一周前沿科技盘点〔109〕｜既强且柔的金属合金什么样？“透视”细胞，AI助力纳米药物研发

智能变形飞行器、机器人的超强人工肌肉等是未来技术的热门领域，而这些领域都需要一类全新的金属材料作为支撑。近日，西安交大科学家就面向上述应用领域，创制了一种兼具高分子材料超高柔性和超高强度钢特性的金属合金。

国家纳米科学中心陈春英、王亚玲与中国科学院高能物理研究所张凯共同建立基于机器学习的同步辐射硬X射线纳米CT成像数据分析技术（DL-HXT）。该技术能“透视”细胞结构及胞内纳米颗粒，并针对不同结构进行自动化、标准化的分割识别和统计分析。

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109期。

1 《Nature》丨既强且柔的金属合金什么样？

智能变形飞机、机器人的超强人工肌肉等未来技术亟待一类全新金属材料的出现，它既能像超高强度钢一样强，又能像高分子材料一样柔顺。然而，这种工程技术上热切期待的“既强且柔”特性是目前物理原理所不允许的性质。因为高强度需要强的原子键，但强的原子键又造成低柔性。因此以往的高强度材料如高强度钢的强度虽然很高（强度高于1 GPa），但其柔性很低（弹性模量或刚度系数高达200 GPa）；而高分子材料柔性高（弹性模量低至10 GPa或更低），但其强度也很低（大多低于0.2 GPa）。

近日，西安交大前沿科学技术研究院及金属材料强度国家重点实验室多学科材料研究中心徐治志等人研发出一种可规模生产的奇异金属。他们基于该中心的应变玻璃的基础研究成果，通过一种可规模生产的三步热机械处理工艺，在商用Ti-50.8Ni合金中实现了一种带有两种马氏体“种子”的独特应变玻璃状态DS-STG；该状态的合金兼具变形强化带来的超高强度（1.8 GPa）和通过马氏体“种子”无形核成长带来的超高柔性（10.5 GPa的超低弹性模量）和超大可逆形变（8%）。其特性能在-80℃到+80℃的宽温域内保持，同时该金属合金在大应变下仍具有出色的抗疲劳特性。这些优异特性可望使得该合金在变形飞行器、超级机器人、人工器官等未来技术领域得到重要应用。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07900-4

2 《ACS Nano》丨“透视”细胞，AI助力纳米药物研发

DL-HXT成像分析方法流程

同步辐射硬X射线纳米分辨CT成像具有高空间分辨的三维成像能力，可以在亚细胞尺度直接观察自组装纳米颗粒的三维空间分布行为，对纳米药物研发及探究其药理、毒理学性质具有重要意义。然而，同步辐射硬X射线纳米分辨CT成像在对细胞内“海量”的自组装纳米颗粒进行CT成像时，仍然面临挑战。细胞内小尺度颗粒辨识难度大、图像分割困难；缺乏批量标准化CT数据处理流程，影响了“海量”数据的准确、有效分析。

对此，国家纳米科学中心陈春英、王亚玲与中国科学院高能物理研究所张凯建立了一种基于机器学习的同步辐射硬X射线纳米CT成像数据分析技术（DL-HXT）。DL-HXT技术能自动化地识别包括细胞核在内的细胞自身结构以及胞内纳米颗粒，并能针对不同结构进行自动化、标准化的分割识别和统计分析。DL-HXT数据分析技术还为三维、纳米分辨、无标记的胞内纳米颗粒成像提供了一种批量数据分析方法。分析结果直观地反映了细胞内纳米颗粒之间的相互作用以及纳米颗粒在细胞内空间分布、聚集行为和聚集体形貌特点。

这项工作为在亚细胞尺度阐明纳米颗粒组装机制，探究纳米颗粒与细胞器之间的互作及不同细胞器之间的互作用提供了一种便捷、可靠的创新分析方法，为后续自组装药物药理学研究和新型纳米药物研发提供了新的评价工具。

原文链接；

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c06095

3 《Nature》丨广角超构透镜技术突破无线光通信光束偏转瓶颈

无线光通信（Optical Wireless Communication, OWC）是一种通过光波进行无线信息传输的方式，可以实现高速的数据传输，速率可达Gbps级别，能提供非常高的带宽，且频谱资源丰富，抗电磁干扰能力强，被认为是新一代移动通信系统中有前景的技术之一。光束偏转是无线光通信中的一项关键技术，其在信号发射端和接收端之间建立长距离、高速数据传输的通信链路。传统的无线光通信系统中常用机械转动的反射镜、液晶空间光调制器等实现光束偏转，然而这些方式的光束偏转角度受限，且难以实现多路光束同时独立调控，因此严重影响无线光通信系统的性能和应用场景。

近日，东南大学张在琛教授团队提出了一种基于广角超构透镜的大视角、高速、并行无线光通信系统。其核心器件可将144路光纤出射光束调制偏转到空间全向120°视角范围的各方位，整个系统的通信容量可达数十Tbps。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-52056-4

4 灵动的蛇形检测机器人：盾构机刀具的“随行医生”

