中國(guó)工程院外籍院士邁克爾·霍夫曼
實(shí)現(xiàn)廢水就地處理的“廁所革命”
■本報(bào)記者 陸琦
世界廁所組織數(shù)據(jù)顯示，全球有24億人沒(méi)有廁所或生活在廁所衛(wèi)生較差的環(huán)境中，一些國(guó)家因此引發(fā)瘧疾等大量疾病，因?yàn)橹迸盼畚镌斐赏寥�、食物和水污染�?/p>
在5月30日舉行的中國(guó)工程院第十四次院士大會(huì)全院學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)上， 中國(guó)工程院外籍院士、加州理工學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程系教授邁克爾·霍夫曼為大家?guī)?lái)了一場(chǎng)關(guān)于“廁所革命”的報(bào)告。
“這個(gè)項(xiàng)目是2011年在我研究生涯的后半程開(kāi)始的。”霍夫曼40多年的學(xué)術(shù)生涯研究涉及大氣化學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、催化氧化與還原、光化學(xué)、光催化、納米技術(shù)、超聲化學(xué)、光電化學(xué)、脈沖等離子體化學(xué)、環(huán)境水化學(xué)和微生物學(xué)等廣泛的領(lǐng)域。
在比爾及梅琳達(dá)·蓋茨基金會(huì)的資助下，霍夫曼課題組開(kāi)發(fā)、測(cè)試并實(shí)施了便捷式反應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)為生活廢水的就地處理而設(shè)計(jì)。
生活廢水在用一套連續(xù)的厭氧/好氧折流式生物反應(yīng)器預(yù)處理之后，廢水緊接著會(huì)通過(guò)半導(dǎo)體電化學(xué)陣列被處理，這里的化學(xué)需氧量（COD）和微生物量都會(huì)降低到美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA）的重新使用標(biāo)準(zhǔn)值以下。
“用特制的迷你反應(yīng)器將處理過(guò)的廢水轉(zhuǎn)化成可以用來(lái)洗手和飲用的新水。”霍夫曼介紹說(shuō)，“處理過(guò)的廢水就會(huì)被收集到?jīng)_洗水箱中而不會(huì)被排放到周?chē)沫h(huán)境中。”
飲水與廁所有關(guān)的疾病是五歲以下兒童死亡的主要原因之一，不安全供水和廁所與兒童生長(zhǎng)遲緩有關(guān)，影響全球1.56億兒童。
據(jù)介紹，霍夫曼課題組設(shè)計(jì)的反應(yīng)系統(tǒng)可以通過(guò)消除懸浮顆粒并減少95%以上的化學(xué)需氧量（COD）以及整體消除糞大腸菌群、大腸桿菌、病毒和大腸菌群來(lái)凈化廢水。原理是：原地氯化物與水的陰極還原所形成的氫之間的反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生陽(yáng)極活性氯，腸道菌群消毒可以通過(guò)這種陽(yáng)極活性氯來(lái)對(duì)付細(xì)菌和病毒。
目前，該系統(tǒng)的第三代樣機(jī)正在缺乏廢水排放處理的常規(guī)城市基礎(chǔ)設(shè)施的地方進(jìn)行實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)。
2013年，霍夫曼和中國(guó)的研究院校、企業(yè)開(kāi)展了合作，他們?cè)诮K宜興成立了公司，為發(fā)展中國(guó)家制造太陽(yáng)能設(shè)備并提供相關(guān)的生物化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)器系統(tǒng)。
“我們正在進(jìn)行廣泛的樣機(jī)制造，并在一些地方開(kāi)展試點(diǎn)。”霍夫曼介紹，他們?cè)谝伺d的一所小學(xué)里安裝了相關(guān)的廁所設(shè)施，效果不錯(cuò)。同時(shí)，在一家公園里也安裝了光伏發(fā)電多人用廁所設(shè)施，日接待人數(shù)可達(dá)2600人。
此外，他們還在印度建立了與ERAM科學(xué)及科勒公司（美國(guó)/中國(guó)）的額外工業(yè)合作，生產(chǎn)用適用于印度城市和郊區(qū)環(huán)境的設(shè)備。
