火星居住、脑机互联、机器人“无师自通”：青年科学家们正研究的十大问题

沈怡然 如何到火星上居住、如何将生命延长一半时间、如何让量子计算机代替传统计算、如何让机器人“无师自通”……这些“异想天开”的问题，正是中国青年一代基础科学研究者们最关注的。

8月1日，由南方科技大学、腾讯公司共同主办的首届“青年科学家50论坛”在深圳举行，论坛发布了由100位中国顶尖青年科学家提出并投票产生的“十大科学技术问题”，这些问题显示了中国青年科技工作者的洞察、在基础科学上的探索方向。

本次“青年科学家50论坛”依托于“科学探索奖“而成立的，后者是由腾讯基金会出资支持、科学家主导的公益性奖项，也是青年科技人才资助计划。奖项范畴基础科学和前沿技术领域，该奖项活动每年一次，今年是第三届。

以下内容摘自本论坛及获奖科学家对十大科学技术问题的阐述：

问题一：人类的意识，以及学习和记忆的生物基础从何而来？

北京大学生命科学学院教授李毓龙表示，人类大脑中有数百亿的神经元，神经元之间会形成复杂的网络连接：神经网络以电信号形式编码客观世界——形成意识；反过来客观世界由能够重塑网络的连接方式——发生学习和记忆。基于电学、光学或化学等单一学科的技术路径，已经不足以解析大脑这一复杂系统的结构和功能。想要进一步理解大脑的工作原理，人类需要在技能树上点亮一系列学科深度交叉的新技术：包括神经网络空间结构解析技术、大规模神经活动记录和分析技术，以及精准的神经操控技术。

问题二：人脑和机器是否能实现直接通讯？

北京大学人工智能研究院研究员杨玉超表示，这是一个关系亿万人福祉、具有重要现实意义的问题。对于具有肢体残疾和感知障碍的人群来说，实现人脑和机器的直接通讯可以部分甚至完全恢复其运动和感知功能。脑机接口技术是实现人脑和机器直接通信的桥梁，通过脑机接口可以直接提取神经信号，完成对人的行为意向的分析，并借助光、电、磁、声等调控技术反向干预人脑行为。

当前脑机接口技术已经实现高速意念打字、人脑控制机械手快速抓取等任务，但离人脑和机器直接通讯还有相当大的距离。精准、小型化、高度集成化、生物兼容性强的脑机接口，是未来的发展方向。

问题三：通用人工智能是否能实现？

中国科学院计算技术研究所研究员山世光表示，实现通用人工智能的核心，是赋予算法机器类人的、求解新问题的能力，其挑战在于：机器如何更高效的获取经验数据并从中学习，实现“举一反三”、小样本的归纳并演绎、“吃一堑长一智”乃至“无师自通”等能力？机器如何高效获取、紧凑表示和充分利用人类知识（特别是常识）？如何实现机器学习所得“机器知识”与“人类知识”的融会贯通和相互转换？

这些求解之路仍然迷雾重重，甚至连初见端倪的预训练大模型是否是正确的起点，亦不得而知，AI科学家们只能在迷雾中上下求索。

问题四：如何延缓衰老，促进机体修复，提高人类寿命？

北京大学未来技术学院教授刘颖表示，1939年，研究人员发现限制热量摄入可延长大鼠寿命，首次证明衰老可以被人为干预。1988年，利用秀丽隐杆线虫进行的遗传学研究实现了另一突破，研究人员发现一个名为age-1的基因的突变可以将线虫的寿命增加40-60%，证明了对单一基因的干预就能影响和决定生物体的寿命，这些让人们确信能找到决定诉衰老速度和寿命长短的“法宝”。

随后，秀丽隐杆线虫和酿酒酵母的遗传学研究揭示了更多影响寿命的关键基因，囊括了当今衰老领域内的“明星通路”：胰岛素样信号途径，雷帕霉素受体蛋白，Sirtuin和NAD+，线粒体与氧化应激，端粒功能和蛋白质稳态等，当今大多数正在进行临床实验的衰老相关药物也与这些关键基因相关。

未来，我们需要更多的工作来整合多条衰老相关遗传通路，以加深对衰老生物学基础的理解。除此之外，在尊重生物伦理的基础上，要推进直接靶向衰老通路的临床试验。这些方向的研究有望使我们延缓甚至逆转衰老。

