近日，國際權威學術期刊《科學》《自然》《物理世界》相繼發表了2019年全球科學和技術的重大突破，中國科協也發布了2019年的十大科學傳播事件。解放日報•上觀新聞採訪了上海市科學學研究所產業創新研究室團隊，他們為讀者梳理了 「尤其令人眼前一亮」的十項科技進展。
量子真空漲落再次獲得驗證
長期以來的物理教科書上，真空都是真正的空——沒有東西作為介質傳播聲音，也無法通過對流和傳導實現熱傳遞。但根據量子物理學說，不確定原理導致空間任意位置都可能發生能量暫時變化，在宏觀能量守恆的同時「憑空」產生大量隨機、短暫存在的量子，即量子真空漲落。這一違背直覺的現象也逐漸在科幻作品中發展成為「狄拉克海」的概念，成為各種「無中生有」情節的理論基礎。今年，來自加州大學伯克利分校和香港大學的研究通過巧妙的實驗設計分別觀測到了真空中的聲音傳遞和非輻射熱傳遞，這是繼1996年卡西米爾效應獲得驗證後對量子漲落理論的又一批有力支持。相關成果對於微納尺度的電子元件的設計和製造也具有指導意義。
谷歌完成「量子霸權」實驗
2019年10月，美國科技巨頭谷歌宣稱使用一臺由53個有效量子比特構成的處理器用約200秒完成了最新型傳統超級計算機1萬年才能完成的計算任務，研究成果刊登於《自然》雜誌150周年特刊的封面，並官宣已經達成了裡程碑式的「量子霸權」。「量子霸權」的概念最早於2012年由美國加州理工學院理論物理學家約翰•普裡斯基爾提出，指用量子計算機解決傳統電腦實際解決不了的問題。谷歌的研究成果一經發布，便引發了包括其競爭對手IBM公司、學界等各方代表的質疑，稱所謂的1萬年實際僅需2.5天，並沒有達到「量子霸權」的門檻。谷歌此次實驗成功的象徵意義遠大於其實際應用意義，核心價值在於提供了一份量子計算加速真實世界系統的可行性範本，預示了新型計算範式的來臨。
機器人展現自我學習和更加靈活的能力
2019年1月，瑞士蘇黎世聯邦理工學院在《Science Robotics》上發表了一篇關於訓練四足機器人ANYMAL的文章。文章中指出，ANYMAL不僅自身平衡能力更穩定，在被暴力踹倒之後，還能立刻翻轉並站立起來，動作也像極了真實小狗的動作。換言之，ANYMAL與被植入了硬性程序的機器人不同，在深度強化學習的加持下，具有自我學習、自我升級的能力，能適應更多場景。此後，2019年11月，美國舊金山的非盈利組織——OpenAI 推出了一套AI系統Dactyl。該系統成功操控一個機器手讓它靈活地翻轉一塊積木。這套神經網絡軟體能夠通過強化學習，讓機器手在模擬的環境中學會抓取並轉動積木後，再讓機器手進行實際操作。機器人增強了自身的平衡能力、學習能力和靈活性,就可以勝任更多的任務，如用於工廠室內或室外的場地檢查等操作任務，在自然地形或碎片區域的搜索和救援任務中，也可發揮更大作用。
微納機器人實現體內可控的臨床實時成像
2019年的多項研究為臨床應用微納機器人進行深部組織成像、高效藥物遞送、體內自主可控等帶來了全新思路。針對疾病診治，以色列科學家在微納機器人疾病指標檢測方面取得了突破性進展。美國加州理工學院的研究人員基於光聲斷層掃描技術設計出了可實時成像引導控制的載藥微納機器人，外層微膠囊可使其在胃酸等流體的侵蝕下保持穩定，並且一經釋放，其強大推進力將有效延長體內滯留時間，新開發的深部組織成像和控制功能將保障藥物傳遞的高效性和精準性，具備強大的生物醫學應用價值。隨著技術的不斷成熟，微納機器人將逐步成為牽起人類與微觀世界之間聯繫的紐帶，在智能微手術、腦機接口、精準靶向無創治療等領域具有廣闊的應用前景，未來可能將顛覆糖尿病、心臟病、腫瘤等主要疾病的治療方式，在全面革新現有醫療體系的同時有望大大延長人類壽命。
阿爾茨海默症治療研究取得重要進展
阿爾茨海默病（AD）是一種最常見的老年性認知功能障礙疾病。平均每3秒鐘，就多一位阿爾茨海默症患者，全球已經有數千萬患者。目前，AD的確切致病原因還沒有完全明確，但是科學家關於相關治療靶點和關聯因素的研究取得持續進展。2019年11月上海綠谷製藥開發的藥物GV-971獲得國家藥品監督管理局的有條件批准上市，成為17年來第一款獲批用於治療AD的藥物。該藥的作用機理是通過甘露寡糖二酸重塑腸道菌群，從而減少神經炎性細胞的積累。這一事件引發了國際上的廣泛關注。總部位於芝加哥的阿爾茨海默病協會表示對該藥的前景持謹慎樂觀的態度，並建議應進一步針對藥物作用機制和疾病之間的關係開展深入研究。綠谷製藥計劃於2020年分別在美國、歐洲和亞洲啟動全球多中心III期臨床試驗，進一步獲得其他國家監管審批所需支撐數據。
