科学之光:“35岁以下科技创新35人”2021年中国区入选者公布

DeepTech深科技

2022-01-23 10:29鲲鹏计划获奖作者,DeepTech深科技官方账号
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人类智慧之光不断闪烁,现代科学随之以呼应现实的姿态出现。从改变日常生活到追逐星辰之梦,科学作为支点支撑着现实大厦的每一个细节。

科技进步的背后,是无数个创新人才的努力,而“35 岁以下科技创新 35 人”就是其中的佼佼者。今年是“创新 35 人”中国评选的第五届,这一次,DeepTech 携手络绎科学,于线上举行发布仪式,为入选者和观众搭建了一个云端交流平台,为关心科技进步的人士打造一场跨越时空的科学连线。1 月 22 日至 23 日,35 位青年才俊独家亮相络绎科学,分享他们的科技创新亮点和体会,探索未来发展趋势,欢迎您登陆络绎科学星球,与我们一起 Celebrate innovations and innovators。

一批汇聚智慧与勇气的中国科技青年不断涌现,他们沉浸于纯粹又斑斓的科学世界,用智慧、学识与胆量勾勒出巨大版图,呈现更广阔维度的时空。这其中,有在人类科学边界不断求索的先锋者(Pioneers);有洞悉技术变化方向的远见者(Visionaries);有灵感不断涌现的发明家(Inventors);还有积极推动前沿技术落地的创业家(Entrepreneurs);更有科技向善、以人为本的人文关怀者(Humanitarians)。

《麻省理工科技评论》"35 岁以下科技创新 35 人"(MIT Technology Review Innovators Under 35, TR35 ) 一直在寻找兼备能力、进取力、潜力与创新精神的科技青年榜样。从实验室里的创新研究到前沿科技领域的里程碑式进展,我们每年在世界范围内寻找可能对未来的科技发展产生深远影响的 35 岁以下领军人物。谷歌创始人拉里·佩奇、谢尔盖·布林、CRISPR 基因编辑技术发明者张锋、生物成像技术先锋庄小威、特斯拉联合创始人斯特劳贝尔、人工智能和机器学习权威吴恩达......自 1999 年开始,很多改变世界的名字在这里出现。

2010 年,TR35 首次进行区域性评选,一跃成为亚太、欧洲以及拉丁美洲等多个国家和地区衡量科技青年力量的重要标尺。2017 年,中国区评选正式推出。五年一刻,青年成长于此,创新深耕于此,越来越多的中国科技青年面孔被看见、被记住:

近一年的严格评审、全球 50 余位顶级科学和技术领袖全程参与。横跨生物、化学、物理、天文等各大学科,细数科技探索者们的高光时刻和迷人成就,这世间的千万疑思与千万光景都将在这里找到答案,请和我们一起,一起见证中国科技青年榜样的力量。

以下为《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人” 2021 年中国区入选者名单(按姓氏首字母排序):

他利用高通量单细胞 VDJ 测序成功筛选出强效新型冠状病毒中和抗体,为新冠的疫苗研发和治疗开启新大门。

在哈佛大学攻读化学博士期间,曹云龙开发出一种高灵敏度的测序技术,以有效探测单细胞水平的 DNA 甲基化,这为他之后的研究奠定了基础。

新冠病毒出现时,正值曹云龙回国任北京大学生物医学前沿创新中心谢晓亮课题组研究助理不久,于是他迅速转变科研重点,开始思考如何为阻止新冠疫情做出贡献。曹云龙运用其在单细胞基因组方面的专业知识,通过使用高通量单细胞 VDJ 测序,迅速发现了一系列强效 SARS-CoV-2 中和抗体。这个实验首次证明了高通量单细胞测序可直接用于药物发现,而且过程迅速,效果显著。该工作很快发表在 Cell 杂志上,曹云龙为第一作者,在全世界产生影响,为 SARS-COV-2 疫苗和治疗药物的发展做出了巨大贡献。

由于 SARS-CoV-2 不断变异,成对的非竞争中和抗体是理想的治疗药物选择。曹云龙与肖俊宇教授合作,对大量中和抗体进行研究,最终他们发现了一对强效抗体——DXP-593 和 DXP-604,这两个抗体具有不重叠的表位,可用于鸡尾酒疗法以防止 S 蛋白突变导致的中和逃逸。为推动研究走向临床,曹云龙参与成立了北京丹序生物制药有限公司。目前 DXP-604 已经作为同情给药,在北京、绍兴、西安等地对新冠患者使用。

她构建了多种新型生物材料体系,以弥补肿瘤免疫治疗中的多个技术缺陷。

近年来,免疫治疗是继放化疗、靶向治疗后又一新兴的肿瘤治疗方式。尽管其在一些肿瘤患者身上取得了很好的治疗效果,但仍存在诸多问题,陈倩构建了多种在肿瘤免疫治疗领域具有潜在应用价值的新型生物材料体系,为肿瘤免疫治疗提供了新思路。

肿瘤形成的特殊微环境,不仅支持了癌细胞的生长和转移,还会干扰免疫细胞的功能,对此,陈倩与其团队开发了具有肿瘤微环境调控功能的可喷射水凝胶体系。该水凝胶可以通过中和肿瘤微酸的环境,调控多种免疫抑制型细胞在肿瘤内的富集,诱导肿瘤相关巨噬细胞向 M1 型极化,从而促进抗肿瘤免疫反应。该策略可以有效地辅助手术,不仅可以提高手术的成功率,还能有效地抑制肿瘤转移,具有较高的临床转化价值。

针对 CAR-T 细胞疗法在实体瘤中的疗效有限问题,陈倩与其团队一同探索了不同的增效 CAR-T 细胞对实体肿瘤治疗的策略。他们发现,对实体肿瘤的温和光照可以提高 CAR-T 细胞在实体肿瘤中的富集与激活。该策略为提高 CAR-T 对实体瘤的响应性提供了新思路。

他的发明实现了世界上分辨率最高的显微镜,协助攻克了困扰电子显微学界近百年的难题。

探测材料的微观结构对揭示其功能性的起源至关重要,能够加速和指导新材料的研发。作为精确测量材料原子排列的强大工具,电子显微镜在材料研究中扮演了重要角色,被广泛用于物理、化学、材料和生物等科学领域。电子显微镜分辨率的提升甚至可以催生大量科学突破。

