《2024年度十大科创突破》发布 | 2024科创大会
2024年12月12日，由南方周末主办的第四届科创大会于北京举办，探寻科创在不同行业、企业的发展脉络，为中国经济和社会发展提供动能。“科创大会”创立于2021年，隶属于南方周末年度盛典系列活动，每年发布年度科创力评价榜单与前瞻科创研究、汇集业内专家观点、揭示企业科创风向。
在大会现场，南方周末科创力研究中心发布了《2024年度十大科创突破》，并由南方周末研究院研究员曹妍进行主题分享。以下为演讲实录：
▲南方周末研究院研究员曹妍
2024年，科创的步伐没有丝毫放缓的迹象。
AI正在革新科学研究的方式、“太空行走”不再是宇航员专属、人类首次完成月球背面采样、人形机器人集体进厂“打工”、基因疗法让遗传性耳聋患者恢复听力、艾滋病预防药物可实现100%预防……一切成果、变化，都出乎意料，甚至此前难以想象。如何抓住创新机遇、把握未来趋势，在这一刻，比以往任何时候都更重要。
2024年，南方周末科创力研究中心连续第三年发布“年度十大科创突破”。我们继续从“生存”“发展”“去未来”三个维度，选取在2023-2024年度发生的重大科创事件，以期共同探索技术突破，解读最新科创大事。它们影响着人类生存发展，更有重塑世界的可能性。
生存
1、用废旧电池将二氧化碳转化为燃料
2024年1月31日，华中科技大学化学与化工学院夏宝玉教授团队在Nature发表论文Durable CO2conversion in the proton-exchange membrane system。研究团队利用回收的废旧电池获得了一种铅基耐酸腐蚀的二氧化碳还原电催化剂，通过质子交换膜系统将二氧化碳还原为甲酸。
结果显示，甲酸的生成率超过93%，能够连续稳定运行5000小时以上，并且实现公斤级甚至吨级的量产，以满足工业化的需求。
▲二氧化碳电解系统及其电化学性能。图片来源：华中科技大学
价值与影响：甲酸是一种基本的有机原料，可用于合成甲酸盐、甲酸酯、甲酰胺等，比如甲酸盐可以驱动燃料电池发电。上述研究最让人期待的，莫过于能实现工业级别的量产，对废旧电池资源的二次利用提供可产业化的技术方案。
2、可降解的“活”塑料
2024年8月21日，中国科学院深圳先进技术研究院戴卓君课题组在 Nature Chemical Biology 发表论文Degradable living plastics programmed by engineered spores。研究团队通过对微生物进行基因编辑，产生具备极端环境耐受能力的孢子，使其可以在特定条件下分泌塑料降解酶；之后，研究人员通过塑料加工方法（高温、高压或有机溶剂）将孢子包埋在塑料基质中。
为了验证系统的放大可能，研究团队还使用单螺杆挤出机进行了小规模工业化测试，制备了活体的PCL塑料。该塑料能够像传统塑料一样使用；在被破坏或被废弃的条件下，塑料中的孢子被激活并启动降解程序，完成塑料的完全降解。
▲“活”塑料整体研究思路。图片来源：中国科学院深圳先进技术研究院
价值与影响：传统的石油基塑料，例如聚丙烯（PP）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），降解时间都在百年以上。这项研究成功地将微生物的自然进化优势与现代材料科学相结合，创造出一种能够在特定条件下自主降解的塑料，为新型可生物降解塑料的开发提供了新的视角和方法，有望助力解决当下严重的塑料污染困境。
3、绿叶蒸腾诱导水伏发电
2024年9月16日，福建农林大学周顺桂教授团队在Nature Water发表了题为“Hydrovoltaic electricity generation induced by living leaf transpiration”的研究论文。该论文报道了一种基于活荷叶的植物蒸腾发电机（LTG），可利用植物叶片蒸腾作用的水循环过程，直接捕获环境潜热实现持续产电，首次揭示了植物蒸腾作用的水伏效应。
研究人员将钛网电极作为阴极紧贴于荷叶表面,钛针电极作为阳极扎入荷叶根茎中,原位构建一个LTG器件，首先通过一系列的产电验证实验设计和原位电学测试，证实了利用植物叶片蒸腾作用诱导发电的可行性；进一步研究表明，植物蒸腾发电性能受其本身生理活动与环境等多重因素影响（如蒸腾速率、气孔开闭状态、温度等），并探讨了植物蒸腾发电的工作机制；最后，通过研究自然界中不同植物的蒸腾产电情况，进一步证明了植物蒸腾发电现象的普适性。
