《2024年度十大科創突破》發布 | 2024科創大會
2024年12月12日，由南方周末主辦的第四屆科創大會于北京舉辦，探尋科創在不同行業、企業的發展脈絡，為中國經濟和社會發展提供動能?！翱苿摯髸眲摿⒂?021年，隸屬于南方周末年度盛典系列活動，每年發布年度科創力評價榜單與前瞻科創研究、匯集業內專家觀點、揭示企業科創風向。
在大會現場，南方周末科創力研究中心發布了《2024年度十大科創突破》，并由南方周末研究院研究員曹妍進行主題分享。以下為演講實錄：
▲南方周末研究院研究員曹妍
2024年，科創的步伐沒有絲毫放緩的跡象。
AI正在革新科學研究的方式、“太空行走”不再是宇航員專屬、人類首次完成月球背面采樣、人形機器人集體進廠“打工”、基因療法讓遺傳性耳聾患者恢復聽力、艾滋病預防藥物可實現100%預防……一切成果、變化，都出乎意料，甚至此前難以想象。如何抓住創新機遇、把握未來趨勢，在這一刻，比以往任何時候都更重要。
2024年，南方周末科創力研究中心連續第三年發布“年度十大科創突破”。我們繼續從“生存”“發展”“去未來”三個維度，選取在2023-2024年度發生的重大科創事件，以期共同探索技術突破，解讀最新科創大事。它們影響著人類生存發展，更有重塑世界的可能性。
生存
1、用廢舊電池將二氧化碳轉化為燃料
2024年1月31日，華中科技大學化學與化工學院夏寶玉教授團隊在Nature發表論文Durable CO2conversion in the proton-exchange membrane system。研究團隊利用回收的廢舊電池獲得了一種鉛基耐酸腐蝕的二氧化碳還原電催化劑，通過質子交換膜系統將二氧化碳還原為甲酸。
結果顯示，甲酸的生成率超過93%，能夠連續穩定運行5000小時以上，并且實現公斤級甚至噸級的量產，以滿足工業化的需求。
▲二氧化碳電解系統及其電化學性能。圖片來源：華中科技大學
價值與影響：甲酸是一種基本的有機原料，可用于合成甲酸鹽、甲酸酯、甲酰胺等，比如甲酸鹽可以驅動燃料電池發電。上述研究最讓人期待的，莫過于能實現工業級別的量產，對廢舊電池資源的二次利用提供可產業化的技術方案。
2、可降解的“活”塑料
2024年8月21日，中國科學院深圳先進技術研究院戴卓君課題組在 Nature Chemical Biology 發表論文Degradable living plastics programmed by engineered spores。研究團隊通過對微生物進行基因編輯，產生具備極端環境耐受能力的孢子，使其可以在特定條件下分泌塑料降解酶；之后，研究人員通過塑料加工方法（高溫、高壓或有機溶劑）將孢子包埋在塑料基質中。
為了驗證系統的放大可能，研究團隊還使用單螺桿擠出機進行了小規模工業化測試，制備了活體的PCL塑料。該塑料能夠像傳統塑料一樣使用；在被破壞或被廢棄的條件下，塑料中的孢子被激活并啟動降解程序，完成塑料的完全降解。
▲“活”塑料整體研究思路。圖片來源：中國科學院深圳先進技術研究院
價值與影響：傳統的石油基塑料，例如聚丙烯（PP）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET），降解時間都在百年以上。這項研究成功地將微生物的自然進化優勢與現代材料科學相結合，創造出一種能夠在特定條件下自主降解的塑料，為新型可生物降解塑料的開發提供了新的視角和方法，有望助力解決當下嚴重的塑料污染困境。
3、綠葉蒸騰誘導水伏發電
2024年9月16日，福建農林大學周順桂教授團隊在Nature Water發表了題為“Hydrovoltaic electricity generation induced by living leaf transpiration”的研究論文。該論文報道了一種基于活荷葉的植物蒸騰發電機（LTG），可利用植物葉片蒸騰作用的水循環過程，直接捕獲環境潛熱實現持續產電，首次揭示了植物蒸騰作用的水伏效應。
研究人員將鈦網電極作為陰極緊貼于荷葉表面,鈦針電極作為陽極扎入荷葉根莖中,原位構建一個LTG器件，首先通過一系列的產電驗證實驗設計和原位電學測試，證實了利用植物葉片蒸騰作用誘導發電的可行性；進一步研究表明，植物蒸騰發電性能受其本身生理活動與環境等多重因素影響（如蒸騰速率、氣孔開閉狀態、溫度等），并探討了植物蒸騰發電的工作機制；最后，通過研究自然界中不同植物的蒸騰產電情況，進一步證明了植物蒸騰發電現象的普適性。
