作者:李惠钰 赵广立 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2016/12/26 20:42:31
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5G、VR……十大前沿科技燃爆2016

 

编者按:人工智能、虚拟现实、量子计算、5G通信……2016年不了解这些词汇背后的科技,“朋友圈”都混不下去。今天,技术经济周刊编辑部整理了我们在2016年报道的10个前沿头条,一起回顾下“火”遍2016年的酷炫科技。

人工智能:IT领域的技术革命

2016年,出现频率最多的关键词非人工智能莫属。因为在这一年,有太多本以为还不会出现的科技,却因人工智能而一一实现了。

不得不提的就是今年3月发生的大事件:谷歌AlphaGo打败人类围棋世界冠军李世石。围棋一直被视为人工智能技术难以攀登的一座高峰,世纪人机大战的结果告诉我们,AlphaGo达到的里程碑比人工智能专家预期的还要提早了10年。

我们时常接触的Siri和类似的语音助手也是很好的例子。今年6月的苹果开发者大会WWDC上,苹果宣布在iOS 10开放了Siri的接口,这意味着用户终于可以通过Siri来调用第三方App来做事情了。语音识别就好比“机器的听觉系统”,让机器通过识别和理解,把语音信号转变为相应的文本或命令。国内的科大讯飞、思必驰等厂商都在研发语音识别新策略、新算法,人类与语音的自然交互渐行渐近。

类脑计算被认为是人工智能的突破口,类脑智能就是以计算建模为手段,受脑神经机理和认知行为机理启发,并通过软硬件协同实现的机器智能。中国工程院院士、指挥自动化和人工智能专家李德毅告诉《中国科学报》记者,开发出像人类大脑一样聪明且具有学习能力的机器人是人工智能的目标,但解开脑科学仍属于世界级难题。一旦探索生物脑和电子脑并且形成“杂交优势”,将来的前景会势不可挡。

量子计算:研制已到关键期

如今,全球正在掀起一场“量子技术热”,而一个主流共识是,量子计算和量子计算机是量子信息技术领域最重要的方向。

中国科学院院士、中科院国家数学与交叉科学中心主任郭雷在中国科学院学部“科学与技术前沿”论坛上强调了量子计算机的战略地位:“量子计算机的研制已经列入世界高新技术的战略制高点,成为科技强国崛起的重中之重。量子计算机必将掀起一场划时代革命,一旦人类掌握这种运算工具,人类文明将会发展到一个崭新时代。”

如果研制出真正的通用量子计算机,那么它的诞生的确对经典计算机有压倒性优势。特别是在超并行计算能力方面,量子计算机大幅优于经典计算机。例如,求一个300位数的质因数,目前最好的经典计算机可能需要上千年的时间来完成,而量子计算机理论上可以在几小时甚至几分钟内完成。特别是在核爆模拟、密码破译、材料和微纳制造等领域,量子计算具有突出优势,是新概念高性能计算领域公认的发展趋势。

“如果把经典超级计算机比作常规导弹,量子计算机就好比核弹头。”中国科学院院士、中科院量子信息重点实验室主任郭光灿形象地说。不过,中国在量子计算机方面的研究才刚刚起步。

“量子计算机已经从开始大家怀疑的‘能不能做出来’到了‘早晚能做出来’的阶段,而且快则10年、15年就会实现。因此,量子计算机研制已经到了一个关键时期。”郭光灿说。

5G:通信产业的再一次变革

在近日举办的广州中国移动全球合作伙伴大会上传来好消息,由于中国移动的大力推动,5G网络实现商用的节点要比原计划提前三到四年的时间。

据悉,中国移动已经在技术研发、企业合作、标准制定等方面取得了突破性的进展,5G网络有望于2020年正式进入商用阶段,与韩国、日本、美国等发达国家同步。5G网络的脚步已经越来越近,距离落地应用的最后时刻已为时不远。

