一周前沿科技盘点｜以光为笔，他们让细胞展真颜；重塑制造边界，用柔性装配“智”驭未来

MC-ISM动物细胞线粒体和拟南芥下胚轴植物组织线粒体动态成像结果

在生物学前沿研究中，对活体组织中复杂三维亚细胞动态的非侵入性解析技术日益受到重视。为了实现空间分辨率、成像深度、光毒性三者的同时优化，北京大学席鹏团队将共聚焦扫描成像与结构光超分辨结合，提出一种多点共聚焦多点共聚焦图像扫描显微（Multi-confocal Image Scanning Microscopy，MC-ISM）技术。该技术通过优化针孔直径和间距、消除离焦信号和引入减帧重建算法，克服了时空分辨率平衡方面的局限性，扩展了超分辨率成像在生物体内的应用范围。

破衍射极限现细胞真颜，执细腻笔触绘生命画卷。硬件设计与先进算法协同，使MC-ISM深入样本内部精细观察组织深层结构，以高速度捕捉瞬息万变的生命体动态。其较低的光毒性使细胞得以自然地展现其生命力，从而揭示生物体内复杂三维结构的奥秘。以植物细胞中的观察为例，MC-ISM克服了组织散射和自发荧光，实现对拟南芥下胚轴内线粒体的原位超分辨成像，展示了其在厚植物组织中超分辨成像的独特优势。

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https://doi.org/10.1093/nsr/nwae303

跨品类产品重构技术体系

在产品个性化时代，手机、汽车等产品迭代周期越来越短，相应的产品大批量定制生产模式会逐渐普及，即生产订单的零件品类多、批量小。这是智能制造系统的重要发展趋势，对产品加工和装配系统的柔性度提出了更高要求。

对此，清华大学深圳国际研究生院冯平法、曾龙团队提出了具有硬件可重构和软件可重构两大技术特色的跨品类的可重构柔性装配系统。该系统由一定数量完全等同的可重构柔性装配单元，以串联或并联的形式连接而成，每个单元模仿人工装配单元而设计，即可以使用合适的工夹具去完成分配给该单元的装配任务。

团队还提出了一种新五要素装配理论模型和重构技术实现框架。五要素指产品、工艺、资源、知识和决策，产品是指待组装的装配对象，工艺描述了产品是如何使用一个或多个装配资源逐步实现装配的，资源指执行工艺的机器、设备或装置，决策包括在整个装配过程中使用的各种装配方法。知识是对前四个要素的表示和存储，通常以结构化的形式表示，如知识图谱。该创新的形式化的五要素装配模型相比现有的装配模型，扩展了知识和决策两个要素，并将他们置于中心，以支持可重构柔性装配系统更柔性化、数控化、智能化。

重构技术实现框架属于决策要素，根据各种装配决策方法的应用阶段，该框架分成设计、配置和操作三个阶段，为用户针对新产品的产线重构提供系统化的指引。在设计阶段，将产品装配中涉及到的各种装配信息（如装配过程、装配步骤、装配动作和规则）总结并存储到知识图谱中，并设计各种支撑资源库。在配置阶段，获得具有最佳布局的装配线，自动生成的装配程序，并使用虚拟调试技术优化形成最终的装配方案。在运行阶段，创建装配线的数字孪生模型，应用装配线运维和决策技术提高产线稳定性、灵活性和智能性。

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https://doi.org/10.1016/j.jmsy.2024.08.022

表观比特DNA存储原理流程和实验结果

大数据时代，全球数据洪流对数据存储技术提出了严峻挑战。DNA分子具有超高的数据存储密度和超长寿命，已成为备受瞩目的颠覆性存储介质。北京大学计算机学院张成与定量生物学中心钱珑联合研究团队与合作者首次提出了一种基于并行写入策略的DNA存储方法。该技术不依赖于主流的“从头合成”写入路线原理，通过DNA自组装与选择性酶促甲基化的组合原理，可将“表观比特”（epi-bit，5-甲基胞嘧啶）编码的数字信息并行打印在DNA分子上。同时，研究中还成功实现了个人订制DNA存储示例，证明了便捷的分布式DNA存储应用潜力。

团队将中国汉代“白虎”瓦当和国宝大熊猫“飞云”的高清图片成功写入DNA分子中，数据量超过27.5万比特，相比此前发表的其他非传统DNA存储技术，数据规模提升超过300倍。信息读取使用便携式纳米孔测序仪，实现了对DNA模板上复杂表观比特信息的高通量读取，并通过单次超240种不同修饰模式的并行解析，无损还原了原始数据。

研究人员还展示了这项技术的分布式存储应用潜力。在个人定制DNA存储实验中，邀请了北京大学、华北电力大学等单位60名背景广泛的青年志愿者，由他们在日常环境下，将私人数据亲手写入DNA并由个人保存，相关数据直到使用时才被读取，可有效保障个人数据的隐私与安全。这种分布式DNA存储方式，不仅能极大降低DNA存储的使用门槛，且保障了数据隐私，有望推动DNA存储的个人应用。

