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科學家呼吁全球攜手創建AI

虛擬細胞

科技日報2024年12月16日報道，美國斯坦福大學、基因泰克制藥公司和陳-扎克伯格基金會的科學家團隊在發表于最新一期《細胞》雜志的論文中指出，鑒于人工智能（AI）的最新進展以及關于人類生物學的大規模實驗數據已達到關鍵量級，科學界迎來了一個“前所未有的機遇”，可以利用AI來創建虛擬人類細胞。這種細胞將能夠代表和模擬人類生物分子、細胞乃至最終組織和器官的精確行為。

這種合成細胞模型將使人們更深入地理解健康人類細胞工作中化學、電學、力學，以及其他力量和過程的復雜相互作用，并揭示導致細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虛擬細胞還將使科學家能夠在計算機上進行實驗，而無需在活體細胞和生物體上進行實驗。這種能力將拓展人類對人體生物學的認知，加速新藥研發和新療法出現。

借助AI虛擬細胞，癌癥生物學家可以模擬某些突變如何將健康細胞轉變為惡性細胞，微生物學家能夠預測病毒對感染細胞乃至宿主身體的影響，醫生能在患者的“數字孿生體”上測試治療方法，從而加速實現人們期待已久的更快速、更經濟、更安全的個性化醫療目標。

然而，論文表示，要想獲得成功，AI虛擬細胞需要實現3個目標：首先，它必須使研究人員能夠創建跨物種和細胞類型的通用表征；其次，它必須準確預測細胞功能、行為和動態，并理解細胞機制；最后，AI虛擬細胞還要能在計算機上進行實驗，以檢驗假設并指導數據收集，從而以遠低于當前的成本和速度擴展虛擬細胞的能力。

論文認為，AI在科學界開創了一個擁有可預測、可生成、可查詢工具的時代。但實現AI虛擬細胞絕非易事，需要遺傳學、蛋白質組學、醫學成像等領域的全球開放科學合作。

該論文提議，全球學術界、工業界和非營利組織等全球利益相關方之間密切合作，共同創建世界首個AI虛擬細胞。但論文也警告稱，進行任何有關AI虛擬細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界開放。

（2024年12月 16日 張佳欣 科技日報）

量子自旋液體新證據發現

科技日報2024年12月16日報道，一個由瑞士、美國、法國等多國科學家組成的國際團隊宣布，他們在錫酸鈰材料發現了量子自旋液體的新證據。這一發現有望促進基礎物理學和量子計算領域取得新突破。相關論文12月12日發表于《自然·物理學》雜志。

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

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

研究團隊表示，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性。在最新研究中，他們利用中子散射等先進實驗手段以及理論模型，首次觀察到了這種物質狀態。

團隊表示，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光譜儀上進行了中子散射實驗，獲得了分辨率極高的數據，并通過理論分析，發現了量子自旋液體存在的證據。

這一最新成果將幫助人們在由材料內電子自旋構成的“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電荷一樣。這些發現將加深人類對宇宙以及物質在最小尺度上如何運作的理解。

（2024年12月16日 劉霞 科技日報）

電子堆疊新技術

造出多層芯片

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

隨著計算機芯片表面容納晶體管數量接近物理極限，業界正在探索垂直擴展——即通過堆疊晶體管和半導體元件到多個層次上來增加其數量，而非繼續縮小單個晶體管尺寸。這一策略被形象地比喻為“從建造平房轉向構建高樓大廈”，旨在處理更多數據，實現比現有電子產品更加復雜的功能。

然而，在實現這一目標的過程中遇到一個關鍵障礙：傳統上，將硅片作為半導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”，這不僅限制了設計靈活性，還降低了不同功能層之間的通信效率。

為了解決這個問題，工程師們開發了一種新的多層芯片設計方案，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底層電路。這種方法允許高性能晶體管、內存以及邏輯元件可以在任何隨機晶體表面上構建，而不再局限于傳統的硅基底。沒有了厚重的硅“地板”，各半導體層之間可以更直接地接觸，進而改善層間通信質量與速度，提升計算性能。

