近年来，合成生物学作为一门新兴交叉学科获得了蓬勃发展，为破解人类面临的资源、健康、环境等重大挑战提供全新解决途径。该领域，AI在提取复杂模式、生成复杂对象方面具备潜力，而人类专家则更擅长在小样本中识别明确模式。近期，清华大学自动化系汪小我团队提出了一种将上述二者“强强联合”的设计方法DeepSEED。随着人工智能、大数据、云计算等技术的不断发展，信息社会迈入数字化传播时代，个性化算法推荐逐渐成为主流技术手段，用户点赞、评论、分享等行为模式，都构成了算法分析用户偏好的数据，“信息茧房”问题日益严重。对此，清华大学电子系与公管学院跨学科合作，首次揭示了信息媒体上信息茧房涌现的内在机理与相变边界，为理解当下智能社会中人-智交互复杂社会系统提供了全新思路。
基于国际科技创新中心网络服务平台科创热榜每日榜单形成的一周科技记忆，我们推出《一周前沿科技盘点》专栏。今天，为大家带来第六十四期。
1《Nature Communications》丨人类知识与AI“强强联合”，这领域打了个新样！
知识引导与数据驱动相融合的启动子辅助设计方法DeepSEED
近年来，合成生物学作为一门新兴交叉学科获得了蓬勃发展，为破解人类面临的资源、健康、环境等重大挑战提供全新解决途径。合成生物学的核心理念是通过对DNA等生物大分子的逆向设计重构获得具有特定功能的人工生物系统。然而，这些生物分子编码的组合排列空间十分庞大，序列与功能的映射关系复杂。因此，对科学家而言，生物大分子序列的精准设计将极具挑战性。
该领域，AI在提取复杂模式、生成复杂对象方面具备潜力，而人类专家则更擅长在小样本中识别明确模式。正所谓“独行快、众行远”，近期，清华大学自动化系汪小我团队提出了一种将上述二者“强强联合”的设计方法——DeepSEED。他们将专家知识与大数据学习相融合的合成启动子人工智能辅助，发现了转录因子结合位点旁侧序列在启动子优化设计中的重要作用，为突破基因调控元件设计中面临的高维度、小样本的核心难题提供了新的思路。
2《Matter》丨稳定性从1天升至1年以上！超稳定倾斜螺旋材料体系诞生
探寻动态可控新型光子器件的前沿发展与应用潜能，核心在于构筑外场可控的先进光子材料与组装序构。具有刺激-响应的液晶材料在手性环境中可自组装成百纳米量级的螺旋超结构，呈现出独特的结构与光相互作用，在多自由度动态光场调控等方面展现出巨大的应用潜力。通过低电场操控液晶螺旋结构实现其光子带隙的宽动态范围调制，是工程化应用的最佳选择。然而，由于常规螺旋组装中液晶介电各向异性与分子扭曲之间的相互竞争，导致光子带隙调制始终面临着调谐范围狭窄、驱动电场高、光学效率低等难题。
近日，东南大学智能材料研究院李全团队解决了长期以来液晶倾斜螺旋超结构材料系统的结晶难题，他们提出的创新策略使其结晶稳定性从1天以内突破至1年以上。基于该材料体系构筑的液晶倾斜螺旋超结构表现出强大的结构特性与光学效应，呈现为弱电场驱动的宽动态范围反射色与反射光谱调制，其调谐范围超过600 nm。且这种反射光谱与电场强度的调制性之间呈现可靠的匹配度与对应性，均无明显畸变或迟滞现象。
这项研究不仅深化了对新型液晶材料与相态丰富物理内涵的理解，还为其在软物质和先进光子学领域的进一步应用提供了强有力的支撑。
3《Nature Machine Intelligence》丨是时候打破那个让我们偏听偏信的“信息茧房”了
（a-c）聚焦于新闻与视频两个典型场景，量化真实世界信息茧房严重程度；（d-f）相似度匹配强度、正负反馈是影响信息茧房形成的重要因素；（g）基于实证发现与推荐算法领域实践，结合随机热力学理论，提出人-智自适应信息动力学模型
随着人工智能、大数据、云计算等技术的不断发展，信息社会迈入数字化传播时代，个性化算法推荐逐渐成为主流技术手段。用户点赞、评论、分享等行为模式，都构成了算法分析用户偏好的数据。基于个性化算法驱动，新闻、短视频、音乐、广告等内容产品的推荐将越来越符合用户兴趣爱好。
这种看似便利、迎合的姿态之下，却存在着潜在问题。过滤掉海量繁杂信息的同时，也不可避免地导致用户信息获取片面化。“信息茧房”（Information Cocoons）一词由学者凯斯·桑斯坦提出。简单来说，信息茧房指信息传播过程中，由于获取信息并非是全方位的，用户只会听到看到愉悦我们和我们关心的信息，久而久之，会将自身桎梏于像蚕茧一般的“茧房”中，导致单向度思考下的价值迷失等一系列问题，进而做出思想偏狭的决策。
