今日技術前沿：電子自旋、單光子發射、小數據、生物活性材料、六足機器人

為中華之崛起，關注戰略、科技、教育！

一、電子自旋研究取得新進展

現代計算機技術基於半導體中的電荷傳輸。但該技術的潛力將在不久達到極限，因為其結構組件不能進一步小型化。但是，人們還有另一個選擇：使用電子的自旋而不是其電荷來傳輸信息。來自慕尼黑和京都的一個科學家團隊現在展示了電子自旋如何工作。

這利用了電子除了電荷之外還具有角動量棗自旋的事實。專家希望使用這個屬性來增加信息密度，同時提高未來電子產品的功能。

WMI研究所的科學家們與日本京都大學、慕尼黑技術大學（TUM）的同事一起，室溫下在一個卓越的材料系統中展示了自旋信息的傳輸。

在他們的實驗中，他們證明了在材料鑭鋁酸鹽（LaAlO 2）和鈦酸鍶（SrTiO 3）之間的邊界層中的電子自旋的生產，運輸和檢測。使這種材料系統獨特的原因是，在兩種非導電材料之間的界面處形成極薄的導電層：所謂的二維電子氣。

二、GaN薄膜缺陷實現室溫單光子發射

對更快計算機的需求正在快速增長，且「大數據」的興起更需要探索新穎的解決方案以提供更快的結果。天氣預報系統、蛋白質結構的計算建模、對機密數據的更安全通信日益增長的需求，都是信息需要迅速處理的示例。目前，幾個平台正在競爭實現量子技術，最有希望的是基於非古典光源的一代。

澳大利亞悉尼技術大學（UTS）數學和物理科學學院（MAPS）副教授Igor Aharonovich和博士生Amanuel Berhane與Dirk Englund教授及其在美國馬薩諸塞理工學院（MIT）的團隊合作，已經證明該技術可以通過市售氮化鎵實現。

「我們的技術基於超亮光脈衝，可以以光速攜帶信息，為量子加密和光量子計算鋪平道路，」Aharonovich說。「我們正在開發安全通信和量子信息的新解決方案。」

Berhane進行了這項研究，並在2016年初實現了GaN發射體的最新發現。「根據未來器件如亮度和偏振的一些標準，評估GaN中新單光子源的性質，我們得出結論，GaN具有巨大的潛力。」他說。UTS團隊專註於識別和演示半導體平台，這將使基於光子的快速計算成為可能。「我們採用技術兼容的材料，所以下一步構建量子處理器正變得越來越可行。」Berhane說。

UTS的合作作者教授Milos Toth說，該團隊使用實驗和數值模擬來確定作為發射源的GaN中結構缺陷的獨特排列。「我們的工作展示了GaN薄膜的新型單光子發射，這種材料已經是LED的可行平台。」他補充說。「已經在具有不同厚度和不同結構的膜中觀察到發射。」

該團隊現在專註於將這些發射源與片上器件集成以開發商業器件原型。大多數量子技術（如量子計算機）仍處於研究階段，並在實驗室演示中取得了顯著的進步。該研究團隊相信，這項研究表明使用量子基計算技術正在逐漸成為現實。

三、美國科學家利用新數據科學方法在小數據中發現具有應用前景的材料

在材料研究領域，查找新功能材料的工作非常棘手。而在相對較小的已知材料系列中搜索非常具體的屬性更是難上加難。

日前，西北工程學和洛斯阿拉莫斯國家實驗室的一個工作小組發現了一種變通方案。該工作小組開發了一種新的工藝，能夠整合機器學習與密度泛函理論計算方法，創造出了適用於顯示鐵電性和壓電等有用電子屬性的新材料設計指南。

幾種特定幾何形狀的層狀材料具有相關的特徵 – 其是開發電子、通信和能源問題解決方案的關鍵 – 即供採用傳統研究方法來規劃該指南使用的數據很少。

麥考克工程學院材料科學與工程部助理教授James M. Rondinelli說，「其他各方尋找新材料時通常僅關注擁有數據的相似材料。這種方法不一定適用於任何設備，但我們知道如何從較大的數據集中提取信息，若不存在大量信息，從數據中獲取信息就變得非常困難。」

