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关于纳米机器人警察

请问哪位专家有关纳米机器人警察的资料?

据说是20年后的技术,目前没有.

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网上有关纳米警察的资料

错!科学技术日新月异,目前这个世界只有你想不到的没有做不到的,请看下面的资料
纳米科学与技术给产业带来的影响——师昌绪评《纳米科学与技术》

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[作者:中国科学院、工程院院士 师昌绪]
[发布时间:20050425]
[来源:《中国科技成果》2005年第6期 中国科学技术信息研究所加工整理]




    由科学出版社出版的《纳米科学与技术》一书,作者是北京理工大学刘吉平教授。由于该书提出了许多新观点和新思维,是一部有价值的科学著作,同时引起众多同行的关注。《纳米科学与技术》出版发行较好,在国内已连续重印了三次,台湾清华大学林鸿明先生给予高度赞扬,并且已在台湾出版。  

    1.纳米技术对产业革命的影响  

    1.1  纳米技术将彻底改变人类社会

    人们对客观物质世界的认识,分为宏观和微观两个层次。对宏观世界的观察从肉眼可见的物体延伸到几亿甚至几十亿光年之遥,上限无穷;所谓微观是指原子、分子、以及原子内部的世界,下限无穷;19世纪末20世纪初,有人观察到了介乎宏观与微观之间的,三维尺度很小的“处女地”内的一些奇异现象。后来科学家在这方面的观察和预言被证实,从而确立了客观世界存在着一个范畴——纳米体系。

    虽然自然界中早就存在纳米微粒和纳米固体,但是人们都不依靠在自然界采集纳米微粒和纳米固体来使用。从实验室制备成功纳米材料以来的20多年里,20世纪90年代以前,主要是在实验室里探索用各种方法制备纳米材料,90~94年,人们关注的热点是如何利用已经挖掘出来的纳米材料的奇异特性设计纳米复合材料;从1994年起,人们的关注点已经集中到人工组装合成的纳米结构的材料体系上。纳米科学正在飞速发展。美国国家科学基金会的纳米技术高级顾问米哈伊尔?罗科预言:“由于纳米技术的出现,在今后30年中,人类文明所经历的变化将会比刚刚过去的整个20世纪都要多得多。”

    纳米科学与技术将会从根本上改变人类的生存条件。大量的编程产品将会陆续而来,拉特格斯大学的计算机专家Storros Hall正在开发一种令人难以置信的智能材料。Hall把它的发明称为Utility Fog。万能雾由众多微小的纳米机器人所组成,是一种智能多态材料。每个万能雾机器人的结构为:长约百万分之5~10米的12条手臂位于四周,与位于中央的直径为百万分之1~2米的一个球体(内有马达、一个电池和一台功能强大的纳米计算机)连接在一起。手臂能前后摆动,又能抓住其他机器人的手臂末端,以便传导动力、传递信息。当要更换相邻的机器人时,手臂末端能被暂时松开。每个机器人的体积只占其空间容积的2~3%,其余大量的空间则留给空气,可以透过光线。这样,即使一个充满了万能雾机器人的房间也还是相当明亮。当充满空间比较大时,远远看去就好似一团云雾。

    Hall最近在一篇文章中写到:如果程序命令万能雾机器人沿拉力方向伸展、沿压力方向收缩,这就是在模拟软材料;如果程序命令万能雾机器人在某个特定的力出现之前,一直保持原状不变,这就是在模拟硬而脆的材料;如果程序命令万能雾机器人必须在所有手臂的总伸展长度恒定不变的条件下,才能应力而动(如当某条手臂达到其最大伸展长度时,会有另一条手臂相应缩短其伸展长度),这就是在模拟液体;如果允许所有手臂的总伸展长度、随着所有手臂力的合力而变,这就是在模拟气体(在某一压力范围之内)。

    一个更为雄心勃勃的设想是:当你置身在万能雾之中时,万能雾甚至可以感觉到你身体各处所在的具体空间位置,从而形成“人体数据套”,而你仅仅依靠极细微的动作,就能控制这种数据套。万能雾中的机器人还能携带各种特殊的传感器,从而万能雾就俨然成了高带宽波动描记器。当编程得当时,万能雾还能读出你的思想。普通人只要置身万能雾中,就能亲身经历那些如今只能在舞台上才有的神奇事件。例如,能命令物品出现和消失;能使物品悬浮和飞行;能远距离地在真正的物品上施加力的作用,能像超人那样把几英寸之外的钢条弄弯。

    纳米技术是现代科学和技术相结合的产物,它涉及到几乎现有的一切基础性科学技术领域。纳米技术将会迅速改变物质产品的生产方式,导致重大的社会变革,正像20世纪70年代微电子技术引发了信息革命一样,纳米技术将可能成为下一个技术革命时代的核心。

    埃及的金字塔和中国的万里长城等纪念碑式的建筑,展示了人类已经在米和千米的大尺度上很好地掌握并控制了物质世界。利用微型印刷技术,我们可以在硅片上刻印超密集的电路,其元件的尺度在微米级,只有用高倍电子显微镜才能看清。原子、分子的尺度是与制造物质有关的最精细的尺度了。化学家制造的分子的尺度与电子工程师制造的微处理器中的元件的尺度之间存在着很大的差距,这个差距的跨度在大约1亿纳米至几百纳米,这正是决定材料基本特性的尺度。

    科学家们一直在探索和开发进入纳米世界的技术,他们正在用纳米技术取得的每一个进展弥合从一个原子到摩天大楼的连续不断的、完整的工程尺度链。令人更为振奋的是,新型的、超强的、重量轻的纳米物质将会使太空旅行变得更加低廉和容易。人类可以利用纳米技术在土星上营造与地球相似的大气层。通过“纳米药物”新技术,人类可以大大延长生命,方法是当老细胞坏死时,用一个个的分子生产出新的细胞即可,如果这一梦想成真,地球人“挤迫”到受不了时,也可以进行太空移民。

    150年前,微米成为新的精度标准,奠定了工业革命的基础。最早和最好学会使用微米科技的国家,都在工业发展中占据了巨大优势,同样,未来的科技将属于那些明智地接受纳米作为新标准并首先学习和使用它的国家。

    我们应记住,微米技术也曾同样的被认为对使用牛耕地的农民是无关紧要的,的确,微米技术与牛和耕犁毫无关系,但他却改变了耕作方式,因为微米技术使我们迎来了拖拉机。1959年Richard Feynman在《There`s Plenty of Room at the Bottom》的演讲中说,假如能够按照人的意志安排一个一个的原子时,那将产生何等的奇迹。诺贝尔奖得主Richard Smalley总结说:“纳米技术是建设者的最后边疆”。

    1.2  纳米技术将领导下一场产业革命

    你可以理解第一次工业革命是毫米的世纪。因为在此之前,人类是不需要对毫米进行研究的,蒸汽机迫使人类精确到毫米。第二次工业革命是微米时代。因为有了电,人类认识了微电子,但是现在微米层次的芯片已经到达了物理极限,必须深入到纳米了。在毫米时代以前,中国是最强大的,但与毫米时代错过了,就把第一强国让给了英国,微米时代的领军人物是美国,所以它就成为世界第一大国。

    根据历史经验和最新的科技发展预测,决定一个国家在21世纪地位的产业就是纳米产业。人类以驾驭原子能进入现代社会,以制造和利用单晶硅基础上的半导体进入了电脑与网络通信时代。人类即将破解生物基因的天书。但是要在基因基础上再造动植物的生命,还是需要工具与方法,需要纳米技术,就是一种能在原子或分子水平上操纵物质的技术,制造和驾驭这样小的物质的技术就是纳米技术。现在很多国家经多方面论证确认,在众彩纷纭的技术革命的洪流中,纳米技术一枝独秀,它将领导下一场工业革命。  

    当人类联合破解基因密码成功的消息传出后,人们立即想到哪一个技术对人类社会的影响更大?有人很快做出了回答,那就是:要使现在基因密码破解基础上的成果变成一场医疗革命,仍然需要更小的工具,而不仅仅是用药物来影响基因,那就需要纳米机器,需要可以在比细胞更小的范围内改造生物体的工具,这只能是纳米技术。纳米技术的重要性就在于它是人类利用的材料和工具的革命。纳米技术是在人类科研发展的基础上产生与发展出来的。

    以纳米技术为突破口的高科技群有可能改变几十年来使很多国家困惑的经济“滞胀”现象。一般而言,高经济增长率往往伴随着高通货膨胀率,要控制通货膨胀,就需要适度控制经济增长率,这种替代关系为各个国家的政府所熟知。但是自20世纪70年代以来却出现了另外一种景象,也就是在经济低速增长的情况下,却出现了高通货膨胀的局面,也就是“滞胀”的现象,这就使不少国家的政府陷入了无可奈何的境地,不可能再通过牺牲一定的经济增长率来换得一个低的通货膨胀率,因为经济增长率本来就很低甚至是负增长,低经济增长率必然又伴随着高失业率。每一个国家的政府都在关心如何获得一个高增长、低通胀的经济增长。也有人曾经说,如果哪个经济学家能够解决“滞胀”问题,就在联合国大厦前为其树立一尊金像,这从一个侧面也反映了这个问题的迫切性和严重性。

    高技术的发展确实让人们看到了解决“滞胀”问题的曙光。美国经济之所以进入20世纪90年代以来保持了连续的高增长高就业而又低通货膨胀的局面,就在于以信息产业为标志的高科技的贡献。据有关资料显示,信息产业对美国经济增长的贡献率已经超过了30%。1998年全球电子产品市场规模为1.13万亿美元,2000年将达到1.3万亿元;全球互联网用户在1996年不足4000万户,2000年已经超过2.6亿户,2005年将达到10亿户。在21世纪,信息产业将成为传统产业,纳米产业将成为新的科技产业和主导产业。它给世界经济带来的影响将大大超过信息产业的影响。纳米技术和纳米材料将渗透到国民经济的各个行业,它在推动经济高速增长的同时,形成一个庞大的纳米产业群,这一产业群能够容纳亿万个劳动力,形成一个高就业的局面。任何一项高技术从短期来看都会起到代替劳动力的作用,纳米技术也不例外。但是从长期来看,它可以吸纳更多的劳动力,只不过不是直接从事某一具体的操作,而是从事与这一产业或技术相关的劳动,增加就业是必然的趋势。技术进步推动了新的产业的产生,如果没有第二产业、第三产业和第四、第五产业(我们把信息产业称作第四产业,把休闲产业称作第五产业),第一产业无论如何也容纳不了全球的60多亿人口。技术进步推动经济发展,经济发展促进居民收入的增加,居民收入增加产生了新的消费需求,消费需求每上个档次就表现为对科技含量高的产品的更大的需求,并逐步淘汰科技含量低的产品。纳米产品具有很多适合与人们消费的特点,具有巨大的市场需求,通过纳米技术和纳米产业将会带动经济增长,而又不会产生通货膨胀。因为通货膨胀是过多的货币追逐过少商品的结果,导致商品价格的普遍的长期大幅度的上涨。纳米技术及纳米产品带给人们的是更多的产品,不会引起商品的短缺,反而使商品成本变得更低,价格更低廉,如贝尔实验室的研究人员正在用微型电子机械技术制造双向光纤所必须的微型光学调制器。通过这种巧妙的光刻技术制造芯片,每个芯片只需要几美分,而过去则需要5000美元。我们可以预言,以纳米技术和纳米产业的诞生为标志的第五次产业革命将从根本上改变近30年来困扰很多国家的“滞胀”的现象,也会改变经济增长的一个规律,即高增和高通胀并存的规律,取而代之以高增长和低通胀。  

    2.纳米热的冷思考  

    似乎在一夜之间,“纳米科学与技术”这个许多人还似懂非懂的名词就迅速被众多企业应用,各种冠以“纳米”的产品滚滚而来,“纳米”两字成了众多企业点石成金的法宝。广州一家公司推出了所谓的“纳米水”,说“纳米水”能抗疲劳、耐缺氧、降火排毒,长期饮用可“水到病除”甚至可以“增强女士防匪徒强暴的能力”。2001年4月,该公司的欺骗行为败露后现已停业。目前国内“纳米”企业良莠不齐,而国家相关行业、产品标准还是空缺,在这种情况下,不少所谓的纳米产品明明用的是微米技术甚至是其他技术,却肆意吹嘘,以纳米新产品的面目去包装自己。

    纳米技术无论是国内还是国外,目前仍然以基础性研究为主,投入规模比较大。不确定因素很多,因而投资风险是第一位要考虑的。当我们面对新的科学技术时,应该持一种科学态度,不能盲目炒作,更不能把科学庸俗化。当前必须正确认识纳米材料的作用。纳米技术的应用还有一个认识过程以及产品的升级配套过程。国内有的纳米材料生产线因为产品的应用市场狭小,一时难以实现赢利。市场上一些企业不理解纳米技术,盲目性大,或借机用“纳米”概念推广产品,误导消费者,出现“伪纳米”现象,这对纳米技术今后的发展是有害无利的。纳米高科技的发展需要呵护,挤掉“纳米热”中的泡沫成分,为今后真正纳米技术走向市场创造条件,这样才真正有助于我国纳米技术在国际上占有一席之地。任何概念的抄作,都对纳米研究和产业不利,这样会打破正常的规范秩序,使真正的纳米技术和产业失去生存空间。中国的事贯于一哄而上又一哄而散,纳米事业的发展应吸取IT业的发展的教训,应有序地进行。另一方面也应看到,计算机的迅猛发展是在20世纪90年代,但它的基础工作是在20~30年前做出的,同样目前正是为纳米技术的研发做实质性工作的时期。  

    3.潜在的危险  

    纳米技术仍像其他技术一样,是中性的,纳米技术既可以被善用也可以被恶用:如果纳米机器人忘记停止复制怎么办?如果没有某种内在的停止信号,那么灾难是即可能发生的。快速复制的纳米机器人在人体内扩散的速度可能比癌细胞还要快,从而会排挤掉正常的组织;失控的纸张再生纳米机器人可能将世界上的图书馆都变成瓦楞纸板;食品制作纳米机器人则会将地球的整个生物圈变成一块巨大的面包。

    纳米技术专家并不排除这种危险,但是他们相信能够应付。一种想法是对纳米机器人的软件进行设置,使机器人在经过一定次数的复制之后自行毁灭。另一种想法是设计只在特定环境下工作的纳米机器人,比如仅存在于高浓度有毒化学物质环境中的毒物清洁机器人,一旦离开有害环境便处于休眠状态。也可以制造一种当周围出现太多的同类时会停止复制的纳米机器人,这也是大自然用来控制细菌生长的方法。

    在纳米时代也许会出现纳米黑客,他们会制造出纳米罪犯危害人类,但科学家也有对策,他们会建立一种纳米技术免疫系统,可以制造纳米警察制服纳米罪犯。由于纳米计算机的高度发达,破译密码易如反掌,网络安全将受到严峻考验。但科学家可使用基于纳米技术的量子通讯,提高保密性。纳米黑客还可能运用纳米装配机轻而易举地装配包括信用卡在内的任何东西,令人真假难辨。但是人类有能力控制纳米技术的应用,就像IT技术中虽然有网络黑客,但网络技术仍在飞速发展,给人类带来巨大的利益。  

    4.结  语  

    纳米技术和纳米产业将使人类在可持续发展上迈出更大的步伐,可持续发展是人类针对经济增长过程中的负面影响而提出来的一种人与自然、人与资源、上一代与下一代和谐的发展方式,最终达到全人类的长期的动态的和谐。技术进步和产业革命在给人类带来福利,促进经济增长的同时,也存在过度利用自然也就是滥砍乱伐、污染环境、粗放开采等严重问题,导致高能耗。高污染、高投人、低产出,甚至为了眼前的经济增长而不惜牺牲后代人利益的现象,以至于有的国家和地区出现了有增长而无发展的现象。如何才能实现全球的可持续发展?仍然需要依靠技术进步。纳米技术和纳米材料的产生有助于各种能源的充分利用,在人类生活的方方面面起到良好的作用,使我们的社会变得更加和谐,纳米技术可使人类在可持续发展的道路上迈出实质性的步伐。  纳米科技带来的是人类社会的第五次产业革命。纳米技术的发展阶段只相当于20世纪50年代的计算机,但它标志的是一个时代的到来,——而如火如荼的信息产业早晚将成为传统产业,这是因为纳米产业有这样两个特点(1)它是新兴的先进产业,建立在先进的纳米技术基础之上,(2)它具有极强的前向效应,对上游产业的带动效应,就象汽车工业能带动钢铁、油漆等行业一样,纳米产业将带动传统材料产业等一系列上游产业的发展,后向效应是指对下游产业的推动效应,包括为交通、房地产、服务业等多种产业带来新的机会。根据纳米产业的特点,纳米产业具备形成一个国家的主导产业的潜力。围绕纳米技术的发展,将迅速形成相关的庞大产业群和企业群,其中蕴涵着巨大的财富和机会。新的世界首富将在纳米产业中产生。

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有哪位高手能够告诉我:如何才能中断植入人体内的纳米机器人与千里之外的遥控器之间的通信?

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纳米材料技术是世界高新技术革命的一大旗帜.地球人都知道它很重要
但是,纳米材料技术和纳米机器人警察是两个概念,现在世界科技发展还没达到能利用纳米材料定型生产纳米级别机器人警察的程度,师昌绪也没说过.
当然,你如果是说将来会有纳米警察那就是另一回事.你可以搜索纳米警察设想,也许不难找到.

[ 本帖最后由 .过客. 于 2008-4-7 19:40 编辑 ]

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如果总统成了“混血儿”间谍,这个国家将会怎样?没有纳米机器人警察行吗?

下面所描述的“混血儿”间谍其实早已经有了,我们应该讨论的不是“混血儿”间谍是否已经出现,而是如何来建立个人防御从而不至于成了别人的“混血儿”间谍!或者如何制造有效的监察设备来分清我们中谁已经成了“混血儿”间谍!或者建立一个部门来拯救那些已被变成 “混血儿”间谍的人!
       “混血儿”间谍:美国信息技术专家柯兹威尔认为,不久的将来,电脑将与人脑直接结合,出现机器与人体的“混血儿”。这种能够进行自我复制的超微型机器人,将存在于人体的血管中,与所有脑神经互动,建立一个包括所有脑部内容的庞大资料库。小机器人还会通过无线通信系统彼此连接,和脑部以外管理资料库的电脑或网络通信。国外设想将其用于军事领域,即以各种方式将小机器人侵入敌方掌握军队核心机密、作战指挥和网络技术的人员体内,让小机器人将他们掌握的军队机密、个人思想,甚至隐私都变为脑部资料库可调用的“文件”,并进行远距离监测和控制,使其在毫无察觉的情况下,成为对方的“间谍”或超级杀手!

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纳米机器人走过来(转)

纳米机器人走过来(转)
纳米物理学家在世纪之交畅想了纳米科技发展的未来,它的主调是:纳米科技的发展将使得人类可以直接操纵原子,从而实现人们的很多梦想,如制造仅有少数原子构成的微型纳米机器人,它们可以游走在血管中吃掉沉积在血管壁上的垃圾,它们可以游走在组织间定向地识别和杀死癌细胞,它们可以直接利用太阳能制造面包,甚至于纳米机器人可以自行复制等等。这些听上去似乎是天方夜谭的畅想其实也并非不着边际,分子仿生学就是一门可以使研制纳米机器人成为现实的新学科。

  研制"纳米机器人将成为纳米科技时代的重要内容之一

  物理学家总是模拟生物学原理制作各种灵巧的机器,这就是仿生学。仿生学是生物物理学的一个分支学科,它按照生物学原理提出设计原型,制造用于特殊目的的"功能器件"。 "纳米机器人"的研制属于分子仿生学的范畴,它根据分子水平的生物学原理为设计原型,设计制造可对纳米空间进行操作的"功能分子器件"。

  事实上,细胞就是一个活生生的纳米机器。酶是细胞中种类最多和最活跃的分子,每一个酶分子也是一个个活生生的纳米机器人。酶分子催化底物反应时,其蛋白分子不同结构域之间的相对运动就像是微型人在移动和重新安排底物分子的原子排列顺序。细胞中的很多结构单元都是执行某种功能的微型机器:核糖体是按照基因密码的指令安排氨基酸顺序制造蛋白质分子的加工器;高尔基体是给新制造的蛋白质进行修饰的加工厂;加工好的蛋白质可以按照信号肽的指令由膜囊泡运送到确定的部位发挥功能;完成了功能使命的蛋白质会被贴上标签送去被水解成氨基酸成为合成新蛋白的原材料。细胞的生命过程就是这样一批又一批功能相关的蛋白质组群不断替换更新行使功能的过程,这些生命过程所需的一切能量来自太阳。植物叶子中的叶绿体是利用太阳能制造粮食的加工厂;线粒体是把粮食中储存的太阳能释放出来制造成能量货币ATP的车间;我们每人每天都要消耗相当于自身体重那么多的ATP分子以支持我们的生命活动和繁忙的工作。细胞中发生的所有这一切都是按照DNA分子中的基因密码序列指令而井然有序地进行的。

  纳米技术可以仿照细胞生命过程的各个环节制造出各种各样的微型机器人,可以预料就在21世纪很多意想不到的微型机器人将出现在人类生活的各个方面,直接或间接地服务于人类。

  制造纳米机器人不是从单个原子堆积做起

  理论上讲纳米机器人是大量原子或分子按确定顺序聚集而成为具有确定功能的微型器件,但制造纳米机器人不一定是从"零"开始。机器人是由零件组装而成的,纳米机器人的零件可以是单个的原子或分子,但是更现实的是具有一定结构和功能的原子团或分子的集合。利用现实存在的功能器件组装纳米机器人比从一个原子一个原子地构建机器人更为现实可行。生物分子是自然界存在的最丰富的构建纳米机器人的零件的来源,现实可行的途径是按照分子仿生学的原理,利用大量存在的天然分子原器件,设计组装纳米机器人。下面列举几种研制纳米机器人的可能途径:

  1.化学模拟

  化学家很早就开始模拟酶分子的活性中心结构制造"模拟酶",这实际上就是在研制纳米机器人,因为每一个酶分子都是一个活生生的纳米机器人。但是化学家只模拟了酶活性中心功能基团在空间位置上的配置,而没有模拟出功能基团在催化底物反应时出现的动作,这种动作应当足以打开一个化学键或者合成一个化学键。因此,化学模拟还有很长的路可走,一旦模拟出具有催化动作的"模拟酶",化学合成的纳米机器人也就诞生了。

  2.利用分子的自组合原理装配机器人

  生物分子在各个层次上存在着自组合的性质,利用分子的自组合特性装配纳米机器人是一个值得探索的途径。比如构成生物膜的脂类分子是一端亲水另一端疏水的双亲性分子,它们在水溶液中会自组合成双分子层微囊泡,科学家利用这种微囊泡把抗癌药包裹起来,避免药物对正常细胞的杀伤作用。为了使包裹了抗癌药物的微囊泡能识别癌细胞,科学家利用了抗体分子对抗原分子的专一识别作用,把一种专一识别癌细胞特有抗原分子的抗体分子装在微囊泡表面,如此制成的药物载体如同"生物导弹",可以专一地识别和杀死癌细胞。这不就是纳米物理学家倡导的定向杀死癌细胞的纳米机器人吗?

  3.利用生物分子作为分子功能器件组装纳米机器人

  ATP酶作为分子发动机的研究已经在西方形成热点领域,日本和美国双方已经呈现出强烈的对峙竞争局面。分子发动机问世的意义决不仅仅是制造一种纳米机器人的动力装置,而是开辟了一个新的探索领域,这个领域就是研究生物分子作为微型机器人原器件的可能性。原则上所有的生物分子都是纳米机器人或组成纳米机器人的零件,生物分子的自组合性质就是零件组装的原理依据。因此,开展生物分子作为纳米器件特性和组装原理的研究应当及早倡导和支持。

  呼吸链酶系是研究生物分子纳米器件和组装的好材料ATP酶在生物体内是执行能量转化的关键分子之一,它和呼吸链酶系共同组成线粒体的能量转化体系。线粒体的功能是把储存在食物中的太阳能取出来制造机体需求的"能量货币"ATP,在生物体内是呼吸链酶系推动ATP酶制造ATP。如果把ATP酶看作是一部马达,那么呼吸链就如同连接马达和电源的导线。与导线不同的是,呼吸链传递电子是通过几个生物大分子的氧化还原变化而实现的,这些大分子被称为复合物I(NADH-泛醌还原酶)、复合物II(琥珀酸-泛酮还原酶)、复合物III(泛醌-细胞色素C还原酶)和复合物IV(细胞色素C氧化酶),它们按照氧化还原电位的高低有序地把底物电子逐一传递,最终把电子传递给氧。作为分子马达进行研究的ATP酶实际上被称作复合物V,它和呼吸链的四个复合物共同组成线粒体的能量转化体系。呼吸链四个复合物进行的电子传递是一个放能的过程,放出的能量用于推动复合物V(ATP酶)制造ATP。

  呼吸链酶系可以作为开展纳米器件特性和组装规律的典型研究材料,它具备以下几方面的优点:

  (1)呼吸链酶系一直是研究生物能量转化机制的典型实验材料。 呼吸链酶系是研究生物能量转化规律的典型实验材料,国内外科学家对它已经研究了近半个多世纪。可以预言:将来制造直接利用太阳能合成面包的纳米机器人很可能要遵循从这个酶系统总结出来的原理和规律而进行组装。

  (2)呼吸链中的两个关键酶(复合物III和IV)都有了晶体结构解析的结果,其分子内的电荷转移中心结构清楚,并有大量溶液结构研究数据可参考。

  (3)最近我们将纯化的细胞色素C氧化酶(复合物IV)制作成固态薄膜并研究其分子内电子转移特性,发现其分子内的电子传递活性依然完好,而且其电子转移规律和文献中对该酶溶液状态研究的结果很一致。有趣的是发现制成固态薄膜的该种酶,其分子内的电子传递活性具有"电子开关"的特性,这为该种酶作为纳米器件的研究打下了基础。这种研究应该说是我们首先开始的,到目前为止尚未见有过类似的文献报道。

  (4)呼吸链四个复合物中的每一个单体酶的分子内部都有各自不同的电子转移中心,它们多数是金属中心,或是某些氨基酸的功能基团。研究分子内电子转移中心的相互关系和电子在其间转移和驻留的规律,有可能发现它们具有的"分子功能器件"的特性。这种研究有可能打开一扇门,使我们看到很多生物分子所具有的纳米器件的特性,这些知识的积累将会产生组装纳米机器人的新思路。

  (5)呼吸链四个复合物可以分开制成单体酶,也可以重组合制成不同的呼吸链片段,这为研究纳米器件的装配规律提供了便利。

  纳米科技时代需要新型科技人才和新的管理模式

  研究生物分子作为功能器件以及利用生物分子功能器件组装纳米机器人的原理和规律是一个前瞻性的研究,这里需要的是创新的思想和勇敢的探索以及新知识的累积。要有很多新型的人才在这一方向上进行创造性地开拓,因此,新型的纳米人才应当具有多学科交叉的知识和经验。更需要一大批新型管理人才,他们善于在各学科的交叉中有机地组织各方面的专家进行有效的合作。

  20世纪初期嫦娥奔月的理想在世纪之末以宇航员登上月球的现实而得以实现,21世纪制造纳米机器人的理想也将在纳米科技的发展中逐步变成现实。

第六、我国的仿人形机器人研究

  我国在仿人形机器人方面做了大量研究,并取得了很多成果。比如长沙国防科技大学研制成了双足步行机器人,北京航空航天大学研制成了多指灵巧手,哈尔滨工业大学、北京科技大学也在这方面做了大量深入的工作。


  双足步行机器人研究是一个很诱人的研究课题,而且难度很大。在日本开展双足步行机器人研究已有30多年的历史,研制出了许多可以静态、动态稳定行走的双足步行机器人,上面提到的P2、P3是其中的佼佼者。

  在国家863计划、国家自然科学基金和湖南省的支持下,长沙国防科技大学于1988年2月研制成功了六关节平面运动型双足步行机器人,随后于1990年又先后研制成功了十关节、十二关节的空间运动型机器人系统,并实现了平地前进、后退,左右侧行,左右转弯,上下台阶,上下斜坡和跨越障碍等人类所具备的基本行走功能。近期在十二关节的空间运动机构上,实现了每秒钟两步的前进及左右动态行走功能。


  经过十年攻关,国防科技大学研制成功我国第一台仿人型机器人——“先行者”,实现了机器人技术的重大突破。“先行者”有人一样的身躯、头颅、眼睛、双臂和双足,有一定的语言功能,可以动态步行。

  人类与动物相比,除了拥有理性的思维能力、准确的语言表达能力外,拥有一双灵巧的手也是人类的骄傲。正因如此,让机器人也拥有一双灵巧的手成了许多科研人员的目标。

  在张启先院士的主持下,北京航空航天大学机器人研究所于80年代末开始灵巧手的研究与开发,最初研究出来的BH-1型灵巧手功能相对简单,但填补了当时国内空白。在随后的几年中又不断改进,现在的灵巧手已能灵巧地抓持和操作不同材质、不同形状的物体。它配在机器人手臂上充当灵巧末端执行器可扩大机器人的作业范围,完成复杂的装配、搬运等操作。比如它可以用来抓取鸡蛋,既不会使鸡蛋掉下,也不会捏碎鸡蛋。灵巧手在航空航天、医疗护理等方面有应用前景。  

  灵巧手有三个手指,每个手指有3个关节,3个手指共9个自由度,微电机放在灵巧手的内部,各关节装有关节角度传感器,指端配有三维力传感器,采用两级分布式计算机实时控制系统。

  仿人型机器人是多门基础学科、多项高技术的集成,代表了机器人的尖端技术。因此,仿人形机器人是当代科技的研究热点之一。仿人型机器人不仅是一个国家高科技综合水平的重要标志,也在人类生产、生活中有着广泛的用途。目前,我国仿人形机器人研究与世界先进水平相比还有差距。我国科技工作者正在努力向前,我们热切地期盼着我们自己水平更高的、功能更强的仿人型机器人与大家见面。
第七、国家863计划先进制造与自动化技术领域机器人技术

