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1. 人工智能在环境科学领域应用研究进展

劳佳怡, 王小燕, 施博, 王斌, 焦正

自然杂志 2024, 46 (4): 271-280. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.04.004

摘要（918）

PDF（pc）（1681KB）（2689）

人工智能(AI)的快速发展和高效率使其在科研领域越来越受欢迎。在过去十年中，环境学科对人工智能的应用呈指数级增长。使用人工智能的主要优点是能够高效地分析和处理大量数据，这正是环境科学研究面对的重要问题，因此人工智能的应用可以极大地促进环境科学与工程领域的发展。文章回顾了人工智能在环境科学领域中的最新应用，讨论了其优势和存在的问题，以及人工智能为环境科学带来的机遇和挑战。

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2. 植物单倍体诱导的方法、应用及展望

杨延铭, 王娜

自然杂志 2024, 46 (4): 285-298. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.01.012

摘要（2432）

PDF（pc）（4204KB）（1420）

单倍体育种技术可以极大地提高育种效率。单倍体诱导的产生主要包括体外配子体组织培养和体内染色体消除。文章综述了体内单倍体诱导的几种策略及其发展和应用，还对目前单倍体诱导系的作用机制进行了介绍，并重点介绍了着丝粒蛋白CENH3介导的单倍体诱导机制。

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3. 疲劳寿命预测的机器学习模型研究进展

邓阳, 戴春春, 王瑞金, 朱芳艳, 冷建涛, 张田忠

自然杂志 2024, 46 (4): 247-260. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.04.002

摘要（2009）

PDF（pc）（2848KB）（1415）

疲劳寿命的准确预测一直是重大装备设计研发所面临的挑战性难题。近年来，人工智能模型为疲劳寿命预测提供了新的研究范式，特别是在人工智能模型中融入已有知识，可有效提升其训练和预测能力。文章综述了知识和数据融合驱动的疲劳寿命预测模型的国内外研究进展，分析了各自的优势与不足，并对未来发展趋势进行了展望。

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4. 人工智能在文物保护中的应用

程远, 黄继忠, 张悦, 彭宁波

自然杂志 2024, 46 (4): 261-270. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.04.003

摘要（3050）

PDF（pc）（2449KB）（1152）

人工智能技术正在推动文物保护的现代化进程。文章全面梳理了人工智能在文物保护领域的应用现状。在文物数字化方面，激光点云语义分割等人工智能技术显著提升了文物数字化的效率和精度；在文物识别与管理方面，深度学习图像分类、知识图谱等为文物智能档案管理提供了支撑；在文物监测与检测领域，机器学习可以从环境参数与无损检测数据中自主分析文物状态，实现病害的早期预警；在文物虚拟修复与展示领域，人工智能技术正在从图像、几何、交互等多个层面来优化文物的虚拟修复方法与展示体验。研究显示，人工智能正在从多个维度重塑文物保护的理念、方法与手段，显著提升了文物保护的效率和精度。该综述为进一步探索人工智能赋能文物保护的实现路径提供了参考，有助于推进文物保护科技创新，实现文物保护与现代科技的深度融合。

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5. 从电路计算到人工智能——从计算机视角看“诺贝尔物理学奖颁给人工智能学者

李晓强

自然杂志 2024, 46 (6): 435-443. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.06.006

摘要（1065）

PDF（pc）（1500KB）（1055）

从字面意义上看，人工智能和物理学是两个完全不同的学科。实际上，人工智能的另外一个名称是“机器智能”，其中的“机器”是指电子计算机。1946年，电子计算机成功脱胎于能够表达逻辑代数的电路系统(物理学)，具有了媲美甚至超越人类计算和记忆(存储)的能力，逐渐发展出一个新的学科——计算机科学。本文从计算机科学的视角，通过概述计算机诞生以来近80年的发展历程，来解读2024年诺贝尔物理学奖颁给人工智能学者的原因。

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6. 中国光子大科学装置的发展

刘志, 万唯实, 王东

自然杂志 2024, 46 (3): 161-172. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.03.001

