在职业生涯的任何阶段，在科学领域留下切实的印记都是一项了不起的成就。每年，《大众科学》都会表彰10位早期职业生涯的研究人员，他们已经取得了先机：杰出十大。这些研究人员在各自的领域已经脱颖而出，成为创新者和变革者。他们提出未被问及的问题，采用新颖的方法，并在不存在解决方案的地方寻求补救。无论他们是出于满足需求、追求正义还是纯粹的迷恋而驱动，这些获奖者无疑都将让世界变得更美好。从更公平的人工智能到自组装的实验室器官，再到潜在的全新物理定律，这些冉冉升起的研究人员的开创性工作让我们得以一窥明日尖端科学的面貌。尽管他们已经引起了人们的注意，并获得了一些最负盛名的学术奖项，但这些专家才刚刚开始。他们接下来又会想出什么呢？
MyDzung Chu：关注亚裔美国人群体中的环境健康差异
Woojin Han：工程化微环境以培养肌肉干细胞
Mary Caswell Stoddard：研究鸟蛋的神奇之处以建设更美好的世界
Kara McKinley：了解子宫如何再生
Tina Lasisi：理解人类皮肤和头发的多样性
Brendan Keith：为旧数学注入新活力
Carlos Argüelles-Delgado：用南极冰解决太空的奥秘
Quinton Smith：培育器官以解决健康差异
Robin Brewer：用人工智能赋能边缘化社区
Ronald Garcia Ruiz：用激光对准宇宙的起源
关注亚裔美国人群体中的环境健康差异
美国在收集其增长最快的移民群体健康数据方面存在一个大问题。亚洲人来自几十个国家，每个国家都有其自身的语言和文化。有些人作为学生来到美国，有些人持有工作签证，还有许多人作为难民抵达。亚洲移民在社会经济方面包罗万象，但公共卫生研究人员通常将他们的数据汇总成一个群体。
塔夫茨医学中心的で环境流行病学家 MyDzung Chu 表示，这种聚合处理会给人一种平均而言，美国亚洲人相当健康的印象。但这掩盖了该群体内部弱势少数群体的经历。
Chu 的使命是理清美国亚洲人健康问题的细微差别，尤其是在地方层面。她研究波士顿唐人街社区，并调查可能被纳入更大趋势中的环境健康差异。她的研究结合了当地团体和个人的投入和反馈。一项名为“唐人街 HEROS”的正在进行的合作项目，由 John Durant、Ponnapa Prakkamakul 和亚洲社区发展公司合作完成，涉及绘制唐人街公园和其他露天空间中的高温和污染（已知直接危害健康的两个气候变化相关变量）地图，最终目的是教育社区并倡导进行变革，使这些空间更健康。
Chu 说，唐人街是波士顿最热的街区，这是众所周知的。看看她的研究小组最初的露天空间地图，不难看出原因。该区域的许多公共空间都被完全铺设，在阳光下烘烤，而有阴影的绿色空间则倾向于位于唐人街的外围。
为了更深入地了解这些差异对健康的影响，Chu 和她的团队在 2023 年夏天安装了传感器，在每个露天地点测量颗粒物、热量和湿度。他们开着一辆充当移动监测站的货车在该地区行驶，测量二氧化碳、烟尘和二氧化氮等污染物。他们还评估了这些空间的布局，并记录了其中有多少区域被铺设、有阴影或有绿化，以及其他因素。他们将在今年秋天晚些时候开始综合数据。
Chu 说，最终目标是“以一种非常易于理解的教育方式，将所有这些数据分享给唐人街的居民”，并利用这些数据来推动变革。Chu 的团队将与社区合作伙伴合作，创建论坛和研讨会，向唐人街居民介绍气候和高温危害，以及保持健康的策略。他们还将征求当地人的反馈，包括他们希望在公园和绿地看到什么样的改造。“我们将记录下来并与市政府分享，”Chu 说。
这种工作对 Chu 来说似乎很自然，她在一个关系紧密的越南社区长大，位于马萨诸塞州西部。她的父亲是一名公共卫生工作者，负责肺结核的宣传。“他总是深入社区，看到病人，看到越南社区中患有肺结核或有肺结核风险的新移民和难民，”她回忆道。在获得史密斯学院神经科学学士学位、埃默里大学公共卫生硕士学位以及哈佛大学陈曾熙公共卫生学院博士学位期间，她学会了如何在社区外展工作的基础上叠加严格的研究方法，“追随他的脚步”变得“非常有意义”。
Chu 了解到，这项工作需要研究人员与他们希望研究的人们之间建立极大的信任和合作。这意味着要参加社区活动，倾听人们的担忧，并理解当地和文化背景。这条道路引领她与当地组织波士顿唐人街邻里中心和亚洲女性健康协会合作，研究如何改善社区成员的文化敏感性培训，他们通常是在心理健康危机中的第一响应者。Chu 和她的合作者进行了焦点小组讨论，以评估唐人街居民的心理健康需求，并了解哪些障碍——如污名化或缺乏健康保险——阻碍了他们寻求治疗。他们评估了急救人员现有的培训课程，并发现了使学员在应对某些问题（如亚洲青少年的自杀倾向或跨性别亚洲个体的心理健康挑战）时准备不足的差距。Chu 和她的同事将他们的发现报告给了运行心理健康急救人员培训的组织。Chu 表示，仍有许多工作要做，尤其是在这些培训课程以不同语言推出的时候，“但我为这项工作感到非常自豪，因为我认为即使只有少量资金，我们也能够做出一些真正有影响的事情。”
