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【導(dǎo)讀】

10 月 14 日，在最新一期《自然》雜志上，出現(xiàn)了一項(xiàng)類(lèi)腦計(jì)算體系結(jié)構(gòu)的突破性進(jìn)展。來(lái)自清華大學(xué)、北京信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家研究中心、美國(guó)特拉華大學(xué)（University of Delaware）科研團(tuán)隊(duì)的研究者在論文《A system hierarchy for brain-inspired computing》（一種類(lèi)腦計(jì)算系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)）中提出了“類(lèi)腦計(jì)算完備性”概念。該研究被認(rèn)為會(huì)加速類(lèi)腦計(jì)算，及通用人工智能等方向的研究。

目前，發(fā)展通用人工智能（AGI）通常有兩種方法：神經(jīng)科學(xué)導(dǎo)向和計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)向。由于兩種方法在公式和編碼方式上存在根本差異，它們依賴(lài)于不同且不兼容的平臺(tái)，阻礙了 AGI 的發(fā)展。

該研究的第一作者為清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系研究員張悠慧，與清華大學(xué)教授、清華大學(xué)類(lèi)腦計(jì)算中心主任施路平共同為該論文的通訊作者。

神經(jīng)形態(tài)計(jì)算從生物大腦中獲取靈感，為計(jì)算機(jī)技術(shù)和體系結(jié)構(gòu)的下一波發(fā)展提供了方向。類(lèi)腦計(jì)算與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)架構(gòu)不同，后者是圍繞圖靈完備和完善的馮諾依曼結(jié)構(gòu)，前者目前還沒(méi)有沒(méi)有廣義的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)，或?qū)︻?lèi)腦性計(jì)算的完整性的理解。這會(huì)影響類(lèi)腦計(jì)算軟件和硬件之間的兼容性，從而阻礙了大類(lèi)腦式計(jì)算的開(kāi)發(fā)效率。

面對(duì)這一挑戰(zhàn)，清華大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究者們提出了“類(lèi)腦計(jì)算完備”概念，它放寬了對(duì)硬件完整性的要求，并提出了相應(yīng)的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)，其中包括圖靈完備的軟件抽象模型和通用的抽象神經(jīng)形態(tài)架構(gòu)。

使用這種層次結(jié)構(gòu)，我們可以將各種程序描述為統(tǒng)一的表示形式，并轉(zhuǎn)換為任何神經(jīng)形態(tài)完整硬件上的等效可執(zhí)行文件。這意味著，這一體系可以確保編程語(yǔ)言的可移植性、硬件完整性和編譯可行性。

為了支持在各種典型硬件平臺(tái)上執(zhí)行不同類(lèi)型的程序，研究人員實(shí)現(xiàn)了一系列工具鏈軟件，進(jìn)而證明了該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。

在這項(xiàng)研究中，研究者提出了一種具有高度通用性和普適性的類(lèi)腦計(jì)算系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括三個(gè)層次：軟件、硬件和編譯。

與傳統(tǒng)的計(jì)算系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)不同，對(duì)于類(lèi)腦計(jì)算系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)而言，軟件層指的是神經(jīng)形態(tài)應(yīng)用和開(kāi)發(fā)框架（如 Nengo 和 PyTorch）。相應(yīng)地，研究者提出將 POG 作為軟件的中間表征， EPG 作為硬件的中間表征（CFG，控制流圖），并引入編譯工具將 POG 轉(zhuǎn)換為 EPG。對(duì)于硬件層，研究者提出了抽象神經(jīng)形態(tài)結(jié)構(gòu)（ANA），包括調(diào)度單元、處理單元、內(nèi)存和互連網(wǎng)絡(luò)，作為神經(jīng)形態(tài)硬件（TrueNorth、SpiNNaker、Tianjic 和 Loihi）抽象。

考慮到類(lèi)腦計(jì)算的相似性，研究者進(jìn)一步提出了“類(lèi)腦計(jì)算完備性”的概念，引入了逼近等價(jià)（approximation equivalence）和近似等價(jià)（precise equivalence）。

這項(xiàng)研究為處于起步階段的類(lèi)腦計(jì)算方向，填補(bǔ)了完備性理論與相應(yīng)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)方面的空白，有利于自主掌握新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)核心技術(shù)。

