盤點2019十大國際科技新聞，這是世界科學前沿的方向標
嫦娥四號著陸器地形地貌相機環(huán)拍全景圖（方位投影）。新華社發(fā)（國家航天局 供圖）
來源 | 科技日報，記者張夢然
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29日，由科技日報社主辦，部分兩院院士和媒體人士共同評選出的2019年國內(nèi)、國際十大科技新聞揭曉。
入選的2019年國際十大科技新聞分別是：中國“嫦娥四號”實現(xiàn)人類首次月背軟著陸；高度擴展的仿生物細胞機器人誕生；人類獲得首張黑洞照片；3D打印出會“呼吸”的人造器官；超導材料最高臨界溫度刷新；新癌癥疫苗讓CAR-T療法高效攻擊實體瘤；全球首座浮動核電站正式啟航；“量子霸權”實現(xiàn)：200秒完成萬年計算；“基因魔剪”升級，新基因編輯系統(tǒng)問世；“萬物DNA”材料讓存儲無處不在。
中國“嫦娥四號” 實現(xiàn)
人類首次月背軟著陸
月球之背，寧靜之地。
此處屏蔽了來自地球的各種無線電干擾信號，可以監(jiān)測到地面和地球附近的太空中無法分辨的電磁信號，為研究恒星起源和星云演化提供重要資料。所以天文學家一直希望利用這片寂靜去監(jiān)聽來自宇宙深處的微弱信號，但長久以來，從未有航天器登陸過月球背面。
今年1月3日，“嫦娥四號”探測器成功著陸在月球背面東經(jīng)177.6度、南緯45.5度附近的預選著陸區(qū)，并通過“鵲橋”中繼星傳回了世界第一張近距離拍攝的月背影像圖，實現(xiàn)了人類探測器首次月背軟著陸。
12月21日，著陸器受光照自主喚醒，按計劃繼續(xù)對月表線性能量轉移譜、綜合粒子輻射劑量及月表低頻射電特征開展有效探測工作。
靜靜的月背，太陽光照射在“嫦娥四號”著陸器上。繁忙的地面，在月背刻上中國足跡的青年人團隊，平均年齡僅為33歲。
高度擴展的
仿生物細胞機器人誕生
地球生物皆由細胞構成，而細胞集體運作能力的強悍與復雜，至今人們也不能說完全了解。可如果能夠在智能領域模擬出一定程度的細胞組合運動，并能輕易擴展，那么理論上，便可以利用大規(guī)模機器人創(chuàng)造出無限的可能。
美國哥倫比亞大學和麻省理工的科學家3月份報告了一種能模擬生物細胞集體遷移的機器人，25個物理機器人“粒子”，能移動、搬運物體以及向光刺激移動。
仿生物細胞機器人圖源：《自然》網(wǎng)站
有意思的是，單個機器人“粒子”并不能移動，但如果其中一個或幾個成員“喪失行動能力”，也不會對整體有大影響——在20%粒子失效的情況下，其仍能以完整狀態(tài)一半的速度運行。而在傳統(tǒng)機器人，單獨個體的缺失，往往會導致滿盤崩潰。
25個松散的“粒子”，可以輕易擴增為十萬個，這比此前傳統(tǒng)機器人和仿生系統(tǒng)具有更高的可擴展性，也為開發(fā)有預先確定性行為的大規(guī)模群體機器人系統(tǒng)，提供了全新途徑。
人類獲得
首張黑洞照片
在我們所有人頭頂，在幾乎每個大星系的中央，黑洞無聲無息地盤踞、吞噬、輻射。當天體物理學發(fā)展到一定程度，沒有任何一個文明可以對黑洞視而不見。
天文學家們?yōu)榇舜罱艘粡埿行羌売^測網(wǎng)——“事件視界望遠鏡（EHT）”，它比任何獨立設備都更了解黑洞，它還能達到足夠分辨率來區(qū)分光被拉入黑洞時的狀況。拜其成全，從來都無法直接觀察到的黑洞，此次“眼見為實”。
首張黑洞照片圖源：NASA官網(wǎng)
北京時間4月10日21時7分，全球6個城市（比利時布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國上海和臺北、日本東京、美國華盛頓）在同一時間公布了首張黑洞照片，揭示了室女座星系團中超大質量星系M87中心的黑洞。黑洞這一神秘天體，終于展露真容。
黑洞“現(xiàn)身”的同時，其中的物理現(xiàn)象還很可能為我們闡明廣義相對論和量子力學間的巨大矛盾——眾所周知，這二位“不和”已久，皆因我們找不到一種既是宏觀又是微觀的東西。而黑洞，恰好兼具大尺度宏觀形態(tài)和小尺度微觀量子理論的特性。