         主题发展战略的若干思考

  从需求入手分析了我国急需解决的问题,并针对这些问题分析了世界在这些领域的现状与趋势,讨论了国家863计划机器人技术主题在“十五”期间的工作目标和任务。

  世纪之交,世界经济结构正在发生重大而深刻的变革,美国、欧盟、日本等发达国家的政府先后推出并实施了多个与机器人技术、自动化工艺装备相关的国家研究计划,以支持相关的核心技术和关键重大装备的研发与应用。我国政府也非常重视机器人技术研究与开发,并在国家“十五”863计划中予以重点支持。经过国家863计划15年的实施,我国在机器人技术与自动化工艺装备等方面已取得了突破性进展,缩短了同发达国家之间的差距。但是在机器人与自动化装备中核心及关键技术的原创性研究、高性能关键工艺装备的自主设计和制造能力、重大成套装备的系统集成与开发能力、高可靠性基础功能部件的批量生产应用等方面,同发达国家相比我国仍存在较大的差距。

  为了进一步提高我国机器人技术与自动化工艺装备的整体技术水平,进一步缩短同发达国家之间在制造业信息化方面的差距。“十五”期间,迫切需要进一步加强对机器人技术与自动化工艺装备研究开发的支持,以期在战略必争装备技术与竞争前核心技术、基础制造装备与成套关键装备制造技术的研究开发等重点方向实现创新和跨越式发展,赶超世界先进水平,为我国国民经济发展和国家安全建设做出更大的贡献。

  1. 需求分析

  进入21世纪,世界经济结构正在发生重大而深刻的变革,但制造业依然是世界各发达与发展中国家加快经济发展、提高国家综合竞争力的重要途径。

  我国是一个制造业大国,尚处于工业化进程之中,在未来相当长的时期里,制造业仍将在国民经济中占主导地位。在新一轮国际产业结构调整中,我国正逐步成为世界最重要的制造业基地之一。

  然而目前我国装备制造业的整体水平与发达国家相比尚有较大的差距,尤其是在战略必争装备技术与竞争前核心技术、基础制造装备与成套关键装备制造技术等方面差距更大,这种差距又主要体现在先进装备的自主设计与独立制造能力差,成套与系统集成、优化能力差,技术创新和集成创新能力差。这些差距已经成为制约我国制造业乃至其他行业经济发展的关键瓶颈问题之一。

  随着我国加入WTO,我国装备制造业从来没有像今天这样直接地面对国际同行的有力竞争和挑战。如何适应激烈的国际竞争和快速变化的世界市场需求,不断以高质量、低成本、快速响应的手段在新的市场竞争中求得生存和发展,已是我国装备制造业不容回避的问题。同时加入WTO也为我们提供了前所未有的机遇,我们必须抓住机遇迎头赶上。

  1.1 国家发展迫切需要的战略必争装备与竞争前核心技术

  战略必争装备是指那些涉及国家安全、经济命脉以及在国际经济竞争中对国民经济影响重大的装备;竞争前核心技术是指在未来的国际竞争中有可能开拓新的广阔市场或成为新的战略必争技术。可以说,战略必争装备与竞争前核心技术关系到一个国家的兴衰与存亡,是一个国家安全独立和成为一个强国必须拥有的装备和技术。

  对机器人技术主题,用于国家战略资源勘探——海洋资源开发的水下作业装备和空间资源探索的空间探测器,用于高精尖设备制造的超精密加工装备,面向IT等产业的电子专用制造装备,对未来许多行业将产生重大影响的微机电系统以及集当代众多高技术于一身的仿人形机器人、仿生机器人、微操作机器人等特种机器人,都是关系到子孙后代的战略必争装备或竞争前核心技术,是花钱也买不到的装备与技术,是中国要成为一个强国必备的装备与技术。

  1.2 国家发展急需的基础制造装备与成套装备制造技术

  一个国家仅仅拥有了战略必争装备和竞争前核心技术是不够的。要想成为经济强国,完成工业化的建设,必须在装备制造业掌握有关基础制造装备与成套装备制造的核心技术。2O世纪70~80年代美国制造业发展的衰落和竞争力减弱的例子很好地说明了这一点。2O世纪70年代前,美国的产品竞争力一直令对手望尘莫及,但到了80年代,美国人发现日本、德国等国家后来居上,逐步取代了他在国际市场的霸主地位。经过认真深入地分析,他们发现其原因是美国失去了在装备制造业方面的优势,而日、德等国,特别是日本,对制造技术及装备研究的投入比例远大于美国。于是从20世纪80年代后期开始,开展了一系列旨在振兴美国装备制造业的庞大计划,加大了对制造业技术与装备研究的投人,使美国的制造业重振雄风,也使美国经济得以逐步复苏并保持持续增长的势头。

  在世界经济全球化的今天,虽说绝大多数基础制造装备与成套装备,只要花钱都可以买到,但对我国这样的发展中大国来说,必须掌握了关键的基础制造装备与成套装备制造的核心技术,才能牢固占有国内市场,并不断开拓国际市场,在竞争中立于不败之地。

  a. 对基础制措装备的需求。一个国家制造业水平的高低,很大程度上取决于其基础制造装备水平的高低。据原国家机械局预测:20O5年我国数控机床市场总容量约 30 000台,中、高档市场年需求量 12 O00台,其中数控车床、加工中心(包括数控铣床)占60%,约7000台。基础制造装备不仅需求量大,而且对装备的技术水平的要求越来越高,如飞机制造业中的大台面多坐标数控龙门铣床、高速加工中心、专用高速蜂窝铣等。对于这样的高档专用设备,目前主要依赖进口。但这类设备是西方国家对华禁运的重点,1999年的“考克斯报告”提出要控制对华出口机床,2000年美国就通过了针对中国的《控制高技术机床出口》法案。

  b.对大型、成套装备的需求。我国汽车到2005年产量可接近270万辆,“十五”期间我国汽车制造业购买生产线所需的各种技术装备,初步测算就将达到600亿元;还有在电子、家电制造业,对生产线所需的数控加工装备、工业机器人、自动化物流输送系统均有巨大的市场需求。

  在非制造领域同样有着迫切的需求。未来10年,我国基础设施建设将处于前所未有的高速发展阶段,将新建铁路1万余km,新建城市地铁1000km,公路建设投资 1万亿元;在水利建设方面,就有130多个水电工程需要建设;国家计划的大型露天矿有25个需要开采;此外尚有“西气东输”、“南水北调”、“进藏铁路”等巨大工程。这些均将形成对大型工程、建筑机械(装备)的巨大市场需求,如需要6.3m左右,用于地铁隧道掘进的盾构机约120台(每台数千万元)。

  然而,我国对于一些大型的成套装备基本都依赖引进,目前光纤制造装备的 100%,IC制造装备的85%,石化装备的8O%,轿车工业装备。数控机床和其他数字化机械(如纺织机械、多色胶印机)的70%以上依赖进口。同样,大型工程机械(如用于地铁隧道掘进的盾构机)也主要依赖进口,且比例在上升。一个明显的例子是挖掘机,我国有挖掘机企业近2O家,虽然市场需求20000台,但在国外品牌挖掘机的大举进攻下节节败退,目前国产挖掘机的市场份额已剩不到5%。

  综上所述,我国国民经济和社会发展对机器人技术和自动化工艺装备中的战略必争装备、基础制造装备和成套装备提出了迫切需求。研究开发上述技术与装备是实现我国传统产业改造升级。完成工业化的迫切需要;是促进我国制造业“两个根本性转变”,实施制造业信息化工程的需要;是增强国防实力、国家安全与国际地位的需要;是实现党中央第三步战略目标的需要;是国民经济可持续发展的基本保证。
2. 现状与趋势分析

  2.1 战略必争装备与竞争前核心技术

  正是看到了机器人技术与自动化工艺装备中包含着许多具有战略性、前沿性和前瞻性的高技术,美国、欧盟、日本等西方发达国家对此极为重视,先后推出并实施了多个国家研究计划,我国也在国家863计划中予以重点支持。在此,我们对与本主题有关的若干战略必争装备与竞争前核心技术的国内外现状与重大研究方向作简要的列举分析。

  2.1.1 水下作业装备

  21世纪是人类向海洋进军的世纪。海洋资源是近几年国际上激烈竞争的焦点之一,是各国重要的战略目标。为进行海上石油开发、海洋科学研究、海底矿藏勘探开发、海底打捞救生以及军事应用,如侦察巡逻、扫雷、预警等,迫切需要进一步开发水下作业装备。

  国际公海组织规定,对有能力进行深海勘探的国家将有优先开采权。“九五”期间,我国海洋局已利用本主题开发的 6 000m水下机器人,在太平洋上勘探了3O万平方公里,并获得了其中矿产资源最丰富的7.5万平方公里的优先开采权,为后人留下了一份产业,实现了以技术换资源的目标。下一步联合国将对富钻结壳进行勘探,如果没有勘探技术装备能力,将失去开采权。我国在水下机器人方面虽然拥有一定的基础,但与美国。俄罗斯、日本等国相比还有很大的差距,远不能满足未来开发海洋的需求,我国在深海载人潜水器、深海作业机器人、12O00m海沟探测机器人等方面还有很多没有开发而必须开发的装备。

  2.1.2  超精密加工装备

  信息、航空、航天,特别是国防工业对精密和超精密加工的需求是非常迫切的。如导弹、航空与航天器上使用的精密陀螺仪(精密陀螺仪转子的偏心增加0.5um,将引起100m的射程误差和50m的轨道误差),飞机和潜艇上使用的高精度叶片,空对空导弹上使用的红外接收器非球面反射镜,航天望远镜上使用的超精密镜片等,无一不需要特殊的精密与超精密加工技术。同时,精密、超精密加工技术是先进制造技术的基础和关键,也是一些高新技术和某些尖端科学赖以存在和发展的基础。

  目前,国际上超精密车床主轴回转精度均已达O.025um。工件表面粗糙度Ra=0.01~0.02um,最高达0.0045um。进人21世纪,超精密加工的精度将达至0.001um(1nm)。超精密加工尤其是纳米加工是当前各工业发达国家主攻的目标。此外,超精加工材料对象由金属扩大到非金属,高密度、高能量的粒子束加工工艺和装备,以三维曲面加工为主的高性能超精密加工工艺和装备以及配套的三维超精密检测技术和加工环境的控制技术等正成为进一步的发展趋势。而我国在超精密加工方面尚处于起步阶段。

  2.1.3 电子专用制造装备

  电子制造尤其是集成电路IC制造已成为制造业最重要的领域之一。预计到2O05年,我国集成电路市场总销售额将达到1000亿元。这种巨大的市场需求必将拉动对集成电路(IC)制造装备的巨大需求。据预测,“十五”期间我国需建IC芯片生产线30多条、IC封装生产线15条左右。另据预测,建设一条年封装能力为1亿块的IC封装生产线,装备投资约需2亿元人民币。若按我国IC年需求量增长20亿块计算,则仅增添IC的封装设备每年就需4O亿元人民币。

  IC制造中的核心和关键装备包括制芯(前道工序)和封装(后道工序)2大部分。前道工序装备发展的趋势是研制新型超精细光刻机等设备,以突破0.1um的大关;后道装备则是发展与更密、更小、更轻的新型封装工艺相适应的更快。成本更低的封装设备,并且对整个后封装工序的各种设备以数字化封装线方式进行工艺和装备的集成。由于IC制造不仅对国民经济有巨大的影响,而且对国家安全极为重要,所以一些高精密的IC制造装备成了一些发达国家垄断电子行业的核心武器。国家在IC制造行业中虽有一定的基础,也与国外合资建立了一些生产线,但由于我们自己没有先进的IC制造装备,使我国的IC行业受到了很大的制约。目前我国集成电路芯片制造设备的85%仍依赖进口。为了在 IC行业占有一席之地,我国必须自主开发IC制造的核心装备。

  2.1.4 微机电系统(MEM)

  MEMS是国际公认的一项战略高科技,是未来先进制造发展的主导技术之一,并在医疗保健、生物基因、IT消费电子、环保监测、军事武器等器件及微系统应用方面具有广阔的应用前景。例如,作为信息获取关键的多种传感MEMS已成功地应用于汽车、电子等行业和军事领域;在令人瞩目的信息科学和生命科学的发展中,光MEMS被认为是开启全光通信之门的金钥匙;高密度MEM生物芯片将强有力地推动生命科学和生物技术的发展。

  近几年,采用MEMS技术的微型卫星、微型飞行器和进人狭窄空间的微型机器人,也展示了诱人的应用前景。现在MEMS已形成年产值14O亿美元的规模,预计5年后将达到300多亿美元的规模。

  MEM是以电子制造的方式设计与制造的微机电系统,他是多种学科的交叉融合,已成为当今国际高技术竞争的一个热点,MEMS产业也正在形成之中。为此各国政府都非常重视MEMS技术,美国国防部近几年每年投人7000万美元用于MEMS研究,德国也投入约7000万美元用于MEMS的研究。MEMS对我国而言是个挑战,也是一个难得的发展机遇。

  2.1.5  特种机器人

  特种机器人通常是在非结构化环境下工作,即作业无法在事先布置好的条件下进行,而且在作业过程中环境可能发生变化。与在结构化环境下作业的工业机器人相比,在非结构化环境下工作的特种机器人控制更加困难,要求的智能程度更高,如空间与深海作业、精密操作、在役管道内作业等。

  特种机器人集当代众多高技术于一身,目前重点研究的特种机器人有仿人机器人、微机器人、微操作机器人、水下机器人、医用机器人、服务机器人、网络机器人、军用机器人、农林与农副产品加工机器人等等,将在航空航天、能源、交通、海洋、生物、医疗、服务、农业、军事和娱乐等领域具有非常广阔的应用前景。

  正因为如此.研究和发展特种机器人技术一直受到世界各国的重视,许多国家都把特种机器人技术列入本国的高技术研究发展计划或国家的关键技术研究开发计划。如美国的“国家关键技术”、“商业部新兴技术”和“国防部和能源部关键技术”等计划,欧共体的“尤里卡计划(EU-REKA)”和“信息技术研究发展战略计划(ES-PRIT)”,日本的“极限作业机器人研究计划(R &DOF ROBOICS INEXTREME-ENVI-RONMENT)”、“微机器研究计划(R &D OF MI-CROMACHINE TECHNOLOGY)”、“仿人形机器人研究计划(HUMANOID ROBOICS PROJECT)”等,新加坡、韩国、巴西等发展中国家也都有相应的计划内容。我国863计划智能机器人主题前15年工作的重点之一就是发展我国的特种机器人技术,并在若干方向上取得了令世人瞩目的成就,但在总体上,与国外先进水平相比还有不小的差距。

  2.2 基础制造装备与技术

  21世纪基础制造装备的水平主要体现在高精度、高效率、低成本和高柔性等几个方面。发达工业国家数控机床的加工精度普遍已达到1um的水平,有些已达到0.1um。国外主轴转速在10 000~20 000r/min的加工中心已普及,转速高达250 000r/min的实用主轴也正在研制中;直线电机的轴进给速度已达200m/mn。超高速切削的研究已转移到一些难加工材料的切削加工上。高效率、高精度工艺的一个典型例子是精密成形技术,如近/净成形(Near Net or Net Shape Form-ing)技术,其目的是尽量减少切削,甚至免除切削,减少原材料的浪费,同时提高制造效率,精密成形技术在工业发达国家已得到广泛应用。如:美国的汽车、宇航、航空工业的模锻件、精密锻件占总锻件量的80%以上;日本汽车锻件达到63.9%;德国达到70%~75%。柔性自动化仍是机床业发展的重要趋势之一。柔性自动化的进一步发展是敏捷生产设备。为适应敏捷生产模式,人们正在探求设备自身的结构重组以及生产单元的动态重组问题。

  目前我国的基础制造装备与国际先进水平相比还存在着阶段性差距。工业发达国家早在20世纪五六十年代就已普遍采用了优质高效低耗的工艺及装备,实现了柔性自动化,目前正向集成化、敏捷化方向发展。而我国大多数企业目前还采用较落后的制造工艺与技术装备进行生产,优质高效低耗工艺的普及率不足10%,数控机床、精密及高效设备不足5%,现在配国产数控系统的中档数控机床还不到25%,高档数控机床的 90%以上依赖进口。数字化机械(如纺织机械、多色胶印机)的 7O%以上依赖进口。

  归纳起来,目前国产基础制造装备普遍存在着“四差”问题,即可靠性相对差、成套性差、外观质量相对差、名牌效应差,从而严重影响了企业的生产效率、产品质量以及产业化规模的提高,同时也严重制约了制造业及其相关行业的发展。

  2.3 成套关键装备与技术

  国外在大型、成套装备方面有很大优势,并且在成套装备的高技术化方面,取得了巨大的进展,已经实现了数控化、柔性自动化,并大量采用工业机器人,正向着智能化、集成化的方向发展。

  据统计,中国工业装备整体技术水平落后国际水平1O~15年,制造业与自动化技术落后15~20年,装备中工业机器人数量极少,数控化比例很低(5%),尚处于单机自动化和刚性自动化阶段,现有成套装备中技术经济性能比较先进的只占1/3,近1/5已经老化,超期率近4O%。装备落后,导致产品普遍档次低、质量差,已成为制约制造业发展的瓶颈。

  面向非制造业的成套装备,如各种工程机械、建筑机械已成为当今国际自动化技术发展的一个重要方向。目前国际工程机械的发展正逐步向机。电、液、讯一体化的方向发展。欧洲由产、学。研组成的联合研究团体在政府资助下,在深入开展单体智能化技术研究的基础上,开始了机群智能化技术研究和开发,标志着工程机械智能化的研究又向前迈出了一大步。

  我国工程机械正在完成机械液压一体化的进程,应用信息技术进行工程机械智能化方面的研究还处于起步阶段。对个别机种的单机智能化研究已经开始,并初步得到实际应用。但是从整体上看,无论从单机智能化工程机械种类,还是研究和开发的深度,与技术先进国家相比都还存在很大的差距,机群智能化技术的研究还处于空白。

3. 目标与任务

  3.1 主题总体战略目标

  主题发展的战略目标是围绕制造业信息化工程的关键技术与装备,以重大专项与重点课题为主线,研究开发基础技术、单元产品和系统装备,掌握战略必争装备关键技术及竞争前核心技术,增强自主设计与制造重大关键设备的能力,提升制造业基础装备的水平,取得一批具有自主知识产权的创新成果,实现机器人技术与自动化工艺装备的跨越式发展。

  3.2  重点任务

  主题研究内容分为重大专项与重点课题、一般课题2部分。重大专项与重点课题着重解决国家发展急需的战略必争装备、基础制造装备与成套关键装备中的某一重大问题,增强自主设计与制造能力、产品成套及系统集成能力,提升装备制造业的水平。一般课题(即前沿探索性课题)围绕国家发展急需的战略必争装备、基础制造装备、成套关键装备与竞争前核心技术中的某一问题,进行前沿探索性研究,强调原始创新,增强装备制造业的产品创新和技术创新能力,增强技术储备。

  3.2.1 重大专项与重点课题

  重大专项与重点课题是主题工作内容的重中之重。“十五”期间,“机器人技术主题”的重大专项是深海载人潜水器与微机电系统(MEMS)。重点课题是数控关键技术装备、全断面隧道掘进机、智能化工程机械防人形机器人以及水下机器人、(基因)微操作机器人等特种机器人,其目标与指标以及其作用与影响(预期成果)分别分析如下。

  a.7000m载人潜水器。根据该载人潜水器用户(业主)中国大洋协会勘查深海锰结核、富钴结壳、热液矿硫化物和深海生物等资源的计划目标及要求,计划到2005年完成一台采用多种高新技术。新材料和新工艺集成起来的拥有自主知识产权的7 000m载人潜水器,使其总体技术指标达到国际领先水平。该潜水器将在21世纪我国研究开发国际海底资源的伟大事业中发挥不可替代的重要作用,并可向世界展示我国科学技术的实力。

  b.微机电系统(MEMS)。针对国际MEMS发展趋势和未来的产业化前景,结合国家竞争前核心技术发展战略,围绕我国医疗保健、生物基因、环保监测、IT与家电等行的社会经济发展需要,以发展我国MEMS产业化基础的关键支撑技术作为切入点,掌握MEMS相关的材料、设计、制造、工艺、检测、装备与系统集成等方面的具有自主知识产权的理论方法和关键技术,开发出若干小批量、多品种、高质量的MEMS器件及微系统,建立我国的MEMS研发体系和产业化基地,为推动MEMS的可持续发展和产业化打下良好的基础。

  c.数控关键技术与装备。面向国家制造业的关键基础装备产业化需求,以中档精切类数控机床装备的产业化作为切入点,以机制创新和技术创新作为突破口,掌握数控装备关键技术,塑造中国数控机床品牌,提高市场竞争能力;根据国防工业的具体需求,设计制造高精尖精密加工装备,打破国外封锁;通过整机带动相关的机床设计、系统与伺服、高附加值关键部件以及配套工具技术创新及可靠性的发展,全面提升国家基础制造装备的核心竞争力。

  d.全断面隧道掘进机(盾构机)。设计研制适应我国典型土层的6.3m全断面盾构机,完成2~3km的实际施工隧道应用示范工程、形成自主知识产权的盾构设计、制造、安装、调试等系统技术,制定盾构设计、施工的行业标准和规范体系,建立土壤分析、装备设计与制造产业化基地,提高国产盾构机的生产能力。

  e.智能化工程机械。结合国情,选择工业基础较好、共性技术较多和经济效益显著的工程机械产品进行信息化智能化改造升级,选择市场占有率较高、具有行业带动作用的道路施工工程机械,开展在线机群智能化同步施工工程机械的研究开发和示范应用;加快我国工程机械产品的升级换代与产品结构调整,实现新一代工程机械的自主创新性设计,提高我国工程机械产品的国际竞争力,促进产业化的形成。

  f.仿人报机器人。以开发世界先进的仿人形机器人为目标,突破仿人形机器人系统中的各项关键技术,研制具有自主知识产权的国际先进水平的仿人形机器人,为仿人形机器人在服务、科技、军事、工业以及危险环境中的应用奠定基础,推动机械电子、控制、传感技术与人工智能等相关科学的技术革新与发展。

  3.2.2 前沿探索处课题

  一般课题即前沿探索性课题,是“机器人技术主题”开展前沿高技术、竞争前核心技术研究的重点,目标是增强我国在机器人技术和自动化工艺装备中的技术创新和产品创新能力,增强技术储备。

  前沿探索性课题按研究内容分属3个专题。

  a.制造工艺与装备专题。制造工艺与装备专题(专题一)主要围绕高精度、高效益、低成本、高柔性和洁净化的制造过程(系统)对先进制造工艺与装备的要求,开展产品快速开发、纳米级超精密加工、近牌成形、特种材料加工与生物制造等关键工艺技术及装备,以及其他基于先进工艺或新结构的重要装备的研究工作。

  b.特种机器人专题。特种机器人专题(专题二)主要围绕非制造业对特种机器人的复杂环境适应能力、可靠性、智能化等要求,开展水下机器人。医用机器人、(基因)微操作机器人、仿生机器人、服务机器人、网络机器人、管道机器人、农林机器人等方面的关键技术及原型样机研究工作。

  c.基础部件及系统专题。基础部件及系统专题(专题三)主要围绕高速度、高精度、数字化、智能化工艺装备的需求,开展检测与传感器信息融合技术、智能控制与远程操作、先进功能部件、新型数字化驱动系统、高速高精度动机构、开放式结构的网络化控制器等先进基础部件及系统研究工作。

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纳米机器人(转)

今天发现一个可爱的名词“纳米机器人”。特寻找相关知识摘录如下:

一、百度百科关于纳米的词条

纳米机器人的定义

    “纳米机器人”的研制属于分子仿生学的范畴,它根据分子水平的生物学原理为设计原型,设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。纳米生物学的近期设想,是在纳米尺度上应用生物学原理,发现新现象,研制可编程的分子机器人,也称纳米机器人。



纳米生物学涉及的内容


      纳米生物学的设想,是在纳米尺度上应用生物学原理,发现新现象,研制可编程的分子机器人,也称纳米机器人。涉及的内容可归纳为以下三个方面:

①在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的联系。

②在纳米尺度上获得生命信息,例如,利用扫描隧道显微镜获取细胞膜和细胞表面的结构信息等。

③纳米机器人的研制。纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容,第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体,这种纳米机器人可注入人体血管内,进行健康检查和疾病治疗。还可以用来进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的DNA,或把正常的DNA安装在基因中,使机体正常运行。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置,第三代纳米机器人将包含有纳米计算机,是一种可以进行人机对话的装置。这种纳米机器人一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式。



纳米机器不久将进入我们的生活


      用不了多久,个头只有分子大小的纳米机器人将源源不断地进入人类的日常生活。

      它们将为我们制造钻石、舰艇、鞋子、牛排和复制更多的机器人。要它们停止工作只需启动事先设定的程序。

      表面来看,上述想法近乎不可思议:一项单一的技术在应用初期就能治病、延缓衰老、清理有毒的废物、扩大世界的食物供应、筑路、造汽车和造楼房?这并非天方夜谭,也许在21世纪中叶前就可以实现。

      现在,全世界的研究机构都在想方设法将这些设想变成现实。今年1月,美国总统克林顿甚至宣布成立美国国家纳米研究机构,承诺提供50亿美元进行这方面的尝试。

      其实,纳米技术一词由来已久。理查德·费恩曼是继爱因斯坦之后最有争议和最伟大的理论物理学家,1959年他在一次题目为《在物质底层有大量的空间》的演讲中提出:将来人类有可能建造一种分子大小的微型机器,可以把分子甚至单个的原子作为建筑构件在非常细小的空间构建物质,这意味着人类可以在最底层空间制造任何东西。从分子和原子着手改变和组织分子是化学家和生物学家意欲到达的目标。这将使生产程序变得非常简单,你只需将获取到的大量的分子进行重新组合就可形成有用的物体。

      事实上,每一个细胞都是一个活生生的纳米技术应用的实例:细胞不仅将燃料转化为能量,而且按照储存在DNA中的信息来建造和激活蛋白质和酶,通过对不同物种的DNA进行重组,基因工程家已经学会建造新的这类纳米工具,例如用细菌细胞来生产医用激素。



纳米技术的其他大胆应用


      纳米技术的大胆应用设想还包括:利用纳米机器将获取的碳原子逐个组织起来,变成精美的金刚石;将二氧化物分子重新分解为原来的组成部分;在人血中放入纳米巡航工具,它能自动寻找沉积于静脉血管壁上的胆固醇,然后将它们一一分解;将来纳米机器能够把草地上剪下来的草变成面包……在完全意义上讲,世上每一个现实存在的物体无论是电脑还是奶酪都是由分子组成的;

      在理论上,纳米机器可以构建所有的物体。

      当然从理论到真正实现应用是不能等同的,但纳米机械专家已经表明,实现纳米技术的应用是可行的。在扫描隧道电子显微镜帮助下,纳米机械专家已经能将独立的原子安排成自然界从未有的结构。此外,纳米机械专家还设计出了只由几个分子组成的微小齿轮和马达。(切勿将这些齿轮和马达与那些由数以百万计分子组成的用传统技术构建的微小齿轮和马达相混淆,这些机器同未来制造的机器相比较实在是太巨大了)。

      25年内,纳米技术学家期望实现这些存在于科学陈列室中的想法,创造出真实的、可以工作的纳米机器。这些纳米机器有微小的“手指”可以精巧地处理各种分子;有微小的“电脑”来指挥“手指”如何操作。“手指”可能由碳纳米管制造,它的强度是钢的100倍,细度是头发丝的五万分之一。“电脑”可能由碳纳米管制造,这些碳纳米管既能做晶体管又能做连接它们的导线。“电脑”也可能由DNA制造,用适当的软件和足够的灵巧性进行武装的纳米机器人可以构建任何物质。

      纳米机器人执行任何任务包括自身复制都必须动用大量的纳米机器。血液里可能存在数以百万计的纳米机器人;在每一个有毒废物地点可能需要数以万亿计的纳米机器人,要制造一辆汽车可能要调动数以一百亿亿计的纳米机器人同时工作。然而没有一个生产线可以生产如此巨大数量的纳米机器人。

      但是纳米科学家眼中的纳米机器可以做到这点。他们设计的纳米机器人可以完成两件事情:执行它们的主要任务和制造出它们自身完美的复制体。如果第一个纳米机器人能够制造出两个复制体,这两个复制体每个又可制造出两个自己的复制体,很快就可以获得万亿个纳米机器人。

      但是,假如纳米机器人忘记停止复制会发生什么?如果没有一些内建的停止信号,纳米机器人忘记停止复制这种灾难的可能后果将会是无法计算的。纳米机器人在人体内快速复制能够比癌症扩散还要快地布满正常组织;一个发疯的制造食物机器人能够把地球的整个生物圈变成一块巨大的奶酪。

      纳米技术学家没有回避危险,但是他们相信他们能控制灾难的发生。其中一个办法是设计出一种软件程序使纳米机器人在复制数代后自我摧毁。另一种办法是设计出一种只在特定条件下复制的机器人,例如只有在有毒化学物质以较高浓度出现时机器人才能复制,或者在一个很窄的温度和湿度范围内机器人才能复制。

      就像电脑病毒的传播一样,所有以上这些努力都无法阻止那些不怀好意的人有意释放某种纳米机器人作为害人武器。事实上,一些批评家指出纳米技术可能的危险要大于它的益处。然而,仅仅这些利益就已经太具诱惑力了,纳米技术必将超过电子计算机和基因制药而成为新世纪的技术发展方向。世界可能会需要一个纳米技术免疫系统,这个系统中纳米机器人警察不断地在微观世界中同那些不怀好意的机器人进行战斗。



中国纳米机器人显奇功

    中国人也可以像摆棋子一样摆弄原子了。记者从中科院获悉,一台能够在纳米尺度上操作的机器人系统样机近日由中国科学院沈阳自动化所研制成功,并通过了国家“863”自动化领域智能机器人专家组的验收。 在一个演示中,沈阳自动化所的研究人员操纵“纳米微操作机器人”,在一块硅基片上1×2μm的区域上清晰刻出“SIA”三个英文字母(沈阳自动化所的缩写);另一个演示显示,在一个5×5μm的硅基片上,操作者将一个4μm长、100nm(纳米)粗细的碳纳米管准确移动到一个刻好的沟槽里。

