數(shù)字圖像傳感器的像素規(guī)模和性能，是影響天文、遙感等領(lǐng)域圖像成像質(zhì)量的核心要素。在當(dāng)前的芯片制造水平下，數(shù)字圖像傳感器的像素分辨率和成像質(zhì)量已臻極限，難以大幅提升。對(duì)此，空天院張澤研究員團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)像素“分割”成像，成功開(kāi)發(fā)出超采樣成像技術(shù)。

透過(guò)散射介質(zhì)成像意義重大。目前，研究多利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在散斑圖樣中恢復(fù)清晰圖像，通過(guò)優(yōu)化光場(chǎng)調(diào)控實(shí)現(xiàn)高光學(xué)厚度的散射成像。然而，由于實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景數(shù)據(jù)集難以獲取，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行，使用空間光調(diào)制器加載圖像，并在人造光源和侵入式照明條件下采集散射圖像。這種實(shí)驗(yàn)條件與真實(shí)散射場(chǎng)景差異顯著，導(dǎo)致訓(xùn)練出的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)難以應(yīng)用于外場(chǎng)散射環(huán)境。近日，中國(guó)科學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了相關(guān)探索。

基于國(guó)際科技創(chuàng)新中心網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)科創(chuàng)熱榜每日榜單形成的一周科技記憶，我們推出《一周前沿科技盤(pán)點(diǎn)》專欄。今天，為大家?guī)?lái)第119期。

1、《Laser & Photonics Reviews》丨我國(guó)科研人員首次實(shí)現(xiàn)像素“分割”成像

超采樣成像技術(shù)流程示意圖

數(shù)字圖像傳感器的像素規(guī)模和性能，是影響天文、遙感等領(lǐng)域圖像成像質(zhì)量的核心要素。在當(dāng)前的芯片制造水平下，數(shù)字圖像傳感器的像素分辨率和成像質(zhì)量已至極限，難以大幅提升。中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院張澤研究員團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)像素“分割”成像，成功開(kāi)發(fā)出超采樣成像技術(shù)。超采樣成像是一種能夠突破像素分辨率極限，利用少數(shù)像素傳感器實(shí)現(xiàn)大規(guī)模像素顯像能力的技術(shù)。該技術(shù)能夠顯著提升圖像傳感器的像素分辨率和成像質(zhì)量。

在實(shí)現(xiàn)原理上，該團(tuán)隊(duì)采用穩(wěn)態(tài)激光技術(shù)掃描數(shù)字圖像傳感器，通過(guò)穩(wěn)態(tài)光場(chǎng)表達(dá)式和輸出圖像矩陣的關(guān)聯(lián)關(guān)系，精確求解出圖像傳感器像素內(nèi)量子效率分布。當(dāng)使用相機(jī)拍攝動(dòng)態(tài)目標(biāo)或者移動(dòng)相機(jī)拍攝靜態(tài)場(chǎng)景時(shí)，通過(guò)獲取的像素內(nèi)量子效率和像素細(xì)分算法，可以突破原始像素分辨率，實(shí)現(xiàn)超采樣成像。穩(wěn)態(tài)激光技術(shù)是由該團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)的鋒芒穩(wěn)態(tài)激光技術(shù)演化而來(lái)，在原理上具有極穩(wěn)定的光場(chǎng)形式。

超采樣成像技術(shù)目前可以將像素規(guī)模提高5×5倍，即利用1k×1k的芯片可以實(shí)現(xiàn)5k×5k像素分辨率的成像。隨著標(biāo)校精度提高，像素分辨率具有提升空間。打個(gè)比方，原有像素是一個(gè)方塊，通過(guò)這一技術(shù)可以將像素分割，等效變成25個(gè)像素（方塊），對(duì)應(yīng)著像素規(guī)模提升了25倍。

目前，這一技術(shù)在室內(nèi)、室外對(duì)無(wú)人機(jī)、建筑、高鐵、月亮等目標(biāo)進(jìn)行了成像試驗(yàn)，展現(xiàn)出良好的技術(shù)穩(wěn)定性。

2、《Light: Science & Applications》丨時(shí)空色彩魔術(shù)師：3D手性顏色單元的智能編程

透過(guò)散射介質(zhì)成像具有科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。有研究利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)在散斑圖樣中復(fù)原清晰的物體，通過(guò)優(yōu)化光場(chǎng)調(diào)控實(shí)現(xiàn)透過(guò)散射介質(zhì)聚焦以及實(shí)現(xiàn)超17倍光學(xué)厚度的散射成像等。而受限于實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景數(shù)據(jù)集難以采集，多數(shù)研究只能利用空間光調(diào)制器依次加載大量圖像。在實(shí)驗(yàn)室人造散射環(huán)境中，人造光源侵入式照明條件下，利用相機(jī)采集相應(yīng)的散射圖像。這樣設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)際散射場(chǎng)景在光學(xué)特性上大相徑庭。通過(guò)這些數(shù)據(jù)訓(xùn)練的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只可用于類似的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，無(wú)法應(yīng)用于真實(shí)的外場(chǎng)散射環(huán)境。

