又到一年岁末，多灾多难的2020马上要成为过去，人类经历了历史上的至暗之年，但仍充满希冀。回望这一年，中国和世界并没有因为疫情而放弃研发和创新的热情，全球的科研人员依旧在拓展人类知识边界的道路上奋力向前。

为了让大家更好地回顾这一年的科技突破，细软小知特地帮大家盘点了2020世界十大发明和发现。从中国天眼，到马斯克脑机；从寿命延长，到肥胖会变傻……小知带大家重温这一年世界发明的高光时刻，和与我们生活息息相关的发现成果。

1. “中国天眼”FAST开放运行

2020年1月11日，世界最大的单口径射电望远镜“中国天眼”——500米口径球面射电望远镜（FAST），在贵州平塘县正式开放运行。

FAST完全由中国科学家创新设计和研发制造，是具有中国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。相比于400年前人类第一架4.2厘米口径的天文望远镜，FAST 的口径是它的12000倍。与号称“地面最大的机器”的德国波恩100米望远镜相比，FAST的灵敏度提高约10倍；与被评为人类20世纪十大工程之首的美国阿雷西博300米望远镜相比，其综合性能提高约2.25倍。FAST突破了望远镜的百米工程极限，开创了建造巨型射电望远镜的新模式，它能接收到137亿光年以外的电磁信号，这个距离接近于宇宙的边缘。未来10年到20年它将保持世界一流设备的地位，肩负实现五大科学目标：巡视中性氢，探索暗物质，探索暗能量，发现脉冲星，寻找地外文明。

拓展：通俗来讲，“中国天眼”FAST建成运行的意义何在？

第一，它能接收宇宙外太空的电磁波信号，有助于我们发现其中在外太空的中子脉冲星，而脉冲星的发现有助于我们在太空中的定位和时钟的精确度，且FAST的发现速度比其他天文望远镜快10倍。

第二，它有助于我们发现一些早期的星系活动迹象，能够帮助我们预测行星恒星等的运动轨迹和发展轨迹。

第三，它像雷达一样具有很强的监测系统，能够捕捉到来自太阳系任何一个地方发射过来的微弱的电磁波，探索暗物质和暗能量的存在。同时将监测的范围从月球范围延伸到太阳系以外，将数据获取速率提高几十倍。

第四，它有利于我们寻找到与地球相似的类地行星，为未来的星际移民做好准备。

2. NASA公布18亿像素火星全景照片

2020年3月4日，美国宇航局NASA发布了一张火星全景照片。该照片由超过1000张高清照片拼接而成，是好奇号火星探测器在2019年末拍摄。照片像素高达18亿，整个图片文件大小达到2.25GB，是NASA迄今为止制作的最高分辨率火星全景图。

这张合成图片展示了盖尔陨石坑中火星格伦托里登地区的全景图，在图像中可以看到陨石坑边缘、盖尔内部的一个小陨石坑，以及探测器留下的车轮痕迹。为了保证照明的一致性，研究小组必须在每天的同一时间拍摄照片。

拓展：火星为何一直备受宇航研究的青睐？

第一，空气稀薄、一直晴朗的火星，比较容易被人类派出去的探测器“亲密接触”。

第二，火星的自转和公转夹角与地球的地轴倾斜角度大小非常接近，所以同地球一样，火星也有一年四季的循环变化。

第三，火星的自转周期为24小时37分左右，非常接近地球的自转时间24小时。如此多的相似点，使得火星一直被认为是太空移民的可能目的地之一。

3. 北斗卫星导航系统BDS正式开通

2020年7月31日上午，北斗三号全球卫星导航系统正式开通，中国彻底摆脱对美国GPS的依赖。中国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统，它与美国全球定位系统GPS、欧盟伽利略GALILEO和俄罗斯格洛纳斯GLONASS一起并称全球四大卫星导航系统（GNSS）。