    纳米微操作机器人在10×10微米的基片上刻出的字样

    测试显示,在刻画操作中,这台纳米微操作机器人在512个像素宽度的显示区域里,重复定位误差小于5个像素,精度达1%以上;在移动纳米碳管的操作中,重复定位精度达到30nm;而在基于路标的定位测试中,其定位误差小于4nm。 专家解释,一纳米(1nm)是10-9米,大约等于十个氩原子并列成一条直线的长度。在纳米尺度上的操作,被称为“纳米微操作”,是纳米技术的重要内容,其目的是在纳米尺度上按人的意愿对纳米材料实现移动、整形、刻画以及装配等工作。纳米微操作始于上世纪80年代,IBM的科学家1989年利用扫描式隧道显微镜(STM)操作35个氙原子在镍金属表面拼出I-B-M三个字母,成为轰动世界的新闻,开了纳米微操作先河。从此,纳米操作技术作为一个重要的战略发展方向吸引各国竞相展开研究。 该项目研究人员介绍,这台机器人系统在纳米尺度下的系统建模方法、三维纳观力获取与感知及误差分析与补偿方面有很多突破与创新,都达到世界先进水平。 据介绍,这种纳米微操作机器人可广泛应用于纳米科学实验研究、生物工程与医学实验研究、微纳米科研教学等领域。如生物学研究领域中,使用纳米微操作机器人可完成对细胞染色体的切割操作;也可在DNA或分子水平上进行生化检测及病理、生理测试实验研究。此外这种机器人在IC工业中纳米器件的装配与加工方面也有良好的应用前景,如可以利用它操作纳米微粒,装配微/纳米电子器件,甚至复杂的纳米电路。这意味着,未来利用纳米电路制成的电脑和家用电器,可以“想要它有多小,就能做多小”,甚至可以“塞进牙缝”;而未来利用纳米操作技术制作的微型机器人,也可以钻入人体替病人疏通血管,或在肉眼看不见的微观世界里,完成人们自己不可能完成的任务。  

二、中国科学院关于那末机器人相关说明

物理学家总是模拟生物学原理制作各种灵巧的机器,这就是仿生学。仿生学是生物物理学的一个分支学科,它按照生物学原理提出设计原型,制造用于特殊目的的“功能器件”。

  “纳米机器人”的研制属于分子仿生学的范畴,它根据分子水平的生物学原理为设计原型,设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。纳米生物学的近期设想,是在纳米尺度上应用生物学原理,发现新现象,研制可编程的分子机器人,也称纳米机器人。目前涉及的内容可归纳为以下三个方面:

 1、在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的联系。

 2、在纳米尺度上获得生命信息,例如,利用扫描隧道显微镜获取细胞膜和细胞表面的结构信息等。

 3、纳米机器人的研制。纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容,第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体,这种纳米机器人可注入人体血管内,进行健康检查和疾病治疗。还可以用来进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的DNA,或把正常的DNA安装在基因中,使机体正常运行。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置,第三代纳米机器人将包含有纳米计算机,是一种可以进行人机对话的装置。这种纳米机器人一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式。

http://www.hfcas.ac.cn/tuanw/kepu/nm3.htm(中国科学院,合肥物质科学院,科普知识,纳米篇)

有相关图片哦。

三、其他相关  

  (1)下面是由位网易仁兄转载的《纳米机器人走过来》,信息量实在很多,值得一看。

http://whm10.blog.163.com/blog/static/408267582007918112038431/

          (2)有关帖子

  美研制出世界首个能用双足行走的纳米机器人

         来源: 新京报  

     本报综合报道 8日出版的英国《新科学家》周刊报道说,美国纽约大学的科学家最近研制出世界上第一个双足分子机器人,并让其在实验室的盘子上进行了一次“散步”。这是世界上第一个能用双足行走的纳米尺度装置。

    这个机器人的外形看起来像一只两脚圆规,它的腿是由36个碱基组成的DNA片断。科学家们在机器人两只脚底及其行进的路径上安装了微小的吸盘,这样机器人就能与其前进的路径相连。纽约大学科学家们的下一个目标是让这个机器人运载货物,比如说一个金属原子。分子器件通常被称为纳米技术,是科学界正在积极探索的前沿领域之一。科学家们希望通过研制分子装置为计算机、医药及制造业等领域提供精密、小型但功能强大的工具。

(3)有关纳米的图片中我认为最契合想象而最不像的一个



       (4)未来电影中肥皂泡沫较多的台词中将诞生

       “我和他之间的距离不到0.37纳米”

         “我用每微妙一纳米的速度妄图追赶你数光年的思想”

       (5)我想养一个纳米机器人当小宠物。

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纳米机器人

纳米机器人
开放分类: 科学技术、人工智能、纳米技术、机器人、纳米

目录
• 纳米机器人的定义
• 纳米生物学涉及的内容
• 纳米机器不久将进入我们的生活
• 纳米技术的其他大胆应用
• 中国纳米机器人显奇功





纳米机器人的定义

    “纳米机器人”的研制属于分子仿生学的范畴,它根据分子水平的生物学原理为设计原型,设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。纳米生物学的近期设想,是在纳米尺度上应用生物学原理,发现新现象,研制可编程的分子机器人,也称纳米机器人。


纳米生物学涉及的内容


      纳米生物学的设想,是在纳米尺度上应用生物学原理,发现新现象,研制可编程的分子机器人,也称纳米机器人。涉及的内容可归纳为以下三个方面:

①在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的联系。

②在纳米尺度上获得生命信息,例如,利用扫描隧道显微镜获取细胞膜和细胞表面的结构信息等。

③纳米机器人的研制。纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容,第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体,这种纳米机器人可注入人体血管内,进行健康检查和疾病治疗。还可以用来进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的DNA,或把正常的DNA安装在基因中,使机体正常运行。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置,第三代纳米机器人将包含有纳米计算机,是一种可以进行人机对话的装置。这种纳米机器人一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式。


纳米机器不久将进入我们的生活


      用不了多久,个头只有分子大小的纳米机器人将源源不断地进入人类的日常生活。

      它们将为我们制造钻石、舰艇、鞋子、牛排和复制更多的机器人。要它们停止工作只需启动事先设定的程序。

      表面来看,上述想法近乎不可思议:一项单一的技术在应用初期就能治病、延缓衰老、清理有毒的废物、扩大世界的食物供应、筑路、造汽车和造楼房?这并非天方夜谭,也许在21世纪中叶前就可以实现。

      现在,全世界的研究机构都在想方设法将这些设想变成现实。今年1月,美国总统克林顿甚至宣布成立美国国家纳米研究机构,承诺提供50亿美元进行这方面的尝试。

      其实,纳米技术一词由来已久。理查德·费恩曼是继爱因斯坦之后最有争议和最伟大的理论物理学家,1959年他在一次题目为《在物质底层有大量的空间》的演讲中提出:将来人类有可能建造一种分子大小的微型机器,可以把分子甚至单个的原子作为建筑构件在非常细小的空间构建物质,这意味着人类可以在最底层空间制造任何东西。从分子和原子着手改变和组织分子是化学家和生物学家意欲到达的目标。这将使生产程序变得非常简单,你只需将获取到的大量的分子进行重新组合就可形成有用的物体。

      事实上,每一个细胞都是一个活生生的纳米技术应用的实例:细胞不仅将燃料转化为能量,而且按照储存在DNA中的信息来建造和激活蛋白质和酶,通过对不同物种的DNA进行重组,基因工程家已经学会建造新的这类纳米工具,例如用细菌细胞来生产医用激素。


纳米技术的其他大胆应用


      纳米技术的大胆应用设想还包括:利用纳米机器将获取的碳原子逐个组织起来,变成精美的金刚石;将二氧化物分子重新分解为原来的组成部分;在人血中放入纳米巡航工具,它能自动寻找沉积于静脉血管壁上的胆固醇,然后将它们一一分解;将来纳米机器能够把草地上剪下来的草变成面包……在完全意义上讲,世上每一个现实存在的物体无论是电脑还是奶酪都是由分子组成的;

      在理论上,纳米机器可以构建所有的物体。

      当然从理论到真正实现应用是不能等同的,但纳米机械专家已经表明,实现纳米技术的应用是可行的。在扫描隧道电子显微镜帮助下,纳米机械专家已经能将独立的原子安排成自然界从未有的结构。此外,纳米机械专家还设计出了只由几个分子组成的微小齿轮和马达。(切勿将这些齿轮和马达与那些由数以百万计分子组成的用传统技术构建的微小齿轮和马达相混淆,这些机器同未来制造的机器相比较实在是太巨大了)。

      25年内,纳米技术学家期望实现这些存在于科学陈列室中的想法,创造出真实的、可以工作的纳米机器。这些纳米机器有微小的“手指”可以精巧地处理各种分子;有微小的“电脑”来指挥“手指”如何操作。“手指”可能由碳纳米管制造,它的强度是钢的100倍,细度是头发丝的五万分之一。“电脑”可能由碳纳米管制造,这些碳纳米管既能做晶体管又能做连接它们的导线。“电脑”也可能由DNA制造,用适当的软件和足够的灵巧性进行武装的纳米机器人可以构建任何物质。

      纳米机器人执行任何任务包括自身复制都必须动用大量的纳米机器。血液里可能存在数以百万计的纳米机器人;在每一个有毒废物地点可能需要数以万亿计的纳米机器人,要制造一辆汽车可能要调动数以一百亿亿计的纳米机器人同时工作。然而没有一个生产线可以生产如此巨大数量的纳米机器人。

      但是纳米科学家眼中的纳米机器可以做到这点。他们设计的纳米机器人可以完成两件事情:执行它们的主要任务和制造出它们自身完美的复制体。如果第一个纳米机器人能够制造出两个复制体,这两个复制体每个又可制造出两个自己的复制体,很快就可以获得万亿个纳米机器人。

      但是,假如纳米机器人忘记停止复制会发生什么?如果没有一些内建的停止信号,纳米机器人忘记停止复制这种灾难的可能后果将会是无法计算的。纳米机器人在人体内快速复制能够比癌症扩散还要快地布满正常组织;一个发疯的制造食物机器人能够把地球的整个生物圈变成一块巨大的奶酪。

      纳米技术学家没有回避危险,但是他们相信他们能控制灾难的发生。其中一个办法是设计出一种软件程序使纳米机器人在复制数代后自我摧毁。另一种办法是设计出一种只在特定条件下复制的机器人,例如只有在有毒化学物质以较高浓度出现时机器人才能复制,或者在一个很窄的温度和湿度范围内机器人才能复制。

      就像电脑病毒的传播一样,所有以上这些努力都无法阻止那些不怀好意的人有意释放某种纳米机器人作为害人武器。事实上,一些批评家指出纳米技术可能的危险要大于它的益处。然而,仅仅这些利益就已经太具诱惑力了,纳米技术必将超过电子计算机和基因制药而成为新世纪的技术发展方向。世界可能会需要一个纳米技术免疫系统,这个系统中纳米机器人警察不断地在微观世界中同那些不怀好意的机器人进行战斗。


中国纳米机器人显奇功

    中国人也可以像摆棋子一样摆弄原子了。记者从中科院获悉,一台能够在纳米尺度上操作的机器人系统样机近日由中国科学院沈阳自动化所研制成功,并通过了国家“863”自动化领域智能机器人专家组的验收。 在一个演示中,沈阳自动化所的研究人员操纵“纳米微操作机器人”,在一块硅基片上1×2μm的区域上清晰刻出“SIA”三个英文字母(沈阳自动化所的缩写);另一个演示显示,在一个5×5μm的硅基片上,操作者将一个4μm长、100nm(纳米)粗细的碳纳米管准确移动到一个刻好的沟槽里。

    纳米微操作机器人在10×10微米的基片上刻出的字样

    测试显示,在刻画操作中,这台纳米微操作机器人在512个像素宽度的显示区域里,重复定位误差小于5个像素,精度达1%以上;在移动纳米碳管的操作中,重复定位精度达到30nm;而在基于路标的定位测试中,其定位误差小于4nm。 专家解释,一纳米(1nm)是10-9米,大约等于十个氩原子并列成一条直线的长度。在纳米尺度上的操作,被称为“纳米微操作”,是纳米技术的重要内容,其目的是在纳米尺度上按人的意愿对纳米材料实现移动、整形、刻画以及装配等工作。纳米微操作始于上世纪80年代,IBM的科学家1989年利用扫描式隧道显微镜(STM)操作35个氙原子在镍金属表面拼出I-B-M三个字母,成为轰动世界的新闻,开了纳米微操作先河。从此,纳米操作技术作为一个重要的战略发展方向吸引各国竞相展开研究。 该项目研究人员介绍,这台机器人系统在纳米尺度下的系统建模方法、三维纳观力获取与感知及误差分析与补偿方面有很多突破与创新,都达到世界先进水平。 据介绍,这种纳米微操作机器人可广泛应用于纳米科学实验研究、生物工程与医学实验研究、微纳米科研教学等领域。如生物学研究领域中,使用纳米微操作机器人可完成对细胞染色体的切割操作;也可在DNA或分子水平上进行生化检测及病理、生理测试实验研究。此外这种机器人在IC工业中纳米器件的装配与加工方面也有良好的应用前景,如可以利用它操作纳米微粒,装配微/纳米电子器件,甚至复杂的纳米电路。这意味着,未来利用纳米电路制成的电脑和家用电器,可以“想要它有多小,就能做多小”,甚至可以“塞进牙缝”;而未来利用纳米操作技术制作的微型机器人,也可以钻入人体替病人疏通血管,或在肉眼看不见的微观世界里,完成人们自己不可能完成的任务。

[ 本帖最后由 .过客. 于 2008-4-9 10:47 编辑 ]

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2007年消息:分子马达诱人前景----打造纳米机器人

知道人羊吗?
3月末,当世界“诞生”了第一只拥有15%人细胞的羊被披露,引来学术界沸沸扬扬:这只半人半兽的东西,它还是羊吗?不少科学家忧心如焚:这个物种违背自然法则,挑战伦理底线,并极可能带给人类新的疾病,一言以蔽之:它将给人类带来无法预料的可怕灾难。
无独有偶,惊人眼球,在此前后有消息称:英国朴次茅斯大学凯斯·费尔曼博士等成功研制出DNA制动器或分子发电机。“这个史无前例的装置,在活的生物有机体和计算机之间建立联系架设了桥梁。它的应用前景令人异常兴奋。”这是否就是“人机”联姻的第一步?它的繁衍发展,又会带来什么全新的未知?


刚刚撩开它的面纱
今天,我们实在需要科普扫盲与去伪存真。
DNA制动器或分子发电机,名字够酷的,“在活的生物有机体和计算机之间建立联系”,这句话听着也挺神秘。记者在地铁二号线陆家嘴站随机采访,大部分人是一头雾水,但有些科幻小说看多了兼想像力丰富的人,一听到这个消息,一下子就联想到什么“人工智能”,“机器人统治人类”,对这个东西的前景,既兴奋又忧虑……“《黑客帝国》那部电影里,机器不是都不用电了吗?直接把人吊起来,后脑插根管子,一头联到电脑上,人给机器提供能量,这不就等于DNA发电吗?你说的那个东西是不是这样呀?”有个二十几岁的小伙子最有想像力,还别说,听着确实挺有道理。
“可以理解为生物直接提供动能,不过,这是在纳米也就是十亿分之一米级别的微观尺度上,平常意义的计算机是属于宏观尺度的,跟它搭不上界,更别说什么‘人工智能’了,就更风马牛不相及。”曾在美国宇航局长期担任纳米技术中心主任的韩杰博士说,这项研究属于生物纳米技术前沿,英国朴次茅斯大学是所名不见经传的二流学校,但却是这方面的佼佼者。他们所造出来的那个“DNA制动器或者分子发电机”,一般叫作分子马达。说它是“史无前例”纯属耸人听闻,2000年,贝尔实验室和牛津大学的研究者就已经成功开发了。
分子马达的制造,来源于现代科学对生命运动的认识。花是如何绽放的?人是如何跑动的?吃下去的食物又怎样化为机械运动所需的机械能?早在1944年,量子力学奠基人薛定谔在《生命是什么》一书中,就提出了生命运动是由分子机器来实现的假想。但直到最近十年,科学家才撩开这个机制的部分面纱:生物体内存在着天然的分子马达,通常是酶蛋白大分子。它们的运动与ATP水解发生偶联,ATP储藏的化学能就直接转化成了机械能。ATP是什么?学过高中生物的人都知道,ATP的中文名叫三磷酸腺苷,它是生物体内的储能物质。像人体内ATP的总量大约有0.1摩尔,其中的能量跑个100米就全用完了,如果还要跑,就必须由血糖在无氧状态下,迅速合成新的ATP提供能量。
无论是百米赛跑,还是DNA复制,生物体的一切定向运动都可以归因为分子马达的运动。“依靠先进的光钳技术,我们可以观察到分子马达的运动方式,不同类别分子马达的运动不一样,有的长了两条‘腿’,跟人一样迈步走,有的分成定子和转子,转子绕着定子做旋转运动。”上海交通大学机电设计与自动化研究所所长、博士生导师王石刚说。
发现分子马达的存在后,科学家马上想到:应该控制它,让它动就动,不动就不动。复旦大学先进材料实验室的副教授易涛告诉记者,现在常用的方式有三种:化学驱动、光驱动和电驱动。朴次茅斯大学造的那个,是电驱动的,易涛自己则是研究光驱动分子马达的,“方向不同,但殊途同归。”
那么,由人类控制的分子马达究竟又有何用?于是有了一个很诱人的前景:打造纳米机器人。


真的会点石成金
无数科幻小说描写过这样的情景:一个很小很小的机器人,比你的细胞还小,所以就可以进入体内的任何一个细胞,如果给予指令,它就能在你的身体里随意活动,吞噬病菌,杀死癌细胞,或者干脆把基因中的有害部分给一刀“喀嚓”了……医生出诊,完全不用带什么药啊针啊,口袋里装上这么一大把的机器人,根据病人的情况,请他吞下一些机器人,或者从皮肤上切开一个小口子,把机器人送入病人的身体里,其他的事,让机器人自己完成。
这就是纳米机器人。目前人类还无法制造这么小的机器人,一部分原因是找不到足够小的动能装置。王石刚教授告诉记者,分子马达既然能把生物能转化为机械能,一旦被人类完美地控制,就完全可以充当纳米机器人的发动机。你也可以把分子马达看成一个最简单的纳米机器人,像一种长了两条“腿”的肌球蛋白分子马达,可以做线性推进运动,在人体内,它的一大作用是在细胞内搬运小泡等物质,理论上,如果再给它装个筐,它也能运我们想运的其他东西。
目前,科学家还在研究怎样把多个分子马达组合,或把它们和其他分子联系,组成一个稍微“复杂”的机器。在实验室里,科学家已经做成了由350个原子组成的螺旋桨、2.5纳米大小的升降机、3纳米的剪刀,这些都可以算是纳米机器人的雏形。当然,人类最终的梦想是让这个机器人跟宏观世界的机器人一样,完成任何复杂的操作。
这是个令人无比激动的远大前景———1959年,诺贝尔奖获得者、继爱因斯坦之后最伟大的理论物理学家费曼,曾做过一次名为《在物质底层有大量的空间》的演讲。他预言,人类可以把分子甚至单个的原子作为构件,在最微观的空间构建物质。这话有点专业。用通俗的话讲,人类可以制造出任何东西,比如,用适当的软件和足够的灵巧性进行武装的纳米机器人,真的会“点石成金”———把碳原子一个个组织起来,变成精美的钻石,它也可以把蛋白质、脂肪等分子一一组合,制成奶酪……
韩杰博士开玩笑说,做纳米研究的科学家“都特别心灵手巧”,这只是打个比方,是指他们的实验操作水平很高。但再心灵手巧,由于条件限制,把分子组装起来做机器人,成功率也相当低。对于科学家来说,有个好消息,未来的纳米机器人或许并不需要一个零件一个零件组装起来。有些生物分子拥有自组合的性质,比如构成生物膜的脂类分子,是一端亲水另一端疏水的双亲性分子,它们在水溶液中会自组合成双分子的层微囊泡。利用这种自组合性质,可以让纳米机器人自己完成零件组装。另外,一旦一个纳米机器人制造成功,生物的DNA还具有自我复制的特性,如果输入相关指令,由生物分子组成的纳米机器人就可以完成自我复制,从一个变为上亿个。

一本新书的预言
英国宇宙学家马丁·里马上就要出版新书《最后的世纪》。在这本书中,他预言,地球在未来200年内将面临十大迫在眉睫的灾难,人类能够幸免的机会只有50%。其中一大灾难,就是纳米机器人。
这不是什么新鲜话,早在1986年,美国的未来学家德雷克斯勒在一本名叫《造物引擎》的书中就发出预言,能够进行自我复制的纳米尺度机器人,最后会失去控制,开始疯狂地复制自身,在很短的时间内就把地球变成一大团完全由纳米机器人组成的“灰色粘质”,一种像肥皂泡一样粘乎乎的物质。即使这样的场景不发生,纳米机器人暂时忘记停止复制也是件恐怖的事。比如,一个正在人体内工作的纳米机器人,忽然以比癌细胞扩散还要快的速度,把自己无穷复制,吞噬布满正常组织;一个发了疯的制造食物机器人,把地球的整个生物圈都变成了一块巨大的奶酪……为此,一些绿色环保组织呼吁:人类应该停止研究纳米机器人。
“过去人们还担心,纳米机器人的某些分子是不是会遗留在人体内,从而造成不可估量的损害,对新技术的未来,总是有人充满恐惧。”王石刚教授说。
追根究源,我们最害怕的,还是纳米机器人不听人类的控制和指挥。这取决于融入了生物分子、或干脆就是生物分子组成的纳米机器人,会不会发展出自己的智慧。如果进化论是完美无缺的,如果人类的理性像达尔文所说,并非上帝所给,而是物竞天择的结果,那这并非没有可能:纳米机器人拥有DNA,可以复制自身,就好像原始地球的初级生命草履虫以分裂来繁衍一样,既然草履虫能够最后进化成人类,那纳米机器人会不会也进化出一个大脑来?
在微观层面上,纳米机器人正在打破生物和机械的界限,在宏观层面上,生命和机器天然的界限也出现了裂缝:瑞士洛桑理工学院亨利·马卡兰教授正在制造“人造老鼠大脑”,一个电脑模拟的大脑。经过艰辛努力,马卡兰教授已经制造出了一个模拟幼鼠一部分大脑的模型。而最近,他提出了更加雄心勃勃的“蓝脑”计划:2008年先用啮齿动物做实验,2011年后试图组装一个猫的大脑模型,然后可能还会模拟猕猴的大脑,最终希望在2015年制造出“人类大脑”模型。
芯片可以模拟神经元细胞的活动,机器就能获得生命,机器不会生病,不会死,相对人类更优越,有一天,机器会统治人类,人类则被机器驯养———这就是《黑客帝国》所讲述的人类未来,也是哲学家迈克尔·莱姆在其著作《虚拟现实的形而上学》所提出的问题。
科幻小说家阿西莫夫曾说,“科技发展到最后就是魔法。”每一种新技术的出现,似乎都包涵着无限可能,即使制造出分子马达的费尔曼博士自言,这项技术才刚刚开始,要达到最基础的应用,至少还要再等20或30年。但人类如何正确引导技术,已经成为许多科学家思索的问题。
未来究竟会怎样,什么样的结论似乎都还太早;
但可以肯定,人类的未来,只有自己才能决定。

[ 本帖最后由 .过客. 于 2008-4-9 10:48 编辑 ]

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2007年消息:美科学家欲用精子为纳米机器人提供动力(图)

2007年消息:美科学家欲用精子为纳米机器人提供动力(图)


资料图:子宫内的精子照片
  新浪科技讯 北京时间12月5日消息,据国外媒体报道,美国科学家正在进行一项新研究,让纳米仪器利用为精子长距离游动提供能量的生物能为动力,用来释放药物,或者在人体内执行机械功能。

  美国康奈尔大学贝克动物健康研究所的研究人员进行的这种研究,可能首次证明了如何能将多级生物学途经在人造设备中组装起来,并发挥功能。特拉维斯在詹姆士·贝克动物健康研究所实施了这项研究,该研究所是科内尔大学兽医学院的一部分。他说:“目前面临的主要限制之一是制造一台可植入的纳米设备为它们提供能量。如果你能设计一种自行产生能量的设备,它就有可能工作更长时间,并且能调节自己的任务率。”这项技术的另一个可能的应用途径是:制作纳米喷管,将化疗药物或抗生素释放到身体的特定部位。

  哺乳动物的精子必须将能量传输给细长的鞭状尾巴,为它们的游动提供动力。精子很大一部分是通过现场产生能量的方式来解决这一难题的,它修改了糖酵解生化酶,从而让这些酶能够附着在精子尾部的大部分固体结构上。在这个安全位置上,糖分解酶把糖转变成三磷酸腺甙,始终为摆动的精子尾部提供能量。科内尔大学兽医学院的吉娜苏·穆凯、亚历克斯·特拉维斯和其他人员研究了糖酵解途经的几个早期步骤,以便查看他们是否能将它从覆盖精子尾部的薄薄的“纤维鞘”上移动到一个固体无机替代品——镍-NTA(氮川三乙酸)芯片上。

  首先,这些研究人员针对精子的特殊部位,用一个可以粘贴在特殊的金表面的标签取代了己糖激酶(糖酵解的第一个酶)。这种酶即使在受到限制的时候,仍然能产生作用。接着,他们在糖酵解途经的第二个酶——葡萄糖-6-磷酸异构酶上作了标记。这种酶在受到限制后,还仍然具有活性。粘附在相同支撑物上的这些酶会依次产生作用,第一个反应的产物成为第二个反应的基础。

  穆凯和特拉维斯表示,这只是在无机支撑物上复制整个糖酵解途径的最初几步,他们指出,他们的研究从原理上为精子中的糖酵解途径的组织如何在纳米设备上产生三磷酸腺甙提供了一个天然的工程学解决方案。12月3日,这份名为《芯片上的代谢偶联反应:向植入性医学设备自行产生动力迈进的新一步(Coupled Metabolic Reaction on a Chip: A Step Toward Energy Production on Implantable Medical Devices)》论文,在美国细胞生物学学会(ASCB)第47届年会上公开。(杨孝文)

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智能尘土与美国麻省理工学院的“氧气系统”

研究显示,全世界的科学数据量几乎每18个月翻两倍,人脑、分析软件和互联网都被拖得气喘吁吁。真正可怕的还是完整了解自然和生命系统的欲望,在这些领域,科学家们看中了越来越便宜的微型传感器和无线网络,点燃了新的指数增长的导火索。
     1997年,加州大学的克里斯•皮斯特向国防部提出“智能尘土”的概念。他想用眼睛都看不见的传感器组成无处不在的军事监视网络。现在,这一概念正扩大到一刻不停地监视生态系统、建筑物甚至人体和整个大陆,包含一切可能的变量。
      随着计算设备微型化的不断发展,计算机网络自然也会受到威胁。“氧气系统”是美国麻省理工学院一项高科技计划的名称。该计划的目标是使只有灰尘般大小的微型计算机像氧气一样遍布全球各地,用于接收、传输数据以及人们之间的信息交流。这种计算机总是处于运转状态,一旦收到脉冲信号就开始工作。该项目的领导人迈克尔・德特佐斯(Michael Dertouzos)把“氧气系统”视为互联网的取代者。
      “氧气系统”的结构与传统网络的格局大为不同。“氧气系统”的网络传输效率不再由光缆数决定,而是由每立方米空气中所含的芯片数量来决定。
        目前,智能尘粒已处于试用阶段。美国伯克利大学的信息学教授克里斯・匹斯特(Kris Pister)和他的研究小组已制造出5mm大小的独立计算单元。通过激光束,它们最远能相距20公里进行通讯。这些独立的计算单元在一个微型电池的基座上安装有一个光学发射器,基座两边各有一块太阳能电池和微型芯片。
         据称,这些独立的计算单元最终将缩小到0.1mm×1mm大小,以便能大量分散到世界的各个角落。匹斯特的样机是一个叫做“极度探测”项目的一部分。该项目计划在世界各地布设微型网络。将来,智能尘粒将像云雾一样笼罩世界,供世界各地的人们使用。
        领导“极度探测”项目的是伯克利大学的兰迪・卡茨(Randy Katz)教授。他推测,这些微型计算机会像白蚁一样组织起来,甚至还有可能会产生团体意识。它们仅需要最基本的构造元件:电源、微处理器、输入输出设备以及通讯软件。
        无需人的干预,自主行动,专家们认为,智能尘粒系统应用价值很高,因为其结构具有较强的可变性和适应性。而传统的方法均需要固定连接在一起的核心组件、特定的命令语句以及独立的内存。而智能尘粒系统则是通过可改变形态和结构的计算机进行的。由于体积很小,智能尘粒可以在北半球或南半球上覆盖一层基础的通讯网络。通过这个基础网络,人们可以进行各种形式的数据和语音交流。这种方法既不需要软件,也不需要外部命令。按卡茨的设想,未来的世界将会像科幻小说里所描写的那样,系统完全不需要人的帮助就可以自动解决所有问题。

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微型计算机用于持续监控生态系统、建筑物乃至人体,将会推进科学前沿

未来,计算机将从目前支持办公的数字运算工具进入到操纵天地,它们可以夜以继日地检测生态系统或人体的任何变化,无论尺度大小,小至纳米材料,大至地球陆地。新的计算机将会形成网络,网络内到处充满了内置有数字处理和传播装备的传感器。那些被称为“尘”、“节点”、“群”的成千上万只微型计算机将会被植入真实世界的各种物件中,它们将协作行动、共享数据,更有效地处理数据,从而使所表达的数字更有意义。研究者可以进入这些“传感器网络”,向之提出新问题或对假设进行检验。即使科学家忙于处理自己的事务,智能网络也能继续自动分析、修正自己的行为去适应世界的变化。

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纳米间谍器材

过去,我们听到有关纳米技术对人类如何多好处的报道不少,比如,医疗方面,吃、穿、住、行等生活各个方面。但是,我们可能不了解纳米技术应用的另一方面。事实上,人类所有先进技术,无不首先应用于军事装备上。如今,所有超级大国研究纳米技术同样也无一例外地先期着眼于军事运用领域。

    据消息灵通人士透露,美国、俄罗斯、中国、日本等许多国家早已经有了纳米材料制作的微型化窃听装置。有人赞扬中国在这方面的研究和应用居于世界领先地位。据说,中国出现了一种借助人体血液流速作为动力的纳米微型化窃听装置,它可以通过针管注入人体,象寄生虫一样长期游离于人体中。这种窃听器功能还不小,可以监听100米以内的任何谈话内容,但也有更长距离的纳米窃听装置。此外,还有一种采用高粘性物质中混入纳米微型窃听装置的技术,使用时只需要往头发里一放就可以保持达10年之久,任由你怎么冲洗也不会脱掉,除非你剃成光头。据称,有采用高粘性物中混入高放射性材料杀人的案例。