中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員司徒國(guó)海團(tuán)隊(duì)提出了基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的、能夠應(yīng)用于自然場(chǎng)景的實(shí)時(shí)非侵入式透過(guò)散射介質(zhì)光學(xué)成像方法（DescatterNet），分別從實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)集設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)預(yù)處理方法、AI模型優(yōu)化和部署等方面開(kāi)展研究，在真實(shí)物體和自然場(chǎng)景中取得顯著的散射成像效果。研究顯示，隨著散射程度加深，原始散射圖像迅速退化并完全無(wú)法分辨。DescatterNet對(duì)真實(shí)物體實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的散射成像，提高了成像系統(tǒng)的探測(cè)性能。

在前期成果的基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了自然場(chǎng)景的散射成像實(shí)驗(yàn)并搭建了成像裝置。實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了透過(guò)戶外5.9km的濃霧環(huán)境對(duì)自然場(chǎng)景的散射成像。傳統(tǒng)圖像增強(qiáng)方法難以復(fù)原出清晰圖像，而DescatterNet可以取得最優(yōu)的復(fù)原結(jié)果。

該研究表明，AI技術(shù)應(yīng)用于真實(shí)散射場(chǎng)景的關(guān)鍵在于適配的數(shù)據(jù)集、數(shù)據(jù)處理算法及強(qiáng)大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。該研究結(jié)合光學(xué)成像原理研制的新一代智能成像技術(shù)提高了系統(tǒng)的探測(cè)性能，在惡劣天氣下交通安全、視頻監(jiān)控、火場(chǎng)救援和水下探測(cè)等領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用前景。

3、《National Science Review》丨光柵結(jié)構(gòu)色革新觸覺(jué)傳感器，機(jī)器人感知新高度

基于柔性光柵結(jié)構(gòu)色的觸覺(jué)感知方法示意圖

觸覺(jué)傳感器是機(jī)器人執(zhí)行復(fù)雜精細(xì)操作的關(guān)鍵核心部件之一。近年來(lái)，隨著機(jī)器視覺(jué)技術(shù)發(fā)展，基于視覺(jué)識(shí)別原理的觸覺(jué)傳感器（又稱視觸覺(jué)傳感器）成為觸覺(jué)感知領(lǐng)域的重要研究方向?，F(xiàn)有的視觸覺(jué)傳感器依賴幾何光學(xué)信息或標(biāo)記跟蹤技術(shù)，其觸點(diǎn)力位識(shí)別感知的分辨率和精度受到制約。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)副教授董二寶課題組聯(lián)合香港城市大學(xué)副教授于欣格團(tuán)隊(duì)受仿生結(jié)構(gòu)色現(xiàn)象啟發(fā)，創(chuàng)新性地采用柔性光柵薄膜在白光照射下形成的結(jié)構(gòu)色圖案作為觸覺(jué)表征信息，并結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)了接觸點(diǎn)的高靈敏、高分辨率感知。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種基于柔性光柵結(jié)構(gòu)色的視觸覺(jué)感知方法能夠充分利用結(jié)構(gòu)色圖案中蘊(yùn)含的豐富觸覺(jué)表征信息，在觸點(diǎn)定位的空間分辨率和法向力識(shí)別精度方面優(yōu)于當(dāng)前的視觸覺(jué)感知技術(shù)，并在綜合性能方面得到提升。

這一基于柔性光柵結(jié)構(gòu)色的觸覺(jué)感知方法展現(xiàn)了優(yōu)異的可拓展適用性。該團(tuán)隊(duì)基于核心組件的模塊化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了面向三種典型場(chǎng)景應(yīng)用的傳感器原型：一款高靈敏度振動(dòng)傳感器，能夠精準(zhǔn)檢測(cè)低頻振動(dòng)信號(hào)；一款仿生觸須傳感器，能夠靈敏感知低頻振動(dòng)和氣流擾動(dòng)；一套具備環(huán)向三維接觸感知能力的內(nèi)窺鏡觸覺(jué)傳感系統(tǒng)。

進(jìn)一步，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一觸覺(jué)感知方法在機(jī)器人感知、環(huán)境監(jiān)測(cè)和醫(yī)療器械等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，為智能感知技術(shù)發(fā)展提供了新的研究思路和技術(shù)途徑。

4、《Nature Aging》丨破解衰老T細(xì)胞抗腫瘤難題，泛素連接酶成關(guān)鍵

衰老抑制CD8+?T細(xì)胞介導(dǎo)的抗腫瘤免疫模式圖

伴隨著衰老過(guò)程，人類患癌癥風(fēng)險(xiǎn)上升。普遍認(rèn)為，個(gè)體衰老進(jìn)程導(dǎo)致DNA損傷和原癌基因激活，進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生癌前病變。有研究提出，免疫衰老是衰老個(gè)體共有的生理現(xiàn)象。免疫衰老是伴隨年齡增長(zhǎng)出現(xiàn)的免疫系統(tǒng)的退行性改變，是導(dǎo)致個(gè)體“免疫力”下降進(jìn)而誘發(fā)包括腫瘤等疾病的關(guān)鍵原因。其中，T細(xì)胞是機(jī)體重要的免疫細(xì)胞之一，尤其是CD8+?T細(xì)胞作為抗腫瘤免疫的一線細(xì)胞，在識(shí)別抗原后能夠直接殺傷腫瘤細(xì)胞，在腫瘤免疫治療中發(fā)揮調(diào)控作用。而衰老如何影響CD8+?T細(xì)胞的功能及其介導(dǎo)的抗腫瘤效應(yīng)機(jī)制尚不明確。

