来源:中国科学报 发布时间:2016/6/2 8:20:39
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中国工程院外籍院士畅谈前沿工程科技

李瑜摄

科学与工程的深度融合,为人类社会带来了巨大福祉。未来,这样的融合又将释放出怎样的能量?

6月1日,在中国工程院全院学术报告会上,来自不同研究领域的8位中国工程院外籍院士,与在场院士分享、交流了一系列工程科技领域的前沿学术成果。本报选取其中部分报告内容,以飨读者。

中国工程院外籍院士裴正康:

用精准医疗给白血病患儿更好的生活

 


 

裴正康倪思洁摄

■本报记者 倪思洁

6月1日,国际儿童节,但中国工程院外籍院士裴正康的心里却不太好受。

“早晨,我接到了一个消息,14年前我们治疗的白血病患儿,今天不幸辞世了。”在中国工程院第十三次院士大会全院学术报告会的演讲中,裴正康低声说。

裴正康告诉在场的听众,当代,微小残留病疗法和支持性护理,已经能将儿童急性淋巴细胞白血病的5年生存率提高到90%以上。

“我们很高兴这个数字能上升到90%。伴随疗法进步的,是人们对急性淋巴细胞白血病病理学、抗药性机理、宿主体内抗白血病药物处置的理解的不断深入。”裴正康说。

不过,遗憾的是,“在治疗白血病的过程中,孩子要承受的副作用非常大,有的人生命可以维持20年,有的只能维持8年左右,依旧不能完全治愈。”裴正康说。

“如今,我们寄希望于精准医疗,并希望能将90%的生存率提高到100%。”裴正康说。

他表示,人们正在进入精准医疗的新时代。精准医疗是将白血病细胞体细胞突变和宿主药物基因纳入治疗策略中。“随着下一代测序技术的出现,所有急性淋巴细胞白血病病患,现在都可以按照具体的基因异常进行分类,开辟了对越来越多的白血病患者进行针对性治疗的新途径,有助于发现改进的新药物。”裴正康说。

例如,在儿童B型急性淋巴细胞白血病的病例中,类似于费城染色体的急性淋巴细胞白血病占到10%;在青少年B型急性淋巴细胞白血病病例中,类似于费城染色体的急性淋巴细胞白血病占30%。“如果有类似费城染色体的这种基因,患白血病的风险会很大。而且,儿童治愈率只有50%,青年则更低,只有27%。很有幸,因为有基因组学测序,很多病人可以进行靶向治疗。”裴正康说。

裴正康表示,如今,基因组分析的成本越来越低,获取基因组分析服务也越来越便利。得益于此,现在研究者可以对每个病患的整个癌症和种系基因组进行测序,对基因和表观遗传变异进行研究,从而指导患者选择治疗药剂。

“最近的研究显示,在患有急性淋巴细胞白血病的儿童中,有高达5%的遗传了癌症易感基因,这让我们对癌症的病因有了更多的认识,而且它提供的信息可指导其他家庭成员的检测。”裴正康说,“一个患病的孩子可能会因此拯救全家人。”

裴正康表示,分子疗法、免疫疗法和细胞疗法最近取得的进展有望将生存率提高到100%,同时还可以提高幸存者的生活品质,“我们可以让白血病患儿像健康孩子一样拥有正常的生活”。

“未来数十年,开发预防性措施、将高收入国家取得的成果用于世界各地的儿童,将是我们面临的主要挑战。”裴正康说。

中国工程院外籍院士丹·牟德:

改变未来生活的工程愿景

 


 

丹·牟德  中国工程院供图

■本报记者 甘晓

“让工程技术使人类未来变得更美好。”美国工程院院长、中国工程院外籍院士丹·牟德在学术报告中提出了首个工程愿景:让生活按我们预期的方式继续。

20世纪以来,工程技术在改变人类生活方面取得了重要成就。早在2000年,美国工程院历时半年,与该国30多家职业工程协会一起评出了20世纪对人类生活影响最大的20项工程技术成就。其中,电力系统工程位列第一。

“电气化对城乡人民生产和生活等各方面产生了根本性影响。”丹·牟德说,“显然,如果没有电力,20世纪的科技、经济成就不可能取得。”

此外,汽车、飞机、水的供应及分配、电子技术、无线电和电视等被视为过去一个世纪最重要的工程成就。

那么,进入21世纪,哪些工程技术将成为改变生活的重大挑战?

