第21期（总第147期）2017-03-03
编者按：2016年，前沿基础交叉研究的⼀系列进展令⼈瞩⽬。《科学》列举了⼈⼯智能、星系宇宙、⽣命科学、先进材料、智能制造等⽅⾯的最新进展。《⾃然》也列举了捕捉引⼒波、世界新秩序、勇踏前⼈未⾄之境、CRISPR专利之争等⼗个影响了2016年的重⼤科学事件，涉及天⽂、星系宇宙、⽣命科学、能源环境、⼈⼯智能等领域。中国科协创新战略研究院组织课题组对2016年前沿基础交叉、新型能源、⽣命科学、新⼀代信息技术等领域的科技进展进⾏了系统梳理，并邀请中国材料研究学会、中国电⼦学会、⽣命科学学会联合体、中国机械⼯程学会、中国农学会、中国环境科学学会、中国宇航学会等有关学会及学会联合体专家进⾏咨询完善，计划联合发布系列报告，本报告主要介绍的是前沿基础交叉研究领域的科技进展。 ⼀、核⼼数学（Core Mathematics）
美国密苏⾥中央⼤学数学家柯蒂斯·库珀（Curtis Cooper）通过“互联⽹梅森素数⼤搜索”（Great Internet Mersenne Prime Search,GIMPS）项⽬，于2016年1⽉7⽇到了⽬前⼈类已知的最⼤素数2^74207281-1，该素数有22338618位，是第49个梅森素数。梅森素数研究能促进分布式计算技术和⼈类尖端计算能⼒的发展。⽽且，现代密码学和其他复杂的数字编码也需要⼤素数，素数越⼤，密码被破译的可能性越 ⼩。
美国加州⼤学伯克利分校杰出的数学家Ian Agol在证明稳和问题(Tameness)、虚拟哈肯猜想(Virtual Haken Conjecture)和虚拟纤维猜想(Virtual Fibering Conjecture)等⽅⾯取得重要进展，2016年被授予数学突破奖，表彰他在低维拓扑和⼏何论⽅⾯做出的贡献。
玻璃房子
⼆、类脑计算（Brain Computing）
⽜津⼤学⼤脑磁共振成像中⼼利⽤组织切⽚⽅法以及恢复神经元形态的特殊技术，鉴别出15种抑制性神经元，并对神经元间的电⽣理特性进⾏描述，绘制出连接图谱，阐明神经元连接机制。[1]
⼤脑活动与⾏为机制基础研究也有所进展。⽜津⼤学揭⽰了让⼤脑的睡眠翻转的分⼦机制，或可帮助深⼊理解睡眠的奥秘。[2]来⾃莱斯⼤学和贝勒医学院的神经科学和⼈⼯智能专家从⼈类⼤脑中获得灵感，创造了⼀种新的“深度学习”⽅法，他们对可视化数据建⽴了半监督学习系统，不需要⼿把⼿的培训，使计算机能够以⾃⼰的⽅式学习，就像⼈类的婴⼉⼀样。[3]
Google旗下DeepMind公司开发的⼈⼯智能围棋程序（AlphaGo）在2016年3⽉的对弈中战胜了世界顶尖棋⼿李世⽯（Lee Se-dol）[4]。2016年10⽉，DeepMind的研究者还推出了另⼀款⼈⼯智能程序可微分神经计算机（DNC），它能将经验学习能⼒与记忆储存相结合，在没有任何先前知识储备的情况
下判断指定点之间的最短路径，相关成果发布在了《⾃然》杂志上。这意味着⼈⼯智能距离执⾏类似⼈类的任务（⽐如推理）⼜更近了⼀步。[5]
IBM苏黎世研究中⼼在2016年8⽉宣布，他们利⽤相变材料作为记忆储存来模拟⽣物⼤脑存储和处理数据的功能，制造出了世界上⾸个⼈⼯相变神经元，可实现⾼速⽆监督学习。这⼀突破标志着⼈类在认知计算应⽤中超密度集成神经形态技术，以及⾼效节能技术上的发展⼜向前迈进重要的⼀步。[6]
美国圣路易斯华盛顿⼤学的研究团队2016年7⽉在《⾃然》上发表了“⼈类⼤脑图谱”，其中97个⼈类⼤脑⽪层区域此前从未描述过，属于⾸次公布。马修·格拉塞、⼤卫·冯·埃森和同事借助机器学习技术，根据210位健康年轻成年⼈的⼤脑成像数据，绘制出了这幅精确的⼤脑图谱。这些年轻⼈都来⾃⼈类连接组计划。该图谱对研究⾃闭症、精神分裂症、痴呆症和癫痫等⼤脑疾病会是⼀⼤福⾳。[7]
