8月18日，上海科协大讲坛聚焦国内外最新科技进展
我国天文学家发现迄今最大恒星级黑洞、人体生理年龄首次成功逆转、艾滋病治疗奇迹再现 “伦敦病人”或被治愈……每年年初，中国及世界十大科技进展新闻都会如期公布，至今已持续26年。为了改善人类的生活品质，或是解决某些世界性难题，来自全球的无数科研工作者都在年复一年地努力着。每一年，我们都会听到他们的研究进展和成果，有的近在咫尺，也有的距离实际应用仍然遥不可及。8月18日，书展的最后一天，上海科协大讲坛“暑期院士专家系列讲坛”的收官之讲聚焦国内外最新科技进展，来自生物、太空、脑科学等多领域的专家在前沿信息的解读中，让听众不由体会到“人们的生活将如何从中获益、甚至被彻底改变”。
动物伦理：药物和疫苗研究依赖于动物研究，需遵循3R原则
体细胞克隆猴“中中”和“华华”的诞生让中国在非人灵长类动物体细胞克隆上领跑世界。代谢性疾病、肿瘤、免疫缺陷……体细胞克隆猴的成功，也将让人类向攻克这类疾病更近一步。然而，实验动物科学领域内关于伦理的问题也不断引发国内外的广泛讨论。
体细胞克隆猴
对于帮助人类成为万物之灵的“朋友”来说，人们对动物福利的关注只有短短的100多年。从1822年英国国会通过《禁止虐待家畜法案》（马丁法令）开始，动物自身的权益及相关事宜才受到越来越多的关注。在中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心研究员孙强看来，人类与实验动物如小鼠、大鼠、狗和猴等的基因是高度同源的，同时动物和人类局有相同的器官系统，并以大致相同的方式执行相同的任务，这使它们能够成为模拟人体的有效模型。现代医疗技术如麻醉、外科手术、器官移植、输血、疫苗、抗生素和胰岛素等都是在动物实验基础上建立和完善的, CT和MRI扫描技术也是依赖动物研究（非人灵长类）建立起来的，而兽医诊断和治疗技术等同样需要动物研究。
孙强举例，1900年至1916年间不断的动物实验尝试，才使得输血成为今天的常规治疗或辅助治疗手段，这些早期的实验主要是在狗身上开展的；弗莱明1928年发现了青霉素的抑菌作用，但还没发现该药能救命，直到1940年弗洛里和钱恩开展了小鼠实验，才真正开启了抗生素时代。青霉素的出现极大减少了二战时伤兵的死亡率。产后败血症也从10万之分190下降到10万之分6；而脑脊髓灰质炎疫苗研发和生产都离不开猴子。
1928年，弗莱明发现了青霉素的抑菌作用
对动物而言，宠物、牲畜的药物和疫苗同样依赖于动物研究。如接种炭疸和牛瘟以及猪丹毒疫苗，每年可拯救了超过1亿只动物的生命；五分之一的牛会感染巴氏杆菌而导致出血性败血症，通过450头小牛的动物实验研发的疫苗目前已经给超过1亿头牛接种，保护了至少2000万头牛。因此，为了人类和动物的生存与健康，无论过去、当下还是未来，动物实验都是不可或缺的。
当然，科研人员和实验动物从业者在动物实验中会严格遵守动物实验伦理。孙强将之概括为伦理审查的3R原则（Replace、Reduce、Refine），即替代、减少和优化的原则。“如果实验可以不用动物做，就尽量用体外培养细胞；或用低级动物代替高级动物，小动物代替大动物，用组织学、分子生物学、人工合成材料、信息技术等方法替代动物实验；在必须使用动物时，通过改进条件，避免或减轻给动物造成的与实验目的无关的疼痛和紧张不安的科学方法。我们所有的实验都会经过单位伦理审查委员会审查，看是否遵循了3R原则。”
实验动物设施已经从普通环境、屏障环境和隔离环境发展到独立换气净化笼具
实验动物福利涵盖了实验动物从出生到死亡的整个过程，包括实验前满足动物的生理、心理和行为需求，保证动物健康快乐的生活，实验后为其“养老送终”等。如爱因斯坦所言：“对动物的人道是人类所继承的最高贵的美德，只有关怀到所有感知力的生命时，我们的道德才能提升到最高的层次。”因此，对科学技术进步与实验动物福利的探讨将是人类社会发展中无法规避的主题。