Chu 说，人们看到自己的经历反映在数据中会让他们感到欣慰，这些见解可以赋能他们向市县官员提出循证论据，以改善他们的社区。但她强调，如果研究人员不倾听——也不向他们希望研究的人学习——这一切都无法实现。“这就是我们能够创造出创新、相关且有望产生影响的东西，”她说。—H.S
工程化微环境以培养肌肉干细胞
如果你走进 Woojin Han 位于纽约市的实验室，你可能会看到一排排像果冻一样的微小样本，每个样本大约有硬币大小。虽然这些无色的粘稠物看起来不起眼，但 Han 解释说，它们每个都相当于一个 3D 培养皿。Han 是西奈山伊坎医学院的骨科助理教授，他正试图通过生物工程制造水凝胶——也就是那些无色的粘稠物——来模仿骨骼肌干细胞的天然微观环境。
Han 说，目标是创造一种介质，使干细胞能够“增殖而不会失去其自我更新的能力，或者我们称之为‘干性’”。干细胞之所以特别，正是因为它们尚未分化。它们是身体的原材料，有潜力发育成各种不同的细胞类型。除了胚胎在建造身体之初拥有的完全灵活的干细胞外，大多数成人组织（包括肌肉）中也存在干细胞。肌肉干细胞可以按需生成新的骨骼肌——这是体内最常见的肌肉类型——但这种可变性使得干细胞难以在实验室中培养。当它们被放置在培养皿中时，它们会立即开始分化——变成一种或另一种成熟的细胞。如果 Han 的团队能够模拟这些干细胞在我们体内生长时的特定微观环境，那将为干细胞疗法和移植开辟新途径。2022 年，他获得了美国国立卫生研究院 220 万美元的资助来开展这项工作。不起眼的水凝胶粘稠物是关键。
为了制造能让干细胞在其模糊状态下茁壮成长的水凝胶，Han 和他的团队必须考虑诸如硬度、形状、化学成分等多种变量。他发现，较软的凝胶更能模拟肌肉组织的相对硬度，并有助于干细胞保持干性，而且当水凝胶以肌肉纤维的形状挤出时，似乎效果更好。
研究骨骼肌干细胞在体内是如何茁壮成长的至关重要。通常，它们被夹在肌肉纤维的一侧和在身体组织之间运行的基底膜的另一侧。“证据……表明这种不对称分布的微环境在控制细胞如何建立其极性并开始指导其细胞分裂过程方面起着非常重要的作用，”他说。它创造了一种微妙的平衡，使干细胞能够增殖，而不是分化。为了重现这种不对称性，Han 和他的团队开发了一种“三明治水凝胶系统”，即细胞被嵌入两种不同的水凝胶之间。“我们在材料工程方面取得了很大进展，现在我们开始深入研究生物学的细节。”
Han 在 2015 年开始在佐治亚理工学院做博士后研究时，就已经对再生医学感兴趣。“我一直对这样一个事实感到好奇，即尽管我们的肌肉在轻微损伤的情况下具有惊人的再生能力，但在更严重的损伤或疾病中却无法再生，”他说。Han 开始使用水凝胶等生物材料来研究如何在移植后提高细胞存活率，也就是供体骨骼肌干细胞开始在宿主体内生成新的肌肉纤维。他看到了无限的潜力。更好的培养骨骼肌干细胞的介质可以帮助使干细胞疗法成为治疗严重肌肉疾病患者的可行方法。
对这类治疗的研究仍在进行中。但 Han 说，目前“没有办法获得大量的这些细胞，因为它们在人体中相当稀少。”长远来看，Han 希望能够从患者的活检中提取骨骼肌干细胞。以 Han 的水凝胶为介质，实验室将能够增殖这些干细胞，收集它们，然后将其注射回患者体内。这可以帮助治疗因创伤性肌肉量损失和肩袖损伤而遭受痛苦的人们的肌肉愈合和再生。理论上，Han 说，这甚至可以逆转像杜氏肌营养不良症这样的疾病所造成的损害，这是一种导致肌肉纤维逐渐变弱的遗传性疾病。但这都属于遥远的未来，而且“仍有许多未知数。”
Han 承认，充分地重现维持肌肉干细胞长期效力所需的微环境是一项艰巨的任务。但 Han 和他的同事将继续改进他们的水凝胶，努力尽可能延长“干性”窗口期。—H.S
研究鸟蛋的神奇之处以建设更美好的世界
鸟类一直是 Mary Caswell “Cassie” Stoddard 生活的一部分。她成长于一个母亲和祖母都是狂热的观鸟者的家庭，这意味着她从小就对这些有翼生物充满了敬意。
在获得耶鲁大学生物学本科学位后，她的这种欣赏之情引领她前往剑桥大学攻读动物学博士学位。她开始研究普通的杜鹃——一种悄悄地将蛋产在其他鸟类巢中的鸟。“为了做到这一点，杜鹃已经进化出了出色的卵色和图案模仿能力，”她说。“杜鹃是我对所有关于蛋的问题的入口。” 2016 年，她带着这份兴趣加入了普林斯顿大学，现任生态学和进化生物学副教授。
尤其是卵的形状，成为了她好奇心的主要研究对象。Stoddard 可以滔滔不绝地讲述其多种可能的变体。“你有典型的鸡蛋形状，但许多海鸟产下非常尖的蛋，”她说。“蜂鸟蛋看起来像一块口香糖，而猫头鹰则产下像高尔夫球一样圆的蛋。”但科学家们长期以来一直缺乏对这种变异是如何以及为什么发生的扎实理解。
一种理论认为卵的形状与营养有关。也许猫头鹰的球形蛋，由于其表面积与体积之比较小，是由于缺乏钙质而产生的。另一种观点认为，鸟类每窝倾向于产下的蛋的数量可能会影响蛋的形状，以确保它们都最适合地放入巢中。还有一种理论认为，尖形，如在海鸟筑巢于悬崖边缘时所见的蛋，可以防止孵化的幼鸟从这样的悬崖上滚落。但这些理论都没有经过足够大的样本量检验，或者没有得到足够全面的研究以得出有意义的结论。