【導(dǎo)讀】

在最先進(jìn)的3D打印中，一滴樹(shù)脂滴在被稱(chēng)為“固化界面”的透明板上，準(zhǔn)備好接受已輸入好設(shè)計(jì)參數(shù)的紫外光。隨著紫外光的投影，樹(shù)脂一層一層變成固態(tài)，一顆牙齒逐漸在成型平臺(tái)下顯現(xiàn)，光滑、潔白。

中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所研究員宋延林和副研究員吳磊共同完成了這一令人驚嘆的3D打印，他們提出單墨滴3D打印策略，通過(guò)引入可退浸潤(rùn)的“三相接觸線”，顯著提高了3D打印的精度和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)一滴成型。這項(xiàng)研究在《自然-通訊》（Nature Communications）上發(fā)表。

作為3D打印領(lǐng)域的前沿技術(shù)，單墨滴3D打印的實(shí)現(xiàn)仍需突破許多科學(xué)問(wèn)題?！霸趯?duì)樹(shù)脂這一類(lèi)光固化材料進(jìn)行3D打印時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)其表面往往不光滑。”宋延林告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，液體樹(shù)脂不僅會(huì)在固化結(jié)構(gòu)的表面殘留，還會(huì)產(chǎn)生凸起或者臺(tái)階結(jié)構(gòu)。

他帶領(lǐng)研究人員從光固化界面的科學(xué)問(wèn)題入手，嘗試破解這一難題?！叭嘟佑|線（TCL）”是一個(gè)核心概念，指的是滴上液滴的固化界面、液體樹(shù)脂及空氣的固-液-氣三相的接觸線，與浸潤(rùn)、黏附和潤(rùn)滑等現(xiàn)象緊密相關(guān)。而實(shí)現(xiàn)單墨滴3D打印的關(guān)鍵是三相接觸線的可控回縮。

在最新的這項(xiàng)研究中，他們進(jìn)一步對(duì)氟化石英、超雙疏和超潤(rùn)滑等三種固化界面與液體樹(shù)脂、固態(tài)樹(shù)脂之間的粘附規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。最后發(fā)現(xiàn)，只有液體樹(shù)脂與固態(tài)樹(shù)脂的粘附力大于固化界面與液體樹(shù)脂的粘附力，同時(shí)后者還要大于固化界面與固態(tài)樹(shù)脂粘附力時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)單墨滴3D打印。

基于光固化的連續(xù)3D打印技術(shù)已成為構(gòu)造3D結(jié)構(gòu)最有前途的方法之一，但是其精度和材料利用率在連續(xù)快速打印過(guò)程中受到限制。并且在高速打印時(shí)，樹(shù)脂紫外固化過(guò)程的放熱會(huì)讓打印過(guò)程變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致樹(shù)脂殘留，降低3D打印的分辨率。

最新發(fā)表的論文中，單墨滴3D打印技術(shù)能夠克服這一問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的按需打印。實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用三個(gè)單獨(dú)的樹(shù)脂液滴成功實(shí)現(xiàn)了臼齒、門(mén)齒以及犬齒的打印，證實(shí)新方法具有結(jié)構(gòu)可控性。

精準(zhǔn)打印帶來(lái)的另一個(gè)好處則是材料利用率的提高。實(shí)驗(yàn)中，在打印24毫米長(zhǎng)的圓柱形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)時(shí)，液態(tài)樹(shù)脂利用率達(dá)99.6%，僅有0.4%的液態(tài)樹(shù)脂殘留。這遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)光固化連續(xù)3D打印技術(shù)50%左右的利用率。

在業(yè)內(nèi)專(zhuān)家看來(lái)，這項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了最高材料利用率的高精度3D打印。

多年來(lái)，宋延林課題組一直在應(yīng)用需求牽引下開(kāi)展基礎(chǔ)研究?！拔覀儑@應(yīng)用中常見(jiàn)的幾類(lèi)3D打印材料進(jìn)行了基礎(chǔ)研究，包括導(dǎo)電的金屬材料、光固化的高分子材料以及無(wú)機(jī)納米材料等?！彼窝恿直硎荆霸趪娔蛴∧慰刂坪凸δ芙缑娌倏匾后w行為領(lǐng)域取得了系列進(jìn)展?！?/p>

