执行主编：赵广立编辑：贡晓丽校对：傅克伟E-mail押glzhao＠ 6前沿FRONTIER 2017年3月2日星期四Tel：（010）62580722 姻北京汉氏联合生物技术股份有限公司协办姻股票代码：834909 “追踪”和“注册”问题是增强现实技术的主要挑战。
对增强现实应用来说，精确、快速、健壮地追踪观测物，并且很好地融合虚拟物体和现实世界很重要。
技术何时触手可及 本报记者贡晓丽 近年来，增强现实由于有望成为下一代具有革命性的新计算平台而受到政府、学术界和产业界前所未有的关注。
《国家创新驱动发展战略纲要》将增强现实（AR）技术列为我国创新驱动发展战略的重要主角之一；工信部发布的《虚拟现实产业发展白皮书5.0》认为AR/VR（虚拟现实技术）将成为我国新技术经济的重要支柱产业；多个关于AR的项目亦被列为国家重点专项项目。
学术界对AR的相关基础理论的研究也投入了巨大的热情，并取得了丰富的研究成果。
产业界，微软、Google和Facebook等IT巨头纷纷在该领域进行战略布局，抢占相关市场；各种AR初创公司纷纷成立；AR相关技术和企业成为各种商业资本追捧的对象。
虽然AR被产业界追捧，但市场上却鲜见AR的成熟产品。
AR发展的现状到底如何？AR还面临哪些难解的理论问题和技术难点？AR未来发展的方向是什么？在中国计算机学会青年科技论坛（CCFYOCSEF）举行的“增强现实技术现状与展望”报告会上，来自学术界、产业界的相关学者和专家，共同讨论了增强现实研究的最新进展和未来趋势。
技术尚未成熟 人们认为IvanSutherland（图灵奖得主、计算机图形学之父）在1965年创立了虚拟现实的理论基础，他描述了“终极现实技术”：终极现实技术是利用计算机控制物体的空间。
在这个空间里呈现的物体近乎完美，像爱丽丝梦游仙境一般。
北京理工大学教授刘越介绍，与当时的系统相比，Ivan提出用户应该能和虚拟环境交互，他开发了第一台功能头戴显示设备，标志着增强现实的诞生。
因此，Ivan的研究成为虚拟现实的理论基础，他用半透明的镜子作为图像显示，并同步合成了CRT显示器（阴极射线显像管）显示的计算机图像和真实环境。
另外，Ivan用机械方法和超声波传感器测量用户头部的位置，这能确保图像重叠和真实环境的正确注册。
增强现实并不像虚拟现实那样把人们置身于完全合成的虚拟世界，而是将合成的部分嵌入到现实环境中或现实生活视频中。
浙江大学CAD&CG 限制增强现实技术发展的主要是计算能力和算法，及如何做出更小更轻的硬件。
图片来源：百度图片 （计算机辅助设计和高级绘制语言）国家重点实验室教授鲍虎军指出，这样就会有个基本问题：真实环境远远要比完全虚拟的合成环境复杂。
“增强现实技术旨在将虚拟和现实环境融合起来，以增强用户对现实环境的感知，是当前信息技术领域的前沿研究方向。
”鲍虎军介绍，长久以来，限制增强现实技术发展的主要是计算能力和算法，及如何做出更小更轻的硬件。
AR所依赖的控制、计算机视觉等一系列技术仍尚未成熟。
针对标准的头戴式显示器，AR只能通过语音和手势操控，但语音和手势操控技术可靠性还不够高，无法广泛应用。
刘越表示，对于计算机视觉，AR头戴式显示器依赖于摄像头拍摄现实画面，才能在现实影像上叠加虚拟信息，但这项技术看似简单，实现难度却非常大。
鲍虎军表示：“实现AR最大的挑战之一就是计算能力。
计算机视觉的算法必须非常强大，才能让机器理解事物并精确追踪物体。
目前，只能采用更加强大的半导体，否则很难在功耗低的移动设备中实现计算机视觉能力。
” 重构绘制图形流水线 “要实现AR，网络必须能处理大量现实世界数据，识别并准确测量现实物体，然后将虚拟信息反馈到这些物体上。
”鲍虎军表示，合成的虚拟信息（通常是三维图像）和真实环境的准确、有效地注册非常重要。
为了达到这个目的，对于正在移动的用户，系统必须持续地判断用户在环境中的实时位置。
“增强现实信息和真实环境有很强的链接，是一种空间上的联系，我们将这种联系称之为‘注册’。
” 因此，“追踪”和“注册”问题是增强现实技术的主要挑战。