问题五：如何实现量子计算实用化？

中国科技大学量子物理与量子信息研究部教授陆朝阳表示，目前人类已经严格证明出，量子计算具有解决经典计算机无法求解的问题的潜力。然而，真正的应用还有诸多挑战，其中之一就是如何把真实重大应用映射到量子计算系统中。

量子模拟和计算的能力随可操纵的量子比特数呈指数增长，因此如何有效扩展量子比特的规模和高保真的逻辑操作，是核心任务。由于量子比特不可避免地会受到环境噪声的影响而出错，要最终实现可编程的通用量子计算机，通过量子纠错来保证整个系统的正确运行是必然要求，也是较长时期内面临的挑战。

另外，量子模拟和计算还面临一个重大理论问题，由于量子计算和模拟解决的事经典计算机无法解决的难题，如何验证计算或模拟结果的正确性？

问题六：清洁能源、环境保护、气候变化的协同机制如何建立？

清华大学环境学院教授王书肖表示，构建这种协同机制，需要围绕清洁能源技术、节能提效减污降碳技术、能源环境系统集成耦合与优化技术、气候治理与环境污染协同应对路径、零碳/负碳能源技术及系统的综合评价、促进能源转型的碳市场机制等开展研究。

其中可再生能源发电、储能技术、多污染物协同减排技术、能源环境综合评估模型、碳市场机制等最有可能取得突破。

问题七：暗能量和暗物质的本质是什么？

南京大学天文与空间科学学院教授施勇表示，暗能量是指未知的“斥力”来加速宇宙的膨胀，暗物质是指未知的物质来产生额外的引力，按照目前的观测推算，这两者分别约占宇宙总能量的70%和25%，而由质子、中子和电子组成的正常物质只占5%。

暗能量和暗物质的出现，直接证明了当前的粒子理论和引力理论是不正确的或者不全面的，我们赖以发展科技的“基础”，即量子力学和广义相对论这两大物理学成果，还存在被优化的空间。

问题八：人类如何在地外行星（如火星）上居住一年以上？

中国科学院地球与行星物理重点实验室主任魏勇表示，全球来看，太空旅行拥有载人登月的宝贵经验做基础，火星生活则是从零开始的全新工程。人类火星往返，包括一年的太空旅行和一年半的火星生活。火星往返提出三大挑战：地火往返技术、生命保障系统、生理心理干预。

实现宇航员在火星居住一年以上，是对人类航天、能源、通信、电子、医学、生物科技等各方面科技水平的全面检验，由此产生的新理论突破和发明创造，将显著改变人们的生活方式，甚至引发新一轮历史性的科技革命。

该项目的规模和复杂程度为人类历史之最，对管理学等社会科学的发展同样会产生深远影响。国际合作是实现这一目标的最优方式，世界科技合作与竞争也有可能围绕这一问题，产生新局面和心态势。

问题九：如何“求教”大自然，开发高度集成、智能、可修复的仿生系统？

香港城市大学机械工程系讲座教授、工学院副院长王钻开表示，科技并非“无所不能”，即便神州十二号上精巧的“天和”机械臂，其系统的集成度、智能化以及自我修复功能也远远低于生物系统。

仿生系统的可修复探索还仅仅停留在分子层面的自愈合。仿生系统的构建，涉及到方方面面：从材料、制造到组装，从单元、个体到集群。从理解自然界材料合成、组装及演变的共性机理，为仿生体系研发提供理论支撑；到构建仿生智能表界面，有效调控仿生系统与外界环境的交互；再到开发规模化绿色制造技术等；乃至发展高度集成的智能类生命体，人类将一步步向大自然“求教取经”。

问题十：太阳能发电的规模化高效应用如何突破？

北京大学材料科学与工程系特聘研究员周欢萍表示，当前，光伏技术是实现太阳能直接向电能转化的最有效途径，是解决人类能源危机、环境污染的重要手段。如何通过技术手段使太阳能发电规模化高效利用，也就因此成为重大科学问题。

针对此，科学家主要围绕材料系、制备工艺、器件结构及工作原理展开工作。从目前的研究来看，在光-电转换基本过哼与新原理；高效、稳定光电转换材料的理性设计；低成本、高通量的可控制备方法；光电材料与器件中的结构和表界面设计与调控等方向上，最有可能获得突破。

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