清华大学副研究员陈震长期投身于新型定量显微学成像技术的研究,侧重于突破现有成像技术的极限,拓展成像技术的应用范围,从而解决更多的材料结构问题。

2021 年 6 月,陈震与同事合作发明了全新的叠层衍射成像技术,进而实现了世界上分辨率最高的显微镜,超越之前的记录 2 倍,捕捉到了迄今为止分辨率最高的原子图像(0.02 纳米的单原子成像分辨率)。值得一提的是,此前的分辨率记录也是由他和同事在 2018 年创下的。

在突破新纪录的背后,陈震攻克了多项技术难关,比如通过开发反解多次散射的数学算法,解决了困扰显微学界近百年的样品多次散射难题,实现了晶格振动决定的极限分辨率和亚纳米的三维空间分辨率,被誉为是“实现了电子显微学界长期追求的颠峰”。

此外,陈震还提出和实现了一种新的材料原子尺度化学成分定量方法,以及实现了同时具有大视场、低剂量和亚埃分辨率等优异性能的原子成像技术,有望进一步提高生物大分子成像的分辨率,弥补常规冷冻电镜技术的不足。

他开发出多种用于健康监测的传感器以及无线无源可拉伸传感系统,致力于将材料、机械、电子和生物医学及工程联系起来。

程寰宇设计出一种具有自加热功能、超灵敏、可拉伸、基于石墨烯 3D 泡沫的气体传感平台,可连续监控混合气体中的多种组分。此外,他还开发出一种简单而通用的制造方法来实现柔性身体感测网络,该项研究得到了包括《麻省理工科技评论》和《福布斯》等百余家媒体的报道。

程寰宇发明的物理和化学传感器可以与其最近开发的柔性微流传感平台集成在一起,后者可以显著降低液体挥发,用于准确地收集和分析汗液或组织液等多种生物液体,对人体生理健康进行长期、实时、连续的监测,从而免去了复杂的血检过程。

在现有研究的基础上,程寰宇团队正在开发可以检测由呼吸产生的新型冠状病毒的智能口罩,由此可以实现包括新冠肺炎等呼吸道疾病的轻松检测。除了直接检测病毒外,他们还在开发一种颠覆性的可穿戴贴片,用于实时测量汗液或组织液中的炎症标记物和感染情况。这将首次为了解和管理由感染引起的免疫反应提供解决方案。

她提出多个业界指标性拜占庭容错协议,在分布式系统、区块链和应用密码学领域取得突出成果。

段斯斯的主要研究方向集中在分布式系统、区块链和应用密码学相关领域。她致力于构建安全的、高性能的分布式系统,其研究成果获得了包含美国能源部新闻网站等几十家机构的关注和报道。

拜占庭共识协议是区块链、多方安全计算、分布式系统的经典课题及基石。段斯斯提出了多个业界指标性拜占庭容错协议,如 BChain、BEAT、CBFT 等。其中,BChain 为第一个成熟的链状共识协议,将经典协议的吞吐量提高了 50%,复杂度由平方级降低为线性级,被应用在工业界最大的开源区块链平台超级账本 Iroha 项目中。

段斯斯于 2014 年获得加州大学戴维斯分校计算机博士学位,随后作为能源部 EAGLE-I 平台的主要研发人员之一在美国橡树岭国家实验室展开工作,同时也是该实验室历史上首位计算机方向的 Weinberg Fellow。她目前在清华大学高等研究院担任研究员。

他发明了储能电池系统热失效防护技术,填补了电池应用领域的安全技术空白。

冯旭宁在大尺寸电池的失控量热测试技术上取得关键突破,他确定了电池“内短路-热失控-燃烧”的多级失效释能量,为不同种类的储能电池提供了定量可比的危害评价指标,并且被国内外数十家知名企业与研究机构广泛采纳,为电池事故调查提供了依据。

大型储能电池系统的失效危害大,实验成本极高,难以对其致灾全过程进行安全防护设计。冯旭宁主持研发的电池热失控模型仿真技术,实现了电池系统失效蔓延过程的高精度模拟,大幅提高了电动汽车新车型以及储能电站安全设计的研发效率。

以冯旭宁的研究为核心,他支持其团队成员成立了多家致力于解决电池安全问题的新能源科技公司。这些公司的业务以推广新能源储能电池系统的热安全设计方案为主,与清华大学团队在技术研发落地方面的工作紧密配合,已覆盖中国新能源汽车销量 75% 以上的车型及企业。未来 3-5 年内逐步拓展新能源与可再生能源利用中储能电池系统的相关业务,助力几家公司协作成长为能源系统安全设计的专业化公司。

他研发出世界首台连续碳纤维增强热固树脂复合材料 3D 打印机,并将其产业化,使未来复合材料增材制造更加绿色和智能。

连续纤维增强复合材料是航天器和高强轻量化车身结构件的重要材料。然而现有的复合材料制造工艺复杂、耗能巨大、制造周期长。利用 3D 打印来设计和制造这种材料可以实现设计的灵活性,并且达到材料使用和制造过程中的节能减排目标。对此,付堃开发出“局部面内辅助加热 3D 打印技术”(Localized In-plane Thermal Assisted 3D printing),该技术在 2020 年击败了美国橡树岭国家实验室和 3M 公司等 6 家科研院所和企业,最终获得了 2020 年美国复合材料制造商协会(ACMA)颁发的复合材料制造装备创新卓越复合材料奖。

在此基础上,他研发出 3D 打印智能机器人,并开发了控制软件,成功制造出了基于 LITA 技术的 3D 打印机, 被认为是世界首台连续碳纤维增强热固树脂复合材料 3D 打印机,为制备复合材料提供了一种快速、节能、大批量的制造方法,更为未来复合材料增材制造研究开辟了一个全新前沿领域。

付堃创办碳塑科技公司(CarbonForm Inc.),以将其技术商业化。目前,初代桌面级迷你螺杆挤出式多材料 3D 打印机已经上市销售。现在,他们还正在开发第二代具有更大承重和更大维数的 3D 打印机器,并且利用人工智能算法加强 3D 打印路径设计和复合材料性能规划。