为了弄清卵形多样性的原因和方式，Stoddard 领导了一个由生物学家、计算机科学家、数学家等组成的跨学科团队，分析了来自约 1400 种鸟类的 49,000 多个蛋。这项研究为 Stoddard 的实验室开辟了各种跨学科方法。她的实验室还在研究鸟类生物学的其他方面，包括目前在科罗拉多落基山脉进行的关于蜂鸟视力的项目。
该团队将蛋的形状转化为数学模型，并纳入了栖息地、饮食以及每个物种一次产蛋数量等数据。他们发现，预测卵形的一个最佳指标是飞行能力。“Stoddard 说，飞行能力强的鸟类——倾向于大量飞行或长途迁徙的鸟类——倾向于产下更椭圆形或更尖的蛋。”该团队于 2017 年在《Science》杂志上发表了他们的研究结果。
其理论是，善于飞行的鸟类具有更流线型的身体构造，这有利于骨盆只能产出更长、更细的蛋。Stoddard 承认，这可能不是卵的大小和形状背后的唯一进化力量，不同物种可能由于不同的进化压力而产下外观相似的蛋。但她说，当你查看 1400 种鸟类的综合数据时，飞行是一个强有力的预测因素。
现在，Stoddard 的实验室已经将注意力转向了蛋壳本身。“目前，我们小组的一个主要关注点是了解（蛋壳）的生物力学特性，”Stoddard 说。“这让我们踏上了一条全新的道路，遇到了一系列全新的问题和工具。”
她说，蛋壳是一种迷人而独特的材料：它很轻，而且组装速度很快。至关重要的是，它既坚固又易碎。同一个蛋既要保护正在成长的雏鸟，又要在时机成熟时让它能够挣脱出来。“我的合作者和我都认为，我们对蛋壳的了解可以应用于设计具有特殊机械性能的新型合成材料，”Stoddard 说。“例如，有时我们希望玻璃窗从外面难以打破，但从里面容易打破。”
蛋壳的研究也有着迷人的科学意义。解开蛋是如何以及为何形成的细节，可以教会我们鸟类在同类恐龙灭绝时是如何繁衍至今的，以及它们可能会受到气候变化的影响。
Stoddard 说，在她的实验室里，问题总是植根于鸟类进化。“我们的问题始于鸟类……并根植于进化生物学，”她说。但她和她的同事们会利用他们能够获得的任何工具和学科来找到答案——并且他们会追随研究的任何方向。—H.S
了解子宫如何再生
在做博士后研究员时，Kara McKinley 遇到了一些让她感兴趣并改变了她科学轨迹的研究：研究人员刚开发出在培养皿中培养迷你子宫的新方法。当时，McKinley 正在加州大学旧金山分校研究肠道的再生愈合特性。但她对子宫生物学的了解越多，就越想知道更多。
子宫有点不寻常。随着我们年龄的增长，我们的身体会因衰老、疾病和创伤而遭受损伤。身体通常可以修复或替换自身的部分，但并非完美。疤痕形成和积累，使大多数组织随着时间的推移功能降低。
但子宫的情况有所不同。对于每个月经周期，子宫都会脱落全部或大部分内膜（子宫内膜），然后完美地重建失去的部分，不留任何疤痕。它并非对损伤免疫；某些医疗程序和感染可能会留下疤痕。但子宫通常能够从怀孕和分娩的身体创伤中恢复过来，这本身就是一个奇迹。“它是一个理解人类再生能力的独特而强大的系统，”现在是哈佛大学干细胞与再生生物学助理教授、霍华德·休斯医学研究所 Freeman Hrabowski 学者的 McKinley 说。
她说，关于月经和子宫再生的研究仍然很少。但研究这些过程可以为未来的医疗治疗开辟广阔的可能性。例如，了解这种规律的、无疤痕再生的机制可以帮助科学家鼓励其他组织和器官进行类似的愈合。更全面地了解月经的运作方式也可以带来治疗月经过多或痛经的方法。
该领域的许多科学家通过在培养皿中培养小型子宫类器官来研究这些可能性。“这些方法带来了很多优美的工作，”McKinley 说。但她的实验室更感兴趣于在环境中——即在活体内的环境中——研究子宫。研究人类器官功能的科学家倾向于使用小鼠或大鼠作为模型。在某些方面，它们的生物学与我们非常相似。但通常在实验室使用的物种不会经历月经。事实上，大多数哺乳动物没有月经周期。在啮齿动物中，只有一种——开罗刺鼠（Acomys cahirinus）——已知会经历月经。这是 McKinley 的实验室使用的动物，以及常规的实验小鼠，它们可以被诱导经历类似于月经的过程。
McKinley 说，在动物全身环境中研究月经对于理解我们自身的身体系统至关重要。“月经是一个非常复杂的过程，我们还不了解所有影响它的组成部分。”研究刺鼠的月经将帮助她弄清楚哪些变量有助于子宫内膜的再生能力。McKinley 计划研究哪些细胞负责重建子宫内膜。她关于这个主题的最新作品发表在《Annual Reviews》上，总结了科学家们目前对子宫如何无疤痕修复的了解，以及为什么在某些医疗程序后会出现疤痕。
生殖健康是 McKinley 学术热情的自然焦点。她长期以来一直关注科学领域性别平等方面的问题。2019 年，她创立了一个名为 Leading Edge 的项目，致力于增加女性和其他性别少数群体在生物医学研究领域的比例。
