《抗击疫情的十大黑科技!》

  • 来源专题:科技大数据监测服务平台
  • 编译者: zhoujie
  • 发布时间:2020-04-07
  • 新冠肺炎来势汹汹,为了阻止疫情的扩散,很多人投入到了抗疫第一线。除了人力以外,设计与科技也在积极参与这场抗疫战。

    新冠肺炎来势汹汹,为了阻止疫情的扩散,不少人没来及过春节就投入到了抗疫第一线。不过如今已是2020年,除了人力以外,设计与科技也在积极参与这场抗疫战。

    在中国,无论是“火神山”“雷神山”的拔地而起,还是无人机喊你回家戴口罩,这其中都离不开科技的助力,我们的医疗技术和各种黑科技,更是让世界刮目相看。世界范围内,为了对抗疫情而产生的黑科技也不在少数。

    今天就带大家盘点一下,在抗疫前线的十大黑科技。

    1、负压救护车

    所谓“负压”救护车,我们可以理解为是给普通的救护车带上“口罩”,使车内与车外做到完全“隔离”,此类特种救护车就是专为应对类似此次疫情或突发传染病等情况。“负压”的关键在于,首先患者所在车内担架上有专门的空气回收口,它会把患者所有呼出的空气全部抽取,经过过滤消毒排出车外。而车内医疗舱内比外部空气低10-30Pa的大气压,所以车内被污染的空气不会从其他缝隙流出车外,也就不会对周边环境造成污染。除了负压装置,整车最为关键部位就要属空调系统、空气过滤消毒系统了。按照国家标准,对过滤网的杀菌能力有严格的要求。车内配备了紫外线消毒灯等消毒设备对车内环境进行消毒。除此之外,负压救护车常见的医疗急救设备也是一应俱全,负压救护车不仅能够隔离病患,常规救护车的清创缝合手术、心肺复苏等抢救都可以在车上进行。

    2、人工智能机器人

    1.运输机器人

    当前在武汉这种疫情颇为严重的地区,尽最大可能减少人和人的接触是必须的,所以京东便在特殊地区将“小哥”替换成了“小车”。由于它们对病毒100%免疫,所以在最大程度上降低了交叉感染的风险。在武汉前线有很多量车来负责给医院等重点地区送货,一辆车一趟可以配送24单,而配送路径是技术人员通过云仿真系统验证了大致路况,并远程把自动驾驶系统部署到了小车上。还有华为5G的无人车,也被分配给相关医院执行隔离区的作业,不仅可以运送货物还能载人出行。

    2.送餐机器人

    来自普渡科技,被称为“欢乐颂”的24小时送药送餐机器人。相关工作人员只需穿戴好防护装备,将餐食依次放在机器人托盘上,再在控制面板上输入对应的房间号。机器人就能自动根据房间号配送,提供全程无接触式服务。

    3.消毒机器人

    基本各个医院的消毒工作也是交给机器人,机器人可以在无需人工干预的情况下自己进入隔离区消毒,钛米这款机器人包括了紫外线灯、过氧化氢、次氯酸等多种消毒方式,能够对医院内的流动空气和物体表面进行高水平杀菌。隔离病人和疑似患者人数持续增加,医护人员面临着体力和精神上的巨大挑战,加速消耗的医疗物资也纷纷告急。

    4.服务机器人

    为了尽可能减少个体接触、降低交叉感染的可能性,服务型机器人纷纷“出战”。服务型机器人可承担起送药、送餐进隔离区以及回收被服和医疗垃圾的工作。它们分工明确,通过控制中心智能调度即可实现自主开关门、自主搭乘电梯、自主避障、自主充电等功能,无需人员操作,极大地减少了医护人员进入隔离区的频次,起到较好的隔离保护作用。此外,还有一种在后台的机器人,现阶段,“入网入格入家庭”是当前社区防控工作的重中之重,也是防止疫情扩散的重中之重。各家各户地毯式排查、疑似病例密切接触者通知等给各街道社区带来极大挑战。针对这一情况,很多社区率先上线了百度AI外呼机器人、云知声等智能防疫机器人,它们能够进行批量一对一电话呼叫,可定向发起拨入社区居民电话。通过多轮对话的方式,自动采集与确认居民疫情相关信息,包括个人身份信息、近期活动区域、接触人群、近期症状等,并自动生成反馈统计结果。对于重点防控对象还可实现自动标记,排查效率较人工提升数百倍,为疫情的排查、回访和登记工作,节省了大量的人力。