从管窥果蝇神经元之奥秘,到锻造人类细胞的通信回路,他通过创新分子工具来探索和修复生命系统。

高小井一直致力于分子工具的研发,用以控制和研究神经元和免疫细胞彼此及其与环境之间的通信。他的理想是能够以与别的工程学领域相当的精度来调控人类细胞,从而为神经疾病和癌症提供创新疗法。

在运用遗传工具分析果蝇嗅觉行为时,他开发出一种名为 TRIC (Transcriptional Reporter of Intracellular for Calcium)的新工具,能基于神经元的活性对其进行遗传操纵,从而弥补了传统工具或依赖损伤性的手术,或记录时间范围过短的缺陷。目前,TRIC 已被果蝇研究者们广泛使用。

高小井在遗传学上的专长还可应用于基因驱动领域。基因驱动技术虽然强大,但伴随的物种灭绝等生态灾难问题同样令人担忧。对此,高小井成功设计出世界上首例基于 Cas9 的基因驱动的反制实验。他设计出一种基因“制动”原件,可以破坏基因驱动原件并将其转变成制动原件,使基因的传递变得可控。

他专注于量子计算和量子模拟的研究,并开发出一种新的激光冷却方案,实现了只通过激光冷却技术就使得原子达到玻色爱因斯坦凝聚。

胡嘉仲 2007 年进入清华大学学习,2011 年进入麻省理工学院攻读物理学博士,学业导师为 2001 年诺奖得主 Wolfgang Ketterle 教授。2017 年,攻读博士期间,胡嘉仲发明了一种全新的激光冷却方案,优化了各项激光的频率选择和构形设计,实现了只通过激光冷却技术就可以使得原子达到玻色爱因斯坦凝聚,解决了困扰物理学界三十年的难题。

2019 年,胡嘉仲入选中国国家级人才项目,回到清华大学建设新的量子计算和量子模拟研究团队,并专注于利用冷原子实验平台进行量子调控技术的研究和开发工作。同年 2 月,胡嘉仲成功将机器学习的技术应用到量子模拟之中,并且通过图像识别的手段分析出了量子多体现象。同年 5 月,胡嘉仲通过使冷原子实验体系和极端相对论加速环境达成同构,成功观测到了霍金辐射和对应的量子关联现象。

他专注于智能超表面赋能的 6G 无线通信研究 ,其研究成果在 5.5G 和 6G 无线通信网络中具有巨大的应用潜力。

随着 5G 网络逐渐商业化,越来越多的研究人员开始将目光转向未来的 6G 技术。不过,当前无线通信产业面临着覆盖难、能耗高、维护成本高、无线信道不可控等问题,严重制约了通信效率和质量。

针对这些挑战,浙江大学研究员黄崇文率先将智能超表面(RIS)技术引入到无线通信领域,这不仅有潜力实现从传统的“适应信道”到“改变利用信道”的新无线通信范式的转变,而且也有望解决现有无线通信技术的高能耗、高成本等问题。

智能超表面技术,是一种具有可编程电磁特性的人工电磁表面结构。通过对其人工电磁元件的属性结构的实时调控,可以实现对空间电磁波的幅度、相位、极化和频率的智能化操纵,有望突破大规模 MIMO(多进多出,multiple input multiple output)等现有技术的软硬件限制以及无线通信信道不可控的固有特性,具备可编程、低成本、低功耗、易于部署的优势,在 5.5G 和 6G 网络中都具备巨大的应用潜力。

黄崇文研究员在智能超表面赋能无线通信方面的创新工作启发了大量的后续研究和工业界的关注,中国、欧盟、美国等国家和许多区域组织相继成立了基于智能超表面的 6G 无线通信研发项目组。三星公司将其研究成果写入 6G 白皮书。他也因此获得了无线通信领域最高奖项之一 —— IEEE 马可尼论文奖(2021 年)以及 IEEE 通信学会亚太地区杰出青年学者奖(2021 年)。

他首次实现高性能钙钛矿单晶器件的集成并为其在柔性可穿戴电子设备的普及铺平道路,攻克了行业的一个难题。

金属卤化物钙钛矿作为新型半导体材料的典型代表之一,在光电器件领域展现出了极大的发展潜力和应用前景。然而,受载流子扩散长度所限,其高性能器件几乎全是由基于旋涂或印刷工艺的多晶薄膜制备而成,而制备工艺的局限性导致钙钛矿多晶薄膜器件的稳定性不足,性能下降较快。

针对这些问题,雷雨声在加州大学圣地亚哥分校读博期间,从钙钛矿单晶的晶体制备、性质研究、器件集成三个方面开展了一系列原创性工作,克服了单晶材料的电子结构单一、生长难以控制、微纳加工困难等难题,解决了行业近十年内无法解决的问题,极大地推动了钙钛矿单晶器件的研究进程。

雷雨声发明了一种对亚微米钙钛矿单晶形貌及晶体取向可控生长的全新方法,制备出国际首例高认证效率(18.77%)的柔性单晶钙钛矿太阳能电池 ,首例单晶钙钛矿 micro-LED 阵列和首例单晶钙钛矿光陷阱式光探测器。在此基础上,他开发了钙钛矿应变单晶异质结的制备,发现了晶格应力对钙钛矿晶体结构、光学性质、半导体特性的影响机制,大幅提高了钙钛矿结构的稳定性,并首次制备并发展了应变型钙钛矿单晶器件。

他创造性地采用软化学方法在国际上首次制备出镍氧化物薄膜超导材料,解决了困扰超导材料研究领域超过三十年的问题。

自从铜氧化物高温超导被发现以来,对其高温超导机理的研究以及合成新型高温超导材料一直是超导科学家的工作重心。

2019 年,李丹枫教授与斯坦福大学实验团队创造性地将掺杂镍氧化物原子级的合成与新颖的软化学拓扑反应相结合,成功合成了 Nd0.8Sr0.2NiO2 镍氧化物薄膜超导体。这项国际首创的研究成果解决了困扰学界三十年的难题。同时,他们还首次构建了无限层镍氧化物超导相图,在超导研究领域引起了强烈反响,开启了对镍氧化物超导研究的热潮。

