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協作研究金:2013/2014年度獲資助之研究項目摘要

最新科技單晶X-光衍射儀的添置
項目統籌者:黃永德教授 (香港理工大學)

本項目的目的是要添置一台具備最先進科技的X-光衍射儀。X-光晶體結構分析是在原子、分子水平上認識物質性質與功能和微觀結構關係的重要方法,廣泛應用於化學、材料、礦物、天然產物、生物醫學和分子機械等學科領域。這台新的衍射儀能配合我們卓越的專家團隊,有效地為有需要的研究人員提供精準的分子結構分析。新儀器將配有「亙補金屬氧化物半導體」(CMOS) 探測器。現時CMOS探測器常見於一般數碼相機,比傳統電荷耦合元件 (CCD) 科技更為敏感,分辨能力更高。應用CMOS科技能縮短收集數據的時間,降低對樣品質量的要求,以前所未有的方式有效地解決晶體學所面臨的難題。總體來說,本項目是為了在香港理工大學建立一個以X-光晶體結構分析為基礎的高水平研究平台,令香港理工大學在本港及鄰近地區成為該領域上的一個亮點。

香港獨有的泥石流-柔性防護欄碰撞和地質災害研究的大型多功能物理模型試驗設施
項目統籌者:殷建華教授 (香港理工大學)

地質災害有滑坡,泥石流,落石,及各種岩土結構的崩潰破壞等。地質災害在香港及世界其它地方發生過,今後仍然是造成人類傷亡和材產損失的最大危險之一。柔性防護網已在世界其它地方用於防止泥石流的沖擊,最近也在香港推廣使用。但是,目前還沒有用於防泥石流沖擊的柔性防護網的可靠分析和設計的方法。因此,我們急需建造一大型物理模型試樣裝置,用於泥石流沖擊柔性防護網的試驗。試驗數據用來驗証或發展新的柔性防護網分析和設計方法。目前在香港,甚至可能在世界其它地方還沒有這樣的大型物理模型試樣裝置。

項目的主要目標是要設計、建造、調試和管理一個泥石流-柔性防護欄碰撞和地質災害研究的大型多功能物理模型試驗設施。其它目的有(1)使該設施成為多功能的試驗平台,用於地質災害研究,(2) 用於試驗和驗証現有的或新的監測技術,(3)通過比較,用該設施的試驗數據來驗証小尺寸離心機模型,數值模型和分析設計方法。

地質災害的減輕或防止是一項長期和艱巨的任務,需要多專業的攻關,基礎科學研究,和新技術的研發。 該項目將對社區安全及環境保護,基礎科學研究,和技術研發有長期和深遠的影響。

具有成本效益和生存能力的廣域電信線路的敷設拓撲
項目統籌者:摩 西. 祖克曼 教授 (香港城市大學)

海底光纜承載了當今國際互聯網的絕大部分流量。然而,許多海底光纜在地理位置上彼此接近且位於地震多發帶,最近幾次地震所引發的巨額損失清楚地顯示了海底光纜在國際互聯網中的關鍵性作用以及國際互聯網對海底光纜的依賴性。本項目旨在優化地表固定節點之間纜線的鋪設以確保充足的網絡資源供應,在真實的災難情景下能夠維持通信網絡的連接性和正常運作能力。考慮電纜的屬性(形狀、位置和容量),結合真實的地震災害效果和海底地形地貌,我們將開發綜合佈線系統的設計方案,在成本和網絡復原力之間取得平衡。我們的研究團隊囊括了通信工程專家、地震工程專家和數學家。通過此項合作研究,數學與工程領域的專家將聯合起來解決這一重大的現實問題。

應用機器人輔助光鎳技術研究造血細胞的操作及作用機理
項目統籌者:孫東教授 (香港城市大學)

