一周前沿科技盘点〔103〕丨“启蒙1号”诞生记：台前机器人，幕后科学家；擅长多重角色扮演的噬菌体，这次唱主角

由机器代替人自动生成满足功能和性能需求规范的电路逻辑是芯片全自动设计的目标。中国科学院计算技术研究所处理器芯片全国重点实验室团队利用人工智能技术，设计出世界首颗无人工干预、全自动生成的处理器芯片“启蒙1号”，并提出了一种基于门级依赖关系分析的自动流水线设计方法。

噬菌体作为微生物生态系统不可或缺的基石，深刻地影响着人类健康、地球元素循环以及生态系统演化与功能。长久以来，人们普遍认为噬菌体的捕食行为主要导致微生物数量的减少。而就在近日，中国农业大学研究团队与瑞士联邦水科学与技术研究所课题组的一项研究颠覆了这种认知。他们发现噬菌体捕食活动能显著加速表面微生物群落中质粒编码的抗生素抗性基因的传播。

基于国际科技创新中心网络服务平台科创热榜每日榜单形成的一周科技记忆，我们推出《一周前沿科技盘点》专栏。今天，为大家带来第103期。

1《IJCAI 2024》丨“启蒙1号”诞生记：台前机器人，幕后科学家

毫无疑问，芯片设计是一项耗时费力且“烧钱”“烧资源”的工作。通常由工程师团队编写代码，然后在电子设计自动化（EDA）工具的辅助下生成电路逻辑。针对人工编写的代码，工程师团队需反复对其进行迭代的功能验证和性能/功耗优化。这个过程通常需要上百人团队迭代数月、数年才能完成。而近期，中国科学院计算技术研究所处理器芯片全国重点实验室团队利用人工智能技术，设计出世界首颗无人工干预、全自动生成的处理器芯片“启蒙1号”，并提出了一种基于门级依赖关系分析的自动流水线设计方法。

芯片全自动设计的目标是由机器代替人自动生成满足功能和性能需求规范的电路逻辑，从而极大减少人力和资源投入，加速设计迭代。聚焦解决处理器芯片自动设计所面临的精度和规模两大挑战，研究团队提出了以验证为中心的处理器智能设计方法学：从随机电路出发，由机器全自动完成包括验证、调试和修复的反复迭代直到获得满足设计需求的目标电路。利用这一方法，科研团队在5小时内自动设计了超过400万个逻辑门的通用处理器——“启蒙1号”，将已有能自动设计的电路规模提升了3至4个数量级，芯片实测性能达到英特尔486处理器的水平。他们还进一步提升自动生成处理器的性能，程序执行效率实现了1.57倍的性能提升，在某些情况下其还能找到比人类设计更优的流水设计。

原文链接：

https://doi.org/10.24963/ijcai.2024/425

2《Nature Communications》丨擅长多重角色扮演的噬菌体，这次唱主角

噬菌体对表面微生物群落空间结构的重塑

噬菌体作为微生物生态系统不可或缺的基石，深刻地影响着人类健康、地球元素循环以及生态系统演化与功能。在微生物群落密集生长的表面环境中，噬菌体的活动受到了群落致密结构的挑战，限制了它们全面清除宿主细胞的能力。因此，噬菌体往往与宿主群落形成一种微妙的共存状态，共同编织着生态系统的复杂网络。长久以来，人们普遍认为噬菌体的捕食行为主要导致微生物数量的减少。而就在近日，中国农业大学王钢研究团队与瑞士联邦水科学与技术研究所David R. Johnson课题组的一项研究颠覆了这种认知。他们发现噬菌体捕食活动能显著加速表面微生物群落中质粒编码的抗生素抗性基因的传播。

研究团队采用两种大肠杆菌菌株作为模型系统，通过精心设计的实验，证明了噬菌体捕食在微生物生长过程中不仅未减少微生物数量，反而通过减缓菌株间的空间分离，促进了细胞间的紧密接触。这种接触频率的增加，直接提升了接合作用介导的质粒转移效率，使得抗生素抗性基因得以在微生物群落中更广泛地传播。

其研究的核心机制在于，噬菌体的捕食行为改变了微生物群落的空间分布，将原本位于群落边缘、生长最为迅速的位置转移至相对较内的区域，形成了细胞密集且排列更为平行的空间结构。这种变化不仅减缓了不同菌株在空间上的分离速度，还在菌株间创造了更多直接接触的界面。这些界面在生长过程中减少了脱混现象，维持了种群间更高水平的空间混合度，从而为质粒的频繁转移提供了理想的环境。这一发现不仅为噬菌体疗法的设计与应用风险提供理论参考，也为理解抗生素抗性基因在自然环境中的传播机制提供了重要的理论支撑。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-49840-7

