【精华推荐】科技最前沿：仿生眼植入体让盲人重见光明、逆转衰老、3D打印心脏芯片、自我修复机器人、电子-光子“对话”

这种仿生眼植入体

能让失明的人重见光明

把光电信号转化为神经信号，仿生眼植入体有望帮助盲人恢复视觉。 

最近，英国国家健康中心在十位色素性视网膜炎患者身上对仿生眼植入体进行了试验，这种仿生眼植入体有望帮助盲人恢复部分视觉。与此同时，其他帮助失明患者重获光明的新技术也正在不断发展之中。

色素性视网膜炎（retinitis pigmentosa）是一种罕见的遗传病，它会破坏视杆细胞，影响视网膜的感光能力，最终可能导致失明。据美国国家眼科研究所（National Eye Institute）估计，世界上每4000人中就有1人患有这种疾病。

最近，由英国国家健康中心（National Health Service，NHS）资助研究的仿生眼植入体在十名色素性视网膜炎患者身上得到了试验，这项研究有望促进色素性视网膜炎的治疗，让失明患者重获光明。

该仿生眼植入体名为“阿耳戈斯II代（the Argus II）”，阿耳戈斯是希腊神话中的百眼巨人，永远都能保持警惕。在使用“阿耳戈斯II代”仿生眼植入体时，患者还需要佩戴特制的眼镜，这种眼镜上安装有小型摄像设备，能够与视网膜植入体配合工作。摄像设备可以捕捉图像，再通过无线信号将图像传输到视网膜植入体上，视网膜植入体上的电极可以刺激剩余的视网膜细胞，视网膜细胞再将信息传输给大脑，这样患者就能够有效地恢复部分视觉了。

NHS英格兰地区特殊疾病部门（specialized commissioning at NHS England）主管Jonathan Fielden博士说：“NHS资助的这一项目非常具有创新性、也非常具有应用前景，这有望改善那些失明患者的生活。”

同时，这也是首次对色素性视网膜炎进行治疗。2017年，植入仿生视网膜的十位患者中，五位将在曼彻斯特皇家眼科医院接受治疗，剩下五位将在莫菲尔德眼科医院接受治疗。在手术后的一年时间里，医院将密切关注患者状况，记录并判断仿生眼植入体对患者生活的改善程度。

《英国卫报》报道，在该植入体试验的所在地——英国，大约有16000人受到色素性视网膜炎的折磨，其中，约有160至320人有可能可以接受仿生眼植入体的治疗。NHS对首批接受植入体治疗的十位病人进行资助，其目的就是为了展示这种面向色素性视网膜炎患者的、可行的治疗手段。

与此同时，其他科技领域的最新突破也有望应用于防盲治盲。例如，谷歌专注于人工智能的子公司DeepMind开发出了可以检测糖尿病视网膜病变的人工智能算法，糖尿病视网膜病变会让病人逐渐失明，是最常见的致盲原因之一。

再例如，用于治疗遗传性视网膜营养性萎缩症（hereditary retinal dystrophy）的基因疗法已经处在FDA审批的最后阶段，最早将在2017年面世；不久前，萨克研究所（Salk Institute）的研究人员曾报道过CRISPR/Cas-9基因编辑技术在视觉恢复治疗中的应用，通过这种革命性的基因编辑技术，研究人员成功让有基因缺陷的老鼠恢复了部分视觉。

我们也许可以通过逆转因衰老而改变的基因活性来减缓衰老进程，甚至逆转衰老。 

根据近期发表在《细胞》（Cell）上的一项工作，索尔克生物研究所（Salk Institute for Biological Studies）的研究人员通过调节一些关键基因的表达水平，成功诱导分化后的成熟细胞成为胚胎类似细胞，实现了体外逆转小鼠和人类细胞的衰老状态。此外，研究人员还证实这一方法可以延长早衰小鼠的寿命，促进中年小鼠的损伤修复。

