兩院院士評(píng)選2024年中國(guó)/世界十大科技進(jìn)展，清華大學(xué)傳感芯片技術(shù)入榜（附全名單）

1月22日上午，由中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)工程院主辦的“兩院院士評(píng)選2024年中國(guó)/世界十大科技進(jìn)展新聞”在江蘇省南京市揭曉。

兩院院士評(píng)選的2024年中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞分別是：嫦娥六號(hào)首次在月球背面采樣并發(fā)布首批研究成果；我國(guó)科學(xué)家研制出世界首款基于原語(yǔ)的類(lèi)腦互補(bǔ)視覺(jué)芯片；我國(guó)首艘大洋鉆探船“夢(mèng)想”號(hào)正式入列；科學(xué)家研發(fā)出全球首個(gè)Pb級(jí)超大容量光盤(pán)存儲(chǔ)器；“天關(guān)”衛(wèi)星成功發(fā)射并獲系列成果；我國(guó)研究人員為無(wú)液氦極低溫制冷提供新方案；我國(guó)學(xué)者發(fā)表國(guó)際首個(gè)通用CAR-T治療成果；我國(guó)研制超級(jí)顯微鏡，首次全景“看到”大規(guī)模細(xì)胞交互行為；我國(guó)科學(xué)家在世界上首次觀察到凝聚態(tài)物質(zhì)中的引力子模；第二次青藏科考鉆取全球最長(zhǎng)山地冰芯并實(shí)現(xiàn)系列突破。

兩院院士評(píng)選的2024年世界十大科技進(jìn)展新聞分別是：科學(xué)家首次3D打印出功能性人類(lèi)腦組織；谷歌新量子芯片跨越精度里程碑；歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡公布首批科學(xué)成果，包括首張“宇宙地圖”照片；科學(xué)家繪制迄今最大腦基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)圖譜；超精確癌細(xì)胞3D圖譜問(wèn)世；首個(gè)雙語(yǔ)讀腦裝置讓失語(yǔ)者重新“開(kāi)口”；美“星艦”第五次試飛，“筷子”成功回收助推器；世界首例干細(xì)胞治療恢復(fù)人類(lèi)視力；全球首例人類(lèi)接受經(jīng)基因編輯的豬腎臟移植完成；長(zhǎng)效HIV預(yù)防針劑試驗(yàn)成功。

此項(xiàng)年度評(píng)選活動(dòng)至今已舉辦31次。評(píng)選結(jié)果經(jīng)新聞媒體廣泛報(bào)道后，在社會(huì)上產(chǎn)生了強(qiáng)烈反響，使公眾進(jìn)一步了解國(guó)內(nèi)外科技發(fā)展動(dòng)態(tài)，對(duì)普及科學(xué)前沿知識(shí)起到了積極作用。

其中，“2024年中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞”中的“我國(guó)科學(xué)家研制出世界首款基于原語(yǔ)的類(lèi)腦互補(bǔ)視覺(jué)芯片”，由清華大學(xué)類(lèi)腦計(jì)算研究中心團(tuán)隊(duì)研制，這是一款全面超越現(xiàn)有傳統(tǒng)圖像傳感器和神經(jīng)形態(tài)傳感器的視覺(jué)傳感器芯片，是智能感知芯片領(lǐng)域的一個(gè)重大突破。

該研發(fā)成果相關(guān)論文以《面向開(kāi)放世界感知具有互補(bǔ)通路的視覺(jué)芯片》（A Vision Chip with Complementary Pathways for Open-world Sensing）為題，被全球頂尖學(xué)術(shù)期刊《Nature》作為期刊封面文章發(fā)布。

同時(shí)，該成果也在第十一屆世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)上榮獲2024世界互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)先科技獎(jiǎng)。該獎(jiǎng)項(xiàng)由全球40多位頂尖專(zhuān)家評(píng)選，2024年共評(píng)選出20項(xiàng)，分基礎(chǔ)研究組、關(guān)鍵技術(shù)組和工程研發(fā)組三類(lèi)。清華大學(xué)精儀系類(lèi)腦團(tuán)隊(duì)“基于原語(yǔ)表示的類(lèi)腦互補(bǔ)視覺(jué)感知芯片”榮獲領(lǐng)先科技獎(jiǎng)（基礎(chǔ)研究組，共評(píng)選出3項(xiàng)）。

文末，附錄2024年中國(guó)/世界十大科技進(jìn)展新聞全名單及簡(jiǎn)介。

該新型視覺(jué)傳感器芯片長(zhǎng)什么樣？有什么特點(diǎn)？有什么優(yōu)勢(shì)？ 目前，我們主流中使用的視覺(jué)傳感器，主要是CMOS圖像傳感器和CCD圖像傳感器。 然而現(xiàn)有圖像傳感器在開(kāi)放世界中處理動(dòng)態(tài)、多樣化和不可預(yù)測(cè)的場(chǎng)景時(shí)，存在許多的不足，如向高速、高分辨率、大動(dòng)態(tài)范圍和高精度方向發(fā)展，受到功率和帶寬的限制。