蒂姆•布利斯等3名英国科学家从细胞和分⼦层⾯揭⽰了名为“长时程增强效应”现象背后的运⾏机制，以及这种现象如何影响⼈类的学习和记忆能⼒。他们因在解析⼈脑记忆相关机制⽅⾯的突出贡献，获得2016年“格雷特•伦德贝克欧洲⼤脑研究奖”。[8]
IBM开发出模拟⼤脑的芯⽚TrueNorth，在⼀块芯⽚上集成了100万个“神经元”和2.56亿个“突触”，模拟能够处理感觉、视觉、⽓味以及环境信息的右脑。[9]
三、凝聚态物质科学（Condensed Matter Sciences）
哥伦⽐亚⼤学的Cory Dean等⼈2016年9⽉在《⾃然》上发⽂，他们利⽤⽯墨烯⾃⾝的边缘作为原⼦级平整的边界，克服了界⾯散射的问题，成功观察到电⼦的负折射现象。电⼦负折射技术和⽯墨烯PN结不仅存在许多潜在的应⽤，⽽且
服了界⾯散射的问题，成功观察到电⼦的负折射现象。电⼦负折射技术和⽯墨烯PN结不仅存在许多潜在的应⽤，⽽且制备原⼦级平整的界⾯技术也对未来的器件制造提供了启发性的借鉴意义。[10]
Edouard Lesne等学者2016年8⽉在《⾃然·材料》上发⽂，表⽰他们通过铁磁坡莫合⾦FeNi层向LaAlO3/SrTiO3界⾯注⼊⾃旋电流，发⽣⾃旋向电荷转化，并通过样品两端产⽣的电压探测到了电荷的积累，之前在Ag/Bi（111）的界⾯处也观察到因⾃旋轨道相互作⽤引起⾃旋电荷转化，但这次的转化效率⾼出了⼀个数量级。当电荷密度超过⼀定阈值后，界⾯处显现出超导特性，⽽超导的转变温度同样可以通过适当的偏压来调控。[10]
上海交通⼤学贾⾦锋研究组、浙江⼤学许祝安和张富春研究组、南京⼤学李绍春研究组及美国⿇省理⼯学院傅亮研究组等合作，通过巧妙的实验设计，⽤更灵敏、更低温度的扫描隧道显微镜，率先观测到了在拓扑超导体涡旋中存在马约拉纳费⽶⼦的重要证据，这种粒⼦是未来制造量⼦计算机可能的候选对象。该成果发表在2016年6⽉21⽇《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。[10]
南京⼤学陈延峰、卢明辉和刘晓平等学者的研究在2016年12⽉⾸次实现了在不需要激发和制备出单⼀
太阳能风扇帽声赝⾃旋的情况下，验证并实现了声⼦的量⼦⾃旋霍尔效应。这项发现不仅为声学拓扑现象的研究提供了新路径，同时也有望应⽤于未来的噪声消除技术。该成果发表在《⾃然·物理》杂志上。[10] 芬兰阿尔托⼤学和俄罗斯卡⽪查研究院的物理学家2016年12⽉在《物理评论快报》上发⽂，表明科研团队已成功地在氦III的新相中观察到了半量⼦涡旋。[10]
四、基本粒⼦（Elementary Particle）
塑料冷却管美国费⽶实验室的科学家⾸次发现由底、奇、上、下四味不同夸克构成的四夸克粒⼦“X（5568）”。四夸克粒⼦家族这⼀独特成员的出现，将帮助理论学家们建⽴模型。通过测量该粒⼦的衰变⽅式或⾃旋等属性，科学家将刷新对四夸克粒⼦的理解，并进⼀步洞悉让夸克紧密结合在⼀起的强作⽤⼒。
橡树岭国家实验室领导下的科研团队在2016年4⽉的《⾃然·材料》上发⽂称，他们在⼀种类似⽯墨烯的⼆维材料中⾸次测量到了被称为“马约拉那纳费⽶⼦”（Majoranafermion）的分数化粒⼦。这个结果与基塔耶夫模型（Kitaev Model），即量⼦⾃旋液体的主要理论模型相符，这使得量⼦物态中⼜多了新的⼀员，将会推动量⼦计算的发展。[11,12]
