我想让几何机器人摸爬滚打,成为美丽的强者造福人类

本文为2019年6月23日“我是科学家”演讲活动第十二期——从达·芬奇到爱因斯坦 | 姚燕安 演讲实录:

能抢险救援,能探测星球,甚至维护世界和平…“几何机器人“究竟能有多强大的力量?北京交通大学机械与电子控制工程学院教授、北京交通大学机器人研究中心执行副主任姚燕安和我们分享:《我想让几何机器人摸爬滚打,成为美丽的强者造福人类》。

我是姚燕安,来自北京交通大学机械与电子控制工程学院和北京交通大学机器人研究中心。

机器人,大家应该都不陌生。传统的机器人概念,是人形机器人(又名两足机器人、足式机器人或仿人型的机器人),有两条腿。也包括机器动物,比如著名的美国波士顿动力公司开发了一种仿大狗的机器人,叫做Big Dog。再广义一些,也包括仿蛇形的机器人。

从机器人研究专家角度来看,其实还有一种仿生形的机器人——轮式、履带式或者球形的小车,给它装上摄像头,它就有一定对环境感知的能力;再装上车载的计算机,它就能够进行自动决策和判断。

所以,机器人是一个更为广义的家族概念。

“几何机器人”是我自己起的名词,是一类完全新概念的机器人。

这是我们一款三角形的机器人。三角形的结构很稳固,但我把三角形机器人做成可变形,三条边都可以伸缩,三个角都可以变化。然后给它装两只脚,它就变成了一个可以步行的三角形机器人。

这是一款四边形机器人。大家能注意到,它一会变成正四边形,一会变成平行四边形,在地上滚动。

轮子大家应该都很熟悉,如果说它是世界上最伟大的发明,估计大多数人也没有异议。轮子的几何形状其实很简单,就是个圆形或者圆柱体。但有了轮子,汽车就可以用来载重,可以高速行驶,整个推动了人类文明的进步。所以我一直开玩笑,说这个能滚动的四边形机器人是我最伟大的发明。

轮子适合很硬的路面,比如高速公路;但是它不适合松软的野外路面。这种四边形的机器人,以及我们后面会看到更复杂的可以变形的机器人,可以适应更复杂的地形。

我把这一类机器人叫做多边形机器人,这里展示的是六边形机器人。它是个六边形,但是可以一会变成三角形,一会变成四边形,还可以往左滚,往右滚。

这是我的孩子刚刚上初中的时候,我们给拍的录像,他现在已经上大学了。画面中他在指挥这个机器人,一会让它向左走,一会让它向右走,像交警在指挥交通一样。

这就有了一个很重要的机器人的概念:变形机器人。它的形态可以变化。

在初中,我们就学了平面几何,上面展示的是一部分平面几何的机器人;而高中,我们开始学立体几何了,所以也设计了一些立体几何机器人。

这是四面体机器人。当它站得比较正的时候,是一个标准的四面体。四面体由四个三角形构成,我把这四个三角形都做成可变形的三角形,就变成一个可以变形的四面体机器人。这样,它整体的高度和宽度就可以变化,很适合进行一些摸爬滚打的活动,比如爬山、钻洞。

还有更复杂的。这是双正交的四边形。

这个叫削棱截角多面体。

这个是双三角锥,它由两个四面体组合构成。

我们实验室还开发了更为复杂的变形机器人。

有一种拓扑几何,是拓朴学跟几何学的融合,是研究形状在变化过程中性质的一门学科。像我们也设计了几款拓扑几何的机器人。

像这款机器人,它是个椭球形,但是可以展开变成一个多面体。大家可能会很奇怪,怎么用啊?现在是把它做成炮弹。用炮弹把它打出去,让机器人展开,落地之后再爬山越岭、适应复杂的地形。

这是变形金刚,它本来是一个多面体,没有手,没有脚。但是我们可以通过变形,把它变出手或脚出来。它可以滚,也可以用手脚去攀爬。

这是我们目前正在做的另外一款变形金刚。变形金刚一般是把汽车变成汽车人,我们这个要复杂得多,有很多复杂的多模块组合。

除了平面几何、立体几何、拓扑几何,我们还研究了更为复杂的高维几何。

我们的物理世界是三维空间,用X、Y和Z三个笛卡尔坐标系就可以表达。但是爱因斯坦发现,实际上我们的世界不是三维空间,而是四维时空。像现在也有一些著名的几何学家、数学家,比如哈佛大学著名的华人教授丘成桐,他就在研究十一维的几何空间——他认为宇宙可能有十一个维度。

我的研究借鉴了高维几何——专门有高维几何这个学科。我一直认为数学好像远远领先于我们其他的学科,包括机器人、物理和化学。爱因斯坦在研究相对论的时候,他发现还没有很好的数学工具能描述四维时空,才去寻找四维几何学。实际上,几何学家早已经把非欧几何、四维几何准备好了。后来爱因斯坦掌握四维几何之后,就很快解决了相对论的问题。

这是我们做的一款非常玄妙的机器人,它起自于四维空间,叫双多棱柱。大家看到,它里面是个小的三棱柱,外面是个大的三棱柱。在运动过程中,里面的三棱柱可以伸出来把外面的三棱柱吞掉,外面变成里面,里面变成外面。非常有趣,也非常玄妙。

其实四维空间很重要的特性,就是内外不分,内外一体。

曾经有一位气功师张宝胜,有段时间非常有名,他声称可以把一个封闭瓶子里面的药片抖出来——这在三维空间里显然做不到,你除非把瓶子破坏掉。我们后来知道,这位先生是在变魔术。

实际上,四维空间的几何学真的有这种特性,比如说克莱因瓶,它真的是内外相通的。

我们团队正在进行一项更为复杂的工作,我把它叫做“超(机器)人”,用术语描述是“极端地形可重构多模式机器人”。

这是仿真录像(左图)和第一代实验样机(图右)。它的外形是多面体,可以近似球形——灵活,有全向移动能力,但不是很容易控制;也可以变成履带式——滚动行走,适应比较松软、崎岖的地形;也可以变成轮子——快速滚动。此外,在硬路面上(如高速公路),它还可以变出腿和脚去攀爬。

它有一个很独特的特性:可以折叠起来,堆在一起——很适合隐蔽、隐藏或者运输、投掷的工作。

这样,它就具备了内在变拓扑、外部变形态的特点。我希望用它来克服极端复杂的地形:需要快的时候就变成轮子或球形,需要跨越松软地形就变成履带或蛇形,需要攀爬台阶、壕沟、垂直墙等离散障碍就变出腿脚。

从提出几何机器人的概念到今天,我做了有十五、六年的研究。不断有人问我:你提的这个几何机器人,有什么用?

我也经常开玩笑回答——

几何学的创始人是古希腊伟大的哲学家、数学家欧几里得,他写了一本《几何原本》,在柏拉图的几何学园里来教几何学。

有一天,一个年轻人问欧几里得:我跟你学几何学,有什么用?

欧几里得就对站在他旁边的学生说:给这个小伙子三个硬币,让他走吧,他想从几何学里面学到实际的利益。

对此,我的理解是:柏拉图、欧几里得这些伟大的数学家、哲学家、科学家,他们很不希望自己的学问被看作是实用的、技术性的技巧。但是我们知道,除了古希腊之外,其他文明古国(古印度、古巴比伦、古埃及,包括古中国)实际上都把几何学作为测地术——用来丈量土地、盖房子。

其实几何学是非常有用的学问,古希腊的哲学家、数学家他们试图用它来研究宇宙的结构,探索神是怎么创建宇宙的。当时柏拉图就提出来:宇宙是由五个正多面体(正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体和正二十面体)构成的——多面体有很多,但正多面体只有这五种。他认为,正四面体代表火,正六面体代表土,正八面体代表空气,正二十面体代表水;后来他的学生提出来,正十二面体代表上帝的一种元素“以太”。

我们做的几何机器人,它具有无用的一面,也确实有实用的一面。我在实用方面的探索,是希望把它作为探索极端地形的机器人。

这是2008年汶川地震的一张照片,当时我正在德国做访问学者。其实本来蜀地就没有什么路,山很陡峭——“蜀道之难,难于上青天”。地震把仅有的路面严重破坏了,所以地面的救援车辆根本过不去。天气很恶劣,地形很复杂,直升机也不敢降落,就只能靠士兵攀爬。士兵需要背很多很重的救援物资,速度很慢,也很危险——真的让人很揪心。

当时我在德国,远水解不了近渴,也没有办法。但是我给坦克装甲车研究所的工程师打电话:装甲突击车那么厉害,能不能过这种地形?很遗憾,装甲突击车也过不去。

于是我就想,能不能做一款机器人,它能够在这种复杂地形下通行自如,进行抢险救援?

陆军在2016年办了一个仿生机器人的挑战赛,邀请了国内做仿生机器人比较强的团队。比赛现场有好几个仿美国大狗的机器人,而我们的铁马多足机器人有16条腿。

我们在一个山区里面比赛,这是当时的场景。铁马多足机器人跟大狗机器人采用了截然不同的设计原理,它每一只马腿都由若干层的网格叠加,很复杂,也是我几何机器人的一个延伸。最后,我们拿到了山地赛总分第一名,在载重和速度方面都超过了美国的大狗机器人。

很多人可能会奇怪:机器人是很典型的高科技,为什么又在做艺术?

我是这样思考的:高科技往往很快就会被取代,比如手机,可能两三个月就换代了,难以持久。但艺术是永恒的,比如李白的诗、齐白石的画,可能有人类存在,艺术就会不断地存在下去。那怎么在瞬态变化、日新月异的高科技之中,探索永恒不变的元素?

这也是引起我关于“艺术跟科技融合”探索的动机。

实际上,我主要受到这两个人的启发:塞尚和达·芬奇。

塞尚,西方把他称为“现代艺术之父”和“新艺术之父”,他开创了包括立体主义、抽象主义等等现代艺术的画风。他认为,圆柱、圆球和圆锥这些抽象的几何元素更适合表达自然,更接近自然的本质。我跟塞尚学了一点点的皮毛,所以做出了圆柱形、圆球形和锥体的机器人。

另外,也受到了达·芬奇很深刻的影响。达·芬奇不仅是伟大的画家,同时也是一位伟大的科学家——很多巧妙的装置都是由他最初设计的。我从达·芬奇绘画里得到最大的灵感是,一种运动的艺术。其实我最开始看《蒙娜丽莎》的时候,觉得好像也没有很漂亮;但后来就越看就越入迷。我逐渐感觉到,达·芬奇的艺术造诣可能不是形态的、几何学的漂亮,而是一种巧妙、精巧又玄妙的运动的艺术。

我也创造了一些具有运动艺术的机器人作品,比如雪花机器人,它是一个比较复杂的多边形机器人。

我对流行歌曲不是很感冒。但当时听到萨顶顶唱这首歌的时候,就很有感觉:思绪像飘扬的雪花,落在地面上,变成自由行走的花。我就想,是不是真的可以做一枝可以行走的花?