論文通訊作者、清華大學(xué)精密儀器系教授施路平在媒體采訪(fǎng)中介紹，在開(kāi)放世界中，智能系統(tǒng)不僅要應(yīng)對(duì)龐大的數(shù)據(jù)量，還需要應(yīng)對(duì)如駕駛場(chǎng)景中的突發(fā)危險(xiǎn)、隧道口的劇烈光線(xiàn)變化和夜間強(qiáng)閃光干擾等極端事件。而傳統(tǒng)視覺(jué)感知芯片面對(duì)此類(lèi)場(chǎng)景往往出現(xiàn)失真、失效或高延遲，限制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

“該范式借鑒了人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)的基本原理，將開(kāi)放世界的視覺(jué)信息拆解為基于視覺(jué)原語(yǔ)的信息表示，并通過(guò)有機(jī)組合這些原語(yǔ)，模仿人視覺(jué)系統(tǒng)的特征，形成兩條優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、信息完備的視覺(jué)感知通路?！?/p>

與傳統(tǒng)圖像傳感器相比，人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)在開(kāi)放世界環(huán)境中以其多功能性、適應(yīng)性和魯棒性而脫穎而出。人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)將視覺(jué)刺激解釋為多種視覺(jué)，如顏色、方向和運(yùn)動(dòng)，并以互補(bǔ)的方式將其分配給腹側(cè)和背側(cè)通路。 當(dāng)前已有一系列模仿人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)特定特征的器件，包括硅視網(wǎng)膜、神經(jīng)形態(tài)視覺(jué)傳感器、脈沖頻率調(diào)制和近傳感器計(jì)算芯片等。然而，在有限的功率和帶寬的限制下，實(shí)現(xiàn)具有高空間分辨率、高速、高精度和大動(dòng)態(tài)范圍的圖像傳感器仍然存在挑戰(zhàn)。

因此，研究團(tuán)隊(duì)提出一種受人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)（HVS）多級(jí)特性啟發(fā)的互補(bǔ)感知范式，該范式涉及將視覺(jué)信息解析為基于視覺(jué)原語(yǔ)的表示，并通過(guò)有機(jī)組合這些原語(yǔ)，模仿人視覺(jué)系統(tǒng)的特征，形成兩條優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、信息完備的視覺(jué)感知通路：用于準(zhǔn)確認(rèn)知的面向認(rèn)知的路徑和用于快速認(rèn)知的面向行動(dòng)的路徑。 為了實(shí)現(xiàn)這一范式，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了世界首款類(lèi)腦互補(bǔ)視覺(jué)芯片「天眸芯」（Tianmouc），該芯片結(jié)合了混合像素陣列和并行異構(gòu)讀出架構(gòu)，利用互補(bǔ)視覺(jué)通路的特性，可以在極低的帶寬（降低 90%）和功耗條件下，實(shí)現(xiàn)每秒 10000 幀的高速、10bit 的高精度、130dB 的高動(dòng)態(tài)范圍視覺(jué)信息采集。它不僅突破了傳統(tǒng)視覺(jué)感知范式的性能瓶頸，而且能夠高效應(yīng)對(duì)各種極端場(chǎng)景，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。 下圖為類(lèi)腦互補(bǔ)視覺(jué)芯片「天眸芯」的測(cè)試系統(tǒng)。被處理的數(shù)據(jù)首先會(huì)傳輸?shù)?FPGA 版上，F(xiàn)PGA 板采集原始數(shù)據(jù)，然后通過(guò) PCIe 傳輸?shù)街鳈C(jī)，主機(jī)再負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，以完成測(cè)試等任務(wù)。

▲“天眸芯”（Tianmouc）芯片測(cè)試系統(tǒng) 基于Tianmouc 芯片，研究團(tuán)隊(duì)將其與自動(dòng)駕駛系統(tǒng)集成，展示了其即使在開(kāi)放道路上具有挑戰(zhàn)性的極端情況下也能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速和穩(wěn)健感知的能力。基于基元的互補(bǔ)傳感范式有助于克服為各種開(kāi)放世界應(yīng)用開(kāi)發(fā)視覺(jué)系統(tǒng)的基本限制。

“天眸芯”（Tianmouc）互補(bǔ)視覺(jué)芯片怎么設(shè)計(jì)？采用90nm CMOS背照式技術(shù)制造！ 在物理傳感系統(tǒng)中，想實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)傳感范式有幾個(gè)必須解決的挑戰(zhàn)。首先，設(shè)計(jì)像素陣列至關(guān)重要，這需要同時(shí)解析同一焦平面上相應(yīng)圖元的光電信息轉(zhuǎn)換。其次，兩條路徑的讀出架構(gòu)必須包含異構(gòu)構(gòu)建塊，這些構(gòu)建塊可以使用不同的數(shù)據(jù)分布和格式對(duì)電信息進(jìn)行編碼。 如圖 2 所示，「天眸芯」采用 90 nm CMOS 背照式技術(shù)制造，由兩個(gè)核心部分組成：

