新的工艺可以使过氧化氢在偏远地区使用

过氧化氢是一种有用的通用消毒剂,在发达国家的大多数药柜里都能找到。但在发展中国家的偏远村庄,它可能在健康和卫生方面发挥重要作用,因此很难获得。

现在,麻省理工学院开发的一种工艺可以制造出一种简单、便宜、便携的设备,它可以从空气、水和电中持续产生过氧化氢,为伤口、食品加工表面甚至供水提供一种消毒方法。

麻省理工学院的学生Alexander Murray、Sahag Voskian、Marcel Schreier以及麻省理工学院的教授T. Alan Hatton和Yogesh Surendranath本周在《焦耳》杂志上发表的一篇论文中描述了这种新方法。

即使在低浓度下,过氧化氢也是一种有效的抗菌剂,在完成其杀菌功能后,它会分解成白水,这与氯等其他物质形成对比,氯会在其生产和使用过程中产生不需要的副产品。

过氧化氢就是水加上一个氧原子——它是H2O2,而不是H2O。这些额外的氧相对松散地结合在一起,使得它成为一种高度活跃的化学物质,渴望氧化它周围的任何其他分子。它的反应性很强,在高浓度下可以用作火箭燃料,即使是35%的浓度也需要非常特殊的处理和运输程序。作为家用消毒剂使用的通常只有3%的过氧化氢和97%的水。

因为高浓度的水很难运输,而低浓度的水主要是水,运输不经济,所以这些材料往往很难运至特别有用的地方,比如有未经处理的水的偏远社区。(加入双氧水可以有效控制水中的细菌。)因此,世界各地的许多研究小组一直在寻求开发某种形式的便携式过氧化氢生产设备的方法。

在工业化国家生产的大多数过氧化氢是在大型化工厂生产的,在那里甲烷或天然气被用来提供氢的来源,然后在高温下与氧发生催化反应。这个过程是能源密集型的,而且不容易扩展,需要大型设备和稳定的甲烷供应,所以它不适合小型单位或偏远地区。

“越来越多的人对便携式过氧化氢产生了兴趣,”Surendranath说,“因为人们意识到它可以满足很多需求,无论是在工业方面,还是在人类健康和卫生方面。”

到目前为止为潜在的可移植系统开发的其他进程有关键的限制。例如,大多数催化过氧化氢从氢和氧生成的催化剂也会产生大量的水,导致所需产物的浓度较低。此外,涉及电解的过程,如这种新方法,通常很难将产生的过氧化氢从该过程中使用的电解液材料中分离出来,再次导致效率低下。

Surendranath和团队的其他成员通过将过程分解成两个独立的步骤来解决问题。首先,电(最好来自太阳能电池或风车)被用来将水分解成氢和氧,然后氢与一个“载体”分子发生反应。在最初的实验中,这种分子是一种叫做人醌的化合物,然后被引入一个单独的反应室,在那里它与从外部空气中获取的氧气相遇,一对氢原子与一个氧分子(O2)结合形成过氧化氢。在这个过程中,载体分子会恢复到原来的状态,并再次进行循环,所以这些物质不会被消耗掉。

Surendranath说,这个过程可以解决许多挑战,通过使清洁水、伤口急救护理和无菌食品制备表面在目前缺乏或无法获得的地方更容易获得。

“即使在相当低的浓度下,你也可以用它来消毒水中的微生物污染物和其他病原体,”Surendranath说。而且,他补充说,“在高浓度下,它甚至可以用来做所谓的高级氧化,”在结合紫外线的情况下,它可以用来净化水,即使是强大的工业废物,如采矿作业或水力压裂。

因此,例如,一个便携式过氧化氢工厂可能被建立在一个临近的水力压裂或采矿现场,用来清理其流出的水,然后移动到另一个地方一旦业务停止在原来的现场。

Surendranath说,在这个初始的概念验证单元中,产生的过氧化氢浓度仍然很低,但是系统的进一步设计应该能够产生更集中的产出。“其中一种方法就是增加介质的浓度,幸运的是,我们的介质已经被用于非常高浓度的流电池中,所以我们认为有一种方法可以增加这些浓度,”他说。

“这是一种神奇的过程,”他说,“因为你用大量的东西,水、空气和电,你可以从当地获取,你用它来制造这种重要的化学物质,你可以用它来清洁环境、卫生和水质。”

威斯康星大学(University of Wisconsin)的化学教授香农·斯塔尔(Shannon Stahl)说:“在没有电解质、盐、碱等的水中生成过氧化氢溶液的能力值得注意,这些都是其他电化学过程所固有的。”Stahl补充说,“获得无盐的H2O2水溶液具有广泛的实际应用意义。”

斯塔尔说:“这项工作代表了‘介导电解’的创新应用。“介导电化学为传统的化学过程与电化学的结合提供了一种手段,这是对这一概念的一个特别引人注目的证明。”这个概念有很多潜在的应用。”

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麻省理工学院的两名学生当选为2019年美国国家医学院的院士

麻省理工学院电气工程、计算机科学和健康科学与技术教授桑吉塔·巴蒂亚和麻省理工学院生物学教授理查德·杨是今天入选美国国家医学院的100名新成员之一。

巴蒂亚已经是美国国家科学院和工程院的成员,使她成为这三个国家科学院的第25名成员。今年早些时候,麻省理工学院化学工程系主任保拉•哈蒙德(Paula Hammond)也加入了这个排他性小组;麻省理工学院的教师埃默里·布朗、奥雅纳·查克拉博蒂、詹姆斯·柯林斯和罗伯特·兰格也获得了这一殊荣。

Bhatia是麻省理工学院科赫综合癌症研究所和医学工程与科学研究所的成员,他开发微纳米技术来改善人类健康。她设计了纳米颗粒和其他材料来诊断和治疗疾病,包括癌症,她还设计了人类微肝,可以用来模拟肝脏疾病和测试新药。她和她的学生已经成立了几家生物技术公司来进一步开发这些技术。