2006年,美国工程院组织世界各地的专家成立了一个委员会,经过两年的讨论,提出了14项21世纪重大工程技术挑战项目。其中包括:生产经济的太阳能、发展核聚变能源、开发碳隔离技术、管理氮循环、全球可用的洁净水、改善城市基础设施、推进健康信息学、研发更好的药物、人脑逆向工程、防止核恐怖行动、确保网络空间安全、增强虚拟现实、推进个性化学习以及发展科学探索工具等。

“这些技术挑战一经克服,将极大地改善人们的生活质量。”丹·牟德指出,“实现这些工程技术成就,将使人类的未来生活变得更美好。”

为此,美国工程院联合多个工科院校实施了“大挑战学者计划(GCSP)”。曾担任过马里兰大学校长的丹·牟德对这项计划充满希望:“这是一项培养工程拔尖人才的新战略,旨在通过改革工程人才培养模式,培养能够应对21世纪工程大挑战的卓越工程师。”

未来10年,GCSP计划培养超过2万名毕业生。“所有参加这个项目的学生,毕业证书上都会有个专门的标记,并获得美国工程院院长的亲笔签名信,以体现他们所取得的成绩。”丹·牟德说。

同时,世界其他国家也在为应对重大工程技术挑战付出努力。中国工程院、美国工程院和英国工程院等三家机构曾于2013年和2015年联合召开两次“全球重大挑战峰会”。峰会上,来自中、美、英三国的众多知名学者和企业家就如何通过工程科技解决当今世界最为紧迫的重大挑战进行了深入交流,以共同寻求跨学科的解决方案。2017年,第三次峰会将在美国华盛顿召开。

丹·牟德最后表示:“欢迎更多人加入到解决全球重大工程挑战的队伍中,一起改变未来生活。”

中国工程院外籍院士加图·洛朗森:

再生工程有个“登月计划”


 

加图·洛朗森  倪思洁摄

■本报记者 倪思洁

“1、2、3!再生工程!”6月1日,在中国工程院第十三次院士大会全院学术报告会上,中国工程院外籍院士加图·洛朗森在报告结束之前,向在场院士发出“齐呼‘再生工程’”的提议。

洛朗森做过一个估算,每年,他在类似大大小小的会议上,向8万到9万听众介绍过再生工程。

“如果每个人都能把‘再生工程是什么’告诉他的10个朋友,那么我相信,未来5年里,世界上所有人都将了解什么是再生工程。”洛朗森说。

洛朗森在再生工程领域奋斗了25年,也致力于让更多人了解这一领域。在20分钟左右的报告里,洛朗森多次提到:“再生工程是个交叉学科。”

“交叉”,最直观地体现于洛朗森的身份——化学和生物分子工程学教授、材料科学与工程学教授、生物医学工程学教授。

对于这样的身份,洛朗森处之淡然。“所谓再生工程,就是单独或综合使用生物材料、细胞,借助生物学、化学、工程学原理,进行活体组织的再生。”洛朗森说。

近年来,生命科学和物质科学的交叉,一直被认为是会出现新一轮科技革命的关键所在。

在洛朗森看来,再生工程有明朗的未来。“以肩袖软组织损伤为例,肩袖损伤非常痛苦。我查过,在2008年,美国有200万人需要肩袖损伤治疗。每年,美国有将近30万患者接受肩袖损伤手术。”洛朗森说。

