鹦鹉居然有这种高级模仿能力？中国的冰雹日越来越多了；AI增强脑机接口的操控力 | 一周论文新鲜读

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本周值得读

来自《自然》旗下期刊的新近发表，我们为您精选呈现。

1. AI可增强脑机接口的操控力

2. 新型光纤可提升通信效能

3. 森林砍伐对亚马孙气候转变有关键作用

4. 历史数据揭示中国冰雹日数增加

5. 限制地球碳封存能力的全球因素

6. 证实火星固态内核的地震探测

神经科学 | AI可增强脑机接口的操控力

Brain–computer interface control with artificial intelligence copilots

Nature Machine Intelligence

《自然-机器智能》发表的一项研究指出，一个由人工智能（AI）担任副驾（copilot）的脑机接口或能让瘫痪人士更好地完成任务。该技术能让瘫痪受试者在移动计算机光标或操作机械臂这类任务中的表现提升为原先的近4倍。 

脑机接口能让用户利用脑信号操控装置，但它们通常不准确也不可靠。许多日常行动都是目标驱动，有可预测的模式，如使用计算机或拿取物品。AI副驾或可通过解读意图和辅助行动的方式提升用户操控力。 

美国加州大学洛杉矶分校的Johannes Lee和同事研发了一个非侵入性脑机接口系统，该系统能通过电极读取脑活动并利用机器学习优化行动操控力。该脑机接口有两个AI副驾：一个能帮助引导计算机光标，另一个能利用虚拟输入辅助机械臂任务。在测试这个有AI副驾的脑机接口时，一位因脊髓损伤而腿部瘫痪的受试者在控制计算机光标的任务中，其表现提升为没有AI副驾辅助时的3.9倍。未瘫痪受试者在AI辅助后的表现是平时的2.1倍。不仅如此，瘫痪受试者还能操控机械臂将彩色方块移动到特定位置，这在之前没有AI辅助的情况下是无法完成的。 

这种共享操控模式或使脑机接口在日常使用中更实用、更高效，随着AI系统的升级，它们或能帮助用户更轻松地完成更多复杂任务。Lee和同事指出，虽然结果令人鼓舞，但仍需开展更多工作让该系统适应不同的用户和环境。 

物理学 | 新型光纤可提升通信效能

Broadband optical fibre with an attenuation lower than 0.1 decibel per kilometre

Nature Photonics

一种最新研发的通过空气而不是玻璃导光的空芯光纤，或能打破目前光纤光损耗的最低纪录，意味着信号在传输过程中的衰减将更少。这一发表于《自然-光子学》的设计还能让传输速度提升45%，且无须信号增强便能将更多数据传输更远距离。 

用于通信的光纤通常为实心石英玻璃的设计，虽然经过数十年的优化，但信号损耗一直是个限制因素。也因此，这种光纤在传输约20公里后会损耗约一半的光，这就要求经常使用光纤放大器来增强长距离传输的信号，如洲际陆地或海底光缆。降低信号损耗程度能在狭窄波长范围内实现，但会限制可传输的数据量，这在过去几十年里一直阻碍着光通信的发展。 

英国微软Azure Fiber的Francesco Poletti和同事报道的光纤中间为空气芯，周围包裹精细的二氧化硅薄环来导光。作者用实验室实验测试这些光纤时，发现这些光纤在一个光通信常用波长的光损耗为每公里0.091分贝。由此一来，波长合适的光信号或能在需要增强前多传输约50%的距离。该设计还比之前的光纤设计拥有更宽的传输窗口（即光传输时信号损耗和失真最小的波长范围）。 

作者表示，如果使用更大的空气芯，这类新型光纤有望实现更低的损耗，不过仍需进一步研究的验证。 

环境 | 森林砍伐对亚马孙气候转变有关键作用

How climate change and deforestation interact in the transformation of the Amazon rainforest

Nature Communications

据《自然-通讯》的一项研究显示，自1985年以来，亚马孙雨林旱季降雨减少的近75%可归因于森林砍伐。这项研究表明砍伐与全球排放上升如何造成了亚马孙雨林的转变。 

亚马孙雨林是地球上最大的热带森林，对维持区域和全球气候稳定发挥关键作用。近几十年来，温室气体排放导致的全球气温上升与森林砍伐的叠加效应，已被证实改变了亚马孙等自然环境的水循环、碳循环和能量循环。但此前研究尚未理清这些因素及其在驱动亚马孙雨林转变中的相对作用。 

巴西圣保罗大学的Marco Franco和同事分析了1985至2020年覆盖亚马孙雨林约260万平方公里的卫星数据，量化了森林砍伐和全球气候变化对该地区气候的影响。分析表明，森林砍伐导致每个旱季的雨量减少15.8毫米，约占总雨量减少量的74%。森林砍伐还导致了地表最高气温上升2°C中的16.5%，其余则归因于全球气候变化。这项研究进一步表明，亚马孙的地区气候对森林砍伐呈非线性响应，最显著的气候影响发生在砍伐初期，即森林覆盖率损失最初10-40%的阶段。最后，研究者通过外推这些结果（假定现有砍伐率持续）预测了亚马孙气候2035年的状态，基于这些计算，与1985年相比，亚马孙地区预计将升温总计2.64°C，每个旱季降雨减少28.3毫米。 

这项研究的发现强调了森林砍伐作为亚马孙生态系统变化的驱动因素，其重要性与全球气候变化有协同作用。作者提出，理解这一关联十分关键，有助于制定有效缓解和适应策略，保护亚马孙雨林的重要生态系统。 

气候变化 | 历史数据揭示中国冰雹日数增加

Climate impacts and future trends of hailstorms in China based on millennial records