后来我就做出了可以行走的雪花,当然是很抽象的雪花的造型。我也请一个舞蹈家作为舞蹈老师,排了一个雪花机器人的舞蹈,并且请了小演员表演群舞。

机器人是一种智能的生命,它跟传统的机器都不一样。它有智能,有自主感知运动的能力,有可能跟人类是一样的。那将来,机器人怎么跟人类去共融相处?所以我希望尝试“人机融合”。

我们也尝试借鉴了艺术领域的一些流派和风格,来做一些机器人艺术作品的创作。

比如,这是我和康奈尔大学教授、中央美院客座教授陈小文合作创作的撞南墙圆柱机器人。得知我的机器人是圆柱体,陈老师提议:能不能让它去撞南墙?结果做出来的这款机器人就不断地撞墙——撞完墙,退回来,再撞——我觉得有点“行为主义”的味道。

这是一个滑行四边形机器人,其实在仿蛇形;但形是一条曲线,不是蛇形——神似形不似。

这个双三角锥机器人,以数学图阵里一个很著名的问题命名,叫Random Working。它有一个非常有意思的特性:可以在地面上随机行走。

它像一个醉汉——一会清醒,一会糊涂,有时候第一步知道往哪里走,结果第二步就不知道了。

这个鼎是我的镇宅之宝。我跟中科院自然科学史研究所张柏春所长非常熟,也认识一位用现代技术做鼎的苏荣誉老师。所以有一次我们三人聊天,我就请两位老师指导一下。

苏老师很感兴趣,说这个是行鼎;但是古鼎专家也没有搞清楚到底什么是行鼎,因为出土文物很少。他说,这可能是世界上第一台真正能走的鼎,干脆我给起个名字叫“姚氏行鼎”。但是张老师就质疑:鼎本来是静物,一言九鼎,不能动——这晃来晃去算怎么回事?

张老师的话困扰了我很长时间,让我好几年都不敢往外推——我做的装置不被科技史专家认可,大概也不太好办。后来我想,牵强一点,干脆让它“动如脱兔,静如处子”——平常让它不动,但每隔半个小时让它出来转一圈。

前段时间,我在798的成当代艺术中心举办了一个几何机器人的科学艺术展,上图是当时的一个展品。这双鞋子实际上是个机器人,也可能是世界上最简单的机器人,只有两只脚——我把它简化到只有两只脚,连身子都没有了。我做了机器人的骨架,后来陈老师帮它穿了两只鞋,中央美院的几个研究生也参与了创作。展出时只有一个电机,只用了一个马达,很好地体现了极简主义的风格。

我提出了MSEAP的理念,五个英文字母分别代表数学(Mathematics)、科学(Science)、工程(Engineering)、艺术(Art)和哲学(Philosophy)。静态的几何图形,通过力学(代表科学),可以变成可动的物理装置(即机器人),再通过工程的设计、制造、加工、检测,可以变成实用的产品。我还要通过艺术的设计,使它更美妙,更符合美学的视角。另外,也希望融入哲学思想,使它具有普世性。整个过程,我把它概括为数学的严谨思维、科学的创新精神、工程的实践能力、艺术的美学视角还有哲学的普世情怀。

几何机器人有有用的一面,可以装摄像头,可以侦查探测,可以运载、运输,也可以放枪、放炮。作为超级金刚、作为武器,它有强大的力量,可以救人,也可以杀人。

最初柏拉图、欧几里得这些古希腊伟大的数学家、哲学家,他们用几何学来研究宇宙的结构和秩序;牛顿完全继承了他们的衣钵,提出了万有引力定律,认为万物包括宇宙天体要有力来推动运动——这样的话,整个宇宙其实变成了一部机器。在他们的基础上,我稍微引申了一点点,把机器人引入到几何学里面。

机器(包括汽车、飞机)是人设计和制造的,但是人和动物是进化来的,这是两个不同的技术路线。那么,机器人将往哪里走?它是人造的,但又有智能,可能比人类更聪明。孩子被父母生出来之后,就可能不受父母控制了——机器人也可能如此。目前来看,机器人的体力已经超过了人,存储、计算能力也超过了人(比如AlphaGo),实际上逻辑分析能力可能也已经远远超过人了。

我的看法是,机器人超过人是必然的,可能指日可待。这样的话可能会引起很多人的忧虑和思考:如果机器人真的比我们还厉害、强大,它会不会对人类不利,甚至毁灭人类?

我很喜欢看武侠小说,一直很喜欢“强大的武功和力量掌握在正义之人手中”的剧情。比如降龙十八掌,这么强大的武功掌握在萧峰手中,我们不会很担心,但是如果掌握在星宿老怪手中,世界可能就会一团糟——我很希望强大的力量能够掌握在正义的人手中。

我也非常喜欢《西游记》,这段时间我一直在研究它。大家都知道观音菩萨是慈善和美丽的化身,但其实她也有非常强大的力量。孙悟空和观音菩萨之间,曾经有过这么一段故事:观音菩萨让孙悟空拿她的玉净瓶去对付红孩儿。孙悟空就去抓,但根本抓不动,他就很不服气,为什么菩萨轻轻一拎就能它拎起来了?菩萨说,你神通广大,但只有担山之力,没有架海之力,玉净瓶里装的是五湖四海的水,你的力量还差很远。

我希望我的机器人将来能成为菩萨一样的美丽的强者,造福人类,维护世界和平。

谢谢大家。

演讲嘉宾姚燕安:《我想让几何机器人摸爬滚打,成为美丽的强者造福人类》

我为科学画海报,让普通人也能看懂顶级期刊论文

本文为2019年6月23日“我是科学家”演讲活动第十二期——从达·芬奇到爱因斯坦 | 王国燕 演讲实录:

丰富多彩的科学封面图像,不仅可以提升论文引用率,更能拉近科学与公众的距离。不过,为Nature、Science、Cell系列期刊设计封面图其实是个不小的难题。怎样将看起来陌生又遥远的前沿科学,变成一幅幅活泼灵动又充满艺术感的图像作品?来自中国科学技术大学科技传播系的王国燕老师为大家带来分享:《用视觉艺术捕捉前沿科学的精彩瞬间》。

大家好,我是王国燕,来自中国科大的科技传播系。我和我的团队一直致力于用视觉艺术来展示前沿科学之美,协助科学家们用图像来讲故事、做科普。

一图胜千言。发表在国际期刊Nature,Science,Cell(也称为CNS三大刊)里面的论文,可能在大家看来很深奥,离我们非常遥远。可是它们的封面,每一期都是一幅幅非常生动的科学艺术作品。这些科学艺术作品用图像讲故事,能够把冷冰冰的科学变得有温度。它们除了作为封面之外,也能够用在科技新闻和科普的文章之中,拉近前沿科学和社会大众之间的距离。

我们首先来举一个例子。大家看一看左边这张学术图片,它讲的是生物体内的细胞吃掉自身杂质的一种自然现象,叫做“细胞自噬”。在科研人员看来,这张图片可能已经非常精致和清晰;可是作为普通公众,我们好像不太能看明白它讲了些什么。

但是如果我们换一种表现形式,比如说右边这幅漫画:画面中一个很呆萌的细胞坐在那里,一手拿着刀,一手拿着调料粉,正在津津有味地准备把自己给吃掉。它的身后是一个书架代表基因库,它表达的是科学家们从一个庞大的基因库里面发现了两种非常重要的蛋白激酶,可以有效地促进细胞自噬。

所以同样的内容,如果从学术图片切换到我们熟悉的、生活中的场景,一下子就变得容易理解了,也更为生动有趣。

我们在做的事情,就是运用色彩、材质、形象甚至故事,把每一篇抽象的CNS论文变成一张张生动的科学图像。

科学图像的创作过程,其实挺像是给科学成果来创作电影海报。记得最初一次Nature的封面设计,是在十年以前。2009年的时候,潘建伟院士有一篇论文即将发表在Nature photonics上,需要一张图片来做封面。可当时中国还没人能做好这件事情,于是他建议我们科技传播系来攻克难关。

在他的建议之下,我和系里的很多师生进行了大量尝试:我们想尽了各种办法,运用了各种资源,做了很多很多的设计稿。最终有一稿能勉强交给Nature,就是中间红色调的这一张。

交上去之后,经过当时感觉非常漫长又煎熬的等待和期盼,最后潘建伟老师的文章成功地发表在Nature的封面上,成了封面故事文章。然而遗憾的是,最终采用的这个封面图像不是我们当初提交的那一张,而是Nature的美编重新绘制了一张图,就是右边蓝色的这一张。

这两张图很相似,但又有不同。由于实验是在长城上做的,我们原来画面中下面有一个长城,是把一张照片进行了素描化处理。但可能是考虑到版权问题,Nature的美编把这个长城重新进行了绘制,并且把画面调成了蓝色调。这样整体感就更强了,也显得很干净。

这个事情给了我很大的启发和思考:究竟什么样的图像才能够发表在Nature的封面上?