北斗卫星导航系统可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并且具备短报文通信能力，定位精度为分米、厘米级别，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。北斗系统已广泛应用于交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、测绘地理信息、森林防火、通信时统、电力调度、救灾减灾、应急搜救等生产和生活的方方面面，目前全球范围内有137个国家与北斗系统签下合作协议，打破了GPS在全球的绝对垄断地位。

拓展：与美国GPS相比，北斗卫星导航系统具备哪些优势？

1）安全性能高。使用GPS不仅每年都要向美国支付高额的服务费，而且定位导航的安全系数也不高。在前几年媒体就曾经曝出，美国军方利用GPS监视各国军队获取情报的情况。中国使用自己的北斗卫星系统后不再受制于人，安全系数将大大提高。

2）定位精度高。中国的北斗卫星导航由35颗卫星组成，包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球卫星、3颗倾斜同步轨道卫星组成。卫星数目的提高，带来的将是定位精度和服务范围的提高。

3）定位可靠性高。中国的北斗导航系统采用的是最新的三频信号方案，而美国的GPS采用的双频信号。三频信号能更好的消除高阶电离层延迟的影响，增强数据预处理能力，提高模糊度的固定效率，从而提高定位的可靠性。

4）有源定位和无源定位兼备。有源定位是需要用户的接收机自己发射信号来与卫星通讯，无源定位则不需要。北斗定位二代采用的是无源定位，当用户的上空卫星数量很少时，仍然可以定位。目前，北斗卫星导航系统已经具备短报文通讯服务，这项功能在全球定位系统当中是一次技术的突破，且美国的GPS只能是单向通讯，而中国的北斗已经实现了双向性的通讯功能，这一功能在处理重大事件中实用性大幅提高。

4. 埃隆·马斯克发布脑机接口

2020年8月29日，SpaceX、特斯拉等公司的创始人埃隆·马斯克为自己旗下的脑机接口公司Neuralink举行发布会，并在会上公布了最新一代脑机接口产品：一枚硬币大小的可植入大脑的芯片，以及一台可完成自动植入芯片的手术设备。这一芯片能够感应温度气压、读取脑电波、脉搏等生理信号，支持远程数据无线传输；最新一代的手术设备，则是能够在未来让植入芯片手术在一小时内完成，全过程甚至像外科手术一样简单安全。

马斯克在发布会上宣布，这种芯片已实现无损植入猪脑，并实现成功应用，他认为每个人或多或少都会有大脑的问题，将芯片植入脑子里，会解决大脑或者脊髓的重要问题，如听觉缺失、记忆力缺失、中风等等。

拓展：什么是脑机接口技术，它能够实现什么功能？

脑机接口技术通过电极或其他手段，获取大脑神经活动的信息，经过机器学习等模式进行处理识别后，将大脑信号转换成驱动外部设备的命令，代替肢体或语言器官实现与外界的交流以及对外部环境的控制，成为连接大脑和外部设备的实时通信系统。例如，对于手部行动不便的瘫痪病人，植入芯片后可以通过大脑思考支配机器控制水杯将水送入嘴中。

5. 量子计算原型机“九章”建成

2020年12月4日，中国科学技术大学宣布该校潘建伟等人成功构建76个光子的量子计算原型机九章。同天，国际学术期刊《Science》发表了该成果，审稿人评价这是“一个最先进的实验”“一个重大成就”。

九章开发团队声称，当求解5000万个样本的高斯玻色取样时，九章需200秒，而目前世界最快的超级计算机日本富岳需6亿年；当求解100亿个样本时，九章需10小时，而富岳需1200亿年。等效来看，九章对于处理高斯玻色取样的速度比日本超级计算机富岳快100万亿倍，比谷歌超导量子比特计算机悬铃木快100亿倍，并弥补了悬铃木依赖样本数量的技术漏洞。