鲍虎军介绍，对增强现实应用来说，精确、快速、健壮地追踪观测物，并且很好地融合虚拟物体和现实世界很重要。
通常，我们可以通过全局坐标系下的绝对位置追踪来分辨从外到内或是从内到外。
第一种是用环境中的固定传感器来追踪运动目标；第二种是用运动目标本身的传感器。
这些传感器可以判断它们与环境中特定标记的相对位置，这两种方法通常是用是否使用摄像头来 区分，但它们也可以用其他传感器来描述。
为了提高计算机视觉能力，鲍虎军团队目前正 在攻克重构绘制图形的流水线“，将计算数据拆分，一部分放在云上，一部分放在移动端。
”鲍虎军介绍，“由于场景数据太大，如果都放在移动端，直接迁移并不现实。
”其核心原则就是与端无关的数据放在云上，与端相关的数据则有两个处理办法“，程序将自动感知用户的计算能力，如果移动端能力足够强，就将数据直接迁移到端；计算能力弱的话，就放在云这一边”。
这样一来，端优化定制的功能得到体现，在这个场景当前的数据根据网络带宽性能、能耗等状态来分配数据量“，每一个场景的算法都是优化定制的，这是我们的目标”。
触觉交互“隔空”探物 要使用户体验身临其境的感觉，视觉增强只是其中的一个分支，包括视觉、听觉、味觉、嗅觉在内的多感官模拟技术，也将成为未来计算机发展的主要方向。
而计算机触觉交互技术则是北京航空航天大学教授王党校的研究方向。
计算机触觉或称触（力）觉交互技术，可以使操作者通过运动或力等形式感知虚拟环境中物体的粗糙度、纹理、温度、振动和刚度、硬度、重量以及操作力等丰富的外界环境信息，从而使操作者体验到如同操作真实物体的触觉感知效果。
虽然创造触觉系统有多种方法，但大都有两个非常重要的共同点———当操纵者的虚拟形象与物体发生交互作用时决定力度大小的软件，以及可以将作用力反馈给操纵者的设备。
“软件进行运算的过程被称作触觉再现，这种三维物体可以模拟出各类表面材质。
”王党校说，“比如网购的衣服，客户可以‘隔空’感受衣服的质地。
” 计算机触觉技术与计算机图形学、触觉心理学和机器人技术密切相关。
王党校介绍，目前，计算机触觉技术的研究和应用领域主要集中在：手术模型、机器人主从控制、产品虚拟样机设计、游戏和娱乐、科学计算可视化等。
“计算机触觉技术是新一代人和计算机交互的关键技术。
”王党校说，使用者将真正体会到和虚拟世界的交互。
“力觉和触觉反馈的研究必将促进计算机体系结构和硬件、软件技术的发展，也必将促进对人类自身的认识和理解”。
前沿点击 近日，美国索尔克生物研究所科学家首次成功培育出人猪嵌合体胚胎，相关论文刊登于《细胞》杂志。
人与动物嵌合体胚胎将能帮助模拟认识许多人类遗传疾病的早期起病过程，并实施药物测试。
目前，新人猪嵌合体正帮助科学家了解人类干细胞的生长和分化。
“该研究的最终目标是在动物体内培育出可供移植的人类细胞、组织和器官。
但我们距离这还很远。
”该研究负责人JuanCarlosIzpisuaBelmonte说，“无论如何，这是干细胞研究领域的一个里程碑，我们迈出了重要第一步。
” 在该研究中，IzpisuaBelmonte和同事吴军利用“基因剪刀”CRISPR技术，删除猪胚胎内形成器官的关键基因，创造遗传“空位”。
之后，研究人员把人类诱导多能干细胞注入猪胚胎内。
诱导多能干细胞从人类体细胞中直接获得，具有与胚胎干细胞一样分化为各类细胞的能力。
该团队将人体干细胞分别植入1500多个猪囊胚。
在植入猪体内后，这些囊胚经过21天到28天发育，有186个依然存活，其中不同状态的诱导多能干细胞在猪胚胎中形成“不等程度的嵌合”。
由于猪与人类的进化距离较远，且该动物妊娠期的长度约为人类的1/3，因此研究人员需要在合适时间注入人类细胞，以匹配猪的发育阶段。
此外，研究人员还使用了3种不同状态的人体干细胞，即最初的原始态、已发育但仍有分化潜能的始发态以及处于两者之间的中间态，以检验哪种细胞能更好存活。
结果显示，中间态多能干细胞最适合形成嵌合体，而始发态则无法形成嵌合体。
而且，在嵌合体中，人类细胞 科学家用干细胞制出人猪嵌合体胚胎 所占比例很低。
IzpisuaBelmonte认 为这是个好消息，因为人们对人猪嵌合体的