如今,李丹枫教授已加入香港城市大学任助理教授,研究方向主要围绕超导材料与超导电性,特别是借助氧化物薄膜与异质结结构,对高温超导、二维超导与界面超导领域进行研究,并尝试发现新型超导材料体系。

他围绕“碳中和”清洁能源开发出全新的分子调控电催化策略,取得了目前报道中最高的二氧化碳到乙烯转化的选择性。

李逢旺围绕“碳中和”清洁能源开展基础和应用研究,在将二氧化碳转化为增值产品的催化材料和工艺工程领域取得斐然成果。

李逢旺开发了一种新型分子调控策略,建立了二氧化碳电化学催化合成乙烯的构效关系。根据这一发现,他与加州理工大学化学化工系合作,设计并合成了一种新型的有机小分子修饰的铜催化剂,在中性反应介质中取得了目前文献报道中最高的二氧化碳到乙烯转化的选择性。他通过电化学、原位光谱等实验技术,结合理论计算和多重物理量模拟,研究电活性分子在固-液-气界面处的吸附、活化和电荷转移机理,从而指导了材料和反应过程设计,以及控制电化学反应动力学。这些研究为二氧化碳、水、氮气等小分子的活化和转化提供反应机理的阐释,为进一步设计新型催化剂材料和反应系统提供了理论指导。

在过去几年,李逢旺还积极推动了原位电化学-光谱学在催化材料表面和界面化学反应的研究中的应用。此外,他的工作还促进了二氧化碳捕集、转化的化工反应过程集成和工艺创新。

他改良人造黑色素以替代传统高黑度、防光和抗氧化材料,推动了信息产业与大健康领域的产品升级和黑色素原材料的大规模生产。

李乙文的研究聚焦于一类新型仿生功能软物质材料——黑色素材料。这类材料不像蛋白、核酸分子一样具有精确的化学结构,因此很难对其结构与性能进行有效调控。针对这一难题,李乙文独辟蹊径,通过调节材料的能级结构来有效调节材料对可见光吸收能力,首次实现了对人造黑色素材料黑度的有效提升。他的设计使材料的摩尔吸光系数增至之前的 2-3 倍,本征黑度提高 2 倍。这为这类软物质功能材料在部分工业场景下的实际应用提供了重要的机会,受到工业界的高度关注。

一方面,他受到华为的邀请,合作利用黑色素材料来替换传统微纳炭黑材料,研发新一代黑色哑光柔性聚酰亚胺覆盖膜材料。另一方面,他还与伊斯佳、丝域养发等企业合作,利用黑色素材料来取代传统苯胺类分子和双氧水等致敏物质,以发展新一代高效安全的染发产品。该产品能迅速实现有效染黑,且无致敏行为,有望解决染发领域多年的痛点。此外,他还与丸美、利安隆合作利用黑色素来替代传统抗紫外和抗氧化材料来制备更安全高效的防晒产品。

考虑到未来产品升级带来的巨大市场,李乙文团队已自主设计和建设了世界上首个黑色素原料工厂,预计年产量在 10 吨左右,产值将超亿元。

他依靠先进表征技术寻找二维材料奇异物性的根源,利用原子结构工程突破传统性能限制,在原子尺度构筑未来高性能电子信息器件。

林君浩的代表性工作是利用低电压透射电子显微技术研究二维材料生长的普适性合成策略。他巧妙地利用了透射电子显微镜技术对二维材料生长的各个过程作出精确表征,确定影响材料生长的关键参数,从而在此基础上与合作者提出了熔盐辅助生长的普适策略。这种巧妙的思路令人耳目一新,兼备研究的严谨性与实用性,不但为目前二维材料制备的关键性问题提供了解决思路,同时为该新型材料的后续大规模应用奠定了基础。

此外,在材料研究领域,非晶态材料一直被认为是材料微观结构研究的“禁区”,至今尚无任何有效的实验方法可以准确在实空间中测定非晶态材料的原子结构。林君浩和合作者们首次打破了这个“禁区“,成功制备出了单层的无定形碳材料,并利用低电压透射电子显微技术在原子尺度下准确测定了该单层非晶碳材料的原子结构,计算出在实空间下的长程无序的径向分布函数。他的工作准确揭示了非晶态材料在低维极限下符合微晶粒竞争模型,为争论了数十年的材料领域难题,即无定型材料的精细原子结构模型,提供了直接证据。

他开发了一种基于空间维度的多路成像技术,以同时记录大脑中的多种生物信号,为进一步研究神经计算和未来类脑人工智能系统的开发提供了新灵感、新手段。

大脑与仅使用电信号来处理信息的计算机不同,脑细胞使用一系列相互作用的生物信号来实现复杂的大脑功能。这些生物信号在细胞中形成信号转导网络,通过复杂的互动方式共同将细胞信号输入转化为细胞信号输出。大脑中的各种生物信号组成了脑活动的交响曲,而理解大脑的工作机制需要同时观察研究多种生物信号,就如同欣赏交响曲需要同时聆听多种乐器的声音一样。

近年来,许多基因编码的荧光探针被开发出来,用于直接、定量地对各种生物信号进行光学测量,它们极大地促进了生物学和神经科学研究。然而,不同探针的光信号只能通过其不同的荧光光谱(即“颜色”)来分辨,且可用的的荧光光谱数量很少,因此荧光探针通常只允许在活体中同时测量一两个生物信号。

为了克服多路信号读出的限制,令狐昌洋从电子工程里的空分复用技术得到启发,开发了一种基于空间维度的多路成像技术来同时记录大脑中的多种生物信号,并进一步研究了它们在神经可塑性过程中的复杂动态模式。这种能同时观察生物信号交响曲的新技术将为理解大脑中的神经计算和复杂机制铺平道路,并为探究健康和疾病之间的精确差异开辟了新的途径。这项技术在生命科学和临床研究中有广泛的应用前景,其在脑活动观测和研究方面的结果将为类脑人工智能系统的开发提供新的灵感。

他开发出一种疫苗递送系统,将原本需要多次注射的疫苗降低到只需一次,对未来大幅提高全球疫苗接种覆盖率和公众健康品质产生深远影响。

疫苗每年可拯救超过 150 万人的生命,是防治传染性疾病最好的方法。然而,绝大多数的传染病疫苗都需要多次接种,每次接种的间隔在几个月甚至一年以上。这种接种方式导致在医疗资源有限的发展中国家疫苗接种十分困难。新冠疫情的肆虐进一步加剧了多次接种传统疫苗的难度,当下传染性疾病正在严重威胁人类的生命健康。

