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機(jī)器人也能望梅止渴？他們首次提出“機(jī)器聯(lián)覺(jué)”

望梅止渴、“夏天是定音鼓，秋天是大提琴”……生活中，總有一些人可以“聽(tīng)”到色彩，“看”到味道，或“嗅”出形狀，這就是聯(lián)覺(jué)。近期，受人類聯(lián)覺(jué)啟發(fā)，北京大學(xué)電子學(xué)院程翔團(tuán)隊(duì)首次系統(tǒng)化地建立并論述了通信和多模態(tài)感知智能融合的統(tǒng)一框架——機(jī)器聯(lián)覺(jué)（SoM）。

研究團(tuán)隊(duì)首次對(duì)當(dāng)下通信與多模態(tài)智能融合領(lǐng)域的相關(guān)研究工作進(jìn)行了梳理綜述，針對(duì)三種工作模式開(kāi)展的最新的研究結(jié)果及設(shè)計(jì)思路，展現(xiàn)了SoM在優(yōu)化通信和感知性能上的巨大潛力。基于SoM—喚起模式，首次探索了復(fù)雜高速移動(dòng)場(chǎng)景下多模態(tài)感知數(shù)據(jù)與信道全尺度衰落特性的復(fù)雜非線性聯(lián)覺(jué)機(jī)理；基于SoM—增強(qiáng)模式，提出以模型增強(qiáng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式從多模態(tài)感知信息中挖掘不同隱式射頻空間特征，設(shè)計(jì)了一系列高效通信系統(tǒng)傳輸方案；基于SoM-合作模式，創(chuàng)新性地開(kāi)展了基于任務(wù)語(yǔ)義的機(jī)器聯(lián)覺(jué)協(xié)同感知工作，進(jìn)行通信傳輸與環(huán)境感知網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合設(shè)計(jì)，以優(yōu)化非理想通信下協(xié)同感知性能。

讓光速減慢1萬(wàn)多倍，這塊芯片什么來(lái)頭？

光速是宇宙中最快的速度，也是所有物質(zhì)和信息傳播的速度上限，真空中的光速約為30萬(wàn)公里/秒。光速不能被超越，但能被減慢。讓光速減慢的好處顯而易見(jiàn)——更好地操控光子，進(jìn)而提升對(duì)光信息的獲取、傳輸、處理與緩存能力以及光傳感、光通信、光路由、光調(diào)制和光存儲(chǔ)等相關(guān)應(yīng)用和器件的性能。

近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院集成所李光元課題組找到了在光子芯片上減慢光速的新方法。他們提出了一種基于晶格共振與晶格共振發(fā)生耦合誘導(dǎo)產(chǎn)生的新型類電磁誘導(dǎo)透明（EIT）現(xiàn)象，極大地抑制了其損耗，從而在100納米高度的硅納米柱陣列上實(shí)現(xiàn)了慢光效應(yīng)（光速減慢了1萬(wàn)多倍）。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)上測(cè)得高達(dá)2750的超高品質(zhì)因子，數(shù)倍于現(xiàn)有紀(jì)錄（483）。他們還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)一種具有連續(xù)域束縛態(tài)（BIC）特性的集體型類EIT現(xiàn)象，其品質(zhì)因子和慢光指數(shù)在理論上均按照反二次函數(shù)發(fā)散到無(wú)窮大。

這項(xiàng)研究有望大幅提高慢光光子芯片器件的性能，并在光傳感、光通信、光計(jì)算和光緩存等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，也將為慢光技術(shù)研究提供新思路。

以通用方法求解隨機(jī)反應(yīng)的化學(xué)主方程？神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)做到了

隨機(jī)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)是物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)和生態(tài)學(xué)中隨機(jī)過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)模型。代表性的例子包括生滅過(guò)程、自發(fā)不對(duì)稱合成模型和基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)等。隨機(jī)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)通常通過(guò)化學(xué)主方程進(jìn)行建模，它描述了物種分子數(shù)的聯(lián)合概率分布隨時(shí)間的演化。然而，系統(tǒng)可能狀態(tài)數(shù)隨著物種的種類數(shù)呈指數(shù)增長(zhǎng)，因此，獲得物種分子數(shù)隨時(shí)間演化的聯(lián)合概率分布是一個(gè)難題。

近日，中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所彭桓武青年訪問(wèn)科學(xué)家、北京師范大學(xué)復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)際科學(xué)中心的湯迎副研究員和學(xué)生翁佳鈺與中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所的張潘研究員合作，提出使用變分自回歸網(wǎng)絡(luò)來(lái)求解化學(xué)主方程的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，他們使用變分自回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（VAN）來(lái)研究隨機(jī)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中物種分子數(shù)的聯(lián)合概率分布，刻畫(huà)聯(lián)合分布演化并求解化學(xué)主方程。

研究團(tuán)隊(duì)還把該方法應(yīng)用于物理學(xué)和生物學(xué)中的代表性示例，如基因切換開(kāi)關(guān)、細(xì)胞內(nèi)信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)、早期生命自我復(fù)制以及具有時(shí)變速率的流行病模型等，結(jié)果證明該方法是一種基于現(xiàn)代機(jī)器學(xué)習(xí)研究隨機(jī)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的通用方法。