    5.国外对抗疫机器人的应用

    早在2015年,埃博拉疫情爆发期间,白宫科学技术政策办公室和美国国家科学基金会组织研讨会,确定了远程机器人可在三个领域发挥核心作用:临床医护(远程医疗和净化环境)、后勤(运送和处理污染废物),以及监测(监测医学隔离人员)。在预防传染病方面,有证据显示新冠病毒不仅通过飞沫和接触传播,更可能出现封闭空间气溶胶或无症状携带者传播(最新争议和趋势)。遥控机器人的非接触紫外线(UV)可对污染物体表面进行净化消毒。冠状病毒可以在无生命的表面,包括金属、玻璃或塑料,存活数天,研究证实紫外线设备(如PX-UV)可有效减少医院环境接触频率较高物体表面的病毒污染。传统的人工消毒需要调派工作人员,增加环卫人员暴露风险。而自动机器人或远程控制机器人消毒环境,更加经济、快速和有效果。机器人兼具智能导航和检测高风险、高接触区域功能,也可以结合其他预防措施。新一代智能机器人从宏观到微观用于高危疫区的巡航,对接触物体表面进行彻底消毒检测等。在诊断和筛选方面,智能机器人作为辅助工具,在公共区域和入境口岸进行体温测量和筛查。自动摄像系统通常用于在大范围内同时对多人进行扫描监测。将这些热传感器和视觉算法整合到自主或远程操作的的机器人系统上,可提高筛选效率和覆盖率。可移动远程机器人还可用于监测住院和门诊区域停留患者和来访者的体温,并将数据与医院信息化系统链接,提前预警告知有关人员。将现有安全系统与人脸识别软件联网,可追溯感染者的密切接触人员,向处于感染高风险的其他人发出警报。当然,这些需要尊重个人隐私。

    3、六项呼吸道病毒核酸检测试剂盒

    1.5小时内出检测结果。疫情爆发时,如何能在第一时间确定患者是否感染新型冠状病毒?那绝对离不开新型冠状的检测试剂盒。受命于危难之际,博奥生物联合清华大学和四川大学华西医院共同设计开发了6项呼吸道病毒核酸检测试剂盒。这是全球首个能在1.5小时内一次性检测包括新型冠状病毒在内的6项呼吸道病毒核酸检测芯片试剂盒,检测时只需采集患者的口、咽拭子等分泌物样本过程简单,出结果也快。这样就能快速对患者鉴别诊断及时针对性治疗,大大减轻医院的负担。

    4、无接触超市

    无接触超市为火神山、雷神山两座医院的建筑工人和医护工作者提供了充分的后勤保障。在火神山立项24小时之内,这家超市就已建立完成,由中百仓储和阿里巴巴旗下淘鲜达团队联合打造。超市内没有店员、收银员,只有充足的消毒用品、卫生清洁用品、方便食品和日用杂货等。整个自助收银系统是基于REX平台云POS技术完成远程调测和上线工作。在结账之后可以省略购物小票,最大程度减少需要的人员和相互直接的接触,避免交叉感染,也为奋战在一线的人员提供基本生活保障。

