研究的角度，生物演化與環(huán)境組成了復(fù)雜系統(tǒng)，是與環(huán)境的協(xié)同演化。

受此啟發(fā)，研究團隊基于進化論視角重新審視病毒進化預(yù)測難題，提出了解決病毒進化兩大本質(zhì)問題的跨病毒類型、跨毒株類型的通用進化預(yù)測模型E2VD，為疫苗、藥物的快速主動更新以及提高人類對于新發(fā)病毒感染的響應(yīng)速度提供了強大工具，支撐和加速對于物種復(fù)雜進化機制的探索。

02 引入超納后，超強韌合金誕生

近日，西安交通大學(xué)金屬材料強度國家重點實驗室、微納尺度材料行為研究中心吳戈、單智偉團隊和該校劉暢、劉思達，聯(lián)合香港城市大學(xué)先進結(jié)構(gòu)材料研究中心呂堅，在超強韌合金方面取得新突破。

2017年，吳戈教授與呂堅院士提出超納（Supra-nano）概念，意為結(jié)構(gòu)特征尺寸小于10"nm，他們通過在材料中引入超納結(jié)構(gòu)單元，整體材料展現(xiàn)出一些奇異性能。在此前研究基礎(chǔ)上，此次研究團隊通過晶粒內(nèi)部以及晶界附近的兩種有序結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了具有2.6"GPa抗拉強度和10%均勻延伸率的合金，為打造出兼具超高強度與卓越均勻延伸率的合金開辟了新道路。

他們巧妙利用短程序（SRO）與FCC基體的正界面作用能，調(diào)控短程序在晶界附近偏聚，形成短程有序界面。SRO在晶界附近的偏聚顯著提升了晶界抵抗位錯運動所需的應(yīng)力水平，屈服強度提升至2.2"GPa。同時，他們在FCC相的晶界附近和晶粒內(nèi)部引入兩種有序結(jié)構(gòu)（SRO和超納析出相），形成互補的強化和塑化機制，促進了高應(yīng)變硬化率和優(yōu)異延伸率。

03 植物抗病基因“層級式”演化規(guī)律：以退為進，攻守有道

植物在其整個生命周期和演化過程中，面臨各種病原體的持續(xù)威脅。為了應(yīng)對這些威脅，植物演化出了數(shù)量龐大的抗病基因（disease"resistance"gene，"R基因）。維持較多種類的R基因有利于植物應(yīng)對環(huán)境中復(fù)雜多變的病原，但因此也會影響植物的正常生長發(fā)育，即付出“適應(yīng)性代價”。那么，在這種“抗病或生長”的矛盾博弈中，植物R基因是如何演化，從而促進植物適應(yīng)環(huán)境得以繁衍至今的呢？

南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院陳建群/邵珠卿團隊長期致力于解析植物免疫系統(tǒng)的演化。此前，該團隊聚焦于植物最大的抗病基因家族—NLR基因，發(fā)現(xiàn)生存環(huán)境中病原的增加（如植物登陸）驅(qū)動了植物基因組中NLR基因數(shù)量的明顯擴張。近期，研究團隊通過系統(tǒng)收集808個植物基因組，將NLR基因的“生態(tài)適應(yīng)性演化”推廣到了真菌異養(yǎng)等SLH物種，并通過比較研究SLH物種與其近緣non-SLH物種，清晰地展示了SLH物種NLR基因數(shù)量收縮的“來龍去脈”，有力地證實了NLR基因的“生態(tài)適應(yīng)性演化”這一科學(xué)假說的可靠性和普適性，系統(tǒng)論證了病原選擇壓力對植物R基因演化的驅(qū)動作用。

04 全球最小微型醫(yī)療機械人，突破現(xiàn)有技術(shù)“不可能三角”

香港科技大學(xué)（科大）電子及計算機工程學(xué)系申亞京帶領(lǐng)團隊成功研發(fā)出一款全球最小的多功能手術(shù)機械人。這款微型醫(yī)療手術(shù)機械人的直徑僅為0.95毫米，較現(xiàn)有的機械人小60%。該機械人集三大功能于一身，突破現(xiàn)有技術(shù)限制的“不可能三角”。它具備高清拍攝功能，有助延伸障礙物檢測距離至約9.4毫米，與理論極限相比，這是10倍提升。其移動精確度亦提升至小于30微米，達至更細小、更靈巧，并能大幅擴展其成像區(qū)域，超越中心傳像束的固有成像比例約25倍。該機器人可協(xié)助醫(yī)療人員在人體內(nèi)取樣、傳送藥物及進行激光熱療手術(shù)，其障礙物檢測距離實現(xiàn)10倍提升，有助將微創(chuàng)手術(shù)應(yīng)用于人體內(nèi)支氣管末端、輸卵管等微小腔道分支，擴大其應(yīng)用范圍。