经过了一番探索,我发现有这么几个方面的因素——

Nature的美术总监叫凯莉·克劳斯(Kelly Krause),她之前也是Science的美术总监。她曾经说过,一个好的设计一定要具有视觉冲击力,任何人看到图像的第一眼就会被它深深地打动、牢牢地抓住。所以从这个角度来说,形象上和形式上的生动,可能比科学上的严谨还要更为重要。

从第一次创作到现在,整整过了10年,我们形成了一支专业的前沿科学可视化团队。到今天为止,我们总共为中国科学家的61项成果设计过上百幅图像。

我很享受科学图像创作的过程,因为我喜欢科学,也喜欢和科学家交流——在这些成果还没有正式对外公布之前,我就成了第一个被科普的对象。科学家会告诉我这些成果是怎么来的,用了什么特别的技术,取得了哪些关键性的科学创新,它们未来会在我们的日常生活中有着什么样的应用空间,甚至整个科研的过程有哪些有趣的故事。在交流的时候,我的脑子里就会浮现出各种各样的画面,这些画面最后被我的团队成员们变成一个个漂亮的设计。

我们创作过很多的手绘故事,这是其中我比较喜欢的一张,NK细胞促进胚胎发育。画面中是一个早期的胎儿,他正在被一群NK细胞们照顾着。它们有的在撒营养因子,有的在拽奶瓶,还有的在查找资料,研究怎么样才能当一个好保姆,很故事化。当陈磊沿着这个思路拿出设计稿的时候,我当时第一眼的感觉就是“完美”,果然这个设计最后成为了Cell的子刊Immunity的封面。所以一个好的设计,首先打动了自己,才有可能打动别人。

很多中国科学家都希望能够把中国元素用在国际前沿期刊的封面上,这大概也是出于一种爱国情怀。去年有一个成果,肿瘤细胞的恶性病变被阻断。同样的内容,我们创作出两个不一样的故事:肿瘤吊床(如图左)和哪吒闹海(如图右)。

文章的作者非常喜欢哪吒闹海的设计,因为这是精心打造的一个中国故事;从绘制的功夫上来讲,也是花了左边那张图好几倍的功夫。但是最后Cell编辑的选择却恰恰是左边的这一张。所以说从期刊的角度来看,有没有用到中国故事、中国元素都不是关键,关键是:一张图像要能够直接、清晰、准确又生动地表达科学内容。

我们的设计第一次登上Nature的封面是在2012年的时候,用到了一个中国元素,太极图,成果是光子的对立互补特性。光的本质是波还是粒子?有人证明过它具有波动性,也有人证明过它具有粒子性,可是之前还没有人能够同时证明它具有波动性和粒子性。科学家们设计了一个非常巧妙的实验,同时观测到光子具有波动性和粒子性两种特征,一下就发了一篇Nature。

这个设计,用到了中国传统哲学中阴阳互补的概念。我们用一个透明的水晶球来表达光子,它被分成了两半,形成了一个太极的阴影,传达出具有对立互补的特征。此外,西方著名的量子物理学家玻尔手绘的家族族旗也用到了太极图案。所以说,对立互补、对立统一的哲学思想可能已经超越了国界。

亚纳米拉曼成像是一篇Nature成果,同时也是某一年的中国十大科技进展新闻。成像的分辨率比纳米还要小,所以叫做亚纳米。我们模拟实验的微观环境,创作出了微观摄影风格的设计(如图左);又因为卟啉分子在绿色激光的渲染之下有中国古代玉如意的感觉,所以我们又创造了另一个方案(如图右)。

我们把这两幅图在交给Nature作为封面备选的时候,同时也交给了国内外的很多媒体用于科技新闻报道。结果发现一个非常有意思的现象:国内媒体普遍采用玉如意的图像作为配图,而国外的媒体则全部采用了微观摄影风格。从此也可以看出,审美是存在一些文化差异的。

给研究对象直接做“美颜升级”是一种很常见的设计的手法。人类疱疹病毒是一个特殊的研究对象,病毒本身是没有颜色的,而我们通过3D渲染赋予了它不同的色彩和质感,让画面看上去显得更加逼真和生动。

还有另外一种创作手法叫做“无中生有”,是把看不见的东西变得可见。比如前不久的一个成果,宇称时间对称。这个成果方方面面都非常抽象,看不见,摸不着。那怎么办呢?

我们尝试着从它的实验方法中去寻找设计的线索,创作了一对跳双人舞的小人(小明和小莉),来比喻科学家在此项研究中一种新的实验方法——通过引入一个自旋辅助比特实现了量子调控。

再比如,宇宙中有一类星体叫做“磁星”,它具有很强的磁场。但是距离地球非常非常遥远,没有人见过它是什么样子。所以我们根据一些非常微弱的线索,再加上补脑想象,形成了这样的画面:一颗由两个中子星合并而刚刚诞生的磁星,正在释放着大量的X射线。

最艰难的一次设计,是前年的冬天。当时下着好大好大的雪,我团队里的3D设计师马燕兵骑电动车摔倒,严重骨折住院了。而在这之前,我们刚刚答应了帮助曾杰老师的成果来做设计,快要过年了,时间本就非常紧张。

其实对我来说,多做一个或者少做一个设计,无非是多一次少一次经验的事情;可是对于作者来说,往往意义很不一样,因为这往往就是他们人生中最重要或最有代表性的成果,容不得有半点马虎和耽搁。所以一直以来,我们都是以十二分的用心去做好每一个设计。

这次的设计很特别,它似乎只适合用3D建模来完成。燕兵因为受伤,至少有一个月都不能恢复工作;而我的团队比较小,每个人分工各有不同。团队的其他成员和新上岗的3D设计师非常努力地做了很多尝试,但是效果都不理想,过不了我们自己这一关。所以很无奈,我对作者表达了歉意,这也是多年以来唯一一次我主动想要放弃设计。

但是让我没有想到的是,曾杰老师做了一件很冒险的事情:他要求Nature的编辑把文章的发表时间往后推迟了一个月,一般人不敢这样。这样就给我们赢来了宝贵的时间。

燕兵出院以后立即投入工作,进行了最后一次尝试,提交了方案。正是多了这最后一次的尝试和努力,多了这最后一个月的等待,这个设计不光发表在Nature的封面上,更是作为Nature官方主页的进站画面挂了整整一个月的时间,给论文带来了极大的关注度。

看了这么多的科学图像,也许有人会问:这些图除了好看一点,除了能够帮助科学家们登上Nature封面风光一下,又有什么用呢?

我和英国合作者曾一起做了一项实证研究,我们发现封面故事和封面图像的使用可以让论文的引用率放大到两倍以上。

科学图像除了能够提高论文的引用率之外,还有积极的社会价值。

我们国家正在努力成为世界的超级科技强国和大国。我们产出了大量的科研成果,同时也需要努力做好科学普及,提高全民的科学素质。培根曾经说“知识就是力量”,这句话大家都很熟悉;可是它的上下语境是,“不光取决于知识本身,还在于它是否被传播,以及被传播的深度和广度”。所以我们一方面呼吁科学家重视科普的力量和价值,另一方面也在协助他们,让科学更吸引人,吸引更多的人。

前沿科学的艺术设计就像是一个钟摆,来回在科学和艺术之间摆动,寻找着一个平衡点。我们努力地想要把前沿科学探索发现过程中最美的瞬间用艺术作品展现出来,希望有更多的人可以领略到前沿科学的魅力。谢谢大家。

演讲嘉宾王国燕:《用视觉艺术捕捉前沿科学的精彩瞬间》

确认过后脑勺,这个头颅主人就是欧亚大陆最古老的智人!

|· 本文来自“我是科学家”·|

在古希腊神话中,世界各族人民的祖先是两个希腊人。他俩历经大洪水而幸存,之后用石头创造出了芸芸众生。

神话传说当然不可信,但是无巧不成书,最近,科学家们还真就在希腊一处洞穴遗址里发现了两例古人类颅骨化石。最新的研究结果显示,这两位古人类的生存年代在距今21万~17万年前,是亚欧大陆上最古老的智人!就在今天,他们的研究成果发表在了《自然》(Nature)杂志[1]

本次研究的古人类化石出土于Apidima洞穴,位于希腊南部玛尼(Mani)半岛 | 图片来源:Wikimedia Commons | Fut.Perf

重修人类家谱:智人到底有多古老?

悠久的历史,是人类引以为傲的资本。但是与大自然相比,人的历史只算是白驹过隙的一瞬间而已。科学家们认为,我们这群智人是一个很晚才诞生的物种。很长一段时间里,地球最古老的智人化石记录也只有19.5万年的历史,这还是在被称为“人类摇篮”的非洲。而在古人类的“新居”亚欧大陆,最早的智人出现记录只有10万年左右的历史。

事情的转折出现在2017年,当时,科学家们宣称他们在北非摩洛哥找到了30万年前的智人化石。这意味着,智人出现的时间比我们预想中要早得多。既然如此,智人走出非洲,进入欧亚大陆的时间是不是也比预想中更早一些呢?

要想证明这个猜想,我们需要在欧亚两大洲找到年代更早的古人类化石。可是面对这茫茫大地,我们该上哪儿去“大海捞针”?

俗话说得好:人不辞路,虎不辞山。古人类在翻越山和大海的时候,肯定会经过一些关键的交通要道,这些地方很可能存留有古人类的活动遗迹乃至遗骸。位于东南欧的希腊,就是这么个要害之处。

以希腊为代表的巴尔干地区被誉为“世界的十字路口”,它是欧亚非三大洲的交汇之处,也极有可能是智人扩散进入欧洲的必经之路。更重要的是,希腊地区以前就曾发现过一些古人类化石,而且有一些的鉴定信息很模糊。在他们之中,是否就有我们想找的古老智人呢?

山的那边,海的那边,啥时候来了群原始人?

科学家想到了阿匹迪马(Apidima)洞穴中的两个颅骨化石。这两例化石最初发现于1970年代,受限于当时的技术条件,其种属信息和年代信息都不明晰。因此,图宾根大学和雅典国立大学等机构的研究者希望对其进行新一轮的检验。

化石发现地玛尼(Mani)半岛是希腊著名的旅游胜地 | 图片来源:Wikimedia Commons | Rene Konijnenberg

研究者剥取了颅骨化石上黏连的沉积物,对其进行铀系测年。这种测年方法可以根据沉积物内部铀系放射性元素的衰变情况,来推测物体在地下被埋藏的时间。结果显示,阿匹迪马洞穴的1号颅骨埋藏年代在距今约21万年前,而2号头骨则是在17万年前。

阿匹迪马洞穴中出土的两例颅骨化石 | 图片来源:参考文献1

这个年代确实非常古老,但数据本身并不算稀奇。因为在那个年代,欧洲地区已经有不少古人类了,只不过他们并非智人。那么,阿匹迪马洞穴的这两例颅骨是属于智人,还是其他古人类呢?

计算机复原后的颅骨化石 | 图片来源:参考文献1

其实,2号颅骨的归属问题已经有持续多年的争议。之前有专家认为他是一种比智人更加古老的直立人,另外也有学者将他视为尼安德特人。而本次研究的学者们也认为,2号头骨长着一张尼安德特人的脸,它并不是我们现在智人的直系祖先。

相比之下,1号头骨的保存情况差得多,大部分面部骨骼都不翼而飞。连脸都看不着,科学家们还能鉴定他是什么物种吗?

当然能!不过,不让看脸,科学家们还可以看后脑勺呀!

智人与尼安德特人颅骨形态对比。左为智人,右为尼人 | 图片来源:Wikimedia Commons | hairymuseummatt

原来,尼安德特人和智人之间有个非常关键的差异:他们的后脑勺长得不一样:尼安德特人的脑颅性状很特殊,有个向后突出的发髻状隆起,而且轮廓从后面来看更圆。然而,阿匹迪马洞穴的1号头颅后脑勺形态与之完全不同。不仅如此,1号颅骨的各项形态测量指标都说明:这例标本与尼安德特人并不相似,而应该归属于我们智人家族!

