一流科學(xué)家正在干什么

一流科學(xué)家正在干什么？

何積惠

即將改變我們生活的十項(xiàng)新興技術(shù)

在新興技術(shù)層出不窮的今天，推測其中哪一項(xiàng)將會改變計(jì)算機(jī)、醫(yī)療、通信和能源基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域的面貌，總是令人感興趣的挑戰(zhàn)。

最新出版的美國《技術(shù)評論》雜志載文，介紹了將改變?nèi)祟惿罘绞降氖?xiàng)新興技術(shù)，讀者可以通過這些有可能問鼎諾貝爾獎(jiǎng)的工作大致看到當(dāng)今世界那些———

“萬能翻譯”軟件

———10年內(nèi)將在每個(gè)人的手機(jī)上一顯身手

高宇清（音譯）會說兩種語言，她的計(jì)算機(jī)也會說兩種語言。在IBM公司的沃森研究中心，這位華裔計(jì)算機(jī)科學(xué)家此刻正用普通話對著一臺個(gè)人數(shù)字助理說些什么。只過了幾秒鐘，那臺儀器就傳來女性悅耳的嗓音用英語提出的問題：“您有些什么癥狀？”她的這個(gè)系統(tǒng)是為了幫助醫(yī)生與病人交流而設(shè)計(jì)的，但可以擴(kuò)大到兼容其他的語種和情景，最終發(fā)展成為便于文化背景不同的人相互溝通的“萬能翻譯”軟件。

近年來，人們對計(jì)算機(jī)翻譯提出了更準(zhǔn)確、更有效和適應(yīng)多語種的要求，高宇清的工作正處于這一發(fā)展愈益加快的研究領(lǐng)域的最前沿。與逐字翻譯網(wǎng)上文件的商用系統(tǒng)不同，她的軟件著眼于所謂的語義分析：提取文本或講話中最可能的含義，按概念分類存儲，然后用另一種語言把同樣的思想表達(dá)出來。比如在翻譯“我身體感到不舒服”這句話時(shí)，軟件先要斷定說話人生病了，然后用目標(biāo)語言產(chǎn)生一個(gè)與那人健康有關(guān)的句子。如果計(jì)算機(jī)里存儲了足夠的語義概念，就會很容易將一種新的語言與網(wǎng)絡(luò)相連接，而不必為漢語－阿拉伯語或英語－阿拉伯語的翻譯機(jī)分別編程了。當(dāng)然，口語翻譯需要將語音轉(zhuǎn)換成文本，對文本進(jìn)行辨析，再用語音合成技術(shù)輸出翻譯結(jié)果。此外，一個(gè)實(shí)用性系統(tǒng)還必須自動地適應(yīng)語音識別誤差、異常單詞組合和新的對話情景。

為了應(yīng)對這些“復(fù)雜性不亞于制造原子彈”的挑戰(zhàn)，高宇清和她的同事將語義分析同統(tǒng)計(jì)算法結(jié)合起來，使計(jì)算機(jī)能通過文本和人工翻譯的比較來學(xué)習(xí)翻譯模式。由她們開發(fā)的中英文翻譯軟件，已先后在筆記本電腦和個(gè)人數(shù)字助理上得到應(yīng)用。它收入的詞匯量只有幾千個(gè)，卻足以滿足日常談話的需要，在有關(guān)醫(yī)療護(hù)理和后勤的交談中精確度達(dá)到了90％，被美國防部列入專項(xiàng)研究。同時(shí)被列入這一項(xiàng)目的“單向?qū)υ捲~匯書”，則已發(fā)放到駐阿富汗和伊拉克等地的美軍士兵手中。據(jù)悉，這項(xiàng)技術(shù)可望在今年晚些時(shí)候加以推廣，從中受益的將遍及商務(wù)會議、文件研究、監(jiān)視和旅游業(yè)等領(lǐng)域。這位女科學(xué)家表示：“10年內(nèi)每個(gè)人的手持或移動電話都會用上它?！?/p>

合成生物學(xué)