關(guān)于成本問(wèn)題，霍夫曼表示，核心半導(dǎo)體陽(yáng)極的性能和耐用性提升以及材料的改進(jìn)，將持續(xù)不斷地降低生產(chǎn)成本，而且安裝完成的處理系統(tǒng)可以在沒(méi)有外部電源或淡水的情況下正常工作。
“目前，用于南非、秘魯、華南和柬埔寨的大型設(shè)備已經(jīng)組裝完畢。”霍夫曼說(shuō)，“我們希望帶來(lái)一場(chǎng)‘廁所革命’，5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)理念到全面量產(chǎn)，發(fā)展中國(guó)家的衛(wèi)生狀況改善作出貢獻(xiàn)。”
| 中國(guó)工程院外籍院士暢談前沿工程科技 |
從飛機(jī)噪音控制到削減風(fēng)致災(zāi)害，從智能材料到大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，從腫瘤治療到廁所革命……5月30日，在中國(guó)工程院第十四次院士大會(huì)全院學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)上，來(lái)自不同研究領(lǐng)域的6位中國(guó)工程院外籍院士，與在場(chǎng)院士分享、交流了一系列工程科技領(lǐng)域的前沿學(xué)術(shù)成果。
中國(guó)工程院外籍院士安道琳
從低噪音飛機(jī)到噪音控制
■本報(bào)見(jiàn)習(xí)記者 辛雨
提高潛水艇聲吶系統(tǒng)的信噪比，輪胎與道路的相互作用，低污染燃燒與自適應(yīng)有源燃燒控制…… 中國(guó)工程院外籍院士、英國(guó)皇家工程院院長(zhǎng)安道琳作為這一系列研究的參與者，帶來(lái)了許多新型應(yīng)用，包括聲吶系統(tǒng)的特種涂料、海洋石油勘探的新一代聲學(xué)天線(xiàn)以及噴射引擎的燃燒控制等。
考慮到低噪音飛機(jī)的需求和重要性并沒(méi)有得到足夠的重視，安道琳帶著這些新型應(yīng)用，轉(zhuǎn)回航空聲學(xué)領(lǐng)域，進(jìn)一步研究協(xié)和式超音速?lài)娚淇蜋C(jī)和飛機(jī)噪聲。
近年來(lái)，第二代渦輪噴氣飛機(jī)使得民用飛機(jī)的噪聲級(jí)有下降趨勢(shì)，并且每乘客英里耗油量也逐漸減少。這不禁讓人思考，從一張空白紙開(kāi)始，有人可以設(shè)計(jì)一架在典型機(jī)場(chǎng)外面聽(tīng)不見(jiàn)聲音的中程客機(jī)嗎？
“這意味著聲能降至約當(dāng)前等級(jí)的0.3%。如果有可能設(shè)計(jì)這樣一架“靜音”飛機(jī)，與目前的和下一代飛機(jī)相比，其燃料如何燃燒和排放？”安道琳說(shuō)。
因此，安道琳與40余位來(lái)自劍橋大學(xué)和麻省理工學(xué)院的研究人員合作，聯(lián)合波音公司、勞斯萊斯、馬歇爾、美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）等公司機(jī)構(gòu)，開(kāi)展“低噪聲飛機(jī)計(jì)劃”。
低噪聲飛機(jī)，指在白天城市環(huán)境下，飛機(jī)噪聲可降低至背景值。安道琳在報(bào)告中介紹，研究起初分析了飛機(jī)起飛和進(jìn)場(chǎng)時(shí)，傳統(tǒng)式飛機(jī)噪聲源（通風(fēng)進(jìn)氣口、通風(fēng)排氣口、渦輪機(jī)、排氣噴口等）的噪聲等級(jí)，這有利于進(jìn)一步計(jì)算每一個(gè)噪聲來(lái)源的可降低程度。
接下來(lái)，通過(guò)低噪聲飛機(jī)概念設(shè)計(jì)，以及低噪聲促成技術(shù)，優(yōu)化起飛推力管理，以移位閾限、低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢、大角度進(jìn)場(chǎng)。此外，利用低燃油消耗促成技術(shù)，以保證較低的能源使用量。 最后，預(yù)測(cè)噪聲水平發(fā)現(xiàn)，在各種條件下，該靜音飛機(jī)的噪聲水平約低于現(xiàn)有機(jī)群噪聲水平25EPNdB。安道琳表示，“低噪聲飛機(jī)計(jì)劃”預(yù)計(jì)將實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有機(jī)群噪聲的階躍變化。“我們已經(jīng)依此開(kāi)發(fā)出一種新概念飛機(jī)，可以運(yùn)載215名乘客用更少的燃油從北京飛到倫敦，更重要的是，這一航程中所產(chǎn)生的噪音水平急劇下降。”