根据世界卫生组织的数据，全球有近 20 亿育龄妇女。但 McKinley 说，“对子宫，特别是非孕期子宫的研究，在科学界受到的关注非常少。”其中一部分是由于普遍存在的关于月经的禁忌和污名。长期以来，人们也倾向于关注胎儿发育，而不是女性生殖健康的各个方面。但也有技术限制：子宫几乎是最难触及的身体部位，而且月经的时间并不总是规律或可靠的。直到 2016 年开罗刺鼠月经被证实之前，研究人员也缺乏一个好的研究该过程的动物模型。这些是科学家在设计研究时必须考虑的因素。
McKinley 不认为这些障碍应该妨碍科学的进步。她相信，全球约 20 亿子宫能够每 28 天左右脱落和再生一次的人们，理应获得关于生殖健康的扎实研究。探索一个有如此多未知领域——并且可能影响如此多人的领域——是令人兴奋的。但 McKinley 所看到的不仅仅是发现的机会。“我们也将其视为一种责任，”她说。—H.S
理解人类皮肤和头发的多样性
尽管在多元文化家庭中长大，Tina Lasisi 并没有过多地考虑多样性的生物学。多样性是存在的，但其生物学并未过多地进入她的脑海。直到 2011 年，在剑桥大学攻读人类学学士学位期间，情况发生了变化。一位教授向 Lasisi 和她的同学们展示了皮肤色素沉着变异的分布图几乎与世界各地紫外线辐射暴露的差异完美重叠。这让她茅塞顿开。
Lasisi 惊叹于皮肤颜色和黑色素的形成被解释为对抗有害紫外线的一种保护性力量。“太酷了，这解释了肤色以及我为什么是棕色的，”她记得当时这样想。但她立刻问了第二个问题：“我的头发呢？”她解释说，“这是一个非常具有黑人女性特征的行为。”像皮肤一样，头发是一种高度种族化的身体特征，黑人，尤其是女性，常常感到有压力要捍卫或改变它。
如果肤色可以通过黑色素来衡量并与紫外线照射强度相对应，Lasisi 想知道，是否也有类似的量化头发并试图寻找其与地理联系的方法。她开始寻找头发多样性的进化解释，特别是头发的形态和卷曲度。没有人能给她一个好的答案。科学文献稀少。她找到的几项关于头发多样性的研究都没有探讨不同头发质地的进化功能——也没有试图量化不同的质地。
因此，Lasisi 开始完善自己的方法。她开发了一种测量人类头发形状变化的方法，取下个体发丝的一部分，测量它们的弯曲度，并使用一个名为 ImageJ 的美国国立卫生研究院程序来分析和量化不同人的头发。她于 2016 年在《American Journal of Physical Anthropology》（现称为《American Journal of Biological Anthropology》）上发表了她的研究结果，并于 2021 年在《Nature Scientific Reports》上发表了后续研究。
Lasisi 说，许多描述卷发的方法都带有偏见：如毛躁、打结、难以梳理、易断。“很多这些衡量标准都内置了偏见，”她说，“因为它们内置了价值体系。”
在她那影响深远的本科课程十二年后，Lasisi 在宾夕法尼亚州立大学攻读博士学位，致力于回答关于头发形状和多样性的未被提出的问题，之后在同一机构完成了以科学传播为重点的博士后研究职位，并在南加州大学完成了第二个关于法医遗传谱系的博士后研究。现在，她作为密歇根大学人类学助理教授，领导着 Lasisi 实验室。“我真的很想专注于建立我的实验室，这样我们就可以成为想要对头发样本进行定量和准确测量的人们的中心，用于各种目的，”她说。
现在，Lasisi 已成为头发形式和功能的领军专家，她希望探索的问题远远超出了卷曲模式的变化。例如，Lasisi 很高兴能研究激素和毛发生长之间复杂的相互作用。“你可以有很多睾酮在体内流动，但仍然无法长出浓密的胡须，”她说，“或者仍然会脱发。”这些关系尚未得到充分理解，但可能改变脱发治疗和性别肯定护理的选择。Lasisi 还在进行关于面部毛发和皮肤多样性的研究，以帮助减少人工智能中的偏见。你可以使用庞大的数据集来训练人工智能，“但如果你不理解特定变异的结构，你可能就已经无意中创建了一个有偏见的数据集，”她说。
Lasisi 目前在该领域的重点是收集尽可能多的关于头发的数据，包括遗传信息。“有很多很棒的资源和数据库包含遗传数据，各种科学数据，”Lasisi 说，“但他们包含的关于头发的数据，如果包含的话，是分类的、主观的，通常是自我描述的，”这意味着人们提供了自己的非标准化描述。Lasisi 实验室必须继续她收集头发样本的工作，以获得足够精确和准确的测量结果来回答她提出的问题。它还将采集唾液样本，收集其头发捐赠者的遗传数据。
除了在医学和人工智能方面的潜在应用，对人类多样性进化背后原因的深入了解可以增强人们的力量。Lasisi 最新的论文提出了人类头皮毛发进化以保护头部免受阳光照射的证据，并且紧密卷曲的头发能提供最强的防晒保护，同时允许空气流通以冷却头部。Lasisi 说，了解你的特征是如何形成的，可以改变你看待自己的方式。了解到将紫外线和皮肤黑色素联系起来的研究让她对自己的长相有了新的认识。她希望在未来的几年里也能为许多其他人做到这一点。—H.S.
