近日，国际权威学术期刊《科学》《自然》《物理世界》相继发表了2019年全球科学和技术的重大突破，中国科协也发布了2019年的十大科学传播事件。解放日报•上观新闻采访了上海市科学学研究所产业创新研究室团队，他们为读者梳理了 “尤其令人眼前一亮”的十项科技进展。

　　量子真空涨落再次获得验证

　　长期以来的物理教科书上，真空都是真正的空——没有东西作为介质传播声音，也无法通过对流和传导实现热传递。但根据量子物理学说，不确定原理导致空间任意位置都可能发生能量暂时变化，在宏观能量守恒的同时“凭空”产生大量随机、短暂存在的量子，即量子真空涨落。这一违背直觉的现象也逐渐在科幻作品中发展成为“狄拉克海”的概念，成为各种“无中生有”情节的理论基础。今年，来自加州大学伯克利分校和香港大学的研究通过巧妙的实验设计分别观测到了真空中的声音传递和非辐射热传递，这是继1996年卡西米尔效应获得验证后对量子涨落理论的又一批有力支持。相关成果对于微纳尺度的电子元件的设计和制造也具有指导意义。

　　谷歌完成“量子霸权”实验

　　2019年10月，美国科技巨头谷歌宣称使用一台由53个有效量子比特构成的处理器用约200秒完成了最新型传统超级计算机1万年才能完成的计算任务，研究成果刊登于《自然》杂志150周年特刊的封面，并官宣已经达成了里程碑式的“量子霸权”。“量子霸权”的概念最早于2012年由美国加州理工学院理论物理学家约翰•普里斯基尔提出，指用量子计算机解决传统电脑实际解决不了的问题。谷歌的研究成果一经发布，便引发了包括其竞争对手IBM公司、学界等各方代表的质疑，称所谓的1万年实际仅需2.5天，并没有达到“量子霸权”的门槛。谷歌此次实验成功的象征意义远大于其实际应用意义，核心价值在于提供了一份量子计算加速真实世界系统的可行性范本，预示了新型计算范式的来临。

　　机器人展现自我学习和更加灵活的能力

　　2019年1月，瑞士苏黎世联邦理工学院在《Science Robotics》上发表了一篇关于训练四足机器人ANYMAL的文章。文章中指出，ANYMAL不仅自身平衡能力更稳定，在被暴力踹倒之后，还能立刻翻转并站立起来，动作也像极了真实小狗的动作。换言之，ANYMAL与被植入了硬性程序的机器人不同，在深度强化学习的加持下，具有自我学习、自我升级的能力，能适应更多场景。此后，2019年11月，美国旧金山的非盈利组织——OpenAI 推出了一套AI系统Dactyl。该系统成功操控一个机器手让它灵活地翻转一块积木。这套神经网络软件能够通过强化学习，让机器手在模拟的环境中学会抓取并转动积木后，再让机器手进行实际操作。机器人增强了自身的平衡能力、学习能力和灵活性,就可以胜任更多的任务，如用于工厂室内或室外的场地检查等操作任务，在自然地形或碎片区域的搜索和救援任务中，也可发挥更大作用。

　　微纳机器人实现体内可控的临床实时成像

　　2019年的多项研究为临床应用微纳机器人进行深部组织成像、高效药物递送、体内自主可控等带来了全新思路。针对疾病诊治，以色列科学家在微纳机器人疾病指标检测方面取得了突破性进展。美国加州理工学院的研究人员基于光声断层扫描技术设计出了可实时成像引导控制的载药微纳机器人，外层微胶囊可使其在胃酸等流体的侵蚀下保持稳定，并且一经释放，其强大推进力将有效延长体内滞留时间，新开发的深部组织成像和控制功能将保障药物传递的高效性和精准性，具备强大的生物医学应用价值。随着技术的不断成熟，微纳机器人将逐步成为牵起人类与微观世界之间联系的纽带，在智能微手术、脑机接口、精准靶向无创治疗等领域具有广阔的应用前景，未来可能将颠覆糖尿病、心脏病、肿瘤等主要疾病的治疗方式，在全面革新现有医疗体系的同时有望大大延长人类寿命。

　　阿尔茨海默症治疗研究取得重要进展

　　阿尔茨海默病（AD）是一种最常见的老年性认知功能障碍疾病。平均每3秒钟，就多一位阿尔茨海默症患者，全球已经有数千万患者。目前，AD的确切致病原因还没有完全明确，但是科学家关于相关治疗靶点和关联因素的研究取得持续进展。2019年11月上海绿谷制药开发的药物GV-971获得国家药品监督管理局的有条件批准上市，成为17年来第一款获批用于治疗AD的药物。该药的作用机理是通过甘露寡糖二酸重塑肠道菌群，从而减少神经炎性细胞的积累。这一事件引发了国际上的广泛关注。总部位于芝加哥的阿尔茨海默病协会表示对该药的前景持谨慎乐观的态度，并建议应进一步针对药物作用机制和疾病之间的关系开展深入研究。绿谷制药计划于2020年分别在美国、欧洲和亚洲启动全球多中心III期临床试验，进一步获得其他国家监管审批所需支撑数据。