    5、AI体温检测和影响识别

    疫情期间,没带口罩不准外出,而测温也成了家常便饭,尤其是在医院、火车站、机场等人群密集的区域,测温更是必要。为了应对医院患者的就诊发热工作和返程客流高峰,我们的5G技术也派上了用场许多地区都在医院和火车站用了5G热力成像测温系统。通过红外线体温检测摄像头5G无线接入设备、体感黑体等高科技,在无接触的情况下,能在1-10米范围内秒速检测出人的体温。如果被检测的人体温有异常或有疑似的发烧症状该设备就会发出提示及时提醒工作人员。这样检测体温不仅高效还能避免检测者与被检测者之间的交叉感染。上海地铁2号线还启用了全程无接触的测温安检一体机,将红外测温设备与太赫兹人体安检仪结合,人只要经过此设备就能同时被安检和测温。由于疫情爆发在春节,如今回家过年的人们陆续返程,大批人流出现在机场、火车站等地,在这种情况下,传统体温监测难以实现高效筛查。为解决这一问题,百度AI多人体温快速检测解决方案应运而生。该技术基于人脸关键点检测及图像红外温度点阵温度分析算法,可以对一定面积内乘客的额头温度进行检测,即便是佩戴帽子和口罩也能够快速筛查。1分钟内可以实现逾200人同时通过单通道,实现体温检测,乘客几乎不用停留,避免了人员拥挤,且温度识别误仅差在±0.3℃。如此非接触式的测温方式,大大降低了交叉感染的风险。另外,根据浙江省疾控中心的报告,新型冠状病毒是基因组序列最长的病毒之一,用常规方法快速检测基因组全貌非常困难,而临床的诊断却要在基因信息的基础上进行。而阿里达摩院的AI算法,是基于当前最新的诊疗方案、钟南山等多个权威团队发表的关于新冠肺炎患者临床特征的论文,突破了训练数据不足的局限,基于5000多个病例的CT影像样本数据,学习训练样本的病灶纹理而研发建立的。算法可将3-4小时的分析流程缩短到半小时,因此医生可以尽快掌握病毒是否有变异、以及特征,为防控、治疗提供更多依据。同时阿里达摩院也宣布向科研机构免费开放阿里云超算系统的全部算力,在基因诊断、药物筛选上的速度会比常规手段更快。除了运营商和终端,今年的一场疫情,让人们对于5G带来的改变有了新的认识,让5G彻彻底底应用起来,其高速率、低延时的特性,也正是医疗领域所需求的。

    6、无人机

    医院消毒用机器人,那户外区域消毒怎么办呢?这时无人机便派上了用场,上个月大疆就出动了几驾无人机对深圳龙岗工业园区进行了消毒。持续工作了2小时消毒了60万平方米。无人机除了能消毒,还能用来运输物资,疫情爆发后顺丰就成立了无人机特别行动组帮助疫区解决物资运输的难题。就连收费站的登记核查也派出了无人机悬挂着二维码,方便交警对车内人员快速进行登记核查、测温等。在交通疏导及防控宣传部分,无人机担任起“空中卫士”。为救灾提供了众多实质性的帮助。比如我们看到有些一线防疫工作者使用无人机来检查辖区内是否有聚集情况。对于区域人群聚集,无人机可自动靠近人群上空,采用高精度红外测温,对所有人进行在线测温。确定无发热异常后,再进行喊话驱离,督促人群散开。还有些无人机挂上货仓之后可以用来派送快递,可以在最短时间内将物资运送到需要的地方,在抗疫前线既保证了送货时效也能最大程度上降低人员往来,避免交叉感染。

    7、远程医疗平台

    本月3号,云南首个AR/5G的三维数字化远程会诊系统在昆明医科大学第一附属医院启用,这意味着就算患者不在场专家们也可以隔空进行诊断。医生只要戴上VR眼镜,一个三维立体的新冠肺炎患者肺部就会出现在眼前,肺部病灶一目了然。本次疫情已调动了全国医疗力量,然而在5G时代,各地的医疗力量不必亲赴一线也能救死扶伤。比如华为为火神山医院捐赠的远程医疗平台,可以直接对接到远在北京、上海的优质医疗专家。该方案由华为TE20视频会议终端+5GCPE+智慧屏+华为云组成,系统支持1080P高清画质。据了解,华为云WeLink如今开放了“远程医疗方案”,包括提供远程诊疗、远程探视、远程会议、病案收集、定向推送等五大功能。通过“远程诊疗”和“远程探视”,专家医生即可进行全方位的高清远程会诊指导,及时诊断和医治,群众也可以通过视频会议远程探视家人,避免感染风险;“远程会议”则提供1080P高清会议体验,具备多终端入会,4K高清共享,多人同时标注等功能,可千人同时在线;“病案收集”可实现在后台统一查看和便捷统计案例,数据看板支持随时查看和一键导出,让疫情管理更智能;“定向推送”通过华为云WeLink小微助手来推送疫情防范指南,疫情注意事项等内容,实现信息快速传递。这套系统将进一步提高病例诊断、救治的效率,并一定程度上缓解武汉一线医护人员调配紧张的情况,减少外地医疗专家前往武汉的风险。