扬是麻省理工学院怀特黑德生物医学研究所的成员,研究控制细胞状态和分化的调节电路。他的实验室使用实验和计算技术来确定信号通路、转录因子、染色质调节因子和小rna如何控制基因表达。由于基因表达缺陷可导致糖尿病、癌症、高血压、免疫缺陷、神经系统疾病和其他健康问题,因此,对这一回路的进一步了解应有助于对疾病机制的新认识,并有助于开发新的诊断和治疗方法。

杨说:“我很荣幸被选入国家医学研究院。”“这不仅仅是个人荣誉,更是对基础生物医学研究对理解、预防和治疗疾病的重要性的肯定。”

杨还于2012年当选为美国国家科学院院士。

Bhatia和Hammond的大部分职业生涯都是在MIT度过的,现在是三个国家学院中仅有的两名有色人种女性。

电气工程和计算机科学教授巴蒂亚(Bhatia)说:“我很荣幸能成为我一直钦佩的这群思想家和实干家中的一员。”“我很感谢麻省理工学院几十年来对我的支持,也很感谢南希·霍普金斯和她的同事们在90年代发起的性别平等运动。我的职位、薪水、晋升轨迹、空间、领导机会以及与像葆拉这样优秀的人在一起的归属感,都是经过深思熟虑、努力工作、克服系统性无意识偏见的结果。我希望我们可以成为下一代研究人员和支持他们的机构的榜样。”

哈蒙德说:“我很高兴与我出色的同事桑吉塔分享这一荣誉。“我们真的从麻省理工学院这么多同事的辛勤工作中受益,他们站起来,表达了不同种族、文化和性别的学者之间平等的重要性。对我来说,麻省理工学院是一个不可思议的地方,我可以在这里继续我的职业生涯,并找到优秀的男同事和女同事,他们不断地相互鼓舞和支持。正是通过我们不断的努力,作为一个社区,我们一起成为一个更好的地方,我们创造机会,让现在和未来的学者发光。”

美国国家医学研究院成立于1970年,前身为美国医学研究所,是一个由来自健康、医学、自然、社会和行为科学等领域的杰出专业人士组成的独立组织。入选国家医学科学院被认为是卫生和医学领域的最高荣誉之一,表彰那些表现出突出的专业成就和致力于服务的个人。

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联合用药可逆转对噪音的过敏反应

自闭症患者通常对噪音和其他感官输入非常敏感。麻省理工学院(MIT)的神经科学家们现在已经发现了两种大脑回路,它们可以帮助消除分散注意力的感觉信息。他们还发现了一种方法,可以通过增强这些回路的活动,来逆转老鼠的噪音过敏症。

研究人员发现,其中一个回路与过滤噪音有关,而另一个回路通过让大脑在不同的感官输入之间切换注意力,实现自上而下的控制。

研究人员表明,恢复这两个回路的功能比单独处理任何一个回路都要有效得多。麻省理工学院(MIT)麦戈文脑研究所(McGovern Institute for brain Research)的大脑与认知科学助理教授迈克尔·哈拉萨(Michael Halassa)说,这证明了绘制和定位涉及神经障碍的多个回路的好处。

这项研究的主要作者Halassa说:“我们认为这项工作有潜力改变我们对神经和精神疾病的看法,(因此我们将它们视为)回路缺陷的组合。”“我们应对这些大脑疾病的方法应该是,尽我们最大的能力,绘制出大脑缺陷的组合,然后追踪这些组合。”

麻省理工学院博士后中岛美和研究科学家施密特是这篇论文的主要作者,这篇论文发表在10月21日的《神经元》杂志上。冯国平,神经科学教授,麦戈文研究所成员,也是这篇论文的作者之一。

超敏反应

许多基因变异与自闭症有关,但大多数患者很少有这些变异,如果有的话。其中一个基因是ptchd1,它在1%的自闭症患者中发生突变。在2016年的一项研究中,Halassa和Feng发现,在发育过程中,这种基因主要在丘脑中被称为丘脑网状核(TRN)的部分表达。

该研究显示,TRN的神经元帮助大脑调整感觉输入的变化,如噪音水平或亮度。在ptchd1缺失的小鼠中,TRN神经元的放电速度过快,当噪音水平发生变化时,它们无法进行调整。Halassa说,这阻止了TRN执行它通常的感觉过滤功能。

“那些用来过滤噪音或调节整体活动水平的神经元并不适应。如果没有能力调整整体活动水平,你很容易就会不知所措,”他说。

在2016年的研究中,研究人员还发现,他们可以通过一种名为EBIO的药物来激活神经元的钾离子通道,从而恢复小鼠的一些噪音过滤能力。EBIO有有害的心脏副作用,所以可能不能用于人类患者,但其他药物,促进TRN活性可能有一个类似的过敏有益的作用,Halassa说。

在这篇新的神经元论文中,研究人员对ptchd1的作用进行了更深入的研究,ptchd1也在前额叶皮层中表达。为了探究前额叶皮层是否在动物的超敏反应中起作用,研究人员使用了一项任务,要求老鼠分辨三种不同的音调,背景噪音的数量也不同。

正常的老鼠可以学习使用一个提示,当噪音水平升高时就会发出警报,从而提高它们在任务中的整体表现。Halassa说,类似的现象也出现在人类身上,当他们提前得到一些警告时,就能更好地适应嘈杂的环境。然而,携带ptchd1突变的小鼠无法利用这些线索来提高它们的表现,即使使用EBIO治疗它们的TRN缺陷也是如此。

这表明,一定是另一个大脑回路在动物过滤杂音的能力中起作用。为了测试该回路位于前额叶皮层的可能性,研究人员记录了该区域的神经元,而缺乏ptch1的小鼠则完成了这项任务。他们发现,这些小鼠的神经元活动比正常小鼠的前额叶皮层消失得快得多。这促使研究人员测试了另一种药物莫达非尼(modafinil),这种药物被fda批准用于治疗嗜睡症,有时还被用来改善记忆力和注意力。