用于將光學(xué)信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的混合像素陣列；

用于構(gòu)建兩個(gè) CVP 的并行異構(gòu)讀出架構(gòu)。

受感光細(xì)胞的啟發(fā)，混合像素陣列包括錐體和桿體像素，具有不同的特性，如顏色、響應(yīng)模式、分辨率和靈敏度。這些像素可以將視覺(jué)信息解析為特定的顏色（紅色、綠色、藍(lán)色）和白色光譜，充當(dāng)顏色對(duì)立圖元。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)「天眸芯」的量子效率、動(dòng)態(tài)范圍、響應(yīng)速度、功率和帶寬等性能指標(biāo)進(jìn)行了全面的評(píng)估。該芯片在 COP 和 AOP 中均表現(xiàn)出較高的量子效率，530 nm 最高可實(shí)現(xiàn) 72% 的 AOP 和 69% 的 COP。「天眸芯」通過(guò)利用互補(bǔ)的 COP 和 AOP 中不同增益模式的動(dòng)態(tài)范圍來(lái)實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍。 可以說(shuō)，全面超越了現(xiàn)有的神經(jīng)形態(tài)傳感器和傳統(tǒng)圖像傳感器，同時(shí)仍能保持低功耗和低帶寬消耗。

以自動(dòng)駕駛為示例，“天眸芯”（Tianmouc）的表現(xiàn)有多強(qiáng)悍？ 「天眸芯」的互補(bǔ)感知范式為自動(dòng)化系統(tǒng)提供了巨大的想象空間，它可以作為感知算法的優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)源。為了在開(kāi)放世界場(chǎng)景中評(píng)估這些能力，研究人員開(kāi)發(fā)了一個(gè)集成「天眸芯」的汽車(chē)駕駛感知系統(tǒng)（圖 4a），以評(píng)估在開(kāi)放道路上行駛，涉及各種極端情況，例如強(qiáng)光干擾、高動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景、域偏移問(wèn)題（異常物體）和具有多個(gè)極端情況的復(fù)雜場(chǎng)景。

▲圖 4：開(kāi)放世界感知實(shí)驗(yàn)。

為了利用天眸芯架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，作者設(shè)計(jì)了一種多路徑算法，專(zhuān)門(mén)用于利用 AOP 和 COP 的互補(bǔ)特性。在感知層面，圖元的完整性使得原始場(chǎng)景的重建和對(duì)極端照明的適應(yīng)成為可能。同時(shí)在感知層面，AOP 提供對(duì)變化、紋理和運(yùn)動(dòng)的即時(shí)感知，而 COP 提供精細(xì)的語(yǔ)義細(xì)節(jié)。通過(guò)同步這些結(jié)果，我們可以讓 AI 系統(tǒng)全面了解場(chǎng)景。 圖 4b 所示的第一種場(chǎng)景評(píng)估了突然強(qiáng)光環(huán)境的感知能力，在光照快速變化的情況下，傳感器的魯棒性受到了考驗(yàn)。天眸芯對(duì)這種強(qiáng)光表現(xiàn)出了極強(qiáng)的適應(yīng)能力，同時(shí)在正常情況下也保持了較高的感知性能。對(duì)于實(shí)時(shí)高動(dòng)態(tài)范圍感知（圖 4c），兩條通路的互補(bǔ)靈敏度使天眸芯能夠感知高亮度對(duì)比度而不會(huì)犧牲速度。 在感知層面，AOP 上的高速光流濾波器補(bǔ)充了異常檢測(cè)能力，其中 AOP-TD 和 AOP-SD 之間的協(xié)作可以精確計(jì)算運(yùn)動(dòng)方向和速度以識(shí)別異常（圖 4d）。圖 4e 顯示了自然光照昏暗、交通環(huán)境混亂、人造光突然干擾的復(fù)雜場(chǎng)景，需要在采樣速度、分辨率和動(dòng)態(tài)范圍方面具有不同的感知能力。CVP 上的算法提供了互補(bǔ)和多樣化的結(jié)果，為這些場(chǎng)景中的進(jìn)一步?jīng)Q策提供了充足的空間。

根據(jù) mAP_0.50（平均精度），與圖 4 中所有情況下僅使用單一路徑相比，CVP 具有更優(yōu)的整體檢測(cè)性能。值得注意的是，它在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的同時(shí)消耗了不到 80 MB s^(-1) 的帶寬和 328 mW 的平均功耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，天眸芯可以有效適應(yīng)極端光環(huán)境并提供領(lǐng)域不變的多級(jí)感知能力。 天眸芯擅長(zhǎng)捕捉復(fù)雜的認(rèn)知細(xì)節(jié)，同時(shí)可對(duì)快速不可預(yù)測(cè)的突發(fā)情況和運(yùn)動(dòng)作出響應(yīng)。它提供高速、高動(dòng)態(tài)范圍和高精度，同時(shí)保持了自適應(yīng)低帶寬的特性。同樣重要的是，它的高可擴(kuò)展性允許通過(guò)先進(jìn)的制造工藝實(shí)現(xiàn)高級(jí)空間分辨率，從而促進(jìn)具有低功耗和帶寬要求的分辨率敏感應(yīng)用。作者認(rèn)為，新的范式為開(kāi)發(fā)用于開(kāi)放世界應(yīng)用的先進(jìn)計(jì)算機(jī)視覺(jué)理論、算法和系統(tǒng)開(kāi)辟了一條新途徑。

附錄2024年中國(guó)/世界十大科技進(jìn)展新聞全名單及簡(jiǎn)介

2024年中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞

01

嫦娥六號(hào)首次在月球背面采樣并發(fā)布首批研究成果

嫦娥六號(hào)首次在月球背面采樣。中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所供圖

6月25日，嫦娥六號(hào)任務(wù)首次完成人類(lèi)從月球背面采樣的壯舉，帶回1935.3克珍貴樣品，這對(duì)豐富人類(lèi)月球起源和演化認(rèn)知、更好地了解地球具有重要的科學(xué)價(jià)值。