而当下，我们对于信息茧房仍所知甚少。近期，清华大学电子系与公管学院跨学科合作，通过大规模实证研究与信息动力学理论建模，首次揭示了信息媒体上信息茧房涌现的内在机理与相变边界，为理解当下智能社会中人-智交互复杂社会系统提供了全新思路。研究团队基于实证结论与推荐算法领域实践，结合随机热力学理论，创造性地提出了人-智自适应信息动力学模型。该模型采用信息熵来表示用户所接触信息的多样性，并使用系统信息熵分布来表示系统所处状态，机理性地对人类与推荐算法之间的关键反馈回路建模，并使用随机动力学方程刻画人-智复杂动力学交互过程。
研究团队揭示了该人-智交互复杂社会系统存在多样化、部分信息茧房与深度信息茧房三种状态，并给出了系统在基于相似度推荐强度、正负反馈利用率以及自由探索强度四个关键参数驱动下的相变过程及相变边界。研究成果不仅为负责任的推荐算法设计指明了方向，而且为理解人-智交互复杂社会系统提供了理论工具。
4《Cell Stem Cell》丨启动细胞年轻化进程！他们找到了激活“返老还童”基因的关键靶标
SOX5延缓人间充质前体细胞衰老、保护关节、促进软骨再生的示意图
细胞更生（cellular rejuvenation）指通过干预手段实现衰老细胞年轻化、重现细胞活力的过程。通过重塑表观遗传和基因表达程序使细胞“返老还童”，是延缓衰老、防治衰老相关疾病的重要方法和策略之一，这使得该领域迅速成为全球科学家关注的焦点。目前，基于Yamanaka重编程因子OSKM的部分重编程技术已经成为实现器官和细胞更生的重要路径。然而，基于重编程因子的细胞更生方案不可避免地存在擦除成体细胞分化状态、改变初始“细胞身份”、诱发肿瘤等风险。这些在一定程度上限制了重编程技术在衰老干预中的临床应用前景。
近日，中国科学院北京基因组研究所（国家生物信息中心）张维绮课题组、任捷课题组和中国科学院动物研究所刘光慧课题组、曲静课题组合作，首次通过基于人间充质前体细胞的全基因组基因增强筛选，鉴定出一系列促更生因子，其中转录因子SOX5为筛选名单中全新、强效的更生因子，它可通过靶向激活HMGB2的表达来重塑衰老细胞，重启细胞活力。更重要的是，基于SOX5过表达的“基因疗法”可以延缓小鼠关节衰老，促进关节软骨再生并改善骨关节炎症状。
该研究加深了科学界对衰老程序化理论的认识，揭示了独立于重编程因子的全新细胞更生因子合集，并发展了逆转细胞和组织衰老的新型策略。这些新的知识和技术体系为阐明驱动衰老的分子通路、建立人类器官衰老及相关退行性疾病的临床诊断及干预手段提供了新的可能。
5《Energy & Environmental Science》丨这种隔膜让锂电池不再容易“发火”
电极串扰对电池安全和循环寿命的重要影响
近年来，随着锂离子电池在新能源汽车等领域中的普及应用，电池安全问题日益受到关注。电池热失控引发的安全事故中，内短路是导致热失控的主要原因之一。在现有的电池结构中，隔膜是置于正极和负极之间的一张微孔薄膜。这个隔膜起到了允许离子通过、同时隔绝电子的作用。隔膜热收缩超过一定程度而引起电池内短路就会触发电池热失控，通常伴随着冒烟、起火甚至爆炸等剧烈反应，可使电池温度迅速升高至400~1000℃以上，导致严重的安全事故。为此，研究者们投入大量精力研究如何提升隔膜耐温性、抑制隔膜热收缩和电池内短路。在多年研究积累的基础上，清华大学核能与新能源技术研究院新能源团队近期取得了一系列新成果。
研究团队发现，正负极之间可能发生的物质的串扰也是电池热失控发生的重要机理，即使是微弱的串扰也会严重影响电池的性能。在过热情况下，高比能电池正极会产生强氧化性物种，负极会产生强还原性物种，这些氧化还原性物种会在电池内部电极之间形成串扰反应来触发电池热失控。研究团队深入分析了电极串扰的双向迁移特性，并且明确了电极串扰在高比能电池容量衰减中亦扮演着不可忽视的重要角色，为研究高比能电池的失效机理打开了新的科学视角。
在电极串扰触发热失控理论的基础上，研究团队进一步提出了高安全性隔膜的新策略，即同步阻隔内短路和电极串扰。采用凝胶态拉伸取向方式制备出纳米孔不收缩的聚酰亚胺隔膜，实现了对这两种过程的同时抑制，进而有效抑制电池的热失控。同时，针对目前行业内大规模应用的电池体系和烯烃隔膜隔膜材料，研究团队从补齐当前电池安全短板的角度出发，建立了一种双连续复合隔膜制备技术。相比于常规130~150℃就收缩熔融，该双连续隔膜即使在250℃以上也不发生尺寸收缩，并且具有热响应闭孔的特性，能够阻止电极间物质串扰，有效提升了电池的本征安全性。（专栏作者 李潇潇）
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发表于 2024-1-27 09:03:00
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