細胞是生物體的基本功能單位。人類對於單細胞工作原理的認識目前仍處於起步階段。為了探究這一挑戰性難題,我們將研究一種基於光鑷機器人和微流體晶片的細胞探測技術,並將之用於造血細胞的微納操作以及功能機制的探索研究方面,從而為更有效地治療白血病提供重要的參考依據。應用光鑷機器人的好處在於可同時對單或多細胞進行自動化操作,以實現高重複精度及低變異性。我們將通過對細胞的拉伸、粘接及遷移操作,重點探索造血細胞在以下三方面的功能機制:細胞生物力學特性如何影響其異常分化從而導致白血病,能否通過造血細胞與基質細胞的粘接操作控制細胞交互,探究造血細胞的遷移機制從而為實現細胞遷移的有效控制奠定基礎。本項目的研究成果將對其它類型細胞的操作及功能機制的探究具有重要的參考價值。

針對多聚谷氨酰胺疾病RNA及蛋白質毒性開發以多肽類為基礎的療法
項目統籌者:陳浩然教授 (香港中文大學)

多聚谷氨酰胺(Polyglutamine, polyQ)疾病是一組導致進行性腦退化的遺傳性疾病。最近的生物醫學研究表明:polyQ RNA和蛋白質都有致病毒性,是目前導致polyQ疾病腦退化的兩大致病種,本研究評估了針對毒性RNA和蛋白質的肽抑制劑。肽工程技術將被采用以提高肽抑制劑的生物活性,工程化抑制劑將使用納米顆粒載體傳遞至大腦中和毒性。從長遠來看,此項目將開辟新的polyQ疾病治療方向。

大型强子對撞實驗:新物理的追尋
項目統籌者:朱明中教授 (香港中文大學)

香港科硏人員從大亞灣中微子實驗及香港仔隧道實驗獲得寶貴而成功的國際大型硏究合作經驗。在這基礎上,香港中文大學、香港大學、及香港科技大學的物理硏究人員共同成立香港實驗粒子物理學團隊幷將參加在歐州核子物理中心(CERN) 利用大型强子對撞機(LHC) 進行的ATLAS實驗。大型强子對撞機是世界上最高能量的粒子加速器,而ATLAS亦是世界上最龐大的粒子探測器。LHC 實驗在基礎物理硏究作突破性發現有獨特的優勢及潜質。自2011至2013年,LHC以設計的一半能量進行强子對撞實驗,已經累積大量數據,幷發現了希格斯粒子(或稱上帝粒子) 。我們將分析這些數據,以追尋有异于粒子物理標準模型的新物理。我們亦將發展數據分析工具,以應付2014/5年開始的高能量高撞擊率的新LHC 實驗。我們亦會參加現正進行的ATLAS探測器提升工作,對ATLAS實驗的硬體發展作出貢獻。

醫療手術輔助機器人
項目統籌者:劉雲輝教授 (香港中文大學)

機器人因其可以高精度地操作手術器械正被廣泛地應用於醫療手術,而現在存在的手術機器人是醫生通過高端人機界面進行人工控制。相對於一般的微創手術,遙操作式機器人手術並沒有所期望的那樣多優點,這主要是因為操作介面不能準確地把手術器械與人體組織交互感覺傳遞給醫生。除了它們極高的售價,長時間的調試、高昂的操作和維護費用、以及長時間的訓練都妨礙醫療機器人的廣泛應用。相對于一個龐大而昂貴的系統,一個小型、低成本、使用方便、易學習,可以自動輔助醫生完成手術的機器人助手更具有實用性和經濟效益。專家預測由機器人輔助的醫療手術是未來醫療手術技術發展的主要方向之一。