    8、AI算法和5G新应用

    根据浙江省疾控中心的报告,新型冠状病毒是基因组序列最长的病毒之一,用常规方法快速检测基因组全貌非常困难,而临床的诊断却要在基因信息的基础上进行。而阿里达摩院的AI算法,是基于当前最新的诊疗方案、钟南山等多个权威团队发表的关于新冠肺炎患者临床特征的论文,突破了训练数据不足的局限,基于5000多个病例的CT影像样本数据,学习训练样本的病灶纹理而研发建立的。算法可将3-4小时的分析流程缩短到半小时,因此医生可以尽快掌握病毒是否有变异、以及特征,为防控、治疗提供更多依据。同时阿里达摩院也宣布向科研机构免费开放阿里云超算系统的全部算力,在基因诊断、药物筛选上的速度会比常规手段更快。除了运营商和终端,今年的一场疫情,让人们对于5G带来的改变有了新的认识,让5G彻彻底底应用起来,其高速率、低延时的特性,也正是医疗领域所需求的。火神山、雷神山医院建设之初,火遍全网的“云监工”项目,正是基于5G网络,将视频信号传到了我们的手机当中。除此之外,在此次抗疫行动中,5G几乎是无处不在。5G热力成像测温系统、5G云端智能机器人、抗疫新闻发布会5G全网直播,5G短时大量的数据收发能力,也能与强大的本地AI性能相匹配,可以说5G是本次抗疫战争的科技中坚力量。

    9、全自动口罩生产机

    1分钟生产100只口罩。为了让口罩的产量跟上需求,我国航空人临危受命仅用16天,用制造歼-20的技术研制出全自动口罩机。通过压褶和切片,然后经由流水线下滑到分配机,分配机将切好片的口罩分配到两边的焊机上。焊机以每分钟50片的速度把耳带焊接到口罩上。这款全自动口罩机一分钟就能产出100只口罩,预计月底共会有24台这样的口罩机到时每天能达到日产量300万只的数量,与传统制口罩的方法相比效率足足提升了好几倍。

    10、投影式红外血管成像仪

    “一针见血”神器。不知大家在医院有没有遇到过挂水时由于护士找不到血管,被白白扎好几针的经历,在疫情期间,我国的医疗团队为提高静脉穿刺效率,便采用了西安中科微光影像技术有限公司自主研发的投影式血管成像仪。当你把这款仪器照着需要寻找血管的皮肤区域,它便能直接显示出血管的分布图像。这样医护人员就能快速地找到血管进行静脉穿刺。同时它还适用于婴幼儿、老人、肾病及血管外科等各种临床使用场景。更高级的这仪器的2.0版本,在亮度上还有多种模式可以选择切换(比如绿光模式、蓝光模式、优化模式红光模式、紫光模式、深度识别模式等等)。而且还可以拍照把照片保存在内存卡中更好的辅助临床进行血管评估。不仅功能强大外观也很轻巧便捷,可随身携带该仪器还获得了我国2019“好设计”金奖。

    当然,除了这十项,在本次抗疫中还有更多我们习以为常科技应用在一线,正是这样设计+科技的组合,才铸就了一道抵挡病毒的壁垒。疫情终将会被战胜,但为抗疫奋斗过的人不会被忘记,参与过抗疫的新技术也将会被更广泛的应用,我们也期待更多更多的人因科技而受益。