目前，学界的一种观点是衰老是一个表观遗传状态变化的过程，这些变化可以使基因表达更加活跃或受到抑制。索尔克生物研究所的研究人员的工作无疑给这一观点增添了新的证据。在细胞的生命周期中，基因活性不是一成不变的，而是受到多种因素的调节。对于人类来说，可能改变基因活性的因素有：吸烟、污染或者其他环境因素。随着基因活性改变的不断积累，我们的肌肉不再发达，思维逐渐变缓慢，同时我们也更容易受疾病的侵害。

Juan Carlos Izpisua Belmonte是索尔克生物研究所基因表达调控方面的专家，是上述工作的通讯作者。他认为：“衰老是一个可塑性很高的过程，我们甚至可以操控这一过程。”他们的研究也表明，伴随衰老而产生的一些基因活性改变是可能被逆转的，而且他们的方法可能最终能够用于人类衰老的逆转。简单地说，Belmonte的研究组通过短暂激活四个基因的表达，使成熟细胞重编程为胚胎干细胞，从而让细胞重新进入年轻状态。

他们在小鼠体内激活的这四个基因被称为“山中因子”（Yamanaka factors），因其发现者为山中伸弥而得名，山中伸弥被授予2006年的诺贝尔生理学或医学奖，以表彰他发现这四个基因具有细胞重编程能力的杰出贡献。Belmonte研究组的工作表明，短暂激活这四个基因的表达可以使中年小鼠受损的肌肉和胰腺恢复到年轻状态，还可以使患有早衰症的小鼠寿命延长30%（早衰症会加速儿童的衰老）。

由于山中因子的作用是改变基因的表观遗传状态，因此一些科学家认为，Belmonte的研究为“衰老是一个表观遗传变化的过程”这一观点提供了进一步的证据。David Sinclair是哈佛大学研究衰老的遗传学家，他没有参与Belmonte的研究，但他表示：“我认为表观遗传重编程是逆转衰老的最根本方法，我的实验室的很多研究表明衰老的许多表征由表观遗传改变引起。” 目前，Sinclair的实验室已经在准备一篇论文，阐明人类衰老时的表观遗传变化是由哪些因素引起的。

索尔克研究所的这项研究用到的实验对象是中年小鼠。但是这项研究的第一作者Alejandro Ocampo指出：“理论上，这种表观遗传重编程应该在任何年龄的小鼠或人类细胞上都能起效，甚至是百岁老人的细胞。”他和Belmonte表示，他们会在后续的研究中提高这种方法的效率并且期望得到更好的效果。此外，他们希望将来可以用更实用的小分子来替代现在的用到的山中因子，并希望最终能够将这一方法用到人类逆转衰老上。

Matt Kaeberlein是在华盛顿大学的研究衰老的分子生物学家，他表示：“其他一些研究人员之前就发现山中因子可以使细胞恢复到年轻状态，所以从这一层面上说，索尔克的研究成果并不意外。”但是Kaeberlein同时强调：“在Belmonte之前，没有任何研究表明山中因子的短暂表达可以在动物模型中治疗与衰老相关的疾病，因此这一点才是Belmonte这项工作最重要的意义。”

Kaeberlein说：“Belmonte的研究表明，衰老可能不仅能够被延缓，甚至可以被逆转。这一点非常重要，因为它意味着老人的机体功能有望恢复到青春状态。可以想象，相比于改变每一个细胞的基因，直接改变个体表观遗传组的方法更加实际。”此外，Kaeberlein还提到，这项新研究所观察到的现象，和丧失功能的衰老细胞被清除后的效果类似。Kaeberlein表示：“Belmonte的工作可能使得衰老细胞凋亡，也可能对其实行了重编程，究竟是哪一种我们目前还不清楚。”

Manuel Serrano是西班牙马德里国家癌症研究中心的一名研究衰老的专家，他没有参与这项新研究，但是非常欣赏这项研究。他在电子邮件里写道：“我完全赞同这项研究的结论。这项研究指出表观遗传变化确实是导致衰老的部分原因，而且重编程能够改正这些表观遗传上的错误。这将成为未来抗衰老研究发展的基础。”