“低噪聲飛機(jī)計(jì)劃”開(kāi)發(fā)出新穎、超低噪聲節(jié)能飛機(jī)的概念設(shè)計(jì)。安道琳形成了對(duì)管道火焰燃燒振蕩的基本認(rèn)識(shí)，證明了主動(dòng)反饋控制是消除導(dǎo)致不穩(wěn)定性的破壞性相互作用的一種有力方式。
表面順應(yīng)性、邊界層和表面性質(zhì)相結(jié)合形成的波導(dǎo)極大地改變測(cè)量場(chǎng)，進(jìn)而顯著降低近表面氣流產(chǎn)生的聲音。安道琳不僅率先明確了這些效應(yīng)，而且闡明了如何通過(guò)適當(dāng)選擇表面涂層對(duì)其進(jìn)行控制。
安道琳領(lǐng)導(dǎo)英國(guó)皇家工程院與中國(guó)工程院開(kāi)展了一系列卓有成效的合作，包括創(chuàng)新、校企合作、戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)、先進(jìn)制造業(yè)和全球重大挑戰(zhàn)等領(lǐng)域。
“我努力實(shí)現(xiàn)那些曾經(jīng)激勵(lì)過(guò)我研究生涯的價(jià)值觀(guān)，也以此來(lái)激勵(lì)青少年向工程界發(fā)展，為工程界多作貢獻(xiàn)。”安道琳說(shuō)：“我認(rèn)為學(xué)術(shù)與商業(yè)相銜接至關(guān)重要，這可以貢獻(xiàn)更好的合作模式，將使合作研究的結(jié)果發(fā)生改變。艱巨的挑戰(zhàn)也可以成為變革性研究的驅(qū)動(dòng)者，我們需要更多更好的國(guó)際研究合作來(lái)迎接這共同的挑戰(zhàn)。”
中國(guó)工程院外籍院士田村幸雄
用全尺寸風(fēng)暴模擬器降低災(zāi)害損失
■本報(bào)記者 倪思潔
5月30日，中國(guó)工程院第十四次院士大會(huì)全院學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)上，在作完簡(jiǎn)要的自我介紹后，國(guó)際風(fēng)工程界的代表性人物、中國(guó)工程院外籍院士田村幸雄（Yukio Tamura）向在座聽(tīng)眾展示了歷年來(lái)全球經(jīng)歷的幾次風(fēng)災(zāi)。
1970年11月，孟加拉國(guó)東巴基斯坦的Bhora颶風(fēng)造成50萬(wàn)人死亡，經(jīng)濟(jì)損失4.6億美元。2005年8月，卡特里娜颶風(fēng)襲擊美國(guó)，造成2541人死亡和失蹤，經(jīng)濟(jì)損失約在1000億美元。2008年5月，緬甸發(fā)生了納爾吉斯颶風(fēng)，死亡和失蹤人數(shù)達(dá)到138366人，經(jīng)濟(jì)損失100億美元。2013年11月，海燕臺(tái)風(fēng)襲擊了菲律賓，造成7986人死亡和失蹤……
“自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，雖然我們無(wú)法預(yù)測(cè)它的規(guī)律，但為什么我們不采取長(zhǎng)期應(yīng)對(duì)措施？”田村幸雄說(shuō)。
人類(lèi)生活在大氣邊界層的范圍內(nèi)。在這一范圍內(nèi)出現(xiàn)的氣流一般被稱(chēng)為風(fēng)，而熱帶氣旋等極強(qiáng)風(fēng)將對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施和人員造成嚴(yán)重?fù)p害。甚至弱風(fēng)或中等強(qiáng)度風(fēng)也可能導(dǎo)致構(gòu)筑物或建筑構(gòu)件出現(xiàn)劇烈振動(dòng)，并可能對(duì)人類(lèi)社會(huì)造成嚴(yán)重的、長(zhǎng)期且無(wú)形的環(huán)境影響，例如空氣污染問(wèn)題。
近年來(lái)，破壞性天氣災(zāi)害、風(fēng)暴和洪災(zāi)的發(fā)生頻率日益增加，相關(guān)經(jīng)濟(jì)損失也顯著增加。