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GLP-1药物的使用范围正在以其发明者无法想象的方式迅速扩大。因用药患者描述他们在接受治疗时对于酒精和烟草的渴望减少,研究人员开展了其针对药物成瘾的试验。而基于GLP-1药物可针对大脑炎症的证明,临床试验也在测试其用于治疗阿尔茨海默病和帕金森病的潜能。但医学上的突破很少是直截了当的,围绕GLP-1的热情也带有不确定性,人们甚至发现了一些不祥之兆。就像几乎所有的药物一样,这些畅销药也有副作用和未知因素,包括恶心和其他胃肠道问题在内的并发症导致一些患者放弃用药。9月,美国监管机构更新了Ozenpic的药品标签,以表明其存在导致肠梗阻的潜在风险。10月,一个加拿大研究团队报告称,出现这种并发症以及胰腺炎的几率增加。 2022年的一项研究报告称,司美格鲁肽促进了肥胖青少年群体平均16%的体重降低。这项研究带来了希望,但也令人担忧。医生们担心那些不超重不肥胖的人群也会通过药物治疗来减肥。并且我们还有一个重要的问题是:GLP-1是必须终身服用的药物吗?目前看来,尽管没有定论,但答案也许是肯定的。研究人员报告称,在人们停止治疗一年后,其减轻的体重的三分之二又反弹了回来。对于越来越多将肥胖视为慢性疾病的研究人员来说,持续治疗的必要性并不奇怪。但这些药物高昂的价格也令人望而却步——每月用药的价格超过1,000美元。 下一个展望 在这种背景下,下一章已经展开:模拟多种激素的疗法似乎具有更显著的减肥效果。其中一种是礼来公司的替尔泊肽。在2022年获批治疗糖尿病后,又于今年11月在美国获得减肥批准。一项大型临床试验报告称,使用该药的人体重最多减轻了21%。随着GLP-1故事的继续,有一件事是明确的:这些新疗法不仅重塑了肥胖的治疗方式,而且重塑了人们对肥胖的理解:将其视为一种源于生物学的慢性疾病,而不仅仅是简单的意志力薄弱——这一崭新的理解与药物研发同等重要。 其他9项Science年度科学突破分别为: 抗体疗法在减缓阿尔茨海默病方面取得进展 Jennifer Couzin-Frankel 医学对全世界数千万阿尔茨海默病患者而言几乎没有什么帮助,为数不多的获批疗法也只针对于症状。但在今年1月,美国监管机构批准了第一种药物,该药物通过解决疾病的潜在生物学问题,明显减缓了患者认知能力的下降;相关的第二种治疗方案也紧随其后。虽然二者都不能彻底治愈该疾病,且都存在严重风险,但它们还是为患者和家人带来了新的希望。 阿尔茨海默病患者的大脑中有一种名为β淀粉样蛋白的缠结蛋白质团,多年来,科学家们一直在争论去除它们是否有助于患者。此前的各种疗法均以失败告终。但在一项新的为期18个月的关键试验中,与安慰剂组相比,这种名为lecanemab的抗淀粉样单克隆抗体,将认知能力的丧失减缓了27%。这足以说服美国和之后的日本监管机构批准它。而在今年夏天的试验结果中,另一种同样针对脑淀粉样蛋白的抗体治疗药物多奈单抗,在略有不同的患者群体中,与安慰剂组相比,将认知能力下降的速度减缓了35%,美国随时可能批准其上市。这两种疗法均为静脉注射。 尽管阿尔茨海默病的研究人员、医生和患者都在庆祝,但他们也看到了黑暗的一面:药物治疗带来的脑肿胀和脑出血的风险,在极少数情况下将会是致命的。在阿尔茨海默病患者群体权衡抗淀粉样药物的益处和风险的同时,人们也渴望获得更多的数据和信息。认知迟钝的适度改善能随着治疗的时间而增长吗?还有,如果这些治疗足够早地给予疾病高危人群,是否可以延缓症状的出现呢? 寻找天然氢源的热潮 Eric Hand 1859 年,Edwin Drake将20米的铸铁管插入了美国宾夕法尼亚州泰特斯维尔城(Titusville)的地下,找到了石油。这口井开启了美国寻找石油的热潮并改变了世界。今年我们则见证了另一场能源热潮的开始。与石油不同,这场热潮基于地球内部自然产生的氢气,这种气体可能会成为气候的解药,而不是毒药。 传统的地质学认为地球上不应储存着任何氢气。由于氢气富含化学能且具有反应性,研究人员认为在地球地壳中,大部分氢气将被微生物消耗或转化为其他化合物。但令人惊讶的是它竟然存在于这么多地方,这也引发了新的假设。