———將催生大量現(xiàn)在無法想象的用途

在普林斯頓大學(xué)磚墻上爬滿常春藤的校園里，在有幾分傾斜的小山上，毫不顯眼地坐落著羅恩·韋斯的生物試驗(yàn)室。惟一與眾不同的是，它居然與好些機(jī)電工程實(shí)驗(yàn)室毗鄰。然而，這樣選址對韋斯來說是恰當(dāng)?shù)?。作為一名?xùn)練有素的計(jì)算機(jī)工程師，他在研究生院深造期間就受生物學(xué)的誘惑而開始給細(xì)胞編起程序來了。

韋斯是涉足合成生物學(xué)研究的為數(shù)不多的人員之一。這是一個(gè)初現(xiàn)雛形的領(lǐng)域，它有助于將基因一絲不茍地“裝配”成網(wǎng)絡(luò)，按照構(gòu)思的程序，指揮細(xì)胞去執(zhí)行任何一項(xiàng)任務(wù)，通過與簡單的桿菌或人體細(xì)胞相結(jié)合大大提升生物傳感功能，甚至還有可能在構(gòu)建供移植的完整人體器官方面，發(fā)揮眼下還難以想象的作用。

為了控制細(xì)胞行為，研究人員現(xiàn)已研制出不同的基因“電路”———具有特殊設(shè)計(jì)的成組互動式基因。韋斯在這方面似乎走得更遠(yuǎn)。除了對這些電路進(jìn)行微調(diào)和設(shè)計(jì)復(fù)雜的細(xì)胞系統(tǒng)外，他還成功地將基因網(wǎng)絡(luò)插入細(xì)胞，有選擇地促成那些執(zhí)行任務(wù)最出色的細(xì)胞優(yōu)先發(fā)育，而且這個(gè)過程可以一直重復(fù)到他獲得想要的結(jié)果為止。在得到美國防部贊助的研究項(xiàng)目中，他就是用這種方式使平素非群居的桿菌變得互相溝通的。結(jié)果，這些桿菌不但能琢磨出刺激物離它有多遠(yuǎn)，還會相應(yīng)地改變其作出的反應(yīng)———本質(zhì)上相當(dāng)于一個(gè)幾乎可監(jiān)測任何異變的活生生的傳感器。

對于韋斯來說，計(jì)劃中最雄心勃勃、同時(shí)也最難以實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目是為成人干細(xì)胞編程。這些非?；募?xì)胞常見于許多人體組織，如果受到正確的誘發(fā)，它們都會發(fā)育成特定種類的成熟細(xì)胞。按照韋斯的設(shè)想，只要通過刺激一些細(xì)胞分化為骨頭，刺激另一些細(xì)胞分化為肌肉和軟骨等組織，那么，研究人員就能引導(dǎo)細(xì)胞去修補(bǔ)損壞的心臟或締造出功能較之任何人造替代物更優(yōu)異的合成膝關(guān)節(jié)。但哺乳動物的細(xì)胞是如此錯(cuò)綜復(fù)雜，這個(gè)任務(wù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比桿菌編程來得困難。目前，韋斯和他的同事們已從小鼠中提取出成人干細(xì)胞，完成了為其編程的工作。

納米線技術(shù)

———“我們基本上可以制造任何想要的東西了。”

在眾多的技術(shù)門類中，很少有像納米技術(shù)那樣被前景看好的。它有助于萎縮數(shù)十年之久的電子工業(yè)迎來全面復(fù)興，令能源生產(chǎn)到醫(yī)療診斷等眾多行業(yè)為之面貌一新。目前，世界各大公司紛紛為此項(xiàng)技術(shù)而斥資，幾乎每一所名牌大學(xué)都以率先展開相關(guān)研究而自豪。學(xué)會如何制作納米線這一納米器件的關(guān)鍵，則成了擺在研究人員面前的一大熱門課題。