换句话说,阿匹迪马洞穴1号颅骨代表了一群生活在欧洲的智人,他们的生存年代距今约有21万年。这不仅意味着它是欧亚大陆目前已知最古老的智人化石,也意味着智人进入欧亚的时间比我们预想中更早。

不过,这一批智人后来的命运就不得而知了。他们的后代可能遍布了欧洲,也可能逐渐灭绝了。而在此后的二十多万年里,希腊这块宝地仍然扮演着十字路口的角色。来自各方的人群、技术、思想在此交汇,最终成就了人类文明中那些最灿烂的篇章。(编辑:Yuki)

参考文献:

  1. Katerina Harvati et al. Apidima Cave fossils provide earliestevidence of Homo sapiens in Eurasia [J]. Nature, 2019.
  2. Erik Trinkaus. Modern Human versus Neandertal Evolutionary Distinctiveness [J]. Current Anthropology, 2006.

作者名片

假如美国人不吃牛排,地球会变凉快吗?

|· 本文来自“我是科学家”·|

如果美国的每个人都不吃牛肉改吃豆类,那么美国将轻松达到奥巴马总统设定的2020年温室气体减排量目标的74%。

牛肉的意义早就超越了食物本身,它象征着美国的阳刚和权威。2018年9月,当民主党人贝托·奥罗克(Beto O’Rourke)呼吁用豆腐代替肉类烧烤时,这则消息深深地冲击了美国的文化传统以至于一时登上全国热议。玛尔塔·扎拉斯卡(Marta Zaraska)在她2016年出版的书籍《吃肉成瘾:痴迷于肉的250万年的历史与科学》中认为,食物的力量是一种象征:“近期的科学研究证实,人类中那些信仰权威的人,那些认为社会阶级重要的人,那些寻求财富和权势的人,那些支持人类主宰自然的人,比那些反对不平等的人吃肉更多。”

但是如果奥罗克真的想用豆腐代替肉(虽然从他多次访问该州的快餐连锁店“Whataburger”来看似乎口是心非),他站在了支持科学的一边。一项2017年发表在《气候变化》杂志上的研究发现,如果美国的每个人都用豆类代替牛肉,那么美国将能够达到前总统奥巴马设定的2020年温室气体减排量目标的74%。虽然长久以来,素食主义和纯素主义长期以来被视为消费者的个人选择,并不能对人类所处的灾难性局面产生真正的影响。但是在2018年10月7日联合国发布的2018年气候变化报告中,这些糟糕的数据预示着人类饮食在将来可能会经历许多变化,而这些看似微不足道的改变在文化上将具有颠覆性的作用。

人类饮食的改变在文化上将具有颠覆性的作用 | 图片来源:pexels

的确,气候变化唯一真正的解决方案是通过对政治经济体系进行大量长期的变革才能找到的。真正有能力防止气候变暖带来的灾难性后果的人,往往正是那些能够从灾难中获益的亿万富翁。2018年10月,GQ的文章这样写道,“一位顶级的摩根资产投资策略师告诉客户,海平面上涨是不可避免的,所以投资海堤建设有很多机会”。政府监管和行动只要能够覆盖100个占据了世界71%的温室气体排放的企业,就能在这方面发挥好作用。

当科学、社会经济和政治现实都在为唾手可得的经济利益让路时,人们为什么非要改变日常的饮食生活呢?当店里甚至还有草饲牛排卖时,忍受吃豆制品的煎熬是否真的值得?

答案是肯定的。卡罗尔·J·亚当斯(Carol J. Adams)和弗吉尼娅·梅西纳(Virginia Messina)的新书《抗议的厨房》中表达了这样一种观点:你每一顿饭不仅仅与你个人相关,而是与资本主义、父权制度种族主义和环境破坏对抗的一种重要形式。作为连接父权制和肉类消费的开创性的素食主义文本《肉的性别政治学》(The Sexual Politics of Meat)一书的作者,亚当斯和其合著人梅西纳将“用素食作抵制”的潜在影响与18至19世纪的废奴主义者拒绝从蓄奴国家购买白糖的行为联系起来。人的饮食习惯能够成为强大的集体行动的一部分,而且可以为工人团结和抗议活动提供机会。即使是喜欢吃肉和其他动物制品的人想必也可以理解:依赖于集中化、工厂养殖生产的肉和奶制品中的食品不安全性值得商榷;另外,环境种族主义等角度来看,主要雇佣移民劳工、设备落后卫生条件差的屠宰场也是相当可怕的人类工作场所。

人的饮食习惯能够成为强大的集体行动的一部分,而且可以为工人团结和抗议活动提供机会 | 图片来源:pexels

这个论点的潜台词是:一个真正的改革派不应该支持以剥削工人、环境和动物为基础的工业。自联合国2018气候变化影响报告发布以来,情况变得更加清晰。该报告指出,“受影响最严重的人生活在中低收入国家,其中一些国家已经经历了食品安全水平的下降”。我们的饮食已经不再仅仅是消费者的个人选择,而是一个关乎全球人与环境健康的问题。这个问题潜在的政治倾向,在历史中已早有先例。在资本主义的范围内,钱即话语权。既然我们必须花钱买食物(我们仍然需要吃才能生存),那我们为什么不去花钱买出我们的心声呢?

也许个人的行为对整体的作用微乎其微,但集中的集体诉求的影响却不容小觑。在联合国气候报告之前,本年度的美国环境新闻聚焦于塑料吸管上。据报道,美国每天要消耗大约5亿根塑料吸管,它们会堵塞水道,伤害水体生物。因此,停止使用这么多塑料吸管赢得了广泛共识。从西雅图开始,陆续城市开始禁止使用塑料吸管,并且部分公司承诺他们的门店将在几年内逐渐取消使用塑料吸管。最重要的是,这是一个人人都可以亲身参与的运动;一个引发了政府、企业和个人三重关注,最终推动变革并造福环境的罕见案例。

集中的集体诉求的影响却不容小觑 | 图片来源:pexels

当塑料吸管仍然是“今日头条”时,许多人忽略了(或者只是不知道)一个事实,就是不吃鱼也能够让全球的水域健康获益匪浅。捕鱼设备占据了海洋塑料废弃物的46%,而且很多海洋生物被过度捕捞了。阻止世界气温上升所需的工作首先要缓和道德素食主义者、那些对于畜牧困境漠不关心的人和中间派三者之间的紧张关系。没有这样的合作,人类就无法阻止气候变化相关的破坏,事实上,这些已经影响到了路易斯安那、德克萨斯、弗罗里达、北卡罗来纳、加勒比海、法国、香港等等地区的弱势群体。哪怕不考虑奶牛、鱼、鸡或猪的利益,只是单纯提高对人类自身生存的关注,人类这种饥饿的杂食动物也是时候开始尝试用豆类替代肉类了。(翻译:蔡导;编辑:大庆;审核:Yuki)

编译自:If What You Eat Can Change the World, Why Won’t Americans Give Up Beef?

原文链接:

  1. https://howwegettonext.com/if-what-you-eat-can-change-the-world-why-wont-americans-give-up-beef-837e0e0ca1a9

这款不给力的降压药,如何变身成跨性别者的福音?

|· 本文来自“我是科学家”·|

螺内酯,一种最初作为降压药开发的橘黄色小圆片,如今不再是对抗高血压的首选,却摇身一变成为了另一领域的宠儿。接下来我们就来它的前世今生。

螺内酯的化学结构式  | 图片来源:wikipedia

不太给力的降压药

1959年,螺内酯作为一种用于治疗高血压的保钾利尿药而问世。举个形象的例子,如果我们把血管想象成浇灌花园的水管,当我们用拇指堵住管口的时候水就会被阻断,压力就会上升。当你把手放开,把水放掉,压力就会降低。利尿剂就是将水分通过尿液的形式从身体中排出,达到降低血压的效果。而“保钾”就意味着螺内酯在排出水分的同时可以把钾留在体内。

然而,高血压的病因往往是多因素的,仅仅减少体内的水和盐并不会解决太大问题。事实上,单独使用螺内酯治疗高血压并不推荐,因为它的效果实在差强人意,但往往却伴随着令人烦恼的副作用。

尴尬的副作用

事实上,螺内酯还属于一种特殊类型的利尿剂,它是合成甾体、盐皮质激素受体激动剂。具体来讲,合成甾体就是通过人工合成,跟体内激素发挥相似作用的化合物。而盐皮质激素是体内一种影响身体里水和盐储量的类固醇激素,正常情况下由人的肾上腺产生。细胞上朝外接收信息的受体可以与细胞外的分子结合,从而诱导细胞内部行为发生变化。而受体激动剂就会阻断其他分子与受体结合。因此为了能够与受体结合,螺内酯就需要与其他体内自然产生、用于维持水盐平衡的肾上腺激素(醛固酮)分子竞争。当螺内酯成功地结合受体,身体就会将水和盐排出。

然而螺内酯并不是想象中那么“特异”,它的形状跟很多甾体激素都有点像,当它存在的时候,包括睾酮(以及孕酮和皮质醇)受体在内的其他受体也同样对它表现出好感,与之结合。这就造成螺内酯对性功能具有副作用:男性会出现胸部疼痛和男性乳房发育,处于月经前期的女性会出现月经不规律。

螺内酯对性功能具有副作用 | 图片来源:pexels

因此,对于大众来讲,螺内酯并不会作为降压药的首选。然而随着医生和患者自己不断地摸索,又让这款老药迎来了新生。

撕下标签后的用途

一款药物的研发和审批经历着复杂而漫长的过程。一般制药公司在向美国药品与食物管理局(FDA)提出药物申请的时候往往针对单一、特异的适应征。拿螺内酯来说,就是降低血压。但是一旦药物获得批准,医生就可以以任何原因把药物开给患者,也就是说在获得FDA批准之时正是撕下药物标签的那一刻。

这就使得一些药物出现了“标示外使用”的现象。2012年,发表于《梅奥诊所学报》的一篇论文将“标示外使用”描述为“针对一项指征(一种疾病或一种症状)开出一种现有的已经上市的药物,但这种指征并未获得FDA的批准。”而当前螺内酯两个主要“标示外使用”的适应征是多毛症和痤疮(尤其是性激素性痤疮)。这些症状可能单独出现,也可能作为一种综合征疾病的一部分,比如多囊卵巢综合征(PCOS)。PCOS患者体内睾酮水平比绝大多数女性都高一点,但仅仅因为这高一点的睾酮就让体内一系列其他激素都不知所措,造成体毛的异常生长,脱发,不育,卵巢囊肿,以及胰岛素抵抗。

1987年发表于《生育与不孕》杂志的一篇论文报道了服用螺内酯可以改善多毛症和痤疮的临床观察,同时还证明了螺内酯的抗睾酮活性。这项一直被忽略的“副作用”受到了跨性别群体的青睐,在美国成为了最常见的抗雄药物。用于在接受性激素治疗阶段阻断睾酮,从而促进包括乳房发育在内的第二性征的发育。