为旧数学注入新活力
计算机模拟触及我们生活的方方面面。布朗大学应用数学助理教授 Brendan Keith 表示，制造业的每一个分支——造船、工程、航空航天等等——都运行着过去六十多年里开发的一系列算法。这些类型的算法，称为有限元方法，可以帮助 Keith 这样的研究人员预测物体在不同环境下的行为。你可以看到这对于例如，正在建造摩天大楼的工程师或正在建造巨型货轮的制造商来说是多么有用。
布兰登·基思（Brendan Keith）从小就没想过自己会成为一个“计算科学怪咖”。但他对高中物理产生了浓厚的兴趣，渴望模拟各种抛掷物体的飞行距离和着陆点。最终，他将重心从物理学转移到几何学，再到应用数学，并于2013年在加拿大的麦吉尔大学获得了应用数学硕士学位。五年后，他在德克萨斯大学奥斯汀分校获得了计算科学、工程和数学专业的博士学位。如今，他运用理论来解释我们身边的世界。
作为布朗大学的助理教授，基思正在为古老的数学注入新的生命。他目前正试图用一种他称之为“近端伽辽金”（Proximal Galerkin）的方法来更新传统的计算技术（这是以苏联数学家鲍里斯·伽辽金命名的计算方法组中的一个新成员）。
这些问题涉及如何使模拟与现实世界保持一致。这包括在计算机模拟中防止一个物体穿透另一个物体，这种错误会使预测屏幕外事物的发展更加困难。举例来说，当飞机制造商模拟飞机飞行时空气如何流过喷气式飞机的机翼时，他们需要确保空气压力条件能反映现实。到目前为止，在不违反现实物理定律的情况下精确模拟这种情况一直很棘手，否则会使计算机模型崩溃。因此，基思和他的合作者托马斯·苏罗维耶茨（Thomas Surowiec）找到了一种在计算机上“将问题分解成小块”，对每个小块进行数学变换，运行模拟，然后再将它们重新组合起来的方法。
他们的新解决方案最终降低了这类工作的成本和时间，最重要的是，防止了计算机模型的失控；例如，近端伽辽金方法可以通过防止钢铁进入而不是环绕电话杆来帮助汽车碰撞模拟正确运行。今年，基思获得了能源部提供的超过80万美元的拨款，用于完善这项研究以及他正在进行的许多其他新的数值方法。
基思还因其更宏大的计算而受到关注。2021年，他帮助开发了一种新的人工智能技术，用于观测黑洞。具体来说，他找到了一种方法，可以根据黑洞产生的引力波数据来模拟一类黑洞的运动。研究人员长期以来一直通过求解爱因斯坦的广义相对论方程来完成这项工作（他认为某些混沌事件，如两个黑洞碰撞，会扰乱他所说的时空，产生称为引力波的涟漪）。但这个过程既耗时又昂贵，而且可能需要超级计算机。有了基思的技术，数学运算可以在任何笔记本电脑上完成——包括他用于该项目的近十年前的Mac。虽然使用传统模型可能需要数周才能获得精确结果，但新的人工智能工具可以在不到一小时的时间内得出答案。
有了新的资金，基思希望将他的近端伽辽金方法应用于一系列问题。他一直在与来自广泛领域的许多研究人员合作，现在正在思考如何更好地理解骨折、设计大型桥梁以及模拟汽车碰撞。事实上，可能性太多了，以至于他觉得很难决定他的团队应该先解决哪个问题。他只知道一件事：他希望他的算法能够继续为后代研究人员提供帮助。
“我的梦想是真正开发出人们在50年后仍在使用的算法，”基思说。“方法来了又去，人们总是在研究旧问题上的最新时髦事物，但很少有人能遇到有如此持久生命力的事情——这就是我真正想成为的样子。”——M.G.