近兩年，他們通過(guò)圖案化浸潤(rùn)性表面實(shí)現(xiàn)了對(duì)液滴撞擊過(guò)程的精準(zhǔn)調(diào)控，為液體表面能的利用和液滴碰撞行為的精確調(diào)控提供了全新的思路；提出微結(jié)構(gòu)浸潤(rùn)性和幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則，實(shí)現(xiàn)流體間界面的可編程圖案化，對(duì)發(fā)展微型器件的制備新方法上具有重要意義；創(chuàng)造了利用模板控制液體限域控制顆粒組裝圖案化的新方法，成為納米印刷技術(shù)在先進(jìn)制造領(lǐng)域的突破。

最新發(fā)表論文中的單墨滴3D打印技術(shù)則有望為可控、按需制備3D結(jié)構(gòu)開(kāi)辟了新途徑?！俺搜例X之外，這項(xiàng)技術(shù)還可以用在隱型眼鏡等精細(xì)產(chǎn)品的制造上。”宋延林指出。

【導(dǎo)讀】

7月31日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及苑震生共同通訊在Science 在線發(fā)表題為'Cooling and entangling ultracold atoms in optical lattices'的研究論文，該研究在理論上提出并實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)原子深度冷卻新機(jī)制的基礎(chǔ)上，在光晶格中首次實(shí)現(xiàn)了1250對(duì)原子高保真度糾纏態(tài)的同步制備，為基于超冷原子光晶格的規(guī)?；孔佑?jì)算與模擬奠定了基礎(chǔ)。

在實(shí)現(xiàn)量子比特的眾多物理體系中，光晶格超冷原子比特和超導(dǎo)比特具備良好的可升擴(kuò)展性和高精度的量子操控性，是最有可能率先實(shí)現(xiàn)規(guī)?；孔蛹m纏的系統(tǒng)。自2010年開(kāi)始，中國(guó)科大研究團(tuán)隊(duì)與德國(guó)海德堡大學(xué)合作，對(duì)基于超冷原子光晶格的可拓展量子信息處理展開(kāi)聯(lián)合攻關(guān)。

在前期的研究中，該團(tuán)隊(duì)使用Rb-87超冷原子制備了600多對(duì)保真度為79%的超冷原子糾纏態(tài)；并使用該體系調(diào)控特殊的環(huán)交換相互作用產(chǎn)生四體糾纏態(tài)，模擬了拓?fù)淞孔佑?jì)算中的任意子激發(fā)模型。以上的實(shí)驗(yàn)中，由于晶格中原子的溫度偏高（約10 nK），使得晶格中原子填充缺陷大于10%，這對(duì)于糾纏原子對(duì)連接形成更大的多原子糾纏態(tài)和提升糾纏保真度有很大的影響。

在這項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)首次提出了使用交錯(cuò)式晶格結(jié)構(gòu)將處在絕緣態(tài)的冷原子浸泡到超流態(tài)中的新制冷機(jī)制，通過(guò)絕緣態(tài)和超流態(tài)之間高效率的原子和熵的交換，使系統(tǒng)中的熱量主要以超流態(tài)低能激發(fā)的形式存儲(chǔ)，再用精確的調(diào)控手段將超流態(tài)移除，從而獲得低熵的完美填充晶格。該實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了這一制冷過(guò)程，制冷后使系統(tǒng)的熵降低了65倍，達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的低熵，使得晶格中原子填充率大幅提高到99.9%以上。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了兩原子比特高速糾纏門(mén)，獲得了糾纏保真度為99.3%的1250對(duì)糾纏原子。  

在該研究工作的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)將通過(guò)連接多對(duì)糾纏原子的方法，制備幾十到上百個(gè)原子比特的糾纏態(tài)，用以開(kāi)展單向量子計(jì)算和復(fù)雜強(qiáng)關(guān)聯(lián)多體系統(tǒng)量子模擬研究。同時(shí)，該工作中的新制冷技術(shù)將有助于對(duì)超冷費(fèi)米子系統(tǒng)的深度冷卻，使得系統(tǒng)達(dá)到模擬高溫超導(dǎo)物理機(jī)制的苛刻溫區(qū)。該研究成果將極大推動(dòng)量子計(jì)算和模擬領(lǐng)域的發(fā)展。

【導(dǎo)讀】

浙江大學(xué)腦科學(xué)與腦醫(yī)學(xué)學(xué)院教授康利軍團(tuán)隊(duì)和段樹(shù)民院士團(tuán)隊(duì)合作，在《神經(jīng)元》發(fā)表研究成果。

