科创观察员|中国科协发布十大前沿科学问题，上海有何研究基础和优势？

摘要：有何重要意义

情智兼备数字人与机器人、作物高光效的生物学基础、人类表型组微观与整体的复杂关联及其机制解密……日前，中国科协发布2024十大前沿科学问题。解放日报·上观新闻记者选取部分科学问题，采访相关学者和智库专家，以探寻研究这些科学问题有何重要意义？上海有何研究基础和优势？

【情智兼备的难点在于“情”】

“机器人技术的发展从一开始就充满着人类的情怀，这注定其将拥有人类的‘浪漫’。情智兼备，不仅可让人形机器人变得情感亲和，促进人机有效交互，还能直接应用于其它类型机器人技术中。”上海大学上海市智能制造及机器人重点实验室足式机器人专家贾文川说。

人的身体和智慧为高性能机器人技术发展提供了自然参照。机械、控制、电气、通信等领域的科技工作者更多参照人类的身体机能运行机理、肢体形态和行为运动模式，致力于开发具有优良运动能力的机器人本体；而计算机、信息、生命科学、人工智能等领域的人员则通过借鉴人脑思维模式，专注于实现具有精准认知、快速决策能力的人工大脑。

“这两个领域如同两个独立的星系，在过去鲜有真正意义的交集，而随着各自技术外延的扩展，并在新能源、康复医疗等技术的助推下，在近年不可避免地发生了大碰撞。这不仅使得两者兼具的人形机器人技术被迅速推上风口，也为下一步发展情智兼备的数字人与机器人提供了天然土壤。”贾文川说，在任何需要注入情感、易受情绪影响的应用场景，例如心理陪伴、家庭照顾、生活服务、医疗、康复、教育、竞技，甚至战场上，情智兼备机器人都有着巨大的应用需求和前景。

情智兼备技术的难点正在于“情”。情感是复杂的，或是动态的，或是多种单一情感因素的复合；每个人表达情感的方式也有差别；情感常是双向的、多向的，例如情绪会相互影响，也会存在共情等。目前学术领域仍处于对情绪识别的研究阶段，如何进一步表达、量化、理解情感是随后研究的首要难题。

对于情智兼备的研究，需要依托人工智能领域的最新成果和积累。在贾文川看来，第一阶段可以虚拟人、数字人为载体，降低研发成本，初步满足情感陪伴、教育等并不完全需要机器人物理实体的场景应用。在这一阶段，情智兼备的数字人可能仅存在于智能手机、电脑或具有简单运动功能的设备中。第二阶段可将数字人技术迁移至具有良好移动能力、肢体运动能力的真实仿生机器人系统中，并解决仿生运动、仿人思维、仿人情感之间的有效融合和协同，使机器人更加贴近人类理想中的模样。

上海研发“情智兼备”机器人有何优势？贾文川说，除了需要机器人、人工智能领域的专家深度参与，康复医疗、人脑科学、心理学等领域的专家同样不可或缺，上海在这些领域均有优良的技术基础和人才积淀。此外，上海城市数字化、智慧医疗康复体系的建设基础，也将对“情智兼备”机器人所依赖的人类情、智大数据样本提供直接帮助。

【提高农作物光合作用的效率】

“光合作用提供了能量和氧气，与人类的衣食住行息息相关。如何提高光合作用的效率？相关研究一直在做，但对其生物学基础还不是完全清楚。”上海市科学学研究所副研究员陈红光说。

由于光合作用由多基因调控，“作物高光效的生物学基础”研究最难之处在于关键基因组的鉴定，即需要明确到底是哪些基因在发生作用。叶绿体是植物进行光合作用的场所，不同农作物的叶绿体含量也不同。由于吸收二氧化碳的方式不同，碳四植物比碳三植物更适合在干旱和高温环境中生长，且其生长速度更快。在同样的光照、温度和水分条件下，碳四植物的光合作用效能一般比碳三植物高，其产量也更高。这意味着用更少的土地可以得到更多的粮食。

“光合作用反应条件温和，无论从‘双碳’还是能源角度看都是绿色技术。提高作物光合作用效率的意义重大。”陈红光说。

近年来，地处上海的中国科学院分子植物科学卓越创新中心致力于打造具有国际影响力的分子植物学科“生长点”，促进植物与农业科学“顶端生长”。今年3月，国际权威学术期刊《细胞》以封面文章在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余研究团队和华中农业大学周菲研究团队合作的一项成果，该研究解析了叶绿体基因转录“蛋白质机器”的冷冻电镜结构，为提高光合作用效率提供了新思路。

“除了提高光合作用效率，‘生物固氮’这一前沿科学问题同样值得关注。”陈红光说。空气中氮元素丰富，但植物并不能直接利用。豆科植物与根瘤菌共生，可以将氮气转化成植物需要的营养。能否把豆科植物固氮基因转移到玉米、水稻中去，一直是难以破解的重大科学前沿问题。近些年，中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究团队，引领了国际固氮和菌根共生相关领域的研究。

【人类表型组计划是数据驱动】

基因是一种内在的生命密码，表型则是生命密码的外在表达，比如高和矮，它由基因和环境相互作用而成。

“现代生物医学的核心问题之一，就是破解宏观表型（例如健康与疾病）的微观机制。表型组学研究的重要性已成为学界共识，如何破解宏观-微观表型之间的复杂关联与互作机制一直是生命科学前沿探索的方向。”世界分子影像学会主席、复旦大学人类表型组研究院执行院长田梅说。

由于遗传机制的复杂性、基因与表型的多样性，人类基因组学在经历快速发展后遭遇了瓶颈。想要探究基因如何演化为如此复杂而迥异的表型，国际科学界迫切需要全面研究人类表型组来补充“信息的另一半”。现实中，就算有着相同的高风险基因，也不一定都会发病，这同样需要探寻人类表型组微观与整体的复杂关联及其机制。人类表型组是人类基因组之后生命科学研究的又一战略制高点和原始创新源。

以中国科学院院士、复旦大学校长金力为代表的中国科学界率先系统提出了发起人类表型组大科学计划的构想，在表型组学基础研究领域处于国际领先地位。

“传统生物学是从假设到验证，人类表型组计划是数据驱动，不假设先测量。我们的目标是要建立一个高质量、高规格、高水平的以表型组为中心的中国人群生物数据库，未来为AI+生物医药的发展打下基础。”田梅介绍，以复旦大学为代表的中国科学家团队，已取得四个“全球第一”：建成第一个跨尺度、多维度、一站式人类表型组精密测量平台；完成第一个每人测量24000余个表型的自然人群深度表型组队列；绘制了第一张人类表型组导航图，发现150余万个表型之间的强关联，大部分为科学界首次发现，有望推动新的生物标志物与潜在药靶大规模发现；研发了第一套多组学标准物质，成为衡量生物医学检测准确与否的“标尺”。

“表型组学使得人们对于疾病的发生发展过程有了更清晰的认识。当更多人类表型组微观与整体的复杂关联及其机制被一一解密，未来，对照一下表型组数据，也许就可以大概预测自己的健康状况，治未病不再遥不可及。”田梅说。

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