以身试“法”

当一种药物计划外的副作用或标示外用法的需求越来越大,制药公司就会考虑是否值得通过向FDA提交一项新的药物适应征来获得更大的利润。如果这样做,就称为药物的再利用。一个耳熟能详的成功案例,就是作为心绞痛药物开发的伟哥(西地那非)持续的副作用成为了男性的福音。另一款同样是降压药血管舒张剂米诺地尔,成为了治疗脱发的救命稻草(落健)。

然而,接受性激素治疗的群体很小,并不会给制药公司带来巨大的利润增长。对于这一治疗,FDA也并没有批准过任何药物。缺乏试验和数据就使得接受治疗者自己才是最专业的,他们不得不以身试“法”,对上市药物的标示外用途做出一些探索,小到在网上搜索“XX药是不是能让我很爽?”大到做一些本该是制药公司、科学家、研究者以及医疗提供者应该做却不做的事情。可以想象,作为唯一的“专家”,他们为了自己的身体以及治疗承受着巨大的压力。

缺乏试验和数据就使得接受性激素治疗者不得不以身试“法” | 图片来源:pexels

如今,螺内酯已经面世60年了,它曾经的副作用已经成为了部分人群需要的治疗靶点。医生们也在临床实践中发现了它对心衰的有效作用,使得它成为了WHO基本药物清单中针对这一指征的药物之一。当我们回首,自1959年以来,这个药物本身并没有发生任何变化,改变的,是我们。(编译:郭怿暄;编辑:吴大庆;校对:Yuki)

编译自:How the Worst Blood-Pressure Medication Became the Best Testosterone Blocker

原文链接:

  1. https://howwegettonext.com/how-the-worst-blood-pressure-medication-became-the-best-testosterone-blocker-9afec005ede0

月壳幔缺“铁”之谜,有了新解释!

|· 本文来自“我是科学家”·|

我们的月球,已经默默陪伴地球度过了四十多亿年时光。人们无时不刻关注着月球,想要揭开她诞生以及演变的秘密。

今天(北京时间2019年7月11日),澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室的祝梦华副教授及其同事,在《自然》杂志发表了他们的最新成果[1],重新追溯了月球早期的演化历史。

先天贫“铁”的月壳幔

人们发现,当今月球的外层(壳幔层)是极度贫“铁”的,更准确的说,是缺少铁镍金属以及高度亲铁的元素。它和其他大型固态天体一样,都经历过早期的“热分异”过程,全球都是炽热的“岩浆海洋”,原本的亲铁元素都随着较重的铁镍金属一起“沉”入了内部,形成内核。

这也是我们熟悉的水星、金星、地球、月球和火星有金属核的原因。

大型岩质天体热分异的大致过程。又双叒叕见这张万能的图orz | 制图:haibaraemily

而且,月球先天铁就很少。人们早就发现,同样是固态天体,月球的密度却只有地球的60%,究其原因,其实就是月球的铁核相比于地球要小得多。这一显而易见的事实也是支持月球大撞击起源的一大有力证据。

大撞击假说(Giant Impact Hypothesis)是迄今为止最被广为接受的一种月球起源学说。

45亿年前的一天,一颗火星大小的天体从天而降,倾斜撞向了尚未完全长成的“雏形”地球。剧烈的撞击迅速粉碎和融化了这个火星大小的天体,也把地球的一部分物质撞了出来。这些碎屑物质散落在地球四周,又通过引力和碰撞重新聚集吸积起来,形成了如今的月球[2, 3]

大撞击假说的假想图 | 来源:museumvictoria.com.au

如果这个假说是真的,那么大撞击发生的时候,地球应当已经完成了热分异——也就是说,地球内的铁核已经形成了。而这次大撞击只是剥下了一部分贫铁的地壳和地幔而已,这些物质再和原本可能携带着正常铁含量的撞击体碎屑一混合,就把月球的铁含量生生给拉低了。

不过,“先天贫铁”未必会让月壳幔的亲铁元素比地壳幔低很多——因为成形之后的月球也必定经历了热分异,亲铁元素也基本上被“拖”入了内核。简单来说呢,就是月壳幔的亲铁元素含量和地壳幔里的应该差不多,基本都没剩什么。

但事实并非如此,来自月球和地球岩石样本都显示,月壳幔和地壳幔里都还是有一定含量的亲铁元素的。

这又是咋回事?

后期吸积,还能再补救一下

原因很简单:因为它们并不是在40亿年前左右完成了热分异就完事儿了,大家都还在不断“进化”。沉进去自然是留不下来的,但是还可以从外界补给呀。

在地核和月核形成之后,太阳系内的剧烈撞击并没有停止,大量的小行星和彗星不断撞击地球和月球的表面,给它们带来了大量外来“补给”,其中就可能有水和有机物,也会带来各种亲铁元素——这个过程叫作“后期吸积”。

也就是说,月壳幔和地壳幔里的亲铁元素含量很大程度上反映的并不是它们的原生含量,而是后期吸积过程的结果。

那么月球和地球在后期吸积过程中获得的“补给”是一样多的么?当然不是。

即使它们一直受到相同类群的小天体撞击,被撞上的概率也是完全不同的——地球的引力更大,也就更容易被撞上,这个“难易”比例大约是20:1 [4]。被小行星撞上,对如今的我们来说不是什么好事,但对40多亿年前的地球来说,却是带来活力和生命之源的“天降宝藏”。

照这个比例来粗略估算的话,地球后期受到的撞击“补给”大约是月球的20倍。

然而,通过月球和地球岩石样本里的高度亲铁元素含量来反推的结果完全不是这样:如果我们假设这些外来的撞击体平均成分和太阳系中最为广泛存在的一种古老陨石——球粒陨石的成分差不多,那么地球后期受到的“撞击补给”可比月球多多了——大约是月球的1200倍[5]

动力学撞击概率与地球化学测量,差异如此之大,到底哪里出了问题?

一个很自然的推理是:会不会地球实际受到的撞击比理论估计的要多得多?除了原本因为引力差异造成的20倍差异之外,会不会还有某些尺寸的小行星因为某种原因特别喜欢撞地球?或者,会不会是地月系统受到的小行星撞击量曾经发生过突变?[5-7]

而祝梦华及其同事则给出了另一种可能的思路:未必是对“补给”量的估计出了问题,也可能是对“留存”量的估计出了问题。

来是来了,但未必都能留下

撞上地球和月球的撞击体(小行星/彗星)都能留下来么?地球的引力大、逃逸速度小,基本都能留下来,但月球的“留货”能力可就差多了。之前的估算一般认为地球的留存率是百分之百,而月球的留存率大约在50-60%[5, 7],至于实际是多少,其实谁也不知道……

为此,祝梦华及其同事们通过计算机模拟了不同速度不同角度的撞击下月球的“留货”能力撞击物的留存比例,结果表明:

  • 高入射角(直射)的撞击比低入射角(倾斜入射)的留存比例高;
     
  • 大撞击体则比小撞击体的留存比例低。

以15 km/s的撞击速度为例,不同入射角和大小的撞击体留存在月球上的质量比例。来源:[1]

这倒也挺符合我们的直观感受的。

低入射角(倾斜入射)的撞击体,撞完之后的撞击体物质会散的更开,再加上月球的引力又小,逃逸速度也小,这些散开的撞击体物质就更容易逃离月球,只有很少一部分能留下来;反过来,高入射角(直射)的撞击体就给力多了,撞完之后的撞击体物质会更集中,跑掉的也少得多。

低入射角(倾斜入射)和高入射角(直射)撞击的物质分布对比示意图。来源:Nature [8]

大撞击体会产生规模更大、更猛烈的撞击,撞击体物质也能获得更高的能量(速度),更容易跑掉。

但每颗撞来的小行星/彗星的大小、速度都是随机的,对月球来说,撞击体的整体留存比例是多少呢?这就需要更大量的模拟实验了。

通过蒙特卡洛算法(一种通过大量重复计算机实验来模拟随机事件的方法)模拟了数百万次小天体在月球表面撞击成坑的过程,祝梦华及其同事们得到了其中的统计规律:

月球历史上的撞击物质留存比例大约在0.2-0.35之间,也就是说,只有约20-35%质量的撞击物最终留在了月球上——远低于之前认为的0.5-0.6。

 啥时候开始“留货”,可能和岩浆海洋的持续时间有关

而更准确的比例,则取决于月球的壳幔到底从何时开始留存这些撞来物质:如果是从月壳形成之初开始(约44.6亿年前),那么平均留存比例只有0.2,而如果是从35亿年前才开始的话,平均留存比例就能提升到0.35——越早开始,留下的总体比例就越少。

不同的“留货”起始时间至今的平均撞击体留存比例。来源:[1]

这也是和我们对月球的认知吻合的。

早期的太阳系里有很多大型撞击体(比如当年产生月球的撞击体,就有如今的火星那么大),但慢慢的,太阳系里逐渐趋于宁静,撞击体的个头和频率都变小了很多(所以现在地球上的我们基本不用担心被超大的小行星撞到啦)。最直观的例子,月球上目前保留下来的几十个大型撞击盆地,全部都形成于38亿年前,之后再也没有这么大的“飞来横祸”了。前面说过,越大的撞击体,留存比例越低,所以如果月球的壳幔很早就开始留存撞击物质,那么早期这些超大个儿的撞击体自然就会拉低月球的平均“留货”水平啦。

事实上,如果月壳幔从月壳刚开始形成(44.6亿年前)就拼命“留货”的话,按这个比例反推的地球后期受到的“撞击补给”就只有月球的约50倍了,和动力学估算的撞击概率(20倍)已经差不多了。

而如果月壳幔从43.5亿年前才开始“留货”的话,这两种途径估算的比例就更是几乎完全能吻合上了。

等等,那更早撞上月球的物质里的亲铁元素去哪儿了?那时候岩浆海洋还没完全固化,所以这些亲铁元素直接就沉入月核或者留在月幔深处了,没能在后来形成的壳幔中幸存。

也就是说,这一结果也表明月球的岩浆海洋结晶阶段可能持续了很长时间:从44.6亿年前刚开始形成月壳,一直持续到43.5亿年前才几乎完全固结(经历1亿多年)。

月球早期可能没少挨撞

如今的月球,还可以找到大约40-90个盆地或者疑似盆地结构。

月球上目前保存下来的盆地或者疑似盆地结构。来源:LPI [9]