美國國家科學基金會和洛斯阿拉莫斯的實驗室直接研發項目提供資金支持，研究小組聚焦於一類二維複雜氧化物 – 或四方鈣鈦礦共生型結構的氧化物。這些材料顯示了鐵電性和壓電等很多技術支持屬性，且能夠與現今電子設備中發現的傳統半導體材料相互作用。

研究人員表示，有關該材料系列的數據集較少。目前，已知的具有理想屬性的材料大約只有10-15種。有用的數據並不是很多。領域知識需求較小的大數據問題採用傳統的數據科學。拋去小數據問題的本質不說，單憑我們能夠將我們對這些材料的了解（領域知識）和通知機器學習的數據相組合這一點，我們的方法是可行的。

因此，該研究小組開始構建已知材料的資料庫並利用機器學習構建計算機科學子域，該子域創建了一種能從數據中獲取信息的演算法，然後，利用獲取的信息進行更好的預測。研究人員稱：「利用機器學習，我們還能確定所計劃開發材料的替代材料成分。」 該研究小組調查了3,000多種可能的材料，該數據科學方法發現，其中有200多種材料具有有前景的備選化學成分。接下來，該小組通過幾種嚴謹的量子力學計算方法，評估了潛在材料的原子結構並檢查了原子結構的穩定性。 該項工作將這種可能性縮減到19種，建議直接實驗合成。截至目前，在200種備選材料中有很多材料具有該種可能性。

通常在開發新材料時，所面對的材料數量可能過多，因此難以逐個探索並開發。而篩選具有潛力的材料過程成本太高，科學家們必須有選擇性地進行投資。

研究人員稱，該項研究可能有助於節約大量的時間和資源，但僅推薦對那些可能有前景的材料進行實驗調查，而不是探索所有可能的材料。

四、具有生物活性的可穿戴感測器問世

麻省理工學院的工程師和生物學家通過合作，設計出一種「活性材料」——植入了活細胞的水凝膠片，這種水凝膠片質地堅韌、富有彈性且具有生物相容性，植入的細胞經基因修飾，當遇到特定的化學物質時會發光，這種材料作為新型感測器，在監測環境或人體中的化學物質方面有巨大的應用潛力。研究成果發表在近期的《美國國家科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）。

（1）製造具有「生命」的活性材料難題

研究人員通過對活細胞（如大腸桿菌）內的生物質進行基因重組，使其能像電路中的邏輯功能一樣有序地發揮作用。利用此方法，研究者可以重新設計細胞以執行特定功能，例如感知病毒和毒素的存在並發出信號。然而，這些新的轉基因細胞大多僅能在培養皿中存活，需要小心地控制培養皿中保持細胞活性所需的各種營養水平——而這種環境條件想要複製到合成材料中是極為困難的。

製造活性材料所面臨的首要挑戰是，一是如何培養這些活細胞，使它們能存活下來並執行一定的功能。培養細胞需要濕度、營養，一些還需要氧氣。二是如何防止它們從材料中流失。為了應對這些挑戰，研究人員通常使用來自基因工程細胞冷凍乾燥後的化學提取物，將它們結合到紙上，製成低成本病毒檢測診斷試紙。然而，提取物不像活細胞那樣，可以在較長時間內保持其功能，並且在檢測病原體時有更高的的靈敏度。此外，有的研究者嘗試將心肌細胞接種到橡膠薄膜上以製造柔性的、「活的」執行器或機器人。然而，當經過反覆彎曲後，這些膜材料可能發生破裂，從而導致活細胞的泄漏。

（2）充滿生機的細胞宿主

MIT的活性軟材料實驗室開發了一種新型水凝膠，這是一種由聚合物和水混合構成的高韌性、高彈性的生物相容性材料，可能是宿主活細胞的理想選擇。過去幾年裡，該團隊已經提出了多種水凝膠配方，在他們最新的設計中，水凝膠含水量高達95%。該材料甚至在反覆拉伸後也不易開裂——這一特徵非常有利於容納活性細胞。