微型機械人具有多項優(yōu)點，能進入狹窄腔道，并有助于病人迅速康復(fù)，感染風(fēng)險亦較低。當下，微型機械人已應(yīng)用在各種疾病的診療中，例如在心臟手術(shù)中協(xié)助置入冠狀動脈支架，在胃潰瘍和十二指腸潰瘍手術(shù)中進行腹腔鏡切除治療等。

05 電化學(xué)制備均一單層氧化石墨烯，工業(yè)化方法來了

氧化石墨烯（GO）是一類重要的石墨烯材料，具有多種不同于石墨烯的獨特性質(zhì)，是目前應(yīng)用最為廣泛的二維材料，在熱管理、復(fù)合材料等領(lǐng)域已實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，在物質(zhì)分離、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域也表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。目前，GO的批量制備主要采用化學(xué)氧化方法（如Hummers法），即通過石墨與濃硫酸、濃硝酸、高錳酸鉀等強氧化劑的反應(yīng)來實現(xiàn)GO制備。該反應(yīng)迄今已有150多年的歷史，由于大量強氧化劑的使用，在制備過程中存在爆炸風(fēng)險、嚴重的環(huán)境污染、成本高等問題，已成為制約GO產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。

中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心先進炭材料研究部任文才團隊發(fā)明了微液膜電解（LME）方法精確控制水的擴散，實現(xiàn)了電解水氧化與水吸附脫插層的動態(tài)平衡，進而實現(xiàn)了均一單層GO的工業(yè)化連續(xù)制備。GO的單層率≥99%，產(chǎn)率可達～180"wt.%，而成本僅為Hummers方法的1/7。利用LME方法可以實現(xiàn)對GO氧化程度和尺寸的有效控制以及利用純水電解制備GO。該工作不僅為電化學(xué)制備GO提供了新的認識，而且提供了一種低成本、高產(chǎn)率、可持續(xù)制備均一單層GO的方法。

06 借鑒人腦提出“存內(nèi)稀疏”架構(gòu)，二維半導(dǎo)體在AI領(lǐng)域潛力逐步釋放

稀疏性"（Sparsity）"是人腦中的神經(jīng)突觸的本征屬性。在大腦發(fā)育過程中，超過一半的突觸會以細粒度和非結(jié)構(gòu)化的方式被剪枝，這是人腦具有高能效的關(guān)鍵因素。受此啟發(fā)，稀疏神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)早在20世紀90年代就被提出，已成為人工智能輕量化的主流路徑。雖然稀疏神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中90%的權(quán)重可以被剪枝，但剪枝過程中需要反復(fù)與外部存儲設(shè)備進行索引，消耗了整個系統(tǒng)90%以上的能耗和時延。類比于分離計算和存儲的馮·諾依曼瓶頸，索引過程成為稀疏神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件的瓶頸。目前產(chǎn)業(yè)界主流方案為英偉達自A100芯片開始提出的大粒度、結(jié)構(gòu)化剪枝，其本質(zhì)是通過一定程度的精度犧牲來減輕索引開銷，并未在根本上解決索引瓶頸。為了解決稀疏神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟硬件不適配的問題，南京大學(xué)王欣然及合作團隊受人腦啟發(fā)，借鑒了神經(jīng)生物學(xué)模型，他們發(fā)現(xiàn)，稀疏性信息在位置上也需要盡可能接近權(quán)重信息，并直接參與稀疏運算。

團隊首次提出稀疏神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的“存內(nèi)稀疏”計算架構(gòu)，并基于二維半導(dǎo)體鐵電晶體管技術(shù)進行了免索引單元開發(fā)和陣列級片上演示，打破了稀疏神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件技術(shù)瓶頸。其工作也充分展示了二維半導(dǎo)體等新材料、新器件技術(shù)賦能人工智能硬件的潛力，二維材料具有低溫后道工藝兼容的特點，可以與成熟的硅基電路進行三維單片集成，突破先進封裝技術(shù)在互聯(lián)密度方面的局限，進一步提升近存、存算芯片的效能。