菠菜成精了!它给我发封邮件,说菜园里有炸弹

|· 本文来自“我是科学家”·|

几十年来,自然赋予了科技无数的灵感。曾经,“鲨鱼皮泳衣”助力成就了泳池神话,模仿壁虎爪子制成的粘性材料让人们可以真正地“飞檐走壁”……人类在观察自然的过程中模仿自然,以此创造出的新奇技术令人赞叹。

但随着我们发现自然的脚步越走越远,技术手段更新换代,我们已不再仅仅停留在模仿自然的层面,而是通过更强大的方式“利用”自然,来回答人类世所面临的各种问题。

菠菜爆炸探测器

追随阳光的向日葵,机智的捕蝇草,敏感的含羞草,这些看似“不动”的植物一直在通过它们自己的方式感知着这个世界,也在向我们传递着信息。近年来,一个全新的领域产生——机器人植物园(cyborg botany)。研究者们试图将自然与技术结合,基于植物非凡的感受能力,制造出能够为人们提供环境及其他数据的机器人。

2016年,来自麻省理工学院的化学工程师Min Hao Wong及其团队将碳纳米管通过气孔植入菠菜的叶子。当植物通过空气或地下水吸入微量爆炸品时,纳米管就会发射出荧光信号。一台对准叶子的小型红外摄像机可以捕捉到这一信号,并将其传递给与之相连的微型电脑树莓派(Raspberry Pi)上。一旦信号触发,系统就可以自动发出一封电子邮件进行提醒。

菠菜爆炸探测器 | Melanie Gonick/MIT

在完成菠菜纳米传感器的开发后,Wong继续探索拓展着这一技术在其他领域的应用,尤其是在农业生产领域中。植物是非常敏感的,在农民们发现干旱或病虫害之前,植物就已经可能对其进行预警。目前Wong带领的新加坡颠覆性和可持续性农业精密技术(DiSTAP)研究中心正努力将这项技术商业化。

每一棵植物都有很多信息可以告诉我们,而我们正在努力学着如何获取这些信息。

让生物发光点亮城市

或许你还记得《少年派的奇幻漂流》中那片梦幻的海洋,夜空下海面泛起了淡蓝色的荧光,迷人深邃。我们这种陆生生物对那些可以产生绚丽光芒的海洋生物痴迷已久。这种生物发光(bioluminescence)现象,激起了法国设计师桑德拉·雷伊(Sandra Rey)的好奇心,促使她把它们带出了海洋。雷伊渴望让生物发光成为陆地上的自然光源,制造出“活着的”灯,可以不用电就发出舒服的光晕,从而减少CO2的排放。

海洋馆中的水母| 拍摄:悲催的铊宝宝

为此,雷伊创立了Glowee公司并担任CEO。Glowee的技术人员致力于融合仿生学和合成生物学,在陆地上制造出那些海洋之灯。他们将来自夏威夷短尾乌贼体内的生物发光基因插入到大肠杆菌当中,并对这些细菌进行培养。通过对DNA进行编辑,工程师们可以控制光的颜色、开关和其他功能。

为了让这些生物光源可以亮得更久,技术人员需要照顾并喂养这些细菌来保证它们可以继续生长。目前,科学家们已经建立了可以持续发光六天的系统。此外,还开发出一种像鱼缸的系统:只要你喂养细菌,它们就开始熠熠发光。

生物发光或许将会用于服装上 | Glowee

形状任意是Glowee研发出的灯的优势之一,不论是标准的路灯还是薄薄的窗胶纸,都可以塑造出来,因此它的应用前景非常广阔。目前这种灯寿命有限,恰好适合用于一些活动或节日场合。由于法国禁止商店在夜晚点亮标志物或橱窗展示,以降低光污染和节省能源,一些商店的店主非常期待能用生物发光的窗胶纸来装饰店面。

雷伊还有一个宏大的终极设想,就是用这些有生命的灯在未来的街道上织出一张发光的网络。随着科技的进步,能源利用率的提高固然有助于降低光所带来的环境足迹。但对于世界上那些获取电力仍有困难的地区,我们或许可以跳过电力光源,直接跨越到生态友好的发光体上,而雷伊正是从海洋中为我们找到了一个答案。

有生命的灯在未来的街道上织出一张发光的网络 | Glowee

 蜜蜂物联网

无人机在农业生产的运用为农民们带来了极大的便利,他们可以在短时间内获取农田的有关信息,极大地提高了生产效率。然而,无人机待机时间短,需要频繁充电也成了它的一大弊病。来自华盛顿大学的工程师们正在试着为田间的熊蜂们安上微小却强大的装备,取代那些笨重的大家伙。

研究者在田间工作 | Mark Stone/University of Washington

曾经有研究者尝试制造模拟昆虫的机器人,但复杂多变的风向和有限的电量都带来了极大的技术困难。这次UW团队则是直接利用蜜蜂类的力学优势:昆虫们早已进化出了应对各种复杂情境的飞行方式,并且它们还可以不断为自己供能。

为了让熊蜂可以成为精准农业的工具,工程师们将传感器、数据存储、记录位置追踪的接收器及一个可充电电池打包成一个102毫克的小背包安装在熊蜂身上。在它们进行日常活动时,传感器可以测量温度和湿度,它们的位置可以通过无线信号进行追踪。当它们回到蜂巢时,数据就可以自动上传,电池则进行无线充电。