這項技術有望用于制造筆記本電腦、可穿戴設備中的AI硬件，其速度和功能性將媲美當前的超級計算機，并具備與實體數據中心相匹配的數據存儲能力。這項突破為半導體行業帶來了巨大潛力，使芯片能夠超越傳統限制進行堆疊，極大提升了人工智能、邏輯運算及內存應用的計算能力。

這項技術的出現，稱得上是半導體行業的一個重要里程碑。其不僅突破了現有材料和技術的限制，還預示著未來AI硬件可能實現的巨大飛躍——你手中的筆記本電腦速度和功能甚至可與當今超算相匹敵。這不僅是對消費電子產品的升級，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）

培育人類脊索組織的干細胞模型成功開發

科技日報2024年12月18日報道，英國弗朗西斯·克里克研究所科學家開發了一種能培育出人類脊索的干細胞模型，這是人類首次在干細胞模型中培育出脊索組織。在胚胎發育過程中，脊索就像是一個GPS導航系統，引導細胞構建脊柱和神經系統。這一成果標志著科學家在研究人體早期發育形態方面邁出了重要一步，相關論文18日發表在《自然》雜志上。

脊索是一種棒狀組織，是所有脊椎動物的標志性特征。是發育中支撐軀干的關鍵部分，有助于確定身體的主軸。它就像發育中胚胎的GPS系統，指導脊柱和神經系統的形成。但由于其結構的復雜性，在實驗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。通過將其與現有小鼠和猴子胚胎信息進行比較，他們終于確定了形成脊索組織所需的分子信號的時機和順序。

以前實驗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。現在，團隊找到了正確“配方”，生成了一系列精確的化學信號序列，并借此誘導人類干細胞形成脊索。

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

研究人員表示，這項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）

集群微型磁力機器人

可協同工作

科技日報2024年12月19日報道，韓國首爾漢陽大學研究團隊開發出一種集群微型磁力機器人，這些小機器能夠像螞蟻一樣協同工作，完成一系列復雜任務，比如搬運遠大于自身的物體。這項研究發表在12月18日的《設備》期刊上，顯示了這些依靠旋轉磁場運行的微型機器人集群，在面對單個機器人無法解決的挑戰性難題時，可以執行一些復雜的任務，例如為動脈阻塞提供微創治療、精準引導生物等。

團隊對不同組合方式的微型機器人集群進行了測試，觀察它們在不同任務中的表現。結果顯示，高縱橫比配置的組合能爬上超過單個機器人5倍高度的障礙，并逐一跨越這些障礙。

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

團隊從螞蟻身上獲取靈感，學習它們如何協作以填補道路上的空隙或在洪水來臨時組成木筏。這種合作機制提高了機器人面對失敗時的容錯率，即使部分成員未能完成任務，其余成員也會繼續按照編程行動，直到足夠多的成員達成目標。

之前的集群機器人研究大多關注球形機器人，這些機器人通過點接觸聚集在一起。此次研究則采用立方體形狀的微型機器人，由于表面積更大，它們之間的磁場吸引力更強，每個面都可以與其它機器人接觸。每個微型機器人尺寸為600微米，由嵌入鐵磁性釹鐵硼顆粒的環氧樹脂構成，使它們能夠響應磁場并與其它機器人互動。通過旋轉兩個相連磁鐵產生的磁場驅動，這些機器人可以自我組裝。團隊通過調整機器人的磁化角度，實現了不同的組合配置。

這是集群機器人技術的一個重要進步。這些小機器人在未來應用中組合模式之靈活多變，可能遠超你的想象：它不僅代表了微型機器人群體在搬運重物、穿越障礙以及疏通管道等任務上的強大能力，還預示著其在未來醫療領域中的廣泛應用潛力，如動脈阻塞的微創治療、藥物靶向輸送等。這些機器人向人們展現了群體智能與微納米技術結合的巨大潛力。

（2024年12月19日" 張夢然" 科技日報）