摘要：“感算一体芯片”作为人工智能时代重要的基础模块，可以为手机、机器人、无人机等一系列小型化、便携化终端设备赋能感知与计算的强大能力。清华大学电子系黄翊东团队崔开宇课题组提出世界首款“物谱芯片”——光谱成像芯片2.0，实现全新“物质成像”的感算一体边缘计算，开启一
“感算一体芯片”作为人工智能时代重要的基础模块，可以为手机、机器人、无人机等一系列小型化、便携化终端设备赋能感知与计算的强大能力。清华大学电子系黄翊东团队崔开宇课题组提出世界首款“物谱芯片”——光谱成像芯片2.0，实现全新“物质成像”的感算一体边缘计算，开启一个超越人眼的物质元成像神经网络芯片的新范式。
老话常说 “要想活到老，饭吃七分饱”，但你可知道“七分饱”背后的科学原理？厦门大学林圣彩团队发现了一个卡路里限制的模拟物——石胆酸，并解析了其发挥延寿效果的具体机制，为开发新的长寿药物提供了新的理论和靶点。
基于国际科技创新中心网络服务平台科创热榜每日榜单形成的一周科技记忆，我们推出《一周前沿科技盘点》专栏。今天，为大家带来第125期。
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《Nature Communications》丨世界首款“物谱芯片”问世
分别采用光学超表面及色素实现的基于光谱卷积神经网络的物谱芯片
算力是智能时代最重要的基石和引擎，而视觉是人类和机器感知世界最重要的途径。“感算一体芯片”作为人工智能时代重要的基础模块，可以为手机、机器人、无人机等一系列小型化、便携化终端设备赋能感知与计算的强大能力。清华大学电子系黄翊东团队崔开宇课题组提出世界首款“物谱芯片”——光谱成像芯片2.0，即物质成像光谱卷积神经网络芯片，是面向复杂视觉任务的感算一体芯片，也是首个可以用含有物质光谱信息的自然光直接作为输入的光计算芯片，突破了现有光神经网络大多都难以落地到实际应用的困境，实现真实世界的复杂视觉计算任务。
分别采用了光学超表面以及色素作为光谱调制结构，制备了两款不同的物谱芯片，验证了光谱卷积神经网络框架的可行性。其中基于超表面的芯片具有更好的光谱调制能力，并且具有偏振、相位、入射角等全光场感知的潜力，而基于色素的芯片已实现了12吋晶圆的流片量产，具有更高的集成度和更低的加工制备成本。
研究团队认为，光谱卷积神经网络方案有以下三点优势：（1）基于图像传感器实现的光计算卷积层集成度大、功耗低，且可以直接感知自然光（包含两个空间维度和一个光谱维度的宽带非相干光），不依赖于相干光源；（2）光计算卷积层为感算一体式，即图像传感器完成拍摄的同时也完成了计算，能够在算力有限的边缘设备与移动终端上完成高维光谱图像的获取与处理，实现“物质超成像”（Mattermeta-imaging），让光谱成像的应用轻松下沉到终端。（3）光电混合的计算架构能够兼顾光计算高速、并行、低功耗的优势以及电计算的灵活性，充分利用图像传感器作为目前最高集成度的光电探测阵列芯片，让上百万像素、上亿像素相机的每一个像素点都可以计算。
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《Nature》丨为什么说“要想活到老，饭吃七分饱”？
溶酶体通路全景图
俗话说“要想活到老，饭吃七分饱”，而这里的“七分饱”，指的是衰老研究领域广泛认可的一种延长寿命、延缓衰老的方法——卡路里限制（calorie restriction, CR）。它是指在不造成营养缺乏的基础上，将食物的摄入量减少到原先的70%左右的饮食方式。卡路里限制的强大之处在于它是目前为止唯一一种在所有被研究过的实验动物——包括酵母、线虫、果蝇、小鼠和灵长类中，都能观察到抗衰老的益处的方法。近年来，在人群的回溯性与实验性研究中，也观察到了卡路里限制能改善衰老相关的肥胖、胰岛素抵抗、肌肉退化、血脂异常和癌症等并发症，并且不影响受试者的生活质量。