索尔克的这项研究同时表明他们对于表观遗传状态的调控是一个非常精细的过程，一旦调控过度便可能导致可怕的后果。研究者发现，当用山中因子长期处理小鼠时，有些小鼠体内产生肿瘤，不到一周便死亡。而当研究者把处理时间从7天降低到2天时，小鼠就可以明显从这种处理中受益。Sinclair认为这个现象应该给想要延长人类寿命的人带来警示。Sinclair说：“我们就像是在玩火，因为表观遗传调控的尺度难以把握，这也使得索尔克的这项研究难以转化成监管机构批准的抗衰老药物。因此Sinclair 认为：“接下来的十年我们需要弄明白：怎样才能使细胞重编程恰到好处，使之恢复到年轻状态但又不会恢复到胚胎干细胞阶段（有无限分裂能力）从而形成肿瘤。”

老的肌肉细胞又一次变得年轻。左图为来自中年小鼠的肌肉细胞，修复机能受损。右图同来自中年小鼠，但接受了处理，肌肉细胞的修复能力增强。图片来源： Salk Institute

Sinclari和Kaeberlein都表示，他们希望Belmonte的实验室能够证明普通的小鼠经过同样的基因表观遗传状态改变可以存活更长时间，而不仅仅是治疗衰老相关的疾病。

和其他研究抗衰老的研究者们一样，Belmonte表示他研究衰老起初是为了延长人类的“健康期”，也就是一个人一生中健康生活的时长。而延长“寿命” ，即一个人活着的时长，这样的目标则需要更长的时间和更多的努力去实现。事实上，大多数人在过了中年以后都会不幸患上因衰老而产生的疾病，包括心脏病、癌症、阿尔茨海默病等。因此，Ocampo认为：“其实重要的并不是我们能活多少年，而是我们余生的生活质量能否得到保障。”

Belmonte表示，目前他的团队正在研究衰老过程是在身体各组织同时发生，还是由某些组织或器官调节着衰老这个过程，当行使调节功能的组织机能受损时，整个生物体就开始衰老。他们认为，下丘脑可能对衰老起一定的调节作用。目前普遍认为，下丘脑是调节内脏活动和内分泌活动的较高级神经中枢，它控制着激素分泌，体温调控，情绪变化，饥饿感知和昼夜节律等。

还有一些其他的方法被发现可能有抗衰老效果。比如限制饮食、服用雷帕霉素（rapamycin）和联体结合（parabiosis，一种使年轻小鼠与老年小鼠血液循环系统相沟通的实验手段）。Keaberlein说：“这些多样化的抗衰老策略表明，衰老的机制可能不是单一的，因此我们需要同时运用多种互补方法来延长人类的寿命。”

Sinclair 还提到，研究者发现高浓度的白藜芦醇（一种在红酒中发现的物质）似乎有抗衰老的功效，它能够延缓表观遗传状态改变，并且保护细胞不受表观因子的损害。以上这些方法确实可以逆转衰老的一些表征，比如说肌肉萎缩。但是停止运用这些方法以后，衰老会继续发生。然而，Sinclair告诉我们，Belmonte研究组的工作不同于上述所有方法，理论上，Belmonte的方法可以让你在一次抗衰老因子处理后年轻十岁或二十岁。当衰老再一次来临时，你只需要再接受一次抗衰老因子处理即可。

Sinclair认为，这项研究第一次给人类长命百岁的梦想带来了一丝曙光，并且他表示，他非常愿意用这一方法延长寿命，“毕竟，我这47年真如白驹过隙啊。”

加密芯片保障物联网安全

物联网在带来便利的同时，也增加了网络入侵的风险。 

物联网（Internet of Things，IoT ）能够带来各种功能巧妙的设备，但每个连接在网络上的设备也都很容易成为黑客的攻击目标。最近的网络安全事故表明，黑客能利用物联网设备盗取用户隐私，甚至造成更严重的破坏。因此，亚马逊联合美国微芯科技公司（MicrochipTechnology）开发出了一种附加芯片，用以对抗这种网络攻击——当然，也为了鼓励开发者使用亚马逊的物联网云端基础设施。