研究人员发现,当他们同时用莫达非尼和伊比奥治疗缺失ptchd1的小鼠时,它们的过敏症状消失了,而且它们的表现与正常小鼠相同。

针对电路

这种症状的成功逆转表明,缺失ptchd1的小鼠经历了一种回路缺陷的组合,每种回路缺陷对噪声过敏的影响不同。一个电路滤除噪声,另一个电路根据外部信号来控制噪声。Ptch1突变以不同的方式影响这两个回路,可以用不同的药物治疗。

Halassa说,这两个回路也可能受到与自闭症和其他神经系统疾病有关的其他基因突变的影响。他说,针对这些回路,而不是特定的基因突变,可能会提供一种更有效的方法来治疗这类疾病。

他说:“这些回路对于在大脑中移动物体很重要——感觉信息、认知信息、工作记忆。”“我们正试图对电路操作进行逆向工程,以找出应对一种真正的人类疾病的方法。”

他现在计划研究精神分裂症引起的电路级干扰。这种紊乱会影响涉及认知过程的回路,比如推理——从现有信息中得出结论的能力。

研究由西蒙斯麻省理工学院的社会大脑中心,斯坦利Broad研究所精神病学研究中心,麻省理工学院麦戈文脑研究所,皮尤基金会人类前沿科学计划,美国国立卫生研究院,詹姆斯和帕特里夏·Poitras麻省理工学院的精神疾病研究中心,促进日本社会科学奖学金,全国精神分裂症和抑郁症研究联盟青年研究员奖。

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细胞硬度可能表明肿瘤是否会侵袭

麻省理工学院(MIT)和其他地方的工程师们追踪了最初良性肿瘤内单个细胞的进化,展示了这些细胞的物理特性如何促使肿瘤变得具有侵袭性或转移性。

团队进行实验与人类乳腺癌肿瘤在实验室开发的。随着肿瘤的成长和积累更多的细胞经过一段约两周,研究者观察到细胞在肿瘤的内部小而硬,当细胞外围软更肿了。这些较软的外围细胞更倾向于向肿瘤体外延伸,形成“侵入性尖端”,最终分裂并扩散到其他地方。

研究人员发现,肿瘤边缘的细胞比较柔软,因为它们比中心的细胞含有更多的水。肿瘤中心的细胞被其他细胞包围,这些细胞向内挤压,将水从内部细胞中挤出,通过细胞间的纳米级通道(缝隙连接)进入外围细胞。

“你可以把肿瘤想象成一块海绵,”麻省理工学院机械工程助理教授郭明说。“当它们生长时,它们在肿瘤内部形成压力,这将把水从核心挤压到外部的细胞,随着时间的推移,细胞会慢慢膨胀,也会变得更软,因此它们更有能力入侵。”

当研究小组将肿瘤从周围细胞中吸取水分时,细胞变硬,形成侵入性尖端的可能性降低。相反,当他们用稀释的溶液淹没肿瘤时,同样的外围细胞会膨胀并迅速形成长长的、树枝状的尖端,侵入周围环境。

上图为早期肿瘤。感谢研究人员。

上图为晚期肿瘤。感谢研究人员。

研究小组今天在《自然物理》(Nature Physics)杂志上发表的研究结果,为癌症治疗指明了一条新途径,重点是改变癌细胞的物理特性,以延缓甚至阻止肿瘤的扩散。

郭的合著者包括主要作者和麻省理工学院博士后余龙汉,以及来自麻省理工学院的徐国强、顾梓臣、孙家伟、郝玉坤、古普塔、李义伟和唐文辉;哈佛大学约翰·a·保尔森工程与应用科学学院的Adrian Pegoraro和Yuan Yuan;中国科学院李辉;北京首都医科大学李开复、华康、滕连红;哈佛大学公共卫生学院的Jeffrey Fredberg说。

细胞镊子

科学家们怀疑,从一个主要肿瘤上转移过来的癌细胞之所以能够这样做,部分原因是它们的性质更软、更柔韧,使得这些细胞能够挤过人体不稳定的脉管系统,在远离最初肿瘤的地方增殖。过去的实验已经证明,单个癌细胞具有这种柔软、迁移的特性,但郭的团队是第一个探索细胞硬度在整个肿瘤发展过程中的作用的团队。

“人们已经关注单细胞很长时间了,但是生物是多细胞的,三维的系统,”郭说。“每个细胞都是一个物理构件,我们感兴趣的是,当细胞发育成类似肿瘤或器官的组织时,每个单个细胞如何调节自己的物理特性。”

研究人员利用最近开发的技术,在实验室中培育健康的人体上皮细胞,并将其转化为人类乳腺癌肿瘤。研究人员在一周内数次向数量不断增加的细胞中注入塑料颗粒。

然后他们用光镊探测每个细胞的硬度,这项技术是研究人员将高度聚焦的激光束对准细胞。在这种情况下,研究小组将激光对准每个细胞内的一个塑料粒子,将粒子固定在适当的位置,然后施加一个微弱的脉冲,试图移动细胞内的粒子,就像用镊子从周围的蛋黄中取出蛋壳一样。

郭说,研究人员移动一个粒子的程度让他们对周围细胞的硬度有了一个概念:粒子越不容易被移动,细胞就越坚硬。通过这种方式,研究人员发现,一个良性肿瘤内的数百个细胞不仅呈现大小,而且呈现刚度梯度。内部细胞更小、更硬,细胞离核越远,就越软、越大。它们也更有可能从球形原发肿瘤向外延伸,形成分支,或侵入性尖端。

是否改变细胞的含水量影响他们的入侵行为,团队增加了低分子量聚合物解决打水从肿瘤细胞,并发现细胞萎缩,变得更加僵硬,不太可能迁移远离肿瘤——衡量延迟转移。当他们加入水来稀释肿瘤溶液时,细胞,尤其是边缘的细胞,会膨胀,变软,并更快地形成侵入性的尖端。

作为最后的测试,研究人员获得了一名患者的乳腺癌肿瘤样本,并测量了肿瘤样本中每个细胞的大小。他们观察到的梯度与他们在实验室衍生的肿瘤中发现的相似:肿瘤核心的细胞比外围的细胞小。