摘要（921）

PDF（pc）（9529KB）（815）

光子大科学装置主要分为同步辐射光源和自由电子激光装置两大类，可以产生光子能量范围从红外到硬X射线的高通量、高亮度、光子能量连续可调的光，在过去半个多世纪里已经发展成为服务于物理学、化学、材料科学、生命科学、能源、环境科学等众多学科的综合性科研中心。光子大科学装置在我国经过了40多年的发展，已经建立起较完整的体系，达到世界先进水平。文章通过对已有的和建设中的装置的描述分别介绍同步辐射光源和自由电子激光在国内的发展历程和现状，并对未来发展趋势进行展望。

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7. X射线自由电子激光在凝聚态物理中的应用

吴杨, 王靖珲

自然杂志 2024, 46 (3): 185-193. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.03.003

摘要（644）

PDF（pc）（3841KB）（734）

自由电子激光作为一种新兴的实验手段，具有功率高、脉冲短、相干性强等特点，在凝聚态物理学研究中展现出广阔的应用前景，受到了越来越多的关注。文章综述了自由电子激光在凝聚态物理学中的研究进展，特别是在磁性表征与超快磁动力学中的重要性和潜力，并简要介绍了在相变物理及晶格动力学中的研究成果。

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8. 跨入X射线波段：超快和非线性光谱学的研究进展

刘伟民, 李润泽, 彭鹏, 戴晟, 李祯辉, 王涵, John Andrew McGuire

自然杂志 2024, 46 (3): 173-184. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.03.002

摘要（1423）

PDF（pc）（3396KB）（624）

超快非线性光谱技术(远红外至近紫外波段)是探测物质动力学过程及对称性的有效手段。近年来X射线自由电子激光技术的发展使超快光谱学测量拓展至X射线波段成为可能。文章对相关的研究进展进行了评述，并着重强调X射线波段的超快非线性光谱技术对于加深人们对物理和化学现象以及材料性质等的理解具有重要意义。

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9. 肝脏疾病中衰老巨噬细胞和衰老中性粒细胞的研究

刘珍妮, 王华

自然杂志 2024, 46 (5): 363-374. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.01.015

摘要（859）

PDF（pc）（1951KB）（619）

免疫系统作为机体应对各种内外危机的防火墙，其老化会增加人的死亡率和发病率，尤其是老年人。近年来，免疫细胞衰老在疾病中的作用受到越来越多的关注。抑制免疫细胞衰老已成为延缓衰老的关键靶标。肝脏被认为是重要的免疫器官，具有丰富活跃的天然免疫细胞，其中髓系细胞(巨噬细胞和中性粒细胞)参与各种肝脏疾病。衰老环境会对髓系细胞产生诸多影响，进而影响疾病的进展，文章总结了衰老巨噬细胞和衰老中性粒细胞的特征以及研究现况，以期为治疗肝脏疾病提供针对衰老免疫细胞的新方法。

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10. 南极清洁能源利用现状及其展望

张维哲, 李丙瑞, 窦银科, 陈燕, 李亚昊

自然杂志 2024, 46 (5): 337-346. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.05.003

摘要（664）

PDF（pc）（3790KB）（602）

伴随着南极科学考察的深入开展，南极考察活动的后勤保障引起的环境问题日益凸显，传统的以燃油为主的能源消耗结构已无法适应发展需求，而南极恶劣的自然环境和复杂的应用场景使能源供应和使用方式鲜有创新。因此，清洁能源利用技术日益成为影响南极科学考察的重要因素，迫切需要得到发展及应用。基于此，文章系统地梳理了南极清洁能源利用技术的成果，指出目前仍以燃油为主的南极能源消耗结构，阐述了各国南极科考站清洁能源的应用现状，讨论了南极清洁能源利用技术的难点，并展望了其未来发展。

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11. 红细胞SDE形态转变的实验研究和数值模型

文海舟, 胡国辉, 刘心悦

自然杂志 2024, 46 (6): 448-460. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.05.012

