聚焦“智慧的选择” 格致论道·湾区科学家黄埔开讲
鱼刺可以用基因编辑技术“敲除”？人为什么会做无意义的“白日梦”？研究动物进食，得先研究大便？5月20日下午在黄埔区，2023年广州科技活动周暨格致论道·湾区第22期聚焦“智慧的选择”主题，邀请6位科学家从人脸识别到深潜器设计、从纳米测汞到无刺鱼改良、从动物行为进化到食肉动物群落研究分享了他们自立自强的科研攻关故事。
该活动由广州市科技局主办，广州物联网研究院承办，广州市黄埔区科学技术局、广州市黄埔区教育局、广州市黄埔区科学技术协会（广州开发区科学技术协会）、广州市玉岩中学协办。
朱翔昱：从二维人脸照片“架起”三维结构
如何在姿态变化较大的情况下准确识别人脸？如果仅有侧脸或被部分遮挡的面部，人脸能否被精准识别？这些问题长期以来存在于海关识别、刑侦追踪以及日常手机应用当中。
“如果能根据任意一张人脸图片生成正面无表情的图片，就可以很好地解决这些问题。”中国科学院自动化研究所副研究员朱翔昱介绍道。但这在现实中难度非常大，首先需要从二维的照片中恢复出人脸的三维结构，然后在三维空间对人脸的姿态和表情进行校正，才能生成面无表情的照片。朱翔昱及其团队花了近10年的时间研发出全姿态三维人脸重建及校正算法，一方面他们通过合成分析法生成逼真的三维人脸，另一方面训练神经网络使其自动学习，提升了人脸生成速度。通过重建三维人脸，在三维空间对人脸照片进行转正，并重新成像，生成出逼真的人脸。此外，朱翔昱还提到，人脸的潜力不止于此，未来还可以通过人脸测算生理和心理健康状况等，人工智能会变得更加人性化。
中国水产养殖产量连续33年位居世界首位，占世界水产品养殖总产量的65%左右。可以说，全世界每3条养殖的鱼，就有2条来自中国。
鱼好吃，但小刺难挑。“我们数了一下，平均一条武昌鱼肌肉中的小刺大概有120根。” 华中农业大学水产学院高泽霞教授介绍道。我国主养鱼类普遍存在肌间刺多、影响食用和加工的问题，那能否从根源上解决鱼刺“卡脖子”的难题呢？高泽霞和她的研究团队历时10年，在斑马鱼的68个基因突变体中筛选鉴定，找到了调控肌间刺发育的关键基因，并用基因编辑技术敲除掉这个关键基因。从减少小刺数目30%，到100%无小刺，他们终于在2022年成功培育出了无小刺武昌鱼，并与桂院士合作培育了无小刺银鲫。经过试吃和数据验证，无小刺武昌鱼与普通鱼在体型、口感、营养上相差无几。“今年，我们也繁育了无肌间刺草鱼选育群体F1代，再等它们长大一点，我们希望可以把没有肌间刺的草鱼个体筛选出来。”高泽霞补充道。
马英杰：万米载人深潜背后，“钛”不一样
2020年11月，“奋斗者”号载人深潜器成功下潜10909米海底，创造了中国载人深潜的新纪录，这也是世界上首次同时将3人带到海洋最深处。
载人舱是深潜器的关键部件之一，是潜航员生命安全的重要保障。近年来，国际上的万米深潜器采用钛64合金，但一次最多只能2人下潜。为了保证更为合理的3人下潜，载人舱要足够大；为了实现多次安全下潜，载人舱既要能承受住万米水压又要能顺利上浮。如果一味增加载人舱厚度，会导致深潜器过重，影响上浮性能，只能通过选用高强度、高韧性材料来保障载人舱空间和满足重量要求。那么，什么样的材料才能保证载人舱不开裂和不被挤扁的同时，还能实现3人、多次下潜呢？国产新型钛合金材料就是解决这一问题的关键。
经过12年的不断优化和上千次的测试，马英杰研究员所在的中国科学院金属研究所钛合金团队自主研制的新型钛合金终于问世，成功铸造“奋斗者”号载人球舱。目前“奋斗者”号深潜器已实现数十次万米下潜，我国已经成为万米下潜次数和人数最多的国家。“载人舱研制借助了全国多个科研单位的力量，从材料制备、锻造、焊接到成型，带动了国内整个钛工业的发展，真的‘钛’强大！”
陈佩佩：探汞纳米传感器，守护饮用水安全
