深度強化學習的無人機等

《自然》

深度強化學習的無人機

《自然》封面：無人機競賽。《自然》雜志第7976期封面文章報道了一個能參加真實世界無人機比賽的自動駕駛系統。人工智能在許多棋盤游戲或虛擬世界中戰勝過人類選手，比如國際象棋、星際爭霸、賽車等。專業級無人機競速需要操控無人機沿復雜的三維賽道飛行，這對機器人來說是艱巨的挑戰，因為它需要在高速飛行的同時通過機載傳感器估算速度和位置。研究團隊通過結合深度強化學習和物理世界數據研發了新型自動駕駛無人機。在與人類飛行員（包括世界冠軍）的對戰中，這架無人機贏得了25場比賽中的15場，并打破了最快用時紀錄。

熱帶森林正在接近臨界溫度

《自然》封面：感受壓力。《自然》雜志第7977期封面文章報道了熱帶森林樹冠的少量樹葉或已接近46.7℃的臨界溫度，超過臨界溫度光合作用將開始失效。科學家利用國際空間站在亞馬孫、剛果盆地和東南亞上空的高分辨熱測量估算了樹冠的峰值溫度。研究發現，在干旱期，樹冠溫度平均在34℃左右，而有些會超過40℃。上冠層的樹葉有0.01%的時間會超過臨界溫度，而在對上冠層進行人為升溫的實驗中，這一比例為1.3%。實驗估計，如果變暖超過3.9℃就會出現大規模樹葉死亡和損失；而對氣候變化最壞的預計顯示，氣溫可能會上升4℃。

科學家需要助力可持續發展

《自然》封面：偏離目標。《自然》雜志第7978期特刊文章報道了人類社會在可持續發展方面取得的進展。2015年9月，193個國家共同承諾將努力實現17項旨在改善世界人民生活的目標。從消除貧困到減少饑餓，再到應對全球變暖和保護生物多樣性，可持續發展目標（Sustainable Development Goals）自此在企業計劃和政府政策中占有一席之地。可持續發展目標已經進入了全球詞典，它們在政府和企業計劃中占據重要地位，它們的彩色標志被貼在世界很多教室的墻上。但如今，距離2030年實現這些宏偉目標的時限已經過半，而要做的還有很多。

2000年至2019年全球人口的景觀火災空氣污染暴露情況

《自然》封面：煙霧警報。《自然》雜志第7979期封面文章報道了野火對空氣污染的影響。科學家估算了2000年至2019年全球人口對來自景觀大火（主要為野火，也包括計劃和可控的曠地大火）的空氣污染的暴露情況。研究認為，2010年至2019年的景觀大火導致了全年臭氧總暴露量的3.6%，以及直徑小于2.5毫米的顆粒物（PM2.5）的總暴露量的6.1%，每年人均對大火來源污染的暴露時間為9.9天。全球人口越來越多地暴露在來自景觀大火的污染中，但暴露水平有差異，低收入國家人群對火災來源的PM2.5和臭氧的暴露水平是高收入國家人群的4倍。

《科學》

越愛復雜發聲的鳴禽可能越聰明

《科學》封面：藍鴉。《科學》雜志第6663期封面文章報道了一項新的研究，通過研究測試鳥類發聲，發現聲音學習能力更強的物種有更強的解決問題的能力和更大的大腦。鳥類以它們的叫聲而聞名，盡管許多人認為這些聲音是本能的，但事實上，許多鳥類都是靈活的聲音學習者。科學家研究測量了23種鳥類物種214只個體的一系列認知技能，包括問題解決、聯想和逆向學習等，發現物種發聲學習能力越強，它們的問題解決技巧更好，相對的大腦尺寸也越大。結果表明鳴禽的發聲學習、問題解決和更大大腦之間存在相同的遺傳與認知機制。