摘要（681）

PDF（pc）（3972KB）（547）

红细胞的口形-双凹-刺突(stomatocyte-discocyte-echinocyte, SDE)形态转变对血液动力学及相关疾病有显著影响。红细胞膜的力学性质，如剪切模量、弯曲模量和膜蛋白连接能力等，对红细胞的形态起着至关重要的作用，并决定了红细胞在血液循环中的正常功能。如何基于红细胞微观结构的实验观测结果，建立一个能够描述SDE形态转变的数值模型来解释其生理学机制是一个具有挑战性的问题。文章概述了早中期关于红细胞SDE形态转变的实验和理论研究、近期基于物理化学因素和亚细胞结构变化的实验观测、红细胞黏弹性力学性质和血液黏度的测量方法，并介绍了各种研究红细胞SDE形态转变的数值模型，从实验和数值两个方面对红细胞SDE形态转变研究的进展和局限进行了综述，旨在为进一步深入研究SDE形态转变的力学生物学耦合机制提供一定的参考。

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12. 超声振动下非晶合金的液体环境焊接

李路遥, 李信, 马将

自然杂志 2024, 46 (5): 354-362. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.03.013

摘要（601）

PDF（pc）（5012KB）（533）

焊接技术在人类发展过程中发挥着至关重要的作用。以水下焊接为代表的特种环境焊接技术对航空航天、国防和远海开采具有深远的影响，但当焊接操作需要在情况复杂的水下进行时，焊接难度大大增加。除此之外，在易燃易爆液体或极端低温等复杂环境中，焊接加工具有更重要的应用前景，如油气储存容器修复、极地和深空制造等领域，然而相关的焊接技术仍未得到有效研究。超声振动加工是一种加载频率达到上万赫兹的特殊加工方式，对于具有无序结构的非晶合金(金属玻璃)而言，超声振动的施加能在一定程度上使其迅速“软化”。基于这一特性，我们将超声振动技术引入到液体焊接领域，成功地实现了非晶合金在水、海水、酒精和液氮环境中的焊接，为极端环境制造成型提供了一种可行的策略。

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13. DeepSeek：从“概率生成”到“因果推理”

赵葛剑, 张新鹏

自然杂志 2025, 47 (2): 79-84. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2025.02.001

摘要（374）

PDF（pc）（1555KB）（471）

DeepSeek-R1的横空出世标志着人工智能研究范式的历史性转折。这一突破性成果颠覆了传统AI系统依赖概率生成与模式匹配的圭臬，通过思维链推理与强化学习的深度融合，首次实现了工业级的人工智能推理能力。其创新性的推理架构不仅极大地降低了训练专业人工智能模型的成本，更在数学证明、逻辑推理等复杂任务中展现出类人的思维链特征，推动了从 “概率生成”到“因果推理”的深刻变革，开启了AI技术发展的新纪元。本文对DeepSeek系列模型的发展历程进行回溯，并介绍了其在思维链框架以及模型架构中的关键创新，最后就其思维链的安全性问题展开讨论。

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14. 创新药物设计——从计算机辅助到人工智能

卞月珉

自然杂志 2025, 47 (1): 1-10. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2025.01.001

摘要（251）

PDF（pc）（2511KB）（469）

计算科学的高速发展不断为药物发现领域带来革新与机遇。伴随着生命科学领域数据的持续增长和计算硬件设备的迭代更新，计算化学以及化学信息学愈发在临床前药物设计领域为科研人员提供不可或缺的支撑。本文围绕计算机辅助药物设计(computer-aided drug design, CADD)和人工智能药物设计(artificial intelligence-driven drug design, AIDD)两大主题，简要阐述计算科学和药物发现在学科交叉中的探索和创新，以及针对临床前小分子药物的应用和进展。

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15. 北极海冰变化及其影响

陈金雷, 康世昌

自然杂志 2024, 46 (5): 330-336. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.05.002

摘要（2900）

PDF（pc）（5253KB）（468）

在全球变暖背景下，北极冰冻圈正在发生显著变化。近几十年来，北极海冰总体呈退缩状态，面积减少、厚度减薄、体积减小，预计到21世纪中叶夏季，海冰将完全消失。北极海冰的减少对生态系统、大气环流、海洋环流、中纬度天气气候以及社会经济发展等均产生影响。北极海冰变化及其影响研究可为北极可持续发展提供重要支撑，同时也可增加中国在北极的话语权，保障中国的北极权益。