本專案的目的是通過香港中文大學與香港城市大學的緊密合作,在我們機器人特別是醫療機器人研究的基礎上,研發機器人輔助醫療手術的前沿技術,並為在香港進一步開展相關研究建立技術基礎。通過本項目的研究,我們將解決以下關鍵問題:(1)具有被動安全保護機構的柔性關節設計及利用柔性關節的醫療輔助機器人設計;(2)融合被動安全保護機構、基於能量的運動控制演算法和能容錯的力感知技術的機器人安全保護體系;(3)不需要模型的基於內窺鏡視覺回饋的軟組織操作控制演算法及(4)具有人眼注意點控制、自學習等智慧功能的友好、易學、易操作的多模態人機界面,以方便雙手忙碌醫生與機器人的交互。為了驗證所研究技術和方法的有效性,將利用一個輔助鼻腔和喉嚨手術的內窺鏡操作機器人和一個輔助微創子宮切割手術的子宮操作機器人進行動物或屍體試驗。本專案的成功將對醫療機器人技術的發展有重大貢獻並幫助香港在這一高速發展領域佔有一席之地。

中文和英文閱讀能力發展:遺傳和神經科學相關因素
項目統籌者:MCBRIDE Catherine教授 (香港中文大學)

香港本地學童的雙語學習(母語為中文,外語為英文)與哪些標識基因和神經元標識有關?在此研究中,我們將每年為三百對同卵及三百對異卵雙生的本地孩童進行三個階段的測試。測試目的是就閱讀及建構中英文複合詞的能力等方面,分析基因如何影響香港學童的語言學習。是次測試及問卷調查有助我們了解基因及環境如何影響香港孩童的雙語學習。

我們亦會對其中閱讀能力特別強或特別弱的兒童 (大概170人) 進行腦電波電位 (ERP) 測試。同時,透過找出他們相對應的神經標識,我們會分析兩者如何共同影響兒童的閱讀能力。最後,我們將從雙胞胎的整體基因樣本中,找出它們之間相互的關聯性,並測試它們對小朋友閱讀中文及英文的能力之影響。是次研究結果,將會為教育界及其他學者奠下基礎,協助他們日後再進一步研究兒童早期拼寫閱讀能力的發展,及為有閱讀障礙風險的兒童提出有效的干預方法。

冷原子和固態物質中的新型拓撲態
項目統籌者:吳大琪教授 (香港科技大學)

本項目探討一個跨領域的物理前沿課題,冷原子和固態物質中的新型拓樸態。

自2006年拓樸絕緣體被發現後,固態物質中的新型拓樸態成為物理學中一個熱門課題,由於它引發的新物理現象及在量子訊息和量子計算中的應用潛力,令它成為近年最活躍的物理領域之一,大量的新物理想法被提出。在此領域工作者不斷增加。

令人意想不到的是,在固態拓樸物理態研究快速發展的同時,在冷原子研究領域中也產生了一系列突破,令這兩個領域走向同一方向。冷原子領域中一系列實驗技巧突破產生了在冷原子系統中實現在傳統固態物質中難以實現的新物質狀態的可能。兩個領域的結合把固態物理和冷原子物理的研究者帶到一起,在此跨領域研究中合作希望取得突破。

我們的項目是香港的固態物理和冷原子物理理論工作者的一個合作課題,希望合作能導致在這新拓樸態領域中取得突破。我們的團隊成員分別在固態物質中的拓樸態和冷原子研究領域中有豐富研究經驗及成果。希望合作能在此跨領域研究中取得新的突破。利用彼此經驗我們希望能﹝1﹞在固態物質及冷原子中尋找到一系列的新型的拓樸態,﹝2﹞明白粒子相互作用對這些新型拓樸態的影響和﹝3﹞明白這些新拓樸態的物理性質及實驗表征,以及它們在量子訊息/量子計算中的潛在應用價值。

基礎物理研究: 從粒子物理到宇宙學
項目統籌者:蕭文禮教授 (香港科技大學)

基礎物理研究的是自然界中的某些核心問題:我們自身是由什麽組成的?什麽是自然界中的基本物質和基本力?宇宙是如何起源的?這些跨越了從亞原子尺度到宇宙學尺度的問題是密切相關的。儘管基礎物理的核心問題不多,他們都是科學領域中最具挑戰性的。推動這些問題的解决要求大型實驗團隊的數據獲取。而這些數據將會引導理論物理學家探索新的可能性,幷作出能够爲實驗物理學家所測量的預言。