吕雪光结合化学、微细加工、生物医学工程、免疫学等多学科交叉的知识背景,利用已经被应用于临床的聚乳酸-羟基乙酸(PLGA)高分子(可降解手术缝线材料),发展了一种高分子微米颗粒,可在体内滞留数月,并在指定时间点脉冲式释放包载药物。这种仅需一次注射即可模拟不同时间多次针剂注射的动力学,实现了在体内可编程化的多次脉冲释药。

利用该平台,他研发了单次注射疫苗递送系统,通过精确调控颗粒中热稳定剂、干燥稳定剂、酸稳定剂的成分和比例,显著提高了疫苗在颗粒制备和在体内释放过程中的稳定性,解决了疫苗递送多年来面临的如何实现脉冲式释放动力学和提高疫苗稳定性两大难题。此外,吕雪光还证明了该平台在皮肤癌、乳腺癌、胰腺癌等多种慢性疾病的治疗上都有广泛的应用前景。

他研制出系列化具有自主知识产权的原位力学测试仪器,助推了传统材料试验技术的转型升级。

作为国家重大科学仪器设备开发专项的技术骨干,马志超参与研制出了世界上第一台多载荷多物理场耦合原位测试科学仪器,揭示了机电热磁耦合条件下材料力学行为和微观结构演化间的相关性,为材料的制造工艺改进和质量严控提供了技术支撑。目前,相关技术与仪器已应用于北京大学、浙江大学、钢铁研究总院、中航工业成飞、中捷机床、中国铝业东北轻合金等 100 余家单位。

他协助建成了国内首个原位测试仪器产业化基地,并不断推动传统材料试验技术的转型升级,助力提升了核工业、航空航天等领域材料的稳定性和可靠性,并制定了原位测试仪器行业标准。通过应用其共同开发的技术和仪器,相关企业取得了显著的经济效益。中央人民政府官网和中国机械工业联合会评价他参与的工作具有独创性和国际领先水平。

他实现了基于电化学微反应器的医药连续化智造技术以及世界首套纳摩尔级高通量微液滴筛选电化学平台,以应对产业日渐迫切的安全、绿色和微型化需求。

近代人类健康水平的大幅提高得益于医药技术的高速发展,而未来人口增长、紧急公共卫生事件发生等挑战要求我们以更加灵活、廉价并且绿色的生产方式确保药物的充足供应。

为此,莫一鸣发明了基于电化学微反应器的医药连续化智造技术,利用电能驱动氧化/还原反应过程,耦合微反应器技术以精准控制电化学反应过程,实现高原子经济性的医药小分子绿色合成。并为了加速新型电化学合成方法的开发,他融合自动化与微流控技术,构建了世界首套纳摩尔级高通量微液滴筛选电化学的平台装置,实现了电化学反应条件的快速筛选与反应动力学的精准测量。

他主导开发了新一代条形码系统和单细胞谱系示踪技术,为发育生物学与再生医学等的研究提供了新工具和范式。

裴唯珂主导开发的条形码系统以及单细胞谱系示踪技术,实现了以定量的方式精细解析机体在自然状态下的发育过程。这项新技术正在改变发育生物学传统的研究范式,有望推动其向系统性的、大数据驱动的方向发展。

DNA 和 RNA 条形码技术可以实现体内高分辨率、非侵入式的细胞标记。通过追踪条形码,研究者可以迅速重建器官在自然状态下的发育图谱。裴唯珂主导建立并运用其技术成功实现了单细胞精度的造血干细胞命运示踪。目前,该系统被世界各地几十家知名实验室用于肿瘤、神经、胚胎、生殖系统等多个领域的研究。

除了可以解析生理条件下的机体发育,DNA 和 RNA 条形码技术还能用于重建复杂的病理学过程。裴唯珂团队正应用条形码技术追踪机体对病毒感染的反应、寻找肿瘤细胞的起源、解析免疫治疗的响应机制,以及探索体外生产人类迷你器官的新方法。

通过与人工智能技术相结合,条形码技术有潜力精准预测细胞发育命运,从而在全新的维度理解人类器官发育与疾病,提供新的治疗策略和药物靶点。未来,他们的条形码技术有望成为新一代的平台型技术,服务于多个生命科学与医学产业。

他致力于研发微生物-纳米新型复合材料和应用于电化学和光化学能量转化,并开创性地提出了原位负载微生物催化剂的概念。

苏育德致力于微生物-纳米新型复合材料的研发,用于电化学和光化学能量转化。他开创性地提出了原位负载微生物催化剂的概念,提高微生物与纳米材料之间的电子转移效率。

通过优化细菌与电极之间的界面,他研发了一种密堆积的固碳细菌-纳米线复合电极,在一周时间内实现了效率达 3.6% 的“太阳能至醋酸”的能量转化。这样的人工光合作用体系为地球上的碳平衡和火星的大气转变提供了可能。

苏育德还开创了一种独特的单根纳米线光电极平台,可以精确地测量单根半导体纳米线的光电化学信号,最终得出“提高阵列中纳米线光电极的微观均一性是提高阵列宏观性能的关键”这一结论。

苏育德于 2017 年在加州大学伯克利分校获得化学博士学位,随后在加州大学伯克利分校、圣芭芭拉分校以及新加坡国立大学从事博士后研究。2021 年 4 月,他加入中国科学技术大学-苏州高等研究院,任特任研究员。

他研制了一系列神经形态的忆阻器来模拟生物突触、神经元和树突等多种功能,致力于推动类脑计算的进步。

过去几十年,半导体技术的发展始终在一定程度上遵循摩尔定律,但时至今日,人类已经逼近硅晶体管尺寸微缩的物理极限,传统计算硬件的性能持续提升变得愈发困难。与此同时,人工智能等新兴技术的飞速发展又对高速、高算力、高能效的计算硬件提出了更高的需求。