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16. 非传统Li同位素示踪大陆风化的潜力和挑战

张飞, 胡雅丹, 曹阳, 王永涛, 侯思璐

自然杂志 2025, 47 (1): 64-78. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2025.01.007

摘要（216）

PDF（pc）（2084KB）（351）

晚新生代以来全球气候逐渐变冷，形成了当今人类宜居的气候环境格局。在地质时间尺度上，大陆硅酸盐岩通过化学风化吸收大气中的CO₂温室气体，被认为在调控地球长期的气候变化中起到关键作用。然而，大陆风化速率到底受何种因素控制一直是地球科学研究的前沿和难点，自20世纪下半叶以来得到科学界的广泛关注。本文回顾了过去几十年来大陆风化研究领域取得的重要进展，重点对利用新的非传统稳定锂(Li)同位素示踪大陆风化研究的潜力、争论及挑战进行梳理和汇总，希望为未来大陆风化研究提供有价值的线索，进而加快该领域的发展。

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17. 无人艇在南极科考中的应用

钟雨轩, 刘睿轩, 孔祥申, 鲍凌志

自然杂志 2024, 46 (5): 347-353. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.05.004

摘要（518）

PDF（pc）（2559KB）（347）

南极科考对于理解全球气候变化、生态系统保护以及地球自身的历史具有极其重要的意义。随着科技进步，无人艇在南极科考中的应用也越来越广泛，无人艇能够在极端环境下开展环境探测和数据采集，为南极科考提供宝贵数据。文章首先介绍了国内外无人艇在南极科考中的应用情况，以及体现出的应用价值；然后，分析了南极科考无人艇的技术特点与未来应用推广；最后，从适应极端环境、长期海上作业、海洋环境认知等方面，对无人艇及其相关技术提出发展建议。

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18. 蛋白质的计算设计与结构预测

卞月珉

自然杂志 2024, 46 (6): 429-434. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.06.005

摘要（5490）

PDF（pc）（2074KB）（336）

2024年诺贝尔化学奖授予了在蛋白质结构设计与预测领域作出决定性贡献的三位科学家：大卫•贝克(David Baker)、德米斯•哈萨比斯(Demis Hassabis)和约翰•朱姆珀(John M. Jumper)。本文围绕三位获奖者，主要介绍了计算结构生物学领域中蛋白质设计与预测的科学背景、主要历史挑战，以及该科学突破的发展历程和对未来的影响。

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19. 短波自由电子激光在原子分子和团簇中的应用

董瑞超, 冯金泽, 王新成, 江玉海

自然杂志 2024, 46 (3): 203-220. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.03.005

摘要（615）

PDF（pc）（6768KB）（327）

短波自由电子激光产生的从极紫外(XUV)至硬X射线范围内连续可调的超强、超快和高相干性的脉冲辐射，为研究原子、分子和团簇中的超快电子和结构动力学过程开辟了新的途径。从原子的少光子单电离、少光子多电离和多光子多电离过程，到单脉冲的分子结构成像和时间分辨的分子动力学，再到团簇中的超快能量和质子转移过程，短波自由电子激光的应用非常广泛，并且取得了一系列重大的成果。通过一些科学案例，梳理了短波自由电子激光在原子、分子和团簇领域的研究进展。最后，总结了短波自由电子激光目前在该领域取得的成就，并展望了未来发展趋势。

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20. 同步辐射在原子分子物理研究中的应用

丁伯承, 吴睿昌, 封云飞, 黄健业, 廖剑峰, 金鑫, 刘小井

自然杂志 2024, 46 (3): 194-202. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.03.004

摘要（530）

PDF（pc）（2082KB）（324）

同步辐射是电子以接近光速做圆周运动或蛇行运动时，沿着运动轨道的切线方向发出的电磁辐射，或称为光。这种辐射覆盖了从红外线到硬X射线的宽幅波段，并且具有亮度高、相干性好等优点。特别是在软X射线和硬X射线波段，同步辐射光源是唯一兼具高亮度和波长可调谐的光源，为研究原子分子与光子的相互作用过程提供了高度精细的实验利器，并由此打开解析微观世界新的大门。文章从同步辐射的产生过程剖析其关键要素，并综述了同步辐射在原子分子物理研究中的最新进展。

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