背着小背包的熊蜂 | Mark Stone/University of Washington

团队将这项技术称为活的物联网(Living IoT)。它充分利用了生物学的优势来对环境进行监测,构建一个传感器网络,让自然成为领路人。

 预测火山爆发的绵羊和山羊

公元前373年一场大地震的前5天,罗马作家艾利安(Aelian)曾记录下了发生在希腊的奇异现象。老鼠、貂、蛇和其他生物都逃离了镇子。当动物学家马丁·威克尔斯基(Martin Wikelski)高中阶段翻译这段古希腊和罗马文字时,他第一次想到了动物可能具有某种与生俱来的能力,能够感知到即将发生的灾难。

如今威克尔斯基成为了马克斯·普朗克鸟类研究所国际空间动物研究合作组织(ICARUS initiative)的负责人。他通过给动物安上带有GPS的标签来观察动物的群体行为。他发现白鹳可以预警蝗灾的爆发,绿头鸭的位置和体温则可以作为禽流感在人群中播散的提示。

现在他正在通过对山羊的观察来检验“动物可以预知即将到来的地震和火山爆发”这个古老的观点是否正确。当然,这一观点依然极具争议,但对大事件发生前后进行全天候的数据收集无论如何都会提供一些有力的科学佐证。

常年生活在西西里岛埃特纳火山的山羊,它们对火山内部活动有着敏锐的直觉。图片来源:Lorenzo Blangiardi via Flickr CC

2016年,意大利诺尔夏经历了一次强烈的地震,威克尔斯基立即为震中附近农场中饲养的动物佩戴了项圈来监测它们是否在余震到来之前出现任何行为异常。每个项圈中都有一个GPS追踪设备和加速度计。通过这种昼夜不停的监测,研究者可以观察到什么是正常的行为,并且从中找到异常的数据。他们测量到了在余震发生前的2小时到18小时前,动物们的运动加速度都超出背景水平,距离余震震中越远的动物,越早出现“预警”。目前他正着手发表有关这项发现的详细数据。

此外,威克尔斯基希望进一步了解动物们感知这些自然现象的机制。如果动物们仅仅是对地球晃动更加敏感的话,那么地震学家早就应该解决了地震预测的问题。但事实上,在地震前处于高应力的岩石会将带电粒子从矿物中释放,动物们所感知到的可能正是空气中的这些电荷。

威克尔斯基还参与对环太平洋火山带的动物进行标记,通过这个更大的网络了解野外不同动物的行为模式,观测何种“传感器”可以预测自然灾难。与此同时,由于人类行为对世界各地的动物都产生很大影响,或许这张即将绘制出的“动物互联网”可以唤起更多对关心、爱护动物的支持,也带来前所未有的价值。(编译:郭怿暄;编辑:悲催的铊宝宝;审稿:Yuki)

原文链接:http://www.anthropocenemagazine.org/2019/06/hacking-nature/(本文由storythings供稿)

山上“飞”来只火凤凰,这里的居民却要杀掉它?

|· 本文来自“我是科学家”·|

一提到火山喷发,人们想到的第一个词语也许是“危险”,但是,2019年7月19日晚,位于意大利西西里岛的埃特纳火山的一次喷发,更称得上是美丽的 —— 从火山脚下的卡塔尼亚城远眺,火焰般的岩浆沿山坡流淌,仿佛凤凰降临人间。

7月19日西西里岛埃特纳火山喷发的岩浆流下山坡 | U / Porodicnostablo

火山喷发常常造成各种各样的灾害,而这次埃特纳火山的喷发,虽然没有危及附近居民的生命安全,但喷发形成的火山灰导致卡塔尼亚城的两座机场关闭了一夜。

埃特纳火山7月19日喷发形成的火山灰 | thelocal.it

不过,这与2010年冰岛艾雅法拉火山的那次喷发相比,明显温柔了太多。那次发生在冰岛的喷发产生约9公里高的火山灰气柱,喷发的爆发指数(VEI)达到了4级(公元79年覆灭庞贝古城的维苏威火山喷发指数为5级)。火山灰导致约20个国家的机场被迫关闭一周,约一千万乘客的出行受到影响[1]

从直升飞机上看2010年冰岛艾雅法拉火山喷发产生的火山灰气柱 | wired

那么,为什么埃特纳火山喷发产生的灾害较冰岛的火山喷发来说,要小得多呢?原因就藏在不同火山所处的不同地质构造环境,以及它们不同的喷发形式之中。

“温柔”的溢流式火山

埃特纳(Etna)是一座海拔约3300米的复合型火山(stratovolcano),也是欧洲境内最高、活动最频繁的火山。它坐落于西西里岛东部,东南侧山脚是拥有大约三十万人口的西西里岛第二大城市卡塔尼亚(Catania),东北侧山脚距离电影《教父》的取景地萨沃卡(Savoca)小镇不过30公里路程。

西西里岛上的埃特纳火山,以及教父的拍摄地萨沃卡小镇(图中红色圆点所示)| 谷歌地图

作为欧洲喷发最频繁的火山,埃特纳火山在过去的四十年中平均每两年喷发一次。关于它的喷发的历史记载,甚至可追溯至距今约3500年前。而埃特纳火山之所以如此活跃,是因为它处在非洲板块与欧亚板块的交界处的俯冲带上。除此之外,埃特纳火山的东侧还有一个叫做Malta escarpment的大型走滑断层[2]。这个断层加剧了软流圈的上涌,更促进了岩浆向地表移动,使得埃特纳的喷发活动不断。

埃特纳火山的区域地质构造示意图 | 参考文献[2]

与埃特纳火山类似的俯冲带成因的火山,还遍布于太平洋沿岸的很多国家,比如日本,菲律宾,印度尼西亚,新西兰,美国。这些位于太平洋板块边缘的火山共同组成了著名的“环太平洋火山带”(Ring of fire)。