“建筑物越來(lái)越高，橋梁越來(lái)越長(zhǎng)，也因此越來(lái)越容易受到風(fēng)力的影響。”田村幸雄說(shuō)。
根據(jù)他的統(tǒng)計(jì)，從2005年到2014年，每年美國(guó)因自然災(zāi)害帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失是450億美元，中國(guó)是270億美元，日本是240億美元。
他表示，為削減“與風(fēng)力有關(guān)的災(zāi)害”的風(fēng)險(xiǎn)，并最終實(shí)現(xiàn)更安全、更穩(wěn)固的社區(qū)，風(fēng)力工程研究人員仍需解決許多新問(wèn)題，“正如基于全球變暖和氣候變化作出的假設(shè)，未來(lái)與風(fēng)力有關(guān)的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)將持續(xù)惡化”。
不過(guò)，長(zhǎng)期致力于結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究的田村幸雄在研究過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)，目前應(yīng)對(duì)風(fēng)致災(zāi)害的困難之處在于，對(duì)建筑物和構(gòu)筑物抵御數(shù)百年或數(shù)千年一見(jiàn)的罕見(jiàn)破壞性事件的性能所開(kāi)展的驗(yàn)證工作，僅僅基于對(duì)偶然發(fā)生的損害標(biāo)志的模糊判斷。
“這一過(guò)程就像在黑暗中摸索。”田村幸雄說(shuō)。
他表示，風(fēng)力工程師更感興趣的是風(fēng)力荷載評(píng)估，而非建筑物和構(gòu)筑物的性能評(píng)估，因此采用縮比模型開(kāi)展的風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)其頗有助益。然而，縮比模型對(duì)構(gòu)筑物的性能評(píng)估或極端風(fēng)力和暴雨、降雪等其他氣象要素的綜合影響評(píng)估并無(wú)助益。
“不能讓悲劇重演！我們需要準(zhǔn)確評(píng)估建筑物與結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能，尤其是覆層和構(gòu)件系統(tǒng)的性能。”田村幸雄表示。
他建議，為削減災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，有必要修建在受控條件下再現(xiàn)真實(shí)罕見(jiàn)事件的全尺寸風(fēng)暴模擬器。
“全尺寸風(fēng)暴模擬器可以對(duì)極其稀有的事件和現(xiàn)象進(jìn)行全尺寸再現(xiàn)。”田村幸雄表示，用全尺寸風(fēng)暴模擬器可以減少自然災(zāi)害中2%的經(jīng)濟(jì)損失，提升國(guó)家危機(jī)控制能力。
“我們投資今天，拯救明天。未來(lái)不應(yīng)該是場(chǎng)悲劇，而應(yīng)該是我們留給孩子的一份禮物！”田村幸雄說(shuō)。
中國(guó)工程院外籍院士顧敏
讓大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)更綠、更快、更長(zhǎng)久
■本報(bào)記者 李晨陽(yáng)
“我們生活在大數(shù)據(jù)的時(shí)代。”中國(guó)工程院外籍院士、華裔澳大利亞科學(xué)院院士顧敏走上講臺(tái)，用一句看似老生常談的話(huà)開(kāi)始了他的報(bào)告。
隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人類(lèi)社會(huì)的信息量呈爆炸性增長(zhǎng)。據(jù)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心估算，到2020年信息量將超過(guò)40ZB，2025年達(dá)到162ZB，信息的產(chǎn)生速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)能力。