隨著去年在歐洲核子中心大型强子對撞機上黑格斯粒子的發現,我們現在對組成已知物質的基本粒子以及它們的質量起源有了一個更加完全的圖像。同時,天體物理和宇宙學方面的重大發現也加深了我們對自然界中大尺度現象的理解。觀測數據揭示宇宙中我們所熟知的物質不到總物質的5%,而其餘的95%則由暗能量和暗物質構成。儘管暗能量的觀測證據是非常有說服力的(2011諾貝爾獎),它的理論解釋依然是一個巨大的謎。同時,暗物質的存在開啓了粒子物理的下一個前沿:尋找超越標準模型的新物理。此外,精確的宇宙學數據也提供了由巨大的暗能量驅動幷引發大爆炸的早期宇宙暴漲的强烈證據。將來的實驗將會揭示它的起因。

基礎物理在香港是一個全新的科研領域。相關的理論團隊已經具備了必要的規模而實驗團隊依然在積極的建設中。本題案將主要集中在理論方面。隨著基礎物理進入了一個海量數據的時代,理論和實驗物理學家的緊密合作變得非常關鍵。理論研究是理解大量實驗數據幷設計實驗新策略的關鍵。我們的團隊由包含了來自粒子物理,天體物理和宇宙學各個相關領域的專家。通過彙集人力,我們將研究各類基本問題,如暗物質和暗能量的本質,宇宙的暴漲,超越標準模型的新物理。我們將使用多管齊下的方法,從基本理論的探索,到模型的構造和唯象學的研究,再到實驗策略的設計,最終實現理論預言和實驗數據的比較。

超分辨率成像: 揭示亞細胞器的分子組織
項目統籌者:賀若蒲教授 (香港科技大學)

這個項目的開發基礎是由一群擁有豐富光學背景的物理學家和生物學家協作,目標是透過開發和利用尖端的超分辨率顯微鏡技術,來深入探索細胞生物學。待開發的核心平台是一個包含兩台國內最先進的高分辨率顯微鏡的成像設備。項目的首要目標是構建一台可以實現空間分辨率達20納米的"風暴"顯微鏡(隨機光學重建顯微鏡),其優點是在分辨率上比現成最佳的熒光顯微鏡有10倍的改進。同時,項目的第二個目標是構建一台光片顯微鏡,能夠優化樣品的保存和縮短成像時間。透過利用上述技術的優點,項目團隊將能探索生物學的難題,如2013年諾貝爾生理學和醫學獎的主題"囊泡運輸動力學"。其中,項目將重點研究神經細胞的突觸小泡和腸細胞的脂滴動力學。繼而,第二個研究重點是透過了解線粒體對於各種生物刺激的反應,認識柏金遜症等疾病的病理。其後就是研究DNA複製過程中,蛋白質和DNA相互作用的空間參數。基於細胞分裂是所有活細胞的基本特性;研究的成果將對幹細胞和癌症生物學的認知有直接的影響。項目最後一個研究重點是分析突觸的結構。這些"原漿吻"的結構和其細微變化是大腦學習和記憶的基礎。倘若這些變化失調,將導致像自閉症或阿爾茨海默症等疾病。這個項目所開發的設備將能為本校生命科學系的研究帶來最前沿的進展。在超分辨率顯微鏡技術的輔助下,我們將可以對生物醫學科學領域作出重大貢獻。

異染色質重構調控與DNA損傷修復和衰老
項目統籌者:周中軍博士 (香港大學)