▲绿叶蒸腾诱导水伏发电。图片来源：福建农林大学
价值与影响：与传统的水力发电机相比，基于蒸腾作用的发电机具有设备简单、成本低廉、无需大规模水源等显著优势。该研究表明，通过连接多株植物和多片叶子，可以形成分布式发电网络，从而提高整体能源输出。未来，这项技术在能源互联网、智能电网、物联网和传感等领域有着广阔的应用前景。
发展
4、首个人类衰老肌肉全面图谱
2024年4月15日，中山大学张宏波教授联合剑桥大学、桑格研究所的研究团队，在Nature Aging发表论文Human skeletal muscle aging atlas。该研究联合应用单细胞-单核转录组测序技术，建立起跨越成年人全年龄段的骨骼肌衰老整合图谱。
研究发现，控制核糖体的基因在老年人肌肉干细胞中的活性较低，而这会降低细胞修复和再生肌肉纤维的能力。此外，这些骨骼肌样本中的非肌肉细胞群体产生了更多的一种名为CCL2的促炎分子，吸引了免疫细胞进入肌肉组织，从而加剧了年龄相关的肌肉退化。
▲人体骨骼肌衰老图谱的实验设计和主要研究方向的视觉概述。图片来源：Nature Aging
价值与影响：这是首个人类衰老肌肉全面图谱，提供了对骨骼肌衰老的新见解，有助于进一步探索对抗炎症、促进肌肉再生、保持神经连通性的新方法，开发针对肌肉衰老的治疗策略。
5、自体再生胰岛移植治愈糖尿病
2024年4月30日，再生医学治疗糖尿病领域迎来重大突破，海军军医大学第二附属医院（上海长征医院）殷浩教授团队，联合中国科学院分子细胞科学卓越创新中心程新教授团队，在Cell Discovery发表题为“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为59岁、已有25年2型糖尿病病史的患者，并且病症已发展为终末期糖尿病肾病（尿毒症）。2021年7月，该患者在上海长征医院接受了自体再生胰岛移植治疗，术后逐渐脱离外源胰岛素，口服降糖药（拜糖平、二甲双胍）也逐步减量，分别在第48周和第56周实现彻底撤药。
▲E胰岛生成和质量控制以及E胰岛移植的安全性/有效性评估所涉及主要程序的简要方案。图片来源：Cell Discovery
价值与影响：这是国际上首次利用干细胞来源的自体再生胰岛移植，成功治愈胰岛功能严重受损糖尿病的病例报道，标志着医学界找到治疗2型糖尿病（T2D）的新方法，为全球数以亿计的糖尿病患者带来希望。
6、“复活”冷冻的人类大脑
2024年5月13日，复旦大学脑科学转化研究院邵志成研究员团队在Cell Reports Methods在线发表论文Effective cryopreservation of human brain tissue and neural organoids，报道了一种被称为MEDY（1%甲基纤维素 + 10%乙二醇 + 10% DMSO + 10 μM Y27632 ）的全新脑类器官冷冻保存新技术，可在不破坏神经细胞结构的情况下冷冻保存各种脑组织、脑类器官，包括从患者身上或长期培养获得的脑组织、脑类器官以及受损脑组织。
▲MEDY冷冻复苏技术的建立及其应用。图片来源：复旦大学脑科学转化研究院
价值与影响：MEDY可实现大规模、可靠地存储各种神经器官组织和活体脑组织，有望促进广泛的基础研究、医疗应用和药物筛选，对推动脑科学基础和临床转化研究具有十分重要的意义。畅想未来，MEDY或将开启科幻故事中曾出现的人类休眠、永生新旅程。
7、世界最轻最小纯自然光供能的微型飞行器
2024年7月17日，北京航空航天大学能源与动力工程学院研究团队在Nature发表论文Sunlight-powered sustained flight of an ultralight micro aerial vehicle，从微型发动机的原理出发，提出了一种新型静电驱动方案，成功研制出微小尺寸下转速低、发热小、效率高的微型静电电机，并将此方案应用于CoulombFly静电飞行器。
该飞行器仅重4.21克，翼展20厘米，尺寸和重量分别是此前世界最小、最轻的太阳能飞行器的1/10和1/600。CoulombFly利用新型静电电机和超轻质高压电源，首次实现了微型飞行器在纯自然光供能下的起飞和持续飞行。