为了解决这一矛盾,清华大学副教授唐建石专注于探索新材料、新器件、新架构来开发更快、更高效的先进计算技术。他带领团队研制了一系列神经形态的忆阻器来模拟生物突触、神经元和树突等多种功能,并进一步利用其独特的存算一体优势和仿生特性来实现高效的类脑计算。

具体来说,唐建石研制了一种新型的电化学存储器(ECRAM)作为人工突触,其阻变特性具有非常好的对称性和线性度,能够实现高速、低功耗的类脑计算。他还通过研发基于可逆拓扑相变的新型忆阻器(TPT-RAM)解决了基于非晶氧化物的传统忆阻器中随机性大的挑战。

为了使人工神经网络包含更多仿生功能,唐建石首次研制出一种动态忆阻器作为人工树突器件,并且在此基础上构建出包含树突计算的新型人工神经网络,可将网络分类准确率提高 8% 并显著提升能效。他进一步利用该动态忆阻器实现了一种新型的并行储备池计算系统,在语音识别和混沌信号预测任务上实现了极低的错词率和预测误差。

此外,他还在碳基电子学领域颇有建树,解决了许多碳纳米管器件与电路的关键挑战,包括碳纳米管纯度、摆放、金属接触优化、晶体管尺寸微缩、工艺集成等等。

他发明了独特的薄膜铌酸锂平台及配套微纳加工体系,实现了高性能、小体积、低成本、低功耗的光互连解决方案。

如今,网上授课、视频会议、线上购物已成为了我们学习生活的新常态,在它们背后,是光纤网络在支撑着海量的数据传输,而在光纤网络中,负责将电信号转换为光信号的高速电光调制器是必不可少的核心器件。然而此类器件体积大、价格高、功耗高,难以应对与日俱增的数据量和云计算需求,业界急需能同时实现高密度集成、超高速率、低成本、低功耗的光互连解决方案。

香港城市大学电机工程系助理教授王骋已经在该领域深耕八年,致力于研发高性能薄膜铌酸锂(LiNbO3)光电芯片,他在博士期间发展了以氩离子物理刻蚀术为基础的成套铌酸锂微纳加工体系,可以有效降低器件光学损耗超过三个数量级。在后续工作中,他进一步将超低损耗铌酸锂光器件平台与高速微波结构相结合,创造了集成电光调制器性能新纪录,同时兼顾了体积小、功耗低的特点。这一成果得到了 MIT The Engine 基金的投资青睐。2018 年底,王骋与他人共同成立了初创公司 HyperLight 进行成果转化,目前已实现一定规模的销售收入。

他利用纳米粒子技术对特定神经元进行非侵入式的精确控制,为更好地研究和治疗帕金森等神经系统疾病铺平道路。

光遗传学具有对特定神经元的神经活动的精确控制能力,在过去的十年中已逐渐成为研究神经科学以及治疗帕金森病、自闭症、抑郁、阿尔茨海默病等神经系统疾病的重要手段。然而该技术仍存在两大缺陷:一是由于可见光对组织的穿透性有限,光遗传学刺激需要侵入性的开颅手术和颅内植入光纤;二是视蛋白的表达需要病毒转导,因此受到宿主免疫反应,最大基因大小的限制、外周神经系统的稳定性的影响,并且存在表达周期长以及制造成本高等问题。

针对可见光对组织的穿透性有限的问题,王辉亮合作开发了“声光遗传学”方法,纳米粒子通过在脑内把聚焦超声转化为光,用于光遗传学刺激。这种方法能够实现毫秒级的时间分辨率,可用于神经元特定频率的控制,并满足临床需要的 >10cm 的潜在穿透深度。纳米颗粒可通过注射进入到血液中,因此这种靶向神经调节方法既不需要开颅手术也不需要颅内植入。

此外,王辉亮还观察到适当功能化的金纳米棒可以被神经元轴突末端迅速内化。通过神经元轴突主动运输到细胞体,并在近红外光下调控神经元活动。从而实现了通过非遗传方法对投射特异性神经进行调制,无需用病毒转导视蛋白来进行靶向神经调节。

通过研究干细胞和胚胎发育结合基因编辑等技术,他的“孤雄/雌生殖”等一系列创新成果不断颠覆传统理论。

生命究竟如何形成?众多哲学家和生物学家一直致力于解答这个人类恒久关心的问题。王乐韵的研究工作正是围绕这个方向展开的。

同性生殖在低等生物中存在,但在哺乳动物中是不存在的。2018 年,王乐韵及合作者利用单倍体胚胎干细胞技术结合基因编辑技术,制备出世界上首例双精子基因组来源的“双父”小鼠以及正常的双卵基因组来源的“双母”小鼠。这一成果在世界上首次实现了哺乳动物中雄性同性生殖,颠覆了传统生殖理论。

2019 年,王乐韵与合作者在 Cell 上发表的成果证明,早期胚胎 2 细胞阶段便开始出现命运决定倾向,这将生命的命运倾向时间推向了生命第一次细胞分裂时期,改变了发育生物学教科书中的传统观念。

在应用方面,王乐韵利用单倍体胚胎干细胞结合基因编辑的方式开发动物模型,能够极大缩短动物模型的制备周期,为药物筛选及动物疾病机制研究缩短了 1-2 年的周期,为疫苗开发、疾病模拟、药物筛选的动物模型制备提供了全新、高效的技术路线方案。同时,王乐韵通过修正供体细胞印记基因的方式大幅提升了克隆技术的效率,促进了克隆技术在畜牧育种领域的应用,产生巨大的经济效益。

他聚焦国家公共健康重大需求,揭示引起重大传染病的病毒的感染过程与免疫机制,推动新冠病毒灭活疫苗开发。

病毒感染可以引起多种重大传染性疾病,病毒性重大传染病防控是全球公共卫生的战略需求。近年来,王祥喜带领的研究团队聚焦国家公共健康重大需求,围绕重大传染性疾病直接相关的病毒完整颗粒等关键复合物的精细结构和相关功能研究,揭示病毒入侵机制和致病机理,取得了系列创新性研究成果。

