栏目：居转户落户上海咨询 人气：0 日期：2023-07-04
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一篇论文，从初稿到终稿，她写了有20多版。化学专业出身，却天天抱着一本厚厚的计算机书籍“死磕”。 她就是华东师范大学化学与分子工程学院博士生熊谢微。7月4日，熊谢微为第一作者的研究在Nature子刊《自然—机器智能》（NatureMachineIntelligence）在线发表。这是我国科研人员首次在试管中用DNA构造出了卷积人工神经网络，也是迄今为止规模最大、功能最复杂的人工化学分子智能反应网络。 熊谢微本科就读于一所“双非”院校，然后保送到985高校，并在博士毕业前完成这项“漂亮的”研究工作，她是如何做到的？ “烧脑”的研究 大脑很像一部精密的生物计算机，它靠几百上千亿个神经元相互连接，形成纵横交错的网络，去完成很多高度复杂的计算任务。 有科学家认为，在神经大脑进化之前，生物之所以有感知、模式识别、记忆、决策、运动控制等技能，其实是源于细胞内分子之间的复杂化学反应网络。 “我们的灵感也来源于此，想通过研究分子如何'思考’，从而在无生命的系统中重建这些能力。”论文通讯作者、华东师范大学化学与分子工程学院教授裴昊告诉《中国科学报》。 在这篇论文中，DNA计算机是一种生物形式的计算机，是以溶液形态实现计算功能的“液态电脑”；同时，他们设计的分子电路可以执行卷积神经网络计算，具备对分子图谱信息分类能力。 要设计一个分子计算机，除了需要专业知识的支撑外，也是非常需要想象力的。 “有时候我在想一个分子设计，就会一整天都在想，刷牙、吃饭、走路时在琢磨，连做梦都不放过，真的毫不夸张，简直是绞尽脑汁。”熊谢微告诉《中国科学报》。 整个课题都极具挑战性，又涉及到多学科间的合作。幸而当时得到了华东师范大学副教授朱通的助力，他是这篇文章的共同一作。“朱老师的团队负责机器学习部分，我们这边负责DNA分子电路的设计构建以及后期实验部分。”熊谢微介绍。 实验部分有着庞大的工作量，光靠熊谢微一人无法完成。她请了一位师兄和两位师妹一起，帮忙做大批量DNA序列的设计及计算性能测试，这涉及到几百条DNA链。熊谢微（中）和两位师妹在实验室制备分子电路的过程。受访者供图 在很长一段时间里，每天很早就能看到一排人坐在实验室操作台前，制备分子计算机，一坐就是一整天。 这个课题做了近4年，横跨熊谢微的硕士和博士阶段，期间遇到过很多困难，也经历了反复失败，终于还是完成了。 “我们所构建的神经元网络，相较于目前已有的DNA计算机有了很大突破，因为我们很好地扩展了整体电路规模，包括新型的网络架构，以及它能执行的功能，都是目前来说最优的。”熊谢微表示。 该分子网络包含512个分子物种，涉及数千种化学反应，可产生数百种分子产物，是迄今为止规模最大、功能最复杂的人工化学分子智能反应网络。 不过，与人类大脑的复杂度相比，它还是“小儿科”。熊谢微说，“这是一项十分'烧脑’的研究，今后还有很长的路要走。” 从初稿到终稿，写了20多版 当实验工作进入尾声时，还有两座山丘需要翻越——数据分析和文章撰写。 前期工作中庞大的数据量，需要他们在数据分析方面下大功夫。不过，在熊谢微看来，这点困难跟后面的论文撰写比起来，根本不算什么。 写论文初稿时，熊谢微的英文表达比较中式，无法准确表述研究的亮点。为了克服这个缺点，她熬更守夜地看相关论文，学习别人的语言组织方式。 数十篇发在Nature、Science上关于人工智能神经网络的论文，被熊谢微拿来“硬抠”，逐字逐句地学句式表达。 “要如何向别人更好地展示我们的idea，完美呈现这个计算机的计算能力呢？”课题组就这个问题进行过很多次讨论，光是PPT，熊谢微就做了不下30个。 每次讨论完都会迸发出新的想法，大家也在竭力推着这个工作往更好的方向发展。熊谢微需要对每一次的讨论进行总结，并对文章做出相应的修改。 “做到这样，差不多可以结束了吧！”每当熊谢微如此暗自思忖时，结束的哨音却迟迟不来。“讨论然后修改，再讨论再修改……那段时间陷入到反复修改稿子的'魔咒’里。” 文章从初稿到终稿，中文版、英文版，她写了有20多版。 但改得多了，不免令人感到烦躁。好在这种情绪只存活了半天，天生乐天派的熊谢微很快就能调节好心态。 “前面既然已经改了十稿、十五稿，再多改几稿又有什么呢？何况好不容易走到现在，那就把它做到更好，投到更好的期刊上面，被更多人认可。”只要熊谢微下定了决心，便不再去纠结，她向来韧劲十足，一条路坚持走到黑。 “其实，现在再回看第一版文章时，简直没法看！”熊谢微说。论文经过不断“打磨”后，终于完成了蜕变。 