5G网络作为第五代移动通信网络,其最高理论传输速度可达每秒数十Gb,这比4G网络的传输速度快数百倍,整部超高画质电影可在1秒之内下载完成。据了解,5G技术研发试验将在2016—2018年进行,分为5G关键技术试验、5G技术方案验证和5G系统验证三个阶段实施,最终到2018年完成5G系统的组网技术性能测试和5G典型业务演示。

“从4G到5G,同样有两个非常重要的标志性的技术更新,一是绝对速率变快了;二是新一代应用也会随之产生。”美国高通公司工程技术副总裁范明熙对《中国科学报》记者介绍,5G技术的应用将直接推动移动物联网的产生,“基于移动物联网有两套非常重要的技术。一个是低时延,比如工业控制和车载网,对安全性要求很高,要有可靠性的业务控制和关键技术服务。二是大规模海量物联网,这里需要有各种连接,同时每个终端存在的寿命会很长,如何既降低功耗,又能把许多不同的需求放在统一的平台上,这是5G将会带来的改变。”

E级超算:超算的“下一顶皇冠”

人类对宇宙探索的好奇心以及对问题规模和精度的追求,决定了人们对超级计算能力的需求“不会止步”。在百P超算实现之后,E级超算,也就是百亿亿次超级计算机,将成为世界各国争夺的“下一顶皇冠”。

争夺近在眼前。“神威·太湖之光”成为世界最快超级计算机后,美国、日本、欧洲等国先后制定了自己的E级超算研发计划,并将相应计划的完成时间表设定在了2020—2022年。中国也将百亿亿次超级计算机及相关技术的研究写入了国家“十三五”规划,同时也希望在2020年左右实现。

不过,百亿亿次超级计算机的建造难度并不仅仅在于速度的提升。中科院计算所研究员、中国计算机学会高性能计算专委会秘书长张云泉介绍说,研发E级超算实际上面临着编程墙、功耗墙、可靠性墙和存储墙几个“大墙”的围堵,如何越过这几堵墙,面临很大的挑战。

在“神威·太湖之光”以自主芯片和操作系统获得接近十亿亿次的计算速度之后,中国看到了自主研发E级超算的希望和曙光。在国家“十三五”高性能计算专项课题中,我国公示出了三个分别由中科曙光、国防科技大学以及江南计算技术研究所牵头的E级超算的原型系统研制项目。

张云泉认为,“神威·太湖之光”的成功已经为我国向E级超算迈进打下了一个坚实的基础,只要做好人才、资源、经费和材料的储备,冲击E级超算指日可待。

区块链:金融科技新蓝图

“区块链技术”被誉为是将会颠覆传统金融模式的网络技术,2016年,它成为科技界和金融圈里最时髦的名词。央行行长周小川在今年2月表示,区块链技术用于数字货币在考虑范围内,这被认为是国内区块链产业的“时机”到了。

从本质上说,区块链是一种交易协议,它之所以让人遐想无限,是因为其作为新型的底层信息技术,具备数据公开透明、信息安全程度高、可追述性强等诸多优势,有望改变互联网治理模式,推动互联网成为新型信用基础设施,实现价值的有效传递。

北京航空航天大学计算机学院教授蔡维德对《中国科学报》记者表示,目前区块链技术主要指通过特殊的算法、加密手段保证网络中数据库的一致性、安全性及可维护性。《经济学人》则对区块链做了更为形象的比喻:它是“一台创造信任的机器”,让人们在互不信任并没有中立中央机构的情况下,能够做到互相协作。

为了积极引导我国区块链技术和应用发展,10月18日,在工业和信息化部信息化和软件服务业司及国标委的指导下,《中国区块链技术和应用发展白皮书(2016)》正式亮相,区块链技术迎来了第一个官方指导文件。《白皮书》认为,区块链典型的应用包括金融服务、供应链管理、文化娱乐、智能制造、社会公益、教育就业6个场景。