11月15日，中國(guó)科學(xué)家利用這些月壤樣品做出的首批兩項(xiàng)獨(dú)立研究成果，同時(shí)刊登于《自然》和《科學(xué)》。兩項(xiàng)研究首次揭示月球背面約28億年前仍存在年輕的巖漿活動(dòng)，填補(bǔ)了月球玄武巖樣品在該時(shí)期的記錄空白。

研究還發(fā)現(xiàn)，月球背面42億年前存在來(lái)自富集克里普物質(zhì)源區(qū)的火山活動(dòng)，月海玄武巖的分布不僅受月殼厚度影響，月幔源區(qū)的物質(zhì)組成也是重要的控制因素，刷新了傳統(tǒng)認(rèn)知。

02

我國(guó)科學(xué)家研制出世界首款基于原語(yǔ)的類(lèi)腦互補(bǔ)視覺(jué)芯片

世界首款基于原語(yǔ)的類(lèi)腦互補(bǔ)視覺(jué)芯片。清華大學(xué)類(lèi)腦計(jì)算研究中心供圖

清華大學(xué)類(lèi)腦計(jì)算研究中心團(tuán)隊(duì)借鑒人類(lèi)視覺(jué)機(jī)制，提出了基于原語(yǔ)表示的多通路互補(bǔ)類(lèi)腦視覺(jué)感知新范式，將視覺(jué)信息拆解為基本原語(yǔ)，并有機(jī)組合成“認(rèn)知”和“運(yùn)動(dòng)”兩條優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、信息完備的通路，突破了傳統(tǒng)圖像傳感器無(wú)法滿(mǎn)足開(kāi)放環(huán)境中視覺(jué)感知的復(fù)雜需求的制約。

基于此，團(tuán)隊(duì)成功研制出類(lèi)腦互補(bǔ)視覺(jué)芯片“天眸芯”，降低90%帶寬，實(shí)現(xiàn)每秒10000幀、10比特、130dB的高速、高精度、高動(dòng)態(tài)范圍視覺(jué)感知，并發(fā)展了軟件、算法、數(shù)據(jù)集和系統(tǒng)，在自動(dòng)駕駛復(fù)雜開(kāi)放道路展示了優(yōu)異的性能。相關(guān)研究成果5月30日作為封面文章發(fā)表于《自然》。

03

我國(guó)首艘大洋鉆探船“夢(mèng)想”號(hào)正式入列

我國(guó)首艘大洋鉆探船“夢(mèng)想”號(hào)。廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局供圖

11月17日，我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造的首艘大洋鉆探船“夢(mèng)想”號(hào)在廣州正式入列。該船是國(guó)家“十四五”重大科技創(chuàng)新工程，最大鉆深11000米，是全球鉆探能力最強(qiáng)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)功能最全、智能化水平最高、綜合運(yùn)維成本最低的鉆探船。

“夢(mèng)想”號(hào)可執(zhí)行大洋科學(xué)鉆探、深海油氣勘探和天然氣水合物勘查試采等國(guó)家戰(zhàn)略任務(wù)，有望率先實(shí)現(xiàn)人類(lèi)“打穿地殼、進(jìn)入上地?！焙汀伴_(kāi)發(fā)地球深部資源”的夢(mèng)想，大幅提升我國(guó)“深海進(jìn)入、深海探測(cè)、深海開(kāi)發(fā)”能力，將為中國(guó)加快海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)、提高能源自主保障能力提供強(qiáng)大裝備保障。

“夢(mèng)想”號(hào)由國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、自然資源部負(fù)責(zé)建設(shè)，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局具體組織實(shí)施，中國(guó)船舶集團(tuán)建造、第七〇八研究所研發(fā)設(shè)計(jì)。

04

科學(xué)家研發(fā)出全球首個(gè)Pb級(jí)超大容量光盤(pán)存儲(chǔ)器

全球首個(gè)Pb級(jí)超大容量光盤(pán)存儲(chǔ)器示意圖。上海光機(jī)所、上海理工大學(xué)供圖

中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所和上海理工大學(xué)等科研單位，在超大容量超分辨三維光存儲(chǔ)研究中取得突破性進(jìn)展，對(duì)我國(guó)在信息存儲(chǔ)領(lǐng)域突破關(guān)鍵核心技術(shù)具有重大意義。

中國(guó)工程院外籍院士、上海理工大學(xué)教授顧敏，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員阮昊團(tuán)隊(duì)，上海理工大學(xué)、張江實(shí)驗(yàn)室教授文靜，研發(fā)出國(guó)際首創(chuàng)的雙光束調(diào)控?fù)诫s聚集誘導(dǎo)發(fā)光染料的有機(jī)樹(shù)脂薄膜超分辨光存儲(chǔ)技術(shù)；實(shí)現(xiàn)了突破光學(xué)衍射極限的雙光束寫(xiě)入和雙光束讀出的Pb量級(jí)光存儲(chǔ)；驗(yàn)證了記錄點(diǎn)尺寸為54納米、100層記錄、材料壽命大于40年的超分辨數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，單盤(pán)等效存儲(chǔ)容量相當(dāng)于8000張商用光盤(pán)或約100個(gè)普通商用硬盤(pán)。相關(guān)研究成果2月22日發(fā)表于《自然》。

