年度最佳创新成果公示-智慧创新服务平台

利用复杂的GPS卫星网络监测大气中电子变化预测地震的研究

据说，地震震级的创造者查尔斯·F·里克特（Charles F。 Richter）曾说过，“只有傻瓜和骗子才去预测地震。”但他的言论并没有让人们停止尝试。公元前373年，希腊发生了一场约6.0~6.7级的地震，赫里克市遭摧毁。据记载，在地震发生的5天前，动物就四散逃跑，去寻找庇护场所。日本人曾经认为，抽搐或抖动的鲶鱼可以预测地震。狗、羊、蜈蚣、奶牛以及被称为“伟大的阿格斯”的苏门答腊野鸡，据说都会在地震发生前改变行为。有些人还把突然变干的井、温度变化、氡气释放和一些较小的前震看作可能的地震前兆。1975年，中国科学家将这些迹象（包括动物行为）结合起来，甚至预测了7.3级的海城地震，并提前疏散了居民。这次成功的地震预测带来了希望。“20世纪70年代，美国和日本的地震学家对短期地震预测非常乐观，”东京大学岩石力学专家中谷正生（Masao Nakatani）说，“那时，我们倾向于认为地震是一定可以预测的。”到了20世纪80年代，美国和日本都成立了研究小组来探索这个挑战。然而，可靠的预测信号并不好找。中国成功预测海城地震之后一年，同样的技术却未能预测另一场更大的地震（唐山大地震），后者导致了二十几万人死亡。日本坐落于板块运动频发的环太平洋火山带上，在付出了相当大的努力后，日本科学家发现一种前兆只适用于一场地震，无法用来预测下次地震。大自然似乎在不断改变规则。20世纪90年代末期，美国基于先前地震的模式，预测了加利福尼亚州的帕克菲尔德附近将发生地震。但地震并未发生，美国也因此放弃了预测地震的努力。地震最终在2004年发生了，但丝毫没有出现期待的预警信号。日本东北大地震发生的那年，意大利政府设立的国际地震预测委员会基本上停止了地震预测的研究。该委员会的成员在2011年5月写道：“尽管日本进行了持续的研究，但几乎没有发现证据表明，存在可以预测即将发生的大地震的前兆。”四个月后，日置为地震预测研究找到了新方向。他发现，暗含玄机的电离粒子不在地表，而是在距离地面约300千米的天空中。大地和天空存在某种关联的想法并不是毫无依据。20世纪70年代，科学家首次发现岩石在高压下能产生电流，就像是一个小小的电池一样。该理论认为，当岩石受压时，氧原子会释放电子，形成物理学家所说的带正电荷的空穴（p-holes）。临近原子的电子补充到空穴中，进而产生电荷移动的连锁反应。这些空穴“能在很远范围内移动，从几千米、十几千米到数百千米，”美国航空航天局和搜索地外文明研究所（SETI）的研究员弗里德曼·弗罗因德（Friedemann Freund）说，他正是这一现象的发现者。“就像灭火时用的一桶水一样，不断地从一个人的手中传递给下一个人。” 弗罗因德说，空穴先是在岩石中传递，最终到达地球表面。在地表，它们吸引空气分子中带负电的电子，就像磁铁吸引铁屑一样。就这样，电荷便传播到高层大气了。目前，这种机制还只是理论，很难直接测量，但震后观测到的电子丛痕迹似乎符合这一理论。但是，还没有人在震前清清楚楚地观测到这种效应。日置在他的研究中引入了一种新方法：利用复杂的GPS卫星网络，来监测大气中电子的细微变化。日本拥有特别密集的GPS接收器网络，这使得日置能够发现日本东北大地震震中上方高空中微弱的电子波动，这之后过了40分钟，地面的地震仪器才记录到大地的震动。实际上，日置确实没有立即发表自己的发现。在日本东北大地震之后，他又观察了另外两次大地震，这两次地震所在地都有详细的GPS数据。日置发现，在这两场地震发生前至少30分钟，电子密度都出现了明显增加。地震越大，电子密度出现变化的时间似乎越提前。在2014年智利的8.2级地震中，电子密度出现变化的时间是提前了25分钟，而在9.0级的日本东北大地震中，这一提前时间则是40分钟。所以说，电子信号不仅提示地震即将发生，还会表明了即将发生的地震的相对大小。