然而,不论从技术成熟度还是市场接受能力来看,区块链技术的发展仍是任重而道远。

虚拟现实:科技界的璀璨新星

2016年,科技界的新宠——虚拟现实技术(VR)热得发烫,PokemonGo风靡全球、国家发展改革委提出将专项建VR/AR国家工程实验室、国家主席习近平在G20峰会上强调发展VR技术、京东战略布局VR购物、百度VR浏览器上线……

VR指借助计算机及先进的传感器技术创造的一种崭新的人机交互形式,是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真,使用户沉浸到该环境中,包括模拟环境、多感知传导、自然技能等各方面,多用于游戏、旅游、体育、环保等领域。

在游戏领域,用户可以通过VR技术体验惊悚的恐怖游戏,足不出户看遍世间鬼屋,也可以跟自己敬仰的球星同台竞技。通过虚拟现实,用户还可以在家零距离观看偶像的演唱会。

不过,大部分人对VR的观念仍局限在“魔镜”“头盔”“眼镜”等游戏或影音产品上,实际上VR在现代科技领域中的应用不只于此。面对工业应用,VR也展开了“怀抱”,其能够贯穿于整个工业生产制造环节,包括初期的市场研究、造型开发、工程开发以及市场开发阶段。

9月29日,国内VR企业迎来“大日子”:虚拟现实产业联盟正式成立。工业和信息化部总工程师张峰表示,VR已经处于产业爆发的前夕,世界主要国家和地区已经将VR提升到战略高度,积极布局谋求主动。我国必须要把握战略窗口机遇期,以VR带来的广阔前景为契机,一手抓产业发展,一手抓安全保障,实现VR产业快速健康发展。

智能传感器:以硬件与环境交互

随着智能化时代的到来,传感器作为智能设备的基础,在工业、食品、医疗等领域发挥越来越重要的作用。这意味着,信息时代的发展进度将取决于传感器的技术创新。

2016年,传感器领域“黑科技”不断涌现。中国科学院深圳先进技术研究院医工所超声研究团队就发明了一种新型声子晶体高精度微量液体传感器。进一步的理论设计和声子晶体传感器实验证实,该狭缝声子晶体系统可用于对微量液体的声速和密度进行同时传感,且当液体声速和密度变化趋势相反时,该传感器灵敏度最高;中科院苏州纳米所陈韦研究团队发明出一种基于离子压电效应的可穿戴离子型无源力学传感器,并且实现了对于人体多尺度多维活动的实时监测。

随着MEMS、激光技术、高科技材料等的技术进步,传感器的研发呈现多样化的趋势,有的利用生物材料模拟人类皮肤,创新传感器的触觉;有的利用MEMS技术研发微型智能化传感器,从而有利于复杂系统的集成;有的利用高精度的激光技术创造激光雷达,从而利于系统实时感知周边障碍物与环境等。

“传感器是设备感受外界环境的重要硬件,决定了装备与外界环境交互的能力,是设备智能化的硬件基础,尤其在很多智能设备中,传感器决定着设备的核心能力。”中国工程院院士、清华大学副校长尤政表示,“传感器的创新发展是国家创新驱动发展战略下信息化发展的关键。”

基因编辑:基因革命的第二波热潮

4月21日,《自然》杂志在线发表了哈尔滨工业大学生命学院教授黄志伟的研究论文。该研究在国际上首次揭示了世界上最新发现的基因编辑系统CRISPR-Cpf1识别crRNA以及剪切pre-crRNA机制。该发现将实现对DNA的目的基因进行“关闭”“恢复”和“切换”等精准操作,将人类战胜癌症等疑难疾病梦想向前推进一大步。

黄志伟团队通过结构生物学和生化研究手段首次揭示了CRISPR-Cpf1系统的关键工作机理,对认识细菌如何通过CRISPR系统抵抗病毒入侵的分子机理具有重要科学意义。该系统与原有基因编辑技术有两点不同,即剪辑机制不一样,识别位点不一样,对日后优化该基因编辑系统意义重大。据悉,Cpf1也是目前解析的世界上唯一一个具有核酸序列特异性且同时具有DNase和RNase活性的核酸酶。