这一方法的建立，不仅为实现了快速、低成本的大规模分子数据存储奠定了技术基础，还为未来DNA存储的发展提供了全新思路。

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https://www.nature.com/articles/s41586-024-08040-5

GNSS卫星的观测图像（红色框内为卫星，蓝色为恒星）

随着全球导航卫星系统（GNSS）的发展完善，卫星导航成为获取平台定位和授时信息的最主要手段，该手段能够为平台提供高精度的定位授时信息。当前GNSS的干扰技术呈现大功率、密集化、欺骗化的发展特点，完全依赖GNSS难以保障导航的持续有效性。

传统天文导航通过观测无穷远的恒星获得惯性姿态信息，在具备时间基准条件下，利用惯性导航系统（惯导）提供动态水平参考实现定位与定向。由于恒星无距离信息，无法通过观测恒星修正惯导的水平基准误差，目前国内普遍仅能达到约300米的导航精度，无法满足高精度的应用需求。

上海天文台光学天文技术研究室团队将天文导航的观测对象从恒星扩展为包括恒星和具有精密星历的卫星（如GNSS卫星、SLR卫星），通过观测具有高精度三维距离信息的卫星和遥远的恒星，利用基本天体测量技术实现定位和定向。团队独立开发了该导航方案的算法，使用一台口径85 mm 的小型光学望远镜，开展了为期半年的试验验证。试验结果表明，在1分钟内获得的站点位置，与采用RTK（Real Time Kinematic）技术解算的位置结果（厘米级精度）相比，精度优于50米，精度水平与美国霍尼韦尔相当（约30米）。

这种完全不依赖GNSS的导航技术既可以为平台提供导航服务，也可以结合惯导等其他手段对飞机、舰船、航天器进行GNSS拒止条件下的自主导航。

用于类脑计算的功函数调控策略示意图

人类神经系统是高度并行、低能耗、有自主学习能力的信息处理系统，类脑计算是基于人脑的结构和工作方式提出的，通过模拟生物神经网络、神经元功能和神经突触功能来研制器件。类神经形态器件可以在数据的存储位置对信息进行处理，大大减少了存储单元和处理单元间数据传输的需要，从而大幅提高速度和能源效率。在同一架构内实现人工神经元和突触功能，将为大规模神经形态计算提供一条有潜力的途径。

近日，复旦大学微电子学院科研团队采用与CMOS工艺兼容的新兴反铁电纳米材料，研制出一种新原理人工突触/神经元器件。研究团队发现，锆掺杂氧化铪（Hf1-xZrxO2）材料表现出从铁电到反铁电极化行为的转变，并展现出独特的逐步极化翻转和本征去极化特性。他们通过功函数工程引入内建偏压有效解决零偏置下净剩余极化不足的问题，同时在耐久性和高密度三维集成方面表现出诸多优势，为下一代神经形态计算提供了一种新的实现路径。

他们基于对称电极配置研究了不同脉冲刺激下的积分-放电-漏电 (LIF) 神经元行为特性，显示出 1.36 fJ/spike 的低发射能耗。通过引入非对称电极形成偏置电场，极化滞回特性发生偏移，形成两个可辨别的极化/电阻状态。成功实现了包括成对脉冲促进 (PPF) 和长期增强/抑制 (LTP/LTD) 在内的突触行为，功耗低至 245 aJ/spike。基于构建的人工神经网络 (ANN) 系统成功展示了手写数字识别能力，识别率高于90%。

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https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.4c02142

新型半乳糖基化糖胺聚糖促进急慢性伤口愈合

糖尿病足溃疡是糖尿病常见的高危并发症之一。目前，糖尿病足溃疡的临床治疗方法包括抗生素、生长因子、敷料和皮肤替代物等，但治疗效果有限。因此，糖尿病足溃疡在临床上亟需安全有效的新型治疗药物。

中国科学院昆明植物研究所研究员吴明一团队聚焦于天然多糖的结构与功能研究，开展了天然聚糖的纯化制备、结构优化、药理机制以及成药性评价等新药研发相关的基础研究，以期为天然糖类创新药物的研发奠定基础。团队在光亮大蜗牛中分离纯化获得了一种结构复杂的糖胺聚糖（HLG）。该新型糖质的主链由艾杜糖醛酸和乙酰氨基葡萄糖交替连接的二糖重复单元组成，含半乳糖基化侧链。药理活性结果显示，HLG能够促进血管生成、肉芽组织新生、胶原沉积和表皮再生，从而促进糖尿病伤口愈合。构效关系分析表明，HLG独特的半乳糖侧链结构和较高的分子量对促进糖尿病伤口愈合起到重要作用。

该团队报道了新型半乳糖基化糖胺聚糖，丰富了糖胺聚糖的结构类型。同时，这一新型糖胺聚糖具有促进伤口愈合的活性，为研发糖尿病足溃疡治疗药物奠定了药理基础。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2024.122900