该芯片名为AWS-ECC508，能使物联网设备更安全——至少对使用亚马逊云服务的开发者来说是这样。云服务是物联网不可缺少的一部分，因为物联网的概念正是使我们周围普遍存在的事物都能连接起来，所以必须依靠大规模的计算设施。

比方说，一个智能灯泡会将其状态上传到由灯泡制造商管理的云端，当灯泡使用者下次打开智能手机的应用程序时，灯泡的信息就会更新到手机应用中。接着用户可以根据需要使用应用程序，通过云服务发送命令，来打开或关闭灯泡。

从设备到用户，再由用户返回到设备的这条信息链，也正是黑客攻击的潜在入口：如果黑客成功地欺骗了云服务，让它相信虚假信息来自灯泡，那么用户就会接收到不正确的信息。黑客可能会利用这个切入点，对云服务进行更深的攻击。如果灯泡相信了这个虚假连接来自云端，那么黑客不仅能控制灯泡的开关，还能向用户网络中植入恶意软件。

不幸的是，物联网设备制造商并不重视这一问题，主要因为他们并不愿意为了提高安全性而付出额外的成本，微芯科技公司的工程师Eustace Asanghanwa解释道：“对于认为自家产品并不是非常关键的制造商来说，更是如此。比如生产智能灯泡的制造商，会认为灯泡不是关键设备，如果灯泡坏掉，没有人会受到伤害。但事实是，一旦设备被连上网，需要担心的就不仅仅是设备本身，而是设备所连接到的整个网络。”

AWS-ECC508芯片旨在为物联网设备和云基础设施提供端到端的安全保护。它利用亚马逊的交互式身份验证系统，在任何数据或命令被接受前，先验证云服务和设备的身份。身份是基于密钥的。直到现在，创建此类身份都依赖于原始制造商（通常是为设备公司代工的合同制造商）安全地生成密钥，然后将密钥沿着制造链安全地传递。但AWS-ECC508可以自己生成密钥，再由亚马逊验证。

正如名字所暗示的，AWS-ECC508依赖于“椭圆曲线加密”（ellipticcurve cryptography，ECC）算法，而不是更著名的、巩固了当今互联网安全的RSA算法。“在嵌入式系统中，RSA算法非常昂贵：密钥大，耗能多，花费时间长……ECC算法则更有效率，并占用更少的比特，这意味着它需要的计算资源更少。”Asanghanwa说。AWS-ECC508芯片还能防止设备硬件受到攻击，比如破坏机器外壳窥探内部电路，或在非正常电压下启动运行机器。

希望试用AWS-ECC508的物联网硬件开发人员，已能购买到相应工具包，且芯片的批发价仅约68美分。

电子-光子“对话”将对

量子计算产生重大影响

【据ChemEurope网站2016年12月30日报道】经过长达五年的努力，普林斯顿大学和HRL实验室的研究人员终于成功研制出一种能使单电子将其量子信息传递给光子的器件，该研究成果使人类向着硅基量子计算机的实现又迈进了一步。在该器件中光子成为了传递量子信息的信使，将电子联接在一起，构成量子计算机的电路。

“这就好比人类之间的交流与互动，若想实现良好的沟通，我们需要解决很多问题，例如，如何能使对话的双方说同一种语言。我们可以让某一电子态具有能与光子产生共振的能量，这样便可以实现电子与光子间的量子信息传递，”普林斯顿大学的物理学教授Jason Petta说。这一发现可以让研究人员用光将相互之间独立的电子联接在一起，这些孤立的电子可以作为量子计算机的最小的数据单元即量子比特。量子计算机利用如电子这样遵循量子力学规律的微观粒子进行计算，一旦实现将会极大地提升计算机的计算性能。

在经典计算机中，一个比特拥有一个确定的数值，0或者1。而量子比特（Qubit），除了具有0和1两种状态之外还存在同时为0和1的量子叠加态。这种状态的叠加使量子计算机能够解决经典计算机所无法解决的更加复杂的问题。