环太平洋火山带“Ring of Fire”(图中红点为火山)| USGS

虽然埃特纳火山的喷发活动频繁,但它还算是一座比较“温柔”的火山:和脾气火爆的“同胞”维苏威火山曾经覆灭整座庞贝古城的普林尼式(Plinian eruption)喷发不同,埃特纳火山通常是像挤牙膏一样,把岩浆从火山口或山坡的裂隙中“挤”出,形成典型的“溢流式喷发”。这些流出的岩浆二氧化硅含量较低,成分以玄武岩(basalt)为主,因此黏度比较小,和快餐店的番茄酱差不多。这些岩浆通常以熔岩流(lava flow)的形式沿山坡流下。

埃特纳火山喷发后岩浆从冰雪覆盖的山体上流下| https://ounews.co/science-mct/volcano/

这种黏度类似于番茄酱的玄武质岩浆,还常见于夏威夷的火山喷发中。皮克斯动画工作室曾以夏威夷的火山喷发为背景,制作了一部有趣的动画短片“I lava you”[3]

山也包不住火?山坡上流出的岩浆

大部分复合式火山的喷发都发生于位于山顶的火山口,而埃特纳火山的独特之处就在于,岩浆不仅可以从它“头顶”的四个火山口涌出,还能从山坡上的裂隙中钻出地面,这样的喷发被称为“裂隙式喷发”,每次喷发可持续数小时,甚至超过一年的时间。

卫星图像显示2018年12月发生于埃特纳火山东南侧山坡喷发形成的岩浆 | NASA

这种特殊的发生于山坡上的“裂隙式喷发”,与埃特纳火山所处的地质区域内存在很多活动断层和裂隙有关。等待喷发的岩浆就像机场等待安检的旅客一样,如果通往火山口的路途比较拥堵(可能堵塞着以往喷发遗留下来的岩石),而位于山坡上的裂隙(“VIP通道”)畅通无阻的话,那么岩浆就会“偷懒”选择VIP通道。对埃特纳火山来说,这些“VIP 通道”大部分处于火山的东面和南面,因此,在过去的二十年中,发生于山坡上的裂隙式喷发大多数发生在这些地带。由于这样的“VIP通道”不止一条,岩浆便可以“任性”地选择从不同的通道经过。

埃特纳火山所处地区的主要断层(fault)和裂隙(fissure) 分布图 | 参考文献[4]

堤坝反击战

在火山喷发的巨大能量面前,最容易的自保方式自然是逃跑。然而,虽然人可以逃跑,但是家园却很可能被经过的温度达到数百甚至上千摄氏度的岩浆毁灭。与其他“脾气火爆”的火山不同,“温柔”的埃特纳火山曾经给予了人类除逃跑之外的另一种防御形式——修建堤坝,阻隔岩浆。

由于埃特纳火山是著名的观光景点,它的南坡上有很多为服务游客而修建的房屋及设施,每一次南坡喷发都可能摧毁这些设施,造成巨大的经济损失。因此,当地政府曾在1983年,1991-1992年和2001年, 根据每次喷发开始后岩浆的走势,预测它们的去路,在岩浆抵达房屋之前,利用周围的碎石和以往喷发形成的火山砾,修建起几米至十几米高,数十米宽,几百米长的人工堤坝,意在阻挡岩浆的继续肆虐。

然而,由于喷发刚开始时,熔岩流涌动的速度较快,离喷发位置比较近的堤坝大多失败了——岩浆通常能越过堤坝,继续前进。然而,随着火山活动逐渐减弱,熔岩流由于长度跋涉,前进的势头也逐渐减弱,速度减慢,这些人工堤坝便开始发挥作用。

最成功的一次利用人工堤坝阻挡岩浆的事例就发生在2001年7~8月埃特纳火山的喷发期间。从当年的7月17日开始,岩浆从火山口南侧海拔约3000米到2100米的六处裂隙中相继涌出地面。海拔较低的几次喷发由于离人类活动区更近,对附近的房屋设施产生了很大威胁。因此,从喷发的第五天起,当地政府紧急决定展开堤坝反击战,在岩浆最可能的去路上,陆续修建了 13个最长约400米的人工堤坝。

2001年7月埃特纳喷发期间,人们使用附近的碎石和火山砾建造堤坝来阻止岩浆侵袭 | 参考文献[5]

在这次喷发期间,虽然最初修建的几个堤坝没能阻止岩浆前进,后期修建的几个堤坝却成功地阻止了岩浆的继续肆虐,保住了游客中心的所有建筑。更幸运的是,七月底开始,火山的喷发势头减弱,岩浆流动速度变慢,在抵达两个村子前就停下了脚步,本已计划好的离火山距离更远的几处堤坝也就不用再修建了。由于修建这些堤坝是就地取材,其成本仍然远远低于重建游客中心需要的费用,埃特纳的“堤坝反击战”也变成了少见的人类对抗火山喷发灾害的成功案例。

2001年喷发期间修建于埃特纳火山南坡的几个人工堤坝。其中三个堤坝(B3,B4,B5)几乎完全被熔岩流覆盖,而另外三个堤坝(C2,C3,C4)则成功地阻止了岩浆抵达游客中心 | 参考文献[5]