然而，尽管卡路里限制有如此广泛的益处，长期的饮食控制在人群中却是难以推广的，尤其是在真正需要延缓衰老的老年人群中，限制饮食还可能造成他们的营养不良和肌肉萎缩。
因此，探究以卡路里限制抗衰老的“好的一面”，也就是它延缓衰老的具体机制，并在此基础上模拟卡路里限制，最终让人们不控制饮食，便能达到延年益寿的效果，就成为医学界追求的目标。目前，已有大量模拟卡路里限制的药物——如二甲双胍、白藜芦醇和雷帕霉素等，其共同特征是靶向卡路里限制下游的关键作用蛋白以及通路，达到延寿的目的。然而，机体在真实的卡路里限制中发生了什么改变，这些改变产生了什么信号，又如何传导到上述通路并发挥抗衰老的作用，尚未得到完整的解释，这给我们进一步设计相关的干预策略带来了不小的困难。
厦门大学林圣彩团队从卡路里限制小鼠的血清相关实验出发，经过代谢组学鉴定和逐个排查，最终找到了卡路里限制的模拟物——石胆酸（LCA），并在线虫、果蝇和小鼠中分别验证了石胆酸延缓衰老，延长寿命的作用。在此基础上，他们又进一步探索，最终找到了石胆酸的分子靶点——TULP3，并发现了TULP3能够通过激活sirtuin-v-ATPase信号轴，激活在卡路里限制中起到延缓衰老关键作用的AMPK蛋白，从而延缓衰老。
林圣彩院士曾对该成果的发现历程进行了有趣的回顾，他觉得AMPK的溶酶体通路是高等生物中的固有通路，也很可能因为这样重要的生理功能，才在进化过程中保留下来。不仅能抵抗饥饿，还能从饥饿中获得益处，这是大自然赐予生命的“赋能”。
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《Physical Review Letters》丨他们在实验室制造独特的“彩虹”奇观
(a, b)赝磁场和赝电场协同作用下诱导的朗道彩虹现象示意图,不同频率的朗道零模被分开并局域到不同的空间位置。
规范场在凝聚态物理、光学、声学和冷原子等系统中对研究粒子的复杂行为具有重要意义。构建“赝磁场”（即：人工规范场）是实现光学体系朗道能级的重要方法。近年来，如何构建不带电体系的赝磁场引起了研究者的极大兴趣，通过对石墨烯施加应力、构建渐变的超构材料或晶格变形的光波导等结构，多种不带电体系的朗道能级逐渐被实现。为此，该领域的研究聚焦在不带电体系的朗道能级的实现上。然而，赝磁场所诱导的朗道能级是一系列近似平带的能带，尤其是零能模，其高度简并性导致模式难以区分，物理上缺乏有效的手段探索朗道模式的复用。
近日，北京理工大学物理学院路翠翠课题组和香港大学张霜合作，提出同时引入赝磁场(PMF)和赝电场(PEF)，其中赝磁场的引入用于产生一系列朗道能级，而赝电场的引入用于打破朗道能级的简并性。在上述两种人工规范场的协同作用下，同一朗道能级上的不同频率的朗道模式在空间上分离到不同的位置，呈现出独特的类似彩虹囚禁的效果，他们将发现的这种物理现象命名为“朗道彩虹”。他们制备了介质光子晶体，并利用微波波段的近场探测系统表征了样品表面不同频率的电场模的分布，不同频率的朗道零模明显地局域在不同位置。其实验测量结果与仿真计算结果一致。
朗道能级具有高度简并性，模式数量丰富；朗道彩虹器件具有宽带性和可扩展性等优点；得益于朗道能级的拓扑特性，朗道彩虹器件具备鲁棒性，能够在一定程度上抵抗微扰和杂质对能带的影响，有望应用于多波长光信息处理器件，如拓扑慢光器件、拓扑分光器以及拓扑波分复用系统等。该工作为光子学中的人工规范场的研究提供了物理平台，为推动人工规范场物理在宽带信息处理的应用提供了策略。
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《Advanced Science》丨调节多巴胺，到底谁说了算
GPCR-D2R对在体纹状体多巴胺分泌的调节具有频率依赖性