论文得到了上海交通大学樊春海院士的悉心指导，他是生物传感、DNA纳米技术与DNA计算及存储领域知名科学家。“这个地方应该如何体现会更好、这样说更能说服别人……樊院士会在文章旁边认真批注，这些都是帮助我们这篇文章升级的'宝贵财富’。”裴昊说。 因为多学科交叉，被拒稿两次 万事俱备，只差一投。但是，应该投哪儿呢？课题组成员犯了难，毕竟这是一个高度交叉学科背景下的研究成果。 几经商量之下，他们投了Nature子刊NatureNanotechnology。结果遭遇拒稿。编辑反馈的内容里对课题组所做的工作感到“印象非常深刻”，但认为研究主题与期刊定位并不匹配。 随后，课题组投到Nature子刊NatureChemistry，再次遭遇拒稿，编辑的反馈内容与上一个如出一辙。 连续被拒两次，多少让人有点沮丧。“裴老师安慰我说，每个期刊都有自己的明确定位，我们的工作其实也得到了他们的肯定，只是他们有对自己期刊标准的考量。”熊谢微说。 这个工作除了涉及到DNA纳米技术、生物、化学外，还涉及机器学习方面。所以，课题组在重新找准文章的定位后，决定投NatureMachineIntelligence，估计这个期刊会感兴趣。果然，这一次再投，终于溅起了绚烂的水花。 “编辑非常喜欢我们的研究，文章很快送审，大约一个月后就收到了审稿意见。审稿人对这项研究表示欣赏，但对于跨学科的一些表达方式提出了意见，希望我们重视表达精准性的问题，让不同学科都能精准get到文章所要表达的意思。”熊谢微说。 遵照审稿人意见，课题组再次对文章进行“精雕细琢”，最终论文被接收并发表。 “要知道，选择跨学科交叉研究课题需要极大勇气，能做出成绩，在Nature子刊上发表的并不容易。熊谢微又是在硕博连读期间完成这么漂亮的工作，并在博士毕业前发表，这些都非常了不得。”裴昊表示。 做科研，要有“品味” 能接触DNA计算领域，樊春海院士是裴昊的引路人。 “当时我从他那里博士毕业后，他把我推荐到DNA纳米技术奠基人、美国纽约大学化学系杰出教授NadrianSeeman那里去做博士后。所以我对DNA计算方面的研究情有独钟，回国任教后迅速成立课题组计划开展相关研究。”裴昊说。 这是一个非常有前景的领域，但因为学科高度交叉，需要研究者掌握多个学科的知识。 熊谢微本科学习材料化学，本科阶段在实验室做的是无机材料合成方面的工作，对于DNA纳米技术、化学测量学、分子生物学、机器学习及人工智能领域等知之甚少，所以前期吃尽了苦头。 熊谢微受访者供图 她需要学习好几个专业的知识，前期打基础异常艰难。“当时读文献的速度非常慢，读着读着就跑出来新的知识点，让我一头雾水，我就得停下来查阅这个知识点，直到弄明白了才能接着往下学。”熊谢微说。 为了啃下计算机科学这块硬骨头，熊谢微花了很长时间恶补。据裴昊回忆，在那段时间经常看到熊谢微抱着一本厚厚的机器学习书籍，学起来几乎废寝忘食。 “樊院士总说做科研需要有'品味’，一定要做挑战性大、前沿的研究。”裴昊说，这给了大家坚持下去的动力和勇气。 课题启动之初，裴昊问熊谢微：“这个课题你敢做吗？有信心做成吗？”其实当时他心中是有疑虑的，毕竟这是一个高难度的大课题。结果，熊谢微的回答很坚定：“我肯定可以！”事实证明，她的确做到了。 回想这一路走来，熊谢微感慨“一切都是命运最好的安排”。 当年高考发挥失常，熊谢微刚好压着一本线进入一所“双非”学校学习材料化学。因不满现状拼命学习，她连年保持专业第一的成绩，最终获得了保送资格。之后，她经历了戏剧化的择校之路。 “在报夏令营时，因为年轻气盛，在想报的学校写明非985、211不要时，我还是抱着侥幸心理想碰碰运气，任性地只填了那两个学校，结果不出意料都没有通过筛选。”熊谢微说。 错失夏令营后，到了推免阶段。出于对上海这座城市的喜爱，熊谢微报了上海交通大学和华东师范大学，两场面试都顺利完成，但能收到谁的橄榄枝呢？她自己心里也没底。 她盘算，先收到哪个，就去哪个。结果，华东师范大学的左边offer右边先到。当她填完这个学校的推免系统，一切尘埃落定后，大概过了一个多小时，上海交通大学的录取通知也来了。 当被问及是否后悔没多等一等时，熊谢微摇摇头说，“上海交通大学大概率录取我的会是无机化学专业，并不是我的兴趣点。而我在裴老师课题组是开启新征程，在一个新兴领域挑战不可能。裴老师尊重我们的科研思维，给了一定的宽度和广度去施展才华，拓展思想的极限。几年下来，感觉自己真的成长得特别快，收获太多，所以我一点都不后悔！” 论文链接： 编辑|方圆 排版|郭刚
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