    在美国军方的秘密实验中,因为纳米窃听装置注射入动物多次出现动物急性死亡。美国科学家通过动物解剖发现,这些纳米窃听装置堵塞脑部血管造成了血液凝聚和血管堵塞。动物也是由此而死掉的。关于纳米窃听装置所发电磁波对人体细胞尤其是脑细胞的损伤到底有多大,目前还不是很清楚。一些发展中国家对于纳米窃听装置的研究也是非常钟情的,但是,他们多数只是考虑窃听效果而基本不考虑由此给人所造成的死亡威胁。

    纳米窃听装置一旦堵塞人体脑部血管,那么就会造成人意外急速死亡。有人估计这种案例已经发生了很多起。而且,这种神秘死亡往往是不容易为法医所鉴定出来的。当然,也要考虑即使鉴定出来法医敢不敢说的因素。可以想象,这种科技文明一旦用于政权高度垄断统治的国家,那会出现什么样的情况了。那些具有思想独立性的人们将会在无所知觉的情形下首先被注射入纳米窃听装置。

    一些研究表明,不仅仅是纳米窃听装置在各个国家的军事科研部门作为重点考虑,而且还有许多纳米间谍器材正在开发中。如象纳米微爆装置,它可以通过极少量烈性炸药通过纳米控制器在人体最关键部位(如心脑部位)停留后爆炸,这样可造成人体血管破裂,导致人脑溢血或者心脏抽搐,从而使人员瞬间死亡。还有一种就是通过纳米器材放置入新研究出的超级神秘病毒,通过适时打开病毒导致人员死亡。这些纳米级准军事装置都可以通过针管注射入人体。纳米级军事器材一直非常神秘,也是不会有几个人知道的!至于通过芯片植入的器材设备还不算是最为先进的。

    欣喜的是,社会规律永远在起作用。当纳米窃听装置和纳米军事器材泛滥,而欲将社会每一个人作为数据进行选择管制时,社会就进入了一种新的不可逆变的运动态势中。这同历史上秦始皇熔销兵器、焚书坑儒一样,它不过是要销熔人的独立思考,但社会就是这样,有其自身的发展规律。一个国家的政权把掌者选择所有具有聪明才智的人群进行纳米规范控制,这国家必将快速沦落为世界上最为快速退化的民族。一个不可逾越的概率是存在的,那就是这个国家会在短时期内有一大批可能是引领世界科学和国家振兴的人才消失,并由此带来整个国家的消亡。公平而论,这样的国家和民族在世界上消失从长远来看也许并不是坏事。这反而会使得世界继续存在的国家变得更加具有道德感,更加负责任,更加尊重人权,人类也会变得更加进步。

    然而,世界并不平静,争夺资源的竞争日趋激烈。我们更为担忧的是,纳米军事技术不是一个国家在研究,而是所有有主权的国家都在积极研究。对这种技术的积累和研究就像第二次世界爆发前有些国家对军事装备痴迷一样。科学技术的发展一旦偏离正确的道德范围,世界无疑会面临一场全球化战争。而且,这种战争所导致的危害和对人类的伤害将远远超过第二次世界大战。我们所面临的问题不是简单的纳米技术,而是人类在纳米技术时代还能否继续存在下去。

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纳米技术的革命

纳米科技承诺的工具,重建的物质世界-我们的身体和大脑,包括分子片段的分子片段,并有可能原子的原子。 我们正在缩小的主要特点(工作部件) ,在依法办事的加快回报,在一个指数率(超过4 % ,线性尺寸每10年约100 %的3 D卷) ,在这个水平的关键特征尺寸为大多数电子和许多机械技术,将在纳米科技的距离,一般认为少于100毫微米( 1000000000分之1一公尺) ,由2020年代。 电子产品已降至低于这个门槛后,虽然还没有在三维结构和尚未在结构,有能力组装其他类似的结构-一个重要的步骤,然后纳米技术可能会达到其承诺的潜力。 与此同时,已取得长足进展,最近在准备概念 ual框架和设计思路,为即将到来的时代,纳米技术。
纳米科技已扩大到包括任何技术,其中一台机器的主要特点是测量不到100毫微米。 正如现代电子已悄悄潜入这种纳米境界,该地区的生物和医学中的应用已经进入新纪元的纳米颗粒,其中的纳米物体都是正在发展,以创造更多效益的检查和治疗。
在该地区的检测和诊断,纳米粒子已被雇用的实验基地的生物测试,标签和标签,极大地增强了灵敏度,在检测物质,如蛋白质。 磁性nanotags可以用来结合的抗体,然后再经过用磁探头同时仍然身体内部。 成功进行了实验与金纳米粒子是必然的DNA片段,并能快速检测特定DNA序列的样本。 小纳米珠称为量子点的中心只能被地中海计划与具体代码结合多种色彩,就像一个彩色条码 ,可以方便跟踪物质通过人体。
在将来,纳米器件将数以百计的测试,同时对小样本的某一特定物质。 这些设备将允许广泛的测试,以进行了近无形,血标本。
在这方面的治疗,尤其令人兴奋的应用这种技术是利用纳米粒子运送药品的具体地点在体内。 纳米粒子能够引导药物进入细胞壁,并通过血脑障壁。 纳米套件,可设计以持有毒品,保护他们通过消化道,渡船他们的具体位置,然后释放他们在复杂的方法,可以影响和控制, 无线地,从外体。
nanotherapeutics在alachua ,佛罗里达州已开发一种可生物降解的聚合物,只有几个纳米厚表示,利用这种方式。 与此同时,科学家们在麦吉尔大学在蒙特利尔表现出nanopill与结构在25至45纳米范围内。 该nanopill小得足以通过细胞壁和提供药物直接针对结构的囚室内。
微晶片的贝德福德,马萨诸塞州,已经发展了一套电脑设备,植入皮肤下,并提供精确的混合物中药复方 S从几百纳米水井内装置。 未来版本的器件均可望能够测量血压水平的物质如葡萄糖。 该系统可被用来作为一种人工胰脏,释放的确切数额胰岛素的基础上,血糖反应。 该系统还能够模拟任何其他激素的产生器官,如果试验进展顺利,该系统可以对市场到2008年。 另一项创新性的建议,就是要引导纳米粒子(可能组成的黄金) ,一肿瘤部位,然后再热,他们用红外光束,以摧毁癌细胞 。
革命,纳米技术将使我们能够做很多事情不仅仅是治疗疾病。 最终, 纳米技术将使我们能够重新设计和重建,不仅我们的身体和大脑,但也是世界上与我们进行互动。 充分实现纳米技术,然而,将落后于生物技术革命所带来大约十年。 而是由代中后期到2020年,其影响的纳米技术革命,将是广泛的传播和显而易见的。
纳米技术与人脑
最重要和最激进的应用,尤其是circa - 2030 nanobot S将要扩大我们的头脑,通过合并的生物和非生物 ,或"机器"的智慧。 在未来25年,我们将学习如何增加我们100000000000000非常缓慢interneuronal连线与高速虚连接途经nanorobotics 。 这将使我们能够极大地增强我们格局识别能力,记忆能力,及整体思维能力 ,以及直接与强大的各种形式的计算机情报。 该技术也将提供无线通信从一个大脑到另一个地方。
或者换句话说,年龄telepathic沟通几乎是我们。
开动脑筋,今天是相对固定的设计。 虽然我们做的补充模式interneuronal连接和神经递质的浓度,作为一个正常的一部分,在学习过程中,目前总体能力的人脑是高度制约。 作为人类的人工情报(爱)的能力,开始向upstage我们的人力情报在结束对世纪30年代时,我们将能够以超越的基本 结构,大脑的神经区域。
大脑植入物的基础上大规模分布式智能纳米机器人将大大拓展我们的记忆,并以其他方式大大提高,我们所有的感官,花纹识别,认知能力。 由于纳米机器人将沟通配合,他们将能够创造出任何一套新的神经连接,打破现有的连接(通过抑制神经放电) ,创造新的混合生物和计算机网络 S ,并加入完全机械网络,以及作为界面关系密切,与新的计算机程序和人工智能。
实施人工情报,在我们的生物系统,将标志着一个渐进的飞跃,为人类,但同时也意味着我们将确实变得更为"机"比"人" 。十亿纳米机器人将前往通过血液在我们的身体和大脑。 在我们的身体,他们将摧毁病原体 s的,是正确的DNA的错误,消除毒素,并执行许多其他任务,以提高我们的身心福祉。 因此,我们将能够生活下去,没有老化。
在开动脑筋,将纳米机器人互动,与我们的生物神经元的第 这将提供全沉浸虚拟现实技术,把所有的理智,以及神经系统相关的,我们的情感 s ,从内部神经系统。 更重要的是,这种亲密的关系,我们的生物学思维与机器智能,我们都在创造,将深刻地扩大人类的智慧。
战争将走向nanobot为基础的核武器 s ,以及数码武器。 学习会首先提出于网上,但是一旦我们的大脑得到充分线上,我们将能够下载新的知识和技能。 角色的工作,将是创造知识的种种,从音乐和艺术 ,以数学和科学。 角色扮演也将是创造知识。 在未来,将不会有一个明确的区分工作和娱乐。

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虚拟现实中的 bit 信号刺激可以越级进行

真实现实、扩展现实和虚拟现实
摘要:真实现实(Real Reality)、扩展现实(Augment Reality)和虚拟现实(Virtual Reality)属于同一系列的概念,它们共同组成了真实—虚拟连续统(Reality-Virtuality Continuum)。它们是对客观存在的三种不同的认知形态,共同构成了知识世界的范围(Extend of World Knowledge)。
   关键词:真实现实、扩展现实、虚拟现实、知识世界
   国内外已有一些关于虚拟现实(Virtual Reality)讨论。不同的学者对虚拟现实有着不同的理解和定义。笔者认为虚拟现实是使用计算机所创造的交互式的三维空间效果,在这个三维空间中物体有一种空间存在物的含义。它具有如下几个特征:
(1)虚拟现实是使用计算机技术创造的,以区别电子存在和其它的远距离感觉方法。
(2)虚拟现实中计算机技术应用所产生的是效果而不是幻觉。
(3)交互性:人与程序的交互性。
(4)三维世界:以区别文字描述的一维、二维世界。
(5)物体有一种空间存在物的含义。
   虚拟现实是人类利用特定的计算机语言或软件(如OpenGL SDK,VRML),整合一些特殊技术(如信息图形技术(Infographic Technologies)、人体运动跟踪技术(Human Movement Tracking Technology)、实时人体运动捕获技术(Real-Time Human Body Motion Capture Technologies)等)和特定的输入输出设备(如头盔显示器(Head Mounted Display)、数据手套(DataGloves)等)开发形成的一个三维人机互动系统。在这个互动系统中,参与者不仅具有参与感,而且具有身临其境的沉浸感。随着虚拟技术的理论和实践不断发展,这一系统已经达到了以假乱真的境界。
   虚拟现实完全是由计算机技术所创造的。在虚拟现实系统中,人与真实现实完全处于隔离状态,在虚拟现实中已不存在自然状态的物理时间和空间。人完全被虚拟现实系统所控制。
   虚拟原义是假,现实含义是真。因此,将这两个术语结合起来,属于典型的矛盾修饰法(oxymoron)。国外的一些学者认为这样术语不容易让人们接受,所以又将它称为“合成环境(Synthetic Environments)”、“赛博空间(Cyberspace)”、“人造现实(Artificial Reality)”、“模拟技术(Simulator Technology)”等。国内在引进这一术语时,有人曾认为虚拟现实易于“客观现实”这一术语相混淆,故提议译作“灵境”。但是,“虚拟现实”这一术语还是被绝大多数人所接受的。
   我们在论及虚拟现实时,国内不少人将虚拟现实与“客观存在”和“客观现实”相提并论。严格的说,客观存在和客观现实是哲学上的概念,与虚拟现实不属同一系列的概念。本文认为虚拟现实与真实现实和扩展现实属于同一系列概念。对它们进行考察时应该注意它们之间的相关性。
   真实现实有二种含义:一是作为客观存在的真实现实。它们是被人类认知了的客观存在,与人类处于交互作用之中。在此意义上,真实现实是人类赖以生存的基础。二是作为知识形态的真实现实。它们是人类对于客观存在的认知结果。当我们在讨论与扩展现实和虚拟现实相对应的真实现实时,真实现实指的是一种知识形态。作为知识形态的真实现实或者是通过感官认知的方式获得的,或者是以视频窗口方式(如对实景的摄像)获得的。这两种方式中,前者是直接的,后者是间接的。我们将在本文的第二、三节中分别予以考察。
   客观存在是一个哲学范畴。它所表达的是不依赖于人类主观意识而独立存在事物的总和。被人类所感知的客观存在就是客观现实。这也是真实现实的第一层含义。
   真实现实和虚拟现实是人类对客观存在认知的两个极端形态。处于这两个极端之间的就是扩展现实(Augment Reality),扩展现实也称作为混合现实(Mixed Reality)。其实这两者还是略有区别的,我们将在下文中论及。不过扩展现实术语更能反映人类的认知能力和形态,因而更能为人们所接受,除特殊说明外,我们将在等同的意义下使用扩展现实和混合现实。
   混合现实是由真实现实和虚拟现实共同组成的。例如,真实的环境加上虚拟的物体共同组成一幅(组)画面,在这组画面中我们根本无法区别哪些是真实的,哪些是虚拟的。混合现实又分为两种情形。一种是扩展现实。上面举的例子就是属于扩展现实。另一种是扩展虚拟(Augment Virtuality)。例如,虚拟的环境加上某些真实的物体共同构成扩展虚拟。
扩展现实有三个基本特征。
   真实性:某些环境是人工创造的,因而它是虚拟的。但是在扩展现实中肯定有源于真实现实的部分。
   非沉浸感:在显示扩展现实中的真实成份和虚拟成份时,均不要求观察者沉浸其中。
   方位感:真实世界的物体是被感官直接观察到或者通过某些电子综合装置获得的(例如,水下摄像机对不明物体的摄像)。在后一种情况下,方位感成为扩展现实迫切需要解决的问题。
   真实现实、扩展现实和虚拟现实三者构成了一个真实虚拟连续统,它们之间的关系可以用下图表示:
   扩展现实与虚拟现实的区别是显而易见的。在虚拟现实系统中,人具有沉浸感。视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉部分或全部处于计算机系统控制之中。人失去与真实现实的一切联系。扩展现实则不同,它是将虚拟的物体融合到真实的环境中,或者将真实的物体融合到虚拟的环境中。在扩展现实中,人可以感受到真实世界的存在。当然,扩展现实所展现出来的世界并不完全是真实现实。它们中的虚拟成份是对真实现实的扩展。真实现实受物理法则的支配,而虚拟现实不受物理法则支配。在扩展现实中,如何将真实的部分和虚拟的部分完美无缺地融合在一起,这已成为计算机领域中热门话题。
   就其实际应用价值而言,扩展现实远远大于虚拟现实。例如,在人工心脏手术中,可以在计算机上实时捕捉人体胸腔内动态图像,同时将人工心脏作为虚拟物体加进动态图像中,进行虚拟物体与真实环境的匹配。再如,扩展现实在体内肿瘤的诊断中也有广泛的应用。扩展虚拟在文物保护中可以起到重要的作用。一座孤零零的古代建筑(真实物体)可以放在一个虚拟的环境中,从而确定保护文物的最佳环境。除了医学、文物保护之外,扩展现实在建筑装修、军事侦察、宇宙空间探索等领域应用也极为广泛。
   当我们考察以直接的方式(例如感官的认知)获取的作为知识形态的真实现实时,笔者认为,真实现实、扩展现实和虚拟现实有着相同的认知生理基础。
   我们都知道神经系统是人类进行意识活动的基础。 神经调节的基本方式是反射 (Reflex) ,即在中枢神经系统的控制下,机体对内外环境变化的刺激所发生的有适应性的反应。反射活动的结构基础是反射弧 (Reflex Arc) ,它由五部分构成,即:感受器、传入神经、神经中枢、传出神经和效应器。反射弧的路径为:
   刺激 感受器 传入神经 神经中枢 传出神经 效应器 产生行为
   在上图中,感受器的作用是将来自内外环境的刺激转变成神经信息(即神经冲动),由传入神经传至神经中枢(位于脑、脊髓内的那些与某一反射活动有关的神经细胞群)。神经中枢对传入的信息经处理后发出‘指令',经传出神经将‘指令'传至与其相连的由肌肉所构成的各器官或腺体并改变其活动以适应这一环境条件的变化。
   人的神经系统并不会因为信息科技的发展而改变。在真实现实、扩展现实和虚拟现实中,信号在人的神经系统中输入输出的路径是一致的:即反射弧。从输入端看,真实现实与虚拟现实所不同的是神经元所接受信号的方式不同:在真实现实中,是具体物体对感受器官产生了刺激,比如波长为 370~740nm 的电磁波刺激了眼睛中的神经元而使大脑对事物产生了感觉。而在虚拟现实中,这种信号表现为由 0 、 1 构成的二进制中的一些字符串,其最小单位为 bit 。它们是对人类神经系统产生刺激信号的一种方式。
   随着信息科技的发展,虚拟现实中的 bit 信号刺激可以越级进行,这在真实现实中是不能做到的。这种越级表现为:在神经反射弧路径中, bit 信号不一定必须从感受器开始,而可以从传入神经、神经中枢、传出神经或效应器开始。这是有别于在真实现实中物体对机体的刺激而导致生理行为的路径,这也是科技进步给人类认识与行为带来的贡献。由此也导致了人是否会成为机器的奴隶的争论。
   从输出端看,不论是 bit 信号还是具体物体的刺激信号,最终都必须通过效应器对机体的行为产生影响。与真实现实一样,在虚拟现实系统中,人们与系统环境不仅有信息的沟通,而且也有物质和能量的交换。比如,在一个充满恐怖的虚拟现实系统中,人体植物神经系统中交感神经居于主要地位,此时机体心跳加快、内脏与皮肤血管收缩、支气管平滑肌舒张、胃肠蠕动抑制、瞳孔扩大、竖毛肌收缩、汗腺分泌、糖元代谢加快、葡萄糖分解增多、能量消耗加大。在这种情形下,虚拟现实中的人们不仅有信息(恐怖)的交流,而且也有物质(葡萄糖)与能量(热能)的改变。
   人的反射活动,进一步可分为非条件反射( Unconditioned Reflex )与条件反射( Conditioned Reflex )。非条件反射是种族所共有的、与生俱来的、有着固定反射弧的反射活动,比如吮吸反射、角膜反射、性反射。条件反射则是在非条件反射基础之上的个体在其社会实践中逐步形成的反射。
   巴浦洛夫认为信号活动(即条件反射)是大脑皮质基本的活动。他把这种信号分为二类:第一信号与第二信号。第一信号指现实的具体信号,比如灯光、铃声、食物的具体性状。第二信号指抽象化的信号,比如“食物”这一词并不代表某一具体食品,而是对一切具有食物属性事物的概括。语言与文字是在具体信号的基础上形成的,是具体信号的信号,即第二信号。第二信号系统是在第一信号系统的基础上建立起来的。例如对“寒冷”一词的理解,起初只是因为在大雪纷飞时、温度的降低通过感受器使小孩产生了痛觉而哭啼,于是小孩把“寒冷”与“大雪”联系在一起。随着小孩的成长与教育,“寒冷”一词就会与“冬天”、“冰”、“冻疮”、“霜”等联系在一起。
   那么,在虚拟现实中,人们为什么会觉得寒冷呢?这可以通过视觉:大雪纷飞的场面出现,也可以通过寒风呼啸的听觉,也可以通过对皮肤产生一定痛值的刺激达到。无论是哪种方法,在虚拟现实系统中,人们对寒冷的感知必须具备以下条件:
   1.作为虚拟现实主体的人本身必须有对寒冷的感受经验,比如打寒战;
   2.对寒冷诱因如大雪、寒风等的直接或间接感知;
   3.对一定背景的逻辑推断力:如看到腊梅傲开、草地枯黄的场景,作为主体的人便能推断出可能是冬季;
   4.所控制使用者(人)行为电子信号的设立必须是建立在对人的生理、心理行为的研究基础之上的。
   由此可见,首先真实现实、虚拟现实都是依赖于人的神经系统的。离开了人的生理基础,讨论真实现实与虚拟现实是毫无意义的。扩展现实的情形兼有上述两种情况。其次,扩展现实和虚拟现实是依赖于真实现实的。我们可以在虚拟现实系统中实现某件“不可能的事”。但是如果这种“不可能的事情”是什么我们都不知道,那么更谈不上在虚拟现实中去实现它了。在真实现实中“有所思”,才能在虚拟现实系统中“有所见”。因此,虚拟现实不能离开真实现实。
   当我们考察以间接的方式(例如对不明物体的扫描)获取作为知识形态的真实现实时,就有一个重要的概念必须提及,即知识世界的范围( Extend of World Knowledge, EWK )。
   知识世界范围问题可以定义为我们对视频物体和物体所在的世界事实上知道多少?我们可以用下图表示知识世界的范围。
   上图左端表明我们对视频所显示出来的陌生的世界一无所知。这个世界图像数据是非模型化的,因为这些图像是通过对间接获得的场景盲目扫描取得的。这些非模型化的数据并没有包含图像的内容。当前绝大多数远程电子操纵系统的视频显示中,尤其是在不明环境下的水下探险、军事调动中,非模型化的世界表明得尤为明显。
   知识世界范围另一端是完全模型化的世界。虚拟世界就是一个完全模型化的世界。只有当确切知道某一个世界中的每一个物体是什么,它在该世界中的位置,观察者在该世界中的视角和人体运动轨迹时,我们才能构建虚拟现实。
   虽然知识世界的两端是常见的情形,但是更多的是需要将真实的物体和虚拟物体融合在一个视频画面中。这里就有三种情况: where 、 what 和 where+what 。在某些情景中,我们可能知道一个物体的位置,但是却不知道它是什么;在另一些情景中,我们可能知道场景中的物体是什么,但却不知道它的位置;还有一些情景,我们知道场景中某些物体是什么和它所处的位置的信息,但却不知另一些物体这些方面的信息。与此形成对比的事,在非模型化世界中,我们没有任何关于“ where ”和“ what ”的信息,在完全模型化的世界中,我们知道所有的“ where ”和“ what ”信息。
   知识世界范围问题在扩展现实中有着十分广泛的和重要的应用。通常,将任意一幅虚拟画面叠加到一幅真实现实的图画中,技术上是十分简单的。但是,从实际应用出发,为了使图像有合适的显示,就必须确切知道真实世界的物体在哪里和它的轨迹。当我们处理非结构化和完全非模型化的世界,这决不是一件简单的事。假设我们知道视频世界所有物体的“ where ”和“ what ”信息,那么我们就可以认为,与虚拟现实相比,扩展现实对于人类是最有价值的。
   由此可见,在知识世界范围内,真实世界、扩展世界和虚拟世界是人类认知的三个阶段。从完全不知到部分认识再到完全认识的过程,表明人类认识的进步。
   虽然我们对非模型化的世界一无所知,但是它却是真实世界视频窗口,认识的目的正在于对真实世界的改造。

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纳米机器人将造就新人类

今天正在驾驭电脑的人是否应该想到这一点:一旦电脑达到能与人的智力相抗衡的水平,它必将超过人脑。可以这样认为:机器的优势,在于它们能轻易地分享知识。当然,如果一个人学会了某种语法,或掌握了深奥的哲学原理,却不能轻易地把这一知识“下载”给机器。人的知识、技能和记忆是保存在大脑中的。即根植在一个宽广的构架上,这个构架由神经递质集中和神经元间的连接组成,通常很难被迅速取得或传送。
    但应该想到,将来,相当于人的神经细胞组的装置几乎肯定包括内置式的快速下载端口。也就是说,当一台电脑获得一项技能或者具备相当的悟性时,其他数十亿台电脑也将同步达到相同的智力水平。
    对具备人脑智力水平的电脑应提出哪些要求呢?科学家们设想可能将包括:复杂的智力(如音乐和艺术天赋)、创造力、处世能力、甚至对情感的反应能力。通常,这样一台电脑需要能够一秒钟大约运算20万亿次。尽管这种能量大得惊人,但科学家认为这似乎还是可以实现的。即使摩尔定律由于基于硅的芯片技术所限而走到尽头(估计在2019年),一种新的办法,即在电脑中采用由纳米管组成类似于碳原子六边形排列的三维电路将会出现并克服这一障碍。一立方英寸的纳米管电路将比人脑强大100万倍,至少是在原始数据处理能力方面。
    “纳米机器人”将问世
    著名物理学家、诺贝尔奖获得者费恩曼教授早在1955年就提出一种设想,即人类能够用宏观的机器制造比其体积更小的机器,而这个较小的机器可以制作更小的机器,这样一步步进行可以达到分子状态,最后可以直接按意愿排列原子并制造产品。
    爱因斯坦曾预言:“未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界进军。”洞察微观世界的秘密,需要借助仪器来开拓视野、延伸双手。纳米科技以空前的分辨率为人类揭示了一个可见的原子、分子世界,它的最终目标是直接以原子和分子来制造具有特定功能的产品。
    纳米技术不光改变或即将改变我们的生活,而且还将使众多传统产业焕发生机。在生物医学方面,纳米科技更是潜力巨大。它甚至将超过信息技术和基因组工程,成为21世纪决定性的技术。科学家预计,到2030年人类可能采用一种“纳米机器人”技术来对人脑进行扫描。控制基因,消灭遗传病。人类可以利用基因芯片迅速查出自己基因密码中的错误,并迅速利用如同人体血液细胞大小甚至更小的纳米机器人进行修正,使人类可以消灭各种遗传缺陷。这些机器人以十亿计的数量使用,它们能探测每一个毛细管,甚至能对神经细节进行近距检测。更了不起的是,通过高速无线连接,这些“纳米机器人”能相互联络,以及同编制大脑扫描数据库的电脑沟通。当然,这些机器人还能从无线网络上获取信息,人们可以在千里之外遥控它们。
    生活在虚拟的环境中
    预计到21世纪30年代,人类将能够了解大脑中超细微部分的构造和功能,也能够在相当先进的神经计算机中再造这些设计。到那个时候,计算机不仅大大超过人脑的计算能力,还有人类的复杂而丰富的技能,和超过人类的速度、精确性和知识分享能力。
    不久的将来,“纳米机器人”技术将提供身临其境而令人信服的虚拟现实。将“纳米机器人”放在连接来自所有感觉器官(即眼睛、耳朵、皮肤)的每一个神经元间连接的位置,它就能够抑制所有来自真实感官的信息,并以虚拟环境的适当信号来替代它们。科学家预计,利用上述技术,人类将进入一个虚拟现实环境。植入人体的“纳米机器人”将产生替代真实感觉的感官信息流,于是创造出一个身临其境的虚拟环境,它将对处于这一环境中人们自己的(以及其他人的)虚拟身体的行动作出反应。
    这一技术的应用,将使我们能够与其他人(或者模拟的人)一起进行虚拟现实的体验,而无须在人脑中事先置入任何设备。不仅如此,这种虚拟现实将与现实一样真实而精细,你无须给朋友打电话,就能与之相聚在巴黎的咖啡馆,或者一同漫步在虚拟的地中海海滩。
    在网络上获得新知识
    今天,我们的大脑设计方式相对固定。当我们学习的时候,尽管我们的确增加了神经元间连接和神经递质集中的构架,而人脑的总能力却高度受到限制,局限于仅100万亿个连接。如果“纳米机器人”技术得以普及,大脑移植芯片将大大地扩展我们的记忆,从而大大改善人类所有的感官、模式识别以及认知能力。
    科学家早已利用外科手术置入神经移植芯片的方法来治疗耳聋和帕金森氏症一类疾病。到2030年,“纳米机器人”可以通过注射,甚至是吞服的办法轻易植入,它们将具有编程能力,能够一会儿提供虚拟现实,一会儿又作为一系列大脑的伸展。也许最重要的是,它们将大量分布整个大脑,占据数十亿或者是数万亿个位置。
    很显然,“纳米机器人”的出现将可能涉及到法律、伦理甚至政治问题。说到这里,你也许会问:究竟计算机是否将比人更聪明?回答要看你如何给二者定义。科学家说,到了21世纪下半叶,将人同电脑绝对而清楚地区分开来将变得毫无意义。一方面,人类将拥有经过“纳米机器人”技术大大扩展了的生物大脑。另一方面,人们将拥有纯粹的非生物大脑,后者是功能大大增强了的人类大脑的复制品。毫无疑问,有了经过功能改善的大脑,我们将创造出无数与“纳米机器人”技术融合的更新的技术。届时,人类将进入一个新天地,他们当然不是神仙,但却是地道的新人类。

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发明DNA制动器

欧洲科学家开发出一种基于脱氧核糖核酸(DNA)的转换器,名为DNA制动器或分子发电机。科学家认为,作为世界上第一个生物纳米技术制动器,它的研制成功为在活的生物有机体和计算机之间建立联系架设了桥梁。这个DNA制动器的大小只有一根头发的千分之一。这个DNA制动器的组成包括一组固定在极小芯片上的DNA、一个带有磁性的珠子、一个提供动力的生物发动机――通过活的生物细胞三磷酸腺苷(ATP)所发出的能量提供动力。英国、荷兰、法国、葡萄牙、瑞士等国科学家参与了该项研究。

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人脑可能遭到黑客攻击

 人脑和电脑结为一体

  更令人不可思议的是,皮尔森预测,人脑的神经将会与电脑线路直接连结,人类的思想和情感,包括感觉如亲吻和性高潮,都可以保存和下载,并可以发送给任何人。例如:在英国的外祖母可以向澳大利亚的孙辈“发送”一个拥抱或亲吻。这对人类社会具有重大意义,例如它可以根除孤独的情感。人脑的能力暴涨,因为它可以和电脑数据库联接,还能在思考运转的一瞬间,调用这些大量的信息资源。事实上目前医学界已经在人脑中植入矽晶片,与脑神经直接连结,试图治疗帕金森氏症与听觉障碍。

  人脑可能遭到黑客攻击

  一种会自我复制的超微型机器人将存在人体血管中,与所有脑神经互动。这些小机器人会扫瞄所有的脑神经细胞,建立一个包含所有脑部内容的庞大资料库。小机器人还会透过无线通信系统彼此连接,也可以和脑部以外管理资料库的电脑或网络通讯。当然,这种科技含有极大的危险。脑部扫瞄成为资料库之后,个人所有的思想与隐私难免面临黑客入侵的危险,人脑也可能遭到外来控制。皮尔森说,这种风险的确值得忧虑,未来政府、宗教组织或恐怖分子可能培养微型机器人侵入人体,监测或控制他人。父母监督子女的科技也可以被“恋童癖者”利用。