Hutchinson - Gilford早衰綜合症( HGPS ), 壹種嚴重的快速衰老疾病。主要是因LMNA基因上壹個特定突變產生了壹個突變的核纖層蛋白A,稱為progerin。Progerin在正常細胞中亦存在,並且隨年齡而增加,表明HGPS和正常衰老之間具有潛在聯繫。 Zmpste24是壹種蛋白酶並負責加工核纖層蛋白A。Zmpste24缺失會導致未加工成熟的核纖層蛋白A的積累,缺失Zmpste24的小鼠表現了許多HGPS特症,是壹種理想的早老症的小鼠模型。我們以往的研究表明,未經處理的核纖層蛋白A或progerin損害DNA修複。我們最近的工作發現,早老症病人細胞中,調節染色質結構的幾個重要的核蛋白質的異常定位,染色質重塑缺陷。這些關鍵的染色質調節因子的錯誤定位,破壞了染色質動力學及DNA修複,導致幹細胞迅速下降,加速衰老。針對這些調製器可有效改善快速衰老。並延長HGPS模型小鼠的壽命。在本項研究中,我們將進壹步確定和研究纖層蛋白A相互作用蛋白如何調節染色質動力學,研究其對DNA修複,細胞衰老及衰老的貢獻。我們將闡明核纖層蛋白A激活SIRT1或SIRT6結構基礎。此外,我們將研究prelamin A / progerin如何損害染色體末端(端粒)的結構和功能的完整性。這項研究不僅對核纖層蛋白A影響染色質動力學和老化提供新的見解,也有助於開發新的策略,幹預衰老和衰老相關的老年性疾病。

激發HIV抗原特異性CD8+T細胞的機制研究
項目統籌者:陳志偉博士 (香港大學)

自1981年以來,愛滋病(AIDS) 一直是最致命的人類疾病之一。目前,愛滋病已造成3500萬人死亡,而且仍有3500萬人攜帶並傳播著愛滋病病毒(WHO, 2011)。經過30多年的努力,人們不禁會問:為什麼仍然沒有針對HIV/AIDS的疫苗和根治性療法?為了回答這個問題,我們旨在研究激發HIV抗原特異性CD8+ T細胞反應的機制。本項研究計劃是基於我們最新的科學發現:即以細胞程序性死亡受體1 (PD1)或者一個新型PD1異構體(Δ42PD1) 為基礎的DNA疫苗可以有效地增強HIV抗原特異性的CD8+ T細胞反應。這兩種新的疫苗策略不僅可以實現對致命性病毒的保護,還可以在小鼠模型中實現對錶達抗原的惡性間皮瘤的根治。通過本項研究計劃,我們將用定性和定量的方法來深入揭示強化功能性CD8+ T細胞反應的分子機制,從而使我們對於研發有效的預防和免疫治療性愛滋病疫苗做出貢獻。

二維過渡金屬硫族化合物 - 從材料制備、物理研究到器件研制
項目統籌者:謝茂海教授 (香港大學)

單原子層或單層過渡金屬硫化物(TMDCs)是一類二維(2D)材料,由於其特有的物理性質及其在納米電子學和納米光電子學等方面的應用前景而為大家所關注和研究。這種單層TMDC樣品已從塊狀體材料中用透明膠帶剝離的方法獲得,並用該類樣品,人們發現了一些有趣的物理特性,比如萬倍於晶體體材料的發光效率等。同時,人們也用這種二維材料成功製作出了原型電子器件。

這種靠剝離辦法獲得的片狀樣品尺寸往往很小且不具備好的重複性。製作生長出晶片大小、並在樣品厚度及摻雜方面嚴格可控的樣品,無疑會對材料的進一步基礎物理研究和應用方面的探索帶來很大的幫助與促進。我們這一項目的提出,旨在組建一支背景不同但專業知識互補的團隊,互相協調,共同努力,致力於( 1 )製備高品質晶片尺寸大小的二維TMDC樣品; ( 2 )研究和發現二維TMDC材料及其異質結構的新的物理性質;( 3 )探索與製備基於該類材料的原型器件。我們將結合理論與實驗,通過該項目的實施,對TMDC二維材料的研究帶來新的發現和成果。