用南极冰块解开宇宙之谜
几十年来，物理学家普遍接受了一个据称能解释我们宇宙的理论。但一些人认为，建立于20世纪70年代初的物理学标准模型，正在压力下开始瓦解。标准模型认为，自然由少数几种粒子组成，并由少数几种力支配。但这个理论无法解释某些天文异常现象。例如，它无法解释引力是如何存在的，也无法解释占宇宙大部分的神秘暗物质和暗能量。
标准模型的另一个漏洞是：它无法解释中微子——一种微小的电中性粒子——的一个关键事实。每秒钟，约有650亿个中微子穿过你身体的每一平方厘米。尽管标准模型提出的规则表明中微子应该没有质量，但它们实际上是宇宙中最丰富的有质量粒子。
“粒子物理学家就像侦探，”哈佛大学物理学助理教授卡洛斯·阿圭莱斯-德尔加多说。“你看待事物似乎不正常的地方。中微子就不正常。”
十多年前，当阿圭莱斯-德尔加多在他的祖国秘鲁完成物理学硕士学业时，这种明显的差异让他着迷。中微子研究开始迅速升温。与当时许多拉丁美洲物理学家一样，阿圭莱斯-德尔加多说，他们的学术导师缺乏实验物理设备资金。这给了阿圭莱斯-德尔加多在理论方面积累丰富经验的机会。他认为正是这种对理论的关注促使他深入研究计算，并试图了解这些令人费解的粒子。
这是一项特别艰巨的任务，因为中微子很少与其他物质类型相互作用，因此赢得了“幽灵粒子”的绰号。这意味着它们很难被探测和研究。但这里有一个主要的优点。由于中微子几乎不与其他物质形式接触，它们可以让研究人员研究光基望远镜无法捕捉的场景——例如太阳的内部运作，甚至其他星系——而不会受到电磁场和气体等物质的干扰。
中微子可能很难发现，但这并非不可能：你只需要在不寻常的地方寻找。阿圭莱斯-德尔加多在威斯康星大学麦迪逊分校（他于2015年在此获得物理学博士学位）的研究，让他接触到了世界上最大的中微子探测器。这个名为IceCube的庞大工具，包含了数千个光学传感器，埋藏在南极冰层下8000英尺处。当中微子与冰相互作用时，它们会产生发出蓝色辉光（称为切伦科夫辐射）的带电粒子。IceCube的传感器记录光斑，以测量到达的中微子的方向和能量。冰有助于这项事业，因为它足够清晰，可以一窥蓝色的辉光，而且光可以在其深处轻松传播。
自2011年启动以来，IceCube已经探测到来自宇宙中一些“最暴力”区域的中微子，阿圭莱斯-德尔加多说。由于它们直线传播——这是它们无法被大多数其他物质形式中断或重定向的结果——这些混乱的中微子很容易提供关于它们起源的线索。
虽然许多观测到的中微子来自太阳或我们的大气层，但去年IceCube探测到了来自一个4700万光年外的星系（在宇宙尺度上相对较近）的一些中微子，该星系由一个超大质量黑洞驱动。这个黑洞以高速吞噬粒子。当这些粒子碰撞时，它们会产生中微子。阿圭莱斯-德尔加多也研究来自我们银河系附近的中微子。回到剑桥，阿圭莱斯-德尔加多正在梳理这些信息以获得新的见解。例如，他密切关注IceCube测量的各种类型或“风味”的中微子，如罕见观测到的τ中微子，以及它们隐藏着什么秘密。他甚至开创了一种新的量子计算方法来模拟中微子如何转化为这些不同的变体。
像IceCube这样的数据，正被阿圭莱斯-德尔加多和他的全球同事们研究，可能有助于搜寻难以捉摸的暗物质，更近距离地观察黑洞，甚至发现新的物理定律，因为中微子会直指被调查的现象，就像罪案现场的脚印一样。
在未来十年，IceCube将配备更先进的传感器和校准设备，并扩大约八倍。更清晰的分辨率可能会带来新的非凡见解。“我们可以发现一种新的力，我们可以发现一种新的物质，”阿圭莱斯-德尔加多说。“这可能会彻底改变物理学。”——M.G.