利用3D技术打印人类眼角膜

利用3D技术打印人类眼角膜，借助该技术可以确保未来无限量供应眼角膜成为可能，这种生物打印技术很可能解决未来世界范围内的眼角膜短缺问题。眼角膜是眼睛的一个必要构成要素，决定着人们能不能看到世界的一切美好。保守估计，全世界有1000万人需要通过眼角膜手术防止沙眼造成视力下降，约500万人因为烧伤或者眼疾而完全失明，他们都需要通过移植眼角膜重见光明。然而，实际上可供移植的眼角膜却严重短缺，根本无法满足如此庞大的需求量。一项发表在《实验眼科研究》上的研究成果表明，来自健康供体角膜的干细胞(人类角膜基质细胞)与海藻盐酸和胶原蛋白混合在一起，能够形成一种可以打印的“生物墨水”溶液。然后用一台简易操作的3D生物打印机，把生物墨水挤压成人类角膜的形状直接印刷就可以，整个过程不到十分钟。他们可以通过扫描患者眼睛来搭建符合不同患者特点的角膜。另外，科学家们在室温环境中使细胞在类似的水凝胶中存活数周，然后用准备好使用含有干细胞的生物墨水打印角膜组织，而不必担心细胞的生长分别。并且这种生物打印技术很可能解决未来世界范围内的眼角膜短缺问题。

利用代谢工程将酿酒酵母用于生产长链脂肪酸衍生化学品

超长链脂肪酸（VLCFAs）及其衍生物是指碳原子数在22至26之间的一系列化合物，比如芥酸、正二十二醇、荷荷芭油等，它们广泛应用于润滑油、涂料、化妆品及医药行业。这类物质通常从植物中提取或者化学合成获得，产量低成为了限制其应用的最大因素。利用微生物合成超长链化学物质成为了改善该行业现状的突破口。通过在酿酒酵母实施三步法，可获得大量的目标产物。首先，在酿酒酵母菌株中引入分枝杆菌的FASI系统，让其能够合成大量的前体物质C16-C18以及C22-C24 VLCFAs。第二步，研究者通过敲除β-氧化，甘油三酯及甾醇酯合成途径，增加超长链脂肪酰-CoA的代谢流。于此同时，改造菌株的延长酶系统，过表达酿酒酵母自身的延长酶基因ELo2和ELo3基因，让其能够成功合成C22-C26 VLCFAs。第三步，调控生长与产物合成的矛盾，以合成正二十二醇为例，首先通过过表达拟南芥的酰基-CoA还原酶基因（AtFAR）让酿酒酵母能够成功合成正二十二醇。进一步采用碳源依赖型的启动子，让改造菌株有效的识别生物量积累期及产物积累期，阻止了产物积累对生长的抑制作用。最终正二十二醇的产量达到了83.5 mg /L，比出发菌株提高了80倍。

利用量子纠缠现象在计算机芯片之间实现信息的“瞬间传输”

量子纠缠指的是基本粒子中由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的现象，当其中一颗粒子的状态被干扰而发生变化时，另一颗也会即刻发生相应的状态变化，两者几乎没有时间差，即使相距十分遥远的距离，对一个粒子所做的改变也会影响另一个粒子几乎在同时作出相应的改变。可开发一款芯片，该芯片能够在电路中生成光粒子微粒，利用量子纠缠现象，或能在不同芯片之间“瞬间传输信息”，以此实现量子纠缠状态下的即时通信。正是由于量子纠缠现象的存在，这款芯片不需要电气或者物理连接就能传输信息，因为量子纠缠可以使这样的两款芯片中的微粒瞬间出现相同的反应，达到远距离无连接通信的效果。这一技术的难点是信息编码在单个微粒对中，难以控制和测量。利用量子纠缠现象将不同芯片连接在一起，通过操控一个粒子激发粒子对中位于其他芯片中的另一个粒子发生变化，从而实现了两个芯片中，信息在未连接状态下的即时传输。如果这一技术走向成熟，将能够催生更加快速和安全的“量子网络”，促成通讯技术方面一场跨时代的进步。比如量子计算机、量子互联网、星地通信与星际通信等技术，未来都需要依赖于“量子信息”。但更重要的是星际间的通讯，将来人类想往别的星球上搞科研或者移民，即便以光速通讯仍然有很长的延时，但是量子纠缠效应下的通讯却可以即时传输，所以也可以说的纠缠通信技术是将来星际间传播的必备手段。