五、星系宇宙学（Galaxy Cosmology）
加州理⼯⼤学的科学家发表了研究成果，称发现冥王星以外存在着巨⼤的第9颗⾏星（Planet X）的证
据。他们称这颗⾏星很可能是地球质量的2~15倍。[13]
美国宇航局的科学家在2016年4⽉发现了⼀颗在地球轨道上稳定下来的⼩⾏星，它成为了地球附近的伴星，或者是第⼆颗卫星。[13]
伦敦玛丽王后⼤学（Queen Mary University of London）由Guillem Anglada-Escude博⼠带领30位天⽂学家组成的国际研究团队在2016年8⽉宣布发现了宜居⾏星Proxima b，它拥有能孕育⽣命的环境，且距离地球仅约4光年，它的发现为⼈类进⼀步探索和研究宜居星球奠定了基础。[14]
由天⽂学家组成的国际科研团队在《天体物理学》上发表⽂章，称蜻蜓44星系（Dragonfly 44）⼏乎99.99%都是由暗物质组成，这为天⽂学家研究什么是暗物质，以及暗物质为什么存在提供了研究基础。[15]
苏格兰西部⼤学的物理学家2016年6⽉发现了⼀个梨形核，颠覆了先前的理论。根据科学家发现的梨形核，它的尖端指向⼀个特定的⽅向。他们认为，这个⽅向是所有时空移动的⽅式，正因为如此，没有其他⽅向的时间或空间可以去，从⽽不可能实现时空旅⾏。[16]
六、引⼒波天⽂学（Gravitational Wave Astronomy）
美国国家⾃然科学基⾦会与加州理⼯、⿇省理⼯和LIGO科学合作组织(包含GEO600组织和澳⼤利亚
⼲涉引⼒天⽂协会)的专家利⽤激光⼲涉引⼒波观测台（LIGO）在2016年2⽉11⽇⾸次探测到引⼒波，分别来⾃29倍太阳质量与36倍太阳质量的两个⿊洞。6⽉15⽇，LIGO再次捕捉到引⼒波信号，虽然⽐⾸次探测到的信号要弱，但置信度⾼达5西格玛，并将相关研究成果发表在美国《物理学评论通讯》杂志上。12⽉初，LIGO完成重新升级⼯作，在对其激光器、电⼦回路和光学设备升级后，它的观测时长和灵敏度进⼀步提⾼。引⼒波的发现是物理学界⾥程碑式的重⼤成果，它应验了100年前爱因斯坦的预测，并为⼈类探索宇宙的引⼒波天⽂学开辟了新的道路。[17]
七、超导量⼦（Superconducting Quantum）
美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）的研究团队2016年10⽉⽤碳纳⽶管和⼆硫化钼制备的晶体管的尺⼨缩⼩到1纳⽶，是⽬前世界上最⼩的晶体管。相⽐于最⼩尺⼨为20纳⽶的硅晶体管，碳纳⽶管晶体管可极⼤提⾼集成电路晶体管密度，将芯⽚处理速度提⾼1000倍。这项技术将有⼒推进碳纳⽶管晶体管在超⼤规模集成电路芯⽚技术中的应⽤，相关研究成果已发表在《科学》上。[18]
美国劳伦斯利弗莫国家实验室（LLNL）和加州⼤学分校科学家2016年8⽉⾸次使⽤超轻的⽯墨烯凝胶3D打印出可以保留能量的超级电容器，其厚度是当前使⽤电极制造的同类电容的1/10~1/100。为⾼效能源存储器在智能⼿机、可穿戴设备、可植⼊设备、电动汽车和⽆线传感器的应⽤开辟了新的途径。
澳⼤利亚新南威尔⼠⼤学（UNSW）科研团队2016年10⽉在《⾃然·纳⽶技术》中发表了最新成果，
开发出了新型量⼦⽐特，相⽐⽬前保留时间最长、最稳定的量⼦态叠加，稳定性获得了10倍的提升。[19]