“我们采用纳米纤维材料,进行了肩袖损伤修复。在实验过程中,我们对小鼠进行了植入修复,8周后我们发现修补的预期效果是可以实现的。现在,这一技术已经可以用到人体上。”洛朗森说。

2013年7月,洛朗森等科学家第一次将经过工程处理的韧带移植到人体内,细胞来源是骨髓细胞和脂肪细胞。

洛朗森说,过去25年里,他一直和科研同行致力于肌肉骨骼组织再生领域的研究。如今他们有了几乎可以再生每个肌肉骨骼组织的系统。

就在两周前,他刚刚从美国总统奥巴马手中接过了“国家科技创新奖”,并跟总统讨论了对再生医学和科技创新的看法。“很明显,中国和美国都很强调科技创新的重要性,这也成为中国和美国在科技领域合作的基础。”洛朗森说。

如今,洛朗森有了新的目标,在他看来,这个新目标也代表着再生工程的未来方向。“我们有一项‘治愈工程’。很多人把这项工程的难度跟登月计划相比。”洛朗森向在座的中国科学家说。

洛朗森所说的“治愈工程”,英文为“H.E.A.L工程”,是哈特福德肢体工程(Hartford Engineering a Limb)的简拼。这项工程计划在7年时间里再生出人类膝盖,并在2030年前再生出人类肢体。

“登月计划虽然难度大,但我们最终还是登上了月亮。因此,治愈工程尽管很有挑战性,但我们还是相信能在15年里实现人类四肢的完全再生。”洛朗森信心满满。

中国工程院外籍院士李文沅:

让风险评估助力电力系统安全运行


 

李文沅  甘晓摄

■本报记者 甘晓

“我所研究的领域大概不能取得惊天动地的发现。”6月1日,中国工程院第十三次院士大会学术报告会上,加拿大国家工程院院士、中国工程院外籍院士李文沅在报告开头认真地开了个玩笑。

“但是,世界上任何一个有居民居住的地方都有电力系统,所以我们的研究涉及国计民生。”他继续说,“在电力系统本身越来越复杂,使用越来越广泛的当前,应当利用新的整体风险评估与概率规划替代传统可靠性保障措施。”

电力系统是由发电侧、用户侧和输电系统构成,每个组成结构中都有更小单元的电力元件。工程学家发现,电力系统元件的失效不可避免,并且往往伴随严重的后果,包括经济上的损失等。“失效的原因多种多样,包括设备本身的缺陷、设备老化、人为错误、天气和环境因素等。”李文沅表示。

例如,2012年7月,印度北方邦阿格拉(Agra)附近的一座超高压变电所出现故障,导致部分输电线路和变电站过负荷,随后发生连锁反应,最终导致了整个北方电网崩溃。在此次故障中,超过6.7亿人口受到了停电的影响,被认为是史上影响人口最广的一次电力系统事故。

在李文沅看来,和其他类型的系统不同的是,电力系统只要失去一个或者几个元件,就可能引发整个系统的崩溃。

同时,在过去的十多年里,包括风能、太阳能等可再生能源接入电力系统,增加了更多的不确定性。

而互联网技术在电力领域的广泛应用,也增加了失效的可能。“尽管信息技术的目的是让电力系统变得更加可控,但我们发现,对辅助系统依赖程度越高,失效后的后果就会愈加严重。”李文沅注意到。

目前,为尽可能避免电力系统失效,大多数电力公司都遵循“电力系统可靠性准则”,即为使系统达到一定要求而要满足的指标、条件或规定,包括充裕度和安全性两个方面。

不过,李文沅认为,当前使用的这一准则具有诸多缺陷。例如,一些突发性事件在这一准则中没有得到重视。同时,准则也只考虑了事件发生的后果而忽略了其发生的概率。此外,负荷、电源及网络的不确定因素被忽视。