 火山活动监测体系

埃特纳火山地处地震频发地带,地震也可能促成火山的喷发,甚至引起山体滑坡,威胁到周围居民的安全。这些潜在的灾害使得火山学家们必须24小时关注埃特纳火山的活动情况。所幸,设置在埃特纳火山的监测体系称得上是世界范围内最完善的监测体系之一。意大利国家地球物理与火山学研究所(简称INGV)的科学家们在埃特纳的火山口、山坡、以及周围地区,设置了一系列地震仪,测斜仪,GPS,气体测试装置,以及各类影像设备,用来时刻监测火山活动。在这一系列监测手段之中,火山口释放的气体的化学成分可以说是最能显示岩浆活动的指标了。火山学家们利用这些气体中二氧化碳和二氧化硫含量的比例,可以推算出地下岩浆释放气体时的大概深度[6],从而估算出岩浆可能到达地表的时间点,为喷发的到来做好准备,并且在必要的时候做出喷发预警。

采集火山喷发前释放气体的成分的几种测试仪器 | flickr

当然,仅仅依靠火山喷发前释放的气体成分,还不足以准确地预测喷发,火山学家们通常还会综合其他监测仪器(比如地震仪,GPS)采集的实时数据,并且对比以往喷发前的监测数据,来做出更准确的判断。为了给火山的偶尔“淘气”买单,科学家们仍然在努力开发新技术,相信在未来某日,准确预测火山喷发终会实现,人类也许会拥有足够的智慧,找到与地球长久相处的方式。(编辑:Yuki)

参考文献:

  1. 《冰岛七火山:地质版“冰与火之歌”》原文链接:https://www.guokr.com/article/441725/
  2. Kahl, M., S. Chakraborty, M. Pompilio, and F. Costa (2015), Constraints on the nature and evolution of the magma plumbing system of Mt. Etna volcano (1991–2008) from a combined thermodynamic and kinetic modelling of the compositional record of minerals, J. Petrol 56, 2025–2068.
  3.  “I lava you”背后的科学故事请阅读 https://www.guokr.com/article/441382/
  4. Patanè, D., M. Aliotta, A. Cannata, C. Cassisi, M. Coltelli, G. Di Grazia,P. Montalto, and L. Zuccarello (2011), Interplay between tectonics and Mount Etna’s volcanism: Insights into the geometry of the plumbing system, in New Frontiers in Tectonic Research—At the Midstof Plate Convergence, edited by U. Schattner, pp. 73–104, In Tech, Croatia.
  5. Barberi F, Brondi F, Carapezza ML, Cavarra L, Murgia C (2003) Earthen barriers to control lava flows in the 2001 eruption of Mt. Etna. J Volcanol Geotherm Res 123:231–243.
  6. Aiuppa, A., Moretti, R., Federico, C., Giudice, G., Gurrieri, S., Liuzzo, M., Papale, P., Shinohara, H., Valenza, M., 2007. Forecasting Etna eruption by real time evaluation of volcanic gas composition. Geology 35 (12), 1115–1118.

作者名片

鹅蛋解胎毒?穿山甲下奶?……这是哺乳还是修仙?

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生孩子,喂孩子,一直被视为一大家子的人生头等大事。

既是大事,讲究必多。于是各种“禁忌”、“妙招”层出不穷,什么要吃木瓜下奶啊,要吃鹅蛋解胎毒啊,听着都跟修炼到了褃节儿上临要得道得去除妖气似的。

这类说法还有个特点,就是特别能相时而动,各种变体极具创新性——母乳会引起婴儿过敏,产后抑郁会影响奶水质量——感觉特别与时俱进吧?但就如我们都知道的,这些说法好多都不靠谱。

我们梳理了12条有关母乳喂养最广为流传的谣言。虽说谣言年年有,大家早就做好了持久战的准备,但还是希望这12条谣言可以留在今年,能让大家尤其是妈妈们收获正确的知识,不要在来年继续让这些不靠谱的说法困扰了。

谣言1: 初乳里面有胎毒要先吃鹅蛋化解后才能喂奶

解析1
“胎毒”并不存在,母乳里更不可能含有有毒物质。婴儿常见的过敏、湿疹、皮炎等都有各自的发病原因,只是古人未能有足够的医学知识,只能概归入“胎毒”这一模糊的概念。

谣言2:初乳是最有营养的!一定要给宝宝吃初乳

解析2
人初乳肯定是珍贵的,但也绝非非吃不可。更重要的意义在于婴儿尽快吮吸母亲乳头,能让泌乳反射在第一时问启动,保证后面婴儿对奶量的需求。

谣言3:乳乃血所化,静置三年可看到变回血液

解析3
乳腺由汗腺分化演变而来,血液会为乳腺带去氧气和营养物质,但正常情况下血红细胞无法通过血管壁,所以乳汁中不可能有血红蛋白和成血细胞。所谓“放三年变血”更是无稽之谈。

谣言4:米酒和穿山甲可以下奶

解析4
酒精会通过乳汁分泌被婴儿吮吸到,影响其身体和智力发育;穿山甲也没有任何特殊成分可以“下奶”。由于米酒呈奶白色,穿山甲的“穿”给人通乳的感觉,故而产生这种附会的说法。

谣言5:产后抑郁会影响母乳质量

解析5
产后出现抑郁情绪是常见的,症状或轻或重。但没有任何研究证据表明,母亲体内会因情绪波动产生毒素,更不会因母乳喂养毒死婴儿。

谣言6:母乳喂养会传播乙肝

解析6
宝宝从妈妈传染上乙肝基本上是在分娩过程中,母乳喂养不会增加乙肝妈妈所生婴儿的乙肝感染风险。
只有同时符合以下所有条件感染才可能发生:
– 妈妈与宝宝的体液发生交换(妈妈出现乳头破损,同时宝宝出现肠胃伤口);
– 妈妈的乙肝病毒浓度很高;
– 小孩对乙肝病毒没有免疫力(如接种疫苗后没有免疫应答)

