文 | 《中國科學(xué)報(bào)》記者 張晴丹
一篇論文，從初稿到終稿，她寫了有20多版?；瘜W(xué)專業(yè)出身，卻天天抱著一本厚厚的計(jì)算機(jī)書籍“死磕”。
(相關(guān)資料圖)
她就是華東師范大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院博士生熊謝微。7月4日，熊謝微為第一作者的研究在Nature子刊《自然—機(jī)器智能》（Nature Machine Intelligence）在線發(fā)表。這是我國科研人員首次在試管中用DNA構(gòu)造出了卷積人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，也是迄今為止規(guī)模最大、功能最復(fù)雜的人工化學(xué)分子智能反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。
熊謝微本科就讀于一所“雙非”院校，然后保送到985高校，并在博士畢業(yè)前完成這項(xiàng)“漂亮的”研究工作，她是如何做到的？
“燒腦”的研究
大腦很像一部精密的生物計(jì)算機(jī)，它靠幾百上千億個(gè)神經(jīng)元相互連接，形成縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)，去完成很多高度復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。
有科學(xué)家認(rèn)為，在神經(jīng)大腦進(jìn)化之前，生物之所以有感知、模式識(shí)別、記憶、決策、運(yùn)動(dòng)控制等技能，其實(shí)是源于細(xì)胞內(nèi)分子之間的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。
“我們的靈感也來源于此，想通過研究分子如何‘思考’，從而在無生命的系統(tǒng)中重建這些能力。”論文通訊作者、華東師范大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授裴昊告訴《中國科學(xué)報(bào)》。
在這篇論文中，DNA計(jì)算機(jī)是一種生物形式的計(jì)算機(jī)，是以溶液形態(tài)實(shí)現(xiàn)計(jì)算功能的“液態(tài)電腦”；同時(shí)，他們?cè)O(shè)計(jì)的分子電路可以執(zhí)行卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，具備對(duì)分子圖譜信息分類能力。
要設(shè)計(jì)一個(gè)分子計(jì)算機(jī)，除了需要專業(yè)知識(shí)的支撐外，也是非常需要想象力的。
“有時(shí)候我在想一個(gè)分子設(shè)計(jì)，就會(huì)一整天都在想，刷牙、吃飯、走路時(shí)在琢磨，連做夢(mèng)都不放過，真的毫不夸張，簡(jiǎn)直是絞盡腦汁。”熊謝微告訴《中國科學(xué)報(bào)》。
整個(gè)課題都極具挑戰(zhàn)性，又涉及到多學(xué)科間的合作。幸而當(dāng)時(shí)得到了華東師范大學(xué)副教授朱通的助力，他是這篇文章的共同一作。“朱老師的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)機(jī)器學(xué)習(xí)部分，我們這邊負(fù)責(zé)DNA分子電路的設(shè)計(jì)構(gòu)建以及后期實(shí)驗(yàn)部分。”熊謝微介紹。
實(shí)驗(yàn)部分有著龐大的工作量，光靠熊謝微一人無法完成。她請(qǐng)了一位師兄和兩位師妹一起，幫忙做大批量DNA序列的設(shè)計(jì)及計(jì)算性能測(cè)試，這涉及到幾百條DNA鏈。
熊謝微（中）和兩位師妹在實(shí)驗(yàn)室制備分子電路的過程。受訪者供圖
在很長一段時(shí)間里，每天很早就能看到一排人坐在實(shí)驗(yàn)室操作臺(tái)前，制備分子計(jì)算機(jī)，一坐就是一整天。
這個(gè)課題做了近4年，橫跨熊謝微的碩士和博士階段，期間遇到過很多困難，也經(jīng)歷了反復(fù)失敗，終于還是完成了。
“我們所構(gòu)建的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，相較于目前已有的DNA計(jì)算機(jī)有了很大突破，因?yàn)槲覀兒芎玫財(cái)U(kuò)展了整體電路規(guī)模，包括新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以及它能執(zhí)行的功能，都是目前來說最優(yōu)的。”熊謝微表示。