但祝梦华及其同事们的模拟结果表明,整个月球历史上可能曾经产生过约300个撞击盆地(直径大于300公里的撞击结构)。

只不过,约200个都是形成于43.5亿年前,那时候岩浆海洋还没完全结晶固化,这些盆地自然也很难保存下来;约90个形成于41.5-43.5亿年前,这些古老的盆地也相对容易被侵蚀和“抹去”;只有约20个盆地形成于41.5亿年前到现在这段时间——这么算下来,300个盆地,只有50-70个能保存至今,和目前我们在月球上发现的盆地数目是吻合的。

总之,考虑到这届月球的“留货”能力不太给力,其实月壳幔中的亲铁元素含量那么低并不意味着月球受到的撞击特别少(或者说地球受到的撞击特别多)。恰恰相反,月球早期可能比人们原本预想的受到了更多的撞击,只是那些撞击带来的“补给”大都没有留下来。

结 语

今年是人类登月50周年。不得不承认,50年后的今天,我们对月球的很多方面依然了解有限,我们对月球的很多研究,依然要依靠50年前那些阿波罗任务带回的珍贵月球岩石样品(当然苏联的月球号样品和一些月球陨石也起到了很大作用)。

在极其有限的月球样品的制约之下,行星科学家们搜索枯肠,极尽巧思,利用新时代的科学工具和方法展开了各种研究,揭开了诸多关于月球的秘密。本文介绍的研究工作就是这样的一个例子。但不得不承认,这样的研究也亟待更多、更丰富的就位分析和样品采集来验证和拓展。

幸运的是,我们或许即将迎来新一轮探月热潮:我国的嫦娥四号如今正在月球表面展开探测工作,接下来的嫦娥五号、六号都将前往月球采集并带回样本。印度的月船2号、日本的SLIM任务,也计划着陆月球表面进行深入探测。

相信不远的将来,我们对月球早期尘封的历史会有更多更深入的认识。(编辑:Yuki)

【致谢】
本文感谢该研究的第一作者和主要完成人,祝梦华副教授的审稿。

参考文献:

  1. Zhu, M. H., et al. (2019). Reconstructing the late-accretion history of the Moon. Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-019-1359-0
  2. Hartmann, W. K., & Davis, D. R. (1975).Satellite-sized planetesimals and lunar origin. Icarus, 24(4), 504-515.
  3. Canup, R. M., & Asphaug, E. (2001). Originof the Moon in a giant impact near the end of the Earth’s formation. Nature,412(6848), 708.
  4. Bottke, William F., et al. “Can planetesimals left over from terrestrial planet formation produce the lunar Late Heavy Bombardment?.” Icarus190.1 (2007): 203-223.
  5. Bottke, W. F. et al. Stochastic late accretion to Earth, the Moon, and Mars. Science 330, 1527–1530 (2010).
  6. Schlichting, H. E., Warren, P. H. & Yin, Q.-Z. The last stages of terrestrial planet formation: dynamical friction and the late veneer. Astrophys. J. 752, 8–16 (2012).
  7. Morbidelli, A. et al. A sawtooth-like timeline for the first billion years of lunar bombardment. Earth Planet. Sci. Lett. 355-356, 144–151 (2012).
  8. Day, J. M. D., (2019). Low retention of impact material by the Moon. Nature.
  9. https://www.lpi.usra.edu/exploration/training/illustrations/bombardment/

夏天太热?空调费电?给窗户贴个膜吧

|· 本文来自“我是科学家”·|

随着全球升温,大家有空调的用空调,没有空调的装空调。室内温度降下来,但空气中的温室气体含量又增加,室外温度进一步上升,所以人们需要更频繁地使用空调……这种无尽的死循环有解吗?

图片来源:PEXELS

近期,一种新型透明玻璃涂层的出现可能会带来一些转机——它可以降低室内的温度,减少人们对空调的需求,从而减少温室气体的排放,节省数百万美元的制冷成本。

《Joule》杂志报道称,这种新型涂层可以反射多达70%的阳光产生的热量,让建筑物保持凉爽的同时也透光,减轻空调的负担。涂层薄膜在32摄氏度以下的环境中可以保持透明,当温度更高的时候,涂层就变成半透明,看上去就像是玻璃结霜了,同时反射热量。涂料的开发者估计,如果一栋楼外饰面上的每一扇窗户都使用这种涂层,空调支出会降低10%。

悬而不决的空调问题

现代的空调是个能量机器,依靠化学反应运转。这些化学反应会产生大量的温室气体,还会破坏臭氧层。空调的耗电量占美国发电总量的6%,每年会排放1亿吨二氧化碳。国际能源署预计,到2050年,全世界空调机组的数量将从现在的16亿台上升到56亿台,空调运行产生的温室气体量将是现在的2倍。

现在市面上的智能窗户可以起到一定的帮助作用。但是它们“要么不能高效反射太阳能,要么就像一些电力驱动的变色窗户一样,用电力使窗户变色,比空调还耗能,完事儿了你还得花钱让窗户恢复透明。”,MIT的一位机械工程师尼古拉斯·方在一篇新闻稿中说。

还在开空调?不如给窗户贴层膜

为了制造出一种既能有效隔热,又不额外消耗能源的智能窗户,他和同事们使用了一种热敏变色材料的微粒,做了一张塑料膜。这些微粒是充满水的网状球体,当温度达到32摄氏度时,微粒收缩,把水挤出来,形成纤维束,使薄膜从透明变成半透明。

在一次实验中,研究人员把薄膜覆盖在一个小室上,并用太阳模拟装置向其照射。在没有薄膜阻挡的条件下,小室内的温度达到了38.8摄氏度(102华氏度),而覆盖了薄膜的小室只有33.8摄氏度(93华氏度)。

图片来源:PEXELS

该团队目前正计划通过调整薄膜的内部结构或者改变薄膜的使用方式,进一步提高其反射热量的性能。(译者:社会小灰瓶;编辑:大庆;审核:Yuki)

文章来源:

  1. http://www.anthropocenemagazine.org/2018/11/see-through-coating-bounces-off-heat-helping-air-conditioners/ (本文由storythings供稿)

给城市降温,需要种多少棵树?

|· 本文来自“我是科学家”·|

每年夏天,世界各地的空调都会开足马力,对抗不断攀升的气温。人们早就认识到,城市有自己的“小气候”,通常比周围的农村地区更温暖,这就是“城市热岛效应”。

全球变暖使地球温度升高,“城市热岛效应”变得越来越严重。城市规划者们正在寻找减轻“城市热岛效应”的方法,其中一种就是种树。

那么问题来了,到底需要多少棵树,才能让一个街区的日间气温骤降,并在夜间保持凉爽?你可能会说:当然越多越好。不过,对城市规划师而言,找出这个问题的精确答案相当重要。

威斯康辛大学麦迪逊分校的研究人员对麦迪逊市不同树木覆盖度街区进行了温度测试,测量分析结果发现:一个城市街区至少需要至少40%的树木覆盖率,这样才会有明显的温差。这项研究结果发表在近日的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上[1]

绿色遮阳伞

树木被称为“大自然的空调”,在世界各地的城市,人们经常种植树木来帮助控制温度,减轻“城市热岛效应”的影响。大树底下好乘凉,城市树木的树冠就像一把遮阳伞,可以在太阳辐射到达地面之前将拦截大部分辐射热,最高拦截率可能高达90%,而当阳光照射到树冠上,水分会从树叶上蒸发达到冷却的效果,这和汗水蒸发冷却我们皮肤是一个道理。

影响人体白天热舒适的关键环境因素。图片来源:Trees for a Cool City: Guidelines for optimised tree placement

树木也可以使建筑物降温,尤其是当树木种植在建筑东面或西面时,树木的阴影可以防止太阳辐射穿透窗户或加热外墙。有研究称,树荫可以将独立式住宅的空调成本降低20%到30%[2]。另一方面,我们感觉有多“温暖”并不完全取决于当地的气温,同时也取决于我们向周围环境吸收和发射了多少电磁辐射。

威斯康辛大学麦迪逊分校的研究人员发现,在城市街区,至少需要40%的树冠覆盖来抵消沥青的变暖效应。覆盖范围扩大显然会带来更多的降温效应,但即便是在不到一半的街道被遮挡的情况下,城市也能看到实际的好处。当然,这只是一个整体数字。树木的降温效果与不透水地面的面积也有关。一般在路面四分之三区域有树荫遮挡时,降温可以超过2.5℃,但在以沥青为主的街区,大多只能减少0.5~1.0°C[1,3-4]

从可操作性来讲,大多数城市的规划者不太可能大规模拆除沥青路面,所以增加树木覆盖面积可能是一个城市降温的良选。另外,在城市的街区公园或绿化带,草木结合效果可能更好。虽然道路、人行道和建筑物白天吸收热量,晚上释放热量,但是相当数量的灌木和草坪可以遮挡这些表面的阳光。慕尼黑工业大学的科学家发现,由于树木的存在,周围的土壤更加湿润,草通过水分蒸发散发额外的热量,从而降低了地面附近的温度[5]

卡莉·兹特尔(Carly Ziter)在做研究时,把一个小气象站绑在自行车后座上,骑着自行车在麦迪逊市附近转圈。图片来源:Carly Ziter/University of Wisconsin-Madison

树木是城市的福音

联合国发布的《2018年版世界城镇化展望》中指出,目前世界上有55%的人口居住在城市地区,到2050年,这一比例预计将增加到68%。虽然这些人经常依靠城市外部的自然资源来获得食物和娱乐,但城市内部的自然资源可以通过城市森林的形式为城市居民提供巨大的“福利”。城市森林包括居民后院的一棵树、街道两旁的一排树或公园里的一片林区,将这些区域与其他树木连接起来,扩大了城市森林的规模。

《生态模型》(Ecological modeling)上发表的一项研究中称,在大城市中多种植20%的树木,将使城市森林的效益翻番,如减少污染、增加碳封存和减少能源浪费。这项由意大利那不勒斯帕特诺普大学开展的研究报告称,城市规划者、居民和其他利益攸关方应该开始在城市内部寻找自然资源,并通过种植更多的树木来保护城市地区的自然环境。

研究小组估算了五大洲1000个大城市目前的树木覆盖率,研究了城市森林能通过消除空气污染、节约能源和提供食物,给人类带来每年超过5亿美元的潜在价值。同时他们也惊奇地发现,每座城市都有潜力再增加20%的森林冠层覆盖率[6]

城市天气的好坏也被认为与城市森林覆盖率有千丝万缕的关联。另一项有意思的研究发现,即使是一棵城市树木,也能帮助减缓风速,让行人在街上行走时感到舒适。而失去哪怕是一棵树木,也会增加附近建筑物的风压,并推高采暖成本。研究人员利用计算机模拟来确定不同的场景——没有树、光秃秃的树和满是树叶的树,分别如何影响单个街道和房屋周围的气流和热量模式。结果发现,把所有的树都砍掉可以使风速增加两倍,这将对走在街上的人产生明显影响。例如,15公里/小时的风速是令人舒爽的,而变成30公里/小时就没那么轻松了。