谣言7:母亲发烧不能给孩子喂奶

解析7
上感类发烧,正常喂奶,乳汁不是病毒传播的途径,反而能把抗体给宝宝;胃肠道疾病引起的发烧,正常喂奶,注意戴口罩多洗手,不亲吻宝宝;乳腺炎引起的发烧,更得继续喂奶,否则会加重堵奶;超38.5℃可吃宝宝用退烧药否则奶太烫宝宝可能不吃,另外妈妈体感非常不适。

谣言8:宝宝拉肚子是对母乳过敏

解析8
母乳过敏发生率极低。首先应该怀疑细菌感染,其次怀疑辅食导致腹泻,还有宝宝口服药物引起过敏;此外怀疑配方奶粉中的牛奶蛋白过敏(即便改为全母乳喂养,之前的过敏症状仍可能存在)。

谣言9:宝宝总是哭就说明奶不够

解析9
如饿、肠绞痛、没睡够、没有安全感、寻求安抚都会引起婴儿哭,如果每次都以为是饿、都以奶头作为安抚,反而不好。

谣言10:宝宝一岁后母乳就没营养了

解析10
母乳营养不会因为喂养时间长而改会因为喂养时间长而改变,只会随着孩子添加辅食,吃母乳渐少而减少分泌量。WHO建议坚持母乳喂养到两岁。

谣言11:婴儿除了母乳还需要补充水分

解析11
母乳含水量达到88%,完全满足六个月内宝宝对水分的需要,水反而占据胃容量。但六个月后随着辅食的添加,需要适量喝水。

谣言12:剖腹产会使母乳中有大量麻醉剂残留

解析12
剖腹产后,母亲的初乳中可能会残留少量麻药,但含量不足以危害到宝宝。有一些产后输液用药有可能随血液循环进入乳汁,但很快会代谢出体外,对乳汁分泌和乳汁成分的影响很小。

原文链接:http://zone.guokr.com/area/gates_newborn/article/409671/

培养AI画画和写书法,也为自己培养一个敌人

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 | 邱志杰 演讲实录:

教微软小冰作画,训练京东AI写书法,让AI创作地图……邱志杰的这些科技艺术作品是怎么创作出来的?艺术家可以像科学家一样理性地工作,那人工智能有没有可能像艺术家一样感性地思考?艺术策展人、中央美术学院实验艺术学院院长邱志杰与我们分享《艺术家如何教AI创作地图、画画和写书法?》。

我是邱志杰,我是一名艺术家。

这是我今年1月份在尤伦斯当代艺术中心的一个地图的个展,叫做“寰宇全图”,用了一个拉丁文的标题(Mappa Mundi)。展览里面,除了水墨地图,也展出了一个我训练的人工智能(AI)画的地图。

作为艺术家,我好像是一个什么都干的人——摄影、装置、绘画、实验剧场、雕塑、街头的行为艺术、录像装置、公共艺术、水墨画……由于作品非常多样,我经常被问:你到底是谁?

我在美术学院当老师,编过艺术杂志,做过策展人,写过非常多的文章——大概整个艺术行业里面,我唯一没有做过的是画廊老板——拍卖行的拍卖师、收藏家我都经常当。

由于做的事情多,而且作品形态多样,有时候我就得画一张地图去把展厅里面作品的内在逻辑关系给串联起来。

比如右边这个草图,把实际展厅的好几个楼层、好多房间通过一种图形的思维的方式“结构”起来了。我们把美术馆的平面布置这个环节叫做floor plan,地面的安排。

2012年,我祖坟冒青烟,被纽约古根海姆美术馆的HUGO BOSS大奖提名。它要求我做6个Page——提供作品照片,讲清楚自己的艺术成就。

我想:天呐,我干过的事情这么多,只有6个Page,怎么办呢?

我这个人非常贪心,所以就画了一张《南京长江大桥计划地图》——这是我的一个庞大的项目;接着又画了一张《重新发电地图》,因为那一年我被任命为上海双年展的总策展人——那一届是在一座由发电厂改造成的美术馆,所以主题叫“重新发电”;与此同时,我还画了一张《总体艺术地图》,介绍我自己作为教师的工作。这些地图放在HUGO BOSS奖的画册里面,令人眼花缭乱。

“画地图”后来延续下来,变成我惯用的一种策展方法。比如这个《不息》,是2017年的威尼斯双年展的中国馆的海报——我为它画了一张《不息地图》(上半部分)。也就是说,地图变成了一种行动的脚本和安排知识谱系的方式。

我开始了非常庞大的《世界地图计划》。大家可以看出,画面是互相连接的,从一个话题引向另一个话题,有一种全景的效果。

这里面有《建筑地图》、《故事地图》、《游戏地图》和《艺术地图》。讲故事是游戏的一种,艺术也是游戏的一种,就很自然地连过去了。

接下来到了《命运地图》和《情绪地图》,我们知道,很多人就是情绪太大影响了自己的命运。那么情绪又连向了记忆,有些(比如说失忆者和记忆天才)其实跟疾病有关,就又引向了《医药地图》。

医药很自然地连向了身体,再连向食物。为我们提供食物的是动物和植物,所以很自然地通向《植物地图》和《动物地图》。

从动植物到了神兽,后来有《众神地图》、《宗教地图》和《旅行者地图》。旅行者中非常大一部分是传教士,所以它很自然地跟《宗教地图》会互相连接。

这里我略过数张地图,来到了《工具地图》、《职业地图》、《服装地图》和《社交地图》。

也就是说,理论上我可以画世界上万物的地图——事实上这个系列被称之为《世界地图计划——万物系列》。

然后我就作为“画地图的人”出名了,很多人请我去画地图。我挑地方、挑题材——比如说当脸书(Facebook)的加洲总部让我去画的时候,我就说,那我来画一张《社会关系地图》——《社会关系地图》比较适合脸书这个企业。