顧名思義，納米線又長又細(xì)，體積微小———也許只有人類頭發(fā)寬度的萬分之一。如今，研究人員能將納米線的直徑從5毫微米調(diào)整至幾千毫微米，長度可達(dá)到幾百微米。這種導(dǎo)線整合成較大的結(jié)構(gòu)后，不僅可以制作激光器、晶體管和存儲器陣列，就連類似獵犬嗅探器官的化學(xué)敏感結(jié)構(gòu)也不在話下。但以微調(diào)納米線性能取得的非凡進(jìn)展而論，則當(dāng)首推美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的納米線開拓者、華裔年輕科學(xué)家楊培東了。圈內(nèi)人士稱，這一技術(shù)挑戰(zhàn)獲得的成功意味著：“我們基本上可以制造任何想要的東西了。”

為了研制納米線，楊培東和他的同事利用特殊的小室，先在里面將黃金或其他金屬的薄膜熔化，以形成納米尺度的微滴。然后，向它們發(fā)射硅烷之類的化學(xué)蒸氣，使其分子分解。這些分子以短序列使熔化的納米微滴過飽和后，便形成了納米結(jié)晶。隨著更多的蒸氣在金屬微滴上的分解，結(jié)晶就會像一棵樹那樣往上生長。

同時(shí)在數(shù)百萬個(gè)金屬微滴上進(jìn)行這一操作，使科學(xué)家有機(jī)會對大量的納米線加以組織。楊培東“栽種”的氮化鎵和氧化鋅納米線已長成大片的森林，它們能發(fā)射紫外線光，有助于“芯片上的實(shí)驗(yàn)室”迅速而廉價(jià)地分析醫(yī)學(xué)、環(huán)境和其他取樣。由于在生長過程中引進(jìn)不同的蒸氣，楊培東改變了納米線的成分，使它形成硅和半導(dǎo)體硅鍺的界面，其早期用途是對計(jì)算機(jī)芯片的冷卻。此外，這類器件還有可能最終發(fā)展成為高效的能源，從汽車廢熱或太陽熱量中產(chǎn)生電能。當(dāng)然，對如此細(xì)微的納米線進(jìn)行電氣連接仍是一大難關(guān)，世界各地有100個(gè)研究小組正在進(jìn)行攻關(guān)。

貝葉斯機(jī)器學(xué)習(xí)

———解開現(xiàn)實(shí)生活中撲朔迷離之謎

美國斯坦福大學(xué)的達(dá)夫妮·科勒副教授正在運(yùn)用概率論中一度晦澀費(fèi)解的貝葉斯統(tǒng)計(jì)學(xué)開發(fā)程序，它們在解決基因怎樣發(fā)揮功能等問題的同時(shí)，也深入揭示了有關(guān)不確定性這一計(jì)算機(jī)科學(xué)中長期懸而未決的難解之謎的真相?？评赵谡劦剿难芯繒r(shí)稱：“人類整合各種不同證據(jù)的能力是有限的，而計(jì)算機(jī)則不然?！?/p>

托馬斯·貝葉斯是18世紀(jì)英國長老會的一名牧師，他所構(gòu)思的觀念是如何幫助現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)的呢？以往的機(jī)器推理必須明確每一個(gè)因果關(guān)系，如“下雨使草地變濕”；而基于貝葉斯數(shù)學(xué)概率的程序則可以收集大量的數(shù)據(jù)，比如“天正在下雨”、“草地一片潮濕”等，然后自行推斷出其間可能存在的聯(lián)系或“從屬性”。這一點(diǎn)之所以重要，是因?yàn)樾碌纳镝t(yī)學(xué)技術(shù)提供的數(shù)據(jù)浩如煙海，使研究人員難以解開其間相互糾葛、撲朔迷離的關(guān)系，結(jié)果放慢了尋找特效新藥的速度。

科勒的程序?qū)ι锨ХN基因數(shù)據(jù)進(jìn)行了梳理，也測試了某些基因活動可從其他基因的變化上得到解釋的概率。特別是她在擴(kuò)展貝葉斯編程器運(yùn)用的視覺模型后，以圖像形式顯示了物體及其性質(zhì)和關(guān)系。舉例來說，預(yù)測艾滋病人對藥療法的反應(yīng)不但要了解病人先前有何反應(yīng)，同時(shí)也得看病人身上攜帶著什么病毒株，哪些病毒株具有抗藥性等諸如此類的因素。