Nature Communications

根据《自然-通讯》发表的一项研究，中国自1850年以来冰雹日数增加。这些发现基于中国历史文献中近3000年的记录，表明19世纪中期以来冰雹日数变化可能由人因气候变化所驱动。 

冰雹会导致显著破坏，特别是会威胁到农业生产和人类财产。近期冰雹趋势的改变（多数地区冰雹大小和强度预计增强）被认为与人类活动驱动的气候变化有关。但由于缺乏对这些小尺度现象的长期观察，冰雹发生的变化很难检测。 

中国北京大学的张庆红和同事结合了中国史籍（公元前886年到1948年）中的冰雹损害记录、政府冰雹灾害档案（1949年至2000年），以及中国2000个气象站的冰雹观测记录（1950年至2010年），分析了冰雹发生日在公元1500年后的变化。作者发现，冰雹发生日从18世纪的平均每年10天，增加到1940年代的年均60天。作者还基于1500-1948年的冰雹数据训练了一个神经网络模型，用于预测持续变暖情景下的未来冰雹天数。模型预测，在最高排放气候场景下，冰雹日数到2072年可能会较2017年增长107%。 

这些发现强调了全球变暖与中国冰雹发生之间的联系，表明在更暖的气候下，可能会发生更多冰雹灾害。 

气候 | 限制地球碳封存能力的全球因素

A prudent planetary limit for geologic carbon storage

Nature 

《自然》发表的一篇论文指出，地球在岩石构造中封存碳排放的实际上限预计为1.46万亿吨。在当前的变暖减缓情景下，该上限可能会在2200年达标，提示各国应重新考虑碳封存在其减排计划中的作用。 

为实现净零碳排放的目标，二氧化碳源必须与二氧化碳汇的除碳量相当。实现这一目标的一个方法是利用捕获与封存技术将碳排放封存在地质构造中数百年或数千年。虽然之前有建议认为这一储碳量出奇的大，但仍需开展研究来明确其上限。 

奥地利国际应用系统分析研究所的Matthew Gidden、英国帝国理工学院的Joeri Rogelj和同事在分析稳定地质构造的同时考虑了环境敏感地点、与人口中心的距离，以及缺乏政府支持这类风险因素，从而量化了地球实际能支持的地质碳储量。他们发现，这种更谨慎的估算得出的地球二氧化碳地质封存潜力为1.46万亿吨，而且这一潜力可能在2200年被用尽。根据这一储量上限，作者指出地质碳封存能逆转今后最多0.7°C的全球变暖。这一储量的约70%在陆地上，储存潜力较高的国家包括俄罗斯、美国、中国、巴西和澳大利亚，这些国家多为大型化石燃料开采国。 

作者指出，该分析的一个主要局限在于没有考虑碳捕获与封存技术规模化的障碍，也没有考虑今后可能研发出的其他技术。决策者应明确估算需要多少碳封存，同时规划能减缓碳排放的策略。 

行星科学 | 证实火星固态内核的地震探测

Seismic detection of a 600-km solid inner core in Mars

Nature 

《自然》本周发表的一项研究报道了美国国家航空航天局（NASA）的“洞察”号（InSight）任务探测到的火星固态内核的证据。该发现帮助我们进一步理解了火星和类似行星天体的性质和演化。 

已知火星内核至少为部分液态，而理论研究认为火星内核可能有固态的成分。不过，此前研究一直无法确认火星核是否存在固态成分。 

中国科学技术大学的孙道远和同事利用NASA“洞察”号任务采集的地震数据研究火星内核的结构。测量数据显示存在两个地震震相：PKKP，一个穿过内核的深部震相；PKiKP，这是提示存在固态内核的一个反射震相（此前经地球和月球证实）。PKKP震相的地震波抵达洞察号着陆器上地震仪的时间比假设内核为纯液态的时间提早了50-200秒，说明内核结构存在固态元素。根据对这些数据的进一步计算，作者将内核半径限定在600千米左右。 

该发现为火星有固态内核提供了直接证据，并带来了火星演化的新信息。 

动物学 | 鹦鹉能向人类一样跟同伴学新招

Third-party imitation is not restricted to humans

Scientific Reports

《科学报告》发表的一项研究认为，蓝喉金刚鹦鹉（Ara glaucogularis）能通过观察其他鹦鹉互动学会新的行为。这项研究表明，这种被称为“第三方模仿”的学习方法不为人所独有，或有助于解释高度社会化的金刚鹦鹉的复杂群体行为。 

第三方模仿是通过被动观察两个个体之间的互动而非直接指导来学习的能力。在人类中，这一技能与文化实践和社会规范的传承相关。人们在一些动物中观察到了第二方模仿（从直接的示范中学习），例如鹌鹑，但此前从未在人类之外的物种中发现第三方模仿的证据。 

德国马克斯-普朗克生物智能研究所的 Esha Haldar、Auguste von Bayern和同事研究了特内里费岛Loro Parque 基金会的14只圈养蓝喉金刚鹦鹉。研究涉及12只实验对象和2只示范鹦鹉（受过训练的两只8岁雄性鹦鹉）。研究者测试了实验组金刚鹦鹉在观察受训鹦鹉响应研究者手势做出一组动作后，是否能模仿这五个动作，包括单腿抬起、旋转、根据指令拍打翅膀等。实验组的6只鹦鹉先目睹这些互动，然后给它们相同的指令，而对照组的5只鹦鹉得到指令但之前没有观察过互动。测试组学到的动作比对照组多，速度也更快，对“抬起单腿”这样的指令响应准确性是另一组同伴的2倍。一些实验组的鸟儿甚至能在获得指令或奖赏前就自发模仿动作。 

作者指出，样本鹦鹉数量有限、经测试的动作数量少，在开展更大规模的研究前，这可能限制了这些发现的更广泛应用。 

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