培育器官以解决健康不平等
高达90%的新药在人体试验中失败，这通常是因为对动物安全的物质对人有毒。但一种高科技解决方案有望带来更有效的药物，减少并发症：利用干细胞培养组织，模拟我们的器官及其与药物的相互作用。
这种未来领域吸引了昆顿·史密斯（Quinton Smith）。他最初于2007年在新墨西哥大学学习化学工程，并曾考虑成为一名医生。但当他意识到与患者互动并不像研究那样吸引他时，他决定他想制造能够帮助改善人类健康的东西，并开始在生物实验室工作。2017年，他从约翰霍普金斯大学获得化学与生物分子工程博士学位，并将他的工程专业知识应用于人体。史密斯师从于干细胞工程的早期领军人物莎伦·格雷希特（Sharon Gerecht）。现在，他利用被称为类器官的实验室培养细胞群体来研究和潜在治疗一些最致命和最棘手的情况。
“拥有干细胞视角和工程背景是一个非常强大的工具，”史密斯说。“我们有一个想法：我们能否真正取代动物研究，并创建一个‘芯片上的身体’来真正研究组织如何相互作用？”
研究人员已经花费了数十年的时间为今天的类器官实验奠定基础。如今，实验室可以从成年人的血液或皮肤细胞开始，通过化学物质的组合将它们转化为任何类型的成年细胞，这些化学物质会指导它们的生长。
史密斯位于加州大学欧文分校的实验室成立于2021年，是全球众多正在研究这些器官模型的实验室之一。但他的团队以一种变革性的新颖技术脱颖而出。科学家们长期以来一直难以在实验室培养皿实验的细胞中添加类似血管组织的结构。匹配体内血管中的特定细胞类型是很棘手的。但血管是一个至关重要的特征，“组织工程的圣杯”，史密斯说：它们为细胞提供氧气和营养，并能使日益壮大的实验室培养结构之间进行交流和繁荣。
凭借他的工程知识，史密斯加入了科学家社区，他们从运行我们计算机的硅芯片中汲取灵感。他的团队首先在其“器官”芯片上打印微小的通道，这些芯片由含硅的化合物制成。他们将这些凹槽填充含有血凝块中蛋白质的凝胶。在这种凝胶中，他们还添加了实验室培养的血管细胞和一种称为成纤维细胞的细胞，这种细胞有助于形成结缔组织，它们协同工作形成模仿我们体内血管系统的管道。最终产品看起来不像我们体内黏滑的组织，而是一个透明的小工具，内部有分支的导线，大小从四分之一美元到仅几微米不等。
史密斯团队可以通过人造血管输送液体，以了解例如血液流量的变化如何导致疾病发展，或特定药物如何影响循环。史密斯说，这项关于肝脏模型的工作，他最初在博士后研究期间就深入研究过，尤其重要。对于像肝硬化这样的终末期肝病，目前没有FDA批准的药物，而肝硬化不成比例地影响着边缘化群体，如拉丁裔和黑人。
通过使用患者自己的干细胞，他甚至可以创建定制的模型来测试他们对药物的独特反应，并开发个性化的干细胞疗法。史密斯设想了一个未来，医生可以通过将干细胞植入易于接触的部位（如胳膊下方）来恢复患病器官的功能。史密斯说，这种补充可能不会让器官移植成为过去，但它可以帮助降低需求，缩短有需要者的等待时间。
史密斯还利用他的人造器官来解决另一个突出的医疗保健差距。他对研究先兆子痫的原因感兴趣，这是一种可能危及生命的妊娠并发症，会导致高血压。它是任何孕妇的风险，但在美国黑人女性中尤其普遍。事实上，在美国出生的黑人女性患先兆子痫的比例高于移民来的女性，这可能是由于与系统性种族主义相关的压力和医院就医经历的差异。但这种现象的确切机制仍不清楚。“似乎不仅有祖先的贡献，还有社会、经济或其他可能真正影响孕产妇健康的因素，”史密斯说。
为了解决这个紧迫的难题，史密斯现在正在利用他开发的技术来创建类似胎盘的细胞。他正在利用它们来弄清楚孕妇的环境如何可能引发胎盘炎症并干扰血管。这项工作尤其重要，因为对孕妇进行研究存在后勤和伦理障碍。史密斯的见解可以帮助世界各地的科学家照亮他所说的“人类发展的黑匣子”，并帮助边缘化社区确保更安全的怀孕。——M.G.
用人工智能赋能边缘化社区
罗宾·布鲁尔（Robin Brewer）是家中独生女，她说她有大量时间可以摆弄电脑。她沉迷于数学程序以及过山车模拟器和打字游戏。她的父母在政府部门从事IT工作，她家是她马里兰州附近最早拥有PC的家庭之一。当她上高中科学技术班时，她自称“爱管闲事”的独生子女的天性迫使她学习如何使用Java和C++等语言来控制计算机。这种好奇心促使她在马里兰大学攻读了学士和硕士学位，学习计算机科学和以人为本的计算。
但到2013年在西北大学攻读博士学位时，布鲁尔已经决定退一步，了解其他人如何与技术互动。她注意到设备往往迎合年轻、非残疾人士，而可访问性功能常常是事后添加的。
“我非常主张在研究和设计中采取更多以老年人和残疾人为先的方法，”密歇根大学信息学助理教授布鲁尔说。
为了帮助解决这些不平等问题，布鲁尔开发了基于老年人和残疾人反馈的可访问性工具。近年来，她一直专注于人工智能和语音助手（如Siri）在吸引这些社区并帮助连接有共同经历的人们方面的作用。2023年6月，她共同撰写了一篇论文，探讨了如何提高面向老年黑人用户的语音技术的文化敏感性。例如，一些参与者表示希望听到听起来更像自己的声音，而无需依赖刻板印象。
随着美国面临严峻的居家护理工人短缺问题，她的工作可能尤其有用。虽然布鲁尔不认为我们应该在这种情况下用自动化设备取代人类专业人士，但她认为技术可以帮助减轻支持老年人在家中的压力——2020年，据报道，美国有超过5000万人照顾过有特殊健康需求或残疾的人。
目前，布鲁尔正在开发一个程序，该程序会倾听护理者和受护理者的日常挑战。然后，它会提供一个人类或人工智能生成的摘要，总结他们分享的内容，以帮助他们处理棘手的对话。例如，受护理者可能希望在购物等任务中获得更多独立性，因此语音助手可以充当中间人，帮助将此传达给护理者。
虽然布鲁尔认为她工作中很大一部分背后的人工智能可以惠及边缘化人群，但她也致力于解决人工智能模型中固有的偏见。在她于2023年6月发表的一项研究中，她与谷歌的研究科学家合作，强调了像ChatGPT这样的聊天机器人所使用的大型语言模型对残疾人的偏见。该团队发现，这些模型倾向于以狭隘的眼光看待残疾，认为它主要与身体限制有关，并且可能对依赖他人帮助的人发表有害言论。
虽然研究人员已经对人工智能对有色人种和老年人的偏见进行了研究，但布鲁尔说，对残疾人群体的伤害更难量化和采取行动。她说，很可能可以重新训练模型，使其更有用并表现出更多的敏感性。
去年，布鲁尔获得了美国国家科学基金会享有盛誉的早期职业奖，奖金超过50万美元，用于研究语音技术如何帮助老年人避免网络欺骗。考虑到技术的潜在缺陷以及侵入性监视的风险，她希望帮助用户建立数字界限，并学会识别虚假信息——特别是考虑到聊天机器人被发现会“产生幻觉”，编造事实，或兜售阴谋论。
“并非一切都是彩虹和阳光，”她说。“每项技术都存在某种风险。”——M.G.