拓展：什么是量子计算机，为什么比普通计算机快这么多？

量子计算机是用量子力学原理制造的计算机，量子力学允许一个物体同时处于多种状态，0和1同时存在，就意味着很多个任务可以同时完成，因此具有超越普通计算机的运算能力。

6. 铁线虫寿命延长五倍，人类或能活到500岁

2020年1月8日，美国《Science Daily》报道，美国MDI生物实验室与加利福尼亚巴克老龄化问题研究所及中国南京大学的科学家合作，确定了延长寿命的协同细胞路径，从而将秀丽隐杆线虫的寿命延长五倍，相当于人类活了四五百年。这种协同效应的发现为开发更有效的抗衰老和寿命延长疗法打开了大门。

秀丽隐杆线虫是衰老研究中备受欢迎的“模特”，因为它与人类有许多共同的基因，而寿命只有三至四周，科学家可以迅速评估遗传干预和环境干预对延长健康寿命的影响。这项新研究使用了一种双重突变体，胰岛素信号IIS路径的改变会使寿命延长100%，而雷帕霉素靶蛋白TOR路径的改变会使寿命增加30%，因此这个双重突变体的寿命预计将延长130%，但实际上它的寿命却延长了500%。

MDI生物实验室的Jarod Rollins在采访时说道：“这种协同作用的扩展真的很疯狂。效果不是一加一等于二，而是一加一等于五。为了开发最有效的抗衰老疗法，我们必须着眼于长寿网络，而不是单个途径。”

7. 微生物地杆菌助力“凭空发电”

2020年2月17日，英国《Nature》期刊发表美国最新研究成果，马萨诸塞大学阿默斯特分校工程师Jun Yao、微生物学家Derek Lovley领导的团队研发出一种发电装置Air-gen，可以直接利用空气中的水分发电，这项技术未来可能会对可再生能源、气候变化和医疗领域产生重大影响。

据《Nature》报道，这种“空气发电机”由微生物地杆菌产生的导电蛋白纳米线形成 7 微米的薄膜构成。薄膜的底部和顶部各有一个电极，当蛋白纳米线与电极相连后，就可以利用薄膜从空气中吸收水分。水分子被分解成氢离子和氧离子，导致电荷在薄膜顶部聚集；利用两个电极形成的电荷差让电子流动，从而产生电能。

拓展：空气发电机比太阳能、风能发电有何优势？

研究人员介绍，空气发电机可以7天24小时不间断地发电，而且过程中不需要任何外部电源，因此这种能源是无污染、可再生且低成本的。此外，空气发电机的纳米薄膜在吸收空气中的水分后，利用蛋白纳米线之间的空隙形成一个可以自我维持的水分梯度，能够实现2个月以上的持续发电。在湿度为45%的空气中，空气发电机运行效果最好；但即便在极度干燥的地方，比如撒哈拉沙漠，它一样能发电。与太阳能和风能等可再生能源相比，空气发电机有着明显优势，它摆脱了风力和太阳的限制，只要有空气，在哪里都可以发电。

8. 纤维母细胞重编程让失明小鼠“重见光明”

2020年4月15日，英国《Nature》期刊发表一项医学突破，美国科学家团队报告称，纤维母细胞经过化学重编程后，可以生成光感受器样细胞，这种细胞被证明可以恢复小鼠的视力。该成果将为众多因视网膜疾病而失明的患者带来一道曙光。

位于美国得克萨斯州的“CIRC治疗学”公司视网膜创新中心的研究人员西·查瓦拉及其同事，鉴定出5种可以驱动纤维母细胞转化成视杆细胞样细胞的化合物。之后，研究团队将视杆细胞样细胞植入14只视网膜变性的小鼠的眼睛。在移植3周至4周后，其中6只小鼠在低光条件下的瞳孔反应有所改善；厌光测试（具备视觉的小鼠倾向于偏好黑暗环境）结果显示，接受了“化学诱导光感受器细胞”移植的6只小鼠在黑暗环境中停留的时间比失明模型小鼠要长。