這就是科學的進步，既不會忽略小到無法體驗的粒子，也不會避開大到超乎你我想象的物體。
3D打印出
會“呼吸”的人造器官
“上上世紀的思想，上世紀的技術，本世紀的市場”，說的就是3D打印。
但在今年，這項已然不再新鮮的技術取得了具有里程碑意義的成果。5月，《科學》雜志封面報道了美國萊斯大學與華盛頓大學主導的研究，該團隊克服了3D打印器官的一大障礙，創(chuàng)造出一個由水凝膠3D打印而成的肺氣囊模型。
3D打印肺氣囊模型圖源：《科學》網(wǎng)站
這個模型，具有與人體血管和氣管結構相同的網(wǎng)絡結構，在體外模擬肺氣囊生理學功能，實現(xiàn)了往周圍血管輸送氧氣，完成了“呼吸”過程。而通常認為，只有3D打印的組織能像健康組織一樣“呼吸”，且構建出可與其他組織交互的管路系統(tǒng)，才可以說它在功能上已經(jīng)接近一個健康組織。
這項成果被認為代表了3D生物打印可實現(xiàn)的最強生理功能，它也意味著，未來的器官移植以及人類壽命延長等許多問題，都將可能得到解決。
超導材料
最高臨界溫度刷新
應用物理界有一個終極使命，就是尋找能在室溫下具有超導性的材料并將其用于生活中。
一般的材料在導電過程中會消耗大量能量，而超導體在傳輸中幾乎沒有耗損，還能在每平方厘米上承載更強的電流。但目前，超導材料只有在低溫環(huán)境下才會具有超導性。
超導材料最高臨界溫度刷新圖源：《自然》網(wǎng)站
今年5月，美德兩國科學家團隊在《自然》上發(fā)文稱，其所觀察到的3個特征已可證明，在250K（約為-23℃）的溫度下，氫化鑭在超過100萬倍地球大氣壓下會變成超導物質。
而250K，是迄今為止超導材料中證實的最高臨界溫度，其距離室溫的295K已并不遙遠。
值得注意的是，在2018年，已有兩個獨立研究小組同時發(fā)布對壓縮氫化鑭化合物超導性的理論預測，并指出了其臨界溫度范圍值。這一從“預測”到“驗證”的過程表明，人類對超導材料的研究可能進入了一個新階段——從靠經(jīng)驗規(guī)則、直覺或運氣發(fā)現(xiàn)超導體，向由具體理論預測指導研究過渡。
新癌癥疫苗
讓CAR-T療法高效攻擊實體瘤
誓要向癌癥進軍的CAR-T療法，還缺一副鎧甲?，F(xiàn)在，“抗癌疫苗”可做其鎧甲。
在人類與癌癥抗爭的歷史長河中，CAR-T療法獨占鰲頭。這名字中的T，是指從患者體內(nèi)分離出免疫T細胞，再在體外對這些細胞進行基因改造，給它們裝上識別癌細胞表面抗原的“嵌合抗原受體”——即名字中的CAR。
設計新型疫苗以增強CAR-T細胞。圖源：《科學》
該明星療法被認為徹底地改變了癌癥治療格局，但卻有一定局限——僅能治療某些類型的白血病。但今年7月，麻省理工學院科學家們在《科學》雜志上發(fā)表了題為“利用疫苗增強CAR-T細胞治療實體瘤的療效”的研究。他們開發(fā)出新型“抗癌疫苗”，可以讓CAR-T細胞對實體腫瘤進行攻擊，極大提高CAR-T療效，最終可清除60%的小鼠體內(nèi)的實體瘤，此外還能刺激免疫系統(tǒng)產(chǎn)生記憶T細胞，防止腫瘤復發(fā)。
這項開創(chuàng)型的研究，不啻于為千萬人帶來希望，而對研究者來說，它為對抗實體瘤的攻堅戰(zhàn)提供了新思路。
全球首座浮動
核電站正式啟航
20870型“羅蒙諾索夫院士”號浮動核電站，是移動式低功率核電機組的首型號，也是世界上最北端的核裝置。
浮動核電站本質上就是一個建在船上的核電站，因其安全性和經(jīng)濟性獲得各國廣泛持續(xù)關注，被認為是最理想的海洋能源開發(fā)保障。8月23日，“羅蒙諾索夫院士”號從俄羅斯北極不凍港摩爾曼斯克港啟航，9月抵達楚科奇地區(qū)的佩斯韋克市，隨后連接到電網(wǎng)。
首座浮動核電站圖源：俄羅斯衛(wèi)星通訊社