“我们发现这不仅仅发生在模型系统中——它是真实的,”郭说。“这意味着我们可以根据物理图像开发出一些治疗方法,以细胞硬度或大小为目标,看看是否有帮助。”如果你让细胞变硬,它们就不太可能迁移,这可能会延缓入侵。”

他说,也许有一天,临床医生能够根据肿瘤细胞的大小和硬度,从内到外,有信心地判断肿瘤是否会转移。

“如果有一个确定的尺寸或刚度梯度,你可以知道这将造成麻烦,”郭说。“如果没有梯度,你或许可以放心地说,它没问题。”

这项研究部分得到了国家癌症研究所的支持。

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爱出风头的机器人学习操作物体的基本原理

麻省理工学院的研究人员已经编译了一个数据集,该数据集捕捉了一个机器人系统在物理上推动数百个不同物体的详细行为。使用该数据集——同类数据中最大和最多样化的——研究人员可以训练机器人“学习”推动动力学,这是许多复杂的对象操作任务的基础,包括重新定位和检查对象,以及整理场景。

为了捕捉这些数据,研究人员设计了一个自动化系统,包括一个具有精确控制的工业机械臂、一个3D运动跟踪系统、深度和传统相机,以及一个将所有东西缝合在一起的软件。手臂推动可以根据重量、形状和质量分布进行调整的模块对象。对于每一次推送,系统都会捕捉到这些特征如何影响机器人的推送。

这个数据集名为“Omnipush”,包含250个对象的250个不同的推送,总共大约有62,500个不同的推送。例如,它已经被研究人员用来建立模型,帮助机器人预测物体被推到什么地方。

“我们需要大量丰富的数据来确保我们的机器人能够学习,”机械工程系(MechE)的研究生玛丽亚•鲍扎(Maria Bauza)表示。“在这里,我们从一个真实的机器人系统中收集数据,(而且)这些物体的多样性足以捕捉到推动现象的丰富性。”这对于帮助机器人理解推的工作原理,并将信息转化为现实世界中的其他类似物体非常重要。”

与Bauza一同发表论文的有:计算机科学与人工智能实验室和电子工程与计算机科学系的研究生Ferran Alet和Lin yin – chen;工程学院卓越教学教授Tomas Lozano-Perez;莱斯利·p·克尔布林,松下计算机科学与工程教授;电子工程系助理教授菲利普·伊索拉;以及MechE的副教授阿尔贝托·罗德里格斯(Alberto Rodriguez)。

分散的数据

为什么要关注推动行为?罗德里格斯解释说,模拟物体与物体表面之间的摩擦所产生的推动动力学,在更高级别的机器人任务中是至关重要的。看看这个视觉上和技术上都令人印象深刻的机器人吧,它可以玩叠叠乐,罗德里格斯最近参与了它的设计。罗德里格斯说:“机器人正在执行一项复杂的任务,但驱动这项任务的力学核心仍然是推动一个物体,比如物体之间的摩擦。”

Omnipush基于一个类似的数据集,该数据集由Rodriguez、Bauza和其他研究人员在操纵和机制实验室(MCube)构建,他们只捕获了10个对象上的推送数据。在2016年公开数据集之后,他们收集了研究人员的反馈。一个抱怨是缺乏对象多样性:在数据集上训练的机器人很难将信息泛化到新的对象上。也没有视频,这对计算机视觉、视频预测和其他任务很重要。

对于他们的新数据集,研究人员利用一个工业机器人手臂来精确控制推力器的速度和位置,基本上是一个垂直的钢棒。当手臂推动物体时,一个“维康”运动跟踪系统就会跟踪物体,该系统已在电影、虚拟现实和研究中得到应用。还有一个RGB-D摄像头,可以为拍摄的视频增加深度信息。

关键是构建模块化对象。统一的中心部分由铝制成,看起来像四角星,重约100克。每个中心部件的中心和点上都有标记,因此维康系统可以在一毫米内探测到它的姿态。

四种形状的小块——凹面、三角形、长方形和圆形——可以通过磁性附着在中间的任何一边。每块碎片的重量在31克到94克之间,但是额外的重量在60克到150克之间,可以放在碎片的小洞里。所有像拼图一样的物体水平和垂直排列,这有助于模拟具有相同形状和质量分布的单个物体的摩擦力。所有不同边、重量和质量分布的组合加起来有250个独特的物体。

每推一次,手臂就会自动移动到距离物体几厘米的随机位置。然后,它选择一个随机的方向,推动物体一秒钟。从它停止的地方开始,然后选择另一个随机方向,重复这个过程250次。每个push记录了对象的姿态和RGB-D视频,可用于各种视频预测目的。收集数据每天需要12个小时,持续两周,总计超过150个小时。只有在手动重新配置对象时才需要人工干预。

这些物品并没有特别模仿任何现实生活中的物品。相反,它们的设计是为了捕捉真实世界中物体的“运动学”和“质量系统”的多样性,而“运动学”和“质量系统”是真实世界中物体运动的物理模型。然后,机器人可以将一个具有不均匀质量分布的Omnipush对象的物理模型推演到任何具有类似不均匀重量分布的真实对象。

想象一下,你推着一张有四条腿的桌子,桌子上的大部分重量超过了其中一条腿。当你推桌子时,你会看到它在沉重的腿上旋转,必须重新调整。了解质量分布,以及它对推的结果的影响,是机器人可以通过这些物体来学习的。”罗德里格斯说。

为新的研究

在一个实验中,研究人员使用Omnipush训练一个模型来预测被推物体的最终姿态,只给出初始姿态和推的描述。他们在150个Omnipush对象上训练模型,并在一个预定的对象上测试它。结果表明,经过全方位训练的模型的准确率是在几个类似数据集上训练的模型的两倍。在他们的论文中,研究人员还记录了其他研究人员用于比较的准确性基准。