一 大担忧是它可能会太像人。
在该研究中，人类细胞发育成了肌肉细 胞和其他组织器官的前体细胞，而不是脑细 胞的前体细胞。
“现在我们想知道的是‘是与 否’的问题，即人类细胞能否作出贡献？既然 我们得到了‘是’的答案，下一个挑战就是提 高效率，引导人类细胞在猪体内形成特定器 官。
”Izpisua
Belmonte说。
（陶朵朵） 酷技术 “地面捕食器”硬件和原理图。
图片来源：每日邮报 俄罗斯研发新型高负载货运“地效飞船” 日前，俄罗斯研究人员披露了一款激进的新式货机，据悉，该型货机有望彻底改变世界范围内的货物运输方式。
这款新型“地面捕食器”是一艘单次行程可载重500吨货物的巨大飞艇。
为实现巨大的承重强度，该装置采用“翼地效应”原理来捕获巨大舱翼下的缓冲气流层。
正在开发该项目的俄罗斯中央航空水动力研究所表示，“项目的设计结合了艇翼和艇身两方面的功能，最大限度地利用了飞艇的内部空间，并提高了空气动力学效率。
”“该飞艇用于重量级货物的洲际运输———包括运输法定集装箱，最高载货量可达500吨。
” 那么，这种飞艇的工艺原理是什么呢？事实上，这种奇怪的飞艇被称为地效飞船（GEV）。
它使用短而宽的舱翼捕获飞艇底部与地面之间的空气层所产生的涡流和下 风，以在较低的艇身高度下产生较强升力， 同时降低阻力，使飞艇以更少的燃料运载 重负荷。
激进的设计结合了飞艇的艇翼和 艇身，但只能达到水面或地面以上
3米到 12米（10英尺和40英尺）的高度，同时，飞 艇仍能继续使用在行跑道。
科学家解释道，地效飞船将在机翼内 的隔间中装载容器，并通过飞艇中心前端 的翻盖门装载。
作为概念研究的一部分，飞 船模型已经由该研究所的专家在亚音速风 洞中创建并测试。
“地效飞船飞行的最大部 分发生在水面、冰面或地面以上
3~12米的 高度：这些表面产生屏蔽效果，显著提高了 提升/阻力比，导致燃油消耗降低和飞行 范围显著增加。
” 地效飞船将使用液化天然气，与航空 煤油相比，其具有更高的能量效率和更低 的有害排放。
（赵利利编译） 科技解码 与传统的基因测序仪相比，DNA
计算机要执行“思考”动作，“智能”是必要的。
“抗体模板链交换”途径，使抗体作为输入信号来进行DNA计算，抗体成为输入信号使得DNA计算能够用于基于抗体疾病的诊断，同时会得到比传统的医学检验更多的关于抗体的信息。
DNA计算机有望成为“配药师” 本报记者李惠钰 近日，荷兰埃因霍芬理工大学的研究团队开发出全球首个能够检测血液中多种抗体、并基于检测结果执行后续程序的DNA计算机，利用该DNA计算机可以使受控药物进入血液。
日前，该研究已发表于《自然—通讯》期刊上。
研究人员通过“抗体模板链交换机”使得每个抗体可以转化为能够被DNA计算机识别的独特DNA片段，DNA计算机根据识别结果决定是否需要进行药物输送。
对于这种“能检测”“会思考”的智能DNA计算机，项目负责人、埃因霍芬理工大学生物医学工程师马腾·默克表示，这是“智能药物”开发的重要一步，利用这种“配药”新方法，未来可开发出副作用更少、成本更低、效果更好的风湿病及克罗恩病药物。
虽然，该项研究有望使得“智能药物”个性化成为现实，也有专家认为它还会给“人机合一”带来极大的希望，但就目前研究来看，仍有许多问题值得商榷。
会思考的“安全系统” 新方法类似一个安全系统，是否开门取决于站在它前面的人：如果摄像头能够识别该人，门可以打开；如果不能识别，门则会锁上。
在默克看来，之前的诊断试验研究侧重于认知，而该系统的特点是可以思考，会根据思考结果连接到药物输送等驱动。
“该项研究使DNA计算迈出巨大一步，主要表现在提高医学检测准确率、扩大DNA计算适用性范围。
”南京大学生命科学学院教授朱海亮评价道。
与传统的基因测序仪相比，DNA计算机要执行“思考”动作“，智能”是必要的。
朱海亮表示，传统DNA计算机绝大多数是依赖于RNA或DNA片段的输入，从而得到所需要的分子信号，这极大限制了DNA计算在诸如生物合成、生物医学和分子诊断等方面的使用。