将激光对准宇宙起源
尽管我们的宇宙已有数十亿年的历史，但关于大爆炸是如何发生的，仍有许多未解之谜。物质构成了我们周围的一切，但它是如何演变的？为了解决这个存在性问题，研究人员设计了一些令人难以置信的实验。例如，欧洲核子研究组织（CERN）位于法国和瑞士边境的大型强子对撞机，科学家们在那里以接近光速的速度将高能粒子碰撞在一起。那里的团队研究由此产生的相互作用，以检验解释我们宇宙的标准模型理论的预测。
但根据麻省理工学院物理学助理教授罗纳德·加西亚·鲁伊斯（Ronald Garcia Ruiz）的说法，大型强子对撞机无法提供科学家们正在寻找的所有答案。在比利时鲁汶天主教大学攻读博士学位期间在CERN工作后，加西亚·鲁伊斯决定借助激光来解决同一个问题。
他将探索宇宙起源比作观察西瓜的内部。有两种截然不同的方法可以一窥其内部：一种相当暴力，另一种则更为细致。你可以通过用高能粒子炸开它，然后重建内部来看到它，这基本上是大型强子对撞机的协议（有点像射击水果然后将其粘合起来）。相反，加西亚·鲁伊斯意识到他可以用电子来探测这个“西瓜”的内部，从而获得更清晰、更精确的视图。
他和他的同事们会制造放射性原子和分子来完成这项工作，因为它们的中子和质子比例不平衡。这种不对称性使原子和分子对实验室中的奇异物理现象高度敏感，并可能有助于解释宇宙中物质和反物质的不均匀比例，而这种现实违反了标准模型。
制造这些放射性物质非常困难，但加西亚·鲁伊斯和他的团队在专门的核物理实验室工作，包括CERN和美国能源部科学用户设施设施（Facility for Rare Isotope Beams），该设施由密歇根州立大学运营。然后，他们使用他们独特的高灵敏度激光系统来测量这些放射性物质中质子、中子和电子之间的相互作用。他们可以使用激光测量这些粒子的微小结构，并捕捉同一元素不同同位素之间的任何能量变化。所谓的同位素位移很重要，因为它们可能揭示出超越已知自然基本力的现象。
这一切都必须在一瞬间完成，因为这些放射性物质可能在不到一秒钟的时间内消失。这使得加西亚·鲁伊斯能够以前所未有的方式观察到构成宇宙可见物质基础的粒子和力量的难以捕捉的性质。这些研究甚至可以识别（或排除存在）前所未见的粒子。
这种激光精确技术很好地补充了大型强子对撞机的方法，因为它为科学家们提供了自然构件的近距离视图。“我可以用一种非常优雅的方式来做到这一点，”加西亚·鲁伊斯说。
加西亚·鲁伊斯的这项工作在粒子物理学界之外也引起了轰动。他的团队正在与天文学家合作，帮助搜寻太空中的放射性分子。通过在实验室测量这些分子发出的辐射，加西亚·鲁伊斯提供了科学家们可以在宇宙中搜寻类似测量的“指纹”。这项工作还可以帮助天文学家确定天体物理事件发生的时间，这取决于放射性衰变的时间标记特性。加西亚·鲁伊斯甚至根据他的实验定制了产生大量中子的放射性原子核，以帮助研究中子丰富物质动力学（如中子星——当一颗巨星耗尽燃料并坍缩时形成）的团队。
最终，他的目标是帮助弥补标准模型中的一些空白，并更深入地研究生命、宇宙和万物的起源。加西亚·鲁伊斯甚至怀疑他可以分析暗物质（一种占宇宙物质85%的、了解甚少的物质）如何与他实验室中的质子、中子和电子相互作用。
“我认为我们正处于理解基础物理学的革命时代，”他说。——M.G.