王祥喜推动了我国新冠病毒灭活疫苗科兴-克尔来福的开发。他承担着灭活病毒纯化工艺的设计与优化、结构特性、关键抗原表位、稳定性等分析和临床试验中疫苗部分质量控制的工作,为疫苗顺利实施提供了关键技术支撑。他研制出新冠病毒多株治疗性抗体,开发出多表位抗体鸡尾酒疗法,并在海外进入临床试验。他还开发了新冠病毒中和抗体超敏诊断技术,该技术获得中国食品与药品检定研究院样品检验文号。

在其他传染病方面,王祥喜在全球范围内率先解析出非洲猪瘟病毒独有的五层结构特征,揭示了非洲猪瘟病毒多种潜在的保护性抗原和关键抗原表位信息,并提出了非洲猪瘟病毒的组装机制。在此基础上,他设计出病毒样颗粒重组疫苗,该疫苗目前正在动物水平进行保护效率验证。

王祥喜多学科交叉的研究体系使其在国内外同行中独树一帜。他为基础学科的发展,乃至解决国家重大需求创新能力的提升做出了巨大贡献。

他是弱监督语义分割研究的早期开拓者,推动了非完美数据条件下视觉理解的发展。

在过去十年中,基于深度学习的监督学习极大地提升了计算机视觉相关任务的性能,其成功主要归功于大规模标注数据的出现和计算机硬件的发展。然而,这些监督学习算法通常都依赖大量完美标注的数据,而在现实场景下,我们往往很难获得足够多高质量的标注数据,导致这些监督算法很难被真正直接用于工业级应用中。

为解决这一问题,魏云超博士提出了一系列原创的弱监督语义分割解决方案,他也由此成为该领域最早的主要推动者之一。

魏云超通过改进传统监督学习的训练方式,使得神经网络可以在基于非完美数据标注的条件下训练出可靠的物体识别模型,实现了在训练中利用简单的图像标签作为监督信息,在测试中完成像素级语义分割任务。

魏云超的相关研究工作减少了计算机视觉认知算法对标注数据的依赖,为实现非完美数据条件下的精确像素级视觉理解提供了可能,对一些完美标注数据难以获取的应用场景(如医学图像、农业图像等)具有重要的参考意义。他未来的研究重点是探索更加丰富多样的非完美数据形式,并集成到统一的机器学习框架中。

她融合了人工智能技术和社会科学理论,开发出更人性化的自然语言处理和人机交互技术。

随着人工智能技术在电子设备上的普及,人们与其交流的场景也越来越多,如何让电子设备及其背后的人工智能技术更好地理解人们的想法和诉求,吸引了许多研究人员投身于自然语言处理(NLP)的研究当中。

佐治亚理工学院计算机学院助理教授杨笛一便是其中之一。她目前领导着佐治亚理工学院的社会和语言技术实验室,致力于结合 NLP、机器学习和社会科学来研究人类如何在社会环境中使用语言,以及开发先进的语言技术以促进更好的人机交互。她的工作是人工智能技术和社会科学理论的新颖融合。

在一个科研项目中,杨笛一利用 NLP 技术分析了癌症患者在网站上的讨论,识别相关的语言现象和行为,并通过适当的分组和过滤来识别具有明显不同社交“风格”的人群,最终形成了一套推荐系统,可以将患者与护理人员更好地联系起来。

杨笛一希望构建具有社会意识的语言技术,使 NLP 模型可以超越固定数据集或语料库进行社会知识和常识推导,推理海量用户生成的非结构化数据,实现下一个阶段的自然语言理解。

他首次实现了微波重频的集成微腔光梳并将技术应用于精密光谱测量中,推动芯片级微型光梳的应用和产业化。

光学频率梳是实现光学精密测量的重要器件,广泛应用于基础科学研究、国民生产和国防军事等众多领域,是光学领域目前最火热的研究方向之一。然而传统光梳受到体积、能耗、成本等限制,只能在实验室条件下工作,难以应用于复杂的实际场景中。

为了解决这些难题,北京大学物理学院助理教授杨起帆致力于高品质因子非线性光学微腔的研究,并以此为平台开展了芯片级的微型光梳(又名集成微腔光梳)的研究,其工作主要围绕集成微腔光梳的器件与应用两方面展开。

在器件层面,杨起帆首次在二氧化硅、铌酸锂、薄层氮化硅等多种材料平台上实现了锁模的微腔光梳,包括首次在芯片上产生微波重频的光梳。在应用层面,他首次搭建了基于集成微腔光梳的双光梳系统,并应用于实时监测痕量化学物质,其灵敏度、分辨率、采样速度等均远超其他的微型光谱仪。

在研究集成光梳的过程中,杨起帆还开发了低损耗光子芯片,可广泛应用于量子计算芯片、高功率光学芯片等设备上,在通讯行业、精密制造行业等领域拥有巨大的应用潜力。

她在实现可编程软物质的各维度上所做的开创性探索及贡献,对改善人类生存环境及公共卫生问题等方面产生了深远的影响。

杨蓉一直致力于实现可编程的软物质。她首次实现了两性离子聚合物的全气态合成并使用该聚合物对海水淡化膜进行表面改性,极大降低了海水淡化的成本,并提高了海水淡化膜的使用期限。目前她聚焦于通过材料编程生物体的行为及表型(Phenotype),其设计合成的抗积垢材料正用于制备“人工鳃”,即从海水中提取氧气从而实现水下呼吸。同样其课题组设计的材料还用于移除致病体和海洋中的污染物。

在哈佛医学院读博士后期间,杨蓉还首次实现了透耳膜给药并在龙猫这一动物模型中成功展示了无创及无口服用药而治愈中耳炎的方法。中耳炎是一种儿童常见疾病,它可能导致的颅内并发症是发展中国家儿童死亡的主要原因之一。然而目前中耳炎的治疗方式仅限于口服抗生素,不仅喂药困难且伴随严重副作用。

对此,杨蓉制成一种滴耳液,实现了首次透耳膜给药。人类耳膜虽薄,但穿透性极低,杨蓉研制的滴耳液可以穿透完好的耳膜进入中耳,并在耳膜上形成胶体,以长期依附在耳膜上,从而实现一次给药、药物在疗程内持续释放。该胶体会在3周内自动降解,而不会残留在耳膜上。这一工作曾被多家媒体誉为儿科传染病治疗“革命性的创新”,该技术还曾专利授权给诺华制药集团。