該分子網(wǎng)絡(luò)包含512個(gè)分子物種，涉及數(shù)千種化學(xué)反應(yīng)，可產(chǎn)生數(shù)百種分子產(chǎn)物，是迄今為止規(guī)模最大、功能最復(fù)雜的人工化學(xué)分子智能反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。
不過，與人類大腦的復(fù)雜度相比，它還是“小兒科”。熊謝微說，“這是一項(xiàng)十分‘燒腦’的研究，今后還有很長的路要走。”
從初稿到終稿，寫了20多版
當(dāng)實(shí)驗(yàn)工作進(jìn)入尾聲時(shí)，還有兩座山丘需要翻越——數(shù)據(jù)分析和文章撰寫。
前期工作中龐大的數(shù)據(jù)量，需要他們?cè)跀?shù)據(jù)分析方面下大功夫。不過，在熊謝微看來，這點(diǎn)困難跟后面的論文撰寫比起來，根本不算什么。
寫論文初稿時(shí)，熊謝微的英文表達(dá)比較中式，無法準(zhǔn)確表述研究的亮點(diǎn)。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，她熬更守夜地看相關(guān)論文，學(xué)習(xí)別人的語言組織方式。
數(shù)十篇發(fā)在Nature、Science上關(guān)于人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的論文，被熊謝微拿來“硬摳”，逐字逐句地學(xué)句式表達(dá)。
“要如何向別人更好地展示我們的idea，完美呈現(xiàn)這個(gè)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力呢？”課題組就這個(gè)問題進(jìn)行過很多次討論，光是PPT，熊謝微就做了不下30個(gè)。
每次討論完都會(huì)迸發(fā)出新的想法，大家也在竭力推著這個(gè)工作往更好的方向發(fā)展。熊謝微需要對(duì)每一次的討論進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)文章做出相應(yīng)的修改。
“做到這樣，差不多可以結(jié)束了吧！”每當(dāng)熊謝微如此暗自思忖時(shí)，結(jié)束的哨音卻遲遲不來。“討論然后修改，再討論再修改……那段時(shí)間陷入到反復(fù)修改稿子的‘魔咒’里。”
文章從初稿到終稿，中文版、英文版，她寫了有20多版。
但改得多了，不免令人感到煩躁。好在這種情緒只存活了半天，天生樂天派的熊謝微很快就能調(diào)節(jié)好心態(tài)。
“前面既然已經(jīng)改了十稿、十五稿，再多改幾稿又有什么呢？何況好不容易走到現(xiàn)在，那就把它做到更好，投到更好的期刊上面，被更多人認(rèn)可。”只要熊謝微下定了決心，便不再去糾結(jié)，她向來韌勁十足，一條路堅(jiān)持走到黑。
“其實(shí)，現(xiàn)在再回看第一版文章時(shí)，簡(jiǎn)直沒法看！”熊謝微說。論文經(jīng)過不斷“打磨”后，終于完成了蛻變。
論文得到了上海交通大學(xué)樊春海院士的悉心指導(dǎo)，他是生物傳感、DNA納米技術(shù)與DNA計(jì)算及存儲(chǔ)領(lǐng)域知名科學(xué)家。“這個(gè)地方應(yīng)該如何體現(xiàn)會(huì)更好、這樣說更能說服別人……樊院士會(huì)在文章旁邊認(rèn)真批注，這些都是幫助我們這篇文章升級(jí)的‘寶貴財(cái)富’。”裴昊說。
因?yàn)槎鄬W(xué)科交叉，被拒稿兩次
萬事俱備，只差一投。但是，應(yīng)該投哪兒呢？課題組成員犯了難，畢竟這是一個(gè)高度交叉學(xué)科背景下的研究成果。
幾經(jīng)商量之下，他們投了Nature子刊Nature Nanotechnology。結(jié)果遭遇拒稿。編輯反饋的內(nèi)容里對(duì)課題組所做的工作感到“印象非常深刻”，但認(rèn)為研究主題與期刊定位并不匹配。
隨后，課題組投到Nature子刊Nature Chemistry，再次遭遇拒稿，編輯的反饋內(nèi)容與上一個(gè)如出一轍。
連續(xù)被拒兩次，多少讓人有點(diǎn)沮喪。“裴老師安慰我說，每個(gè)期刊都有自己的明確定位，我們的工作其實(shí)也得到了他們的肯定，只是他們有對(duì)自己期刊標(biāo)準(zhǔn)的考量。”熊謝微說。
這個(gè)工作除了涉及到DNA納米技術(shù)、生物、化學(xué)外，還涉及機(jī)器學(xué)習(xí)方面。所以，課題組在重新找準(zhǔn)文章的定位后，決定投Nature Machine Intelligence，估計(jì)這個(gè)期刊會(huì)感興趣。果然，這一次再投，終于濺起了絢爛的水花。
