细胞运动怎么“换挡变速”这篇论文说透了

  动画电影《超能陆战队》中治疗型机器人大白一度俘获大批“粉丝”，被称为“暖男”。大白像一块超大的棉花糖，既可以翱翔于天空、用空手道保护小朋友，也可以在共同生活的亲属需要温暖和帮助时给他们一个大大的拥抱。近期科研进展表明，或许在不久的将来，你就能拥有属于自身个人的大白了。科学家发现，类似开车过程中的换挡变速，细胞也能在快慢两种迁移模式之间进行动态可逆转换，进而调节细胞速度和方向，以对外部环境的各种变化做出反应。

  基于国际科学技术创新中心网络服务平台科创热榜每日榜单形成的一周科技记忆，我们推出《一周前沿科技盘点》专栏。今天，为大家带来第五十九期。

  1、《Advanced Materials》丨心有猛虎细嗅蔷薇，这样的机器人请给我来一沓

  动画电影《超能陆战队》中治疗型机器人大白一度俘获大批“粉丝”，被称为“暖男”。大白像一块超大的棉花糖，既可以翱翔于天空、用空手道保护小朋友，也可以在共同生活的亲属需要温暖和帮助时给他们一个大大的拥抱。近期科研进展表明，或许在不久的将来，你就能拥有属于自身个人的大白了。

  大白属于柔性机器人。在工业制造领域，运用机器视觉六轴以上的工业智能设备即可称为柔性机器人。近年来，随着机器视觉技术快速地发展以及医疗、救援等需求侧对机器人性能、精度要求的提升，人机交互的安全、顺畅，柔性机器人愈发受重视。东南大学智能材料研究院院长、首席科学家、化学化工学院李全团队从“橡胶人”获取灵感，他们都以为，可以自由操纵自己身体伸长和收缩，这种奇妙的特性对软体机器人领域具有启发性意义。

  团队通过良好定义的折叠顺序对液晶弹性体（LCEs）进行编辑以耦合折痕中产生的驱动力，实现了大应变的光控伸长驱动。他们基于精心设计的光敏分子开关作为交联中心，通过光化学和光热效应的协同作用，在不对材料造成过热损伤的情况下实现了致动器的自由伸长，以操纵远处的物体并在大的负载重量下产生大的变形（该柔性致动器成功顶起了超过自身重量40倍的重物）。这项研究简化了单一材料的设计，适用航空航天中的可部署结构、可植入的医疗设施、软体机器人手臂、具有连续可调性能的可穿戴机器人等领域。

  2、《Nature Communications》丨细胞“开车”怎么“换挡变速”，这篇论文说透了

  细胞迁移 (cell migration)又称细胞运动，指细胞在接收到迁移信号或感受到某些物质的梯度后而产生的移动。具体看，细胞迁移是细胞头部伪足的延伸、新的黏附建立、细胞体尾部收缩在时空上的交替过程。

  细胞迁移是正常细胞的基本功能之一，也是活细胞都会存在的一种运动形式。细胞迁移在胚胎发育、血管生成、形态发生、伤口愈合和肿瘤转移等生命过程中发挥着核心作用，是物理、生物、化学、工程等跨学科交叉研究的前沿领域。经历了一个多世纪的研究，细胞迁移的稳态运行机制基本得以确立。然而，迁移细胞的很重要的特性是其速度和方向在迁移过程中不断发生动态变化，有关细胞对它们的调控机制却尚不清楚。最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心软物质物理实验室SM1组王鹏业研究员和北京师范大学系统科学学院/非平衡系统研究所李辉教授团队合作发表论文，他们发现了细胞调控速度和方向的迁移模式切换机制。

  该论文指出，类似开车过程中的换挡变速，细胞也能在快慢两种迁移模式之间进行动态可逆转换，进而调节细胞速度和方向，以对外部环境的各种变化做出一定的反应。这种细胞层级的迁移模式切换，与胞内分子层级的扩散速度调节、以及亚细胞层级的结构调整，紧密耦合在一起。

  该工作从研究细胞内扩散动力学的物理新视角出发，揭示了细胞迁移行为从生物大分子和亚细胞结构的复杂系统涌现及其调控规律，为调控人体细胞迁移和相关疾病诊断策略提供了新思路，启发设计有着非常丰富功能的人造活性物质体系。