一些人认为它是从地球核心泄漏出来的,或者是因地壳中放射性元素将水分子打破而产生的。但许多研究人员相信,在高温高压下,当水与富含铁的矿物质发生反应时,氢气就会生成。 这场能源热潮的诞生还可以追溯到另一个不起眼的城镇:马里共和国的布拉克布古(Bourakébougou)。2012年,工程师们拔掉了在1987年由一根香烟引发爆炸后用水泥封闭的一个钻孔,发现它喷出的气体98%是氢气。人们由此连了一台发电机,为该村庄提供了第一批电力,而产生的废物只有水。奇怪的是,经过十年的抽取后,钻孔中的气体压力并没有下降,这表明地底深层正源源不断地补充氢气。 受这一发现的启发,勘探队现在在除南极洲以外的每个大陆都发现了大量氢气储备的迹象。风险投资正涌向如Koloma这样的初创公司。该公司七月份手握9,100万美元的资金走向市场,其中包括比尔·盖茨设立的突破能源基金的投资。九月份,美国地质调查局在雪佛龙和英国石油公司的支持下启动了一个研究联盟,而美国能源高级研究署也启动了一项价值2,000万美元的天然氢研发计划。美国地质调查局一项未发表的研究表明,地球上可能储存有1万亿吨氢气,足以满足未来数千年燃料和肥料不断增长的需求。 在全球机构中系统性改变职业早期科学家的待遇 Katie Langin 几十年来,研究生和博士后一直抱怨工资低和工作条件不佳。而在过去的一年里,世界多地的职业早期科研人员联合起来要求改变现状,为其所在群体争取应得的利益与权利。 去年冬天,加州大学系统的48,000名学术工作者举行了美国历史上最大的学术罢工,为研究生和博士后赢得了可观的加薪。在加拿大,数千名学术工作者于5月举行了为期一天的大规模抗议活动,要求增加联邦对研究生和博士后的资助。在德国,职业早期科研人员为改革博士后合同而奔走。“我们需要为未来一代科学家提供更好的条件。”——哥伦比亚大学分子生物学家álvaro Cuesta Domínguez 越来越多的人在毕业后选择前往利润更丰厚的行业工作,这使得近年来越发难以填补空缺的博士后职位。许多教职员工和大学管理人员都认为变革是必要的,但应对预算的压力也很有挑战性。教授们通常用研究经费支付职业早期科研人员的工资,或者他们可能被迫雇佣更少人数的研究生和博士后。资助机构是否会增加拨款支持,以支付职业早期科学家的加薪,还有待观察。与此同时,一些大学已经采取行动,帮助院系适应不断上涨的人事成本。例如,加州大学伯克利分校的研究人员希望将帮助教授支付加薪费用的短期措施与长期战略规划和财政预算相结合,最终将形成一个人人都能茁壮成长的科研生态系统。 接近美洲远古人类定居的历史真相 Lizzie Wade 美洲的人类历史故事可能迎来了新的起点。此前人们认为,最早的美洲移民是通过曾经连接白令海峡的陆地从亚洲迁徙而来,大约在16,000年前沿着太平洋海岸向南行进。但在今年,研究人员验证了另一个引人注目的结论,将这一时间提前了至少5,000年。此前就有一些遗址暗示人类可能在标准理论所认定的时间之前进行了迁徙。例如,来自智利南部的削制石器和烧焦的动物骨头可以追溯到18,500年前,而墨西哥一个洞穴中的疑似石器可以追溯到26,000年前。但是这些发现并没有提供有人类活动的明确证据,因此大多数考古学家仍对此持怀疑态度。 在2021年,在美国新墨西哥州白沙国家公园工作的研究人员宣布了一个或许是颠覆性的发现:在一座古老湖泊泥泞的岸边留存有明显的人类足迹,其可追溯到21,000到23,000年前。这些足迹周围的相同地层中留存有一些草本水生植物的种子,研究人员通过放射性碳测年法推断了其年代。但这些种子可能从溶解在湖水中的沉积物里吸收了更为古老的碳元素而增加了它们的测量年代,因此学界仍存在疑虑。于是,白沙团队使用了来自陆生植物的花粉和嵌入在足迹之间以及下方的沉积物中的石英颗粒重新确定了足迹的年代。他们在十月份报告称,新的测定年代与最初论文完全吻合。 如果这一时间是正确的,这些足迹则是在上一冰河时代的顶峰时期留下的。当时冰川覆盖了加拿大,这说明人类必定是在这些冰川形成之前进入了美洲。今年对这一足迹年代的重新确定可能引发考古学家对其他有争议的遗址重新进行评估,并可能促使人们更快地挖掘其他冰河时代的沉积物,以寻找更多的证据和惊喜。 