　　世界首个返老还童收费临床试验获批

　　端粒长度反映了细胞的复制潜能，其与衰老的相关性已经被领域内公认。围绕延长端粒长度的抗衰老研究在2019年又获重要进展。2019年10月西班牙国家癌症中心（CNIO）的研究人员发表于Nature Communications 杂志的一项研究成果创造了拥有超长端粒的小鼠，研究表明这些小鼠的寿命比正常小鼠平均延长了13%，而且患癌症的几率更小，体型更苗条，对胰岛素和葡萄糖的耐受性更强，线粒体功能也更好。2019年11月，美国Libella基因治疗公司获得哥伦比亚伦理委员会批准开展逆转衰老的收费临床试验。该临床试验拟通过基因手段将AAV病毒导入人端粒酶逆转录酶基因延长端粒长度，以期让人类逆转衰老20年。招募计划（计划招募5名45周岁以上参与者，每人收费100万美元），已被收录于美国临床实验数据库中。

　　肠道菌群中发现能够转换血型的酶

　　近年来，全世界都表现出对肠道菌群研究的高度热情，美国和欧盟分别启动了国家微生物组计划、人类微生物组计划和人类肠道宏基因组计划，期望通过对肠道微生物的基础研究推动更广泛领域的实际应用。随着研究深入，人们发现肠道微生物对营养物质代谢人体自身发育、免疫及其他器官疾病，甚至如糖尿病、肥胖等慢性病中，都起到了极其重要的作用，它们甚至影响了肿瘤治疗效果。2019年，人们在肠道中找到一种能够转换血型的酶。加拿大英属哥伦比亚大学的科学家们利用功能性宏基因组学技术，研究了不同血型人的粪便，并在粪便的细菌的遗传物质中筛选出肠道菌群中的一组能够转换血型的酶，即能够将其他血型的末端糖基去除转化为O型血的酶。这种酶提取工艺简单，具备全面工业化的基本条件，一旦通过安全性和可行性的验证，将成为肠道微生物对医学领域及生物学领域的重要贡献。

　　甲烷排放与全球变暖形成恶性循环

　　2019年初公布的一项研究结果表面，格陵兰岛一600平方公里的区域在融化期至少释放了6吨甲烷。相对于二氧化碳，甲烷的温室气体身份并未被公众的广泛认识。但相关研究表明，在100年尺度上，同样质量的甲烷累计所造成的温室效应影响（全球变暖潜能值，GWP）是二氧化碳的25倍；而在20年的尺度上，这一数字甚至可达二氧化碳的72倍。目前，在各国的共同努力下，全球二氧化碳的排放量正趋于稳定，然而大气中甲烷浓度仍然呈加速上升态势。21世纪以来大气甲烷浓度增长的速度加快了约二十倍。全球变暖趋势下冰盖加速融化，同时释放出大量甲烷进一步加剧了温室效应，这一恶性循环值得人类高度关注。

　　新型电池系统充电同时可捕捉二氧化碳

　　2019年10月，麻省理工学院（MIT）的研究人员开发了一种可在空气中捕捉二氧化碳的新型电池系统，这种电池在充电时将新鲜空气或原料气体吹入系统，在涂有名为聚蒽醌的特殊材料的电极表面发生电化学反应，吸收气体中的二氧化碳，在放电时则发生逆反应，释放出纯浓缩的二氧化碳。这一新型技术使碳捕捉技术获得革命性进展，所有过程无需加热、压力或化学输入，系统能效大幅提高，而且所捕捉的二氧化碳具有较高的纯度和稳定性，可供工业应用。未来几年，该技术有望实现规模化应用，且随着技术的进步，该电池系统若进一步向小型化和便捷化发展，其应用价值将大幅提高。

　　全球首座浮动核电站正式启航

　　2019年8月，由俄罗斯建造的全球首座浮动核电站“罗蒙诺索夫院士”号正式从俄西北部摩尔曼斯克港启航，历时3周时间，抵达位于俄远东地区楚科奇市的佩韦克港。该浮动核电站本质上是一个建在船上的核电站，寿命至少为36年，船上配备2座KLT-40S破冰型反应堆装置，每个反应堆可以产生35兆瓦电能和每小时140千兆卡热能，主要用来为俄罗斯及其偏远地区的工厂、城市，及海上天然气、石油钻井平台提供电能。海上浮动核电站由于处于远离陆地的海上，对陆地的生态环境不造成影响，具有环保和经济性。同时，其可移动的特性，也使能源供应具有极大的灵活性。但目前这种大型浮动核电站仍然会有碰撞和受到风暴影响时的安全风险，安全性仍有待提高。未来，浮动核电站可能会进一步向更小巧更精致的方向发展，灵活性和安全性将进一步提升。

　　本文刊登于2019年12月27日上观新闻“创新之城”栏目