隨著腦科學(xué)計(jì)劃、引力波探測(cè)等大科學(xué)項(xiàng)目的推進(jìn)，科研工作對(duì)長(zhǎng)數(shù)據(jù)的需求也在不斷增長(zhǎng)，科技工作者們呼喚著更長(zhǎng)壽命、更大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心。
而人們?yōu)榱藘?chǔ)備更多信息，也付出了巨大的代價(jià)。中國(guó)數(shù)據(jù)中心2011年的耗電量，就相當(dāng)于三峽大壩全年的發(fā)電量。以目前的增速計(jì)算，短短10年后，全球的石油產(chǎn)能都不能滿(mǎn)足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的耗電需求。
這是顧敏等科學(xué)家面臨的艱難挑戰(zhàn)，也是擺在全人類(lèi)面前的嚴(yán)峻問(wèn)題。
傳統(tǒng)大數(shù)據(jù)中心由數(shù)千個(gè)硬盤(pán)陣列組成，采用低存儲(chǔ)密度的電子或磁存儲(chǔ)介質(zhì)，占用空間廣、能源消耗高、速度受限多、安全隱患大。為了保障數(shù)據(jù)安全，硬盤(pán)陣列還須每3到5年備份一次，這更進(jìn)一步增加了資源的耗費(fèi)。
革新的關(guān)鍵在于存儲(chǔ)介質(zhì)的升級(jí)。顧敏說(shuō)：“我們的解決方案是納米光電子。”
1873年, 德國(guó)物理學(xué)家恩斯特·阿貝發(fā)現(xiàn)了著名的“衍射極限”，奠定了現(xiàn)代光學(xué)成像器件及光存儲(chǔ)的基礎(chǔ)，同時(shí)也將DVD及藍(lán)光技術(shù)的存儲(chǔ)密度制約在5GB到25GB的物理瓶頸。
從那以后，如何突破衍射極限的屏障，就是一代代科學(xué)家?jiàn)^斗的目標(biāo)。上世紀(jì)90年代，斯特凡·赫爾等科學(xué)家就利用熒光分子規(guī)避了衍射極限，獲得超高分辨率熒光顯微鏡，并憑此成果斬獲了2014年的諾貝爾獎(jiǎng)。
人們所熟知的光盤(pán)也面臨著同樣的玻璃天花板。為了讓光盤(pán)體積更小、容量更大、屬性更“綠”，顧敏和他的同事們從未停下鉆研的步伐。
2009年，顧敏團(tuán)隊(duì)首次在納米材料中實(shí)現(xiàn)了五維光存儲(chǔ)，突破了藍(lán)光DVD三維存儲(chǔ)的技術(shù)瓶頸；2013年，顧敏團(tuán)隊(duì)發(fā)明了突破性的SPIN技術(shù)，在體積不變的情況下讓存儲(chǔ)量急劇增大。一張SPIN光盤(pán)的容量相當(dāng)于10000張DVD。
經(jīng)過(guò)不懈的攻堅(jiān)克難，顧敏團(tuán)隊(duì)終于實(shí)現(xiàn)了單盤(pán)PB容量的綠色光子存儲(chǔ)技術(shù)，儲(chǔ)存能力是藍(lán)光技術(shù)的40萬(wàn)倍。也就是說(shuō)，原來(lái)百米尺度的PB級(jí)數(shù)據(jù)中心，現(xiàn)在用一張10厘米尺度的光盤(pán)就能代替，節(jié)約大量基礎(chǔ)設(shè)施料和90%以上的能耗。這讓EB級(jí)甚至ZB級(jí)的大數(shù)據(jù)中心不再是天方夜譚。
這一成果問(wèn)世后，顧敏和同事們由衷感嘆：“我們迎來(lái)了新紀(jì)元。”他們相信，PB容量綠色光子存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，將掀起信息技術(shù)領(lǐng)域的新革命, 開(kāi)啟一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的大數(shù)據(jù)時(shí)代，為建設(shè)更加綠色、更大容量、更高速度的全光光子大數(shù)據(jù)中心奠定基礎(chǔ)。
在報(bào)告中，顧敏特別提到了自己與中國(guó)科學(xué)家的一系列合作。他還表示自己有一個(gè)夢(mèng)想，讓中國(guó)的每一個(gè)縣都擁有光學(xué)數(shù)據(jù)中心。“中國(guó)有約3000多個(gè)縣，這是一個(gè)巨大的市場(chǎng)。”顧敏說(shuō)。
中國(guó)工程院外籍院士尼古拉斯·佩帕斯
為生物醫(yī)學(xué)設(shè)計(jì)智能材料
■本報(bào)記者 李晨陽(yáng)