移除建筑周围所有的树木会使建筑在冬季采暖耗能增加10%,夏季空调耗能增加15%。研究人员将模拟的场景与10年来从温哥华附近一座30米高的研究塔中测量到的数据进行了比较,结果发现,即使是在冬天,光秃秃的树木也能调节气流和风压,营造更舒适的环境[7]

前人种树后人乘凉

当然,树木给人类带来的好处不止于此。它们提供凉爽的树荫,阻挡寒冷的冬季风,吸引鸟类和野生动物,净化空气,防止土壤侵蚀,清洁水源,同时也为我们的家园和社区增添一抹风景。在正确的地方种植正确的树木可以节约能源,既可以减少能源账单,同时又有助于对抗全球变暖。

相比20年前,世界变得更“绿”了。图片来源:NASA

2019年2月12日,美国国家航空航天局(NASA)发了一条令人振奋的推特:相比20年前,世界变得更“绿”了。根据卫星显示,中国和印度在其中起到了主导作用。地球现在每年新增绿化面积超过200万平方英里,与本世纪初相比增长了5%,相当于多出了一个亚马孙雨林的覆盖面积。中国和印度两个人口大国,正在通过植树造林和发展农业引领着地球的绿化[8]

这些“绿色面膜”的增加,未来或许能为人们带来更加凉爽的夏日。希望通过科学家们后续的不断研究,为人类减缓地球升温的步伐提供更多的方法。

在中国西北部陕西省榆林市横山区,一辆汽车行驶在一条将光秃秃的沙漠和被控制的沙漠分隔开来的路上。图片来源:新华网

(编辑:Yuki)

参考文献:

  1. Carly D. Ziter, Eric J. Pedersen, Christopher J. Kucharik, et al. Scale-dependent interactions between tree canopy cover and impervious surfaces reduce daytime urban heat during summer[J]. PNAS, 2019, https://doi.org/10.1073/pnas.1817561116.
  2. http://theconversation.com/can-trees-really-cool-our-cities-down-44099.
  3. https://www.popsci.com/shade-city-streets-trees-cooling#page-2.
  4. https://www.treehugger.com/climate-change/heres-how-many-trees-it-would-take-cancel-out-climate-change.html.
  5. Mohammad A. Rahman, Astrid Moser, Anna Gold,  et al. Vertical air temperature gradients under the shade of two contrasting urban tree species during different types of summer days. Science of The Total Environment, 2018; 633: 100 DOI: 10.1016/j.scitotenv.2018.03.168.
  6. T. Endreny, R. Santagata, A. Perna, et al. Implementing and managing urban forests: A much needed conservation strategy to increase ecosystem services and urban wellbeing. Ecological Modelling, 2017; 360: 328 DOI: 10.1016/j.ecolmodel.2017.07.016.
  7. M.G. Giometto, A. Christen, P.E. Egli, et al. Effects of trees on mean wind, turbulence and momentum exchange within and above a real urban environment. Advances in Water Resources, 2017; 106: 154 DOI: 10.1016/j.advwatres.2017.06.018.
  8. Chi Chen, Taejin Park, Xuhui Wang, et al. China and India lead in greening of the world through land-use management[J]. Nature Sustainability, 2019, 2:122-129.

英国:垃圾多到没地方丢,干脆让大家别再制造垃圾?

|· 本文来自“我是科学家”·|

看过情景喜剧《30 Rock》的人或许会对《Greenzo》留下一种宣传环保的印象,因为那一集的剧情中传递了一种需要采取措施控制垃圾丢放的信息。那么,为什么国外如此看重垃圾存放和回收,他们为什么要大力宣传和推行呢?

《30 Rock》海报。

先让我们看一看英国垃圾回收的现状。

2013年英国环境部门曾公布了一份文件,在这份文件中英国官员承认,每年有1200万吨的分类垃圾出口到中国、印度和印度尼西亚等国家(其中,运往中国每年约为200万吨)。尽管英国法律规定,分类垃圾一旦运往国外必须用于回收利用,但英国官员承认这些垃圾的命运很大程度上不受英国政府的控制:某些国家只是简单的填埋。

当英国失去“亚洲垃圾场”

而绝大多数的英国人都相信,垃圾在自己国家被妥善处理了。但现在的情况是,往来于中英两国间的船只,来的时候装着货物,回去的时候却满载着英国人的分类垃圾。事实上,从家庭回收来的垃圾,一直都是英国头疼的问题之一。有数据表明,英国家庭每日倾倒的垃圾量要高于其他任何一个欧盟国家,英国也因此获得了“欧洲垃圾桶”的称号。

英国环境部门曾宣称,收集来的家庭垃圾有43%得到了回收利用。但最终英国环保部门承认,43%的数据其实是夸大了,大量垃圾最后被倾倒在发展中国家的土地上。包括中国在内,许多发展中国家都扮演着发达国家“垃圾填埋场”的角色。

中国关于塑料垃圾进口的政策发生改变之后,一切都变了。

几年前开始中国禁止洋垃圾入境。图片来源:gov.cn

近几年中国开始禁止进口许多低端塑料制品,去年更是明令禁止进口包含塑料袋内的24种“洋垃圾”,因此垃圾开始在英国的回收公司堆积成山。之前,全世界的垃圾都被运送到中国进行加工处理,这也形成了一条有利可图的产业链,让英国等国家将通常会带来污染的分类和回收过程外包出去,并且享受一种环保的假象。

但是当中国决定致力于改善国内环境状况,这个产业链就开始崩塌,这意味着西方国家回收的成本会急剧增长。英国回收联盟等组织督促人们对这一现状做出反应,比如说更努力的减少对塑料等非降解材料的使用,而且不能再认为它们能够回收而继续放肆使用。人们对此也感到震惊,之前他们总是无知的将垃圾扔到垃圾桶,并且认为他们正做着有道德的事情。

英国严格的垃圾分类制度

在《30 Rock》首播的同一年,英国有数十个地方政府放弃了每周一次的垃圾收集工作,改为每隔一周有计划的收集。这一举动是为了推动资源回收并且迫使人们更多的意识到他们扔掉的是什么东西。部分地区的居民对于这一变化颇具争议,但是未过多久这种资源回收方式就成为被人们广泛接受的日常生活。

图片来源:Pixabay

应聘代为照看房子的群体或许感受最为明显。比如说,即将离开的主人们会向他们展示这一区域的垃圾分类方法,这一行为就像房主向他们展示宠物食物储存位置一样快速变成一种常态。人们也逐渐适应了这种集中处理的垃圾回收方式。

在全球范围内,英国可以算垃圾分类制度最为严格的国家之一,而其严格程度甚至能够做到城市与农村并无明显差别。在各个城市的居民区,每家房屋门口基本上都会摆放三个不同颜色的垃圾桶,分别盛放可回收垃圾、食品垃圾、其他生活垃圾,只是不同市区的垃圾桶形状和大小会略有不同。有花园的住户,还会收到市政府配发的花园垃圾收集袋,用于盛放树枝落叶等。

减少垃圾,推行零浪费生活

YouTube网站也出现了许多“零浪费运动”的视频。年轻的视频博主们兴高采烈地展示着一个个玻璃瓦罐,里面装着他们过去几年里制造的所有垃圾。零浪费这种思想意识已经存在了数十年,事实上它的理念可以归结为我们应当避免使用任何不可重复使用或者不可制造成化肥的产品,尽可能的降低它们对环境的影响。这个值得赞誉的目标除了被企业或者政府采用之外,完全也可以成为个人的生活目标。

“零浪费运动”先驱Bea Johnson,她手中拿的玻璃瓶是2017年一家人的所有垃圾。图片来源:yoopay.cn

但是随着YouTube网站呈现越来越多类似的视频内容,人们也开始认识到,在最流行的视频中,这种所谓的“零浪费”生活方式被炒作成一种梦寐以求的理想生活,而无法作为生活中不会产生垃圾的日常目标。

这些拥有数百万粉丝博主们推荐视频观看者像他们那样生活,比如说购买竹制餐具或者昂贵的隔热水杯等。其中一些被这些博主们推荐的零浪费生活方式是有用的,比如说带着自己的袋子去超市购买散装食品。但是人们对于这种零浪费生活方式的认识不足,导致他们几乎不会优先选择这些方式。

完全自己亲自下厨而且从不接触任何塑料的生活方式不仅耗时而且昂贵。如果你始终坚持拍摄自己准备食物或者采购某些物品的生活视频,并且因此通过YouTube等视频网站广告或者附属链接得到报酬时,你或许就能够实现这种生活方式。然而对于大多数人来说并不现实。

完全自己亲自下厨而且从不接触任何塑料的生活方式不仅耗时而且昂贵。图片来源:Pixabay

即使是网络上偶尔才会出现一篇文章或者一段视频为人们提供可取的零浪费建议。比如说,如果你必须购买一个塑料水瓶,那么就做到反复利用直到它破碎,这样你就能够做到让它的用途得到最大化。但是这种类型的建议并不是所有人都能看到,它不会出现在经过完美筛选的照片墙世界中,而且并不是所有人都擅长的。即使是出于好心,网上许多看似成功的零浪费践行者们提出的都是可有可无的建议,似乎都是不太值得改变的事情。

当然不可避免的是,也有相当多的人只是为了试图推销他们的产品。人们不得不仔细做着筛选以免陷入购物陷阱。因为即使人们越来越多的意识到塑料使用的不良习惯,他们当然也不需要花费数百英镑来够买那些带有可回收标识的昂贵容器。厨房里那些洗刷干净的果酱瓶和用过的冰激凌桶都可以利用起来。

人们无需购买带有可回收标志的昂贵容器。图片来源:Pixabay

或许人们需要一个提醒,让他们清楚后资本主义时代是如何与这类担忧纠缠不清的。事实上,为了减少浪费我们正努力地相互推销。这绝对是一个我们需要永远摆脱的想法。(译者:Mr.Qiu;编辑:大庆;审核:Yuki)

原文链接:

  1. https://howwegettonext.com/zero-waste-shouldnt-be-a-privilege-d560fc28e310?gi=8294e785525(本文由storythings供稿)

同样都是吃剩的骨,凭啥排骨贝壳是干垃圾,龙虾鱼骨就是湿垃圾?

|· 本文来自“我是科学家”·|

排骨和鱼骨居然不能一起扔!花生壳和核桃壳居然不能一起扔!玻璃杯和瓷杯居然不能一起扔!香水瓶和药瓶居然不能一起扔!毛巾和围巾居然不能一起扔……

从上个月开始,上海人民估计每天都要怀疑几次人生。原因不说相信你也知道了:上海开始强制垃圾分类,扔错垃圾就要罚款。

四色垃圾桶已经正式入驻上海市 | 拍摄者:Nekout

正当吃瓜群众还在网上刷着上海人的段子,住建部就宣布垃圾分类要在全国46个重点城市强制推行。

这么一来好多人都蒙了,这也太突然了吧?

