科学通报|智能物质的创制与应用
学术
科学
2024-10-12 16:30
北京
随着人工智能的崛起，智能物质成为了化学、生物、材料等物质科学与计算机科学交叉的前沿热点。北京大学张文彬课题组在《科学通报》发表评述文章，从结构基础、功能涌现、智能特征等角度论述了智能物质的概念与要素，以近年来材料科学的最新进展介绍了智能物质的创制途径和应用场景，认为智能物质的研究是物质科学的机遇与挑战，也是人工智能领域的新方向。近年来，人工智能成为计算机科学的前沿热点，同时正深刻地影响我们的社会。在化学、生物、材料等物质科学领域，人们也期望探索人工智能的不同存在形式，由此理解智能的物质基础。随着具有智能特征的物质体系的不断出现，智能物质已经成为新兴的交叉研究领域。智能物质由基本功能元件和相互作用网络组成，能够感知和处理信号，并进行响应和反馈。它源于分子，又超越分子，作为一个整体，具有涌现的崭新功能。![]()
从构效关系出发理解智能物质，它的化学组成和多层级结构决定了功能，具体可分为传感器、驱动器和存储器等基本功能元件。更为重要的是，基本元件的简单加和并不具备智能特征，需要大量元件之间复杂的相互作用网络，才能产生功能的“涌现”。例如，数个晶体管组成的逻辑门电路具备基本的信号处理功能，而数百亿个晶体管组成的芯片能实现复杂的人工智能计算，即功能的集成和调控。在此之上，智能物质作为信息的载体，可以实现功能的编码、遗传和进化，从而拥有类生命的特征。例如，DNA、RNA和蛋白质行使遗传信息的存储、读取和传递等功能，拥有这些生物分子的细胞能完成复杂的生命活动。目前，人们创制智能物质的途径主要有两种：“自下而上”和“自上而下”。前者通过设计分子基元的组成和相互作用网络，构造全新的体系，带来智能的涌现。在合成材料化学中，无机物、有机小分子、合成高分子和生物大分子均可作为分子基元。后者利用生命体本身的复杂组分及相互作用网络，改造已有的体系，赋予其全新的功能角色。在合成生物学中，原核生物如大肠杆菌、真核生物如酿酒酵母均可工程化以实现新功能。![]()
智能物质的创制方法和应用
智能物质的特征使其在应用上具有独特的优势。现阶段通过“自下而上”和“自上而下”的策略构建的智能物质复杂性仍有较大差距，应用范围也各有侧重。例如，从头构建的响应性物质常用于柔性器件，可作为热响应、光响应、化学响应的传感和驱动器。在此基础上构建的软体机器人可成为高集成度的整体，自主完成一些复杂的行动。另一方面，改造获得的活性物质常用于生物医学领域，包括用于诊断的活体生物传感器和用于治疗的组织粘合剂等。虽然研究仍处于起步阶段，但是智能物质已经被应用在许多领域，展现出广阔的发展前景。作者认为，智能物质的研究是物质科学的机遇与挑战，也是人工智能的新方向。在物质科学领域，智能物质有望在一个材料体系上实现各种不同的功能，最终成为一个通用的材料平台，但目前仍需解决复杂相互作用网络的设计、复杂生命体系的改造等问题。在人工智能领域，具身通用人工智能是下一个重要挑战，而智能物质有望整合多功能材料和高性能计算，成为发展具身智能的全新思路。蒋冯逸, 邵宇, 张文彬. 智能物质的创制与应用. 科学通报, 2024, 69(26): 3914–3924
https://doi.org/10.1360/TB-2024-0173
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