12月份，浮動核電站開始試運行。等正式運營后，它將能替代當?shù)匾蛔懮虾穗娬竞突鹆﹄娬镜陌l(fā)電產(chǎn)能。這座浮動式核電站在設計時留有了很大的安全余量，兩臺KLT-40S反應堆能產(chǎn)生高達70兆瓦的電功率，可以滿足一個10萬人口城鎮(zhèn)的能源所需。
“羅蒙諾索夫院士”號啟航，標志著俄羅斯在該領域取得實質性突破?，F(xiàn)在，俄國家原子能公司正在研制第二代浮動式核電站，將成為解決北極等特殊地域能源供應的重要選項。
“量子霸權”實現(xiàn)：
200秒完成萬年計算
當量子計算在某些任務上擁有超越所有傳統(tǒng)計算機的計算能力，就是“量子霸權”。
9月，谷歌發(fā)表題為《使用可編程超導處理程式的量子優(yōu)勢》的文章，宣布其實現(xiàn)“量子霸權”：一臺可編程量子計算機超越了最快的經(jīng)典超級計算機。該量子系統(tǒng)只用了約200秒，就完成了經(jīng)典計算機大約需要1萬年才能完成的任務——而這里慘敗的對手，是目前世界排名第一的超級計算機、美國能源部橡樹嶺國家實驗室的“Summit”。
谷歌的量子處理器芯片圖源：《科學》網(wǎng)站
秒殺經(jīng)典計算機業(yè)界翹楚，這一成就被視為量子計算的重大里程碑事件，“對世界領先的超級計算機實現(xiàn)量子霸權，無疑是一項了不起的成就”。
但也要看到，從實用的量子計算系統(tǒng)再到通用可編程的量子計算機，其路漫漫。在量子計算機投入實際應用前，還需開展更多工作，譬如，實現(xiàn)可持續(xù)的容錯運算。
“基因魔剪”升級，
新基因編輯系統(tǒng)問世
CRISPR-Cas這把“基因魔剪”的潛力，一直受到難以進行精確修飾的限制。
近年來，我們看到基因組編輯技術取得了重要進展，但是已知的約75000個人類病理性遺傳變異體，大部分仍無法得到有效修正——受到復雜細胞過程的影響，CRISPR-Cas在精度和效率上并不完美。
基因組編輯的演變圖源：《自然》網(wǎng)站
但現(xiàn)在，許多研究工作正集中將不完美平衡為一種精確的編輯。今年10月，美國博德研究所等機構的科學家在《自然》發(fā)文稱，他們開發(fā)出新型多功能基因組編輯技術，可以精確地編輯基因，而不造成DNA雙鏈斷裂。其比傳統(tǒng)Cas9效率更高、副產(chǎn)物更少、脫靶率更低。
這項新技術名為“先導編輯”，原則上，其可以修正約89%的已知與疾病相關的人類遺傳變異體。
基因組編輯的最終目標，就是能夠對生命藍圖做出任何特定的改變。而一種用于基因組編輯的“搜索和替換”方法，使我們朝著這一宏偉目標邁出了一大步。
“萬物DNA”材料
讓存儲無處不在
人們隨口就說“數(shù)據(jù)暴漲”這個詞，但你我只是轉手去買塊新硬盤，但對技術人員來說，數(shù)據(jù)量的不斷增加、既有存儲架構的不足，是恐懼之源。
傳統(tǒng)存儲方式難以為繼。幸好，我們還有“更傳統(tǒng)的”——依靠自然界神奇而精巧的生物存儲。有人研究過，DNA信息儲存密度為一千萬TB/立方厘米。在這種密度下，一個大約一米長的DNA立方體，就能滿足目前世界上一年的信息儲存需求。而且，它如此穩(wěn)定。
用“萬物DNA”特殊材料3D打印的兔子
圖源：《自然·生物技術》
今年12月，哥倫比亞大學著名專家、以色列計算遺傳學家亞尼夫·埃爾利赫與蘇黎世聯(lián)邦理工學院報告了一種運用“萬物DNA”特殊材料3D打印出來的“兔子”，該材料包含了用以合成DNA編碼的兔子藍圖。之后，原始兔子所含的DNA被解碼，并穩(wěn)定復制了五代兔子。這種新的存儲架構，意味著DNA存儲的潛力又被進一步拓展。
而今年稍早時間，美國微軟與華盛頓大學也聯(lián)合公布了全球首個全自動DNA數(shù)據(jù)存儲和檢索系統(tǒng)。這是人類首次采用全自動手段去進行DNA存儲。全自動的合成和讀取，不但有助于推動規(guī)模化并降低成本，還將是DNA存儲技術從實驗室走向商業(yè)數(shù)據(jù)中心的關鍵步驟。
注：本文轉載自公眾號“科技日報”，記者張夢然。