“1992年的12月，一場(chǎng)疾病改變了我的人生。”報(bào)告中，中國(guó)工程院外籍院士、美國(guó)國(guó)家工程院院士尼古拉斯·佩帕斯分享了自己的一段經(jīng)歷。當(dāng)時(shí)他病痛難忍，無(wú)法行走，直到一種叫作β干擾素的生物活性物質(zhì)注射進(jìn)他的肌肉后，他的身體狀況才得到好轉(zhuǎn)。
“就是從那時(shí)起，我意識(shí)到了生物醫(yī)學(xué)這一領(lǐng)域的重要性。”他說(shuō)。
在佩帕斯看來(lái)，人們正生活在醫(yī)學(xué)發(fā)展史上最為激動(dòng)人心的時(shí)代。先進(jìn)的生物醫(yī)學(xué)材料、改良的生物分子、先進(jìn)的醫(yī)療器材都在提高患者的生命質(zhì)量；各種新興的技術(shù)、理念、方法乃至醫(yī)療系統(tǒng)，都讓“治病”這件事變得更加個(gè)性化，可以針對(duì)每一位個(gè)體設(shè)計(jì)不同的治療方案。
在越來(lái)越先進(jìn)的生物醫(yī)學(xué)解決方案中，高級(jí)生物材料的重要性不斷凸顯。
“我在麻省理工學(xué)院獲得碩士學(xué)位那年，最關(guān)注的就是植入身體的材料必須無(wú)毒無(wú)害。”佩帕斯說(shuō)。然而隨著這一學(xué)科的迅猛發(fā)展，他發(fā)現(xiàn)無(wú)毒無(wú)害只是最基礎(chǔ)的要求。這些材料能否被人體免疫系統(tǒng)接受？能不能盡快被人體代謝降解？在儲(chǔ)存環(huán)境下能否保持穩(wěn)定？材料成本是否足夠低廉，不給國(guó)家財(cái)政造成過(guò)大負(fù)擔(dān)？所有這些問(wèn)題，都關(guān)系到他科研工作的成敗。
2016年，佩帕斯等人在《自然》雜志上發(fā)表文章：“制造更好、更安全的生物材料”。對(duì)臨床應(yīng)用的執(zhí)著敦促他們對(duì)一種又一種新型聚合物開(kāi)展測(cè)試和實(shí)驗(yàn)。
現(xiàn)在，佩帕斯的目光正投向未來(lái)的生物材料。他說(shuō)：“接下來(lái)，我們將要探索智能生物材料在大分子釋藥和分子識(shí)別中的幾種具體應(yīng)用。這些材料在疾病治療、生物傳感和再生醫(yī)學(xué)中非常有用。”
智能生物材料能與人體內(nèi)天然存在的生物化學(xué)成分進(jìn)行互動(dòng)，而不會(huì)引起任何副作用。當(dāng)人生病時(shí)，身體無(wú)法對(duì)常規(guī)的生理生化活動(dòng)進(jìn)行自主調(diào)節(jié)，如果智能材料能參與到人體的代謝、再生、愈合等自然機(jī)制中，將顯著提高病人舒適度，極大地緩解痛苦，這無(wú)疑會(huì)是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的巨大飛躍。
佩帕斯進(jìn)一步舉例，理論上，SiRNA療法是一種非常高效的療法，但在臨床應(yīng)用中，卻由于缺乏一種有效的釋藥系統(tǒng)而停滯不前。2012年，幾位釋藥專(zhuān)家發(fā)表了一種SiRNA口服釋藥的載體。暴露在消化道中時(shí)，這種載體能抵抗特殊的pH環(huán)境和消化酶，將藥物靶向送達(dá)患病組織。鑒于SiRNA無(wú)法自行通過(guò)細(xì)胞膜，這種載體能攜帶著SiRNA藥物被細(xì)胞吞噬，之后再通過(guò)溶酶體逃逸將藥物釋放出來(lái)。
“這些生物材料具有極大的市場(chǎng)潛力。”佩帕斯說(shuō)。他欣喜地看到，納米技術(shù)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)、材料學(xué)等不同學(xué)科的人才正會(huì)聚在一起，眾志成城，致力于通過(guò)智能生物材料的研發(fā)來(lái)解決醫(yī)學(xué)上的重大難題。
中國(guó)工程院外籍院士邁克爾·霍夫曼
實(shí)現(xiàn)廢水就地處理的“廁所革命”
■本報(bào)記者 陸琦
世界廁所組織數(shù)據(jù)顯示，全球有24億人沒(méi)有廁所或生活在廁所衛(wèi)生較差的環(huán)境中，一些國(guó)家因此引發(fā)瘧疾等大量疾病，因?yàn)橹迸盼畚镌斐赏寥�、食物和水污染�?/p>