脑机接口：无创/微创植入、长期在体等关键技术亟需解决
1969年，华盛顿大学医学院利用猴子进行脑电生物反馈的研究；1998年，美国科学家Philip Kennedy第一次将脑机接口设备植入猴脑；2005年，科学家成功让猴子利用大脑控制了机械手臂；2012年，巴西世界杯开幕式，一位截肢残疾者用脑机接口的外骨骼开出一球……在动物身上试验并开启的脑机接口技术近年来踏上了高速发展的道路，并被誉为“人工智能的下一代技术”。
猴子用大脑操控机械手臂进食
“人机交互是实现脑与外部设备之间直接交互的系统，脑机接口则是人机交互系统的核心，也是各国脑科学前沿基础研究和重要应用突破的必争之地。”中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员陶虎将话题转入了这一前沿领域。2018年11月，美国宣布对14类高新技术进行出口管制，其中就包括脑机接口。美国DAPRA布局“下一代神经技术”，拟通过声、光、电、磁等方式进行神经调控，同时Facebook、Google等商业巨头也积极推进布局脑机接口领域，巨资投入。当前，欧美国家高度重视脑机接口技术，在“意念控制物体”方面已取得了多项重要成果。陶虎介绍了脑机接口的国内外发展现状，2019年7月，Neuralink发布了一款高带宽、高精度、低创伤的植入式柔性电极脑机接口系统，可以同时监测1024通道神经元的活动，其愿景是开发10万至100万通道的植入式脑机接口系统，从而全面地认识大脑。
我国相关领域起步稍稍落后，某高校2020年1月报道了国内首例植入式脑机接口临床研究，即将进口Uath阵列电极植入到72岁高位截瘫患者的大脑运动皮层，实现了患者用意念控制机械臂完成握手、饮水、进食等，但其核心器件用的仍然是美国进口的犹它电极。
2020年1月完成国内首例植入式脑机接口临床转化研究
陶虎表示，脑机接口分为非侵入式和侵入式，一旦进入大脑就不仅仅是技术问题，还涉及临床问题等，这就存在需求跟功能的不匹配。神经外科术中脑功能定位是目前脑机接口应用于临床的最大需求，然而手术精度可达到1mm，术中脑功能定位精度只有5mm。临床上，由于皮质下结构的误切、切除范围过大、电极覆盖不全面、切除区域检测不全面等原因，23%的患者存在永久性术后神经功能障碍。此外，临床脑电研究面临多种挑战，如高质量与低创伤难以兼得、脑电极不可降解需二次手术取出甚至无法取出、因植入的器件跟人体不兼容而无法长期在体稳定工作等。
总之，目前国内缺乏原创性脑机接口核心技术，在带宽、精度、在体稳定性方面均有不足，亟需整合多学科知识与多领域资源，集中力量解决“高带宽双向读写、海量神经信号实时处理和数据传输、无创/微创植入、长期在体”等关键技术问题，实现“人脑和机器脑的深度融合”的新一代人机交互。
光子芯片：能耗低、速度快，助跑人工智能及高端光学装备
从生成播放列表到语音识别，创建和操作“AI”功能，总是需要占用大量的计算机处理能力。随着人工智能产品的需求不断增加，人们对计算的要求也越来越高，但显然，目前的计算机芯片已经达到了极限速度。光子芯片从本质上来讲，可以以光速进行计算，一路”秒杀”晶体管。中国科学院上海光学精密机械研究所研究员王俊分享了光子芯片的研究进展及展望，他指出，光子芯片并不是专用在通讯领域，而是在人工智能图像语音处理包括信息方面的综合应用。虽然现在还处于萌芽阶段，但从创新性、科学性、技术性几个维度来看具有很大的发展潜力。
硅光AI芯片（图源：新京报）
“基于冯·诺依曼架构的电子计算机已无法满足大数据时代对算力与功耗的要求，提高运算速度、降低运算功耗是提高算力的根本性对策。光计算的天然优势使得其计算能耗非常低，现阶段，小规模光子芯片的能效理论上是目前CPU和GPU的10万倍。”王俊阐述了光子芯片的的优势并表示，西方国家也意识到光子芯片的价值，美国和欧洲近年来都在部署一些较大的光子芯片项目，如美国自然科学基金委会、欧盟“地平线2020”计划等均在部署。