地球的碳泵正在减速运行 Paul Voosen 如果说海洋拥有一颗心脏,那么它就位于南冰洋。在南极洲海岸附近的一些偏远地区,海洋的表层水向底部沉淀,下沉的水带走了大气中的热量、氧气和二氧化碳,并将它们储存在深渊中,再慢慢向北扩散。这是地球翻转环流的主要过程之一,连接着世界上所有的海洋,帮助捕获了人类每年排放的三分之一的碳。许多研究人员认为,当这个碳泵涌动或减速时,它可能会进一步放大气候变化。 今年,一些研究明确指出这个碳泵面临着迫切的危机。令人不安的迹象首次出现在几年前,最值得注意的是深海阿尔戈机器人采集到的数据,它的探测器可以自主漂游到4,000米的海洋深处。人们发现南极底部水温升高,体积缩小,这两个迹象表明洋流的流速减缓,且使得上方较温暖的水体能够侵入。更直接的证据来自一项于今年3月发表在《通讯-地球与环境》杂志的研究。研究人员将该地区历史船只测量的有限记录输入到气候模型中,结果显示自上世纪70年代以来,环流流速已减缓了多达20%。随后在五月,一项发表在《自然气候变化》上的研究利用船只和浮标的测量数据,认为从1992年到2017年深层水流速度减缓了近30%。传统气候模型曾预测环流可能会减缓,但没有这么快。新数据表明,曾被认为是遥不可及的威胁现在已经迫在眉睫。 目前,对于为什么会发生环流减速的现象、到底有多少是人类活动导致的以及它如何影响气候,这些问题还没有明确的答案。但南极洲冰川融化产生的淡水很可能是主要原因,增加的淡水使周围的水变得更轻,不容易下沉。随着全球变暖的持续,冰川融化和洋流减速将进一步加剧。 巨型黑洞合并产生的星际信号在无声轰鸣 Daniel Clery 今年,天体物理学家捕捉到了人们长期寻找的一种微弱的宇宙轰鸣声。它事实上是宇宙中两个超大质量的黑洞相互环绕、紧密摩擦所产生的引力波。这一观测是迄今为止对这些庞大黑洞双星系统存在的最有力支持,其也体现了利用来自遥远恒星的信号来探测引力波是一种强有力的观测手段。星系的中心有重达太阳质量数百万倍或数十亿倍的巨型黑洞。当星系合并时,它们中心的黑洞可能最终被引力锁定在一个越来越紧密的轨道上。在这一堪称 “死亡螺旋”的最初阶段,地面的仪器还没有能力监测其发出的信号。但当两颗黑洞彼此接近到几光年的距离时,它们的环形运动会释放出低频但高强的引力波。这些引力波无法被激光干涉引力波天文台(LIGO)捕捉到。LIGO在2015年首次探测到了由两颗恒星大小的黑洞合并产生的引力波,当时被评选为2016 Science年度科学突破。为了探测那些持续几毫秒的引力波,LIGO测量了激光束在4公里长的真空管中传播的距离。但要捕捉由超大质量黑洞产生的长达数年的波则需要更长的距离。 为此,天文学家转向了对脉冲星的观测。这些是已经燃烧殆尽的星星,每秒会自转数百次,同时喷射出发射无线电波的粒子束流。当这些犹如灯塔光束的波掠过地球时,射电望远镜会记录这些波中像原子钟一样规律的脉冲。在过去的20年里,天文学家长期地监测了几十颗最有规律的脉冲星,寻找它们脉冲节奏中微小的变化。若某引力波经过,其会压缩或拉伸脉冲星与地球之间的空间,细微地改变脉冲到达地球的时间。 今年6月,全球范围内负责监测不同组脉冲星的5个团队共同宣布,通过15年的观测,他们已经将数据中的噪音降到了足够低的程度,使得剩下的数据反映了宇宙中超大质量黑洞双星所引发的合鸣,数目可能多达几百万个。这些团队现在正在寻找更多的脉冲星以便能够绘制这种轰鸣声的波形,并聚焦观测缓慢舞动的巨型黑洞所在的星系。 AI辅助天气预报的发展 Paul Voosen 气象学家用现代计算机模拟未来的大气状态,创造了现代的数值天气预测学科。尽管现在这门学科变得越发复杂且精密,可以提前几周时间做出可靠的天气预测,但它的原理仍与从前一样:使用大量的计算能力来求解控制大气的流体动力学方程。 在过去的一年里,人工智能(AI)已经开始改变这一现状。包括谷歌、华为和英伟达在内的科技公司已经训练了人工智能模型,可以提前10天预测天气,其准确性可与传统模型相媲美,甚至超过传统模型,而且计算开销要小得多。