十余年磨一劍，全球規(guī)模最大乙醇生產(chǎn)裝置試生產(chǎn)啟動(dòng)

近日，目前全球規(guī)模最大的乙醇生產(chǎn)裝置——60萬(wàn)噸/年乙醇生產(chǎn)裝置在安徽淮北啟動(dòng)試生產(chǎn)，產(chǎn)出合格無(wú)水乙醇。該項(xiàng)目將助力保障糧食安全和能源安全。中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所劉中民院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合延長(zhǎng)石油集團(tuán)公司為該項(xiàng)目提供了“以合成氣為原料經(jīng)二甲醚羰基化和乙酸甲酯加氫合成無(wú)水乙醇”（工藝名稱“DMTE”）關(guān)鍵核心技術(shù)支撐。截至目前，DMTE技術(shù)已簽訂13套工業(yè)裝置（其中出口2套）技術(shù)實(shí)施許可合同。

劉中民團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域持續(xù)攻克難題并進(jìn)行技術(shù)迭代。他們于2010年提出DMTE這一環(huán)境友好型技術(shù)新路線后，就通過(guò)研制非貴金屬催化劑開(kāi)發(fā)DMTE工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了煤、天然氣或鋼廠煤氣大規(guī)模制取乙醇。2017年，完成了全球首個(gè)10萬(wàn)噸/甲醇經(jīng)二甲醚羰基化制乙醇工業(yè)示范項(xiàng)目。此后，該團(tuán)隊(duì)升級(jí)催化劑并優(yōu)化反應(yīng)工藝，進(jìn)一步提高了技術(shù)指標(biāo)，為大規(guī)模工業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。此次項(xiàng)目的啟動(dòng)，驗(yàn)證了DMTE技術(shù)的先進(jìn)性、可靠性，推動(dòng)了DMTE技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用，特別是以鋼廠煤氣為原料生產(chǎn)乙醇，促進(jìn)了鋼鐵、能源、環(huán)境等行業(yè)的低碳化融合發(fā)展。

如何測(cè)出1000億個(gè)正常原子中的一個(gè)缺陷原子

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰、王亞等人在量子精密測(cè)量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，他們提出了一種新的量子傳感范式，即利用多個(gè)量子傳感器之間的信號(hào)關(guān)聯(lián)，提升對(duì)復(fù)雜對(duì)象的解析能力和重構(gòu)精度。研究團(tuán)隊(duì)基于自主發(fā)展的氮—空位色心制備技術(shù)，可控制備出相距約200納米的三個(gè)氮—空位色心作為量子傳感系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)隨機(jī)電場(chǎng)探測(cè)展示了這種新的量子傳感范式。此外，研究團(tuán)隊(duì)使用類似于衛(wèi)星定位的量子定位技術(shù)，成功對(duì)微米范圍內(nèi)16個(gè)點(diǎn)缺陷進(jìn)行了定位，定位精度最高達(dá)到1.7納米。基于這種關(guān)聯(lián)分辨和精確定位的能力，研究團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)每個(gè)點(diǎn)缺陷電荷動(dòng)力學(xué)的原位實(shí)時(shí)探測(cè)，為研究體材料內(nèi)部點(diǎn)缺陷的性質(zhì)提供了新的方法。

這一成果展示了基于量子技術(shù)的超高靈敏度缺陷探測(cè)，可對(duì)0.01ppb級(jí)別的缺陷濃度（一千億個(gè)正常原子中出現(xiàn)一個(gè)缺陷）進(jìn)行探測(cè)，比目前最靈敏方法的探測(cè)極限提升兩個(gè)量級(jí)以上，有望為當(dāng)前十納米以下芯片中的缺陷檢測(cè)提供一種強(qiáng)有力的技術(shù)手段。

激光萬(wàn)般絢爛，“10拍瓦上限”突破

1960年，第一臺(tái)激光器誕生，其原理是用一個(gè)高強(qiáng)閃光燈管激發(fā)紅寶石發(fā)出紅光。人們發(fā)現(xiàn)，激光光源優(yōu)勢(shì)顯著，集單色性、方向性好、亮度高等于一身。所以此后的科學(xué)家始終致力于尋求更高的激光強(qiáng)度、更廣的應(yīng)用范圍相關(guān)技術(shù)。當(dāng)下，10拍瓦（1拍瓦=1千萬(wàn)億瓦）級(jí)別的激光建設(shè)，更是各國(guó)前沿科技的“兵家必爭(zhēng)之地”。

自1996年的1拍瓦“Nova”到2017年的10拍瓦“上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置（SULF）”、2019年的10拍瓦“歐盟極端光設(shè)施之核物理ELI-NP”，峰值功率的大幅提升得益于大口徑激光增益介質(zhì)從“釹玻璃”向“鈦寶石”的轉(zhuǎn)變，使高能激光脈寬從約500飛秒減小至約25飛秒。然而，10拍瓦似乎成了鈦寶石超強(qiáng)超短激光的峰值功率上限。