在5月30日舉行的中國(guó)工程院第十四次院士大會(huì)全院學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)上， 中國(guó)工程院外籍院士、加州理工學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程系教授邁克爾·霍夫曼為大家?guī)?lái)了一場(chǎng)關(guān)于“廁所革命”的報(bào)告。
“這個(gè)項(xiàng)目是2011年在我研究生涯的后半程開(kāi)始的。”霍夫曼40多年的學(xué)術(shù)生涯研究涉及大氣化學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、催化氧化與還原、光化學(xué)、光催化、納米技術(shù)、超聲化學(xué)、光電化學(xué)、脈沖等離子體化學(xué)、環(huán)境水化學(xué)和微生物學(xué)等廣泛的領(lǐng)域。
在比爾及梅琳達(dá)·蓋茨基金會(huì)的資助下，霍夫曼課題組開(kāi)發(fā)、測(cè)試并實(shí)施了便捷式反應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)為生活廢水的就地處理而設(shè)計(jì)。
生活廢水在用一套連續(xù)的厭氧/好氧折流式生物反應(yīng)器預(yù)處理之后，廢水緊接著會(huì)通過(guò)半導(dǎo)體電化學(xué)陣列被處理，這里的化學(xué)需氧量（COD）和微生物量都會(huì)降低到美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA）的重新使用標(biāo)準(zhǔn)值以下。
“用特制的迷你反應(yīng)器將處理過(guò)的廢水轉(zhuǎn)化成可以用來(lái)洗手和飲用的新水。”霍夫曼介紹說(shuō)，“處理過(guò)的廢水就會(huì)被收集到?jīng)_洗水箱中而不會(huì)被排放到周?chē)沫h(huán)境中。”
飲水與廁所有關(guān)的疾病是五歲以下兒童死亡的主要原因之一，不安全供水和廁所與兒童生長(zhǎng)遲緩有關(guān)，影響全球1.56億兒童。
據(jù)介紹，霍夫曼課題組設(shè)計(jì)的反應(yīng)系統(tǒng)可以通過(guò)消除懸浮顆粒并減少95%以上的化學(xué)需氧量（COD）以及整體消除糞大腸菌群、大腸桿菌、病毒和大腸菌群來(lái)凈化廢水。原理是：原地氯化物與水的陰極還原所形成的氫之間的反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生陽(yáng)極活性氯，腸道菌群消毒可以通過(guò)這種陽(yáng)極活性氯來(lái)對(duì)付細(xì)菌和病毒。
目前，該系統(tǒng)的第三代樣機(jī)正在缺乏廢水排放處理的常規(guī)城市基礎(chǔ)設(shè)施的地方進(jìn)行實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)。
2013年，霍夫曼和中國(guó)的研究院校、企業(yè)開(kāi)展了合作，他們?cè)诮K宜興成立了公司，為發(fā)展中國(guó)家制造太陽(yáng)能設(shè)備并提供相關(guān)的生物化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)器系統(tǒng)。
“我們正在進(jìn)行廣泛的樣機(jī)制造，并在一些地方開(kāi)展試點(diǎn)。”霍夫曼介紹，他們?cè)谝伺d的一所小學(xué)里安裝了相關(guān)的廁所設(shè)施，效果不錯(cuò)。同時(shí)，在一家公園里也安裝了光伏發(fā)電多人用廁所設(shè)施，日接待人數(shù)可達(dá)2600人。
此外，他們還在印度建立了與ERAM科學(xué)及科勒公司（美國(guó)/中國(guó)）的額外工業(yè)合作，生產(chǎn)用適用于印度城市和郊區(qū)環(huán)境的設(shè)備。
關(guān)于成本問(wèn)題，霍夫曼表示，核心半導(dǎo)體陽(yáng)極的性能和耐用性提升以及材料的改進(jìn)，將持續(xù)不斷地降低生產(chǎn)成本，而且安裝完成的處理系統(tǒng)可以在沒(méi)有外部電源或淡水的情況下正常工作。