預測致病蛋白變異

《科學》封面：熱圖拼貼（紅色和藍色方塊）的人形。《科學》雜志第6664期封面文章報道了谷歌推出的一個新模型，這個模型能夠預測出基因中錯義突變的致病性。基因組測序揭示了人類群體中廣泛的遺傳變異。錯義變異是改變蛋白質氨基酸序列的遺傳變異。致病性錯義變異破壞蛋白質功能，降低機體適應性。機器學習方法可以通過利用生物學數據中的模式來預測未注釋的變異的致病性，從而縮小變異解釋的差距。預測可能闡明變異對蛋白質功能的分子效應，有助于鑒定致病性錯義突變和以前未知的致病基因，并提高罕見遺傳疾病的診斷率。

不健康的氣候

《科學》封面：熱與健康。《科學》雜志第6665期特刊文章報道了一些人類健康的威脅因素及如何減輕它們的影響。印度的一個夏季場景展示了氣候變暖是如何挑戰人類忍耐力極限。除了使人體的自我降溫能力變得緊張之外，全球變暖還助長了病媒和水媒疾病的傳播，也許還會讓其他隱藏的病原體暴露出來。媒介傳播疾病是一個特別令人擔憂的問題，氣候變暖有利于傳播登革熱的蚊子大量繁殖。熱對人體有著直接影響，每年夏天都有數千人死于熱浪，孕婦和胎兒也最容易受到極端高溫影響。因此，加強公共衛生干預迫在眉睫。

遠古DNA一瞥

《科學》封面：藝術家渲染的古代DNA生物體，包括猛犸象、桑葚、古人類和花粉。《科學》雜志第6666期特刊文章報道了科學家對古代DNA進化史的理解。盡管我們永遠無法全面了解過去，但對古代DNA的研究繼續揭示了生物體歷史中以前未知的方面。每個古代DNA樣本都是地球上一個地點和時間的快照，讓我們對過去有一個簡短的認知，欣賞這些快照所賦予的更精細的細節。科學家深入探討了當今研究古代DNA的進展情況，包括以前未開發的資源、技術的進步和倫理挑戰，以及通過對古代DNA的分析加強對人類自身的了解。

氣象科學

祁連山黨河源區冰凍圈水文氣象綜合觀測平臺

中國科學院青藏高原研究所王磊等人系統闡述了黨河觀測平臺建立的科學目標、站網設計、觀測要素等詳情及取得的亮點研究成果。相關成果發表于《美國氣象學會公報》（Bulletin of the American Meteorological Society）。研究團隊以不同類型降雨事件為紐帶，將天氣學與水文學在天氣尺度上進行了有機連接，并系統總結了區域天氣過程和降雨的海拔梯度性、土壤凍融循環過程、冰凍圈徑流模擬方面取得的亮點成果。黨河觀測平臺的建成為陸面過程數值模擬、區域天氣預報提供了科學依據，提升了區域水文氣象的綜合監測能力，為黨河流域綜合水資源管理、生態環境保護提供了堅實科技支撐，服務區域高質量發展。

我國植被變綠對近地表氣溫和極端高溫的降溫作用

南京大學大氣科學學院葛駿、郭維棟等人基于兩套高分辨率氣候數據集與衛星遙感資料，利用時空轉換的方法分析量化21世紀以來中國植被變綠對近地面氣溫和極端高溫事件的影響。相關成果發表于《環境研究快報》（Environmental Research Letters）。近地面氣溫與人類的生活息息相關，也是極端高溫事件的主要判斷標準。中國區域植被變綠雖然會通過降低地表反照率引起增溫，但同時引起的地表粗糙度增加和潛熱增加會產生冷卻作用，從而總體上呈現出降溫效應。潛熱與植被的蒸騰作用關系密切，對溫度變化更敏感，這可能是干旱與半干旱地區植被在高溫時表現出更強冷卻效應的原因。