3《Science Bulletin》丨神秘的负纠缠奇异束缚态：从数学抽象走进现实

奇异束缚态的电路实验图以及实验结果图

负纠缠熵研究在物理和工程诸多领域，特别是量子信息技术领域具有深远的影响。奇异束缚态于近期被发现是量子纠缠中负纠缠熵的新来源。由于其在数学上具有负纠缠熵，使得它很难通过实验途径获得认证。近日，北京理工大学物理学院张向东课题组和新加坡国立大学Ching Hua Lee等合作利用经典电路网络实现了奇异束缚态的实验观测。

电路系统具有灵活可重构的连接特性。电路的性质是由电路网络中端点连接的方式决定的，与线路的具体形状和空间维度无关。基于电路系统的这些优势，一些在凝聚态系统以及其它经典系统中从未实现的拓扑物态也在拓扑电路中被成功实现。研究人员将奇异束缚态的晶格模型引入到电路模型中，其设计的电路包含6个节点，每个节点间通过电容和负阻抗转换器（INIC）连接。通过电路实验，他们观察到了奇异束缚态。

奇异束缚态最初被称为自由费米子纠缠哈密顿量的神秘负概率本征态，它不是一个物理算子，它存在于数学抽象领域，原则上是不可观测的。然而，研究人员成功通过经典电路的拉普拉斯算子来实现了自由费米子投影，实验上成功观察到了这种奇异束缚态。展望未来，基于电路可以探测更高维度的其它系统难以研究的奇异物理特性，这为拓扑、非厄米和电路系统的三重相互作用开辟了一个新舞台。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.05.036

4《Advanced Materials》丨性能提升、工艺精简 “双管齐下”，突破Micro-LED技术瓶颈

研究团队提出的双组分多重包覆结构钙钛矿量子点结构及非辐射能量传递机理示意图

Micro-LED是未来显示技术的一个重要面向，其全彩化技术是近年来国际学术界和产业界的公认难点。钙钛矿量子点因其在发光性能的诸多优势，在Micro-LED全彩显示领域具有极高的应用潜力。红色发光的钙钛矿量子点，稳定性较之绿光钙钛矿量子点更差，亮度也更弱。

针对这一产业痛点，厦门大学电子科学与技术学院半导体照明实验室于近日提出了一种全新策略，利用红色发光钙钛矿量子点（γ-CsPbI3）包覆绿色钙钛矿量子点（CsPbBr3），形成核壳结构，在两种量子点之间满足能量转移的条件，γ-CsPbI3将CsPbBr3的发光完全吸收。红色发光的双组分钙钛矿量子点最佳激发波长逐渐被调节至蓝光区域，在蓝光激发下，光致发光强度提升3倍以上，且蓝光激发量子产率接近100%，稳定性显著提升。在将红光量子点最佳激发波长调节至蓝光区域后，研究人员将该双组分量子点应用于蓝光Micro-LED色转换层中。借助玻璃微孔阵列作为载体，沉积出的量子点阵列与Micro-LED阵列相对应，实现了极佳的色转换性能，显示色域可达到135.9%的NTSC标准。

该研究将非辐射能量传递机制与Micro-LED色转换技术相结合，从性能提升、工艺精简方面“双管齐下”，突破当前Micro-LED红光色转换技术瓶颈，以更低成本实现了高质量Micro-LED全彩显示效果，帮助解决产业技术难题。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202300834

5《Advanced Science》丨仿生昆虫跳跃机器人：跃动之间，拯救生命

近日，西安交通大学机械学院科研团队昆虫跳跃机制（如叩头虫）获得灵感，提出了一种偏置屈曲双稳态设计，具有反对称平衡状态和可调节的能量壁垒。由此，他们开发出一种边界致动可调能量壁垒（BATE）跳跃器，体长小至15毫米。这种跳跃机器人能够在高度跳跃模式（高达12.7倍体长）和距离跳跃模式（高达20倍体长）之间转换，并能够执行敏捷的连续跳跃，稳态间snap-through和snap-back的时间都在300毫秒内。此外，该跳跃机器人还展示了实时状态检测的能力用于检测潜在的故障，如空气泄漏，从而提高了系统的可靠性。

这一具有昆虫级表现的BATE跳跃机器人展示了其在探索、搜救等领域的巨大潜力。由于其小巧灵活的设计，使其在狭小空间和复杂环境中拥有独特的优势。例如，在灾后救援中，BATE跳跃机器人可以进入人类无法到达的狭窄区域，进行搜索和救援工作。（专栏作者 李潇潇）

原文链接：

https://doi.org/10.1002/advs.202404404

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