近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與上海科技大學(xué)合作，提出并驗(yàn)證了一種拼接鈦寶石啁啾脈沖放大技術(shù)（T-CPA）。該技術(shù)既能增大鈦寶石口徑，又能截?cái)鄼M向寄生振蕩，還能規(guī)避復(fù)雜時(shí)空控制。研究團(tuán)隊(duì)在100太瓦級(jí)超強(qiáng)超短激光平臺(tái)上成功完成了高時(shí)空性能的實(shí)驗(yàn)演示并獲得理想結(jié)果。該工作為突破鈦寶石超強(qiáng)超短激光“10拍瓦上限”和開(kāi)發(fā)百拍瓦級(jí)超強(qiáng)超短激光提供了技術(shù)手段。

細(xì)胞“擠來(lái)擠去”自有它的道理

許多重要的生物學(xué)過(guò)程會(huì)涉及細(xì)胞群體的生長(zhǎng)，比如腫瘤增殖，微生物群落生長(zhǎng)，傷口組織愈合等。對(duì)于生長(zhǎng)的細(xì)胞群體，局域的細(xì)胞生長(zhǎng)會(huì)擠壓周圍的細(xì)胞，從而導(dǎo)致局域壓強(qiáng)的升高。另一方面，細(xì)胞間的擠壓會(huì)反過(guò)來(lái)減緩細(xì)胞的生長(zhǎng)和細(xì)胞周期的進(jìn)程，從而對(duì)細(xì)胞群體的生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)反饋調(diào)節(jié)。同時(shí)，細(xì)胞群體在快速生長(zhǎng)過(guò)程中常常會(huì)出現(xiàn)界面失穩(wěn)（Fingering?instability）現(xiàn)象。這一現(xiàn)象十分常見(jiàn)，在上皮組織的鋪展、生物膜的斑圖形成等過(guò)程中都能觀察到。

近日，北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院定量生物學(xué)中心/北大—清華生命科學(xué)聯(lián)合中心的林杰課題組，建立了連續(xù)場(chǎng)力學(xué)模型，他們借助綜合理論分析與數(shù)值模擬，從力學(xué)角度解釋了細(xì)胞群體生長(zhǎng)過(guò)程中的界面失穩(wěn)機(jī)制，還從進(jìn)化角度闡釋了界面失穩(wěn)現(xiàn)象為何普遍存在：失穩(wěn)可以緩解細(xì)胞間的相互擠壓從而加速生長(zhǎng)，選擇壓力會(huì)使得細(xì)胞改變自身的力學(xué)性質(zhì)從而獲得進(jìn)化優(yōu)勢(shì)。

人體微生態(tài)的“百科全書(shū)”來(lái)了

人體微生物群與各器官存在廣泛且深入的交流，進(jìn)而組成了人體“微生態(tài)系統(tǒng)”，在維持人體穩(wěn)態(tài)、抗感染以及調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)功能等方面扮演關(guān)鍵角色。人體“微生態(tài)系統(tǒng)”失衡是導(dǎo)致多種疾病比如癌癥、慢性心血管疾病、免疫代謝性疾病等的關(guān)鍵因素之一。因此，針對(duì)人體“微生態(tài)系統(tǒng)”的干預(yù)措施有望成為新的疾病治療熱點(diǎn)。然而，目前對(duì)于人體微生物群在不同器官位點(diǎn)的空間異質(zhì)性、個(gè)體異質(zhì)性以及微生物群跨器官傳播等方面缺乏深入研究。

西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院佘軍軍、丁小明和香港中文大學(xué)于君團(tuán)隊(duì)攻關(guān)5年，全面采集人體7大器官（口腔、食管、胃、小腸、闌尾、大腸、皮膚）53個(gè)解剖位點(diǎn)的1608份微生物樣本，采用16S?rRNA測(cè)序及PacBio三代全長(zhǎng)測(cè)序技術(shù)，繪制了翔實(shí)的人體表面器官（內(nèi)表面—全消化道；外表面—皮膚）細(xì)菌微生物群落全景圖譜。鑒定出人體表面器官的共有核心微生物群及不同位點(diǎn)的特征性微生物群，揭示人體不同部位微生物群組成及分布的多樣性和特異性；發(fā)現(xiàn)人體內(nèi)微生物群在消化道不同位點(diǎn)及消化道黏膜—內(nèi)容物間的傳播和遷移規(guī)律，揭示一系列具有特定傳播傾向的微生物在塑造不同消化道位點(diǎn)特征菌群中關(guān)鍵作用；全面揭示不同位點(diǎn)消化道內(nèi)微生物互作關(guān)系的普遍性和特異性。他們發(fā)現(xiàn)，即使同類微生物間，也會(huì)隨著解剖生理位置不同表現(xiàn)出極大的空間異質(zhì)性。這項(xiàng)研究為人體微生態(tài)系統(tǒng)研究提供了“百科全書(shū)式”的基礎(chǔ)性參考依據(jù)，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)微生物群在人體不同器官間的功能，以及開(kāi)發(fā)針對(duì)人體微生態(tài)系統(tǒng)的干預(yù)措施提供理論依據(jù)。