研究團隊最終成功將基因重組細菌細胞融入到水凝膠片材料中。他們首先使用3-D列印技術做出水凝膠層，然後利用微成型技術在水凝膠層上做出特定圖案的窄通道。隨後，將水凝膠結合到彈性體層或橡膠層上，所述彈性體或橡膠必須有足夠的孔隙率，以保證氧氣能夠進入。最後，他們將大腸桿菌細胞注入水凝膠的通道中。當某些化學物質透過水凝膠與細胞接觸時，細胞會按設計的基因功能發出熒光或發亮。這種情況下產生一種叫做DAPG的物質。然後，研究人員將水凝膠/彈性體材料浸泡在營養液中，使水凝膠注滿營養成分，從而保證其中的細菌細胞可存活數日。

為了證明該材料的潛在用途，研究人員首先製造了一片具有四個獨立窄通道的材料，每個通道包含一種細菌，每種細菌被設計成可響應不同的化學物質，並會發出綠光。結果毫無疑問，四個通道在暴露於各細菌對應的化學物質時都成功點亮。接下來，團隊將材料製成繃帶或「活性貼」，其中圖案化的通道中含有對鼠李糖（天然存在的糖）敏感的細菌。研究人員用浸泡了鼠李糖的棉球擦拭志願者的手腕，然後貼上水凝膠貼片，「活性貼」一經與皮膚接觸就做出響應，開始發光。

該團隊還開發了一個理論模型，以幫助指導他人設計類似的活性材料和裝置。研究人員表示「理論模型能幫助我們更有效地設計出活性裝置。它會告訴你水凝膠層應該有多厚，通道之間的距離是多少，如何做通道圖案以及使用多少細菌等信息。」

該團隊利用植入細胞的水凝膠製作了多種可穿戴感測器，包括一隻橡膠手套，並在指尖設計了漩渦狀通道，每個通道填充響應不同化學物質的細菌細胞。每個指尖在捏取浸有不同化合物的棉球時，都對應地做出了響應，發出輝光。當指尖觸摸受化學物質污染的表面時，會發出光澤。還製作了一種繃帶，當貼在沾有化學物質的人體皮膚上時，會變得閃閃發亮。

這種新型活性材料在檢測化學物質和污染物方面有廣闊的應用空間。例如，從犯罪現場調查到法醫科學，從污染監測到醫療診斷等領域。通過這種設計，人們可以在裝置中放入不同類型的細菌，以指示環境中的毒素或皮膚上的疾病。

該研究得到海軍研究院、國家科學基金會和國家衛生研究院的部分支持。

五、瑞士科學家開發六足機器人新步態 行走效率比自然界昆蟲更高

瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）和瑞士洛桑大學（UNIL）的研究人員研究發現，如果六足機器人不需要像昆蟲那樣爬上牆壁或者天花板，而是在平坦的地面上運動時，可以採用與自然界昆蟲不同的步態來實現更高效的移動。自然界的昆蟲在移動時，總有3隻腳保持與地面的接觸，即採用「三腳」步態行走，而瑞士科學家研究發現，六足仿生機器人採用「兩腳」步態的運動策略時，其移動速度可以更快、效率更高，這一研究成果已發表在2017年2月17日出版的《自然·通信》期刊上。

研究人員進行了一系列的計算機模擬，對生物學研究中最常用的昆蟲黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）進行了一系列模擬和測試。論文通信作者Pavan Ramdya表示，「我們要確定為什麼昆蟲會使用三腳步態，這是不是六足動物與這類仿生機器人效率最高的移動方式？」

研究人員在使用一種進化演算法優化模型的基礎上，測試不同的組合，模擬果蠅不同步態的行走速度。通過逐步優化，該演算法逐漸篩選出速度最快的步態。

經研究發現，如果昆蟲腿的尖端有粘附力，攀爬垂直表面時最優化的步態是三角步態。相反，對於腳部沒有粘附力的昆蟲，模擬實驗顯示，雙腳步態更快更有效——雖然實際上在自然界沒有昆蟲會這樣走路。

研究人員還開發出一個能夠兼容三腳步態和雙腳步態行走的六足機器人。實驗證明，在平坦地麵條件下，採用雙腳步態的行走速度更快，這也證實了模擬演算法的結果。

怎麼才能每天得到這種前沿科技信息？關注本號即可！