2016年11⽉，曼彻斯特⼤学和诺丁汉⼤学的研究⼈员合成纳⽶级超薄硒化铟（Indium Selinide，InSe），它可以做得只有⼏层原⼦那么薄，⼗分接近⽯墨烯，⽽且拥有⽐⽯墨烯更好的半导体属性。硒化铟能隙⼤，做成的晶体管可以很容易地开启和关闭，是未来代替硅制作电⼦芯⽚的理想材料。相关研究成果发表在学术期刊《⾃然·纳⽶技术》上。[20]⼋、光场调控（Light Field Regulation）
凯斯西储⼤学2016年3⽉在《⾃然·材料》中发⽂称，他们开发出⼀种⽐⽬前最好的光学传感器的灵敏度⾼出⼀百万倍的光学传感器，有助于早期癌症检测。[21]
莱斯⼤学和奥地利格拉茨⼤学的科学家2016年6⽉在美国化学学会的《物理化学》（The Journal of Physical Chemistry C）杂志上发表⽂章称，他们⽤光驱动了单分⼦纳⽶⼩汽车，并且⾸次看到了它们是如何移动的。莱斯⼤学的科学家⽤特定波长的光来驱使纳⽶车沿着铜表⾯移动，⽤光来提供能量，使它们开到任何⼀个光能到的地⽅。[22]
至音源九、量⼦光学（Quantum Optics）
英国剑桥⼤学研究团队2016年6⽉在《⾃然》上发⽂称，他们将能量在光和分⼦之间来回振荡，形成
⼀种分⼦和光的量⼦态强耦合。这⼀成果有助于开发量⼦技术，以及能控制物质物理和化学性质的新⽅法。[23]
英国帝国理⼯⼤学的研究者2016年8⽉在《⾃然·通信》上发⽂称，通过将光和单个电⼦“绑”在⼀起，或可制造出⼀种新形式的“耦合”光，同时拥有光和电⼦的属性。这种光能升级，使这⼀现象更容易被观察到，并且也能使科学家在室温下研究这些量⼦现象。[23]
加拿⼤滑铁卢⼤学量⼦计算研究所(IQC)的科学家创造了迄今最强的光—物质耦合新纪录，强度是之前的10倍多。研究⼈员表⽰，发表在《⾃然·物理学》杂志上的这⼀最新成果，将使很多⽬前⽆法进⾏的物理学研究成为可能。鲍尔·弗恩-戴兹领导的研究团队构建了⼀个铝电路，接着将其放⼊稀释制冷剂内，让其冷却到绝对零度之上百分之⼀摄⽒度。在如此寒冷的温度下，电路具有超导特性，这意味着电流经过它们时没有电阻或者不会失去能量。这些铝电路中所谓的超导量⼦⽐特遵循量⼦⼒学法则，⽽且其⾏为类似⼈造原⼦。光和量⼦⽐特之间这种强烈的量⼦耦合，有助于科学家们进⼀步探索与⽣物过程、⾼温超导等奇特材料甚⾄相对论有关的物理学研究。
⼗、计算化学（Computational Chemistry）
美国橡树岭国家实验室的科学家2016年4⽉在《物理评论快报》发⽂称，他们利⽤中⼦散射和从头计算模拟，发现了⽔分⼦的新物态，即如果将⼀个⽔分⼦塞⼊绿柱⽯内部0.5纳⽶宽，0.9纳⽶长的六棱
柱空隙中，⽔分⼦展现出量⼦隧穿效益，成为离域分⼦。[24]
⼗⼀、新能源化学（New Energy Chemistry）
德国科学家2016年2⽉成功开启了世界上最⼤的“仿星器”核聚变反应堆“⽂德尔施泰因7-X”（简称W7-X）。在2015年12⽉进⾏氦等离⼦体测试后，2016年2⽉⾸次成功的产⽣了了氢等离⼦体。[25]
中国海洋⼤学唐委团队2016年4⽉在《应⽤化学》发⽂称，开发出⼀种⽯墨烯材料能使太阳能电池在⾬天也能发电。该项研究有助于延长太阳能电池的潜在发电时间，在⾬量充沛且光照不⾜的地区能发挥更⼤作⽤。[26]
由欧盟6个成员国意⼤利、德国、西班⽛、葡萄⽛、奥地利和瑞⼠的跨学科科研⼈员组成的欧洲PHOCS科研团队，最新研制的有机半导体材料光电化学制氢系统原型，将稳定制氢时间提⾼到前所未有的3⼩时，创造了新的世界纪录。该项发现可应⽤于光伏电⼦、有机⽣物电⼦、光电探测和有机半导体等，促进低碳经济转型升级。
⼗⼆、纳⽶⽣物（Nano Biology）