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“天關(guān)”衛(wèi)星成功發(fā)射并獲系列成果

“天關(guān)”衛(wèi)星藝術(shù)圖。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)供圖

1月9日15時(shí)03分，我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心采用長(zhǎng)征二號(hào)丙運(yùn)載火箭，將“天關(guān)”衛(wèi)星（又名愛(ài)因斯坦探針衛(wèi)星）發(fā)射升空。4月27日，“天關(guān)”衛(wèi)星任務(wù)發(fā)布了首批在軌科學(xué)探測(cè)圖像，引導(dǎo)國(guó)際上多個(gè)光學(xué)和射電望遠(yuǎn)鏡、空間X射線(xiàn)天文臺(tái)開(kāi)展了后隨觀測(cè)。10月31日，“天關(guān)”衛(wèi)星正式在軌交付給中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)等科學(xué)用戶(hù)使用。

“天關(guān)”衛(wèi)星被視為“宇宙天體爆發(fā)的捕手”，能精準(zhǔn)捕捉到更加遙遠(yuǎn)和暗弱的暫現(xiàn)源與爆發(fā)天體，探尋來(lái)自引力波源的X射線(xiàn)信號(hào)，對(duì)研究恒星活動(dòng)、黑洞和中子星等致密天體的形成、演化、并合等過(guò)程具有重要科學(xué)意義。

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我國(guó)研究人員為無(wú)液氦極低溫制冷提供新方案

我國(guó)研究人員為無(wú)液氦極低溫制冷提供新方案。中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所供圖

中國(guó)科學(xué)院理論物理所/中國(guó)科學(xué)院大學(xué)研究員蘇剛、李偉，中國(guó)科學(xué)院物理所研究員孫培杰、博士后項(xiàng)俊森，以及北京航空航天大學(xué)副教授金文濤等聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，在鈷基三角晶格量子磁性材料中，發(fā)現(xiàn)了兼具固體和超流體特征的新奇量子物態(tài)—自旋超固態(tài)，這是首次在固體物質(zhì)中給出超固態(tài)存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。隨后他們發(fā)現(xiàn)自旋超固態(tài)可以導(dǎo)致巨磁卡效應(yīng)，通過(guò)磁場(chǎng)調(diào)控獲得零下273.056攝氏度的極低溫，實(shí)現(xiàn)了無(wú)液氦極低溫固體制冷。

目前團(tuán)隊(duì)基于該效應(yīng)已設(shè)計(jì)出新型低溫制冷器件，實(shí)現(xiàn)了亞開(kāi)溫區(qū)無(wú)液氦極低溫固體制冷。相關(guān)研究成果1月11日發(fā)表于《自然》。

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我國(guó)學(xué)者發(fā)表國(guó)際首個(gè)通用CAR-T治療成果

我國(guó)學(xué)者發(fā)表國(guó)際首個(gè)通用CAR-T治療成果。海軍軍醫(yī)大學(xué)供圖

海軍軍醫(yī)大學(xué)教授徐滬濟(jì)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合華東師范大學(xué)和上海邦耀生物科技有限公司的研究人員，使用一種革命性的嵌合抗原受體T細(xì)胞免疫療法（CAR-T）成功治療自身免疫病。這也是在國(guó)際上首次使用異體通用型CAR-T治療風(fēng)濕免疫性疾病，幫助3名風(fēng)濕免疫性疾病患者達(dá)到長(zhǎng)期緩解，為難治性風(fēng)濕免疫病的診治提供了新路徑。相關(guān)研究成果7月16日發(fā)表于《細(xì)胞》。

這一研究展示了異體通用型CAR-T細(xì)胞療法在有效性和安全性方面的巨大潛力，標(biāo)志著免疫性疾病的治療已進(jìn)入新階段。隨著未來(lái)研究的深入和臨床試驗(yàn)的擴(kuò)展，該療法有望為更多患者帶來(lái)福音。

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我國(guó)研制超級(jí)顯微鏡，首次全景“看到”大規(guī)模細(xì)胞交互行為

超級(jí)顯微鏡示意圖。清華大學(xué)供圖

生物體內(nèi)不同類(lèi)型細(xì)胞間每時(shí)每刻都在發(fā)生交互作用，對(duì)此進(jìn)行的研究被視為“介觀”尺度研究。

中國(guó)工程院院士、清華大學(xué)教授戴瓊海團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)出的新一代介觀活體顯微儀器RUSH3D，兼具厘米級(jí)三維視場(chǎng)與單細(xì)胞分辨率，可以每秒20次的高速三維成像速度，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)數(shù)十小時(shí)的全景連續(xù)低光毒性觀測(cè)。相關(guān)研究成果9月13日發(fā)表于《細(xì)胞》。

據(jù)悉，RUSH3D的研制與產(chǎn)業(yè)化填補(bǔ)了對(duì)復(fù)雜生命現(xiàn)象介觀尺度活體觀測(cè)的空白，標(biāo)志著我國(guó)在活體介觀是微成像領(lǐng)域處于國(guó)際前沿。目前，該儀器已支持國(guó)內(nèi)多所高校院所在腫瘤學(xué)、免疫學(xué)、腦科學(xué)等領(lǐng)域開(kāi)展系列創(chuàng)新性研究。