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人脑也可能遭到外来控制

柯兹威尔想像中的人类与机器混血的物种,外表上将不会像好莱坞电影中的科学怪人那样。混血将透过显微科技完成,几年前科学家发现一种体积极小的碳纳米分子,应用在电脑上的计算能力远超过目前的硅晶片,未来这种碳分子可望制作成一种会自我复制并可以存在人体血管中的超微型机器人,与所有脑神经互动。这些小机器人将会扫描所有的脑神经细胞,建立一个包含所有脑部内容的庞大资料库。小机器人还会透过无线电通信系统彼此连接,也可以和脑部以外管理资料库的电脑或网路进行交流。
  不过这种科技含有极大的危险。脑部扫描为资料库之后,个人所有的思想与隐私难免面临黑客入侵的危险,人脑也可能遭到外来控制。柯兹威尔说,这种风险的确值得忧虑,未来政府、宗教组织或恐怖分子可能培养微型机器人侵入人体,监视或控制他人。然而,他也指出,这类如同"特洛伊木马"的电脑病毒的问题今天就已经存在,而人类走向科技进化的路却已无法回头。他说:"我个人倾向保持乐观。但这条路上当然会有风险,也可能会失败。"
  柯兹威尔因此在书中预测说:在15年内将出现能够使人的灵魂与思想永存"电子灵魂人";在30年内,人脑的神经将会与电脑回路直接连结,这种连结代表人脑的所有内容都可以"非实体化",复制并保存到一个外部的资料库中。人脑的生物能力可以由大量的数位记忆加以补充,还能在思考运转的一瞬间,和网际网路这类大量讯息资源连接。他强调这并非是科学幻想小说,事实上目前医学界已经在人脑中植入矽晶片,与脑神经直接连结,试图治疗帕金森氏症与听觉障碍。50年内,"后人类"开始孕生下一代并形成少数贵族阶层。他认为,到了2099年,也许将只有一部分人保留着生物躯体,大多数的人将自己的思想转换成电子电路——成为XBG化的电子灵魂人,结果就在某种程度上获得了永生。
  其实,柯兹威尔等科学家们的这种想法并不是什么新鲜的事,早在1988年,科幻小说家汉斯·莫拉维克就曾经在他的科幻小说《思维小孩》中设想过,有一天会出现一种把人和机器结合起来的仿生人。这种仿生人是用手术把人自身的自我意识移植到机器人中,每移走人的一部分神经元,做手术的医生就把人脑中其它大量的神经元网络与一个金属薄膜相连,以精确复制人的原始神经元的功能。这样,可能在人完全清醒的状态下,他的大脑就被逐渐地替换,最终机器大脑就会得到原来这个人的所有记忆和思想,并且可以在这个由硅和金属的复合体内永远的生存下去。

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活体试验在中国

1995年9月27日至10月1日由美国出资的戈尔巴乔夫基金会,邀集当今世界的500名最重要的政治家、经济界领袖和科学家,其中包括乔?布什(当时他还不是美国总统)、撒切尔夫人、布莱尔、布热津斯基以及索罗兹、比尔盖茨、未来学家奈斯比特等大名鼎鼎的全球热点人物,在旧金山费尔蒙特饭店举行高层圆桌会议。讨论关于全球化以及如何引导人类走向21世纪的问题。这个会议认为,人类历史上一个崭新的时代业已到来。这个时代将是非工业文明的时代。工业时代与它的大规模福利(社会保障)制度一起,已成为经济史的短暂瞬间即将不复存在,他们产生一个方案,就是逐步设法用"高技术"手段消灭80%他们认为的垃圾人口而留下20%的人类精英,或者采用"高技术"手段使那些垃圾人口部分变成这些精英的活体试验品!
请看下面一段对话:
您好!
请问*先生,你具体是干什么工作的?或者你在负责什么项目呢?
我们初步认为:如果你是一个普通居民,别人不可能花那么大的成本去给你安装此类窃听。
此类窃听在国内还没有生产,国外是有的。而且国内有这种窃听器的单位也不多。并且此类窃听的安装也不是那么简单的。该装置安装起来非常非常繁琐,也非常非常昂贵。
在 2002-03-07 10:33:00 您写道:
我不知为什么得了一种奇怪的病,已经持续了两年。
其主要特征就是:
1、耳边总有两个人在说话且有时非常清晰,有时又听不清晰;
2、不希望听又不能,因为听不清时非常非常头疼;
3、用形象的比喻有点象我拿着手机,对方也拿着手机(我的手机听话系统又有点毛病);(这个特征非常象!他们可讲可不讲,话题就完全是两个人在对话,话题关于我的较多,也有关于我不认识的人,他们是有意讲给我听;我又无法不感应到。
4、我只要想什么,对方就能感应到,并全部告诉另外的一个人;
5、他们说他们给我体内植入了窃听器,自己用接受装置接收,还讲他们是顺风耳和千里眼于一身;
6、他们经常恐吓我,不让我讲出来;
  目前可以认为此类窃听器就是纳米机器人及其操纵设备,它们被用来进行活体试验,主要目的是进行人脑运行研究,不同行业选择有代表性的一个人作为实验品,这种装置主要应用在包括中国在内的无线技术不发达的发展国家中的他们认为的垃圾人口,那些所谓的精英肆无忌惮的操作着这些设备利用无线技术对选中的实验品进行惨无人道的活体实验!!而这些被选中的实验品的保护者--他们的国家安全部门和公安部门由于技术的落后对这一切却一无所知,还津津乐道地对他们的纳税人讲平安无事!!!而那些被实验者却过着叫天天不应叫地地不鸣的地狱般的生活!!!

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一、思想控制武器(摘自信息作战指挥控制学)
能对人的思想意识与精神状态进行干扰及破坏。
思想控制武器,应该说是大脑激励控制技术发展的成果。大脑激励控制技术是一门新兴的现代科学技术:当运用到军事领域以后,它便产生了。
思想控制武器由能够产生光线和一连串语言的计算机组成。它的用途,是根据脑电波分析人的个性,并发出一些潜意识的信息来影响单个的人或一批人。也就是说,通过它来控制作用对象即大脑的反应,使其思维按照施加作用者的意愿去活动。勿庸置疑,思想控制武器在军事家眼中的价值难以估量。1991年在莫斯科这种武器首次亮相。据认为,前苏军入侵阿富汗时使用了它。现在,美国也正加紧进行思想控制武器的研究和试验工作。
要解释思想控制武器的作用机制,应该从大脑激励控制技术说起。如果我们仔细研究一下脑电图,就可以发现,在不同的状态下,大脑辐射不同的低频电磁波。人在深睡时所发出的称为△波,频率在0.5~4赫兹之间;做梦时则为4~7赫兹,称64为6波;空闲时为a波,频率为7~l3赫兹;最后是p波,那是人在集中精力工作时发出的,频率为l7~30赫兹。大脑激励控制技术的任务,是给大脑以电磁激励,使它有更大的输出,从而达到控制人意念的目的。譬如说,当将赫兹的光脉冲施加在被作用者周围时,其大脑受光脉冲的激励,导致昏昏欲睡。美国的一家实验室,是目前世界上研究大脑激励控制技术的先驱。它设在美国俄亥俄州的一个空军基地,为的是借用那里的琶行模拟器。因为这项技术是高度计算机化和自动化的,而模拟器便正好派上用场。尽管人们对大脑的认识还相当有限,但并不妨碍这门技术的发展。这家实验室目前已接受了60多名志愿者。他们通过大量的试验发现,每个人产生a波的位置和频率都相仿。,这为思想控制武器的研究,提供了可行性证明。

二、情绪控制武器
情绪控制武器是苏联依据声学心理矫正原理利用专门的仪器设备发射一种特殊的电磁波或白噪声(一种令人心烦或讨厌的声音)进入人的潜意识以控制人的情绪改变人的行为但不扰乱人的其他智能。这种情绪控制技术可能被用于平息骚乱挫伤敌军士气甚至使其丧失战斗力也可用于激励友军土气提高战斗力

三、低频催眠武器
低频催眠武器,是指通过使用频率非常低的电磁辐射,可引起大脑释放控制行为的化学物质,是一种非杀伤性电磁武器。电磁辐射的磁场是非常弱的,使用这些频率,将立即造成同流行性感冒一样的症状,并引起恶心,甚至使人处于昏迷状态。但是,这只是使人处于暂时的“伤残”,没有杀伤性,而且还是可以逆转的。

四、射频闪击武器
射频闪击武器,是利用高频率的射频波来闪击并摧毁敌方的指挥系统,并能使敌方的人员思维和情绪受到影响。特别是当人员遭到射频直接闪击时,在脉冲的作用下,会使神经细胞发生混乱,出现神经错乱,晕头转向的现象,造成心房纤颤,甚至引发心脏疾病。

备注:它们可都是超视距作用的,是未来隐蔽战争最好的利器!

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《新概念武器损伤与医学防护》摘录
前苏联也是较早研究次声武器的国家,并进行过大范围的试验。已知前苏联成功发明了次声意识情感控制技术并产生了相应设备。英国从前苏联购置了这项技术并拥有EMS情感控制仪,并将此设备出售给许多国家以及台湾。

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方兴未艾的分子电子技术
收稿日期2000-05-24
王静端(1942-  ),女,广东梅州市人,副教授,中国电子学会高级会员,从事微电子学,光电子技术研究,
电话:0791--3680448--71044
南昌陆军学院机电教研室,江西,新建 3301103
摘要:分子电子技术是以分子作为载体,在分子水平上实现电子学的信息处理和存储过程的仿生技术,它是70年代以来在分子电子学基础上产生的一门新兴技术,其目标是研制由分子器件构造的并行分布式仿生智能信息处理系统,开辟了信息科学发展的新途径
关键词:分子电子技术、信息处理、信息存储、仿生技术
早在20世纪70年代,科学家们就已经发现许多蛋白质分子具有开关特性,提出了分子电子器件的概念。美国华盛顿海军研究所最早进行把有机化合物用于分子电子器件的研究,1978年第一个有机晶体管研制成功,1983年制成了第一个分子检波器。1985年利用细胞色素C制成了有开关功能和记忆功能的生物分子元件。80年代科学家发现微细加工技术是有限度的。当加工线宽到达100nm的水平时,被认为是微电子技术发展的极限。从而对分子器件的期望迅速增大,于是掀起了研制分子器件的热潮。进入90年代以来,美、英、日等国的科学家积极探讨,希望能研制出由单个电子、原子和分子构成的器件、连线和电路,最终实现分子电脑,据美国《科学与共同政策》杂志报道,美国已研制成功只有4nm的并具有开关特性的复杂分子。1993年日本日立公司宣布,该公司与英国剑桥大学利用纳米技术,研制成功存储容量达16G字节的“单分子存储器”。随着纳米生物工程技术的发展,近几年来生物分子器件的研制出现划时代的发展。美国的研究人员已在实验室里成功地制造出许多能存取信息的分子大小的开关。在1999年11月美国的科学家马克.里德与赖斯大学化学教授詹姆斯.图尔在《科学》周刊发表文章,介绍了如何制造单个的分子开关,这是利用化学过程(即自组装技术)制造的未来系统的基本部件。
美国国防超前研究计划署提出了一项“分子电子学”计划,根据路透社纽约1999年12月6日报道,美国IBM公司最近宣布,将计划用5年时间,用1亿美元研制一台速度为1000万亿次/秒以上的超级计算机,根据《纽约时报》3月23日以《计算机技术的新时代》为题的报道,在1997年成立了加利福尼亚分子电子技术公司,1999年这家公司得到了全国科学基金会的一笔拨款,用于开发分子大小的开关装置。2000年2月,这家公司通过因特网直接发行了价值600万美元的股票,在1999年12月美国的一群分子电子技术的佼佼者和化学家已经组建了一家公司--分子电子技术公司,于2000年1月在芝加哥开设了它的第一个营业处,试图开创数字电子技术新时代--以无数分子大小的基本部件为基础创造出功能极其强大的计算电路。
分子电子技术的制造技术与现在制造半导体芯片所使用的技术完全不同,它是通过纯粹的化学过程来生产微小的电子电路,使大量的电子系统组成一个巨大的存储系统,进而组成功能巨大的并行计算机,尽管现在尚未成熟,但研究人员坚信,一个原子一个原子地制作计算机的梦想终有一天会实现。
1、分子电子技术的研究方向
目前分子电子技术的研究方向为:1)分子材料的获得及应用,即寻找可利用的分子功能材料;2)分子导线研究,寻找在分子尺度上微小元器件之间的连接途径和方法;3)分子组装和刻蚀技术(纳米技术);4)分子器件(开关器件和传感器)的作用机理和模型研究,开发实用性的分子开关器件和传感器;5)研究具有多状态,多功能的系统单元(生物集成电路及其应用;6)研究分子计算系统模型等。
2、生物芯片
由于一个蛋白质分子就能构成一开关,因此可用它作为生物集成电路--生物芯片。生物芯片是运用大规模集成电路光刻技术以及生物分子的自组装技术,在一微小芯片上组装成千上万个不同DNA或蛋白质的生物分子微阵列,实现以基因为主的分子信息大规模检测
在生物芯片中,信息的接收、转换、传输、记忆和处理都是在生物分子的网络中进行的,而担任信息运送的是激素和传感神经等的分子。信息是以波的形式传递的,波沿着蛋白质分子键传播时,会引起蛋白质分子键中的单键、双键结构顺序的改变,因此,当一列波传播到分子键的某一部位时,如同硅集成电路中的载流子那样传递信息,随着分子电子技术的发展,将用工程方式实现人脑的高级信息处理机制。现在由于对高级信息处理进行实时光学测定的系统开发成功,将可查明人脑实现感觉、学习、思维、记忆等重要功能的高级信息处理的过程,将可实现直接测量人脑的神经细胞网络中的高级信息处理。科学家预言,把生物分子器件融入电子系统中,将完全可以研制出一种能够自我调节、自我复制的全有机生物分子芯片。
生物芯片的主要类型与功能是1)分子与生物分子电子器件可作分子开关、分子导线、分子存储器、能量转换器等;2)生物检测分析微芯片--基因芯片、免疫阵列传感器、芯片电泳以及其他阵列型微芯片。
生产芯片的优点有:1)采用了平面微细加工技术,可实现大批量生产,通过提高集成度,降低单个芯片的成本;2)可组装大量的生物分子探针,获得信息量大,效率高,特别适合基于基因信息的采集;3)结合微机械技术,可把生产样品的预处理,基因物质的提取、扩增、以及杂交后的信息检测集成为芯片实验室,制备成微型、全自动化、五污染、可用于微量试样检测的高度集成的智能化生物芯片。
3、分子电脑
目前,作为计算机核心元件的集成电路的制造工艺已接近理论极限。现有的计算机的运算速度和能力已经不能满足实际的需要,有许多科学家早就预料到目前的状况,从80年代起就着手研究第六代计算机---分子计算机。
开发分子电脑的目标是像人脑那样具有学习、记忆、推理和思维的能力,如果分子电脑开发成功,人工智能的发展可望大步前进。
生物分子电脑的特点有:
1)体积小,存储容量大、可组装成三维器件;可稳定保存数据,由于一个蛋白质分子就能构成一个开关,芯片中的线宽可能达到10的负6次方厘米水平,因此,其集成度比硅集成电路高出10万倍。在理论上可存储10G字节,相当于可存储5000亿个汉字的信息量,即使断电时,仍然可稳定保存数据。
2)具有自我组织、自我复制等再生能力,可靠性高,由于蛋白质本身具有自我复制功能,由蛋白质制成的芯片即使出现故障也能自我修复,从而提高芯片的可靠性。
3)具有阻抗性、耗能低、功效高、非扩散性和非发热性的特点;由于生物分子芯片是利用化学反应进行工作的,它只需极少的能量即可进行工作,因此,它不发热。具有耗能低、功效高的特点,
4)速度快,可大幅度提高运算速度和信息处理能力,大大节省运算时间;由于分子逻辑元件的开关速度比目前硅逻辑元件高1000倍,同时生物分子电脑具有并行处理信息的功能,因此,可大大提高电脑的运算速度和信息处理的能力,其运算时间仅为硅集成电路计算机的万分之一。
5)与生物体同质,具有生物活性;可埋入体内,能与人体的组织结合在一起成为人体的器官,并可作为人脑的自然外延。
6)可制成分子机器;未来的分子机器将是一种含有分子计算机的、可人机对话的、有自我复制能力的纳米装置。第一代分子机器是生物系统和机械系统的有机结合体;第二代分子机器是能直接以原子、分子装配成具有一定功能的纳米装置。第三代分子机器将是含有纳米电脑的可人机对话的并具有自我复制能力的纳米装置。
4、应用
1)利用具有自我复制能力的分子机器人,可人机对话,并能在1秒内完成数十亿个操作动作,可在几秒内完成现在几天才能完成的工作。
2)利用分子机器人可在血液中循环,可对身体各部门进行检测、诊断和实施特殊治疗。可制作各种复杂的仿生系统,如模仿人的视觉、味觉、嗅觉和听觉等,将生物芯片置入人体内可使盲人重见光明、使聋哑人说话、使瘫痪人行走。
3)利用蛋白质生物图像传感器,可作工业机器人的图像传感器和光学计算机的信号处理器。
4)可高灵敏度测定微生物污染程度,利用由大蛋白质分子制成灵敏度高达10的负14次方的人工嗅觉器官进行探测。
5)利用生物分子器件与专家系统相结合,在化学和生物战剂的联合侦检中将获得广泛应用。
6)利用分子军用遥控机器人,可创造出全新的作战手段。利用昆虫作平台,把分子机器人植入昆虫的神经系统中,控制昆虫飞向敌方收集情报。
参考文献:分子计算机技术突飞猛进
王乃粒  分子机器并非幻想  世界科学 2000、3、46
中国国防科技信息中心:2020年的武器  1999出版

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Cyborg与信息社会的未来
作者:
作者:
颜君蓉、王仟雅、杨忠宪(南华大学出版所研究生.TW)
  
一、Cyborg的定义
Cyborg这个名词是Manfred Clynes与Nathan Kline于1960年所提出,指的是采用辅助的器械,来增强人类克服环境的能力。而在传统的讨论上,通常就是指整合有机的和人工的系统于一生物体上;如同cyborg的始祖,1950年代后期一只实验室中的白老鼠,当时实验者在老鼠的身体中移殖一个可以精确地注射控制化学药品微小的渗透帮浦。而当我们将它运用到人类身上,从光学运用的眼镜、补缀器材(假牙、义肢)的使用,一直到较为精细的人工器官的移植;诸如此类,原本的「人」都将演变成一「cyborg」。而在电影或是电视影集中更有如同机器战警、魔鬼终结者…等各种不同程度人类与机械合体的角色想象,因此cyborg的中译名词就有将其译为「生化机器人」、「机械有机体」或是「人—机器」;这些译名其实都代表了科技器械已经而且将持续增强人类的能力。
  
谁是Cyborg?是《未来战士》里的筋肉机械人?是《盗墓者》游戏里的大胸部?或是Lara Croft?是动画《新世纪福音战士》里穿著有胸宇宙飞行服作战的绫波丽(许多个绫波丽,她(们)是复制人)?是勇于不断改造自己面孔的麦可.杰克森?还是要靠呼吸器来延续气息的婴儿?
倘若在乐观派科学家的预言成真──人脑的内容总有一天能完全数据化,可以任意上传或下载──那么到时候,连人脑与计算机的分际都会无形中消失。于是在这个前提下,未来地球上无论有多少种智能生物,都将被生物分类学家视为「机器人类」(Robo sapiens)底下的各个几种。
  
BOX1
  人机合体(Cyborg):无论为了医疗目的或是为了强化自身,凡是肉身加装或植入(永久性)智能型机电装置的人类,皆可称为「人机合体」。倘若将这个定义扩及动物,则可泛称之为「生机合体」。Cyborg是由Cybernetics(模控学)与Organism(生物体)两个英文字的字头组合而成,其中Cybernetics原指研究通讯与控制的学问,目前已延伸为泛指一切与计算机相关的科技。
  早在一九七○年代,美国科幻影集《无敌金刚009》(The Six Million Dollar Man,1974-1978)便成功塑造出一个人机合体的角色。不过在科幻作品中,却也不乏非自愿的人机合体。例如电影《机器战警》系列(RoboCop, 1987/1990/1993)里的男主角,便是在死后被回收再利用,变成「机器战警」的一部分,本身则失去了记忆与自由意志。而在《超完美娇妻》(The Stepford Wives, 2004)这部电影中,那些「娇妻」是由于脑部加装了思想控制芯片,才会个个变得「超完美」。至于最可怕的例子,则莫过于美国科幻影集Star Trek系列中的大反派「柏格人」(Borg)。
  
BOX2
  柏格人(Borg):Star Trek系列中最受观众欢迎的外星反派,名称由Cyborg简化而来。柏格人是标准的人机合体,而且个体本身没有自由意志;整个族群由「柏格女王」主宰与控制,是一种类似蜜蜂或蚂蚁的社会性动物。但柏格人与蜜蜂或蚂蚁又有很大不同,他们的生存目标是征服并同化其它智能生物。因此严格说来,柏格人并非一个特定种族;凡是遭到「柏格化」的银河智能生物,都是柏格族群的一员。
  柏格人最早出现于第二代影集《银河飞龙》(Star Trek: The Next Generation, 1987-1994),而在原班人马跃上银幕的《战斗巡航》(Star Trek: First Contact, 1996)这部电影中,柏格人也有吃重的演出。此外,第四代影集《重返地球》(Star Trek: Voyager, 1995-2001)的编剧群则对「柏格科技」有更上一层楼的描写,其中的柏格人除了巨观的机电装置,血液里还充满微观的奈米机器人。
  
BOX3
  医疗仿生学(Medical Bionics):仿生学(Bionics)可粗分为两大领域,较为人知的是「工程仿生学」(Engineering Bionics),专门研究如何模仿生物的形态或功能,再将结果应用于各种工程设计(参见九月号本专栏)。「医疗仿生学」则是研究如何以「非生物科技」的方法,制造出各种器官的功能性替代品。与天生的器官相较,这些人工器官目前或许略逊一筹,然而随着科技的进步,它们总有一天会超越大自然的杰作。本文谈到的人工心脏、人工视网膜、人工耳蜗以及各种智能型义肢,都是目前医疗仿生学最尖端的成果。
  
BOX4人工器官Vs人造器官
  本文将医疗仿生学的产品统称为「人工器官」,例如人工心脏、人工骨骼等。这些「人工器官」仅仅形状与功能类似天生的器官,本质上却是广义的机电装置。至于「人造器官」则是生物科技(如「组织工程学」)的产物,与天生的器官几乎在各方面都毫无差异。
  
二、Cyborg society
1、Cyborg society的意涵:
Cyborg society可能代表两种意义;其一是指社会中住着cyborg的公民,其二就是指整个社会结构就是cyborg。现今的社会已经可以称得上是Cyborg Society了,因为广义来说,一些增强生活功能的辅助器材,已经成为现代人类社会所不可或缺的必需品,而这样的情况就已符合前者的定义。然而,在这部分我们所要讨论的则是其第二项定义,也就是将这个概念由个人身上延伸到整个社会结构上。 与之前提到Cyborg之对于人类本身同样的,Cyborg society的人机接口发展也大致可分为三个阶段:增强与替代、侵入的机器接口、一统。
(1)增强与替代(Augmentation and Replacement) 与个体Cyborg同样的,在一开始一切的发明与创新都是为了功能的增强,电报、电话的发明,逐渐地替代了人们长久以来用以维持远距情谊的书信;电视媒体的发明使得人们的视野能够无远弗届,达到”秀才不出门,能知天下事”;计算机的发展经由真空管、超大型计算机一直到个人计算机的发明使得一些复杂的运算得以快速达成,计算机成了最佳的计算和数据处理的工具。这些个别的发明都将人类人际、讯息取得、知识…等需求的达成,有了更快、更广、更好的方式。
(2)侵入的机器接口(Invasive Machine Interfaces) 增强与替代通常是片段的与部分的,但是当迈入这一个阶段,其影响将会是全面的、整合的;网际网络的发明之后,世界掀起一股网络热潮,没有人感忽视,没有人愿意被拋在后面,所有增强与替代的发明都朝向网络生活,此时,网际网络与我们的社会结构进行整合,所有正式与非正式的沟通互动人际关系与生活都将网络化或称之虚拟化,虚拟公司、虚拟商店、虚拟货币…等,都在实际的生活中被运用,在这样的情况下我们可以说:虚拟入侵真实,虚拟不再只是虚拟。
(3)一统(Unification) 一统,或许有人会认为第二阶段部分,所有事物都朝向网际网络的发展,就已达成所谓一统的阶段;但是,其实这样还不足以称之为一统,一统应该还包括了精神或是文化层面的部分,乐观者可以说它将带来更新、更好的世界,悲观者将有可能将其视为更加冰冷的宰制。
简言之,Cyborg Society的发展即是从达成方式的革新,进而到整体量的改变,最后将可能会是整体本质的变革。  
  
2、虚拟城市:
在此,将提出Cyborg society的具体例子—虚拟赫尔辛基(Virtual Helsinki ):所谓的虚拟城市,其实就是想要透过宽频网络的相关技术,在网络上建立一个完整城市的复制版,让部份的城市生活可以在这个虚空间上以零距离的方式来进行。「虚拟赫尔辛基计画(Helsinki Arena 2000)」[1][15]便是企图朝向此一理想的具体实现。
「虚拟赫尔辛基计画(Helsinki Arena 2000)」是隶属于一个更大规模的网络发展计画[「单一欧洲讯息城市(Infocity)」[2][16]计画中的一部份,从1997年1月1日开始执行第一期的发展计画,它企图透过政府、民间企业以及其它组织的共同努力,利用3D虚拟实境技术在网络上建立一个完全虚拟的赫尔辛基,藉以提供现实世界中的赫尔辛基居民人们可以透过网际网络相互沟通。 整个虚拟城市计画企图透过3D技术「虚拟标记语言」Virtual Reality Modelling Language (VRML)),打造一个完全虚拟的立体网络城市空间,各种忙碌的城市活动都可以在这个虚空间中举行,包括文化活动、购物或者是开会等等。人们可以透过网络在虚拟的赫尔辛基的街道上活动、拜访朋友,或者是透过影像电话来彼此联系。所以如果这个计画普遍实施,可以预见它将使现实生活中的赫尔辛基的居民生活方式大为改变,以后各种现实城市生活中的参观活动、排队洽公或是办公活动都可以改由透过家里的计算机与网络系统来完成。 除此之外,虚拟城市计划发起人Risto Linturi提出,因为人类可能极不希望将芯片植入自己的脑中,所以同样的芯片就以植入行动电话来取代,行动电话将是十分重要的工具,行动电话具备一组 ID,所以行动电话的ID就代表身分,可以利用它打开大门,不需要钥匙和门铃装置。当身在超级市场的时候,你可以透过大哥大屏幕看到家中冰箱食物的剩余状况,然后马上就知道你该购买哪些东西,在购买时,还可以利用行动电话联机银行直接付费,不需要现金,信用卡当然更不需要。 当然若将虚拟城市的建构以及个体芯片的运用作结合,无论是任何生活所需的活动,都可同时在实体街道或是虚拟都市中进行选择,或是整合运用。这是一个趋势,是许多高科技发展国家的共同努力方向,就前述的单一欧洲讯息城市计划中就已包含了曼彻斯特、巴塞隆纳、赫尔辛基、维也纳…等国家,都在进行不同程度的类似计划。在理想的虚拟城市中,网络如同街道般连接着每一个人们所能前往的任何地方,虚拟即是真实,真实生活亦因虚拟通路而更加便利;此时,虚拟赫尔辛基目标的达成,可以说Cyborg society已经正式迈入「侵入的机器接口」(Invasive Machine Interfaces)阶段。
网际网络是一种工具、一种媒介,在Cyborg society中是一个四通八达的公路网;然而对于未来的展望来说,应当不在于去建设网际网络的基础架构以及技术的进步,而是如何去使用它,或是如何去建立使用它的价值:让这个社会活起来,也就是让网络成为社会的血脉。
  
一统阶段—全球脑Global Brain
If society is viewed as a super-organism , communication networks play the role of its brain .[3][17]
社会有机体的概念发源甚早,从史宾塞到涂尔干,都将社会视为如同生物一般的有机体,尤其是涂尔干于《社会分工论》中所提出有机连带的概念,当社会分化至极为复杂的程度,藉由连结产生集体意识,而使得社会外在于个人,形成先于个人而运作的有机体。在视讯媒体的发明之后,曾经有人提出地球有机体或是超级有机体的说法,其将整个地球视为如人体一般,其中电视媒体即如同人类的眼睛,广播媒体就如同耳朵,然而地球上的各项连结都是维持有机体生存的重要器官;这样的比喻虽然不错,但也仅只能比喻为不具学习思考能力的低等生物罢了,因为此有机体缺少了「脑」。
然而「全球脑」乃是Peter Russell于其1983年出版著作(The Global Brain)中所提出,认为经由科技的发展,电讯线路、光纤、卫星…等,可将地球的各个部分连结起来,并且认为由一百亿个个体的连结,地球整体将可视为一个如人类有机体所拥有的「脑」。[4][18]然而,根据Nielsen//NetRatings表示:在第一次的全球网络人口普查中,超过20个不同国家里,共有接近3亿的网络人口。[5][19]经由计算机网际网络短期倍增的扩张速度,达到百亿连结的时日不远;若以脑的模拟来说,网际网络的互动、思考(运算)以及记忆(储存)等特性,似乎更甚于Peter Russell当初所采用的电话与视讯媒体的想象。
网络具有强大的记忆储存能力已在资料的多元性与丰富性中可以得到证实,但是它所连结的还仅是几个主要的网页储存空间的服务器;前些时日受到全球瞩目的Napster便是将所有网络上个人用户计算机中所储存的mp3档案作集结,整个网络真正的达到个体间的连结,更加符合集体记忆的精神。
积沙成塔的概念也已经受到世人的重视,虽然计算机芯片体积的缩小以及运算速度的发展仍旧快速,但是终究会有其限制,端对端运算的架构将可开拓出另一条出路;英特尔于8月22日在加州圣荷西(San Jose)第七届开发者论坛(IDF)中表露其对推动端对端运算(peer-to-peer computing)网络基础建设的强烈企图,并认为这将是第三波的网络革命。[6][20]端对端运算架构最大特点是网络资源共享,包括档案共享、网际网络群组与分布式运算等,此架构可集结许多客户端间的运算资源,以达成复杂的工作,而不再需要client-server架构网络功能强大的服务器,也可说是「三个臭皮匠,胜过一个诸葛亮」。多年来,英特尔公司更已运用衍生自P2P的端对端运算PCP(PeerComputing)方式,提高公司的生产力。该公司员工下班时,数千部个人计算机看似闲置,实则通力合作,协力解答与制造微处理器相关的复杂计算。用PCP执行计算机运算,可取代通常需要大型主机才能胜任的复杂运算任务。作法是把原先由一部大型主机处理的复杂问题(例如绘制人类基因图谱),切割成一件件小任务,再交由众多个人计算机分头解决。小型机器解出规模较小的计算题后,把答案回传给效能较强的大型服务器,再把片段整合起来。PCP的应用实例之一,是SETI@Home计画[7][21]。该计画征求个人计算机使用者自动捐出一部分未使用到的计算机效能,用来寻找外星人的踪迹。
  