如果你现在坐高铁去香港,在“西九龙”这一站,你会在候车大厅看到非常巨大的《香港文化地图》。

在昆士兰美术馆的巨大的墙上,大家可以看到这张38×18m的《技术伦理地图》。

虽然画的是《技术伦理地图》,讨论的是军事伦理、生命伦理、新材料伦理,但是我用了非常古老的、拿着毛笔画水墨的办法,跟米开朗琪罗时代没有什么两样——不过他用脚手架,我有升降机,所以他用了四年时间才画完《最后的审判》,而我用了五天时间就画完了这张38×18m的画,纯属体力活。

其实画地图也是技术活,因为整个地图学是建立在球面三角学的基础上,是一种跟科技非常有关的东西。

由于我的地图的全景性,很多人会自然地想到:可以做成VR。但是我总是有一种抗拒,觉得哪里不对。

我梳理了一下自己画地图的过程,基本上我每画一张地图都会做一个思维导图。比如说当我要画《乌托邦地图》,我就会把“乌托邦”这个概念里里外外、前前后后全部梳理一遍。

每一张地图都有一张思维导图,而且每一个词可能单独拎出来又是一张思维导图。我的电脑里面充满了这样的文件夹,现在大概有上千张思维导图。绿色的是已经画成图了,还有大量红色的,在这个文件夹的下面。

比如我要画《众神地图》的时候,就会把所有的神先按功能分一遍。

然后,按文化再分一遍。

我小时候在庙里学书法,常跟和尚聊天,所以受到一些佛教用词的影响。我把自己的工作方式用一个佛教的词语来描述,叫做“无漏”。我一直跟我的学生说,我们要有一种“无漏”的思维。后来我明白过来,把“无漏”转换成数学词汇叫做“穷举”;对一个知识树反复地去进行探测,就变成“遍历”。

于是我隐隐约约地感觉到,“画地图”这件事跟知识的组织方式有关,它将要通向的是以“词汇”为中心的一种工作。我也意识到,AI领域里的自然语言处理跟我的工作有关联。

上面是我为《技术伦理地图》所准备的思维导图。我画的思维导图都非常疯狂,里面可以点开无数的层级,有的还带有大量的图片资料,所以经常会是非常大的文件。

下一步,我得为每个词汇安排一个合适的位置。有时候简单的图形用素描直接画就行了,但是那张纸经常会被擦破。所以我得把每一个图形、每一个字写在小纸片上,反复地挪,找出它应该处的位置,然后再落到纸上。

往上面写书法,是我的老本行;画水墨,老本行——对我来说非常快。所以画一张这么大的地图,用手画大概一星期就够了,但是前面的研究工作需要用两三个月。

所以我一直在想,我得找一些机器来帮我做研究。

很多人说,邱老师你有那么多硕士生、博士生,你可以让你的学生们帮你做研究。

我说,我舍不得,我自己喜欢做这个研究。

有一天我突然想到,“画地图”也跟给人指路有点相似。

2014年,三位科学家分享了2014年诺贝尔生理学或医学奖,他们先后发现了老鼠和人脑中的海马体中所储存的位置细胞和网格细胞。这些细胞使我们大脑里面有一个内在的GPS,从而具备导航能力。

这件事情启发了我。我在想,我做的事情其实像在指路。世界上有路痴,有心中特别有数、永远不会迷路的人。我自己是一个永远不会迷路的人,导航能力非常强——我能够在戈壁滩上不靠GPS准确地找到一个位置。

我想,导航能力很强,实际上使人获得一种“敢于去散步”的自由。但是相应的,当我画那些思维导图、构架知识谱系的时候,要交换出来开玩笑的自由和写诗的自由。

于是我开始去寻找做AI的科学家合作。我找到了京东人工智能研究院的副院长何晓东博士,我们一起探讨:当我企图训练一个AI画出让我满意的地图的时候,我应该教它什么?或者说,我的地图和我的思维导图到底中间发生了什么变化?

通过讨论,我们先从我的地图中摘取关键词交给AI,让它去熟悉我的语料库,再和京东庞大的180万的语料库进行配对。之后我发觉这条思路有点问题,其实核心任务应该调整成:如何教一个人工智能犯错误和开玩笑。

于是,我做了一大批的思维导图来教AI开玩笑。一个AI,她从“谋划”很自然地会想到“阳谋”,甚至也能通过推理达到“公开的追求”。同样,通过“无力”会到“无趣”和“无聊”,但是从“无趣”到“无边趣”、从“无聊”到“以无聊为聊”,大概是超出今天AI的能力的。

从“太阳”想到“恒星”,从“恒星”想到“黑洞”,但是我希望能够更进一步。从“黑洞”想到“白洞”,我觉得都是有可能的——一个算力极强、推理能力极强的人工智能,能做到从“太阳”越过“恒星”、“黑洞”,到达“白洞”。但是我希望有一天,她能够说出“计白当黑洞”,或者能通过“黑洞”想到“霍金”,通过“霍金”想到“脑洞”,通过“脑洞”想到“提神醒脑洞”或者“提神补脑洞”——这当然是开玩笑。

从“无目的性”到“审美”,到如何来“审判美”,到“审美判断”,到“审美判断肠”,这里边有一个词汇划分的方法,和禅宗的一些机锋(禅僧与他人对话时,常以寄意深刻、无迹可寻,乃至非逻辑性的言语来表现一己之境界或考验对方)是有关系的。