公共水域安装人工智能摄像头，智能监控落水者

每年平均有37.2万人死于溺水溺亡人群中有一半年龄在25岁以下每小时约有42人死于溺水男性溺水人数是女性的两倍溺水死亡是营养不良死亡人数的2/3，超过疟疾死亡的一半中低收入国家的溺亡率比高收入国家高三倍多溺水是世界各地1-24岁人口死亡十大原因之一在水边饮酒是很多国家青少年和成年人溺水的重要风险因素按地区与年龄，溺水在十个主要死亡原因中排序情况如下：孟加拉国的一项全国调查表明，80％的5岁以下儿童溺水事件发生在距离家庭20米范围内。其中43%在池塘中，其次是沟渠（26%）和有水的容器（13%）中。年龄较大的青少年和成年人通常在自然水域中溺水，比如在工作，旅行或打水时。水域安装人工智能摄像头，智能监控落水者：搜集全球落水图像，对落水者的逃生动作进行大数据分析整理，开发一套人工智能智能算法，算法应用到人工智能摄像头上，摄像头可自动识别落水动作并紧急通知相关救生人员，将会有效降低落水者死亡率。

利用软性神经植入物，可以植入大脑，可以使用智能手机进行控制

可开发利用软性神经植入物，这种物体可以植入大脑，并且通过使用智能手机进行无线控制，通过该植入物，药物和光脉冲可以无限量的输送到全身神经。该植入物使用可类似于乐高（Lego）的可替换药筒，能够通过低功耗蓝牙数据链，长期将药物或者光脉冲信号瞄准感兴趣的特定神经元，这种新型的植入物装置以强大的微纳米科技工程为基础，并且是采用目前先进的电子设计得以完成的。如果将这项设计再推进一步，争取能够将其植入大脑，并且在临床应用，造福人类。软性神经植入物这项创新大大优于传统方法。在此之前，只能通过刚性金属管和光纤来输送药物和光脉冲，除了设备笨重限制受试者的运动外，随着时间推移，植入物相对坚硬的结构还会导致软性脑组织损伤，因此不适合长期植入。虽然传统技术也已经采取了一些措施来缓解这些不足，例如通过软探针和无线平台来部分缓解不良组织反应，但是这样仍然无法长期提供药物和光脉冲输送，控制装置也过于庞大复杂，依然不是特别适用。为了实现缓慢无线药物输送，必须解决药物蒸发带来的关键挑战，而这种带有可替换药筒的神经装置，它可以确保药物充足。这些“即插即用”的药筒被组装成一个由微流体通道和微型发光二极管（比盐粒还小）组成的柔软超薄探针（头发丝厚度）的小白鼠大脑植入物，可以无限剂量的给药，以及传输光脉冲通过智能手机上简单明了的用户界面，神经科学家可以轻松的将任意混合的药物或者光脉冲输送到目标动物体内，而无需再在实验室内进行物理操作了。界面控制另外，利用这些无线神经装置，研究人员还可以轻松地建立全自动的动物研究，比如其中一只动物的行为可能通过出发光脉冲信号，或者药物输送，从而影响到其他动物。以前从未实现的慢性化学和光学神经调节，现在能够实现了。