3-4月東亞大槽異常的持續特征及其可能機制

中國科學院大氣物理研究所于水、孫建奇等人揭示中緯度北大西洋和熱帶印度洋海溫異常，以及東北亞積雪異常，這對理解和預測3—4月東亞大槽的持續異常具有重要意義。相關成果發表于《大氣科學進展》（Advances In Atmospheric Sciences）。東亞大槽是北半球對流層中層的準定常行星槽，槽后偏北風引導中高緯冷空氣向南入侵，深刻影響東亞地區的天氣氣候。春季是東亞大氣環流重要的轉變時期，月際尺度環流異常的不同演變過程會產生不同的氣候異常。春季東亞大槽月際變化間的聯系存在顯著差異，這對春季東亞氣候的季節預測帶來影響。持續性是3—4月東亞大槽月際演變的重要特征，有利于東亞出現持續性氣候異常。

大氣二次有機氣溶膠研究進展

山東大學環境研究院李坤教授團隊揭示了中等揮發性有機物在生物質燃燒二次有機氣溶膠形成中的顯著貢獻。相關成果發表于《國家科學評論》（National Science Review）。以森林大火和居民取暖為代表的生物質燃燒會排放多種大氣污染物，這些污染物在大氣中的傳輸和演化影響著平流層臭氧、輻射平衡、云的形成等。研究指出，生物質燃燒排放中，中等揮發性有機物貢獻了約70%的二次有機氣溶膠，比揮發性有機物的貢獻高出兩倍以上，以往開展的二次有機氣溶膠生成研究可能嚴重低估了較低揮發性化合物在復雜排放源中的貢獻。這些研究結果有助于準確模擬大氣化學過程和理解復雜排放源的二次有機氣溶膠形成機制。

臨床研究

遺傳性耳聾基因療法

復旦大學附屬眼耳鼻喉科醫院（上海市五官科醫院）李華偉、舒易來等人在國際上首次證明了基因治療在遺傳性耳聾患者臨床治療中的安全性和有效性，展現了基因治療對治愈遺傳性耳聾的應用潛力。相關成果發表于《柳葉刀》（The Lancet）。研究團隊研發出針對表達耳畸蛋白基因突變的耳聾基因治療藥物，并自主創新開發出精準、微創的耳部遞送路徑和裝備。

臨床試驗共有6名患兒接受基因治療，通過耳部微創的方式，將藥物一次注射到患者內耳，隨訪期間展示出良好的安全性和耐受性。5名患兒在接受治療后聽力和言語功能得到明顯恢復。這是全球第一個取得療效的耳聾基因治療臨床試驗。

主動脈瘤與主動脈夾層的發病新機制

南京醫科大學、哈爾濱醫科大學、南京鼓樓醫院聯合研究團隊中的季勇、謝利平、王東進等人揭示了蛋白質巰基亞硝基化修飾在調控巨噬細胞功能及主動脈瘤/夾層中發揮的重要作用及分子機制。相關成果發表于《循環》（Circulation）。巨噬細胞積聚在動脈瘤主壁上，通過影響細胞外基質降解和炎癥，促進了動脈瘤和夾層的發生。研究發現，浸潤于主動脈瘤血管壁及夾層的大量巨噬細胞高度表達誘導型一氧化氮合成酶，可催化產生大量一氧化氮，并通過蛋白硫-亞硝基化發揮多種病理生理作用。蛋白硫-亞硝基化是將一氧化氮部分可逆的共價加成到半胱氨酸硫醇上，形成硫-亞硝基蛋白，參與動脈粥樣硬化等多種心血管疾病的發病。