而默克团队创造性地通过“抗体模板链交换”途径，使抗体作为输入信号来进行DNA计算，抗体成为输入信号使得DNA计算能够用于基于抗体疾病的诊断，同时会得到比传统的医学检验更多的关于抗体的信息。
另外，此项研究中的逻辑门和多元化检测， 也使得DNA计算机比传统DNA计算机能够运用更多的信息，如阈值、信号扩大、反馈和信号调整等。
“比起传统DNA计算机，由于抗体与靶蛋白具有高亲和力和特异性，各种生物标志都能成为抗体模板链交换DNA计算机的输入信号，使得可输入性数据得到了极大的提高，实际运用能力也得到了极大的加强。
”朱海亮说。
“智能药物”前景诱人 当前，智能药物的研究非常火热，2015年，美国食品药品监督管理局首次批准将Abilify（这种药物能够治疗精神分裂症、躁狂抑郁性精神病以及抑郁症）和一种能在病人服用药物后进行追踪的传感器结合在一起，目的是通过体内的传感器来显示药物的服用情况以及治疗效果。
朱海亮表示，上述将传感器与药物结合在一起的做法，只是完成了药物治疗、结果反馈这一方向的智能化，而DNA计算机则可以完成从抗体检测到药物输送再到药物治疗这三个方向的智能化，使得患者可以通过DNA计算机进行自主的药物治疗。
例如，风湿病、克罗恩病等慢性疾病，往往需要长期服用治疗性抗体，可服用这类药物时间越长，毒性就越明显。
所以，现代医学在治疗此类慢性疾病时就会出现“怕吃药，还不得不吃药”的矛盾心理。
而通过DNA计算机测量血液中的治疗性抗体的数量，再通过治疗性抗体数量的变化来精确药物的定量过程，就可以完美地解决这一棘手问题。
然而，传统的药物开发仍然是不可替代的，尤其是化学药物的开发，其基于治疗靶点进行药物的研制是“智能药物”所达不到的。
不过，朱海亮表示，化学药物可以通过DNA计算机来检测治疗效果和精确定量，从而实现智能化；而在生物药物———治疗性抗体研制方面，DNA计算机可以通过血液中的抗体检测来明确治疗性抗体的治疗效果，从而实现个性化与智能化。
多种问题仍须完善 但是，基于抗体的DNA计算机还不够完善。
“众所周知，分子生物学反应过程中易发生损伤和变质，倘若增加样品数量，尤其是增加抗体 的数量，‘抗体模板链交换机’是否还能准确无误地进行抗体到DNA分子的翻译？DNA计算机是否还能够准确地进行数据输送？这都是值得商榷的。
”朱海亮分析道。
如今，基于DNA数据的分析已经研究了近20年，而基于抗体数据的研究才刚刚开始，其在生物医学中的应用前景十分诱人。
所以，朱海亮认为，DNA计算机在研究过程中尤其要注意“抗体模板链交换机”的准确性———是否能够准确地进行抗体到DNA的翻译，以及如何准确反应体内特定抗体浓度的微小变化，这些都是以后研究的主要突破点。
未来，DNA计算机在研究逻辑、破译密码、基因编程、疑难病症防治以及航空航天等领域的应用都具有独特的优势，现在电子计算机望尘莫及。
更为期待的是，人体也有望成为DNA计算机。
去年9月，微软就宣布了一项宏伟的计划———开发出能够进入人体并可以运行的“迷你DNA计算机”，监视癌细胞并且重新编码这些癌细胞，让癌细胞转化为健康细胞，希望在10年之内解决癌症。
斯坦福大学生物工程系和化学与系统生物学系助理教授亓磊近期也表示：CRISPR基因编辑有望让人体成为一台基因可被读取、预测和改写的“DNA计算机”，它不仅能够充当监控设备，发现潜在的致病变化，还可以在人体内合成所需的药物，治疗癌症、心脏病、动脉硬化等各种疑难病症，甚至在恢复盲人视觉方面也将大显身手。
在朱海亮看来，鉴于DNA计算机迅捷的处理速度、极低的能耗和巨大的存储量，将DNA计算机植入人体是完全可以想象的。
因为大脑本身就是一台自然的DNA计算机，只要有一个接口，DNA计算机就可以通过接口直接接受人脑的指挥，成为人脑的外延或扩充部分，而且它以从人体细胞吸收营养的方式来补充能量，不用外界的能量供应。
但是，“人机合一”现在还只存在于理论层面。
“首先，我们不能确保DNA计算机在人体内准确无误地开展工作。
其次，植入人体的DNA计算机是否会对人体产生排异反应还未可估量。
最后，实时监控、原位修复疾病技术还需要大量的临床试验去检验、完善。
”朱海亮说。