利用光学传感器芯片检测尿液中的癌症生物标志物

目前测量生物标志物水平的方法既昂贵又复杂，需要在专门实验室进行活检和分析。利用带有集成激光器的传感器芯片来检测尿液样品中极低水平的癌蛋白生物标志物，这项设计比其他设计更为灵敏，并可能导致非侵入性和廉价的方法来检测指示疾病存在或进展的分子。新设计将为更快、更灵敏地检测生物标志物铺平了道路，这将使医生能够及时做出决定，从而改善包括癌症在内的医疗条件的个性化诊断和治疗。这种生物传感器可以使即时医疗设备同时筛查各种疾病。它的操作简单，不需要复杂的样品处理或传感器操作，使其成为临床应用的理想选择。同时，这种传感器还具有非生物医学应用的潜力。例如，它还可用于检测不同类型的气体或液体混合物。在微环谐振器中与产生激光的装置耦合的泵浦光。谐振器的表面装有捕获感兴趣分析物的探针（环上的红色锚定分子）环中的激光射入流体。当感兴趣的分析物（蓝色三角形）附着在捕获探针上时，这是由微环激光外部的场感应的，从而改变激光发射的频率。这种偏移可以非常精确地测量，允许以“特定”方式检测流过传感器的微量分析物（即，粉红色颗粒不与捕获层结合，因此不被检测到）。在图中，波导是绿色的（由诱导激光发射的掺杂剂上转换产生的真实颜色），可以看到一个微流控通道，其中不同的粒子从左到右流动。创建高灵敏度传感器新型传感器芯片通过用芯片上的微型磁盘激光器发出的光照射样品来检测特定分子的存在，当光与感兴趣的生物标记物相互作用时，该激光的颜色或频率以可检测的方式移动，为了对尿液样本进行检测，找到了光子材料氧化铝，因为当掺入离子时，它可用于制造在水的光吸收带之外的波长范围内发射的光，同时仍然能够精确检测生物标记物。虽然基于激光的频移监测传感器已经存在，但它们通常具有不容易集成在小的一次性光子芯片上的几何形状。氧化铝可以很容易在芯片上单片制造，并且与标准的电子制造程序兼容。使用微盘激光器，而不是其他类似传感器中使用的非激光环形谐振器，开启了前所未有的灵敏度之门。这种灵敏度来自于这样一个事实：激光的线宽比被动环形腔的共振要窄得多。一旦其他噪声源（如热噪声）被消除，此方法将允许在非常低的浓度下检测到来自生物标志物的非常小的频率偏移。检测微小的生物标志物浓度开发并应用了一种表面处理技术，可以捕捉到尿液等复杂液体中的生物标记物，然后用含有已知生物标记物水平的合成尿液对这种新型传感器进行测试。他们能够在低至300皮摩尔的浓度下检测到S100A4，在这个浓度范围内的检测显示了无标签生物传感平台的潜力。此外，使用开发的技术可以使检测模块非常简单，从而使其更接近实验室之外的最终应用，可开发各种涂层，从而可以并行检测多种生物标志物。

建立全球《新冠肺炎声音库》，通过咳嗽声检测是否患有新冠肺炎

2020年2月11日，世界卫生组织总干事谭德塞在瑞士日内瓦宣布，将新型冠状病毒感染的肺炎命名为“COVID-19”。显然，感染新冠肺炎前后，声音是会发生明显某种变化的。我们可以开发建立一个《新冠肺炎声音库》，通过网站、手机APP等渠道搜集人们咳嗽、呼吸和说话的声音大数据，这些作为大数据资料，给研究者用于分析和研究检测新冠的算法，只要病人轻轻咳嗽，就可以初步检测用户是否感染新冠肺炎。提供数据的志愿者们登陆声音库网页后，需要选择他们自己的年龄、性别、身体状况以及是否吸烟等，然后，需要再填写一份症状清单，其中多数都和新冠肺炎相关，比如发烧、干咳、呼吸困难以及味觉和嗅觉的丧失等。最后是地理位置，过去14天新冠检测是否呈阳性，是否在住院等。这项工作的目的是能够做及时的诊断，通过收集足够多的数据资料，通过算法计算，希望通过咳嗽声乃至说话声可以用于初步的诊断。

年度最佳创新成果公示

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