垃圾分类由来已久

实际上,垃圾分类在中国并不是一个新鲜事。

大家可能想不到,1957年的《北京日报》就刊载了提倡垃圾分类的文章,之后也推行了一段时间[1]。当时国内比较穷,分类主要是为了回收有价值的废品,或者利用有机垃圾积肥。遗憾的是,这个政策没有持续太久。

改革开放后,国内的垃圾也和经济一样猛增,解决垃圾问题迫在眉睫。2000年,政府开始在全国范围内推行垃圾分类,选取了京沪广深宁杭厦桂8个城市作为试点。但由于各种原因,收效甚微。

中国街头随处可见的两分垃圾桶,但是形同虚设|图片来源:Pixabay

相信不少朋友和我一样,是在日本动画里第一次接触到垃圾分类的。和日本人民比起来,上海人民简直不要幸运太多。

上海的垃圾只有4大类,日本的有10大类;上海的垃圾分类指南只有一页,日本的有三十多页;上海剩饭剩菜一天收一次,日本一周收两次;在上海扔错只要罚款200元,在日本可能要蹲监狱……

除了日本以外,许多发达国家在垃圾分类工作上已经取得很好的成绩。比如欧盟的许多国家已经实现有机垃圾零填埋[5]

野原新之助家的垃圾桶远远不止四个

垃圾分类绝不是没事找事,也不是面子工程,而是改善我们的生活质量的必要手段,可以说功在当代,利在当代。

垃圾围城亟待解决

中国已经是生产垃圾最多的国家。2017年,中国的城市生活垃圾总共超过了2亿吨[2],一个城市居民每天能生产约700克垃圾[3]。由于高速的城市化,我们生产的垃圾以每年4%的速度增长着[4]

中国的城市人口和生活垃圾都在快速增长|图片来源:参考文献[3]

中国的垃圾处理技术起步比较晚。2005年前后,全国每年还有约一半生活垃圾没有安全处置。到了2017年,这一比例还有约2.4%。

目前,主要的垃圾处理方法有两种:填埋和焚烧。

填埋是中国使用最多的处理技术。2017年,中国依然有60%的垃圾被填埋了。这种技术简单方便,成本低,理论上能处理所有类型的垃圾。

近年来中国的城市生活垃圾处理技术|图片来源:参考文献[2]

早期的填埋真的是字面上的“不做任何处理直接挖坑埋了”。时间一长,水分带着垃圾中的有害物质进入土壤甚至地下水中。这种污染是不可逆的,可以持续上百年。后来填埋技术进步,对污染做了防护。但是,填埋场附近的臭味和蚊虫都是居民不愿意接受的。

填埋场需要一块开阔的土地,考虑到运输成本,一般选在城市郊区。由于填埋量大,国内一些城市已经被垃圾包围了。随着城市规模扩大,现在的生活区也可能扩展到原来的填埋场附近。

如果城市发展快,填埋场可能还在运营。恶臭、昆虫、污染的问题让附近的居民不胜其烦。居民小区和填埋场之间的纠纷现在是新闻上的常客。

被垃圾填埋场包围的北京城|图片来源:参考文献[6]

为什么这么多垃圾要填埋呢?直接焚烧掉不行吗?因为中国的垃圾的“质量”太差了,无法进行焚烧。垃圾分类就是解决这个问题的关键。

垃圾不分类=浪费资源

说中国垃圾“质量差”,并不是玩笑话。我们先看一下中国的城市生活垃圾里都有一些什么东西:

近年来中国的人均垃圾产量以及组成| 图片来源:参考文献[3]

作为吃喝大国,餐厨垃圾在中国的城市垃圾里占有非常大的比重。2014年,这个比重超过了2/3。人均垃圾产量慢慢降低,但是餐厨垃圾一直很稳。就是这些餐厨垃圾,直接拉低了中国垃圾的水准。

一些可回收物,比如废纸,沾上汤汤水水之后,就没什么利用价值了。餐厨垃圾让中国垃圾含水率特别高,甚至达不到焚烧处理的最低要求[5]。如果强行烧掉富含水分的餐厨垃圾,能耗更大不说,还会产生大量二噁英——国际公认的一级致癌物。

最后,大部分垃圾只能和餐厨垃圾一起填埋了。但是餐厨垃圾的水分又让填埋的污染隐患更大。其实,垃圾中只有一部分需要填埋,但如果没有进行过分类,填埋量就增加十倍不止。

一些国家地区的垃圾处理方案|图片来源:参考文献[5]

知道中国垃圾的问题,解决方案也就呼之欲出:垃圾分类。把能一起处理的垃圾归为一类,分开收集避免互相污染。

固体废弃物处理的三原则是:减量化、无害化、资源化。垃圾分类可以大大减少填埋量,不用担心越来越多的填埋场包围我们。还可以降低无害化处理的难度,不用担心我们的居住环境越来越差。

分类之后,各种垃圾之间不会互相污染,垃圾才能变成资源。由于回收价值增加,实施垃圾分类后,收集垃圾的成本反而会降低[8]。分类好的垃圾,堆肥、焚烧也会产生经济效益。德国通过分类可以回收2/3的生活垃圾,垃圾处理的年收益可达到700亿欧元[7]。而按安全处理成本计算,我们每年还要为处理垃圾投入几千亿元。

垃圾分类可以为垃圾处理增加收益|图片来源:Pixabay

如何分类能靠猪来判断吗?

网民曾对繁复的垃圾分类吐槽:多考虑考虑猪的想法,就会分类了。其实看到这里您也明白了,垃圾分类的依据是垃圾的处理方式,能够一起处理的垃圾分成一类。

网传简易垃圾分类图

可回收物就不用多做解释了。在没有分类政策之前,民间就有很多拾荒者搜集这类垃圾。但是国内的可回收物被其他垃圾污染,我们还要从国外进口洋垃圾,因为它们比较干净。如果分类政策能很好地执行,我们已经有成熟的技术利用它们了。

有害垃圾含有对人体和环境有重大危害的物质,比如一些温度计、电池里有重金属,油漆里有有机溶剂。它们要先接受无害化处理,然后再填埋。危险废物填埋场也有更高的要求。

湿垃圾最后的处理方法主要是堆肥。堆肥就是利用细菌把有机质转化成容易吸收的肥料。除此以外,发酵产沼气也是处理这些垃圾的有效方法。

干垃圾最后的归宿是焚烧炉或者填埋场。可燃就焚烧,否则填埋。这两者是中国使用最广泛的,技术已经很成熟。分类之后,需要处理的垃圾数量更少,质量更高,处理难度也低得多。

实行垃圾分类之后,一些网友发现自己好不容易分类好,结果被环卫工人倒进同一辆垃圾车。这难免让人怀疑这次垃圾分类是不是表面文章。实际上,分类好的垃圾应该由专用的垃圾车分别运输,绝对禁止混运。下次要是还发现这种情况,建议大家拨打12345举报。

分类完的垃圾由专用垃圾清运车运输|图片来源:东方卫视

垃圾分类之后,处理方式比以前简单多了,无害化也更容易。城市居民也可以享受更高的生活质量。

价值万元的分类学课程

通过上面的介绍,你们已经了解了基本的分类依据。下面就该进入实践环节了,掌握以下这些规则,你就可以超过全国大部分圾友。

垃圾是指固体废弃物,无害的液体请倒进下水道|图片来源:Pixabay

如果你准备扔一件垃圾,第一步是确定它是不是可回收物。可回收物包括纸张、塑料、金属、玻璃、木头和衣物几类。注意,纸张主要是没有污染的书报纸和包装纸等。卫生纸、纸巾、纸杯之类的回收价值不高。同样,一次性塑料杯、塑料袋、塑料包装等也不是可回收物。

如果不是可回收物,下一步就要确定是不是有害。含有或者接触过重金属、药物的垃圾都是有害的。此外,指甲油、染发剂、油漆里有毒性的有机溶剂,这些溶剂和盛装它们的容器都是有害垃圾。一般的化妆品是无害的,属于干垃圾。

最后就是干湿分类。有机含量高、容易腐败的扔到湿垃圾或者相应的垃圾桶。湿垃圾末端处理的第一步是粉碎,所以一些比较硬的别扔进湿垃圾,它们会破坏粉碎刀片。之前有人说小龙虾壳是干垃圾就是没有理解这一点。这里教你一个诀窍,能捏碎的壳是湿垃圾,捏不碎的基本就是干垃圾了。

那张网传图是错误的,小龙虾整只都是湿垃圾噢!

按照上海四分法,剩下的就是干垃圾了。国标还细分出可燃垃圾,也容易区别。一些难拆分的垃圾比如笔、牙刷、牙膏都是这一类。最后注意,倒完其他垃圾后记得把垃圾袋也扔到这里。

垃圾分类最好还是交给科技|图片来源:上海发布

现在,垃圾分类是全世界文明国家的趋势。中国的国际地位不断上升,北京上海等城市已经成为国际大都市。垃圾问题直接关系到城市的形象,也直接影响我们的生活。

过去19年,中国经历了一次失败的垃圾分类,结果惨遭十面埋伏。如果还不重视,再过19年,不知道城市里是否还有我们的容身之所。(编辑:Yuki)

参考文献:

  1. 刘守华. (2017). 1949:北京垃圾清运故事. 档案记忆(10), 19-22.
  2. 国家统计局.城市生活垃圾清运和处理情况2004~2017.
  3. Gu, B. , et al. (2016). Characterization, quantification and management of china’s municipal solid waste in spatiotemporal distributions: a review. Waste Management, 61, 67.
  4. Dong, J. , et . (2014). Comparison of municipal solid waste treatment technologies from a life cycle perspective in china. Waste Management & Research, 32(1), 13-23.
  5. Mian, M. M. , et al. (2017). Municipal solid waste management in china: a comparative analysis. Journal of Material Cycles and Waste Management, 19(3), 1127-1135.
  6. https://startuphongkong.com/2013/05/18/besieged-by-waste-a-documentary-by-wang-jiuliang-and-extensive-commentary-on-china-waste-production-by-seth/
  7. Waste Management in Germany 2018
  8. Zhuang, Y., et al. (2008). Source separation of household waste: a case study in China. Waste management, 28(10), 2022-2030.

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