他通过一系列全光谱发光与探测的开创性研究,发明了世界上最小的光谱仪和波长最宽的可调谐纳米激光器。

光谱检测在化学分析、食品检测、生物检测等领域发挥着重要作用。传统光谱检测设备体积庞大、价格昂贵,然而减小其内部元件的尺寸又会导致其性能显著下降,因此光谱检测设备的微型化是目前科技界面临的重大技术挑战之一。

为了应对这些挑战,浙江大学研究员杨宗银开创了基于带隙渐变半导体材料的全光谱发光与探测的一系列理论、方法和工艺,发明了目前世界上最小的光谱仪。

该光谱仪用半导体纳米材料替代了传统光谱仪中用到的光栅、探测器阵列和准直光路等大元件,采用了世界首创的集分光和探测于一体的光谱仪微型化技术方案。核心器件尺寸仅有几十微米,比头发丝的直径还小,而且兼具高性能和低成本的特性,为纳米材料在微型光谱仪中的应用铺平了道路。

此外,杨宗银还开创性地将渐变半导体材料作为激光器的可变增益材料,发明了目前世界上波长最宽的可调谐纳米激光器。

她利用量子技术提升引力波探测仪的灵敏度,将量子力学现象首次带到了宏观人类尺度。

2017 年至 2019 年,于皓存带领了压缩真空态在高新 LIGO 中的安装及启用工作,实现了压缩真空态在高新 LIGO 探测仪中的首次使用,这大大提升了探测仪的灵敏度——50 赫兹以上可达 1.4 倍(即 3 分贝),并使得高新 LIGO 在其第三次观测运行中提升了 50% 的预期探测速率,将事件捕捉频率从每月提升至每周都能发现引力波。

2020 年,通过将高强度压缩真空态注入至高新 LIGO 探测仪,于皓存首次直接观测到了 200 千瓦激光在 40 千克反射镜上所产生的量子辐射压力噪声效应(QRPN)。这证明了量子反作用和海森堡不确定性原理在宏观人类尺度上依然成立。接下来,利用高新 LIGO 中强光力系统耦合所产生的量子关联(quantum correlation),于皓存实现了室温下千克级反射镜位移测量中突破 “标准量子极限”(SQL)的量子噪声,这是“量子非破坏技术”(quantum nondemolition technique)在引力波探测仪中的首次实际应用。

他实现了世界首次体外构建人类完整早期胚胎模型,被视为人工合成胚胎领域一项重大突破。

由于人类胚胎研究样品的稀缺以及相关伦理法规限制,人类早期发育过程对于科学家来说仍是个“黑盒子”。因此,体外构建人类早期胚胎模型变得至关重要。

2021 年 3 月,Nature 发表专题评论文章《首个完整人类胚胎模型》并罕见地召开新闻发布会,向媒体着重介绍了于乐谦及其团队合成的世界首例人类早期胚胎模型——“类囊胚”(Blastoid)。他们采用了一种 3D 培养系统,通过调控不同信号通路,使人类多能性干细胞在体外进行自我组装、分化,最终成功获得一种类似于人类囊胚的结构。这种类囊胚不论在形态、结构大小及分布、分化潜力,还是在单细胞转录组、关键蛋白的表达水平上都与真正的人类囊胚极为相似。通过对病人细胞构建的类囊胚进行研究并加以药物筛选,该技术在早期流产、新生儿缺陷、改良辅助生殖技术等问题上具有重要价值。近期,Science 杂志将该工作评选为 2021 年十大科学技术突破之一。

此外,于乐谦还通过获得一种全新的“形成态”干细胞,建立了世界首例马-鼠嵌合胚胎和人-猪嵌合胚胎,极大促进了异种嵌合胚胎互补技术的发展,使得在大动物体内形成人类器官变为可能。这对于再生医疗和器官移植领域具有重大意义。

他提出了创新的“加速测试”方法,让自动驾驶汽车评估更快速、更安全、更可信赖。

近年来,人工智能技术的普及加速了自动化系统在社会生活中的应用,其中以自动驾驶最为典型,几乎所有汽车厂商都在加速布局这一领域。不过,日趋复杂的人工智能技术和算法对自动化系统的安全测试提出了更高要求。因为自动驾驶汽车尚未大规模部署,自然驾驶数据稀少,许多传统测评方法难以胜任,所以学界和业界都在寻找更加有效的测试方法。

卡内基梅隆大学助理教授赵鼎就是其中之一。2016 年,赵鼎在博士论文 “自动驾驶汽车的加速测试”中提出了基于重要性采样对自动驾驶长尾事件进行测评的方法,并在数学上给出了严格的证明。随后他在博士后期间合作提出了“交通基元”的概念,首次用非监督式学习从车联网数据库中自主学习出交通场景的基本组成单元。

赵鼎参与撰写的基于“加速测试”的报告收录进了世界上首个智能网联汽车测试中心 MCity 的首本技术白皮书,如今已成为业界公认的标准测试方法之一。他领导的实验室与福特、丰田、上汽、劳斯莱斯等全球知名车企均有合作,致力于推动可信赖智能的基础理论研究和技术落地。

他构建了安全稳定的高能金属二次电池界面,为下一代电池储能体系的界面和安全问题提供解决方案。

赵庆致力于构建安全稳定的高能金属二次电池界面。他在负极表界面电子/离子的传导设计,固态电解质的界面优化,以及开发新型用于金属二次电池的正极材料等方面取得了一系列成果。

以金属(锂、锌、铝等)为负极的二次电池,是下一代有前景的电化学储能体系。赵庆通过在金属表面合成有机无机复合界面、设计外延生长界面、优化固态电解质界面等方式改善了负极表界面的理化性质,实现了多种金属负极的均匀可逆沉积。

相关成果为如何构建具有快离子传导能力、高化学/电化学稳定性、高机械强度的界面提出了新思路。基于此,他构建了几类具有高能量密度、长循环寿命、安全稳定的金属二次电池。

赵庆于 2017 年获南开大学无机化学博士学位,随后赴美国康奈尔大学从事博士后研究,目前已回国并全职加入南开大学。

本次中国评选有幸获得 50 余位重量级专家评委的参与,他们是来自国内外各个专业领域的权威人士。特别感谢以下评委的支持(按姓氏首字母排序):

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