    包含了以上的记忆与运算功能,可以说是具备了类似脑的条件;近年来,人工智能的发展已正式朝自我修正与自我复制的方向努力,假以时日,计算机的代理程序将能自我管理与运作,因此若配合上为了人类便利性所设计的代理程序,全球脑可望真正的活起来。
由此看来,似乎将全球脑的生命性视为科技发展的成果。其实不然;以麦克鲁汉(M.McLuhan)所说的「媒介即讯息」来看,媒介本身对整个社会、的建构会有相当程度的影响。而当然更重要的是网络间流动的「讯息」;上述的诸多条件与科技的发展讨论,为的就是「讯息的处理」,若是地球的网络连结以及人工智能的结合使得整个网际网络具有外在于人类,而能独立思考与记忆,并且能够传承与修正的特性,全球脑才能算是完整。
目前信息科技发展,虽还不致于马上建构完成具备智力的全球脑,但此一发展趋势已是不可逆转的了。布兰德斯大学研究团体已经发展出可以自行设计、按照「物竞天择」法则,创造并复制「适者生存」的机器人,尤有甚者,被创造出来的机器人仍能将生存特性传给下一代,改变了人们对机器的看法。电子书的设计人员已考量让内键百科全书与字典的电子书具备自行建构内文与批注间超级链接关系的智能索引功能。事实上,人类与机械间的界限日益模糊,类似CYBERORG的观念与想法日渐增加,全球脑的时代终将在可预见的未来到临。[8][22]
当全球脑的时代来临,整个网络架构就已不再与我们生活的社会有所区隔,因为它就是社会的一部份,更可说是最主要的部分,全球脑是无形的概念,社会也是一种建构的概念,由于网际网络的入侵最后导致两个概念的一统,传统社会型态因而转变成为似乎是有生命的有机体社会。  
  
三、cyborg的迷思
     cyborg是否能进入智人﹙Homo sapiens﹚的领域而发展出普遍的心智能力,或是以有别于人类思考的方式而进化出具有智能的思考机器,建构有意识的人工体是否有可能?本文尝试以三方面试图回答此问题。首先,是人工智能本质上是对无意义符号的操弄,有意义的行为并不存在于机器中。其次,是将心智过程比喻成心理计算﹙mental calculation﹚方式的限制。最后以复杂理论解释作为人工智能之哲学背景的心物二元论之不足。
  
人工智能的限制
    Homo sapiens的意思就是「会思考的人」。我们所赖以生存的就是我们的头脑。人类早就不只是依赖身体上的气力、或是奔跑的速度以求取生存。百万年来演化的历程,使得现代人类发展出记忆、推理、判断、反省、理性,以及使用语言沟通的头脑。对理性思考﹙rational thought﹚进行科学解释的努力,使我们在逻辑学上累积了大量丰富的知识,作为一门有关推理的科学理论,逻辑试图解释人类如何进行推论。逻辑的发展促使人们相信逻辑能为所有的推理与理性行为,提供统一完整的架构。逻辑实证论﹙logical positivism﹚就主张这样的论点,人工智能﹙AI, artificial intelligence﹚和认知科学﹙cognitive science﹚这两门学科,将此观念重新包装再出发。人工智能其目标在于建造能够进行推理,以及执行逻辑决策的计算机。发展这种程序需要计算机科学家将逻辑转换为程序语言。这个步骤类似于将代数、算数等规则转译成程序语言,而使计算机能够解决数学方程式的原理。认知科学则尝试使用人工智能程序,来协助探究大脑的运作方式。因为人类心灵太复杂,计算机程序提供的各种思考历程模型,反而比较容易做仔细与精密的检验。当信息科学家把高度发展的逻辑,当作人脑内理性思维的典范时,他们所做的人工智能研究,就想尝试用计算机仿真或复制出理性程序。虽然开始时,它们怀抱着极大的信心,也打出许多强力的宣传,但是半个世纪过去,计算机威力虽然变的惊人,不幸的是在获得像人脑一样的智能方面,却是一连串破灭的期望。
     人工智能与认知科学学者相信,人的行为完全依照知识而来,而知识则由心智表征符号构成:认知力则由这些符号的操作而成。心理现象通常以各种功能程序来加以描述,而评断这些程序是否有效,则端看能否运用各种符号,以简洁与精辟一清二楚的方式来解释各个项目。
    我们不能因为现代计算机的强大威力与效用,就漠视一项有关计算机运作方式的基本事实。数字计算机「唯一」能做的事,就是根据一组事先精确定义好的规则来操弄符号。对于旁观的使用者而言,这些符号似乎有意义或指涉实际事物,然而就像美这种东西一样,符号的意义或指涉,也只存在于使用者的眼中,而不存在于计算机里。只要给予适当的设定,不需心智的符号操弄,也能制造出有意义的行为。
    这样的错误论点主要有三点。第一是认为解决某些物理学的难题就会有助于解决意识问题,其次是认为人工智能与认知科学将就这些问题带来答案,第三点则是认为人们不需要先去了解构成理念架构的生物学,只要研究行为、心智的表现及能力,以及在此假说下所形成的语法等,便能使观念有所突破而继续发展。这样的理论是一套未经验证的假说,其中最大的缺失是对于心理过程的生物学基础知识的部分。
  
计算与信息
    我们到底是出于理性的判断,或是想保持唯有人有智力的傲慢心态,而作出程序没有展现智力的回答?毕竟,飞机并不是把食物转化成能量、再像鸟一样鼓动翅膀而升空,但我们仍旧说飞机飞了。飞机以完全不同于鸟类、但适合于其结构与设计方式,达到相同的飞行目标。
两千年来逻辑发展历史中重要进展的背后,其实隐藏了某种对心灵运作方式的观点,亦即,理性的或逻辑的思考其实是一种根据规则所进行的心理计算﹙mental calculation﹚,而这种计算在许多方面都与算术非常类似。类似的观点驱动现代人工智能和认知科学的研究,这是种把心灵视为一部依据规则进行心理运算的计算器的想法。
    计算是依照明确的步骤所形成的某种符号演算,这些语法的规则的运作其实是某些计算,这些计算通常被假定与神经系统的结构以及发育模式无关,这就好比计算机软件与机器无关,可以在不同构造的机器中运作。
人类知识的新发展经常还自于从不同的角度观察事务,以及由原本看似相异的现象中寻找贯通的线索。在我们尝试理解推理及沟通的研究中,称此为信息立场〈information stance〉的观点﹙Devlin, 1997﹚。此观点促成了许多当代重要的进展。这种观点将人类的大脑比拟成信息处理系统,亦即能够撷取,储存并处理信息的系统。
    采用信息立场的好处在于此一观点提供了一致的架构,可以把认知、推理和沟通等,一律视为大脑处理信息时所采用的不同方式。认知可视为撷取信息的过程,而推理则ˋ邮寄存的信息推导出新信息,以便扩大信息的方法。沟通则是人与人之间信息传递的历程。
    但是在信息的物理表征抽除之后,纯粹的信息到底是什么?在这个所谓的信息时代,我们所搜集、保护、复制、贩卖的其实都是信息的物理表征,我们知道有一种东西叫信息,也知道如何撷取并处理这种东西,但却不能精确说明它到底是什么,因为我们仍没有适当的理论框架。这其中发生的混淆首先在于我们处理的其实是信息的表征。信息是如何被表征的,不同的行动者能从相同的来源抽取不同的信息;另一方面,不同的物体或是物体组态也可以表征相同的信息,这是因为系统规律性使然。限制﹙constraint﹚则是另一条件,对相关的限制有知识或知觉,让人们得以获取此限制所表征的信息。情境类型﹙situation type﹚则是第三项条件,辨识事物类型的能力构成人类认知与沟通的大部分基础,我们从环境以及环境中撷取信息的能力,大多建立在辨识类型上。研究推理与沟通不能不将辨识类型的脉络纳入考虑,而心理计算所假设的逻辑却是一套独立于识类型的脉络外的推理理论。
    将人类的大脑比拟为信息处理系统,并不意味着大脑就只是数字计算机,或只是神经网络。当然,大脑可以视为数字计算机,或是某种神经网络。大脑远比这些人造机具来的复杂。主张大脑是某种可以撷取,储存并处理信息的机具,并未说明大脑进行这些活动的方式。这只是了解大脑与其活动的一种方式而已,但并非唯一的方式。脑部是选择性系统而非图灵机﹙Turing machine﹚;感觉数据亦不是心灵的基础。
  
                  
                               A home computer and the human brain.
  
心物二元论与复杂
  现代逻辑尝试以独立于脉络之外的纯粹方式来捕捉推理的模式,这是笛卡儿式科学的核心。这个研究传统从柏拉图开始,经由伽利略和笛卡儿的工作,几乎掌控科学与哲学的局面。笛卡儿深深影响了现代科学的发展,因此他的观点也激发了许多建立在物理学典范上的尝试。对笛卡儿而言,心与脑是两个分离的对象,心是抽象对象,居住在物质构成的大脑中,而数学则可以解释抽象心灵的运作方式。这种主张心灵与身体之间存在着本质上的区隔的理论,称之为二元论﹙dualism﹚。二元论者假设。外观的客在事实是独立于人的诠释〈存在〉而存在的。我们从这些事物撷取信息来行动,并且建构出一套有关外在世界的内在心理表征或心理模型。思想就是在操弄那些内在表征,而认知的基础也是建立在这些内在表征的操弄上。语言则是由符号所组成的系统,而符号所构成的模式则代表了世界上的事物。
    这种论述渐渐遭受来自哲学家、生物学家以及神经科学家的挑战。来自不同知识背景的学者,批评二元论严重模糊了认知的复杂生物本质,并导致有关思考与沟通的错误观点。自达尔文以来,生物学家只要一面对特定物种,便几乎不由自主思考到演化对此生物的影响。脑部与心灵之间的关系也不例外。   Maturana & Varela﹙1980﹚认为生命系统是依据生命系统的不同部分彼此的互动而创造。我们不应将生命视为藉由内在表征来「撷取信息」的系统,而应将注意力集中于收命系统与环境进行紧密互动时所不断产生的变化。生命系统不应被视为信息的传递,而应该是两个系统间的偶合行为。思考单一而孤立的心灵状态是不正确的。必须考量其环境与演化历程。因此,心灵无法独立于身体之外而得到理解。
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0614心得一则(宗庆)
在许多科幻电影之中,人与机械相互的结合,产生出一种新的人类的方式。而实际上,我认为我们现在所处的社会中,我们不知不觉的已经与科技结合了,只是它不是以植入的方式结合,而如同行动电话、网络的使用等等都是。而在人工智能的部份,以网络的游戏为例,在各种不同的游戏类别之中,都有一套人工智能系统,控制着。目的,可能是增加游戏的可玩性,或,提高游戏的质感。一般来说,凡事可以预测的事情,都可以使用。以做为我们一个参考值来使用。未来的事。谁知道呢?我们将生活在未来的世界之中,或许,人与人之间的管道将是一台机器而已。
  
Cyborg与信息社会的未来  心得报告(纯怡)
Cyborg是存在于幻想世界中的名词,在电影、小说、漫画里我们都看过︰「星舰迷航记」(Star Trek)里的柏格人Borg、「魔鬼终结者」(The Terminator)中的阿诺、「银翼杀手」(Blade Runner)里饱受追杀折磨的复制人、日本卡通「攻壳机动队」(Ghost in the Shell)里的半人战警,好象很遥远,但是如此不真实的想象却已经不知不觉地进入我们的生活。Cyborg的发展使人与机器,及人与人之间的界限越来越模糊。(男人志春夏国际时尚特刊 2003)早期的电影「A.I.人工智能」,或者是较近期的「机器公敌」,都是令人为之耳目一新的电影,很多人认为电影有预测未来的能力,而类似的电影陆续推出,不得不让人深思,未来人类的发展会变成什么样子。人工智能所带来的,除了文明、方便外,是否也造成了一种对人类的威胁,人工智能要发展到什么样的一个程度才是最适当的,是否有必要无限制的发展下去。若是无止尽的发展下去,那么在未来的几百年后,「人」是否还是我们现今所认知的「人」呢?若是人类能够被机器取代,那么人类存在的价值又在哪里?也许我们不该只是一昧的追求科技的发展,更要思考的是人存在的意义。
【推荐网站】
http://www.swarmagents.com/vm/articles/cyborg.htm Cyborg、Cyborg Society&Global Brain
http://books.on-line.cn/baike/jqp-szsd/016.htm 人与机器之三︰复归于人的计算机
http://www.tsinghua.edu.cn/docsn/cbx/newmedia/homepage/hewei/mtkj/zhutirentong.htm网络时代的主体和自我认同
  
【心得分享】(姿香)
近半个世纪来,「人」与「机器」的界线日趋模糊,从光学眼镜、假牙、义肢,到人工器官移植,乃至未来人体植入芯片的运用……诸如此类,「人」逐渐以不同程度与机器合体,当「有机」与「人工」的结合比例,不再以有机体为主时,你是否想过,此「人」是否仍为「人」?不久前相当受到欢迎的电影《机械公敌》,其中的故事讲述了机器人服侍人类,除了自主性之外,几乎完全融入人类社会之中,最后甚至是自我演化并产生智能,最终脱离人类控制。这样的题材无论在科幻小说或是电影中屡见不鲜,但始终被视为一种天马行空的想象故事,与人类生活似乎毫无相关。但我们不能忽略,由于科技给予的想象是美好的,它的融入生活也是自然而无痛的,我们在不知不觉中都已成了「Cyborg」(苏健华,2005_3月,大地地理杂志)。面对信息社会的未来,我们可能喜出望外,我们或许裹足不前,是因为我们没办法停止。当虚拟人物、机械人可以取代我们的时候,那「人」的定位应该在哪里?机械公敌、骇客任务两部电影,都在叙述着计算机时代的反扑行动,人类是否能像电影中的英雄,战胜一切?从变人到AI人工智能到机械公敌,其实以现在的观点来看科技的未来,就如同后视镜理论,人类的研究脚步总是比实际状况晚了一步。信息社会的今天,环境充满着不确定性,新的信息与知识技能等,随时都可以在下一秒推陈出新,即使我们发现的慢、了解的晚,但是仍要不断的累积我们所知的,来诠释未来学。
【推荐网页】
1. http://mag.udn.com/mag/newsstand/storypage.jsp?f_MAIN_ID=79&f_SUB_ID=453&f_ART_ID=9237。
变人 迎接后人类时代的来临。
2. http://iwebs.url.com.tw/main/html/goya/43.shtml。
The Uncanny:Experiments in Cyborg Culture。
  
Cyborg与信息社会的未来 –心得报告(张心怡)
『Cyborg』存在于幻想世界中的名词,这样的主题更是受到科幻小说、电影、漫画家们的喜爱。如:「星舰迷航记」里的柏格人Borg、「魔鬼终结者」中的阿诺,或是《骇客任务》、《A.I.人工智能》 ..等等,当中天马行空的故事情景好象离我们很遥远,如今这些不真实的想象却已经不知不觉地融入生活当中,更成为一门学科「Cyborglogy」,涉及的领域包含传统人类学、医学、社会学、哲学、未来学……等的多元化科学新领域。科技的进步带来很多的便利,从人工智能到人工器官的研发;生物科技与奈米科技的迅速发展,为人类医学史的进步发展与生活开启新的扉页。在生活中我们常熟知的有假牙、义肢的使用,或是较为精细的人工器官移植。日前美国加州大学洛杉矶分校,研发出一种生化机器人,将活生生的细胞,黏在极端微小的机器人身上,帮助病患尽速康复。这种生物机器人直径跟头发差不多,可以深入人体里面,原本是为了航天员在宇宙飞行的时候,无法及时就医,作为急救之用,未来科学家将改用人类细胞,培养生物机器人,以便正式推出救人;在南韩,「智能机器人研究中心」主任金钟焕教授在二○○五年初宣称,计画依据人类染色体为概念,设计出人工染色体软件。可怕的是,这样的软件可以让机器人有感觉、能推理、甚至繁衍后代,这对于我们人类存在的价值是否构成威胁就得须重新思考了。
参考资料
1.      《东森新闻报》,网络查询:http://www.ettoday.com/2005/02/03/334-1750084.htm
2.      《变人 迎接后人类时代的来临》,网络查询:http://mag.udn.com/mag/newsstand/storypage.jsp?f_MAIN_ID=79&f_SUB_ID=453&f_ART_ID=9237
3.      《机器人性化,人类机器化》,网络查询:http://mag.udn.com/mag/newsstand/storypage.jsp?f_ART_ID=9236
4.      《IF–工研最IN》,网络查询:http://itrifamily.itri.org.tw/in/93/in931015-3.html   
Cyborg与信息社会的未来(庄寿美)
近年来信息科技及生体工学大幅演进,cyborg的议题也渐渐成型。不论就网际网络的普及,信息工学的应用,或者人类基因定序计画(human genome project)的突破,再再迫使人重新思考存在的基本元素,例如何谓生命,何谓灵魂,人是什么,又有何独特性,最后能够维持人之所以为人的底线何在等等。这些问题并非单纯属唯心的想象,或仅是思考的游戏。信息及生体工学的介入,不仅仅是人类知识系统的介入,以进行了解自身或者控制环境的工具,更是介入人的身体,调校人的感官,最终影响甚至松动了人的定义与意义。当人的意义系统有所更动,甚至因变动产生疑惑,相对应的将影响人类社会构成的基本概念。例如人权的概念必须回归到人是什么,或者什么是人这样的问题,否则所谓的权利将难以定位和规范。对于生命的保障也必须尝试解答何谓生命这个问题,才能明确知道该去保障什么,什么是不该甚至不能去保障的。这些社会效应,最终均将回归伦理学的层次,因为我们对于工学介入的种种判断,均牵涉了什么该做,什么不该做的抉择,甚至更多是关于无法判断,只能接受大势所趋的必然,及之后面对即将出现几乎难以预期的结果所产生的茫然。因此,我们对于生命的认知,又多了新的看法? 怎么说呢? 如果今天出现了一个有人类思考模式的机器人,那么他是属于人?还是属于机器人?   他存在的价值是为了服务人类,还是为了证实些什么?  如果真有灵的存在,机器人会有吗?  「它」们的生存法则是该受到公平的对待吗?自由权?  如果这一切都没有被给予的? 那么,同样有智能的人类,又比它们有什么特别之处,也挑战了自由意识的可贵了。
参考引用资料
http://class.cyberik.homeip.net/cyborg/
http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%94%9F%E5%8C%96%E4%BA%BA
Cyborg与信息社会的未来(梁瑞文)
   之前有看过有关AI人工智能的电影,刚开始看的时候,觉得很神奇,人类最后竟然也为了要发展像「人」一样的智能,去帮人类完成许多工作。 让我不由得去思考,是为了要证明科技的发展,还是为了要满足人类的需要呢?   这样的高科技看似为人类带来许多福址、相反的,是否也会为人类带来威胁呢?  如果有一天高科技的结果是让我们人类受到统治! 那么我们又该如何去防止这样的情况发生呢?  对于未来的世界总是有许多的期待和无知,我们又该用什么样的心态去面对,会是做什么样的准备去因应?   我相信这是处在现代的我们都曾想过的问题吧!想想现在的我们,每天的生活离不开计算机、电视、网络、科技,现在的我们是否已经开始是「不单纯」的人类了呢,未来的人类是否是与机器结合在一起呢?那么,我们是人还是Cyborg? 未来的社会如此的先进,现今的我们有是目标的发展科技呢? 还是我们正带领人类进入一项新的大战,一场人与机器人的大战?  虽然如此,科技仍然需发展,人类仍然不停要进步!  唯一不变的,就是现在的我们每天都需要持续不断的吸取新知! 进步才行。               
参考资料:
http://teens.theweb.org.tw/iscenter/conference2002/thesis/files/20020515230059211.78.173.18.doc
http://mag.udn.com/mag/newsstand/storypage.jsp?f_MAIN_ID=79&f_SUB_ID=453&f_ART_ID=9237
心得一则(晓薇)
世界快速变化,网络的世界里,每过2年就成了一个世代。不仅信息、科技的使用更加多元、方便,人类的生活模式、组织型态、工作方式、人际关系、内在情感等等,不停地转变,但是,这是否真的代表着「进步」呢?或许在机械的操作、使用上,经过不断的改良、研究,朝向方便操作、随身携带,让我们运用自如,人人都可成为一个功能强大的cyberorg,透过机械的帮助,能力无限延伸,或者更有预言,将来人人只要植入芯片,所有的信息、知识,就全都可以输入脑中。这些不断研发问世、让人转变为「超人」的机械帮助,或者可称得上是个「进步」。但是内心世界的丰富与满足呢?现在,或许有许多人用网络上的人际交流、联机电玩等活动,来掩饰心中的空白,逃避现实的难堪。但是时间久了,我们不禁要问自己一个问题,「我们是否被计算机宰制或制约了?」许多描绘未来世界的电影、小说,告诉我们未来世界中,可能使用的精巧机器,有多么方便,但是对人类也危机重重。如:电影[骇客任务]中,描绘出人类被计算机操控、奴役,却茫然无所知,也述说出所谓先知者的努力抗战,引导我们去思考「虚拟与真实」无法区辨的可能。其它如:[变人]、[AI人工智能中] 等,也一再提醒、重复审视人类应该要重视情感、内在精神的重要。人类以为自己操控了先进的科技技术,把一切交由计算机机器处理,掌控一切的同时,可能也丧失对于自我价值的思考能力,失去了对于自身价值的自主性,最终,是否会丧失人类宝贵的精神文明、思考能力的价值呢?未来的社会,又会呈现如何的面貌呢?
推荐网站—机器人类知多少。科科网。http://sf.nctu.edu.tw/yeh/robo_7.htm  
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[1][15] arenanet(http://www.arenanet.fi/index.html),2000/8/6。
[2][16] Infocity(http://www.infocities.eu.int/),2000/8/6。
[3][17] Francis Heylighen & Johan Bollen ,〈The World-Wide Web as a Super-Brain : from metaphor to model〉,(http://pespmc1.vub.ac.be/papers/WWWsuperBRAIN.html),2000/7/5。
[4][18] Peter Russell(1995),〈The Global Brain…An Over View〉(http://21net.com/online/russell.htm),2000/10/8。The Global Brain Concept(http://www.santafe.edu/~gmk/MFGB/node14.html),2000/11/7。
[5][19] 〈世界网络人口数接近三亿人〉(http://news.kimo.com.tw/2000/09/13/technology/zdnet/602585.html),2000/9/13。
[6][20] 〈英特尔网络革命睡狮醒〉(http://news.kimo.com.tw/2000/08/24/technology/digi/556206.html),2000/8/24。
[7][21] ET, phone SETI@home!(http://science.msfc.nasa.gov/newhome/headlines/ast23may99_1.htm)。
[8][22] 翟本瑞, 〈虚拟社会学的虚拟社会基础〉,「第二届社会科学理论与本土化研讨会」论文,2000年10月6-7日,嘉义:南华大学。

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认知科学:世界的和中国的

作者:蔡曙山

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  一、两大科学计划,四大聚合技术
  
  2000年,人类刚刚跨入新世纪的门槛,美国国家科学基金会(NSF)和美国商务部(DOC)共同资助50多名科学家开展一个研究计划,目的是要弄清楚在新世纪哪些学科是带头学科,研究的结果是一份长达480多页的研究报告,题目是:聚合四大技术力量,促进人类生存发展,它的结论表述却很简单,只有4个字母,就是NBIC,它们分别代表纳米技术、生物技术、信息技术和认知科学。
  研究报告说:“在下个世纪,或者在大约5代人的时期之内,一些突破会出现在纳米技术(消弭了自然的和人造的分子系统之间的界限)、信息科学(导向更加自主的、智能的机器)、生物科学和生命科学(通过基因学和蛋白质学来延长人类生命)、认知和神经科学(创造出人工神经网络并破译人类认知)和社会科学(理解文化信息,驾驭集体智商)领域,这些突破被用于加快技术进步的步伐,并可能会再一次改变我们的物种,其深远的意义可以媲美数十万代人以前人类首次学会口头语言知识。NBICS(纳米-生物-信息-认知-社会)的技术综合可能成为人类伟大变革的推进器。”
  这个论断有多重含义。首先,报告对NBIC各学科的目标都用一句话来指明。其中,认知和神经科学的目标是创造出人工神经网络并破解人类心智之谜。我们知道,根据塞尔(John R. Searle)的人工智能模型CRA,目前的计算机系统是没有智能的,而作为NBIC目标的人工神经网络系统却是具有人类大脑功能的智能系统。只需设想一下人工神经网络系统在现代科学技术和人类现实生活中可能的应用,认知科学的重要性就是不言而喻的。
  其次,它预言这些技术的进步“可能会再一次改变我们的物种,其深远的意义可以媲美数十万代人以前人类首次学会口头语言知识。”——这是何等重大的进步!在人类进化的历史上,只有三个重大的事件改变了我们的物种,也改变了人类进化的方向。第一个重大事件是人的直立行走。第二个重大事件是火的使用。人类学会了用火来加工熟食,人获得了脑进化所必需的充分的蛋白质。第三个重大事件是文字的使用。从此,人类的经验才有可能成为知识,并一代又一代地传给后人。使用表意的符号语言,是人之所以成为人、并且区别于其他动物的最重要的标志。在人类进化的历史上,除了这三个重大事件,其他的事件和人物都没有也不能被称为“可能会改变我们的物种”。中国古代四大发明、法拉第与电的使用、爱因斯坦与核能的释放、计算机的发明和互联网的使用……这些都是改变人类历史进程和生活方式的重大事件,但它们都还不能被称为“改变我们的物种和生存方式”的事件。现在NBIC来了,它被称为“可能会再一次改变我们的物种,其深远意义可以媲美于语言文字的使用”,何以对它有如此之高的评价?这里需要回顾一下美国的两大科学计划:人类基因组计划(Human Genome Project,HGP)和人类认知组计划(Human Cognome Project,HCP)。
  人类基因的探秘可以追溯到20世纪50年代。1953年,詹姆斯·沃森(James D. Watson)和弗兰西斯·克里克(Francis Crick)确立DNA双螺旋结构,并认定细胞从中读取遗传指令;1966年,发现DNA三联体密码如何确定蛋白质的氨基酸序列;1973年,发明DNA重组和对基因的克隆技术;1987年,美国能源部开始投资人类基因组计划;经过15年的努力(与计划的时间完全一致),2001年2月,人类基因组计划和Celera Genomics公司分别在《自然》和《科学》杂志上公布了人类基因组草图。沃森说:“人类基因组草图毫无疑问是人类历史上的一块里程碑,它揭示了人类遗传学图谱的基本特点。这个图保证了我们可以从中鉴定绝大多数与人类生存和生活相关的基因,然后,再通过遗传密码将这些信息翻译成蛋白质,我们就能够获得对于组成我们身体的大分子物质的完整、深刻的认知和理解。同时,我们也意识到这些分子基石与构成其他形式生物体的基石是相似的。达尔文进化论可以在遗传学图谱这一增加的信息基础上得到进一步的阐释。”关于人类基因组计划,各类媒体已经宣传得很多,加之它也不是本文的重点,我们不再赘述。
  人类认知的探秘也可以追溯到20世纪50年代。这是一个特殊的时代,我将它称为“轴心时代”,因为20世纪科学技术的很多重大发展都诞生于这个时期。除了我们前面提到的沃森和克里克的DNA双螺旋结构的发现及其后生命科学的发展,与人类认知有关的研究和发展有:冯诺依曼的第一台电子计算机的发明及其后计算机科学技术的发展;乔姆斯基的形式句法结构理论的建立及其后现代语言学的发展;乔治·米勒、赫伯特·西蒙、艾伦·纽厄尔等对认知心理学的研究及其后心理学的发展;萨丕尔、坎克林、马林诺斯基、列维-施特劳斯、格尔茨、雷德菲尔德和罗依斯、派克、古迪纳夫、布鲁纳等文化进化与认知的研究及其后人类学的发展;乔姆斯基、奥斯汀、塞尔的语言哲学和心智哲学及其后英美哲学的发展等等。
  由于经过从20世纪50年代以来四分之一个世纪的发展,到了20世纪70年代,人们感到有必要而且有可能对与人类心智有关的问题进行系统的和多学科的交叉研究。1975年,由于美国著名的斯隆基金的投入,将哲学、心理学、语言学、人类学、计算机科学和神经科学6大学科整合在一起,研究“在认识过程中信息是如何传递的”,这个研究计划的结果产生了一个新兴学科——认知科学。
  《聚合四大技术力量,促进人类生存发展》一书(以下简称《聚合技术》),研究者对人类认知组计划给予特别优先的地位:“最高优先权被给予‘人类认知组计划’,即通过多学科的努力,去理解人类心智的结构、功能,并增进人类的心智。其他优先的领域还有:人性化的传感装置界面、通过人性化技术丰富交际、学习如何学习、改进认知工具以提高创造力。”本报告第二部分“扩展人类认知和交际能力”对人类认知组计划做了更加详细的综述:
  人类认知组计划将要揭示人类大脑的所有联结方式,与此同时,该计划还要扩展到比神经科学更加广阔的领域。考古学的记录说明,解剖学意义上的现代人早在最早的艺术样本出现之前就已经存在了,这一事实说明,人类心智不仅仅是脑进化的结果,它还要求文化与个性的实质进化。人类认知组计划的核心是一个完整的新型的研究,除了基础的认知科学的进展,还要对文化和个性的本质做严肃的研究。
  人类认知组计划的研究结果将在人类致力的诸多领域引发根本的变革,包括教育、心理健康、交际以及由社会和行为科学所涵盖的大多数人类行为。对于将人类个性化人格特征的样式加载于计算机、机器人的长期可能性,从而扩展人类经验、行为和寿命的范围,人类认知和交际工作小组的一些参加者留下了深刻的印象。最低限度来说,更深入地理解人类心智会使工程师设计出这样一些技术,这些技术非常适合人类控制,并能够最有能力和效力完成理想目标。人类认知组计划的成功将会极大地促进本工作小组在其他四个相应领域取得成功。
  那么,NBIC四大科学技术之间又是什么关系呢?《聚合技术》研究报告作者指出:这一研究的目标是提高人类的行为能力,即提高在工作环境中有目标指导的,跨越个体的、小组的、组织的和社会的四个层次的认知的能力。为此,我们必须考虑如下的认知与技术的有效综合:
  *在人类中枢神经系统中将认知科学与技术综合为一个整体;
  *在机器中将人类认知的重要特征综合为一个整体;

*在工作环境中将认知技术综合为一个整体,以提高人类行为能力。
  我们看到,聚合技术的协调综合以认知科学为先导。因为一旦我们能够以如何(how)、为何(why)、何处(where)、何时(when)这4个层次上理解思维,我们就可以用纳米科学和纳米技术来建造它,用生物技术和生物医学来实现它,最后,我们就能够用信息技术来操纵和控制它,使它工作。
  从以上分析看出,无论是在两大科学计划之中,还是在四大科学技术之中,认知科学的地位都是至关重要的。
  在21世纪,人类基因组计划和人类认知组计划、NBIC四大科学技术将从根本上提高人类生存能力,改变人类生存状态,重新塑造生命,甚至改变人类进化的方向。试想在未来的某一天,人类基因组计划破解了生命的秘密,人类认知组计划破解了心智的秘密,到那一天,我们每个人都可以有重新塑造的生命,我们可以选择有多个替身,就像孙悟空拔出一根毫毛可以变成千万个孙猴子。那个时候,我们每个人身上都会带有两块重要的芯片:保存个人生命秘密的基因芯片和保存个人心智秘密的认知芯片。一旦如此,我们每个人都可能有提高生命质量和长寿的希望,甚至可能有再生的希望。
  面对这种可能的前景,人类一则以喜,一则以悲。可喜的是,人类可以享受更加高质量的和更加长久的生命,每个人可以有若干个与自己完全一样的人来帮助自己学习和工作,这样人类的经验积累和知识增长都会达到前所未有的高度,人类就有可能破解更多的关于我们这个宇宙和关于我们自身的秘密。可悲的是,人类经过千百万年的进化和选择而达到的最自然最完美的状态和现实就会被人类自己所破坏。人类享有更长的生命就会消耗更多的资源,而使其他的生命失去生存的机会。如果人不是通过自然的生育方式来繁衍,而是通过工厂来制造生命,这样的生命就不是具有人类尊严的最完美的生命。谁又能保证这样可怕的技术不被用于罪恶的目的呢?一旦某个疯子或狂人拥有一支从工厂里制造出来的军队,谁又能制约他不以此来恐吓这个世界呢?
  这个目标大约在什么时候实现,这种可喜复可悲的前景什么时候会变成现实呢?研究报告说,这大概需要一个世纪或五代人的时间。这样,我们还有充分的时间来认真考虑,在出现灾难性的结果之前,我们应该做点什么?
  