▲綠葉蒸騰誘導水伏發電。圖片來源：福建農林大學
價值與影響：與傳統的水力發電機相比，基于蒸騰作用的發電機具有設備簡單、成本低廉、無需大規模水源等顯著優勢。該研究表明，通過連接多株植物和多片葉子，可以形成分布式發電網絡，從而提高整體能源輸出。未來，這項技術在能源互聯網、智能電網、物聯網和傳感等領域有著廣闊的應用前景。
發展
4、首個人類衰老肌肉全面圖譜
2024年4月15日，中山大學張宏波教授聯合劍橋大學、桑格研究所的研究團隊，在Nature Aging發表論文Human skeletal muscle aging atlas。該研究聯合應用單細胞-單核轉錄組測序技術，建立起跨越成年人全年齡段的骨骼肌衰老整合圖譜。
研究發現，控制核糖體的基因在老年人肌肉干細胞中的活性較低，而這會降低細胞修復和再生肌肉纖維的能力。此外，這些骨骼肌樣本中的非肌肉細胞群體產生了更多的一種名為CCL2的促炎分子，吸引了免疫細胞進入肌肉組織，從而加劇了年齡相關的肌肉退化。
▲人體骨骼肌衰老圖譜的實驗設計和主要研究方向的視覺概述。圖片來源：Nature Aging
價值與影響：這是首個人類衰老肌肉全面圖譜，提供了對骨骼肌衰老的新見解，有助于進一步探索對抗炎癥、促進肌肉再生、保持神經連通性的新方法，開發針對肌肉衰老的治療策略。
5、自體再生胰島移植治愈糖尿病
2024年4月30日，再生醫學治療糖尿病領域迎來重大突破，海軍軍醫大學第二附屬醫院（上海長征醫院）殷浩教授團隊，聯合中國科學院分子細胞科學卓越創新中心程新教授團隊，在Cell Discovery發表題為“Treating a type 2 diabetic patient with impaired pancreatic islet function by personalized endoderm stem cell-derived islet tissue”的研究成果。
上述成果的首例受益者為59歲、已有25年2型糖尿病病史的患者，并且病癥已發展為終末期糖尿病腎?。蚨景Y）。2021年7月，該患者在上海長征醫院接受了自體再生胰島移植治療，術后逐漸脫離外源胰島素，口服降糖藥（拜糖平、二甲雙胍）也逐步減量，分別在第48周和第56周實現徹底撤藥。
▲E胰島生成和質量控制以及E胰島移植的安全性/有效性評估所涉及主要程序的簡要方案。圖片來源：Cell Discovery
價值與影響：這是國際上首次利用干細胞來源的自體再生胰島移植，成功治愈胰島功能嚴重受損糖尿病的病例報道，標志著醫學界找到治療2型糖尿?。═2D）的新方法，為全球數以億計的糖尿病患者帶來希望。
6、“復活”冷凍的人類大腦
2024年5月13日，復旦大學腦科學轉化研究院邵志成研究員團隊在Cell Reports Methods在線發表論文Effective cryopreservation of human brain tissue and neural organoids，報道了一種被稱為MEDY（1%甲基纖維素 + 10%乙二醇 + 10% DMSO + 10 μM Y27632 ）的全新腦類器官冷凍保存新技術，可在不破壞神經細胞結構的情況下冷凍保存各種腦組織、腦類器官，包括從患者身上或長期培養獲得的腦組織、腦類器官以及受損腦組織。
▲MEDY冷凍復蘇技術的建立及其應用。圖片來源：復旦大學腦科學轉化研究院
價值與影響：MEDY可實現大規模、可靠地存儲各種神經器官組織和活體腦組織，有望促進廣泛的基礎研究、醫療應用和藥物篩選，對推動腦科學基礎和臨床轉化研究具有十分重要的意義。暢想未來，MEDY或將開啟科幻故事中曾出現的人類休眠、永生新旅程。
7、世界最輕最小純自然光供能的微型飛行器
2024年7月17日，北京航空航天大學能源與動力工程學院研究團隊在Nature發表論文Sunlight-powered sustained flight of an ultralight micro aerial vehicle，從微型發動機的原理出發，提出了一種新型靜電驅動方案，成功研制出微小尺寸下轉速低、發熱小、效率高的微型靜電電機，并將此方案應用于CoulombFly靜電飛行器。
該飛行器僅重4.21克，翼展20厘米，尺寸和重量分別是此前世界最小、最輕的太陽能飛行器的1/10和1/600。CoulombFly利用新型靜電電機和超輕質高壓電源，首次實現了微型飛行器在純自然光供能下的起飛和持續飛行。