目前，人们已经可以利用囚禁离子和超导等方法研制出一些简单的量子计算机，但技术上的挑战使得硅基量子计算机的发展速度十分缓慢。硅是一种极具吸引力的材料，因为它价格便宜且已经被广泛应用于当前智能手机和电脑的制造之中。

在器件研制过程中，研究人员将电子和光子分别囚禁，然后对电子的能量进行调节使其将量子信息传递给光子。这种耦合效应可使光子将一个电子的量子信息传递给一厘米之外的另一个电子。

量子信息具有易失性，周围环境中十分微小的扰动都能使其完全消失。光子具有很强的抗扰动性能，不但具有在量子计算机电路中的量子比特间传递量子信息的潜力，而且还有望通过光纤实现不同量子芯片之间的信息传输。

为了实现电子和光子这两种性质完全不同粒子之间的信息传递，研究人员必须为它们提供一个合适的环境。首先，HRL实验室的Peter Deelman及其合作者利用层状的硅和硅锗材料制造出一个半导体芯片。该结构可以使单层电子被束缚在芯片表面之下。然后，来自普林斯顿的研究人员将纳米尺寸的细导线置于器件的上表面，利用这些细导线向器件输送电压便可产生足够的能量将单电子束缚在由硅原子构成的双量子点区域内。此外，研究人员还利用这些细导线对被束缚电子的能级进行调控来实现与硅晶片上超导谐振腔内束缚光子的匹配。在这之前的半导体量子比特只能与相邻的量子比特相互耦合。通过光使量子比特之间相互耦合，可实现芯片两端量子比特之间的信息传递。

电子的量子信息不过是其在双量子点两个能量口袋（energy pockets）中的位置信息。电子既可以占据其中某一个能量口袋也可以同时占据两个。通过控制施加在器件之上的电压，研究人员可以对电子的占据方式进行调控。

来自普林斯顿大学物理系的研究生，本研究论文的第一作者Xiao Mi说：“我们现在已经可以将电子的量子信息传递给束缚在谐振腔中的光子。而这在以前的半导体器件中是根本无法实现的，因为量子态会在其量子信息传送前消失。

此器件研制得以成功还应归功于研究人员全新的电路设计，该设计使导线与量子比特尽可能地接近从而减弱了来自其它电磁辐射源的干扰。为了减小噪声干扰，研究人员还设置了滤波器来消除外界信号对器件导线的干扰。此外，金属导线对量子比特也有防护作用，从而使此研究中量子比特的噪声水平比以往实验小100 ~ 1000倍。

最后，研究人员计划利用电子本身的自旋特性来对器件的功能进行扩展。“我们最终要实现利用系统的自旋和电荷耦合来形成可用电调控的量子比特。我们目前已经可以实现电子与光子的耦合，这说明我们已经向着实现自旋与光耦合迈出了最重要的一步，” Petta说。

美国哈佛大学采用3D打印技术实现

首个带有集成传感器的心脏芯片

美国哈佛大学研究人员研制出首个完全由3D打印的带有集成感知的器官芯片。该芯片由完全自动、数字制造流程的3D打印技术制造，能够实现快速和定制制造，可使研究人员容易地为短期和长期研究收集可靠数据。研究成果已发表在《自然材料》上。

器官芯片也被称为微生理学系统，能够匹配特定疾病特性，甚至病人的一个单独细胞，能够模拟原始组织的结构和功能，在替代传统动物测试方面具有巨大前景。哈佛大学已研发出能够模拟肺、心、舌头、肠微结构的微生理学系统。但对于器官芯片而言，制造和数据收集非常昂贵和耗费人力，如需在净化间内使用复杂、多步光刻工艺进行制造，需使用显微镜或高速摄像机来收集数据。

