改变未来的几大 “技术前沿”

READING导读

《知识分子》每周有一个专栏，专门遴选介绍面向人类认知前沿的有趣的科学进展。《赛先生》在持续梳理了20期技术前沿资讯以后，觉得读者也许对未来改变生活的技术前沿资讯也感兴趣，这是我们刊发的第三期内容，欢迎您阅后对技术前沿资讯专栏提出宝贵建议。

01
二氧化碳实验室合成淀粉：速率达农业生产8.5倍

图片来自unplush.com

淀粉是人类饮食中最常见的碳水化合物，亦被广泛应用于造纸等工业生产中。自然界中，淀粉主要由玉米、土豆等植物经光合作用合成，历经60余个生物化学反应，不仅占用大量耕地，能源转化效率亦不足2%。如何更高效地产出淀粉供给日益增长的全球人口，是可持续发展道路上的一个重要问题。
近日，中科院天津工业生物技术研究所马延和团队，利用人工设计的重组酶系统，构建了一条仅需11步化学反应的二氧化碳至淀粉人工合成路径。实验结果显示，该方法合成淀粉的速率达到了自然界中的8.5倍，按当前参数计算，1立方米大小的生物反应器，便可以实现我国五亩玉米地的年产量。
不过，多位科学家在为这一技术突破感到欣喜的同时，也提醒该成果仍处于实验室阶段，高昂的生产费用、较高的能源要求都将是其量产道路上必须解决的阻碍。 该论文已发表于最新一期《科学》（Science）。
02
Cadence推出全新芯片设计自动化工具：效率提升10倍 图片来自unplush.com
电子设计自动化（EDA）软件可以辅助工程师高效、严谨地完成超大规模集成电路设计，是现代芯片工业中不可或缺的一部分。

近日，全球EDA三大巨头之一的楷登电子（Cadence）宣布，推出一款完全基于机器学习的芯片设计自动化工具Cerebrus。通过增强学习模型，该软件可以快速找到工程师可能不会主动尝试的解决方案，并累积团队知识与经验，不断优化设计效率。
在5nm制程手机CPU设计任务中，相比人工设计，应用该软件效率提升高达10倍，且功耗、性能和面积（PPA）结果改善20%。根据三星晶圆厂等首批试用客户的反映，该软件在多项现实任务中也已立下大功，如几天内实现人工几个月的模块功耗减少等。
03
中美联合团队设计全球最小飞行器：比拟圆珠笔尖 图片来自unplush.com
近年来，微型飞行器在军事侦察、病菌检测、污染监察等领域有着迫切需求，然而其小型化进程却似乎达到了瓶颈。目前市场上主流的电子飞行器均为主动驱动，由于机械部件本身的复杂性，很难在保证较长飞行时间的同时进一步缩小尺寸。
为解决该问题，美国西北大学与中国清华大学等多家机构组成的联合团队，提出了由自然风驱动的被动微型飞行器思路。受植物种子的空气动力学特性启发，该团队设计出了多款能在空气中可控旋转的飞行器3D结构，并将传感器、电源、无线通信天线等部件以超小化技术集成其中，其中最小的宽度不过0.5毫米。
在实验中，科研人员发现，它们设计的飞行器甚至比种子具有更稳定的轨迹、更慢的下落速度，在环保等应用场景中大有可为。与此同时，为避免飞行器本身造成的污染问题，该团队还开发出一种瞬态电子器件，使其能够在使用结束后于水中无害化溶解。 该研究已发表于最新一期《自然》（Nature）封面。
04
全民发电：使用寿命达30年的太阳能电池窗 图片来自unplush.com
太阳能是当前人类可及的最廉价能源之一，然而厚重的硅基太阳能板往往只能被集中安置于远离用电核心区的郊野地带，受维护成本与地理环境限制，进一步扩张困难重重。
为解决这一问题，密歇根大学某团队将目光投向了无处不在、且能够垂直叠加的窗户。通过向富勒烯受体构成的太阳能电池窗上镀加一层氧化锌（ZnO）保护罩，及碳基缓冲层，科研人员成果研制出了一款透明度40%、光电转换效率10%，且在等同30年紫外线照射强度下保持80%性能的太阳能电池窗，打破了半透明有机太阳能电池的多项记录。

研究人员表示，未来他们有信心进一步将该太阳能窗透明度提升至60%。据他们估算，如果该电池窗能覆盖美国70亿平方米左右的玻璃表面，它将可以满足全美40%的能源需求，使几乎每幢建筑变为发电厂。 该研究已发表于最新一期《自然·通讯》（Nature Communications）。 05
“复制”人类大脑于芯片：三星联合哈佛公布新研究 图片来自unplush.com
上世纪八十年代以来，科学家们便曾设想在芯片上模拟人类大脑神经网络结构与功能，实现高效任务处理。然而，由于我们对人类大脑这一复杂器官的知识有限，该目标始终未得到推进。
近日，三星集团与哈佛大学组成的联合团队提出一种全新思路，即借由高度敏感的纳米电极阵列，记录大脑神经元间电流信号，获得并拷贝人类大脑神经网络联结图，再将存储芯片间传导性按神经元链接强度进行编程，将该“神经网络联结图”粘贴于半导体上。
面临虚拟神经元带来的存储技术极限挑战，研究负责人之一、哈佛大学应用物理学教授咸燉憙认为，在这一宏伟的设想中，他们的产研联合团队将同时推进机器智能、神经科学和半导体技术的边界。 该研究计划已发表于最新一期《自然·电子》（Nature Electronics）。

参考文献： 

[1] Cai Tao et al, Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide, Science (2021). DOI: 10.1126/science.abh4049

[2] https://www.cadence.com/zh_CN/home/company/newsroom/press-releases/pr/2021/cadence-extends-digital-design-leadership-with-revolutionary-ml-.html

[3] Kim, B.H., Li, K., Kim, JT. et al. Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds. Nature 597, 503–510 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03847-y

[4] Li, Y., Huang, X., Ding, K. et al. Non-fullerene acceptor organic photovoltaics with intrinsic operational lifetimes over 30 years. Nat Commun 12, 5419 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-25718-w

[5] Ham, D., Park, H., Hwang, S. et al. Neuromorphic electronics based on copying and pasting the brain. Nat Electron 4, 635–644 (2021). https://doi.org/10.1038/s41928-021-00646-1