  二、认知科学的研究领域和目标
  
  认知科学成为一个学科的三个主要标志是:(1)《认知科学》期刊创刊(1977年);(2)斯隆报告(Sloan Report)论述了认知科学的技艺(1978年);(3)认知科学协会(Cognitive Science Society)成立并召开第一次会议(1979年)。
  当前国际公认的认知科学学科结构由哲学、心理学、语言学、计算机科学、人类学和神经科学六个学科支撑。随着认知科学的发展,在六个支撑学科内部产生了六个新的发展方向,这就是心智哲学、认知心理学、认知语言学(或称语言与认知)、认知人类学(或称文化、进化与认知)、人工智能和认知神经科学。这六个新兴学科是认知科学的六大分支。这六个支撑学科之间互相交叉,又产生出更多的新兴交叉学科,如:控制论、神经语言学、神经心理学、认知过程仿真、计算语言学、心理语言学、心理哲学、语言哲学、人类学语言学、认知人类学、脑进化等等。
  认知是脑和神经系统产生心智(mind)的过程和活动。一般而言,只要有脑和神经系统的动物都有某种程度的心智。认知科学就是以认知过程及其规律为研究对象的科学。认知涉及学习、记忆、思维、理解以及在认知过程中发生的其他行为。 因此,语言和心理、脑和神经是认知科学的重要研究内容。就人类心智而言,因为人是社会的动物,因此,语言和哲学、文化和进化,以及人所特有的工具计算机及其科学理论也都成为认知科学研究的对象。认知科学的研究领域和研究内容可以做如下划分。
  1.以子学科来划分的认知科学
  美国麻省理工学院出版社出版的权威的《认知科学百科全书》(MIT Press1999)按照认知科学的六个学科领域来划分其研究领域。
  (1)心智哲学
  哲学对认知科学有多方面贡献:心智哲学、科学哲学、语言、形式逻辑和哲学逻辑、传统的形而上学和认识论。其中,最直接相关的是心智哲学。哲学与心智相关的三个经典问题是:精神与物质的关系;心智的结构和知识;第一人称视角和第三人称视角。与认知科学相关的其他哲学问题和领域还有:唯物主义、唯心主义和二元论;分析哲学、日常语言哲学和自然转向;科学哲学;认知科学中的心智;民族心理学问题;意向性和心理内容;逻辑与心智科学;哲学与生理学等等。
  (2)认知心理学
  认知心理学是与信息处理相关的心理学,它涉及感觉的输入和生理运动的输出。鸟类和哺乳动物,特别是灵长类动物(尤其是大猩猩和人)都具有最复杂的智能形式,我们需要建立理论来处理它们的思维机制和内在经验。认知心理学关注的问题有:情感、感知、注意、记忆、决策和问题解决、语言和交际、认知发展和认知结构、学习、智力等等。
  (3)认知神经科学
  认知神经科学也是关于信息处理的科学,它涉及的问题有:如何获得信息(感觉);如何建立解释、确定意义(感知和认识);信息的存储和修改(学习和记忆);沉思(思维和意识)、预测未来的环境状态和行为结果(决策)、指导行为(神经动力控制)以及语言交际等等。认知神经科学与认知心理学联系紧密,有时很难将它们区分清楚。认知神经科学与更大范围的神经科学、认知科学也难以割裂开来。当代认知神经科学的研究领域有:感觉;知觉;感觉-知觉塑造;产生行为决策;神经动力控制;学习和记忆;语言;意识;情感等等。
  (4)计算机智能(人工智能)
  人工智能有两种含义:一种是关于智能机器创造的工程学科,另一种是关于人类智能的计算机建模的经验学科。在早期这两种含义常常不加区分,现在我们逐渐将它们区分开来,前者(人工智能)是现代计算机科学的一个分支,后者(计算机智能)是现代认知科学的一个分支。计算机智能关注的领域和问题有:机器和认知;人工智能;认知建构;知识基础系统;逻辑表达式和推理;逻辑决策;不确定信息的表达和推理;不确定性下的决策;学习;语言;视觉;机器人技术;复杂性、合理性和智能等等。
  (5)语言与认知
  语言是认知的核心,认知科学的所有分支学科都离不开语言研究,因为人类的认知是通过语言来进行的,语言的使用者就是认知的主体。认知科学的语言学重视自然语言的研究,尤其重视言语(口语)的研究。语言与认知关注的问题有:语词和意义;语言结构(语词和声音,短语结构和生成语法,词库,语言界面和语义学,意义);语言使用(语境中的语言,变动中的语言,心智中的语言)。其他问题还有:人机交互;机器的言语识别;言语合成;脑与双语学习等等。
  (6)文化、进化与认知
  与认知科学的其他方向不同,认知人类学或称文化、进化与认知不仅要研究认知的个体差异性,而且要研究认知的群体性、民族性和社会性。个体是属于群体的,个人的机体是种群的成员并享有同一基因组;生物体在本质上具有种群特征的认知能力,同时带有表面的个体差异性。人类的社会生活是富有文化特征的。由于人类的认知能力,社会性和文化才成为可能。认知人类学研究这些认知能力发展的个体发生学和系统发生学,并对认知过程提供社会的和文化的信息。认知人类学关注人口层次的认知现象,它从三大视角来研究文化、进化与认知的关系——从比较和进化的视角来看认知;从进化和认知的视角来看文化;从生态的、社会的和文化的视角来看进化。

2.以学派、理论和研究领域来划分的认知科学
  由权威的MIT出版社出版,波斯纳(Michael I. Posner)主编的《认知科学基础》一书分为“基础”、“领域”和“评价”三个部分。第一部分认知科学的基础理论是以学派和理论划分的,包括:
  (1)认知的计算与计算主义(2)认知的符号结构(3)心智结构和联结主义(4)语法理论(5)模型论语义学(6)认知科学中的实验方法(7)脑与认知;
  第二部分认知科学的研究领域是以问题和研究领域来划分的,包括:
  (8)语言习得(9)阅读(10)会话(11)心理模型(12)概念和归纳(13)问题解决与认知技巧的获得(14)视觉的计算研究(15)视觉注意(16)记忆(17)行为(18)运动规划和控制中的几何与机械问题;
  第三部分是对一些特殊领域和问题的评价,包括:
  (19)文化认知(20)认知科学中的哲学问题:感质,意向性、身心问题。
  3. 认知科学的目标
  我们为什么要研究认知科学?我们为什么要把认知科学确立为21世纪最重要的带头学科?这是由认知科学的性质和目标所确定的。认知科学有两大目标,一是要探索人类心智的奥秘,这是认知科学作为一门新兴综合学科自身的目标。
  认知科学的第二个重要目标是推动相关学科发展。作为一个综合文理工科的新兴交叉学科,认知科学将带动其他相关学科的发展。可以说,在21世纪,如果不做认知科学研究,或者不与认知研究相结合,不仅哲学、心理学、语言学、人类学、计算机科学、脑与神经科学无法深入发展,其他传统学科如数学、物理学、天文学、地理学、生物学、文学、历史学、经济学、政治学、法学、管理科学、教育学的发展也都无法深入发展,因为这些学科的深入发展都依赖脑与心智的开发,因而与认知科学相关。
  
  三、世界一流大学认知科学蓬勃发展
  
  世界一流大学如哈佛大学、麻省理工学院、加州大学圣地亚哥分校、加州大学伯克利分校、斯坦福大学、布朗大学、剑桥大学、东京大学几乎毫无例外地都在开展认知科学的研究,它们都从具有本校学科特长的某几个学科切入,开展具有自身特色的认知科学研究,并在各自的研究领域取得了丰硕的成果。如今,北美和欧洲已有60多所世界知名大学成立了认知科学系或研究中心。
  华盛顿大学的PNPPhilosophy,Neuroscience,Psychology)研究计划创立于1993年,最初是一个创新项目,2003年成立PNP研究中心。PNP项目将哲学、神经科学与心理学结合在一起研究,该项目现在不仅包括研究生的培养计划,也扩展到本科生的培养计划。
  PNP项目由华盛顿大学首创,是该校的一个品牌,在美国和全球享有盛誉。PNP项目反映了哲学家们对开展交叉学科的研究来理解脑智(mind/brain)问题的重要性的不断增长的认识。交叉学科研究的核心领域包括认知神经科学、心理学和人工智能。由于使用先进的脑成像设备如PETMRI等,并越来越多地使用神经系统的计算模型,研究团队在认知神经科学领域取得了丰富的跨学科研究成果。由于将传统的哲学和心理学与新兴的认知科学结合,学生的知识和能力均大大提升,华盛顿大学PNP毕业生非常受欢迎。
  伊利诺依大学在开展跨学科的认知科学研究方面以贝克曼学院(Beckman Institute)闻名于世。贝克曼学院目前有三大研究板块:1)生物智能;2)人-机智能交互;3)分子与光电子纳米技术。贝克曼学院是融合物理科学、计算机科学、工程学、生物学、行为研究、认知和神经科学为一体的跨学科研究实体。有来自30多个系的150多个教授,共有科研工作者600多参加学院的研究工作,其中也有大量的文科学者参与,他们来自心理学、教育学、语言学、哲学、历史、人类学等领域。心理学、教育学、语言学的学者主要参与认知神经科学板块的研究;哲学、历史、人类学等学者则从不同的角度从事认知科学研究,取得众多令人瞩目的研究成果。
  作为认知科学发源地之一的伯克利加州大学,从1984年起就有一个专门从事认知科学研究的ORU,后来改名为认知与脑科学研究院(ICBS)。ICBS旨在促进多学科的交叉研究,理解精神的功能。
  
  四、清华大学发展认知科学的策略
  
  中国的认知科学在20世纪末已经起步,这归功于改革开放政策,使我们能够实时地跟踪国外最新的发展。一些原来从事心理学、语言学、语言哲学和逻辑学研究的学者和机构,及时地捕捉到美国等先进国家开展认知科学研究的信息,同时及时地开展了认知科学相关学科和领域的研究。目前国内的研究机构主要是从心理与认知、逻辑与认知、语言与认知、脑与认知等单学科方向切入,多学科交叉的认知科学研究还开展得不多。
  清华大学从2001年开始筹备建立认知科学,目前拥有两支认知科学研究团队。一支是本人领导的以哲学、心理学、语言学和人类学为核心的研究团队,依托的机构是心理学与认知科学研究中心,支持的计划是国家985重大项目认知科学创新基地。另一支是刘国松教授领导的以神经科学和计算机科学为核心的研究团队,依托的机构是脑与认知研究中心。这两支团队紧密合作,互相交融,共同促进清华大学认知科学的发展。
  下面简要介绍清华大学心理学与认知科学研究中心的学科建设方案:
  1.学科建设指导思想和原则
  本中心学科建设的指导思想和发展战略是:“两个交叉融合、两个支撑平台”。在心理学和认知科学的建设上,要体现清华大学文理工学科门类齐全,学科综合与交叉优势明显的特色,突出心理学与认知科学的交叉与融合;突出心理学与脑神经科学的交叉与融合。心理学的发展战略,以认知心理学和神经心理学为重点建设的二级学科。认知心理学以本中心的研究力量为支撑,体现心理学与认知科学的结合;神经心理学以本中心与脑智中心的合作研究为支撑,体现心理学与脑神经科学的结合。争取将我校认知心理学和神经心理学建成世界一流的学科,从而使我校心理学的建设后来居上,处于国内和国际先进水平。另一方面,通过认知心理学和神经心理学的建设,并通过与脑智科学中心的合作研究,促进我校认知科学的建设和发展,使之成为具有我校特色的,在国内外有影响的认知科学体系。
  本中心学科建设的原则是:(1)具备国际视野,站在国际前沿。(2)注重学科交叉,开创新兴领域。(3)重视基础研究,致力理论创新。(4)开展本土化的语言、文化、心理与认知研究。
  2.学科建设目标
  (1)在认知科学的学科建设方面,要争取在三年内建成我校以文科为基础的认知科学的学科体系,形成以本中心编纂的认知科学系列文献资料、认知科学系列教材,并面向全校开设认知科学系列课程。
  (2)以中国语言、文化、心理为基础,将认知科学与心理学的建设紧密结合,互相促进,建设具有中国特色的认知科学体系,产出能够反映中国语言、文化和心理特征的认知科学研究成果。
  (3)站在国际学术前沿,开展国际学术交流,学习和借鉴世界一流大学认知科学的优秀成果,同时与我校以自然科学为主体的脑与认知研究中心密切合作,建设世界一流认知科学。
  (4)将认知科学研究成果应用于教学,培养兼备文理工科知识的复合型人才。
  
  3.学科结构关系图(见上图)
  【作者单位:清华大学人文学院】
  (摘自《学术界》2007年第4期)

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活体蛋白质功能的光学分子成像新技术新方法研究

二、预期目标

(一)总体目标

针对蛋白质功能的在体动态研究需求,以活体蛋白质功能跨层次动态研究为目标,以创新的飞秒激光快速随机扫描显微成像和高分辨光声成像为核心技术,以免疫应答过程中的重要生命科学问题为切入点,围绕本项目的关键科学问题--活体内蛋白质功能的光学表征与跨层次信息整合,系统开展光学成像技术、光学分子探针、光学标记方法、信息处理与可视化等方面的研究,建立活体蛋白质功能的光学分子成像研究新体系,为蛋白质科学难题的解析与新知识的发现提供国际先进的研究手段。本项目将建立和培养一支高水平的蛋白质科学与技术研究队伍,在瞄准国际学科前沿和重大科学问题的前提下,密切结合我国的实际情况,争取建立较完善的我国蛋白质功能在体动态研究体系,建立一系列自主创新的光学分子成像新技术新方法,在免疫应答相关的蛋白质功能研究上取得若干突破。本项目将有助于提升我国蛋白质科学与技术的研究水平和国际影响力,并在蛋白质研究这一发达国家激烈争夺的生命科学制高点上占有一席之地。

(二)五年预期目标

1.实现活体蛋白质功能的光学分子成像理论和方法的突破

l
实现深度(Z方向)快速扫描理论与方法上的突破,建立三维快速随机扫描多光子显微成像新方法;

l
提出荧光、光声互补成像新原理,建立活体内多侧面信息互补的蛋白质功能成像新方法;

l
发展后编码分子探针理论,建立优化分子探针理化性质的新理论与新方法,建立蛋白质同步、多色功能性标记新方法。

2建立具有自主知识产权的跨层次多尺度蛋白质功能动态光学成像技术体系、研究平台与原理样机

l
发展快速并行检测多蛋白分子事件的显微光学成像新技术,实现活体微环境4-6种蛋白质分子事件或3对蛋白质间相互作用的高分辨(亚微米级)快速(毫秒级)并行监测与三维成像,并研制原理样机;

l
发展~1 µm空间分辨光声显微成像技术,发展突破成像深度硬极限5 cm)的深度光声成像新技术,并研制原理样机;

l
设计与合成6-8 种适用于多光子成像和光声成像的新型分子探针,2-4 种适用于多色光学成像的新型纳米荧光微粒,5-6 种新型荧光蛋白突变体和大动态范围FRET对,2-4 种高效特异的蛋白标记方法。

3进一步揭示活体内蛋白质的时空变化对免疫应答的精细调控规律。通过光学分子成像在活体内研究免疫应答中相关蛋白质的动态功能信息,阐明膜转运过程相关的抗原交叉提呈机制,解析与确证关键蛋白质分子在免疫突触形成、T淋巴细胞激活与跨内皮迁移过程中的作用。

4申请国家发明专利或国际专利30 项以上,在相关领域优秀期刊上发表SCI 论文100 篇左右,影响因子总和大于300,在IF 大于5或相关研究领域顶级的学术刊物上发表论文30 篇,并争取在NatureScienceCell及其系列杂志上发表1 2 篇国际顶级学术论文。

5培养国家杰出青年基金获得者1-2 人,培养一批具有国际竞争力的优秀中青年研究人员和后备人才,造就一支结构合理、水平一流的研究队伍,为我国蛋白质科学研究的高水平、可持续发展提供支撑。



三、研究方案

1学术思路

本课题的中心学术思想是依据《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中的“蛋白质研究”重大计划,集中力量发展蛋白质功能的高分辨在体动态研究新技术新方法。光学分子成像具有的多分子事件并行检测能力和高时空分辨能力,使其成为在复杂生物体中综合研究蛋白质功能的极具前景的研究手段之一。发展光学分子成像新技术新方法,是突破性解决蛋白质科学难题的重要途径。该技术需要物理学、光学、化学、生物学、信息学等多学科的交叉。本项目在前期相关研究工作的基础上,综合运用上述学科最新研究成果,通过课题一、二、三突破性地解决光学分子成像中的技术与方法难题,系统地建立活体蛋白质功能的高性能光学分子成像研究体系,课题四以生命科学中的免疫学问题为切入点,动态研究免疫应答过程中蛋白质的功能、调控方式及作用机制,力争在活体内跨层次多尺度获取与整合蛋白质的动态功能信息,实现对蛋白质功能的更全面的描述,为解决生命科学的重大问题提供新技术和新方法。

图1. 项目总体学术思路和技术途径示意图

2技术途径

采取多学科相互交叉、渗透和有机结合的途径,针对活体动态研究蛋白质功能的重大需求,系统地发展基于飞秒激光技术的高分辨快速三维显微成像方法、发展高分辨深度光声层析成像技术、研制高性能光学分子探针、建立多色荧光标记新方法,实现蛋白质功能信息的跨层次多尺度获取与整合。将这些光学分子成像新技术新方法应用于免疫应答过程中的相关蛋白质功能研究,解决若干重要科学问题。

1)活体内光学信息的高分辨快速探测:我们拟发展和完善基于飞秒激光技术的快速三维成像理论与方法,解决Z方向亚毫秒级快速随机扫描问题,建立三维快速随机扫描多光子显微成像新技术,为复杂生物体中蛋白质分子信号传递的级联反应及其三维空间转位的实时观测提供新方法。

2)活体内跨层次多尺度信号获取:我们拟发展基于光、声共焦扫描方式的高分辨光声成像技术,从原理上避开活体生物组织光散射对成像深度的影响,实现高分辨率光学成像深度硬极限的突破,与多光子显微成像技术相结合,解决活体内不同深度的跨层次成像问题,建立分辨率从亚微米-微米-毫米-厘米多尺度可调整的光学成像系统,为活体内生命过程中的分子事件研究提供由微观到宏观、再由宏观到微观的互补研究手段。通过研究辐射跃迁过程与无辐射跃迁过程之间的关系,建立基于荧光、光声互补成像新原理的蛋白质功能成像方法,实现蛋白质-蛋白质间相互作用的动态成像监测,为全面准确获取活体内蛋白质功能信息变化提供新方法。

3)活体微环境中多蛋白质分子事件并行监测:我们拟设计与研制高性能的多光子荧光探针和光声探针。在探针的光稳定性、量子产率、摩尔消光系统、吸收与发射谱、生物相容性等多方面进行优化,为光学分子成像提供对比度高、信噪比优的光学信号源。化学小分子探针主要采用结构改造、表面功能基团修饰等方法,遗传编码型分子探针主要采用定点突变法与高效随机突变法对荧光蛋白光团周围残基进行突变。综合使用新研制的光学分子探针、纳米载体靶向运输方法,后编码技术制备的具有荧光编码信号的纳米荧光颗粒,构建有机小分子、纳米荧光颗粒和荧光蛋白的多元协同蛋白标记系统,对活体内免疫应答相关的免疫细胞和蛋白质进行多色标记。充分发挥多光子显微成像的单一波长激发实现多色成像的优势,充分发掘光学分子探针的强度、光谱、偏振、位相、寿命和非线性等丰富信息,结合光声成像的结构与功能信息与蛋白质分子信息同时获取能力,在生物活体内实现多蛋白质分子事件的快速并行检测。

4)蛋白质功能的解析与跨层次多源信息整合:通过光学分子成像机理的建模与仿真、光学分子成像数据的预处理分析、多模态数据融合与时空综合分析、生物分子相互作用的建模与网络分析等方法,挖掘有关活体多蛋白质分子事件的内在模式和变化规律,对多源信息进行提取、分析、鉴别与整合,解析活体内蛋白质的生物学功能。microCT提供的生物活体准确结构信息作为图像配准基础,建立可精确融合光声成像、荧光分子成像和microCT成像等不同成像模态、不同成像尺度的图像重构算法,实现多源信息快速准确的时空配准与图像融合

5综合应用本项目发展的光学分子成像新技术新方法,活体内动态研究免疫应答相关的蛋白质功能。
在分子和活细胞层次,首先应用跨层次多尺度的光学成像新方法,在小动物整体范围内搜索与示踪感兴趣的蛋白质分子或细胞,然后再应用高分辨的快速显微成像新技术,实现活体微环境毫米视场范围的多蛋白质分子事件的高分辨并行检测。具体途径为:实时观察外源性抗原模型(重组OVA抗原、HEL、抗原修饰的QD等)被树突细胞摄取、胞内(吞噬小体及内吞小体)转移与处理过程,以及MHC-I分子在内吞小体间的转运等过程;利用光镊技术和活细胞荧光标记技术,实时观察T细胞与抗原提呈树突状细胞间的相互作用、T细胞识别抗原、共刺激分子间的相互作用、以及免疫突触的形成,高分辨动态成像观察蛋白质分子(如TCRCD28CD154等)与细胞骨架(如F-肌动蛋白)的时空变化,并研究其时效性;与分子、细胞生物学、和遗传操作技术及药物干扰相结合,筛选和鉴定对膜转运过程、T细胞识别抗原、以及免疫突触的形成有重要影响的分子;
在组织、器官与整体层次,通过建立的活体光学分子成像新技术新方法,跨层次多尺度地研究抗原交叉提呈、T细胞活化与迁移过程和分子机制。用不同的标记物在体外标记树突状细胞和T细胞及其相关蛋白质分子,观察它们在活体内的运动和分布情况;比较在不同浓度抗原提呈的刺激下,免疫细胞的分布、运动和相互作用的变化。利用高分辨率活体显微成像技术和高效标记物,辅以多种免疫荧光蛋白标记、基因敲除、RNA干扰、抗体封闭相关蛋白分子、荧光共振能量转移(FRET)等技术,在活体小动物上验证活化细胞毒性T细胞应答的能力、免疫突触形成,以及T细胞活化与迁移过程中的分子和调控机制。通过建立的慢性移植物抗宿主病模型, 在体观察T细胞跨内皮细胞迁移时的细胞构象、T细胞对正常细胞和病变细胞识别时的效—靶细胞表面黏附分子对的联系,以及细胞骨架系统等向效—靶细胞接触部位重新排列和分布。

3创新点与特色

本项目瞄准国际上光学分子成像最新前沿技术及其在蛋白质活体动态研究中的独特价值,集中我国相关领域的优势力量协同攻关,发展活体蛋白质功能的光学分子成像新技术新方法。创新点具体表现为:

1)活体蛋白质功能跨层次动态研究的新技术平台

l
解决Z方向亚毫秒快速随机扫描问题,建立三维快速随机扫描多光子显微成像新技术,
使三维成像速度比现有技术提高一个数量级, 为复杂生物体中蛋白质分子信号传递的级联反应及其三维空间转位的实时观测提供新方法。

l
建立基于荧光、光声互补成像新原理的蛋白质功能成像方法,同时利用荧光信号与非辐射的光声信号,实现荧光、光声多侧面信息互补的蛋白质功能成像。

l
突破光学成像深度的硬极限,发展光声、光学分子层析成像和microCT多模态成像方法,实现活体内蛋白质功能信息的跨层次多尺度获取。

l
发展后编码分子探针理论,构建有机小分子、纳米荧光颗粒和荧光蛋白的多元协同蛋白标记系统,实现活体微环境中多蛋白质的同步、多色功能性标记与快速高效并行检测。

2)活体蛋白质功能信息分析与整合的新方法

l
提出一种利用光学、光声功能图像在microCT三维解剖图像中高分辨精确定位蛋白质分子时空关系的求解方法,通过粗精交互迭代与检验,将建立具有非刚性多模态图像的重构、融合及特征过程选择性可视化的新技术,为多尺度空间监测和识别蛋白质分子功能打下基础。

l
基于系统生物学的思想,以建模为核心,通过不同层次之间信息的关联、耦合与相互作用,整合来自分子、细胞、活体多个层次的结构与功能信息,解析光学分子成像结果,获取活体内蛋白质分子的功能信息与微观行为。

3)为活体蛋白质功能的跨层次动态研究提供新范式

l
以活体动态研究免疫应答的生物学问题为切入点,结合所发展的活体蛋白质功能光学表征与跨层次信息整合的新技术新方法,研究蛋白质的时空变化对免疫应答的精细调控规律,揭示免疫信号分子传递的时效性和特异性。

本项目的特色是集中多学科优势联合攻关,在学科交叉领域实现蛋白质研究新技术新知识的突破。新技术新方法的重大创新与生命科学基本问题的紧密结合是本项目的优势和特色所在。本项目所要发展的高分辨光学分子成像技术及其相应的高性能光学分子探针,有望实现活体内蛋白质分子信息与其生物学功能的动态关联,为生命活动过程中的蛋白质功能描述提供新范式。而活体内免疫应答相关的生物学问题,也为光学分子成像新技术新方法的应用提供了理想的研究与验证平台。新技术新方法的重大创新与生命科学关键问题的紧密结合,将很有可能在这些领域中取得重大的原创性科研成果。

4.可行性分析

本项目是一个研究蛋白质功能光学分子成像新技术新方法的综合性应用基础项目。在项目设计上,充分考虑了五年内能够实现的有限目标和国家可提供的经费支持,整合了国内在相关领域优秀的研究队伍,按优势互补的原则设置了四个课题组。研究思路和课题安排相互联系、相互支撑,拟定的技术路线新颖且符合实际。

具备的相关研究基础和关键技术:在高时空分辨光学显微成像技术研究、蛋白质功能探针与多色标记方法、以及三维成像与可视化等方面已经取得了创新性的研究成果,一些自主创新的技术已经达到了国际先进甚至领先水平。例如,华中科技大学的“飞秒激光快速随机扫描双光子显微成像装置”,华南师范大学的“多通道电子并行扫描光声实时层析成像方法”,厦门大学的多色荧光标记“后编码”技术、华中科技大学的“高分辨数字人体三维结构数据集的构建与可视化”等。某些长期储备和发展的技术已经孕育着实现重大突破的可能。这些工作基础和关键技术对于解决多蛋白质分子事件快速并行检测、以及蛋白质功能信息的跨层次多尺度获取与整合等国际上共同面临的科学难题提供了强有力的技术保障。

具备的前期研究经验和主要研究平台:本项目组前期已有很好的蛋白质研究和光学分子成像研究方面的经验,曾承担和完成蛋白质功能的多模式高分辨光学成像2004CB520804)、生物膜和膜蛋白的结构与功能研究2004CB720001)等国家重大科学研究计划,以及其它“973”计划、“863”计划、国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金仪器专项等多项国家级科研项目。已具备先进的高分辨光学显微成像研究平台、多通道快速光声层析成像研究平台、光学分子探针研发平台、以及三维成像与可视化研究平台,为课题的实施提供了高质量的保障。