結直腸癌耐藥新機制研究

南開大學生命科學院陳佺團隊、中國科學院動物研究所杜蕾團隊和南開大學統計與數據科學學院胡剛團隊合作，闡明某信號通路調控腫瘤細胞鐵死亡與腫瘤化療藥物抵抗，并首次篩選并制備出靶向耐藥結直腸癌的單克隆抗體。相關成果發表于《自然·癌癥》（Nature Cancer）。結直腸癌臨床上通常采用氟尿嘧啶、伊利替康、奧沙利鉑等單獨或聯合化療方案，但部分腫瘤尤其是晚期病人對藥物不敏感。研究以結直腸癌病人來源的腫瘤類器官為樣本，結直腸腫瘤類器官可以真實反映出患癌病人在臨床化療中的治療效果，并可以作為體外篩選抗癌藥物的工具，預測腫瘤對化療藥物的敏感性。

T細胞在靶器官損傷中的關鍵調控作用

中南大學湘雅二醫院周勝華教授團隊揭示了高血壓細胞高表達導致其免疫調節功能損害的病理新機制，為免疫系統在高血壓病理進展中的核心作用提供了新證據和思路。相關成果發表于《循環研究》（Circulation Research）。免疫炎癥在心血管疾病中發揮核心作用，但其如何調控高血壓靶器官損傷仍不清楚。免疫炎癥調控是近年相關領域研究的前沿熱點，有望揭開當前全球高血壓流行的關鍵原因，而如何降低難治性高血壓患者的心血管事件及平穩控制血壓則是當前高血壓領域重要難題。研究發現了能夠增強具有免疫抑制功能的細胞功能的潛在靶點，這對提高系列治療方法實際應用具有重要意義。

光學前沿

透明吸波材料研發

中國科學院西安光學精密機械研究所光子功能材料與器件研究室王鵬飛研究團隊綜合研究了碘化銀含量對一款透明導電玻璃的結構、光電性能、電磁參數和微波吸收性能的影響，并通過雷達反射截面模擬對其隱身性能進行了評估。相關成果發表于《化學工程雜志》（Chemical Engineering Journal）。現有的透明吸波材料主要以普通的光學玻璃作為基底，而普通的光學玻璃均為透波材料，并不具備吸波性能，兼具高光學透明度和高微波吸收的新型玻璃材料的研究是透明吸波領域的難點。新研究發現，玻璃中碘化銀含量的增加導致玻璃網絡結構的緊密性降低，顯著提高了玻璃的電學性能、電磁參數和微波吸收性能。

里德堡原子開放體系觀察遍歷性破缺現象

中國科學技術大學郭光燦院士團隊史保森、丁冬生課題組在里德堡原子開放系統的研究中取得重要進展。相關成果發表于《科學進展》（Science Advances）。通過雙光子激發室溫下的里德堡原子，研究人員在實驗中觀察了強相互作用里德堡原子氣體中的非遍歷多體動力學現象。現象是由激光相干驅動、里德堡原子相互作用和耗散共同影響。研究團隊通過調節激光參數，觀察到了非平衡相變，其中出現了遍歷相和弱非遍歷相之間的分岔。遍歷相中的原子分布均勻，而弱非遍歷相中的里德堡態粒子數顯示出非平凡的振蕩。他們觀察到了持續毫秒級的長時間多體集體振蕩，這種振蕩遠遠超過了相關耗散的時間尺度。

二維極性材料中光學聲子的奇異行為

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心朱學濤研究員、郭建東研究員等人全面研究了典型二維極性材料單層六方氮化硼中縱向光學聲子的非解析行為。相關成果發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。光學聲子對材料的光、電、熱等物理性質起著至關重要的作用。特別是縱向光學聲子的行為由于材料的極性而與眾不同。自主研發的具有能量-動量二維成像解析能力的高分辨率電子能量損失譜儀作為測量二維聲子極化激元的新方法，能夠與當前主流的探測手段形成互補。研究結果進一步揭示了二維極性材料中縱向光學聲子行為的基本規律，為將來二維聲子極化激元的研究和應用打下了基礎。