因为Omnipush捕捉推送的视频,所以一个潜在的应用是视频预测。例如,一位合作者现在正在使用数据集训练机器人“想象”在两点之间推物体。经过Omnipush训练后,将机器人作为输入两帧视频,显示一个物体的起始位置和结束位置。利用起始位置,机器人预测所有未来的视频帧,以确保物体到达终点位置。然后,它以与每个预测的视频帧匹配的方式推送对象,直到它到达具有结束位置的帧。

“机器人会问,‘如果我做这个动作,物体在这个坐标系中会在哪里?’然后,它会选择一个动作,这个动作能最大限度地让物体处于它想要的位置,”Bauza说。“它首先通过想象图像中的像素在被推后如何变化来决定如何移动物体。”

卡内基甜瓜大学计算机科学与机器人技术教授马修·t·梅森(Matthew T. Mason)说:“Omnipush包括对物体运动的精确测量,以及对世界上机器人与物体之间的一类重要交互作用的视觉数据。”“机器人研究人员可以利用这些数据开发和测试新的机器人学习方法……这将推动机器人操作的持续进步。”

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麻省理工学院现场:霍克菲尔德法院

风景优美的四院前身为“北院”(North Court),是梅恩街(Main Street)和肯德尔广场(Kendall Square)通往校园的主要通道之一,现在是霍克菲尔德法院(Hockfield Court),以纪念2004年至2012年担任麻省理工学院(MIT)校长的苏珊•霍克菲尔德(Susan Hockfield)。

这个新绰号是在10月4日庆祝霍克菲尔德和她对研究所的贡献的仪式上被授予的。作为麻省理工学院的第16任校长,也是第一位担任这一职位的女性和第一位生命科学家,霍克菲尔德将麻省理工学院的优势集中在一系列重要问题上,从癌症研究到先进的制造业。她倡导生命科学与工程和物理科学的融合,监督建立了麻省理工学院的能源倡议,促进了麻省理工学院的区域和全球参与,培育了蓬勃发展的肯德尔广场创新集群,以及其他有远见的举措。

霍克菲尔德继续担任神经科学教授和科赫综合癌症研究所成员,他也一直积极倡导让麻省理工学院成为一个更加多元化、包容和友好的环境。

在命名仪式上,霍克菲尔德表示,“作为第一位担任总统的女性和第一位生命科学家,我感到有一种特殊的责任,那就是铺设新道路,设定新方向,欢迎所有人……我有信心,麻省理工学院将继续开放,并保持开放,新的机会之窗,因此,正如我第一次当选麻省理工学院院长时所说,麻省理工学院可以成为每个想让世界变得更美好的孩子的梦想……这也是每一位工程师、科学家、学者和艺术家的梦想,他们从创新的温床中汲取灵感,为人类服务。”

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南极冰崖对海平面上升的贡献可能没有预期的那么大

南极洲的冰原面积几乎是美国本土面积的两倍,其陆地边界由巨大的漂浮冰架支撑,这些冰架在南大洋的寒冷水域延伸数百英里。当这些冰架崩塌进入海洋时,它们会暴露出南极洲边缘高耸的冰崖。

科学家们认为,超过90米(大约是自由女神像的高度)的冰崖会在自身重量的作用下迅速崩塌,导致本世纪末海平面上升超过6英尺——足以淹没波士顿和其他沿海城市。但现在,麻省理工学院的研究人员发现,这一预测可能被高估了。

今天在《地球物理研究快报》发表的论文中,研究小组报告说,一个90米的冰崖完全崩溃,支撑悬崖的冰架会破坏极其迅速,在几个小时内,冰的损失程度尚未观察到在现代记录。

“冰架大约有一公里厚,有些有德克萨斯州那么大,”麻省理工学院的研究生菲奥娜·克拉克说。“要进入真正高大的冰崖的灾难性失败,你必须在数小时内移除这些冰架,无论气候变化情况如何,这似乎都不太可能。”

如果一个支持冰架融化在更长一段几天或几周,而不是几个小时,研究人员发现,剩下的冰崖不会突然裂缝和下重量,而是会慢慢流出,像一座山的冷蜂蜜从大坝被释放。

麻省理工学院地球、大气和行星科学系助理教授布伦特•明周表示:“目前南极海平面上升的最糟糕情况,是基于这样一种观点:90米以上的悬崖会灾难性地崩塌。”“我们说的是,基于悬崖失败的情况可能不会发生。这是一线希望。话虽如此,我们还是要小心不要松一口气。还有很多其他方式可以导致海平面迅速上升。”

Clerc是这篇新论文的主要作者,与Minchew和波士顿学院的Mark Behn一起。

愚蠢的行为状态

在气候变暖的情况下,当南极洲的冰架崩塌进入海洋时,它们会暴露出由地面冰或陆地冰构成的高耸悬崖。如果没有冰架的支撑,科学家们认为,大陆上很高的冰崖会崩塌,裂入海洋,使更高的悬崖暴露在内陆深处,而这些悬崖本身也会崩塌,引发失控的冰盖退缩。

今天,地球上没有比90米更高的冰崖,科学家认为这是因为比90米更高的悬崖无法承受自身的重量。

Clerc, Minchew和Behn接受了这个假设,他们想知道90米或更高的冰崖是否会在什么条件下物理崩塌。为了回答这个问题,他们开发了一个简单的矩形块冰模拟来代表一个理想的冰原(陆地上的冰),最初由一个同样高的冰架(水面上的冰)支撑。他们通过以不同的速度缩小冰架来进行模拟,并观察裸露的冰崖如何随着时间的推移做出反应。

在他们的模拟中,他们根据麦克斯韦的粘弹性模型设定了冰的力学性能或行为,该模型描述了一种材料从弹性的、橡胶般的反应转变为粘性的、蜂蜜般的行为的方式,这取决于它是快速加载还是缓慢加载。粘弹性的一个经典例子是橡皮泥:如果你把一团橡皮泥放在桌子上,它会慢慢地滑入水坑,就像一种粘性液体;如果你迅速把它拉开,它就会像弹性固体一样撕裂。