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我國(guó)科學(xué)家在世界上首次觀察到凝聚態(tài)物質(zhì)中的引力子模

圓偏振光探測(cè)量子液體中的類(lèi)引力子。南京大學(xué)供圖

南京大學(xué)教授杜靈杰團(tuán)隊(duì)聯(lián)合美國(guó)哥倫比亞大學(xué)、美國(guó)普林斯頓大學(xué)、德國(guó)明斯特大學(xué)研究人員，通過(guò)自主設(shè)計(jì)、組裝的極低溫強(qiáng)磁場(chǎng)共振非彈性偏振光散射系統(tǒng)，基于砷化鎵量子阱，在分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中首次觀察到引力子模。

該成果標(biāo)志著世界范圍內(nèi)首次在真實(shí)系統(tǒng)中觀察到具有引力子特征的準(zhǔn)粒子，同時(shí)為分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)全新的幾何描述提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)。盡管引力子模并非作為基本粒子的引力子，但該實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)為在凝聚態(tài)物質(zhì)中探索量子引力相關(guān)物理問(wèn)題開(kāi)辟了全新視野，也開(kāi)啟了從幾何視角研究強(qiáng)關(guān)聯(lián)量子體系的新方向。相關(guān)研究成果3月28日發(fā)表于《自然》。

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第二次青藏科考鉆取全球最長(zhǎng)山地冰芯并實(shí)現(xiàn)系列突破

科研人員在第二次青藏科考現(xiàn)場(chǎng)。中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所供圖

8月18日，我國(guó)啟動(dòng)第二次青藏科考“守護(hù)水塔：一原兩湖三江”重大活動(dòng)。科考聚焦全球中低緯度面積最大的普若崗日冰原，西藏第一大湖色林錯(cuò)和第二大湖納木錯(cuò)，以及長(zhǎng)江、怒江、雅魯藏布江，由10位國(guó)內(nèi)外院士領(lǐng)銜，首次在普若崗日冰原發(fā)現(xiàn)目前青藏高原最厚冰川，并創(chuàng)下長(zhǎng)達(dá)324米的全球最長(zhǎng)山地冰芯鉆探紀(jì)錄。

科考還開(kāi)創(chuàng)了多個(gè)首次，填補(bǔ)了我國(guó)該區(qū)域多項(xiàng)科學(xué)研究領(lǐng)域空白：利用系留浮空艇觀測(cè)季風(fēng)-西風(fēng)傳輸轉(zhuǎn)換過(guò)程，在冰原區(qū)鑒定出2個(gè)疑似新種和20多個(gè)區(qū)域新紀(jì)錄種，發(fā)現(xiàn)短期高原人群心功能易損期約為30天，在念青唐古拉山主峰附近發(fā)現(xiàn)稀有金屬鈹富集，在倫坡拉盆地開(kāi)展超千米鉆探。

2024年世界十大科技進(jìn)展新聞

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科學(xué)家首次3D打印出功能性人類(lèi)腦組織

研究流程示意圖。圖片來(lái)源于《細(xì)胞—干細(xì)胞》

美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的科學(xué)家首次3D打印出功能性人類(lèi)腦組織，它可以像傳統(tǒng)腦組織一樣正常生長(zhǎng)并發(fā)揮作用。相關(guān)研究成果2月1日發(fā)表于《細(xì)胞—干細(xì)胞》。

研究人員采用了水平疊層方案，將從誘導(dǎo)多能干細(xì)胞中培養(yǎng)出來(lái)的腦細(xì)胞置于柔軟的“生物墨水”凝膠中，最終培育出神經(jīng)元。打印的細(xì)胞通過(guò)介質(zhì)在每個(gè)打印層內(nèi)部和層之間產(chǎn)生連接，形成與人類(lèi)大腦相當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)。

這種3D打印技術(shù)不需要特殊的生物打印設(shè)備或培養(yǎng)方法來(lái)保持組織健康，并可以使用顯微鏡、標(biāo)準(zhǔn)成像技術(shù)和電極進(jìn)行深入研究?？茖W(xué)家認(rèn)為，這一突破對(duì)研究大腦，治療阿爾茨海默氏癥、帕金森氏癥等多種神經(jīng)和神經(jīng)發(fā)育疾病具有重要意義。

02

谷歌新量子芯片跨越精度里程碑

美國(guó)谷歌公司開(kāi)發(fā)的一款量子芯片Willow，首次實(shí)現(xiàn)了“低于閾值”的量子計(jì)算，這是尋求制造足夠精確且實(shí)用量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要里程碑。相關(guān)研究成果12月9日發(fā)表于《自然》。

過(guò)去幾年，包括IBM和亞馬遜的AWS在內(nèi)的多家公司和學(xué)術(shù)團(tuán)體已經(jīng)證明，糾錯(cuò)可以略微提高準(zhǔn)確性。2023年初，谷歌發(fā)布了一項(xiàng)研究成果，在Sycamore量子處理器中使用了49個(gè)量子比特，并在超導(dǎo)電路中對(duì)每個(gè)物理量子比特進(jìn)行了編碼。