新型納米光子存儲技術研究

上海理工大學、中國科學院上海光學精密機械研究所顧敏、文靜、阮昊等人利用光存儲技術提出了綠色、長壽命、大數據存儲解決方案。相關成果發表于《自然》（Nature）。目前常用的傳統激光直寫機、光學顯微技術、光存儲技術等，無一不被光學衍射極限所限制。新研究在光存儲領域成功突破了光學衍射極限這一物理學難題，開發出的三維納米光子存儲可以將存儲空間節省至一臺電腦大小，極大地降低了經濟成本。實驗結果首次證實三維空間內可以實現多至百層的、超分辨尺寸下的信息點的寫入和讀出，單張盤容量可以高達貝脫比特級（千萬億比特），相當于至少一萬張藍光光盤或者一百個大容量硬盤。

應用數學

基于厄米特-伽遼金譜方法的噪聲相關非線性濾波算法

清華大學數學科學系丘成棟教授與合作者利用厄米特-伽遼金譜方法直接求解濾波問題系統狀態條件密度函數所滿足的隨機偏微分方程，給出了一種新型的求解噪聲相關情形非線性濾波問題的數值算法。相關成果發表于《自動化》（Automatica）。作為現代控制理論的重要分支，濾波問題及其解法在國防工業、航空航天及信號處理、圖像傳輸等領域有著重要的應用。在理論上，研究給出了算法收斂性的嚴格證明；在數值實驗中，通過引入伊藤-射流格式，算法有力地提升了現有的譜方法在求解隨機偏微分方程中的求解效率和穩定性，從而實現了對噪聲相關非線性濾波問題的準確實時求解。

生成對抗網絡的模式崩潰機理研究

中國科學技術大學數學科學學院楊周旺等人研究了模式崩潰發生的根本機理，基于數學理論分析提出了一種新方法定量檢測和解決生成對抗網絡中的模式崩潰問題。相關成果發表于《IEEE模式分析與機器智能匯刊》（IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence）。由于生成對抗網絡及其訓練過程的復雜性，涉及多種可能的因素和環節，一直無法明確究竟是何種機理導致模式崩潰的發生。理論分析表明，當真實數據存在多個模式時，生成器損失函數關于其參數是非凸的。新方法通過對可觀察的判別器輸出設置相應閾值，檢測出生成器無法生成的樣本（崩潰樣本），繼而劃分訓練集、訓練動態條件的生成模型。

數模混合存算一體芯片研究

中國科學院微電子研究所劉明院士團隊等研發出基于外積運算的數模混合存算一體宏芯片，提出了模擬與數字存算宏的混合方法，達到了整體上高能量效率與面積效率。相關成果發表于《2024國際固態電路會議》（ISSCC 2024）。基于邊緣智能計算設備運行的人工智能應用日趨復雜和高精度。如何有效結合模擬存算與數字存算模式優勢，保證高能效高精度，以及數模混合方案的空間設計，仍是存算一體宏領域亟須解決的問題。研究通過殘差式數模轉換器架構，使數模轉換器所需分辨率僅為輸入位精度的對數，實現了高吞吐率和低開銷。通過基于矩陣外積計算數學原理的浮點/定點存算塊架構，矩陣-矩陣-向量計算可通過累加器元件完成。

多元循環碼的迭代譯碼研究進展

中山大學電子與信息工程學院（微電子學院）陳立教授團隊實現了一種全新的超限譯碼機制，尤其適用于支撐未來超高可靠低時延通信的中短碼。相關成果發表于《IEEE信息理論匯刊》（IEEE Transactions on Information Theory）。信道編碼技術在其中發揮著關鍵作用，確保了數據高效可靠的傳輸，而循環碼是一類廣泛應用的代數編碼。研究團隊首先提出一個面向多元循環碼的啟發式算法，用于搜索循環不等價的最小重量對偶碼字，利用它們與接收向量的循環移位操作生成可靠值矩陣，從而確定錯誤位置及幅值，實現糾錯。根據此度量，研究團隊進一步提出了迭代移加譯碼機制和軟判決迭代移加譯碼，極大提升了譯碼性能。