該研究首次發(fā)現(xiàn)外周神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞可以直接感受環(huán)境氣味刺激，并通過(guò)GABA神經(jīng)遞質(zhì)，實(shí)時(shí)抑制嗅覺(jué)神經(jīng)元的活性，從而引起嗅覺(jué)適應(yīng)性。這一研究開(kāi)拓了人們對(duì)膠質(zhì)細(xì)胞功能的認(rèn)知。

每年九十月份的杭城，到處都充盈著桂花的香氣。隨著時(shí)間的推移，大家總會(huì)覺(jué)得香氣越來(lái)越淡了。除了桂花自然凋落的客觀原因外，其實(shí)人的嗅覺(jué)適應(yīng)性也起了很大的作用。正所謂“久居蘭室而不聞其香”，神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)外界刺激的響應(yīng)，會(huì)隨著時(shí)間的拉伸而降低。

一直以來(lái)，科學(xué)界都認(rèn)為嗅覺(jué)適應(yīng)性是由神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)元“麻痹”所造成的。

神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞是神經(jīng)系統(tǒng)的重要組分，對(duì)于神經(jīng)元的發(fā)育、功能和健康至關(guān)重要，其功能異常直接導(dǎo)致各種神經(jīng)精神性疾病。相對(duì)于神經(jīng)元，神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞一般不形成典型的神經(jīng)突觸結(jié)構(gòu)、細(xì)胞膜電興奮性比較低，因此曾經(jīng)長(zhǎng)期被認(rèn)為是“惰性”的組織，通過(guò)對(duì)神經(jīng)元的支持、保護(hù)和營(yíng)養(yǎng)等方式發(fā)揮作用。

膠質(zhì)細(xì)胞與神經(jīng)元如同一對(duì)孿生兄弟相伴而生?！耙郧暗睦斫?，遇到刺激是神經(jīng)元沖鋒在最前面，而膠質(zhì)細(xì)胞則比較惰性，不那么活躍。”康利軍介紹。

但這次他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，膠質(zhì)細(xì)胞可以直接感受氣味，同時(shí)還可以通過(guò)感知?dú)馕懂a(chǎn)生嗅覺(jué)適應(yīng)。

康利軍和段樹(shù)民合作團(tuán)隊(duì)通過(guò)高濃度的異戊醇對(duì)模式生物秀麗隱桿線蟲(chóng)的頭部化感器進(jìn)行刺激，發(fā)現(xiàn)了嗅覺(jué)神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞的鈣離子都升高，而且都可以獨(dú)立感受到這個(gè)氣味。

與此同時(shí)，科研人員通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，膠質(zhì)細(xì)胞在感受到外界刺激后，還會(huì)釋放出具有抑制性的GABA神經(jīng)遞質(zhì)，進(jìn)而控制神經(jīng)元使其對(duì)氣味的敏銳度降低。

神經(jīng)細(xì)胞的特征在于要張弛有度，如果始終處于激活的過(guò)度興奮也不利于神經(jīng)元功能的維持，因此信息的歸零顯得尤為必要?？道姳硎?，對(duì)膠質(zhì)細(xì)胞功能的新認(rèn)知，對(duì)于未來(lái)通過(guò)膠質(zhì)細(xì)胞調(diào)控神經(jīng)元和神經(jīng)功能開(kāi)拓了新思路。例如，對(duì)于阿爾茲海默癥等產(chǎn)生的嗅覺(jué)退化和感覺(jué)功能障礙，就可以開(kāi)拓新的藥物分子靶標(biāo)。

這項(xiàng)研究揭示了神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞在感覺(jué)生成調(diào)控中的主動(dòng)、實(shí)時(shí)的作用，并從分子和環(huán)路水平揭示了嗅覺(jué)適應(yīng)性的產(chǎn)生機(jī)制，為充分闡明神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的生理功能和感覺(jué)適應(yīng)性的生成機(jī)制奠定了科學(xué)基礎(chǔ)，并提示神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞及其相關(guān)分子在神經(jīng)精神疾病發(fā)生與相關(guān)藥物開(kāi)發(fā)中潛在的意義。

圖文來(lái)源：機(jī)器之心Pro，iNature，中國(guó)科學(xué)報(bào)

編輯：科研之友