事实证明,冰也是一种粘弹性材料,研究人员在他们的模拟中加入了麦克斯韦粘弹性。他们改变了支撑冰架的移动速度,并预测了冰崖是像弹性材料一样断裂和崩塌,还是像粘性液体一样流动。

他们模拟了从0米到1000米的不同起始高度或厚度的冰的影响,以及冰架崩塌的不同时间尺度。最后,他们发现,当一个90米高的悬崖暴露出来时,只有当支撑它的冰架被迅速移除,持续几个小时,它才会迅速崩塌成易碎的块状。事实上,他们发现这种行为适用于高达500米的悬崖。如果冰架在几天或几周内被移走,500米高的冰崖不会因为自身的重量而崩塌,而是会像冷蜂蜜一样慢慢脱落。

一个现实的图片

结果表明,地球上最高的冰崖不太可能发生灾难性的崩塌,引发失控的冰盖退缩。因为速率最快的冰架正在消失,至少在现代记录,记录是周不小时,科学家观察到2002年,当他们捕获的卫星图像拉尔森B冰架的坍塌——一块冰一样大的罗德岛,脱离了南极洲,粉碎成成千上万的冰山在张成的空间两周。

“当‘守护神B’冰架崩塌时,那是一个相当极端的事件,发生了两个多星期,与我们特别担心的冰架相比,那是一个很小的冰架,”Clerc说。“所以我们的研究表明,悬崖崩溃可能不是在不久的将来导致海平面大幅上升的机制。”

这项研究部分得到了美国国家科学基金会的支持。

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生物工程师保罗·布莱尼发明了促进生物医学研究的新工具

微流体学是一门通过通道操纵少量液体的科学,它已广泛应用于基因组学等领域,帮助实现了高速测序。几年前,保罗·布莱尼(Paul Blainey)开始思考,为什么微流体学不能用于药物筛选,这是另一个需要快速分析大量样本的应用。

这个问题促使他和他的学生开发了一种新型微流体平台,在这种平台上,液滴被密封在小井里,从而克服了阻碍先前努力的药物泄漏问题。这个系统在药物筛选方面表现良好,但它最终也被用于许多其他应用,远远超出了布莱尼最初的设想。

“我爱科学的一件事——你可以思考为什么不微流体为化学,做更多然后你开发的东西原来有这些真正令人兴奋的用途和应用程序没有人想象,“Blainey说,麻省理工和哈佛大学的一员,一个新终身在生物工程系副教授。

Blainey的实验室采取了广泛的方法来解决技术问题,导致在过去几年许多前沿工具的发展,应用领域从基因组学到诊断和药物开发。他认为,他的学生帮助他想出了新技术的点子,并在他们找到可行的方法之前,一直在寻找替代方向。

他说:“这个实验室今天所知的主要研究方向和技术平台,就是在这个过程中产生的。在这个过程中,我和学生们有了一个疯狂的想法,然后实验室就在这个想法上进行了研究,并经历了各种曲折。”

工程所吸引

布莱尼的父亲是一家电话公司的技术员,母亲是一位护理学教授。他回忆道:“我一直是那种喜欢做模型的孩子。”然而,他开始了他的科学学术生涯,在华盛顿大学主修化学和数学。他后来在哈佛大学(Harvard University)获得了物理化学博士学位,但在攻读学位期间,他被与工程最密切相关的科学领域所吸引。

他说:“我真的很喜欢分析化学,它非常像一门工程学科,因为它专注于仪器、测量和化学的定量方面。”

完成博士学位后,他去了斯坦福大学(Stanford University),在生物工程学教授斯蒂芬·奎克(Stephen Quake)的实验室里做博士后。在那里,2007年,他与安装在学术实验室的首批高速下一代基因组测序仪之一合作。

“结果是我学到了测序技术和基因组学,我学了一点细菌遗传学,我学了微流体技术,我真的开始欣赏这些东西是如何相互作用的,”Blainey说。

斯坦福大学,他对环境微生物进行了单细胞基因组测序,但他想把研究重点转向生物医学和人类细胞,于是他申请了布罗德研究所(Broad Institute)的教职。在来面试之前,他以为自己会更喜欢住在西海岸,但这次麻省理工的访问改变了他的想法。

他说:“尽管我曾在哈佛读研究生,但我对麻省理工知之甚少。”“我去了波士顿,这超出了我的预期。布罗德研究所及其周边机构的科学和合作潜力非常明显。”

当布莱尼成为布罗德研究所的一员时,他还加入了麻省理工学院的生物工程系,重新燃起了他对工程学的长期兴趣。他创办实验室的目标是开发能够对生物医学研究产生重大影响并广泛传播的生物技术。

他说:“我们感兴趣的是找到开发技术的机会,以填补生命科学研究组合中的关键空白。”“我们有机会与人们交谈,了解他们的需求,了解生物研究在哪些方面得到了科技的良好服务,并试图找到可能与我们的工具包或我们可以发明的新东西重叠的空白。”

填充空白

Blainey认为需要新技术的一个领域是筛选潜在的药物化合物。筛选药物的一大挑战是确保每种化合物都有足够的量来测试大量的单细胞。研究人员没有使用微流体学来帮助这些筛选,因为药物分子往往会从微流体设备中使用的微小液滴中泄漏出来。

布莱尼的研究生托尼·库莱萨(Tony Kulesa)想到了一个解决这个问题的新方法,那就是把纳米升液滴密封在微流体芯片上的一组小孔中。这防止了药物泄漏,并启用了大规模的屏幕。

这项技术对于筛选单个药物和药物组合非常有用。在2018年发表的一篇论文中,研究人员表明,这个系统可以用来识别有助于现有抗生素更好工作的化合物。布罗德研究所目前正在启动一个由国家过敏和传染病研究所资助的新中心,这个平台将被用于寻找具有抗菌活性的其他化合物。