  热辐射是一种都会存在的基本物理现象，并在照明、温度管理、能源利用、热成像等领域有着重要的应用从而引起广泛的研究兴趣。根据基尔霍夫定律，任何物体的热发射率由其光吸收率决定。这一发射率和吸收率的等价关系表明，热辐射的时间、空间、光谱特性能够最终靠材料的选择和微纳结构的设计来实现调控。

  随着纳米技术在近二十年的加快速度进行发展，科学家们利用超表面材料在热辐射的光谱分布、方向性、偏振等静态特性的设计方面已经取得了很大进展。但是，在热辐射的随时间响应的动态操控方面的手段仍有限，亟需发展一种调制能力强、调制维度多、调制方式多的新型热辐射操控手段。

  近日，北京理工大学物理学院汪洋研究员、李家方教授团队在动态热辐射超表面研究方面取得重要进展。研究团队探究了螺旋线型、风车线型等剪纸结构在静电力场、机械应力场等的作用下的三维力学形变特征，并观察其在中红外波段的动态光谱响应特性。

  研究团队设计了一种聚合物嵌合的具有风车形状的纳米剪纸热管理器件。在可见波段，它可以像窗口一样动态反射或接收太阳能。随着变形高度的增加，纳米窗口打开，窗口面积继续增加，导致可见光透射和吸收增加。通过在底部设计掺杂的硅或其他吸收材料，该装置能有效地控制太阳能的吸收。另一方面，在红外波段，风车结构能调节热辐射的峰值波长。

  基于纳米剪纸超表面的动态热辐射调控系统具有多物理场调控、多维度光学性质调节和多种材料兼容的优点。特殊的线性设计带来的三维扭转变换，纳米剪纸结构因此在调节热辐射的相位、手性、方向方面也极具潜力。该纳米剪纸微机械系统还不局限于单一材料，金、银、铝、半导体、相变材料等均可。因此，基于纳米剪纸结构的超表面热辐射调控器件是可重构热辐射的理想操控平台，有望在能源转换、热伪装等领域发挥重要作用。

  2005年诺贝尔物理学奖颁给了约翰·L·霍尔和西奥多·W·汉施，以表彰他们对包括光频梳在内的激光精密光谱技术发展的贡献。光学频率梳（Optical frequency comb）是什么呢？它一种特殊的激光光源。名副其实，如同一把梳子，光频梳可以产生一系列等间隔的离散频率分量，每个分量都是一个精确的光学频率标准。光频梳的实际作用类似于尺子，能轻松实现光学与微波之间的精确转换。

  九字腔光纤光频梳是目前技术成熟度最高的光频梳技术之一，大范围的应用于车载、星载、外场等非实验室环境。近期，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率光纤激光技术实验室打破九字腔光纤光频梳重频的技术限制，采用嵌套腔结构，由两个光纤耦合器熔接构成的Fabry–Pérot(F-P)腔对外部NALM谐振腔进行模式滤波。当内、外腔的自由光谱范围精确匹配时，可将九字腔光纤光频梳的重频倍增至GHz。区别于高次谐波锁模，嵌套腔方案可通过合理的内腔参数设计，配合增益竞争机制，来有效抑制超模噪声，实现高相干、低噪声的GHz重频光频梳。该GHz重频九字腔光纤光频梳在激光雷达、双梳测距、光谱检测等领域具有广泛的应用前景。

  高压富氢化合物的理论预测和实验发现引发了对新型富氢化合物材料和超导的研究。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室靳常青团队长期开展高压极端条件新材料制备及功能研究,设计研发了具有自主知识产权的先进的高压、低温、强场和激光在位加热联合实验装置，可进行超高压高温合成和在位物性表征。他们相继揭示了系列高压诱发的极端条件材料构效，包括超导、磁电耦合、多阶有序钙钛矿等新兴功能材料体系。

  近期，靳常青研究员指导博士生何鑫、张昌玲等人在VB过渡元素富氢化合物的新材料研究取得新进展。运用先进的超高压金刚石压砧实验技术，在197 GPa 高压和2000 K的高温成功制备高质量的钽基富氢材料，并发现该样品具有Tc为30 K高压超导转变。