这些“深度学习”模型不是求解方程,而是基于来自欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的数值模型在40年间的观测数据所训练出的模型。一旦经过训练,模型可在台式电脑上仅用时1分钟做出天气预测,而无需在超级计算机上运行2小时。 ECMWF已经开始制作自己的人工智能预报,其他气象机构也在争先恐后地追赶。新模型并不完美,它们很难预测某些基本特征,例如飓风强度。但研究人员预计,随着人工智能预报开始从传感器收集的直接天气观测中学习,而不仅仅是通过现有模型传递的数据,该技术会得到进一步发展。它们的速度也支持多次运行,以捕捉到所有在大气蝴蝶效应中产生的不确定因素。没有人期望传统的数值天气预报消失;例如,气候模型依赖于相同的方程求解范式,人工智能可能很难接管这些预测,因为其模型模拟的未来变化可能与过去的训练数据不同。但从长远来看,超级计算机驱动的气候模型的输出本身可能会成为气候预测人工智能的训练数据,后者最终可能会超过其导师。 抗击疟疾的新希望 Gretchen Vogel 今年,在通过疫苗来抗击疟疾的道路上有两个振奋人心的消息。经过大规模的评估,全球第一种抗疟疾疫苗Mosquirix确能显著降低幼儿的死亡率。幼儿是面对该疾病最脆弱的群体之一,仅在撒哈拉以南的非洲地区每年就有近47万幼儿因疟疾而死。现在,随着世界卫生组织的批准,名为R21 (或MatrixM) 的第二种疫苗也加入了抗击疟疾的行列。它的设计与Mosquirix类似,但生产成本更低、产量更大。它有助于填补疟疾疫苗供需之间的巨大缺口,每年能防止数万名儿童的死亡。 Mosquirix疫苗也被称为RTS,S,其功效有限,且其保护作用会随着时间很快减弱。在2019年,人们开启了对该疫苗的一个长年试点研究,加纳、肯尼亚和马拉维的近200万婴幼儿接种了该疫苗。到2021年,初步的测试结果使得世卫组织的官员相信该药物足够安全有效,可以批准其在更广的范围内使用。10月,世卫组织官员报告了试点阶段接受疫苗与未接受疫苗地区之间的对照。该疫苗使严重疟疾的发病率降低了22%。更意想不到的是,在接受了疫苗的地区,符合接种疫苗年龄的儿童死亡率 (事故除外) 比未提供疫苗的地区低了13%,这表明即使这一不完美的疫苗也可以挽救生命。但从现在到2025年,生产Mosquirix疫苗的葛兰素史克公司 (GSK) 只能产出1,800万剂疫苗,这仅可以为每年受疟疾影响地区出生的4,000万儿童中的450万提供疫苗接种 R21疫苗的问世则可以帮助填补这一空白。它由牛津大学开发,授权给了大型疫苗制造商印度血清研究所予以生产。该公司表示,它每年可以生产1亿剂疫苗,每剂价格在2至4美元之间,不到Mosquirix价格的一半。9月,饱受期待的R21 3期临床试验数据作为预印本发表。该试验涉及四个国家的4,800名儿童,其结果表明,尽管尚未对这两种疫苗进行直接的比较,在接种的前18个月内,R21至少与RTS,S同等有效,甚至可能更为有效。世卫组织表示R21有望在2024年为人们提供广泛接种。 百亿亿次超级计算时代的来临 Robert F. Service 经过十多年的努力,今年终于迎来了百亿亿次级的计算科学时代。美国橡树岭国家实验室的Frontier计算机成为首台向科学用户开放的公认百亿亿次级计算机,它能以每秒一百亿亿次运算的速度解决从气候到材料等领域的挑战 密歇根大学材料科学家所领导的项目便是成果之一。通过Frontier,研究人员能够将两个理论框架联合起来,以几乎完美的精度预测材料中多达60万个电子的行为,而以前的计算大约只能处理1,000个电子。这使得该团队能够模拟镁合金中缺陷的形成、生长和移动,这一进展有助于推动超轻材料的发展,用于研发更节能的汽车和飞机。 美国的两个国家实验室的研究人员也利用Frontier提高了美国能源部全球气候模型的分辨率。这是有史以来第一个能够融入整个地球范围内云的形成的物理模型,预计这一进展将极大提升气象预测人们对超级计算的探索才刚刚开始。美国阿贡国家实验室的一台百亿亿次级计算机目前正在进行向用户开放之前的最后调试。明年,新的百亿亿次级超级计算机预计将在美国加利福尼亚州和德国上线,法国和日本的其他超级计算机也将紧随其后,人们正以前所未有的规模打开科学之门。