美国⿇省理⼯学院对外宣布，该校研究团队通过创建⼈⼯合成细胞，将不同基因电路隔离，防⽌它们相互⼲扰。此外，研究⼈员还可以控制这些细胞之间的通讯，允许电路或产物在特定时间内结合。这
碎片文件是⼀种通过建⽴墙使多组遗传电路不会产⽣⼲扰的⽅式，即使将它们都放⼊同⼀个单细胞中，这些遗传电路也不会产⽣⼲扰。该技术使得研究⼈员可以创建更为复杂的基因电路。这项研究被发表在2016年11⽉14⽇的《⾃然·化学》上。
芬兰科研⼈员研究发现，DNA（脱氧核糖核酸）⽀架⽆需低温环境，就能够⾃组装成固定模型，并将纳⽶颗粒融合到功能性结构中，集成单电⼦器件。相关成果发表在近期《纳⽶通讯》杂志上。芬兰韦斯屈莱⼤学纳⽶科学中⼼和坦佩雷⼤学⽣物医学技术中⼼的研究⼈员，使⽤DNA⽀架将3个⾦纳⽶粒⼦组装到单电⼦晶体管中。DNA⽀架此前曾被⽤来将⾦纳⽶颗粒组织成图案，但这次的⼯作⾸次表明，DNA⽀架可被⽤于构建精确的、可控的、完全具备电⽓特征的单电⼦纳⽶器件，使其⽆需在低温下也能正常⼯作。
参考⽂献:
[1] 韩雪. 神经科学和类脑⼈⼯智能发展：机遇与挑战[J]. ⽣命科学, 2016, 28(11): 1296-1307.
[2] SILVA-VARGAS V, MALDONADO-SOTO AR, MIZRAKD, et al. Age-dependent niche signals from the choroid plexus regulate adultneural stem cells[J]. Cell Stem Cell, 2016, 19:643-652.
[7] MATTHEW F. GLASSER，TIMOTHY S. COALSON，EMMA C. ROBINSON，et al. A multi-modalparcellation of human cerebral cortex[J].Nature.2016,536:171-178.
[8] TIM V. P. BLISS, GRAHAM L. COLLINGRIDGE,RICHARD G. MORRIS. Long-term potentiation: enhancing neuroscience for 30 years[M].OxfordUniversity Press, 2004, ISBN 978-0-19-853030-5.
[10] ⾕林. 2016年凝聚态物理学热点回眸[J]. 科技导报, 2017, 35(1):10-10.
[11] BANERJEE, A. Proximate Kitaevquantumspin liquid behaviour in a honeycomb magnet[J]. Nature Materials. 15 (7): 733-740.
[12] New bizarre state of matter seems tosplit fundamental particles[Z]. CBS News,2016-04-08.
[20] BANDURIN D A, TYURNINA A V, YU G L, etal. High electron mobility, quantum Hall effect and anomalous optical responsein atomically thin InSe[J]. Nature Nanotechnology, 2016.风力摆控制系统
作者：⾼晓巍、⽅伟、曹学伟、王达
《创新研究报告》编辑：⾼晓巍
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