“編輯非常喜歡我們的研究，文章很快送審，大約一個(gè)月后就收到了審稿意見。審稿人對(duì)這項(xiàng)研究表示欣賞，但對(duì)于跨學(xué)科的一些表達(dá)方式提出了意見，希望我們重視表達(dá)精準(zhǔn)性的問題，讓不同學(xué)科都能精準(zhǔn)get到文章所要表達(dá)的意思。”熊謝微說。
遵照審稿人意見，課題組再次對(duì)文章進(jìn)行“精雕細(xì)琢”，最終論文被接收并發(fā)表。
“要知道，選擇跨學(xué)科交叉研究課題需要極大勇氣，能做出成績，在Nature子刊上發(fā)表的并不容易。熊謝微又是在碩博連讀期間完成這么漂亮的工作，并在博士畢業(yè)前發(fā)表，這些都非常了不得。”裴昊表示。
做科研，要有“品味”
能接觸DNA計(jì)算領(lǐng)域，樊春海院士是裴昊的引路人。
“當(dāng)時(shí)我從他那里博士畢業(yè)后，他把我推薦到DNA納米技術(shù)奠基人、美國紐約大學(xué)化學(xué)系杰出教授Nadrian Seeman那里去做博士后。所以我對(duì)DNA計(jì)算方面的研究情有獨(dú)鐘，回國任教后迅速成立課題組計(jì)劃開展相關(guān)研究。”裴昊說。
這是一個(gè)非常有前景的領(lǐng)域，但因?yàn)閷W(xué)科高度交叉，需要研究者掌握多個(gè)學(xué)科的知識(shí)。
熊謝微本科學(xué)習(xí)材料化學(xué)，本科階段在實(shí)驗(yàn)室做的是無機(jī)材料合成方面的工作，對(duì)于DNA納米技術(shù)、化學(xué)測(cè)量學(xué)、分子生物學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)及人工智能領(lǐng)域等知之甚少，所以前期吃盡了苦頭。
熊謝微 受訪者供圖
她需要學(xué)習(xí)好幾個(gè)專業(yè)的知識(shí)，前期打基礎(chǔ)異常艱難。“當(dāng)時(shí)讀文獻(xiàn)的速度非常慢，讀著讀著就跑出來新的知識(shí)點(diǎn)，讓我一頭霧水，我就得停下來查閱這個(gè)知識(shí)點(diǎn)，直到弄明白了才能接著往下學(xué)。”熊謝微說。
為了啃下計(jì)算機(jī)科學(xué)這塊硬骨頭，熊謝微花了很長時(shí)間惡補(bǔ)。據(jù)裴昊回憶，在那段時(shí)間經(jīng)?？吹叫苤x微抱著一本厚厚的機(jī)器學(xué)習(xí)書籍，學(xué)起來幾乎廢寢忘食。
“樊院士總說做科研需要有‘品味’，一定要做挑戰(zhàn)性大、前沿的研究。”裴昊說，這給了大家堅(jiān)持下去的動(dòng)力和勇氣。
課題啟動(dòng)之初，裴昊問熊謝微：“這個(gè)課題你敢做嗎？有信心做成嗎？”其實(shí)當(dāng)時(shí)他心中是有疑慮的，畢竟這是一個(gè)高難度的大課題。結(jié)果，熊謝微的回答很堅(jiān)定：“我肯定可以！”事實(shí)證明，她的確做到了。
回想這一路走來，熊謝微感慨“一切都是命運(yùn)最好的安排”。
當(dāng)年高考發(fā)揮失常，熊謝微剛好壓著一本線進(jìn)入一所“雙非”學(xué)校學(xué)習(xí)材料化學(xué)。因不滿現(xiàn)狀拼命學(xué)習(xí)，她連年保持專業(yè)第一的成績，最終獲得了保送資格。之后，她經(jīng)歷了戲劇化的擇校之路。
“在報(bào)夏令營時(shí)，因?yàn)槟贻p氣盛，在想報(bào)的學(xué)校寫明非985、211不要時(shí)，我還是抱著僥幸心理想碰碰運(yùn)氣，任性地只填了那兩個(gè)學(xué)校，結(jié)果不出意料都沒有通過篩選。”熊謝微說。
錯(cuò)失夏令營后，到了推免階段。出于對(duì)上海這座城市的喜愛，熊謝微報(bào)了上海交通大學(xué)和華東師范大學(xué)，兩場(chǎng)面試都順利完成，但能收到誰的橄欖枝呢？她自己心里也沒底。
她盤算，先收到哪個(gè)，就去哪個(gè)。結(jié)果，華東師范大學(xué)的offer先到。當(dāng)她填完這個(gè)學(xué)校的推免系統(tǒng)，一切塵埃落定后，大概過了一個(gè)多小時(shí)，上海交通大學(xué)的錄取通知也來了。
當(dāng)被問及是否后悔沒多等一等時(shí)，熊謝微搖搖頭說，“上海交通大學(xué)大概率錄取我的會(huì)是無機(jī)化學(xué)專業(yè)，并不是我的興趣點(diǎn)。而我在裴老師課題組是開啟新征程，在一個(gè)新興領(lǐng)域挑戰(zhàn)不可能。裴老師尊重我們的科研思維，給了一定的寬度和廣度去施展才華，拓展思想的極限。幾年下來，感覺自己真的成長得特別快，收獲太多，所以我一點(diǎn)都不后悔！”
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s42256-022-00502-7
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