同样是基因编辑技术,河北科技大学副教授韩春雨领衔的NgAgo基因编辑技术因无法重复而备受质疑。11月15日,国内外20名学者共同署名,在由高等教育出版社、北京生科院和中国生物物理学会联合创办的国内期刊Protein Cell以Letter形式在线发表了题为“Questions about NgAgo”的质疑文章。此举又将基因编辑的关注度推向了又一个高峰。

总之,随着生物技术突破性的变革及科学家们不断的努力,新的基因编辑技术不断涌现出来,一系列基因治疗的应用领域,如艾滋病、血液病、肿瘤及其他多种遗传性疾病,都展现出极大的应用前景。

第三代测序:精准医疗的入口

精准医疗主要包括精准诊断和精准治疗两部分。作为精准诊断的关键,基因测序已成为当仁不让的精准医疗的入口。2016年,科学家们首次利用第三代测序技术成功确定了二代测序未能检测到的致病性大片段缺失突变,最终确诊了一种罕见遗传病。

第三代测序技术是指单分子测序技术,DNA测序时不需要经过PCR扩增,实现了对每一条DNA分子的单独测序。南方科技大学副教授、深圳市瀚海基因生物科技有限公司创始人兼CEO贺建奎告诉《中国科学报》记者,相比第二代测序,第三代测序技术在临床上的应用有明显优势:不需PCR扩增,可直接对单个分子进行测序;样品制备简单,测序成本进一步降低;可直接读取RNA的序列和包括甲基化在内的DNA修饰。这些优势可以大大改善临床基因测序的成本、速度和质量。

目前,单分子测序平台可以广泛应用于无创产前诊断、肿瘤早期无创诊断、胚胎植入前遗传学筛查、病原体检测和遗传病基因变异检测等。此外,对于诸如埃博拉病毒等重大暴发性传染病的应用领域,第三代或第四代(纳米孔分子测序)测序技术的应用,更是能够第一时间让病毒现出原形,从而为重大传染病防控提供科学依据。

第三代基因测序极大地改善了基因测序的成本、速度和质量,这项技术得到了行业领域内的高度评价。尽管第三代测序技术优势多多,但并不意味着单分子测序无所不能,也并非毫无瑕疵。贺建奎告诉记者,目前第三代测序并不能取代二代测序,而是作为对其的一种补充,共同发展。

细胞重编程:返老还童有望成真

美国和西班牙两国科学家12月15日在美国《细胞》杂志上发布报告说,借助一种叫细胞重编程的技术,他们成功逆转小鼠的一些衰老症状,并将其中患早衰症的小鼠寿命延长了30%。

细胞重编程是通过引入4种转录因子,将成体细胞转化为诱导多能干细胞。诱导多能干细胞具有与胚胎干细胞一样的分化为各类细胞的能力。细胞重编程用途广泛,其中一项就是被用来逆转衰老,但此前研究中的实验小鼠不是早死,就是患癌。

为避免早衰或患癌等副作用,研究人员本次使用了部分重编程技术。细胞重编程一般需用2~3周时间,才能让成体细胞转化为诱导多能干细胞,但他们只利用上述转录因子重编程2~4天,因此获得的并不是诱导多能干细胞。实验显示,经过这种方法处理后,成体皮肤细胞仍然还是皮肤细胞,但细胞中的衰老迹象却减轻了。

同样是利用细胞重编程技术,此前,中国科学院生物物理研究所刘光慧实验室与美国国立卫生研究院国家癌症研究所Tom Misteli研究组合作,通过筛选具有逆转人类细胞衰老潜能的基因,发现转录因子NRF2介导的细胞抗氧化通路的紊乱是导致细胞衰老的驱动力。

此外,上述研究人员还通过筛选具有激活NRF2通路功能的小分子化合物,发现一种用于治疗脂肪肝的NRF2激动剂奥替普拉可以延缓间充质干细胞衰老的进程,并提高其体内活性。该研究成果于6月2日发表在Cell杂志上。

(本报记者李惠钰、赵广立整理)

 
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