盾构机是一种全封闭的隧道掘进设备，大量应用于地铁、隧道、水利、矿山、河湖治理等工程领域。盾构机前端刀盘上的刀具可切削泥土或者破碎岩石，其工作环境复杂多变，温度、湿度、粉尘浓度等因素，以及坚硬岩石等地质条件都会加剧盾构机刀具磨损程度。

近日，由浙江大学高端装备研究院特种机器人部科研团队研制的超冗余蛇形检测机器人在盾构场景应用，成为检测盾构机刀具健康情况的好帮手。该机器人参照蛇骨架结构与肌腱驱动原理，能在65摄氏度、压强2兆帕、湿度90%以上的环境下作业。其身体分节，直径十多厘米，总长2.4米，可通过手柄控制。

团队在机器人关节间铰链中嵌入微型磁感应角位移传感器，研究刚柔耦合动力学建模方法，并设计了一种智能闭环控制算法，实现误差补偿。这满足了机器人需要进行高精度轨迹跟踪的控制需求，令机器人头部定位精度达到毫米级；由于蛇形机器人有十几个自由度，在避障时同时控制所有自由度非常困难。为此，团队提出了一种蛇行随动避障控制算法。在操作机器人时，工作人员只需控制机器人头部的方向和机器人整体的运动方向，机器人的身体便会沿着头部走过的路径动作，从而实现自动避障；团队还采用数字孪生技术，在控制端建立起机器人与盾构机的数字化模型，用来判断机器人与盾构机刀具的相对位置。这样，操作人员就可以通过操作手柄轻松实现蛇形机器人在盾构机内的导航。

进入工作区域后，蛇形机器人通过对盾构机刀具的特征识别，能实现刀具上泥块的自动冲洗。此外，此识别功能还可采集刀盘刀具图像数据，分析刀具磨损的视觉特征，为进一步开展换刀工作提供决策依据。该识别功能对盾构机刀具检测的精度可达到毫米级。

该检测机器人能有效降低人工入舱风险，降低工人劳动强度，提升施工效率与安全水平，有效延长刀具使用寿命，缩短施工周期，降低施工成本。该研究院目前正与国内盾构机行业龙头企业开展合作，将小批量试产盾构机蛇形检测机器人，并在多种型号的盾构机上进行试用，推动其标准化、产业化发展。

5 《European Respiratory Journal》丨发现磷脂代谢异常，开启哮喘治疗新视角

哮喘是常见慢性气道疾病之一，是重要的全球公共健康问题。随着环境污染、过敏原暴露及个体自身变化等因素的影响不断增加，哮喘发病率仍呈现上升趋势。准确评估哮喘的严重程度、监测疾病进展以及制订个体化治疗策略在临床管理中至关重要。

北京大学第三医院呼吸与危重医学科常春团队，与北京大学基础医学院免疫学系金容、天津医科大学生理与病理生理学系代谢疾病重点实验室张栩合作，揭示哮喘的磷脂代谢特征及磷脂代谢物调控哮喘中CD4+ T细胞的机制。

北京大学第三医院呼吸与危重症医学科哮喘专业组建立了国内首个整合院内诊疗信息及院外远程随访信息的一体化管理平台并建立哮喘队列，近年来围绕哮喘可治疗特征、精准医疗进行了一系列临床、基础研究，尤其关注哮喘的免疫调控新机制，为针对哮喘异常免疫通路的靶向治疗提供新靶点。此次研究中，团队发现磷脂代谢异常可能是各类哮喘普遍的可治疗特征，揭示了LPG18:0作为哮喘生物标志物的潜力，并阐明了其影响Treg功能的分子机制，为哮喘的代谢免疫机制提供了新的视角，为未来开发哮喘免疫治疗新策略和药物靶点提供了理论基础。

原文链接：

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39147414/

6 《Nature Communications》丨“光学涡旋阶梯”让光子石墨烯上演“光之舞”

光学涡旋阶梯及光子石墨烯晶格中的赝自旋西西弗斯泵浦示意图

光学涡旋是光学领域中的一个重要现象，它描述了光波在特定条件下形成的螺旋形相位结构和相应的旋转现象。这种特殊的光学现象在光学通信、粒子操纵、显微镜技术和激光加工等领域具有广泛的应用前景，这些技术通常需要复杂的结构设计和制造工艺。

近日，南开大学陈志刚、许京军课题组首次提出并演示了一种“光学涡旋阶梯”（Optical Vortex Ladder）的概念，不同于传统的高斯光激发，研究人员通过具有贝塞尔包络的探测光激发狄拉克锥，实现了光子石墨烯中两个不同赝自旋态的完全转换。并且进一步通过在光子石墨烯中对赝自旋模式进行类似西西弗斯式的泵浦，实现了任意阶数的光涡旋。该方法不依赖于实空间对光束的精准对齐，并且受到动量空间的拓扑保护，有望克服现有技术的局限性。这一创新原理不仅适用于光子石墨烯，还可扩展至Lieb晶格、超蜂窝晶格和硼烯光子晶格等其他类Dirac系统，为拓扑系统中光学涡旋的主动生成和调控开辟了新途径，有望引领轨道角动量在光子学及其相关领域应用技术的发展。（专栏作者 李潇潇）

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-52070-6

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