世界首個返老還童收費臨床試驗獲批
端粒長度反映了細胞的複製潛能，其與衰老的相關性已經被領域內公認。圍繞延長端粒長度的抗衰老研究在2019年又獲重要進展。2019年10月西班牙國家癌症中心（CNIO）的研究人員發表於Nature Communications 雜誌的一項研究成果創造了擁有超長端粒的小鼠，研究表明這些小鼠的壽命比正常小鼠平均延長了13%，而且患癌症的機率更小，體型更苗條，對胰島素和葡萄糖的耐受性更強，線粒體功能也更好。2019年11月，美國Libella基因治療公司獲得哥倫比亞倫理委員會批准開展逆轉衰老的收費臨床試驗。該臨床試驗擬通過基因手段將AAV病毒導入人端粒酶逆轉錄酶基因延長端粒長度，以期讓人類逆轉衰老20年。招募計劃（計劃招募5名45周歲以上參與者，每人收費100萬美元），已被收錄於美國臨床實驗資料庫中。
腸道菌群中發現能夠轉換血型的酶
近年來，全世界都表現出對腸道菌群研究的高度熱情，美國和歐盟分別啟動了國家微生物組計劃、人類微生物組計劃和人類腸道宏基因組計劃，期望通過對腸道微生物的基礎研究推動更廣泛領域的實際應用。隨著研究深入，人們發現腸道微生物對營養物質代謝人體自身發育、免疫及其他器官疾病，甚至如糖尿病、肥胖等慢性病中，都起到了極其重要的作用，它們甚至影響了腫瘤治療效果。2019年，人們在腸道中找到一種能夠轉換血型的酶。加拿大英屬哥倫比亞大學的科學家們利用功能性宏基因組學技術，研究了不同血型人的糞便，並在糞便的細菌的遺傳物質中篩選出腸道菌群中的一組能夠轉換血型的酶，即能夠將其他血型的末端糖基去除轉化為O型血的酶。這種酶提取工藝簡單，具備全面工業化的基本條件，一旦通過安全性和可行性的驗證，將成為腸道微生物對醫學領域及生物學領域的重要貢獻。
甲烷排放與全球變暖形成惡性循環
2019年初公布的一項研究結果表面，格陵蘭島一600平方公裡的區域在融化期至少釋放了6噸甲烷。相對於二氧化碳，甲烷的溫室氣體身份並未被公眾的廣泛認識。但相關研究表明，在100年尺度上，同樣質量的甲烷累計所造成的溫室效應影響（全球變暖潛能值，GWP）是二氧化碳的25倍；而在20年的尺度上，這一數字甚至可達二氧化碳的72倍。目前，在各國的共同努力下，全球二氧化碳的排放量正趨於穩定，然而大氣中甲烷濃度仍然呈加速上升態勢。21世紀以來大氣甲烷濃度增長的速度加快了約二十倍。全球變暖趨勢下冰蓋加速融化，同時釋放出大量甲烷進一步加劇了溫室效應，這一惡性循環值得人類高度關注。
新型電池系統充電同時可捕捉二氧化碳
2019年10月，麻省理工學院（MIT）的研究人員開發了一種可在空氣中捕捉二氧化碳的新型電池系統，這種電池在充電時將新鮮空氣或原料氣體吹入系統，在塗有名為聚蒽醌的特殊材料的電極表面發生電化學反應，吸收氣體中的二氧化碳，在放電時則發生逆反應，釋放出純濃縮的二氧化碳。這一新型技術使碳捕捉技術獲得革命性進展，所有過程無需加熱、壓力或化學輸入，系統能效大幅提高，而且所捕捉的二氧化碳具有較高的純度和穩定性，可供工業應用。未來幾年，該技術有望實現規模化應用，且隨著技術的進步，該電池系統若進一步向小型化和便捷化發展，其應用價值將大幅提高。
全球首座浮動核電站正式啟航
2019年8月，由俄羅斯建造的全球首座浮動核電站「羅蒙諾索夫院士」號正式從俄西北部摩爾曼斯克港啟航，歷時3周時間，抵達位於俄遠東地區楚科奇市的佩韋克港。該浮動核電站本質上是一個建在船上的核電站，壽命至少為36年，船上配備2座KLT-40S破冰型反應堆裝置，每個反應堆可以產生35兆瓦電能和每小時140千兆卡熱能，主要用來為俄羅斯及其偏遠地區的工廠、城市，及海上天然氣、石油鑽井平臺提供電能。海上浮動核電站由於處於遠離陸地的海上，對陸地的生態環境不造成影響，具有環保和經濟性。同時，其可移動的特性，也使能源供應具有極大的靈活性。但目前這種大型浮動核電站仍然會有碰撞和受到風暴影響時的安全風險，安全性仍有待提高。未來，浮動核電站可能會進一步向更小巧更精緻的方向發展，靈活性和安全性將進一步提升。