汞是一种典型的重金属污染物。过量汞进入水体会导致汞中毒，危害人的生命健康。甚至在被称为“世界海洋最深处”的马里亚纳海沟淤泥中也发现了汞，这说明汞的污染已经非常严重。然而，传统检测水中汞的设备体积大、检测周期长、成本高，无法携带到现场进行及时检测和预警。有没有可能研发出可以在现场快速检测出汞的设备呢？
“一项国家级项目的成功申请给予我们利用纳米加工技术研制汞快速检测传感器的机会。”国家纳米科学中心研究员陈佩佩介绍道。为什么是纳米技术？因为基于纳米光学效应的检测灵敏度非常高、响应速度快，甚至能够检测单个分子。陈佩佩及其团队提出，利用三维纳米结构引发一种电磁波的增强，从而大幅提升检测灵敏度，并通过百余种纳米结构的实验结果进行了验证，从而建立了传感芯片定量设计方法。团队基于多年来的纳米加工技术研究基础，有效降低了传感芯片批量制备的成本。
此外，他们还完成了传感器硬件小型化和软件系统开发与集成，研发出可以手持的、性能先进的汞纳米传感器，建立了从传感芯片设计、批量制备到应用的完备平台。他们研制的传感器，不仅能够检测汞，还可以延伸到检测其他环境污染物、危化品、药品、化妆品、食品、农残等领域，具有广泛应用前景。
唐业忠：神奇的动物行为背后是大脑的选择
动物的本能是生存和繁衍，但实际上动物经常会做出一些超出本能以外的反常行为，比如“飞蛾扑火”“大象醉酒”。人也一样，比如无意义的“白日梦”。
中国科学院成都生物研究所研究员唐业忠对这些行为的适应意义进行了长期的思考。一次偶然的机会，他听到了一种理论，即神经系统内部广泛存在竞争关系。那这种竞争是否可以解释这些怪异行为呢？唐业忠介绍道，行为的发生受到神经系统的直接控制，而神经系统内部因为结构和功能的同质化，导致相互之间存在竞争。比如用作存储信息的神经元网络，是由神经元通过化学突触构成的，有刺激时突触得到加强，而无刺激时突触衰减。如果长期得不到刺激，神经元网络就会分解，无法储存信息形成记忆。神经突触的形成很缓慢，但人们却可以形成瞬时记忆，这说明在大脑中有大量预先储备的冗余网络。而这些冗余网络也需要持续、适当的刺激来维持，这些刺激表现为无目的性、随机性或偶然性。比如作为夜行性动物的飞蛾，其视觉网络长期处于“饥饿”状态，一旦有光就会不要命地扑上去。成瘾、醉酒、超常刺激等则通过奖赏系统对脑进行刺激。那些看似无用甚至有害的行为，就得到了合理的解释。
基于此，唐业忠原创性提出神经网络“间接选择”理论，这对幼儿教育也有启示。他认为应该对儿童大脑进行全方位的刺激，而不是过早地开始单一的算数和习字。
姚蒙：高原食肉动物进食法则
大型食肉动物通常处于食物网的最顶端，通过自上而下的调控，在调节食物网和维持生态系统平衡中起到重要的作用。尽管大型食肉动物非常重要，但受人类捕猎、破坏栖息地等行为影响，其物种数量和分布范围在全球范围内迅速下降。
我国西南山地及青藏高原的东南部地区是全球大型食肉动物种类最丰富的地区。要想更好地保护这里的大型食肉动物，首先得了解它们是怎么生存的，而生存离不开食物。森林中的“肉”就那么多，如何“分食”才能共存？大型食肉动物数量少、行动隐秘，想直接观察它们吃什么并不容易。因此，北京大学生态研究中心副研究员姚蒙转换思维，带领她的学生从动物输出的“粪”去研究入口的“食”，他们历经8年，在我国西南山地采集1700余份动物粪便，通过粪便DNA分子食性分析方法去判断每一份粪便对应的动物物种和食物组成，最后获得了900多份食肉动物的高精度分子食性数据，这也是世界上首个多种食肉动物的分子食性数据集。姚蒙通过构建高原食肉动物食物网，分析得出不同食肉动物的食性差异及捕食偏好有显著的差异，这使得它们能减少彼此对食物资源的竞争，更好地在生态系统中共存。
文/广州日报·新花城记者：方晴 通讯员：雷锦萍
图/广州日报·新花城记者：方晴 通讯员：雷锦萍