目前，研究人員正在設(shè)法使這些方法適應(yīng)各種實(shí)際用途的需要，已推出了能自動繪測廢棄地雷區(qū)的機(jī)器人等。英特爾公司也開發(fā)出可對半導(dǎo)體晶片上的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼的程序。最近，科勒實(shí)驗(yàn)室有一批研究生加盟Google網(wǎng)站，為的是嘗試用貝葉斯方法來發(fā)現(xiàn)和探索網(wǎng)上大量互聯(lián)數(shù)據(jù)的模式。利用貝葉斯技術(shù)設(shè)計(jì)的程序在市場上也很走俏，例如微軟Outlook20XX中就包含有貝葉斯office助理。英國Agena公司研制的貝葉斯軟件，可根據(jù)收視率的高低將電視節(jié)目推薦給衛(wèi)星和有線電視用戶。該公司希望在世界各地部署這項(xiàng)技術(shù)。

T射線

———讓隱匿物體原形畢露，一目了然

人類肉眼只能感應(yīng)到范圍狹小的電磁波譜。于是，有了能顯現(xiàn)骨骼中可疑陰影的X射線、讓某些化學(xué)物質(zhì)熠熠閃爍的紫外線光，還有可供夜間觀察的近距離紅外線輻射。如今，研究人員正在開發(fā)波譜中的一個(gè)新領(lǐng)域：太赫輻射，簡稱T射線。由于這種射線善于穿透很多常見的物質(zhì)，不僅使隱匿的物體原形畢露，就連其成分也一目了然。因此，機(jī)場保安和醫(yī)療成像技術(shù)都可因此而改觀。

早在上世紀(jì)90年代后期，東芝試驗(yàn)室的唐·阿諾尼就把T射線視為取代牙科用X射線的理想選擇了。原來，T射線奏效的范圍恰好在波長延伸成微波前的遠(yuǎn)紅外線區(qū)域里，利用它可以探明牙根的腐爛狀況，但又不至于引起有害的電離輻射。研究人員經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：只要在半導(dǎo)體芯片上激起強(qiáng)效而極短促的激光脈沖，就會產(chǎn)生太赫輻射（因其頻率為每秒萬億次，故名）。射線的飛行時(shí)間會隨著它在材料縫隙或不同厚度間的穿越而發(fā)生變化，所以研究人員可據(jù)此測繪出一顆牙齒的三維圖像。用阿諾尼自己的話來說：“T射線可以填補(bǔ)X射線、核磁共振成像和醫(yī)生肉眼之間的重要空白?！?/p>

去年8月，東芝屬下的Tera

View公司推出了一種評估版的T射線掃描儀，它在外觀和工作原理上都酷似一臺復(fù)印機(jī)。被測物一放到成像視窗上，就會有T射線光束穿越而過；當(dāng)檢測器測出傳輸?shù)纳渚€時(shí)，屏幕上將隨之顯示圖像。如果被測物體積過大，成像視窗上放不下，則另有一條探測臂可實(shí)施活動掃描。據(jù)悉，這種儀器將在一、兩年內(nèi)大規(guī)模投產(chǎn)。

T射線系統(tǒng)的用途非常廣泛。電子消費(fèi)產(chǎn)品公司可以用它檢驗(yàn)制造方面存在的缺陷，食品加工廠可以測定密封包裝內(nèi)的含水量，以確保食物新鮮。它用于診斷皮膚癌或乳腺癌也十分有效，能幫助醫(yī)生更準(zhǔn)確地將病變組織切除。目前，Tera

View公司正在同英美兩國政府進(jìn)行談判，準(zhǔn)備研制一種能與金屬探測器配合使用的掃描儀，以便檢查旅客衣服口袋里藏匿的剃須刀或爆炸物。最近，美國宇航局也獲得了一臺這樣的掃描儀，準(zhǔn)備用它來探查航天飛機(jī)上絕緣泡沫的裂縫。