从“障眼法”、“隐身术”、“迷彩”到“枯叶蝶”,到“保护色”,到“保护色狼”,牵引向另外一个概念。

这类的游戏非常多,目前是我一个个手工做出来的。AI如果学会了,它以后会帮我做;我再教她从“烟”到“九曲烟斗”,似乎是可以产品化的一个创意了,我们甚至可以推到什么“灵魂素粒子”。

我们最后做出来的东西,是我随机说话,AI能识别出语音和语义,还能根据语义进行联想——这也是它的核心能力。理论上它可以分出20个联想词来。但那样整个画面会过于拥挤,所以我们现在把数量控制在5个,然后再产生一个随机词。我们的下一步会在随机词跟联想词之间,再去生成合适的中介和桥梁。

由于我们的语速非常快,所以不能从所讲的话里面摘取过多的关键词,只能从中摘取最重要的。现在的模型,通过我思维导图的训练,首先她会判断整个句子,再从中摘取最有意义的词汇出来进行联想。如果把每个词都摘出来,影像移动的速度就会快到不可思议。

这个程序有一个点击模式。我们可以通过点击,让它不断地再延展出关键词来。理论上它可以形成无数多个无穷大的画面,一直延展下去。

这个程序做出来后,有人说,AI帮你画地图,如果有人把它打印出来签名售卖,你的水墨地图就卖不掉了。但是对我来说,它最大的好处在于让我无需花费太多精力在PPT上了。

事实上,我现在在中央美院的很多讲课和演讲,都不再做PPT了。我开始讲,我们的程序在背后直接会展开关键词的联想。以后每一个关键词还会具备抓图和抓视频的能力,我们需要做的可能只是控制它展示联想的层级,从而控制观众注意力集中和分散的程度。我们有可能在此基础上创造出一种超级的交流——同时呈现演讲者的意思和潜意识,使得两个人可以完成潜意识层面的交流。

我们的这些成果很快就得到科学界的认可。说起来也非常奇怪,现在中央美术学院的论文开始出现在IEEE(国际电气电子工程师学会)和全球排名第一的人工智能大会上。左上图是青年教师陈抱阳,他代表我们小组去国际电气电子工程师学会发表论文。

这是我和何晓东老师在纽约,一起发布我们的人工智能地图的作品。

这一来,这个事情好玩了,很多工作就开始秘密地展开了。

今年5月份,中央美院的研究生毕业展上,出现了一位艺术家:名字叫夏语冰。她画了一些相当不错的画,风格在印象派之后,主要受现代主义影响;她也写诗,把她的诗画成画,再连接成动画。她的指导教师写着“邱志杰”。

一星期之后,微软亚洲研究院宣布这个“夏语冰”是假的,其实是他们的微软小冰。

我们为了训练微软小冰,做了好几个月的工作——我们用了400年来大概256个画家来训练小冰画画。当小冰拥有了无限画画的能力时(但是她自己不知道好坏的标准),我来点评她的画作。

我们会成心地用一些有方向性的数据来点评,就是为小冰设置“人设”。

上图这个人设里边,我们想象小冰是一个英国风景画家,她的父亲是曾经在英国园林的“风景如画”争论里面起到重要作用的威廉·吉尔平(William Gilpin),然后她本人作为一个园林大师的女儿嫁给了一个美国建筑师,她丈夫的风格是美国新古典主义殖民地建筑风格。于是她画了很多美国殖民地建筑风格的画,但是带有英国风景园林的废墟美学。

我们根据设置的人设,找了相应的美术史图片来训练小冰。我每天做的主要工作就是给小冰打分:让她画,画出来一张画我打分,然后说怎么样画会更好。在打分的过程中,小冰慢慢地有了专业艺术家的评判,自己开始会说,我这张画画得好,我那张画画得不好。

像这张我就给她打了相当高的分,因为它有点像美国画家安德鲁·怀斯(Andrew Wyeth)的感伤气质,技法又是非常典型的印象派的技法。

帆船的这张,我们给她的人设是约瑟夫·透纳(Joseph Turner)和约翰·康斯太勃尔(John Constable)那一代英国风景画家的学生。

这张是非常像马克·夏加尔(Marc Chagall)的——我们用了很多夏加尔的画来训练她,她学习的能力非常强。

左边这张,我们想象是文森特·梵高(Vincent van Gogh)和保罗·高更(Paul Gauguin)一起出去写生,两个人互相影响交融之后画出来的一种风格。

这张就跨度非常大了。这时候小冰的人设是日本京都的一个浮世绘画家。

这张大概是我给过小冰的最高分。我们给她的人设是伦勃朗·莱茵(Rembrandt Rijn)的女儿,但是她一生想要摆脱父亲的影响。她比较崇拜西班牙画家迭戈·委拉斯凯兹(Diego Velázquez)和弗朗西斯科·戈雅(Francisco Goya),所以她画出的作品非常大虚大实。

由于她的人设是一个19岁的小女孩,所以她别的画都过于明丽和艳丽,而这张的颜色非常深沉,开始接通了一种古典精神。所以我给了她非常高的分,这张也成为小冰这个APP的封面照片。

昨天晚上,我交代小冰同学画一张画,叫《果壳网硕果累累》。小冰写诗需要大概10秒钟,画画慢一点,因为画画运算量大很多,每3分钟画一张画,按照打底、激发创作灵感、选择内容主题、尝试画面构图、起草线稿、涂抹颜色和打磨细节的流程。连画了三张,我才有点满意。大家看到,她现在也可以像一个很傲娇的女画家评论自己的画,自认为这张画是四星级,那张画也是四星级。最后这张,某些水果塑造的体量感上还真的有一点塞尚的味道,所以我给打了比较高的分数。