▲CoulombFly靜電飛行器。圖片來源：北京航空航天大學
價值與影響：有限飛行時間是制約微型飛行器應用的一大障礙，北航團隊的此項成果僅依靠自然光即可實現持續飛行，可極大拓展此類飛行器的使用范圍，在微型飛行器的發展進程中具有里程碑意義。
8、全球首個全自動科學發現AI系統“AI科學家”
2024年8月13日，全球首個全自動科學發現AI系統——“AI科學家”（AI Scientist）發布，該系統由日本初創公司Sakana AI與牛津大學、哥倫比亞大學學者合作研發，能夠獨立完成科學研究的全過程，包括創意生成、代碼編寫、實驗執行、結果總結和論文撰寫。
創意生成階段，系統基于現有主題的起始代碼模板進行頭腦風暴，并在語義學者數據庫（Semantic Scholar）中搜索以確保原創性；實驗迭代過程中，系統自主編寫代碼、執行實驗，并制作可視化圖表，對結果進行分析；論文撰寫階段，系統按照標準機器學習會議論文的風格，以LaTeX格式（一種排版方式，適合于生成包含復雜數學公式、圖表、參考文獻和具有嚴格格式要求的學術和技術文檔）撰寫進展報告，還會自主使用語義學者數據庫（Semantic Scholar）搜索并引用相關文獻；自動化論文評審環節，Sakana AI 開發了自動審稿人系統，能夠以接近人類的準確度評估生成的論文。生成的評審意見既可用于改進項目，也可作為對后續構思的反饋。
▲AI Scientist的概念圖解。圖片來源：Sakana AI
價值與影響：人工智能面臨的最大挑戰之一是開發能夠進行科學研究、發現新知識的代理。
“AI科學家”展示了一個人工智能自主進行研究、總結、審閱、反饋、迭代的全新科研模式?！癆I科學家”生成的論文可以提供廣泛的信息和創新性，或至少包含未來研究的潛在價值。
去未來
9、小型核聚變裝置中實現超太陽核心溫度
2024年4月23日，美國核聚變能源公司Zap Energy宣布，其利用小規模緊湊型實驗裝置（Fusion Z-pinch Experiment，FuZE）實現1-3keV等離子體電子溫度，相當于1100萬至3700萬攝氏度，創下新紀錄。
該實驗詳細過程4月8日發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。不同于一些使用超導磁體約束等離子體的聚變方案，FuZE裝置是一種簡單的等離子體約束方案，通過等離子體細絲攜帶的大電流引導，借助等離子體自身的電磁場，能夠加熱并壓縮等離子體，從而實現核聚變。
▲來自FuZE等離子體的明亮閃光。圖片來源：Zap Energy
價值與影響：實現核聚變，首先需要制造高溫的等離子體。自人類首次實現核聚變反應以來，只有少數聚變技術能制造出電子溫度高于1000萬攝氏度（大致與太陽核心溫度相當）的等離子體。由于不需要昂貴、體積巨大的超導磁體，利用Z箍縮技術實現聚變的裝置規模更小且成本更低，而上述試驗結果展現了這項技術在小規模低成本設備上實現聚變的潛力。
10、一種沙漠苔蘚或可在火星極端生態環境中存活
2024年7月1日，中國科學院新疆生態與地理研究所張道遠研究員和張元明研究員團隊在期刊The Innovation發表論文The extremotolerant desert moss Syntrichia caninervis is a promising pioneer plant for colonizing extraterrestrial environments，報告了他們研究發現的一種生長在沙漠里的苔蘚——齒肋赤蘚——能耐受自身98%以上的細胞脫水、零下196攝氏度的超低溫速凍，以及5000 Gy以上的伽馬輻照而不會死亡?？蒲腥藛T還發現，在模擬火星條件下，齒肋赤蘚仍能存活并再生出新的植株。
▲沙漠苔蘚齒肋赤蘚極端生存能力研究，助力外星環境拓殖。圖片來源：The Innovation
價值與影響：該研究刷新了生命體對環境的“耐受”新紀錄，為人類探索外太空、打造宜居星球提供了靈感，為太空移民補上了一塊新的拼圖。
科創正蓬勃于今朝，并勾勒著明日景象。
當前的每一項突破都是對未來的深刻洞察與勇敢嘗試。面對這些振奮人心的突破，我們懷揣著敬畏與期待。同時，科創的腳步仍在繼續，以這些突破為新起點，向下一個未知的目的地前行，我們唯有不斷探索、發現、記錄、學習。