分布式存儲

———幫你解除文檔管理后顧之憂

組織文檔、電子表格、音樂、圖片和錄像抑或?yàn)榉朗Ц`或故障而維護(hù)正規(guī)的備份文件，都是每個(gè)計(jì)算機(jī)用戶在數(shù)據(jù)管理中面臨的一大麻煩。要是從任何一臺計(jì)算機(jī)，從任何一個(gè)地方敲擊幾下鍵盤，即可將數(shù)據(jù)存儲到互聯(lián)網(wǎng)的旮旯角落里豈不美哉？一門處于萌芽中有“分布式存儲”之稱的技術(shù)就能解決這個(gè)難題。它一方面簡化數(shù)字文件的維護(hù)和存取，使重要文件擺脫對特定計(jì)算機(jī)或系統(tǒng)的依賴，另一方面又解除了人們對斷電或硬驅(qū)動失靈帶來災(zāi)難的后顧之憂。

執(zhí)著地追求這一美夢的，是麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)家哈里·巴拉克利希南。他的工作是圍繞著“分布式散列表”這一更新計(jì)算機(jī)科學(xué)中經(jīng)典概念的努力而展開的。大約從上世紀(jì)50年代以來，散列表就提供了一條快速組織數(shù)據(jù)的捷徑：經(jīng)過一次簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算，給每個(gè)文件指定它在表上屬于自己的行，再由后者存儲文件的位置。如今，這樣的表已隨處可見，構(gòu)成了多數(shù)軟件必不可少的一部分。

在巴拉克利希南所探究的分布式存儲模式中，文件被分散到各處的互聯(lián)網(wǎng)，就像散列表為它們的位置羅列清單一樣。由于每個(gè)表都指向其他的表，所以被搜索的第一個(gè)散列表要是沒有為你想要的文件列出清單，它就會指向其他最終仍只需幾毫秒即可顯示文件位置的表。“你可以在整個(gè)機(jī)器的范圍里移動和復(fù)制文件，而你獲取它們的方式不變?！卑屠死Ｄ辖忉屨f。關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)出有效的路徑，既讓數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)又使各個(gè)表保持更新的狀態(tài)。如果這個(gè)問題處理好了，那么，分布式散列表就能將互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)變成一系列自動組織、易于搜索的編檔機(jī)柜。麻省理工學(xué)院正在按這一設(shè)想研制原型機(jī)，它可按常規(guī)為文件系統(tǒng)攝取“快照”并在互聯(lián)網(wǎng)上廣為散布。

巴拉克利希南的研究是“彈性互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施”（IRIS）工程的一部分，它得到了全美科學(xué)基金會的資助。參與這一合作的尚有加利福尼亞大學(xué)伯克利分校、國際計(jì)算機(jī)科學(xué)研究所、紐約大學(xué)和賴斯大學(xué)。這一工程的影響力至少要過5年才會顯示出來，但英特爾公司的一位研究人員宣稱：“具有如此廣泛潛能的技術(shù)是不多的?！?/p>

核糖核酸干預(yù)療法

———關(guān)閉特定基因就能遏制疑難雜癥“興風(fēng)作浪”

從心臟病到肝炎，從癌癥到艾滋病，許多現(xiàn)代疾病都是由于我們本身的基因“誤入歧途”或受到生物體侵害而引起的。所以，如能找到一種簡單的技術(shù)隨意將特定的基因關(guān)閉，那就可以逮住或治愈這些疾病———至少在理論上是如此。但德國生物化學(xué)家托馬斯·圖施勒也許已經(jīng)找到這樣一個(gè)人體關(guān)閉開關(guān)：核糖核酸干預(yù)（RNAi）。他發(fā)現(xiàn)，用于鎖定某一基因的核糖核酸微小的雙串分子被引入人體細(xì)胞內(nèi)，能有針對性地遏制該基因的活動。在20XX年的東京會議上，圖施勒首次披露了他的研究成果，卻遭到與會者的質(zhì)疑。但時(shí)至今日，這項(xiàng)技術(shù)不僅已被普遍接受，促成了研究工作在各大制藥公司和大學(xué)的蓬勃開展，也可能將圖施勒本人列入問鼎諾貝爾獎(jiǎng)的候選者名單。

核糖核酸干預(yù)療法之所以令人激動