Willow是該技術(shù)的改進(jìn)版本，其規(guī)模更大，擁有105個(gè)物理量子比特。谷歌量子計(jì)算部門(mén)負(fù)責(zé)人表示，Willow功能強(qiáng)大，可以在約5分鐘內(nèi)完成全球最大的超級(jí)計(jì)算機(jī)預(yù)計(jì)需要1025年才能完成的隨機(jī)電路采樣任務(wù)。

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歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡公布首批科學(xué)成果，包括首張“宇宙地圖”照片

歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡公布首批科學(xué)成果。圖片來(lái)源于ESA

5月23日，歐洲航天局（ESA）公布了2023年7月發(fā)射升空的歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡首批科學(xué)成果。其中一組科學(xué)圖像清晰展現(xiàn)了閃閃發(fā)光的星系團(tuán)、附近的螺旋星系，以及孕育著數(shù)十萬(wàn)顆年輕恒星的彩色星際氣體云。

此外，太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的一組拼接圖像捕捉到1400多萬(wàn)個(gè)星系，首次展示了“宇宙地圖”，增進(jìn)了人們對(duì)暗物質(zhì)和暗能量在宇宙結(jié)構(gòu)中所起作用的理解。這幅巨圖由260幅圖像拼接而成，是歐幾里得太空望遠(yuǎn)鏡繪制的迄今最大、最精確的宇宙地圖的第一次展示。

在接下來(lái)的6年里，歐幾里得太空望遠(yuǎn)鏡將自動(dòng)掃描大約1/3的夜空。研究人員預(yù)計(jì)，最終地圖將顯示約80億個(gè)星系，每個(gè)星系都有數(shù)十億顆恒星，跨越100億年的宇宙歷史。

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科學(xué)家繪制迄今最大腦基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)圖譜

5月24日，研究人員在《科學(xué)》《科學(xué)進(jìn)展》《科學(xué)報(bào)告》雜志上發(fā)表了15篇論文，宣稱(chēng)繪制出了迄今最大、最先進(jìn)的大腦基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)多維圖譜，詳細(xì)描述了協(xié)調(diào)大腦生物通路和細(xì)胞功能的許多調(diào)節(jié)元件。

這些論文按照幾個(gè)關(guān)鍵主題報(bào)告了研究結(jié)果，擴(kuò)展了先前的發(fā)現(xiàn)，探索了人類(lèi)大腦多個(gè)皮層和皮層下區(qū)域。這些大腦區(qū)域在一系列重要功能中起到了關(guān)鍵作用，包括決策、記憶、學(xué)習(xí)、情感、獎(jiǎng)勵(lì)處理和運(yùn)動(dòng)控制。

上述研究由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院資助，使用2500多名捐贈(zèng)者的死亡后腦組織，繪制了大腦發(fā)育不同階段和與多種大腦疾病相關(guān)的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

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超精確癌細(xì)胞3D圖譜問(wèn)世

10月30日，在發(fā)表于《自然》的12篇論文中，人類(lèi)腫瘤圖譜網(wǎng)絡(luò)（HTAN）的研究人員通過(guò)分析人類(lèi)和動(dòng)物組織的數(shù)十萬(wàn)個(gè)細(xì)胞，繪制了超精確腫瘤細(xì)胞3D圖譜，同時(shí)創(chuàng)建了能夠追蹤導(dǎo)致癌癥的細(xì)胞變化的“分子鐘”。

科學(xué)家分析了6種癌癥的131個(gè)樣本中的細(xì)胞組織，并使用“分子鐘”追蹤正常細(xì)胞如何在腸道中失控并增殖。他們使用單細(xì)胞分析和基因編輯工具CRISPR在每個(gè)細(xì)胞的DNA中生成突變，從而記錄了每個(gè)細(xì)胞變化和分裂的時(shí)間軸。科學(xué)家將這種方法應(yīng)用于418個(gè)人類(lèi)結(jié)腸息肉，發(fā)現(xiàn)高達(dá)30%的息肉起源于幾種細(xì)胞類(lèi)型。這些發(fā)現(xiàn)推翻了結(jié)腸癌起源于腸道內(nèi)壁單個(gè)流氓細(xì)胞的觀點(diǎn)，并可能為早期診斷和干預(yù)提供更多機(jī)會(huì)。

06

首個(gè)雙語(yǔ)讀腦裝置讓失語(yǔ)者重新“開(kāi)口”

5月20日，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)舊金山分校的研究人員在《自然—生物醫(yī)學(xué)工程》發(fā)表的一項(xiàng)研究稱(chēng)，與大腦植入物耦合的人工智能（AI）系統(tǒng)首次幫助一個(gè)無(wú)法正常說(shuō)話(huà)的人用兩種語(yǔ)言進(jìn)行交流。

這項(xiàng)研究只有一名綽號(hào)為Pancho的參與者，他的母語(yǔ)是西班牙語(yǔ)，在20歲中風(fēng)后學(xué)會(huì)了英語(yǔ)。研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)包含西班牙語(yǔ)和英語(yǔ)等模塊的AI系統(tǒng)，針對(duì)Pancho說(shuō)出的短語(yǔ)，根據(jù)第一個(gè)單詞區(qū)分英語(yǔ)和西班牙語(yǔ)的準(zhǔn)確率為88%，而解碼正確句子的準(zhǔn)確率為75%。