中國(guó)科學(xué)院上海營(yíng)養(yǎng)與健康研究所肖意傳研究組通過(guò)比較年輕和衰老個(gè)體來(lái)源的CD8+ T細(xì)胞在Rag1-/-小鼠體內(nèi)誘導(dǎo)皮下腫瘤后的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)衰老組的CD8+ T細(xì)胞向組織駐留記憶T細(xì)胞（TRM）分化能力減弱。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，老年個(gè)體CD8+ T細(xì)胞中E3泛素連接酶BFAR的高表達(dá)抑制了TRM細(xì)胞的生成，影響了抗腫瘤免疫反應(yīng)。機(jī)制上，BFAR通過(guò)泛素化激活去泛素化酶USP39，后者對(duì)JAK2的去泛素化作用抑制了JAK-STAT信號(hào)通路，從而減少了TRM細(xì)胞的分化。特異性敲除BFAR或使用小分子抑制劑iBFAR2能恢復(fù)CD8+ T細(xì)胞向TRM的分化，增強(qiáng)抗腫瘤免疫，并提高PD-1抗體治療效果。這為改善老年人抗腫瘤免疫及PD-1抗體不響應(yīng)患者的治療提供了新策略。

這一研究揭示了衰老影響機(jī)體CD8+?T細(xì)胞抗腫瘤免疫反應(yīng)的作用和分子機(jī)理，對(duì)衰老個(gè)體和PD-1抗體治療不響應(yīng)患者的腫瘤免疫防御能力缺陷的機(jī)制研究作了補(bǔ)充。BFAR作為衰老調(diào)控的關(guān)鍵靶點(diǎn)，提示其對(duì)臨床老年患者腫瘤免疫治療具有重要意義。

5、《Angewandte Chemie International Edition》丨新型三維框架，鋰金屬電池性能飛躍

科學(xué)家發(fā)展出新型三維共價(jià)有機(jī)框架?助力實(shí)現(xiàn)高性能鋰金屬電池

鋰（Li）金屬具有極高的理論比容量和低電化學(xué)電位，被廣泛用作高能量密度電池的負(fù)極材料。鋰枝晶的不可控生長(zhǎng)和循環(huán)充放電過(guò)程中活性鋰的持續(xù)消耗，導(dǎo)致鋰金屬電池庫(kù)侖效率低、循環(huán)壽命短。在鋰負(fù)極上構(gòu)建人工固態(tài)電解質(zhì)中間相，是抑制鋰枝晶形成并提高循環(huán)性能的策略。三維共價(jià)有機(jī)框架具有沿3D方向延伸的框架，避免了層間π-π堆疊相互作用。而由于親鋰基團(tuán)的多樣性和密度不足，電池表現(xiàn)出較差的動(dòng)力學(xué)性能。因此，構(gòu)建具有致密親鋰基團(tuán)的三維共價(jià)有機(jī)框架以實(shí)現(xiàn)均勻的鋰吸附和沉積仍是挑戰(zhàn)，或?yàn)樽非蟾咝阅茕嚱饘匐姵靥峁┬滤悸贰?/p>

中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院研究員曾高峰和副研究員徐慶等，開(kāi)發(fā)了新型三維共價(jià)有機(jī)框架作為鋰金屬電池的負(fù)極保護(hù)層。這一框架具有高密度的鋰親和位點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的鋰沉積行為調(diào)控。

該研究通過(guò)[6+4]合成策略，利用6連接的環(huán)三磷腈衍生物醛和4連接的卟啉基四苯基胺合成了新型磷腈三維共價(jià)有機(jī)框架。結(jié)構(gòu)中的磷腈環(huán)和卟啉環(huán)作為電子豐富和親鋰位點(diǎn)，提高了三維方向上均勻的Li+通量，實(shí)現(xiàn)了高度平滑和致密的Li沉積。該電極涂層提高了Li/Por-PN-COF-Cu電池的庫(kù)侖效率，促進(jìn)了快速的Li+傳輸，使LiFePO4全電池即使在5 C的嚴(yán)苛速率下也能夠穩(wěn)定進(jìn)行剝離/沉積過(guò)程。理論計(jì)算揭示了Li+與COF之間的強(qiáng)相互作用，利于Li+脫溶劑化，加快其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；同時(shí)，較低遷移勢(shì)能表明Li+離子與π電子系統(tǒng)之間存在有利的相互作用。

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