此次进展中，研究团队通过使用数字制造来同时解决这两个挑战：使用3D打印，以及为多材料3D打印研发新的打印墨水，使制造过程能够自动化，同时增加器件的复杂性。

研究人员研发出6种不同的墨水，能够将软应力传感器集成进组织的微架构中。在单个连续的打印过程中，研究团队将这些材料以3D打印方式带入一个心脏芯片。

该芯片有多个井，每一个井都包含独立的组织和集成传感器，研究人员因此能够一次性地对多种工程化心脏组织进行研究。为了证实器件的有效性，研究团队进行了药物研究和对工程化心脏组织收缩应力的长期研究。

心脏芯片3D打印全过程视频。（时长1分半，大小22M）

论文第一作者、哈佛约翰保尔森工程与应用科学学院（SEAS）博士后、哈佛大学怀斯生理工程研究所的研究人员Johan Ulrik Lind表示：“使用该新型可编程方法来制造器件芯片。并不仅仅能使我们更容易地改变和定制系统设计，还能显著简化数据采集过程。”

Lind说“因为缺乏简单、非通用性的测量组织功能性能的方法，研究人员在面对发生在心脏组织发展和成熟中的逐渐变化时，通常都处于在黑暗中工作的状态。这些集成的传感器允许研究人员能够在组织成熟和改进其收缩性的过程中持续收集数据。该技术也支持长期暴露于毒素下而发生逐步变化的研究。”

共同参与该研究的SEAS生理工程和应用物理塔尔家族教授、怀斯研究所核心研究成员Kit Parker说：“我们的微制造技术为体外组织工程、毒理学和药物筛选开启了新方法。将微生理器件转变为真正对人类健康和疾病研究有价值的平台需要突破数据收集和器件制造技术。此次进展为这些核心挑战提供了潜在解决方案。” 

该研究的共同参与者、生物工程汉斯约格维斯教授、怀斯研究所核心研究成员Jennifer Lewis说：“我们通过研发和在打印器件中集成多种功能性材料，正在推进三维打印的边界。此次进展是一个有力证明，表明我们的平台能够用于为药物筛选和疾病建模制造全功能、仪器化芯片。”

此次研究由美国国家科学基金会、美国国家卫生研究院国家先进转化科学中心、美国陆军研究实验室、哈佛大学材料研究科学和工程中心（MRSEC）提供资金支持。

金刚狼成真：能自我修复机器人成真

一谈到自愈超能力，想必很多人第一反应会是《X 战警》里的金刚狼，不过现在，一支科学家团队研制出了一种具有自我修复功能，并且能够弹性伸缩的透明导电材料，可以应用到机器人身上，让它们具备自我修复能力。

作为该项目团队成员之一，来自加州大学河滨分校的Chao Wang教授说道：在我很小的时候，就是金刚狼的超级粉丝。从那时起，我就一直在思考一个问题，要是我们的人造材料、设备、或是制动器也具备自愈能力就好了！

在之前的研究中，另一位项目研究成员、科罗拉多大学波尔得分校教授Christoph Keplinger展示了一个类似的可拉伸、透明、的例子电导体，它可以应用到人工肌肉上，但是这个材料很难实现自愈性能。直到Wang和他的团队加入到此项目之后，他们将带有正负电荷的分子聚合物融入到高离子强度盐之中，让自我修复能力成为现实。

更新后的材料可以拉伸至原尺寸的五十倍，并且能够在24小时之内完成自我修复，几乎是即可恢复到最初的电学属性。实际上，早在十五多年前，研究人员就已经开发除了再生合成凝胶和聚合物，但是Wang特别提到，他所研发的最新可再生材料具备很多专业属性：这是史上首款将自我治愈能力和离子导电性、拉伸能力、以及透明性能整合到一起的材料。

该材料的一个主要应用，可能会是让软性机器人的人工肌肉变得更加强大，因为过去机器人的人造肌肉很容易碎坏，而且修复起来非常麻烦。

Keplinger说道：想象一下，未来会有一种全新的机器人，它们的肌肉是用软质弹性材料制作的，而且能够支持可拉伸的电子电路，从而能让机器人设计更接近于生物设计，并且易于制造出基于柔软、弹性材料，易损伤且难修复的人造人体组织。不仅如此，具备自我修复能力的机器人也能更好、更快地应用到家政护理行业，帮助照顾老人。