此外，研究人員分析大腦皮層直接記錄的信號(hào)后發(fā)現(xiàn)，有關(guān)西班牙語(yǔ)和英語(yǔ)的許多大腦活動(dòng)實(shí)際來(lái)自同一區(qū)域。這項(xiàng)研究為人們了解大腦如何處理語(yǔ)言提供了見(jiàn)解，并為無(wú)法口頭交流的人恢復(fù)多語(yǔ)言能力帶來(lái)了希望。

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美“星艦”第五次試飛 “筷子”成功回收助推器

“筷子”成功回收助推器。圖片來(lái)源于SpaceX

當(dāng)?shù)貢r(shí)間10月13日，美國(guó)太空探索技術(shù)公司新一代重型運(yùn)載火箭“星艦”實(shí)施第五次試飛?；鸺破髟诮德鋾r(shí)由發(fā)射塔上被稱(chēng)作“筷子”的機(jī)械臂“夾住”，首次實(shí)現(xiàn)在半空中捕獲回收，飛船濺落在印度洋。

“星艦”火箭總長(zhǎng)約120米，直徑約9米，由兩部分組成，第一級(jí)是長(zhǎng)約70米的“超級(jí)重型”助推器，第二級(jí)是“星艦”飛船，兩級(jí)均可重復(fù)使用。該火箭的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將人和貨物送至地球軌道、月球乃至火星。

這是“星艦”的第五次試飛。今年6月第四次試飛時(shí)，火箭第一、二級(jí)成功分離，分別按計(jì)劃落入墨西哥灣和印度洋。本次使用機(jī)械臂捕獲助推器的方式，有助更快地回收、重復(fù)使用助推器，提高“星艦”發(fā)射頻率。

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世界首例干細(xì)胞治療恢復(fù)人類(lèi)視力

日本大阪大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)世界首例誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）角膜移植手術(shù)。在接受手術(shù)的4名視力嚴(yán)重受損患者中， 3名在接受干細(xì)胞移植后，視力得到了持續(xù)一年多的顯著改善，另一名患者視力雖有所提高，但并不持續(xù)。相關(guān)研究成果11月7日發(fā)表于《柳葉刀》。

研究人員從健康的供體中提取血細(xì)胞，并重新編程為胚胎樣狀態(tài)，然后將其轉(zhuǎn)化為一層薄而透明的鵝卵石狀角膜上皮細(xì)胞。作為手術(shù)的一部分，該團(tuán)隊(duì)刮掉覆蓋在患者一只眼睛的受損角膜上的疤痕組織層，然后縫合來(lái)自供體的上皮細(xì)胞，并在上面放置一個(gè)柔軟的保護(hù)性隱形眼鏡。研究人員計(jì)劃2025年3月啟動(dòng)臨床試驗(yàn)，以進(jìn)一步評(píng)估這種方法的療效。

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全球首例人類(lèi)接受經(jīng)基因編輯的豬腎臟移植完成

3月16日，美國(guó)馬薩諸塞州總醫(yī)院的外科團(tuán)隊(duì)完成了全球首例人類(lèi)接受經(jīng)基因編輯的豬腎臟移植手術(shù)。接受豬腎移植的是一位名叫Richard Slayman的62歲終末期腎衰竭患者。該移植手術(shù)獲得了美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）的“同情使用”許可。

移植的腎臟取自一只小型豬，這只豬經(jīng)過(guò)了eGenesis公司科學(xué)家進(jìn)行的CRISPR-Cas9基因組編輯， 69個(gè)動(dòng)物基因被修改。這些編輯的基因組旨在防止捐贈(zèng)器官的排斥反應(yīng)，并降低器官中的病毒感染接受者的風(fēng)險(xiǎn)。

全球首例人類(lèi)接受經(jīng)基因編輯的豬腎臟移植手術(shù)的初步成功，讓研究人員燃起了對(duì)豬器官進(jìn)行更大規(guī)模臨床試驗(yàn)的希望。這樣的試驗(yàn)可能會(huì)將“異種移植”帶入臨床。

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長(zhǎng)效HIV預(yù)防針劑試驗(yàn)成功

6月20日，美國(guó)生物制藥公司吉利德公布，其研發(fā)的一年注射兩次的HIV-1衣殼抑制劑“Lenacapavir”（來(lái)那卡帕韋），在預(yù)防艾滋病毒（HIV）方面顯示出了100%的有效性。

《科學(xué)》認(rèn)為，該藥物的成功源于基礎(chǔ)研究的重大突破，即對(duì)其所靶向的HIV衣殼蛋白的結(jié)構(gòu)與功能有了全新的深入理解。鑒于許多病毒也擁有各自的衣殼蛋白，來(lái)那卡帕韋的成功應(yīng)用意味著，類(lèi)似的衣殼抑制劑有望對(duì)抗其他病毒性疾病。

預(yù)計(jì)監(jiān)管部門(mén)最早到2025年中期才會(huì)批準(zhǔn)來(lái)那卡帕韋，其價(jià)格尚未公布，因此能否加速終結(jié)艾滋病的流行尚未可知。美國(guó)國(guó)家過(guò)敏和傳染病研究所所長(zhǎng)Jeanne Marrazzo提醒，來(lái)那卡帕韋不能替代疫苗。