多巴胺在调节运动、动机、学习和奖赏方面至关重要，多巴胺稳态的功能障碍与帕金森病、精神分裂症和成瘾密切相关。中脑多巴胺神经元通过紧张性和时相性两种放电方式来释放多巴胺，作用于多巴胺受体（GPCR）发挥生理功能，但这两种放电模式如何精准调控多巴胺分泌尚不清楚。多巴胺受体分为1型和2型两大类，其中多巴胺2型受体（D2R）在突触前和突触后均有分布，突触前D2R为自抑制受体，可以通过Gibg调节VGCC或者GIRK通道来影响多巴胺分泌。近年研究发现GPCR可以感知电压变化从而调节下游信号转导通路，然而在生理情况下，D2R能否感知动作电位（APs）频率或电压变化而调节多巴胺分泌仍不清楚。
西安交通大学生命学院王昌河团队联合北京大学未来技术学院周专团队，他们研究发现，在生理情况下存在一条GPCR-D2R调控多巴胺分泌的新通路，动作电位频率/电压通过直接作用于GPCR-D2R来调节下游电压门控型钙通道（VGCCs）的功能，进而调控多巴胺分泌，其中D131是D2R上的电压敏感位点。这条新通路对多巴胺分泌的调控贡献可高达50%，提示其具有重要的生理意义，为神经元电活动调控突触传递功能和相关疾病治疗提供新理论和新思路。
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《Angew. Chem. Int. Ed.》丨刷新纪录，攻克超窄带长波长发光材料难题
HBN分子的光物理性质
用于超高清显示技术的有机发光二极管(UHD-OLED)对其发光材料的光谱宽度需求由较高要求，光谱窄化这一技术瓶颈的解决是满足广色域(BT.2020)行业显示标准的关键，并可以借此显著提升终端显示效果。窄带多重共振型热激活延迟荧光(MR-TADF)材料作为当前显示终端材料端口的高效解决方案，在过去十年间取得了显著进展。尽管现有大多数MR-TADF材料能够实现一定程度的窄带发射(半峰宽FWHM
近日，南京大学化学化工学院郑佑轩课题组在长波长超窄带发光材料领域取得了重要突破。他们通过在四氮杂环烷框架中精准嵌入两个硼原子，创新性地构建了一种长波长超窄带分子框架，并由此衍生出一种超窄带黄光发射材料(HBN)。实验结果显示，与四氮杂环烷前体相比，双硼嵌入实现了高达165 nm的发射光谱红移。同时，HBN在甲苯稀溶液中表现出572 nm的超窄带黄光发射，光谱的FWHM只有17 nm，而在正己烷中发射光谱的FWHM进一步缩窄至12 nm，刷新了当前中长波长区域的窄光谱纪录。
其研究为分子架构与材料性能的精细调控为超窄带纯绿光至红光材料的设计提供了重要指导，为实现广色域显示技术提供了实验和理论借鉴。
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《One Earth》丨城市气溶胶是如何影响天气的？
一次典型的新粒子生成和粒子增长事件过程中，地面和260米高度处粒子数谱，颗粒物生成速率及其垂直比值演变。
近年来，大气中新粒子生成和增长在云凝结核（CCN）形成中的作用引起广泛关注。中国科学院大气物理研究所孙业乐研究员与赫尔辛基大学杜蔚博士联合多家科研单位，开展了不同高度颗粒物化学组分、粒子数谱及其气态前体物的实时在线测量，深入分析了不同高度粒子增长过程及其对CCN的影响。
研究发现，城市上空的新粒子增长过程比地面更为强烈。在大多数情况下，受到区域输送的影响，城市上空含有更多的气态前体物（如硫酸），这些前体物促进了新粒子的生成。其研究结果表明，高空更强的新粒子生成和增长事件不仅带来了更多的颗粒物，还改变了这些颗粒物的化学组成，使其更具吸湿特性，从而更容易成为云凝结核。这种变化使得高空新生成的粒子对云凝结核的贡献更加显著。研究还指出，如果仅依赖地面观测结果来量化新粒子对云凝结核的贡献，可能会低估约20%的影响。
这项研究不仅揭示了城市颗粒物在垂直方向上的增长差异，还为我们提供了关于城市气溶胶如何影响天气和气候的全新视角。
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来源：京津冀消息通