▲CoulombFly静电飞行器。图片来源：北京航空航天大学
价值与影响：有限飞行时间是制约微型飞行器应用的一大障碍，北航团队的此项成果仅依靠自然光即可实现持续飞行，可极大拓展此类飞行器的使用范围，在微型飞行器的发展进程中具有里程碑意义。
8、全球首个全自动科学发现AI系统“AI科学家”
2024年8月13日，全球首个全自动科学发现AI系统——“AI科学家”（AI Scientist）发布，该系统由日本初创公司Sakana AI与牛津大学、哥伦比亚大学学者合作研发，能够独立完成科学研究的全过程，包括创意生成、代码编写、实验执行、结果总结和论文撰写。
创意生成阶段，系统基于现有主题的起始代码模板进行头脑风暴，并在语义学者数据库（Semantic Scholar）中搜索以确保原创性；实验迭代过程中，系统自主编写代码、执行实验，并制作可视化图表，对结果进行分析；论文撰写阶段，系统按照标准机器学习会议论文的风格，以LaTeX格式（一种排版方式，适合于生成包含复杂数学公式、图表、参考文献和具有严格格式要求的学术和技术文档）撰写进展报告，还会自主使用语义学者数据库（Semantic Scholar）搜索并引用相关文献；自动化论文评审环节，Sakana AI 开发了自动审稿人系统，能够以接近人类的准确度评估生成的论文。生成的评审意见既可用于改进项目，也可作为对后续构思的反馈。
▲AI Scientist的概念图解。图片来源：Sakana AI
价值与影响：人工智能面临的最大挑战之一是开发能够进行科学研究、发现新知识的代理。
“AI科学家”展示了一个人工智能自主进行研究、总结、审阅、反馈、迭代的全新科研模式。“AI科学家”生成的论文可以提供广泛的信息和创新性，或至少包含未来研究的潜在价值。
去未来
9、小型核聚变装置中实现超太阳核心温度
2024年4月23日，美国核聚变能源公司Zap Energy宣布，其利用小规模紧凑型实验装置（Fusion Z-pinch Experiment，FuZE）实现1-3keV等离子体电子温度，相当于1100万至3700万摄氏度，创下新纪录。
该实验详细过程4月8日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。不同于一些使用超导磁体约束等离子体的聚变方案，FuZE装置是一种简单的等离子体约束方案，通过等离子体细丝携带的大电流引导，借助等离子体自身的电磁场，能够加热并压缩等离子体，从而实现核聚变。
▲来自FuZE等离子体的明亮闪光。图片来源：Zap Energy
价值与影响：实现核聚变，首先需要制造高温的等离子体。自人类首次实现核聚变反应以来，只有少数聚变技术能制造出电子温度高于1000万摄氏度（大致与太阳核心温度相当）的等离子体。由于不需要昂贵、体积巨大的超导磁体，利用Z箍缩技术实现聚变的装置规模更小且成本更低，而上述试验结果展现了这项技术在小规模低成本设备上实现聚变的潜力。
10、一种沙漠苔藓或可在火星极端生态环境中存活
2024年7月1日，中国科学院新疆生态与地理研究所张道远研究员和张元明研究员团队在期刊The Innovation发表论文The extremotolerant desert moss Syntrichia caninervis is a promising pioneer plant for colonizing extraterrestrial environments，报告了他们研究发现的一种生长在沙漠里的苔藓——齿肋赤藓——能耐受自身98%以上的细胞脱水、零下196摄氏度的超低温速冻，以及5000 Gy以上的伽马辐照而不会死亡。科研人员还发现，在模拟火星条件下，齿肋赤藓仍能存活并再生出新的植株。
▲沙漠苔藓齿肋赤藓极端生存能力研究，助力外星环境拓殖。图片来源：The Innovation
价值与影响：该研究刷新了生命体对环境的“耐受”新纪录，为人类探索外太空、打造宜居星球提供了灵感，为太空移民补上了一块新的拼图。
科创正蓬勃于今朝，并勾勒着明日景象。
当前的每一项突破都是对未来的深刻洞察与勇敢尝试。面对这些振奋人心的突破，我们怀揣着敬畏与期待。同时，科创的脚步仍在继续，以这些突破为新起点，向下一个未知的目的地前行，我们唯有不断探索、发现、记录、学习。