后来证明,这个系统可以用于各种各样的实验,包括测试许多不同的细胞或分子组合的相互作用。

在一个项目中,布莱尼与麻省理工学院(MIT)物理学副教授杰夫•戈尔(Jeff Gore)合作,将不同种类的细菌混合在液滴中,研究它们之间的相互作用。他还用它创造了一个基于crispr的诊断技术的新版本,叫做Sherlock,之前是由布罗德研究所的其他几个实验室开发的。液滴阵列平台允许在同一时间对多个样品进行测试,并同时测试许多不同的疾病。

Blainey最近开发的另一种技术,称为光池筛选,允许研究人员检查基因如何影响复杂的细胞过程,具有空间和时间分辨率。这项技术在10月17日的《细胞》(Cell)杂志上发表,它将大规模汇集的基因筛选与基于图像的细胞行为分析相结合。

Blainey的实验室继续寻找可以从技术创新中受益的新领域,同时也在为他们已经开发的工具寻找潜在的应用。

“我们的天线对这些一般类型的技术壁垒非常敏感,如果你能想出强有力的通用解决方案,它真的能解开很多东西。但我们也很高兴能利用我们已经开发出来的工具对生物学进行更深入的研究,”他说。“这有点像草根政治——你真的必须走出去,在人行道上四处奔走,展示它可以被用在不同的地方。”

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让机器人抓得更快

如果你手边有一支钢笔或铅笔,试试这个动作:用拇指和食指抓住笔的一端,把另一端推到桌子上。手指滑下钢笔,然后把它倒过来,不要让它掉下来。不太难,对吧?

但是对于一个机器人来说——比如说,一个正在整理一箱物体并试图抓住其中一个的机器人——这是一个在计算上很费力的操作。甚至在尝试移动之前,它必须计算一长串的属性和概率,比如桌子、笔和它的两个手指的摩擦和几何形状,以及这些属性的各种组合如何根据物理基本定律在机械上相互作用。

现在,麻省理工学院的工程师们找到了一种方法,可以显著加快机器人的规划过程,通过将一个物体推到一个固定的表面来调整它对一个物体的抓取。传统的算法需要几十分钟来规划出一系列动作,而新团队的方法将这个预先规划过程缩短到不到一秒。

麻省理工学院机械工程副教授阿尔贝托•罗德里格斯(Alberto Rodriguez)表示,更快的规划过程将使机器人——尤其是在工业环境中——能够迅速找出如何推动、滑动,或以其他方式利用环境中的特征来重新定位手中的物体。这种灵活的操作对于任何涉及挑选和排序的任务,甚至是复杂的工具使用都很有用。

罗德里格斯说:“这是一种提高哪怕是简单的机器人手爪灵活性的方法,因为在一天结束的时候,环境是每个机器人都拥有的。”

该小组的研究结果今天发表在《国际机器人研究杂志》上。罗德里格斯的合著者包括机械工程研究生Nikhil Chavan-Dafle和电子工程与计算机科学研究生Rachel Holladay。

圆锥物理学

罗德里格斯的团队致力于使机器人能够利用它们的环境来帮助它们完成物理任务,比如挑选和分类垃圾箱里的物品。

现有的算法通常需要数小时预案机械爪的运动序列,主要是因为,每一个动作,它认为,必须首先计算算法,运动是否会满足一些物理定律,比如牛顿运动定律和库仑定律描述对象之间的摩擦力。

“整合所有这些定律,考虑机器人可能做的所有运动,并从中选择一个有用的,是一个冗长乏味的计算过程,”罗德里格斯说。

他和他的同事们找到了一种简洁的方法来解决这些操作的物理问题,然后决定机器人的手应该如何移动。他们使用了“运动锥”,这是一种视觉上的锥形摩擦地图。

圆锥体的内部描述了所有可以施加到特定位置的物体上的推动运动,同时满足基本的物理定律,使机器人能够保持对物体的控制。圆锥体外的空间代表了所有的推力,这些推力在某种程度上会导致一个物体从机器人的抓握中滑出。

Holladay解释说:“看起来很简单的变化,比如机器人抓取物体的力度,就可以极大地改变物体在被推送时的抓取方式。”“根据你抓的力度,会有不同的动作。这是算法处理的物理推理的一部分。”

该团队的算法计算了机器人夹持器、所持物体和所推环境之间的不同可能配置的运动锥,以便选择和排序不同的可行推以重新定位物体。

一种新的算法加快了机器人抓取器的规划过程。实验室里的一个机器人拿起一个大写字母T,然后把它推到附近的墙上重新调整角度,然后再把它放回原来的位置。

Holladay说:“这是一个复杂的过程,但仍然比传统的方法要快得多——快到策划整个推的过程只需要半秒钟。”

大计划

研究人员在一个三向交互的物理装置上测试了这个新算法,在这个装置中,一个简单的机器人手握一个t型块,并推着一个垂直的杆。他们使用了多种启动配置,机器人以特定的位置抓住积木,并从一定的角度推动它。对于每个初始配置,算法会立即生成机器人可以施加的所有可能的力的地图,以及将产生的块的位置。

Holladay说:“我们做了几千次实验来验证我们的模型能够正确预测现实世界中会发生什么。”“如果我们在锥体内部施加推力,被抓住的物体应该保持在控制之下。如果是在外面,物体就会从抓握中滑落。”

研究人员发现,该算法的预测可靠匹配的物理结果在实验室里,计划序列的运动,如调整块对酒吧之前设置了一个表在一个直立的位置——在不到一秒钟的时间,与传统的算法相比计划接管500秒。

罗德里格斯说:“因为我们有这种机器人、物体和它们的环境之间的三向相互作用的力学的紧凑表示,我们现在可以解决更大的规划问题。”

该小组希望应用并扩展其方法,使机器人夹具能够处理不同类型的工具,例如在制造环境中。

“大多数使用工具的工厂机器人都有一只专门设计的手,所以他们没有手拿螺丝刀并以多种不同方式使用它的能力,只是把这只手变成了螺丝刀,”Holladay说。“你可以想象,这需要更少的灵活规划,但它是更多的限制。我们希望机器人能够使用并捡起许多不同的东西。”

