自驅(qū)動實(shí)驗(yàn)室使用算法和機(jī)器人來推進(jìn)材料科學(xué)的發(fā)展。
   圖片來源：加拿大多倫多大

【今日視點(diǎn)】

◎本報(bào)記者 劉 霞

從先進(jìn)的免疫療法到自驅(qū)動實(shí)驗(yàn)室，從生物修復(fù)到光子計(jì)算，英國《自然》網(wǎng)站在近日的報(bào)道中，列出了2025年值得關(guān)注的技術(shù)方向。這些技術(shù)圍繞可持續(xù)性和人工智能（AI）這兩大核心關(guān)鍵詞，將掀起新一輪創(chuàng)新浪潮。

自驅(qū)動實(shí)驗(yàn)室成重要助力

2024年，一個(gè)國際團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一系列新材料，可用于打造有機(jī)固態(tài)激光器。這項(xiàng)研究主要由全球以人工智能（AI）為主導(dǎo)的五個(gè)“自驅(qū)動”實(shí)驗(yàn)室完成。

加拿大多倫多大學(xué)計(jì)算化學(xué)家阿蘭·阿斯普如·古茲克是這項(xiàng)研究的主要作者之一。他表示，這些將現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)與AI算法相結(jié)合的自動化研究平臺，能夠高效完成復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，大幅加快新材料的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用進(jìn)程。

古茲克認(rèn)為，下一代自驅(qū)動實(shí)驗(yàn)室有望獲得更卓越的能力。去年11月，多倫多大學(xué)加速聯(lián)盟團(tuán)隊(duì)推出了ORGANA系統(tǒng)。該系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)視覺與大語言模型相結(jié)合，能夠自動化完成部分化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的任務(wù)，并可將科學(xué)家的口頭指令轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)流程。

古茲克也在積極探索步行機(jī)器人、計(jì)算機(jī)視覺等創(chuàng)新技術(shù)，以期進(jìn)一步擴(kuò)大自驅(qū)動實(shí)驗(yàn)室的能力范疇，使其能夠應(yīng)對氣候變化、流行病等重大挑戰(zhàn)。

CAR-T細(xì)胞療法日益“受寵”

嵌合抗原受體（CAR）T細(xì)胞療法是許多血癌的標(biāo)準(zhǔn)治療方法。這一療法的基本流程如下：醫(yī)生從病人身上提取T淋巴細(xì)胞后對其進(jìn)行體外基因改造，以增強(qiáng)其腫瘤殺滅能力，隨后再注射回病人體內(nèi)。對于某些類型的白血病、淋巴瘤和骨髓瘤，這一療法極為有用。

目前所有獲批的CAR-T細(xì)胞療法都靶向由B細(xì)胞表達(dá)的蛋白質(zhì)。過去幾年，針對實(shí)體瘤的CAR-T細(xì)胞療法也取得了重要進(jìn)展。例如，美國馬薩諸塞州總醫(yī)院團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出靶向某些腦腫瘤的T細(xì)胞，能夠快速縮小復(fù)發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞腫瘤。

靶向B細(xì)胞的CAR-T細(xì)胞療法也有望治療某些自身免疫性疾病。德國埃爾蘭根-紐倫堡大學(xué)風(fēng)濕病學(xué)家喬治·肖特領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，已經(jīng)治療了20多名狼瘡和其他自身免疫性疾病患者，迄今只有一例復(fù)發(fā)。

生物修復(fù)技術(shù)紛至沓來

英國倫敦布魯內(nèi)爾大學(xué)微生物學(xué)家羅南·麥卡錫領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，一直致力于研究利用微生物遏制微塑料污染。他們正在誘導(dǎo)塑料降解細(xì)菌在塑料碎片表面形成致密的生物膜，從而提升降解性能。

美國密蘇里大學(xué)化學(xué)家蘇西·戴則深入探究了白腐真菌降解致癌全氟和多氟烷基物質(zhì)的能力。其團(tuán)隊(duì)將真菌在由天然纖維組裝而成的人造植物狀支架中培養(yǎng)，纖維吸附環(huán)境中的污染物，真菌則對污染物進(jìn)行降解。

也有科學(xué)家致力于利用蛋白質(zhì)工程和其他進(jìn)化方法，以增強(qiáng)現(xiàn)有酶的性能。不過，監(jiān)管以及公眾對轉(zhuǎn)基因生物的擔(dān)憂值得科研人員深思。

生物基礎(chǔ)模型越來越強(qiáng)

基于大語言模型（LLM）的平臺，如ChatGPT等為全球數(shù)億用戶提供了從獲取信息到起草論文、軟件代碼等“一站式服務(wù)”?，F(xiàn)在，科學(xué)家希望借助生物學(xué)基礎(chǔ)模型獲得類似的能力。

這些生物學(xué)模型可以由基因組序列、基因表達(dá)等數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練。模型可執(zhí)行各種任務(wù)，從解釋新獲得的數(shù)據(jù)到設(shè)計(jì)定制的蛋白質(zhì)或通路。

2024年，多倫多大學(xué)計(jì)算生物學(xué)家推出了名為scGPT的基礎(chǔ)模型。它由約3300萬個(gè)人類細(xì)胞的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)訓(xùn)練而成，可以準(zhǔn)確地對不同組織中的細(xì)胞類型進(jìn)行分類，識別協(xié)同驅(qū)動不同生物過程的基因網(wǎng)絡(luò)，并可預(yù)測破壞性突變對基因表達(dá)模式的影響，從而助力新藥研發(fā)。

去年12月，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)家夏洛特·布恩等人提出了開發(fā)“虛擬細(xì)胞”的路線圖。它本質(zhì)上是一個(gè)基于RNA、DNA、蛋白質(zhì)等多個(gè)基礎(chǔ)模型構(gòu)建的復(fù)雜模型，或可為人類疾病研究、合成生物學(xué)和其他學(xué)科的發(fā)展提供強(qiáng)勁動力。

光芯片助力AI降耗增效

AI的快速發(fā)展對芯片的算力和能效提出了新的挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)電芯片相比，光芯片使用光子在波導(dǎo)中的傳輸特性執(zhí)行運(yùn)算，有望將算力和能效提升數(shù)個(gè)量級。

英國牛津大學(xué)材料學(xué)家哈里什·巴斯卡蘭表示，光芯片具有更快的并行處理能力，能夠提高推理任務(wù)的效率。

去年，巴斯卡蘭及其同事展示了兩種光芯片，并應(yīng)用于處理卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判別帕金森綜合征患者的步態(tài)信息和圖像分類。新型光芯片的算力不僅提升了兩個(gè)數(shù)量級，且能大幅降低系統(tǒng)能耗。

中國清華大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)也于去年推出了全球首款大規(guī)模通用智能光計(jì)算芯片——太極。它處理某些任務(wù)時(shí)的計(jì)算效率為最先進(jìn)的英偉達(dá)圖形處理單元的100倍，有望為大模型訓(xùn)練推理、通用AI、自主智能無人系統(tǒng)提供算力支撐。

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