对此,李文沅指出:“我们应当在电力系统中开展风险管理。”主要任务包括,开展定量的风险评估,确定降低风险的诸多措施以及确定可接受的风险程度等三个方面。

“这是一件听起来容易、做起来难的事情。”李文沅表示,“涉及模型和大数据等领域。”

2014年,重庆大学成立了电力和能源可靠性研究中心,李文沅担任该中心主任。几年来,研究人员对电力系统可靠性理论、应用技术和数据分析进行了系统性研究,是国内最早开展这一领域研究的机构之一。

目前,该研究中心开发的电气设备状态在线智能监测系统已实现产业化,在重庆、上海、浙江、四川等20多个省市的200多个变电站安装使用了800多套。

“未来,我们希望能够通过该领域学术前沿研究,为中国电力公司提供风险评估和概率规划方法,使中国电力系统运行更加安全。”他说。

中国工程院外籍院士小泉英明:

材料学与信息学的融合前景无限

 

小泉英明  中国工程院供图

■本报记者 李瑜

曾经,意念控制是大多数科幻电影中的经典桥段。如今,它却真的变成了现实。

在中国工程院第十三次院士大会全院学术报告会上,日本工程院副院长、中国工程院外籍院士小泉英明,就用一段有趣的视频抓住了在场院士的目光。

画面中,一位参与研究的女性头戴特制的头盔,座椅上的她没有任何肢体动作,仅仅用意念就让面前的小火车模型在环形轨道上奔跑了起来……

小泉英明把这个实验叫作“人脑地图”,在未来的心理疾病诊断中,它将大显身手。“在心理学领域,这个方法的诊断准确性在80%左右。目前,日本政府已经批准,很多大学和医院也表示支持。”小泉英明说。

其实,小泉英明展示的这个例子,正是材料学与信息学深度融合的产物。在他看来,随着科技的发展,材料学和信息科学的融合,将会让人类的工程设计发生巨大变化。

小泉英明指出,宇宙和生物的出现是材料与信息结合后,自我组织和进化的结果。自然界存在的根本条件是热力学第一定律和热力学第二定律,前者与能量和质量有关,后者与熵和信息有关。

“历史上,工业革命都是通过对物质和信息进行新的结合而发生的。比如,平版印刷的半导体设备就彻底改变了设计和制造的方式。”小泉英明认为,材料与信息的各种新结合已经出现。

“目前的工业趋势已经表明了这一点,比如,日本提出的5.0社会、德国的工业4.0等。”

然而,“还有一种明显的革命性趋势需要引起我们的高度关注,技术的快速进步,彻底改变了我们操纵材料和生物信息的能力。”小泉英明指出,基因工程已经进入第三代基因编辑阶段,凭借诱导性多功能干细胞工程技术,人们很快就能获得操控生命的技术。

“基因和细胞工程将给再生医学带来希望,但同时也会对自然进化形成挑战。”小泉英明说。

例如,大脑是处理人体信息的主要器官。“人的基因组反映了进化数代之后所积累的适应信息,人脑学会了快速适应出生环境的能力。”小泉英明强调,大脑的学习机制正在被逐渐揭示出来,并用于开发新的教育方式和新的人工智能。“正在发展中的认知机器人就是一个正在兴起的新领域。”

“我们现在正处于长达35亿年的生命进化史的过渡时期,我们需要重新考虑工程学的真正目的,那就是如何造福人类。”小泉英明说。

在小泉英明看来,材料与信息之间的关系如同身体与灵魂、大脑与心灵的关系。“因此,我认为,心灵的教育,比如培养科学而不失人性的机智,是极其重要的。”

“科学的心智是进行客观判断所必须具备的条件,而人性也是实现社会和谐的最终手段,它会让人们过上真正幸福安康的生活。”小泉英明如是说。

《中国科学报》 (2016-06-02 第3版 科技盛会)
 
相关专题:2016两院院士大会
 
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