这项研究部分得到了Mathworks、MIT-HKUST联盟和国家科学基金会的支持。

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MADMEC小组用材料科学解决塑料废物问题

在今年10月15日举行的MADMEC竞赛中,一个用可降解塑料替代不可降解塑料的团队获得了第一名。

ecoTrio团队由三名麻省理工学院(MIT)的博士生组成,他们在年度材料科学项目(materials science program)中获得了1万美元的大奖,因为他们的可生物降解混合物模仿各种塑料。第二名的奖项授予了小矮星彼得,它将活细菌整合到塑料生产中,以提高塑料降解性。为农民生产低成本传感器的无线之星公司位居第三。

管理MADMEC的材料科学与工程学院(DMSE)的高级讲师Michael Tarkanian告诉MIT新闻:“每年似乎都有一些自然的主题。”“今年有很多塑料消费后回收项目,其中两个进入了决赛。我认为塑料最近受到了很多关注,海洋里的垃圾堆积如山,海洋动物受伤。也许这影响了学生。”

口头和海报展示是去年春天开始的团队项目的高潮,包括整个夏天的一系列设计挑战。每个团队都得到了指导,获得了设备,以及高达1000美元的资金来建造和测试他们的原型。

评判这些团队的依据是他们在从想法到原型的过程中所完成的工作。对ecoTrio来说,这意味着创造一种符合成本、机械和可持续发展目标的材料。

Tarkanian说:“这些想法都是从零开始的,目标是测试它们的可行性并开发硬件,这样当项目结束时,学生们就知道它们是否可行了。”

不可降解塑料的替代品

ecoTrio的核心产品是三种材料,其中两种公司认为是专有的。第一种是一种聚合物,它很容易被生物降解,但很难加工,而且价格昂贵,无法单独与塑料竞争。第二种材料是一种可生物降解的塑料聚合物,它很便宜,而且使用工业设备更容易大规模加工。第三个组件由细粒度的木材颗粒组成,团队使用这些颗粒进一步降低混合的成本,并根据不同的用途调整最终产品。

ecoTrio成员Ty Christoff-Tempesta说:“我们的目标是创造一种替代塑料材料,这种材料完全来自可再生资源,具有与目前使用的塑料相同的性能,在使用寿命结束时,无论它最终在哪里,都可以进行生物降解。”

玛格丽特·李(Margaret Lee)和萨拉·舍费尔斯(Sara Sheffels)也在研究小组中。她们说,这种塑料的成本和熔点与传统塑料类似,而强度和柔韧性可以根据添加的木材颗粒的比例进行调整。

为了证明他们的产品可以替代塑料的范围,研究小组展示了一些样品,包括一个硬汤匙,以及一些柔性的袋子状材料。

“今天,我们都认识到一次性塑料是一种环境危机,但作为消费者,我们一直与他们接触,无论是食品、化妆品还是家用产品的包装,”Christoff-Tempesta说。“我们经常看到它们的原因是它们非常便宜和方便。”

在ecoTrio的演示中,团队成员还注意到,来自消费者和政府的公司使用更可持续的包装的压力越来越大。

其他有前途的项目

排名第二的小矮星彼得则采取了不同的方法来解决塑料垃圾问题。各种方法被用来加快塑料使用和收集后的分解。不幸的是,绝大多数的塑料根本没有被回收利用。

小矮星彼得小组成员、博士生莱昂纳多·佐恩伯格说:“有些塑料需要1000年才能降解,这可能会导致海洋中的塑料岛形成等后果。”

考虑到这些问题,小矮星彼得决定在塑料制品生产的过程中,将分解细菌整合到塑料制品中。当他们选择的细菌,枯草芽孢杆菌,与一种糖填充物结合时,它可以在用来塑形许多塑料的高温下存活。

研究小组还发现,在某些情况下,添加这种细菌对塑料的强度和弹性影响很小。

Zornberg承认,人们在使用含有活菌的塑料制品时犹豫不决,这可能会带来负面影响,但他指出,他的团队选择的菌株经常被用于为人类、牲畜和农业补品生产益生菌。

未来,研究小组相信基因工程可以进一步增强细菌的降解能力,甚至可以赋予它其他能力,如自我清洁和抗菌素防御。

“我们选择芽孢杆菌的原因之一是它是一种模式生物,”Zornberg告诉MIT新闻。“人们非常了解如何通过基因工程来改造和修改它的菌株,它也被用于工业化规模的酶的生产,所以这两件事都表明,如果我们想要改造这种细菌以用于未来的应用,它将是合适的。”

无线之星打破了今年塑料的流行趋势,为小规模的农民发明了一种低成本的传感器。该传感器利用了反光板,它是一种立方体结构,可以从各种角度有效地将定向光反射回光源。

该团队的产品包括由凝胶制成的小型反光板,这些凝胶可以分散在农田里。生物可降解凝胶可以根据不同的化学刺激改变颜色和光学性质。这些变化可以用定向光发射器和探测器来观察,它们可以是农民拿着的特殊手电筒,也可以是配备了摄像头的无人机。

“无线电之星”的原型机可以根据不同的PH值改变颜色,但研究小组相信它的传感器可以用来监测各种土壤状况。

“这只是一个概念的证明,它可以用来测试PH值,但我们可以推断它来测试一系列不同的参数,”无线电之星团队成员Sara Wilson说,她是DMSE的一名大学生。例如,氮、水和磷对不同类型的作物生长非常重要。

在实践中学习

总的来说,Tarkanian认为今年的项目是成功的,不仅是因为项目的潜力,还因为在最后的展示中,我们边做边学。

Tarkanian说:“(MADMEC的)高级目标是给学生机会,让他们有机会做一些具体的事情,把他们在课堂上学到的知识应用到实践中去。”

Zornberg认为,与校园里的其他创业项目相比,MADMEC项目侧重于早期的风险创造,帮助材料科学学生思考成功创新的过程。

Zornberg说:“有机会探索与商业计划分离的原型设计,这确实是一个让工科学生思考产品设计的好方法。”

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/madmec-plastic-1017

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