具备一流的创新研究团队和专业人才:本项目依托8个国家和省部级重点实验室和2个教育部创新团队。汇聚了信息学、化学、生物学等多个学科的高端人才,学科集成与交叉特色明显。项目组包括学术骨干 20人,其中国家杰出青年科学基金获得者 5人、长江学者特聘教授 4人。推荐的项目首席科学家骆清铭博士是华中科技大学教授、教育部长江学者奖励计划生物医学光子学学科特聘教授(首批)、国家杰出青年科学基金获得者(2000年)和国际光学工程学会会士(SPIE Fellow)。骆清铭教授长期从事光电子学与生物医学交叉的学科研究,以第一完成人获湖北省自然科学奖一等奖 2项和湖北省科技进步奖一等奖 1项。在光学和系统生物学顶级学术期刊Optics LettersOptics ExpressMolecular Systems Biology发表系列论文,并在Nature Cell BiologyPNASAngew. Chem. Int. Ed.等国际顶级期刊合作发表高水平论文,获国内外专利近20项。10余次担任国际会议主席,2次担任香山科学会议执行主席,充分体现了其深厚的生物医学光子学研究背景和出色的项目组织协调能力,是我国该领域的重要学术带头人之一。学术骨干中国科学院生物物理研究所徐涛研究员(国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者奖励计划特聘教授)长期从事膜转运分子机制及其调控、跨膜物质运送的研究,代表性成果发表CellNature NeuroscienceEMBO JNature Cell BiologyPNAS等国际权威的学术期刊上。学术骨干汪立宏教授(教育部长江学者奖励计划讲座教授)是高分辨光声层析成像技术的创始人之一,现任国际生物医学光学协会(IBOS)主席、Journal of Biomedical Optics主编,是生物光学成像领域的领军人物。华南师范大学邢达教授(国家杰出青年基金获得者)是我国最早开展高分辨光声层析成像技术的研究者,是国内该领域的重要学术带头人之一。厦门大学江云宝教授(国家杰出青年基金获得者)长期从事荧光分析基础理论、新型荧光探针的设计与应用研究,在化学一流期刊上发表多篇研究论文。复旦大学魏勋斌教授(教育部新世纪优秀人才)主要从事生物医学光学分子成像技术的研究,在PNASNature等重要学术刊物上发表了创新性研究成果。其他学术骨干都是多年从事各个相关领域研究的中青年科学家,研究成果显著。这支多学科融合的高水平研究队伍,为项目的顺利实施奠定了坚实的基础。

综上所述,相关研究领域的长期工作积累和大量早期研究为本项目提供了坚实的理论和实践基础。各方面的专业人才和完备的实验平台,为本项目的开展和实施提供了良好的保障,因此可以在预定的研究周期内实现本课题的预期目标。

5.课题设置

各课题间相互关系

本项目围绕所要解决的关键科学问题和总目标,从两个方面开展研究。一方面,从发展光学分子成像新技术新方法的角度出发,突破性解决光学分子成像在活体蛋白质功能动态研究中面临的若干技术与方法问题,建立活体蛋白质功能的光学分子成像研究新体系;另一方面,以免疫应答过程中的生物学问题为研究切入点,为光学分子成像新技术新方法在蛋白质科学研究中的应用提供实例。为完成上述两个方面的研究内容,本项目设置四个课题:课题一、活体微环境中多蛋白质分子事件快速并行检测的飞秒激光扫描显微成像;课题二、基于高分辨光声成像的蛋白质功能信息的跨层次多尺度获取与整合;课题三、用于活体光学成像的分子探针与标记方法;课题四、免疫应答过程相关蛋白质功能的光学分子成像研究。其中,课题为课题、二、四提供技术支持,课题在前三个课题研究基础上,利用所发展的光学分子成像新技术新方法,解决免疫应答过程中的若干重要生命科学问题。它们既相对独立,又彼此联系,服务于本项目的总体目标。

图2. 课题设置与相互之间的联系示意图

课题一:活体微环境中多蛋白质分子事件快速并行检测的飞秒激光扫描显微成像

研究目标:针对活体高分辨显微光学成像中存在的三维快速扫描成像与信号快速并行获取等问题,在多种特定蛋白或细胞已同步光学标记的基础上,实现活体内多蛋白质分子事件的高灵敏快速并行检测和三维成像信息快速获取。对由此产生的海量数据建自动处理、分析挖掘和可视化平台。通过该课题研究,为蛋白质功能及其网络调控提供高时空分辨的显微光学成像新技术新方法。

研究内容:

1)发展多光子激发三维快速显微成像技术:
研究飞秒激光在啁啾介质中的传输理论及其Z方向聚焦的原理与方法,实现Z方向的亚毫秒级快速随机扫描;②
研究宽视场无惯性随机扫描双光子显微成像原理与技术;③将上述两种技术与高性能双光子荧光探针相结合,建立三维快速随机扫描多光子显微成像技术,对活体淋巴结内多个蛋白质分子的快相互作用(毫秒到分钟级)进行高时空分辨显微成像监测及可视化研究。

2)活体内多对蛋白质间相互作用的动态监测与定量表征:
发展基于多光子激发的多色荧光共振能量转移(FRET)成像方法,研究活细胞内多对蛋白质之间的动态相互作用及其调控机制;②发展多色荧光漂白后恢复(FRAP)和荧光激活后再分配(FRAPa)技术,研究活细胞内多个蛋白质的三维主动输运和被动扩散过程;③充分挖掘荧光标记分子的光物理和光化学信息,建立适用于蛋白质相互作用或细胞间相互作用的动态检测和定量分析数据库和识别模式,为活体内细胞或蛋白的空间位移与相互作用研究提供定量表征信息。

3蛋白质功能多维时空数据的分析与可视化:

三维显微图像的蛋白质功能信息提取,即对不同空间定位的蛋白质分子信息进行分析、分割、提取和分类;②
建立不同蛋白质功能信息在空间上的整合表达方法,研究在时间域和频域间的变化关系;③
建立三维细胞结构的可视化模型,在此模型上同时表现多种蛋白质功能信息的动态变化。

经费比例:
26%

承担单位:
华中科技大学

课题负责人:骆清铭

学术骨干: 曾绍群、张智红、黄振立

课题二:基于高分辨光声成像的蛋白质功能信息的跨层次多尺度获取与整合

研究目标:针对蛋白质功能信息的活体光学表征与跨层次信息整合这一科学难题,通过蛋白质荧光和光声信号激发机理研究,建立蛋白质功能信息的光声、荧光互补成像新方法,突破性解决高分辨光学成像深度受限的问题,实现从分子、细胞到组织器官跨层次多尺度获取蛋白质功能信息,并将组织结构与蛋白质功能信息整合,在生物活体内全面准确描述蛋白质功能。

研究内容:

1)建立生物活体内蛋白质功能信息的高分辨光声成像方法。研究光、声等能量形式在活体内传输、相互作用、能量转换与信号产生机理,建立相应的数学模型,为实现高分辨光声成像奠定理论基础;发展针对蛋白质功能活体动态研究的新型光声成像方法,利用光、声共焦扫描方式,实现活体内蛋白质功能信息的高分辨率获取。

2建立基于荧光、光声互补成像新原理的蛋白质功能成像方法研究光声、荧光激发机理,由信号产生的能量转换互补(辐射跃迁过程与无辐射跃迁过程)关系,获取荧光、光声多侧面信息互补的蛋白质功能成像。根据荧光与光声信号的消长及相对变化比率,分析蛋白质-蛋白质间相互作用的动态变化,为获取蛋白质功能信息变化提供新方法。

3)发展跨层次多尺度的深度光声成像新技术。设计与研制集连续可调谐的脉冲激发、多元环形阵列超声探测、高灵敏度弱声信号检测于一体,可突破传统光学成像深度硬极限的多尺度光声显微成像系统;重点解决多探测主频可调以实现多尺度成像的问题,系统分辨率从亚微米级-微米级-毫米级-厘米级多尺度可变。

4)生物活体内组织结构与蛋白质功能信息的同步获取与整合。建立适于不同成像尺度的光声成像重构算法,与microCT和光学分子层析成像数据进行准确图像融合,实现从亚细胞器(亚微米级)到细胞(微米级)再到组织器官(厘米级)的跨层次蛋白质功能信息获取,以及生物活体的组织结构与蛋白质功能信息的整合,为生理或病理过程中的蛋白质功能研究提供新技术新方法。

经费比例:24%

承担单位:
华南师范大学、华中科技大学

课题负责人:邢达

学术骨干:陈群、汪立宏、陈伟、吴宝艳、张蓉颖

课题三:用于活体光学成像的分子探针与标记方法

研究目标:密切结合飞秒激光显微成像技术和光声层析成像技术在活体成像中的应用需求,研制光谱丰富、理化性能优良、生物相容性好的化学小分子探针和荧光蛋白突变体;针对免疫应答活动的活体动态研究需求,设计与研制特异的高灵敏的功能型光学分子探针;综合使用化学小分子探针和基于荧光蛋白的遗传编码型探针,建立适用于活体内多色荧光成像的光学标记方法。

研究内容:

1)设计与研制用于飞秒激光快速扫描显微成像技术的新型光学分子探针。根据荧光物质的多光子激发原理和特点,设计与研制双光子吸收截面大、荧光量子产率高、光谱丰富的双光子荧光探针;研制发射峰值红移、Stokes位移大、可由单一波长激发的多色有机荧光染料和荧光蛋白突变体;研制Förster距离大、光谱串扰小、动态范围宽的单波长激发多色成像的FRET对;研制基于单个荧光蛋白的功能型探针;优化光激活或转换荧光蛋白的转换效率和转换速度,提升光激活或转换前后的对比度,并丰富其光谱特性。

2)设计与研制用于活体光声层析成像的新型分子探针。根据光声成像的原理和特点,设计与研制量子产率低、摩尔消光系数高、光谱丰富的在深红或近红外波长吸收的有机染料分子和荧光蛋白质突变体;研制新型的荧光/光声双功能型成像探针,为活体光声成像技术与荧光成像技术的联用提供双信号源;研制能用于蛋白质蛋白质相互作用检测的光声探针。

3)研究蛋白质分子探针的结构与其理化特性的关系。从生物相容性、活体内荧光或光声性能稳定、pH不敏感等多方面综合优化分子探针结构,解决高性能光学分子探针在活体内蛋白功能研究中的实用性问题。对有机小分子探针进一步进行膜通透性、靶向输送、定点标记活性的结构改造;对荧光蛋白突变体进行成熟速度(<2 h)、成熟温度(37&ordm;C)和单体性等性能参数的深度优化。

4)免疫应答过程中关键蛋白质分子事件的多元化同步光学标记。
发展短肽介导的化学小分子探针特异性蛋白标记新技术,与荧光蛋白协同使用,对抗原提呈、T细胞激活、T细胞跨内皮迁移等过程中的关键蛋白质分子进行多目标的同时靶向标记。重点解决在蛋白非功能区的定点融合、标记前后的信号对比度和多种探针的可同时激发问题,实现多蛋白质分子事件的多元化同步光学标记。


经费比例: 22%

承担单位: 厦门大学、华中科技大学

课题负责人:江云宝

学术骨干:赵一兵、郭祥群、刘笔锋、李顺华

课题四:免疫应答过程相关蛋白质功能的光学分子成像研究

研究目标:应用光学分子成像新技术新方法,从分子细胞组织器官整体跨层次多尺度地动态研究抗原交叉提呈、免疫突触形成、T细胞激活与迁移过程中相关蛋白质功能,揭示膜转运过程对抗原交叉提呈的重要影响和机制、免疫突触形成的调控新机制和免疫细胞在活体内迁移与归巢的活动规律,为在活体环境下动态研究生命活动过程中的蛋白质功能提供可借鉴的方法。

研究内容:

1)膜转运相关的抗原提呈途径与深层机制的研究。尽管通过生化、分子、细胞生物学与荧光定位等分析手段相结合,大量与抗原提呈相关的分子机器已获得鉴定,但是对此类极其复杂、高度动态的胞内膜转运过程中所发生的各个分子事件的时序、空间特异性描述的研究在国际上也刚刚展开。我们拟开展以下工作:胞吞作用在抗原交叉提呈过程中的作用:研究不同胞吞方式对外源性抗原在胞内转移的影响,以发现和揭示不同内吞方式及胞内转移导致外源性抗原被加工和处理的新分子机制。我们将深入研究内吞类型与外源性抗原在树突细胞中的转移及其最终被提呈的命运之间的关系;
MHC-I类分子在胞内转移路径对抗原交叉提呈的重要影响:研究MHC-I类分子的膜转运过程,阐明MHC-I与进入胞内并被加工处理后的外源性抗原相遇进而结合的细胞生物过程相关的基础和机制。

2)免疫突触形成与T细胞活化的活体光学分子成像研究。长时程动态监测活体淋巴结微环境中的免疫突触形成动力学过程,在活体内动态成像研究共刺激蛋白分子(CD28/B7CD154/CD40等)相互作用介导的信号转导在免疫突触形成和T细胞活化中的作用;②
活体内动态成像研究F-肌动蛋白等细胞骨架和多种细胞骨架调节分子在T细胞免疫突触形成和T细胞活化过程中的空间转位及相互作用。

3)T淋巴细胞跨内皮迁移的活体光学分子成像研究。
研究T 淋巴细胞和抗原提呈细胞接触、活化后,黏附分子在T 淋巴细胞表面的分布以及细胞骨架和细胞内微细结构的变化;②
研究T 淋巴细胞跨内皮胞浆迁移和跨细胞间隙迁移时的细胞极化、胞膜、胞浆以及细胞膜内侧的蛋白质纤维网架系统的变化;③
T 淋巴细胞与病变部位血管内皮细胞黏附的信号传导过程中细胞与细胞之间空间位置变化的时效关系。

经费比例: 28%

承担单位: 复旦大学、中国科学院生物物理研究所

课题负责人:魏勋斌

学术骨干: 徐涛、储以微、仓怀兴、陈彤



四、年度计划


研究内容预期目标
研究飞秒激光在啁啾介质中的传输理论及其 Z 方向聚焦的原理与方法,发展基于多光子激发的多色荧光共振能量转移(FRET)成像方法,发展多色荧光漂白后恢复(FRAP)和荧光激活后再分配(FRAPa)技术;研究光能转换时辐射跃迁和非辐射跃迁过程中光声和荧光相应的数学模型,研究互补成像的算法及定量分析方法,开展光声、荧光蛋白质标记成像实验和免疫组学动物实验;设计、合成双光子吸收截面大、荧光量子产率高、光谱丰富的双光子荧光成像试剂,开发发射峰值红移、Stokes位移大、可由单一波长激发的多色有机染料和荧光蛋白突变体,开发量子产率低、摩尔消光系数高、光谱丰富的长波吸收有机染料和蛋白突变体作为光声成像剂,开发用于高分辨快速成像的高亮发光纳米微球和具有可识别荧光编码信号的新型纳米荧光探针;研究不同细胞内吞方式,特别是Clathrin-/dynamin-不依赖的细胞内吞途径在外源性抗原(模型)内吞及回收中的作用和影响;研究可在活细胞/活体内可长时间监测T细胞与T细胞免疫突触形成/活化的光学分子成像技术和与之相适应的免疫生物学模型;观察淋巴细胞或其它生物活性细胞迁移能力变化时的细胞构象;开始构建T淋巴细胞攻击宿主的小动物模型。建立飞秒激光在啁啾介质中的初步传输规律,建立Z扫描原理与方法;建立活细胞内的多色标记方法和显微成像技术,实现2FRET对、4种荧光分子的同步动态监测;建立光声、荧光互补成像的新光学成原理;拟发展:3-4 类适用于快速飞秒激光激发扫描成像的高性能荧光分子探针;3-4 类适用于深度光声成像的新型光学分子探针;2-3 类适用于多色光学成像的新型纳米荧光微粒;建立研究MHC-I类分子转运的细胞模型;建立活细胞/活体内研究抗原提呈和免疫突触形成中的光学分子成像系统;选择效应器官,掌握动物模型的构建方法;申报专利5-6项,发表SCI论文22篇,其中IF大于5.0的论文3篇。
研究飞秒激光的机理,研究提高扫描范围的新原理,研究活细胞内多对蛋白质之间的动态相互作用及其调控机制,建立三维显微图像的蛋白质功能信息提取方法,建立高分辨的新型光学分子成像系统;变换超声探测器的接收主频,研究主频特性对应分辨率和成像深度的关系,研究激发探测模式,进一步改进成像空间分辨率和图像对比度,研究高频探测的特性,研究改进光声小角度滤波反投影成像算法,开展高分辨蛋白质示踪光声成像实验;F&ouml;rster距离大(7 nm ~ 8 nm)、光谱串扰小、动态范围宽的单波长激发、双FRET并行成像的FRET对的筛选和成像应用,改性、筛选光激活效率高、转换前后对比度大、谱征丰富的功能型成像探针,开发新型的荧光/光声双模成像试剂,利用标记前后从荧光信号到光声信号的自动转化提高标记对比度,为活体光声成像技术与荧光成像技术的联用提供双信号源;发展高分辨成像技术,多色标记、实时动态研究MHC-I分子在抗原提呈细胞内的胞内转移路径,包括其在内膜系统中的转运路线、循环上膜的过程;研究可在活细胞/活体内可长时间监测T细胞与T细胞免疫突触形成/活化的光学分子成像及标记技术和与之相适应的免疫生物学模型;完善移植物抗宿主病模型的构建方法,确立该模型中T淋巴细胞趋化的靶器官;观察活体内生物活性细胞与内皮细胞黏附时细胞空间位置变化与生物学表型变化间的关系。建立三维快速随机扫描多光子显微成像新方法;建立大范围扫描新方法;实现活细胞内4种蛋白质或细胞间相互作用的三维动态成像监测;发展功能型成像对比剂,包括1-2类新型荧光/光声双功能型成像试剂;新型荧光蛋白突变体等开始用于蛋白功能成像研究;揭示细胞中MHC-I类分子的转运途径;通过光学分子成像在活细胞/活体内展示免疫突触形成的动力学过程;揭示活体内生物活性细胞与内皮细胞黏附时细胞空间位置变化与生物学表型变化间的关系;申报专利6-7项,发表SCI论文24篇,其中IF大于5.0的论文5篇。
研究飞秒激光三维无惯性成像原理与方法,进行初步蛋白质功能成像模型研究,研究活细胞内多个蛋白质的三维主动输运和被动扩散过程,建立适用于蛋白质或细胞间相互作用的动态检测和定量分析数据库与识别模式,建立不同蛋白质功能信息在空间上的整合表达方法,研究在时间域和频域间的变化关系;搭建光声、荧光双模跨层次多尺度成像系统平台,使用同一个激光光源,结合共焦扫面结构,建立光声、荧光同时成像系统;研究荧光接收与超声采集的空间布局,拟确立实验的最优化方案;开展蛋白质功能信息的实验研究,根据实验实际效果调整实验平台,改善系统性能;从生物相容性好、活体内不降解、荧光或光声性能稳定、pH值不敏感等多方面综合优化分子探针结构,解决高性能光学分子探针在活体内蛋白功能研究中的实用性问题;发展基于短肽介导的化学小分子探针特异性蛋白标记新技术,研究多种高生物相容性的特异性短肽介导化学缀合方法;特异的高灵敏的功能型光学分子探针在蛋白功能成像中的初步应用,并根据性能反馈进行各类探针的优化设计;开展功能性基因筛选,发现和鉴定对上述膜转运过程有重要影响的分子;完善可在活细胞/活体内可长时间监测T细胞与T细胞免疫突触形成/活化的光学分子成像系统和与之相适应的免疫生物学模型,进一步研究长时程动态监测活细胞/活体淋巴结微环境中的免疫突触形成动力学过程,并研究在活体内动态成像研究共刺激蛋白分子(CD28/B7CD154/CD40等)相互作用介导的信号转导在免疫突触形成和T细胞活化中的作用;观察细胞迁移时细胞骨架系统向效靶细胞接触部位的重新排列和分布。建立飞秒激光三维无惯性成像系统原理样机,建立快速并行检测多蛋白分子事件的显微光学成像新技术,实现3对蛋白质或细胞间相互作用的三维动态监测、定量表征、数据建模与网络调控分析;重点发展短肽介导的特异性蛋白标记新技术,拟发展2-3 种适用于化学小分子探针的短肽介导化学标记新方法;在此基础上,高性能化学探针在蛋白功能成像中的应用研究逐步展开;通过筛选,争取鉴定和发现1-2个与MHC-I类分子在细胞中回收、循环或胞内转移具有重要调节作用或影响的新蛋白分子;揭示活细胞/活体内相关蛋白质的动态功能信息在免疫突触形成中的作用;阐明细胞迁移时细胞骨架系统的变化和作用;申请专利6-7项,发表SCI论文26篇,其中IF大于5.0的论文5篇。
利用飞秒激光三维无惯性成像研究生物模型中的蛋白质功能,充分挖掘荧光标记分子的光物理和光化学信息,建立三维细胞结构的可视化模型,在此模型上同时表现多种蛋白质功能信息的动态变化;开展活体跨层次多尺度的蛋白质功能信息获取实验研究,利用多种光学分子探针标记不同功能的蛋白质,实验成像不同层次、不同尺度下的蛋白质定位研究,多蛋白质事件的时空行为及相互关联;利用光声、荧光互补成像方法检测研究活体蛋白质的功能改变,进一步改进实验方法及系统设置等;综合使用化学小分子探针和基于荧光蛋白的遗传编码型探针,建立适用于活体内多色荧光成像的光学标记方法,实现蛋白质分子事件的多元化同步光学标记;针对免疫应答过程中的关键蛋白质分子事件,对各类光学分子探针的成像性能、生物兼容性、标记活性和标记策略进行组合、整改及优化;筛选适用于荧光/光声双信号源高分辨光学成像的探针组合,解决其联用时的物理、生物和化学性质的匹配性问题;研究活体动物成像中探针谱学信号与蛋白功能的动态相关性;基于前期筛选所获得的基因信息,并将细胞生物学技术、遗传操作技术及药物干扰等技术相结合,进一步深入研究不同内吞方式及胞内转移条件下,外源性抗原被加工、处理,及与MHC-I分子结合,进而被提呈至细胞表面的过程;进一步研究在活细胞/活体内动态成像研究共刺激蛋白分子(CD28/B7CD154/CD40等)相互作用介导的信号转导在免疫突触形成和T细胞活化中的作用;在体动态成像研究F-肌动蛋白等细胞骨架和多种细胞骨架调节分子在T细胞免疫突触形成和T细胞活化过程中的空间转位及相互作用;观察淋巴细胞或其它生物活性细胞在靶器官中的定位选择和生物效应之间的关系。建立蛋白质功能网络调控的成像研究新方法,实现活细胞内6种蛋白质分子事件的高分辨(亚微米级)快速(毫秒级)并行监测与三维成像;建立2-4 种高生物相容性的多元化、同步、特异性蛋白标记方法。实现活体内淋巴结微环境中的多种蛋白质或细胞的同步多色光学标记;发现和揭示不同内吞方式及胞内转移导致的外源性抗原被加工和处理的新分子机制;解析与确证关键蛋白质分子在活细胞/活体内免疫突触形成与T淋巴细胞激活过程中的作用;阐明淋巴细胞或其它生物活性细胞在靶器官中的定位选择和生物效应之间的关系。申请专利6-7项,发表SCI论文28篇,其中IF大于5.0的论文5篇。
应用建立的三维快速随机扫描多光子显微成像技术,对活体淋巴结内多个蛋白质分子的快相互作用进行高时空分辨显微成像监测及可视化研究;开展活体蛋白质功能信息的多尺度获取及整合实验,研究多探针标记,多层次信息获取,多侧面的图像整合;试验不同生理或病例状态的活体蛋白质功能检测,建立光声、荧光多尺度分子成像方法的分析标准及数据库;深入研究新型荧光分子探针、光声分子探针和荧光-光声双模分子探针在免疫应答过程中蛋白质功能的活体动态时空分辨可视化中的应用研究;总结光学探针在成像分辨率、生物相容性、标记活性等方面的构性关系,拓展探针设计思路,开发更多功能新颖的多光子激发荧光成像试剂和深度光学成像试剂;拓展所开发的成像探针在其它蛋白分子过程可视化研究中的应用,针对新的蛋白质网络体系,建立新的多元化同步光学标记策略;采用基因沉默和转基因技术,验证内吞类型与外源性抗原及MHC-I分子在抗原提呈细胞中的转移及其最终被提呈的命运之间的关系;进一步在活细胞/活体内动态成像研究F-肌动蛋白等细胞骨架和多种细胞骨架调节分子在T细胞免疫突触形成和T细胞活化过程中的空间转位及相互作用;研究活体内细胞跨内皮迁移时的细胞极化,细胞在效应部位发生的细胞骨架的空间变化。全面完成本项目的研究内容。优化与完善原理样机,在多色标记的活体动物内实现微环境内4-6种蛋白质分子事件或3对蛋白质间相互作用的高分辨(亚微米级)快速(毫秒级)并行监测与三维成像;补充性地发展功能新颖的化学分子荧光探针、深度光声成像探针、多色光学成像探针(纳米荧光微粒或荧光蛋白突变体)各1-2类;发展改进型多元化同步光学标记方法1-2种;申请专利6-7项,发表SCI论文31篇,其中IF大于5.0的论文7篇,并争取在NatureScienceCell及其系列杂志上发表1篇国际顶级学术论文;争取培养国家杰出青年1名。



一、研究内容

(一)拟解决的关键科学问题

本项目拟解决的关键科学问题是:活体内蛋白质功能的光学表征与跨层次信息整合

活体内蛋白质功能的光学表征:包括建立活体蛋白质功能与相应光学探针的物理信息之间的原理性联系,将活体内的蛋白质功能信息转化为光学可测量的物理信息,并跨层次多尺度地快速获取这些信息。这需要突破活体光学分子成像中一系列技术与方法的壁垒,如高分辨成像时三维信息获取的速度、跨层次成像时的深度“硬极限”、光学分子探针的信号对比度和稳定性、多分子同步光学标记的准确性与特异性等。

活体内蛋白质功能的跨层次信息整合:利用分子—细胞—组织—整体等不同层次的结构与功能信息,特别是多种分子事件相互作用的时空变化信息,揭示活体内蛋白质功能及其调控规律。这需要建立跨层次的系统生物学模型,突破不同层次之间信息的关联、耦合与相互作用。

(二)主要研究内容

根据国家蛋白质科学的长远发展需求,结合国际前沿及研究热点和我国在光学分子成像领域的基础,本项目将研究和发展用于活体蛋白质功能动态研究的光学分子成像新技术新方法。

1多蛋白质分子事件的高分辨快速显微成像新技术研究

以飞秒激光扫描显微成像为核心技术,以多蛋白质分子事件并行检测为目的,建立活体微环境下的三维快速成像方法,为生命活动过程中相关蛋白质功能及其网络调控机制研究提供高时空分辨的显微光学成像新技术新方法。具体研究内容包括:1)发展多光子激发三维快速显微成像新技术,实现活体内显微尺度的蛋白质功能信息的快速扫描成像;2) 设计与研制系列高性能双光子荧光探针,探索活体内多靶标蛋白同步标记的新方法;3)
建立活体微环境中的多蛋白质分子事件并行检测新方法,实现蛋白质-蛋白质相互作用、细胞-细胞相互作用、以及细胞-组织相互作用的高时空分辨显微成像。

2蛋白质功能信息的跨层次多尺度光学成像新方法研究

以高分辨光声层析成像为核心技术,以蛋白质功能信息的跨层次多尺度获取为目的,建立活体光声层析成像新方法,具体研究内容包括:1)发展新型高分辨快速光声成像技术,探索活体内蛋白质分子动态信息的高分辨获取新方法;2)研究荧光与光声信号的消长及相对变化比率与蛋白质间相互作用关系,建立反映蛋白质分子间调控过程中多侧面信息的光声、荧光互补成像方法;3)设计与研制摩尔消光系数高、吸收谱在深红或近红外的新型荧光、光声复合成像分子探针;4)设计与研制可突破传统光学成像深度“硬极限”的光声层析成像系统;结合新型光声分子探针,重点解决活体内不同深度的跨层次成像问题,为更准确获取活体内蛋白质功能信息变化提供新方法。

3蛋白质功能相关信息的跨层次整合与可视化

活体内蛋白质分子功能的光学分子成像提供了原位环境中从分子、细胞到整体的多层次结构与功能信息。根据探针的设计特点和光学成像检测的实验数据,结合先验知识,揭示活体内蛋白质功能及其调控规律,是本项目的重要研究内容。拟研究光学分子成像机理,挖掘有关活体分子事件中的内在模式和变化规律。具体内容包括1)研究活体中蛋白质功能的光、声信号产生机理,探索光、声信号的参数(强度、位相等)产生与增强成像对比度的原理,建立其与蛋白质的空间位置、构象变化和相互作用等分子事件的联系;2)研究光、声信号在活体内细胞、组织中的传输规律,解析活体内蛋白质分子的多参数光学表征行为3)以蛋白质分子事件多参数光学表征为变量,建立蛋白质功能变化的数学模型,实现活体蛋白质功能的动态可视化呈现。

4生命活动过程中相关蛋白质功能的光学分子成像研究

以光学分子成像为主要研究手段,结合分子生物学、细胞生物学和遗传学技术,以免疫应答作为生命科学问题切入点,在活体小动物内由简单到复杂、由微观到宏观、循序渐进、相互佐证地研究免疫应答过程中相关蛋白质功能,为活体动态研究生命活动过程提供可借鉴的方法。具体内容包括:

1)膜转运相关的抗原提呈途径及其深层机制的研究。病原体经由多种内吞方式进入树突细胞,后在内吞小体间转移和处理过程中,与MHC-I类分子相互识别而结合,可以交叉提呈的方式被呈递至细胞表面。目前对此途径的精细过程及其分子机制尚不清楚。将研究:
不同内吞方式对外源性抗原进入细胞后在胞内各区室间转移的影响;
MHC-I分子的膜转运过程及其调控机制,阐明MHC-I分子抗原提呈的细胞生物过程基础及其相关机制。

2)活体淋巴结微环境中研究T细胞激活过程的蛋白质分子机制。T细胞激活是机体免疫反应的重要环节。离体研究发现很多与免疫突触形成和T细胞活化相关的蛋白分子,但尚缺乏活体组织内的研究。在活体小动物上观察T细胞活化过程及探讨其分子机制,研究:
共刺激蛋白分子信号在免疫激活过程中的作用及其时效性;
细胞骨架分子在T细胞免疫突触形成和T细胞活化过程中的作用及其时空特性。

3活体微环境中研究T淋巴细胞跨内皮迁移。T细胞的跨内皮迁移是一个主动过程,相关研究大多集中在迁移过程中所发生的生化事件,而对细胞空间位置变动及与其它细胞或蛋白质间相互作用的研究并不透彻。在活体小动物上研究:
T细胞抵抗血流剪切与血管内皮黏附时细胞与细胞之间空间位置变化的时效关系;
研究T细胞跨内皮迁移时的细胞极化,T细胞在免疫效应部位细胞骨架的空间变化。


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