光子芯片有着重要的应用，王俊介绍，高端光学装备事关国家战略安全和战略需求，因此，智能成像装备、激光通信装备是重点发展领域。其中，在强度关联成像装备上，我国率先完成百公里级合作目标高分辨三维成像实验演示、首次实现X光波段强度关联显微实验演示，在空间激光通信装备上，我国实现10Gbps的空间激光通信。这皆为国际同类装备最高水平。但同时，高端光学装备仍面临数据时间长，无法实时处理，设备功耗高，体积大等瓶颈，光子芯片则给这些问题提供了有力支撑。
在未来的智慧城市建设中，光子芯片也被寄予厚望。智慧城市需要建设很多‘智慧大脑’作为信息处理中心，然后通过5G将计算能力传出去。光子芯片可以作为‘智慧大脑’的面板，降低能耗。
太空探索：民营火箭实现零突破，太阳系里探索“最远”与“最近”
谈及科技进展，太空是个绕不开的领域。50年前，长征一号运载火箭成功发射东方红一号卫星，中国正式开启了太空时代。50年来，中国航天从火箭到卫星，从载人航天到深空探测，不断取得一系列重大突破。高分、北斗、风云等系列卫星也正在为国计民生发挥着重要作用。
张永合解读2019世界、中国十大航天事件
“国防、科学、信息是当前太空科技发展与影响的主要领域。太空经济、太空工业是人类正在迈进的新领域。拓展生存空间、星际航行、太空移民，是人类不懈探索与追求。”中国科学院微小卫星创新研究院新技术中心主任张永合与听众探讨了太空科技如何改变人类的认知与生活。梳理2019年到2020年的航天热点，张永合将其归纳为“往返太空、织网天地、扎堆月球、齐赴火星、造访边缘、捕捉涟漪”。除了大众熟悉的北斗三号系统完成全球组网、“天问一号”火星探测外，我国在往返太空方面有两件标志性的事件，一是长征五号运载火箭，它解决了我们能够向火星或者月球发射无人航天器。二是民营火箭成功首飞，星际荣耀“双曲线一号”入轨，这将成为中国航天业的里程碑。另外，美国在载人返回方面今年也有新的突破，民营的美国探索技术公司（SpaceX）的“载人龙飞船”实现了全球首次商业载人发射并成功返回地球。
美国SpaceX载人龙飞船航空舱内部
张永合介绍了太阳系里“最远”与“最近”的探索成果，NASA于2018年发射的帕克太阳探测器成为最接近太阳的人造物体，2020年初，帕克探测器完成第四次近日飞行。到目前为止，从探测器中获得的最大发现也许是，太阳的磁场在靠近其表面时变得不稳定，从而来回切换方向。研究人员也从探测器数据中发现了许多有趣的细节，例如尘埃粒子如何在太阳周围传播等。与帕克探测器的“近日”飞行反向的是NASA的新视野号，其目标是探测冥王星。新视野号于2006年1月19日发射，在太空已经度过了十多年，并于2015年通过冥王星，今年6月正式进行了首次星际视差实验。NASA表示，这是航天器首次从如此遥远的地方将天空的图像传回地球，以至于恒星看起来与我们从地球上看到的位置不同。如今，新视野号探测器已经远远超出冥王星的轨道，正向星际空间进发。
NASA于2018年发射的帕克太阳探测器成为最接近太阳的人造物体
科技世界不乏预言者：例如比尔·盖茨和埃隆·马斯克都认为人工智能会对人类造成威胁，而谷歌的技术总监库茨·魏尔则觉得这一天还为时尚早。至于科技对生活的改变，是机遇还是挑战？科技能至上吗？不妨多一份思考， 少一份崇拜。因为勇于追求真理和知识，并为之不懈奋斗，是科学留给我们最根本的人文精神。
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作者：袁琭璐
编辑：袁琭璐
责任编辑：李念
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