拓展：纤维母细胞重编程和传统诱导干细胞哪个好？

光感受器即感光细胞，大部分视网膜疾病，如老年性黄斑变性和糖尿病视网膜病变，常见结局就是丧失光感受器，最后会导致不可逆的失明。视网膜疾病目前原因不明，且药物治疗无效，大多数手段都是尽量预防和延缓，没有有效的治疗方法可以帮助患者恢复视力。化学重编程细胞被认为或许能帮助恢复视觉，但是生成感觉细胞——如光感受器，对人类医学水平来说一直都是一项巨大挑战。过去的漫长时间里，人们希望通过诱导多能干细胞技术，塑造干细胞的发育方向产生感光细胞。而本次研究发现，科学家发明的“鸡尾酒”配方竟可以跳过干细胞，且与过去多能干细胞需要耗费数月时间相比，新技术在10天之内就能完成细胞改造。这也是此前人们从未想到的——直接用化学重编程，让“化学诱导光感受器细胞”真正成为视网膜中的一部分。

9. 吃太多，变太胖，真的可能变傻

2020年8月21日，瑞士期刊《Brain Sciences》发表的最新研究发现，肥胖不仅会改变外形，而且会降低大脑运动皮层的可塑性，损伤大脑的结构和功能，进而可能影响大脑的记忆、认知等功能，造成认知缺陷。

研究人员利用一系列经颅磁刺激实验，对15名年龄分布在18岁至60岁之间的肥胖者进行了测试。通过TMS对皮质兴奋性的抑制进行量化，记录和测量周围手部肌肉运动诱发电位的幅度，并将他们与健康体重对照组的15人进行了比较。结果发现，体重正常的对照组，对刺激的反应显示出了显著的神经活动，这是正常的大脑可塑性反应。相比之下，肥胖组受试者的反应微乎其微，这说明受试者的大脑反应能力已经受损。这些结果表明，肥胖人群可能已经出现突触可塑性能力降低，造成记忆力减退，学习能力下降。

拓展：如何防止突触可塑性降低，重新变聪明？

突触可塑性，指由刺激产生的神经活动能够改变神经回路功能，从而改变人的思想、情感和行为，它与学习和记忆能力密切相关。对于肥胖人群来说，快速提升脑力的一个有效方法就是减肥。科学控制体重可以参考以下几点：

第一，少吃高碳水食物和加工食品，可尝试“低碳或生酮”饮食，多吃优质肉类和脂肪，既补脑又健康。

第二，适当运动，有氧为主，无氧为辅，快速减脂。

第三，注意压力和情绪管理，过大的压力可能触发大脑反应，改变饮食模式，导致人体对高热量食物产生渴望，造成所谓的“压力肥”。学会舒缓自己的压力和情绪，放松心情，不被压力吞噬，这样才能更轻松地瘦下来。

10. 月球表面发现水，但月壤无法种菜

2020年10月26日，美国宇航局NASA宣布人类历史上首次探测到月球正面存在水，这说明在月球表面和表面下一米处可能存在可供人类使用的水。

2020年12月17日，@央视新闻 报道，中国研究人员发现嫦娥五号带回的月壤不含任何有机养分，与营养丰富的地球土壤不同，月壤不能种菜，这一发现引起广大网友热议。

拓展：嫦娥五号为什么要去月球取土？

中国是继美苏之后将月球土壤带回地球的第三个国家。在1976年苏联无人月球探测器“月球24号”之后，嫦娥五号44年来首次成功将月球土壤带到了地球，且此次带回来的月球土壤比之前的年轻了20亿年。最显著的意义是，中国终于有了自己的月球土壤，不用再拘束于当年美国送来的1g岩石标本，具有非常大的科研意义。除此之外，月壤含有丰富的清洁能源，月壤的形成是月球经受小天体陨石长久持续撞击的结果。长期的太阳风给月壤注入了大量氦-3，它是世界公认的高效、清洁、安全的核聚变发电理想燃料，100吨氦-3就可以为全世界提供一整年的消耗。

出处：头条号 @中细软