“目前，用于南非、秘魯、華南和柬埔寨的大型設(shè)備已經(jīng)組裝完畢。”霍夫曼說(shuō)，“我們希望帶來(lái)一場(chǎng)‘廁所革命’，5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)理念到全面量產(chǎn)，發(fā)展中國(guó)家的衛(wèi)生狀況改善作出貢獻(xiàn)。”
中國(guó)工程院外籍院士尼古拉斯·羅伯特·萊蒙
溶瘤病毒療法可防治癌癥
■本報(bào)見(jiàn)習(xí)記者 辛雨
近些年，人類(lèi)對(duì)癌癥細(xì)胞的產(chǎn)生、癌細(xì)胞發(fā)展中基因和分子變化的研究，使得通過(guò)靶向惡性腫瘤細(xì)胞中特殊的信號(hào)傳導(dǎo)途徑和檢查點(diǎn)的異常來(lái)研發(fā)新的治療方法，成為現(xiàn)實(shí)。
中國(guó)工程院外籍院士、英國(guó)巴茨癌癥研究所所長(zhǎng)尼古拉斯·羅伯特·萊蒙從基因組學(xué)和分子病理學(xué)角度研究癌癥，在癌癥的生物治療和疫苗研發(fā)方面有了新的突破，他的科研項(xiàng)目涉及基因修飾的溶瘤病毒和重新靶向的免疫細(xì)胞在病人身上的早期臨床試驗(yàn)。
“我的工作就是探尋溶瘤病毒與癌癥之間的關(guān)系。”萊蒙說(shuō)。
報(bào)告會(huì)上，萊蒙介紹了溶瘤病毒作用腫瘤細(xì)胞的基本原理和過(guò)程。病毒被修飾后將只會(huì)有選擇性地在腫瘤細(xì)胞里復(fù)制，而不在正常細(xì)胞中復(fù)制，并且在復(fù)制過(guò)程中引起腫瘤細(xì)胞溶解并釋放新的病毒子。
據(jù)萊蒙介紹，被釋放出來(lái)的新病毒可再次感染臨近腫瘤細(xì)胞，進(jìn)行下一輪的感染和溶腫瘤細(xì)胞。
將溶瘤病毒療法應(yīng)用到癌癥治療中，發(fā)現(xiàn)p53、pRB是溶瘤病毒療法起關(guān)鍵作用的兩個(gè)重要基因。p53抑癌基因通過(guò)調(diào)控相關(guān)信號(hào)通路參與DNA復(fù)制與修復(fù)，如果修復(fù)失敗，P53即啟動(dòng)程序性凋亡過(guò)程誘導(dǎo)細(xì)胞自殺，阻止有癌變傾向的突變細(xì)胞的生成，從而防止細(xì)胞惡變。
通過(guò)對(duì)比溶瘤病毒療法與其他常規(guī)化學(xué)療法治療癌癥的療效，發(fā)現(xiàn)溶瘤病毒療法能使腫瘤縮小，并且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期隨訪(fǎng)觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，1年后，溶瘤病毒療法可有效殺死癌細(xì)胞。萊蒙表示，經(jīng)證實(shí)，溶瘤病毒療法對(duì)晚期癌癥的治療也有很好的效果。
研究表明，免疫系統(tǒng)可能是治療癌癥和預(yù)防癌癥復(fù)發(fā)的最有力武器。溶瘤病毒不僅可以直接溶解感染的惡性腫瘤細(xì)胞，并且可以引起強(qiáng)大的特異性機(jī)體免疫反應(yīng)，攻擊病毒抗原和腫瘤細(xì)胞特異的突變抗原。
萊蒙在報(bào)告會(huì)上介紹，溶瘤病毒通過(guò)DCs攝取所釋放的腫瘤抗原，使得DCs成熟和腫瘤特異性T細(xì)胞啟動(dòng)，活化后的腫瘤特異性T細(xì)胞經(jīng)血液輸回，最后通過(guò)細(xì)胞毒性T細(xì)胞識(shí)別和殺死大量的腫瘤細(xì)胞，進(jìn)而防止癌細(xì)胞擴(kuò)散。
“這種抗腫瘤特異性免疫反應(yīng)可通過(guò)武裝溶腫瘤病毒表達(dá)細(xì)胞因子和趨化因子，來(lái)增強(qiáng)腫瘤特異免疫細(xì)胞向腫瘤微環(huán)境內(nèi)的聚集和活性。”萊蒙說(shuō)道。
萊蒙表示，針對(duì)此免疫療法開(kāi)發(fā)的新型的腫瘤治療制劑，主要用于治療臨床中沒(méi)有有效治療方法的癌癥。這些癌癥包括胰腺癌和食管癌。胰腺癌被預(yù)言將在2030年成為西方世界第二大致死癌癥，食管癌在中國(guó)部分地區(qū)是第一大致死癌癥。
食道癌的防治，是困擾河南省的一個(gè)很大的公共衛(wèi)生和健康問(wèn)題。萊蒙與鄭州大學(xué)醫(yī)學(xué)科學(xué)院聯(lián)合研究，成立了中英分子腫瘤研究中心，并在這一領(lǐng)域開(kāi)展國(guó)際化和跨學(xué)科合作。將溶瘤病毒技術(shù)應(yīng)用到食管癌的治療中，對(duì)食管癌的治療和預(yù)防采取了一系列有效措施。