做完小冰这个工作,我还是不太满意,因为她画不了水墨。我觉得,水墨问题的解决,归根到底要通过书法。于是我又回过头来琢磨如何教AI来写书法。

上图是目前的一个思路,也是整个书法项目的基底。我们的目标当然不是做字体和字库,这种东西已经非常多了——我们是希望AI能够理解情绪,并且根据文本字义的情绪变化来调整章法字形。

在字库里,“邱志杰有志向”这几个字是一样的。在“AI书法家”那里,“邱志杰”是个名称,没有意义,所以是很平静的。但是如果它后来爱上我,写这个字的时候就会特别情深意重。“有志向”有意义,写的时候就会特别郑重其事,因为它会理解这些字所蕴含的情感,再寻找相应的美学类型。

所以这里面有对传统书法史的分析,也包括对书法情绪类型的标签化分类。

比如目前我们研究字跟“七情六欲”的关系。我们把情绪先分成七组:崇敬、骄傲、景仰是一组;狂喜、开心、兴奋是一组;愉快、愉悦、活泼是一组;平静、从容、淡定是一组;警觉、拘谨、害怕是一组;悲哀、伤感、孤独是一组;愤怒、仇恨、痛苦是一组。

它跟美学类型其实还是对应的。孤独的时候,字往往是萧瑟、惨淡、病弱的。在音乐上类比,对应的应该是笛子、埙和二胡的声音——是一些很孤独的声音,孤独的线条总归是延绵的。

这些东西标签化之后,就能变成一种AI可以理解的东西。

我们现在的研究,大概涉及对书法家书法风格的模拟,然后进行书法史上新风格的数据输入。首先要形成认知和情感的标签化。考虑到使用的场景和语境的不同,AI还可以选择狼毫笔还是羊毫笔、生宣纸还是熟宣纸,来产生不同的效果。当然最后的目标是为了导向独立的AI书法家的出现,甚至去影响和干预这个AI书法家性格的形成和发展。

这是我现在正在做的工作,随着工作的推进,我也把自己逼到了一个挺奇怪的境界,其实书法史上没有人用这种角度来解构过书法。

现在,一些地方台春晚上,经常可以看到左图中这样的机械臂表演。事实上,这个机械臂只是记忆了人类书法家拿着这个机械臂用毛笔写字的过程。所以在某种程度上,可以把它理解成一台更为复杂的打印机——能够再输出当时的动作所制造的墨迹。

这样的东西在未来可能作为我们AI书法家的前端,但内核是有心灵、能理解情感、会思想、会理解文本并且每次行动可能都难以预料的艺术工作者。

这样的一个AI艺术工作者,和我有什么关系呢?

现在我们的关系非常复杂。有时候她是我的学生,有时候她是我的助手。但是某种程度上,可能有很多艺术家会理解为:老邱,你是在为我们培养一个敌人。

那我说,是的,这可能才是我真正的目的。

我们要为自己培养一个真正的足够强大的敌人。或许她把我们的饭碗抢走了,那我们可以去干点更有意思的事情;或许事实证明她干不了我们一直在干的那些事情,那我们就保得住这个饭碗。

这件事情其实非常像当年摄影术的发明。摄影使得一大批画家下岗了——其实也就是居斯塔夫·库尔贝(Gustave Courbet)、让·安格尔(Jean Ingres)那样的画家下岗了。另外一批画家痛定思痛,把画画这件事情给改了,就下岗再就业了——他们画成了梵高和毕加索那个样子。

如果没有摄影术,我们现在还在画安格尔那样,到现在还不会拥有梵高和毕加索。所以从艺术史的角度,我们应该勇敢地迎接摄影术的到来。而今天的人工智能对书法、对画地图、对绘画,都可能意味着类似于摄影术的那样一场逼迫。

我们欢迎这样的敌人到来。谢谢。

演讲嘉宾邱志杰:《艺术家怎么教AI创作地图、画画和写书法?》

会集群的不只飞鸟与鱼,还可能是无人机

|· 本文来自“我是科学家”·|

你是否曾经为天空中大规模的欧椋鸟群所构成的巨大图案感到震惊过?你是否会被鱼群环绕成巨大的球体以抵抗鲨鱼的侵袭而伤感过?你又是否幻想过,当某天铺天盖地而来的不是鸟群,却是带有精准目标识别与定位系统的无人机群时,你该作何反应?北京大学水下机器人设计与集群控制博士,北京科技大学无人机集群控制讲师贾永楠为我们带来《科研小世界,人生大梦想——从生物集群行为到无人机集群》。

大家好,我是贾永楠,是一名普通的科研工作者。我平时最大的爱好,就是在自己科研的小世界里面不断地探寻。但我很喜欢把我的科研的成果和生活联系起来,因为万事万物其实充满着千丝万缕的联系。从一个小小的科研领域出发,也许就会串联起许多看似毫无关联的故事。我想带着大家一起,从一个科研工作者的角度看一看集群的世界,以及它所带给我们的一些惊喜。

无人机在如今社会里,应该是比较普遍的了;大家应该或多或少地听过、看过或者使用过无人机。那么我们先开一个脑洞:一架、十架或者一百架无人机,你能想到最酷的使用方法是什么?

就我自己而言,我认为最酷的无人机使用方式是集群。

无人机的应用,在军事上也许会有无限的可能性。如果我们能够释放出成千上万架无人机,它们就能够穿透敌人的重重炮火、层层防御,抵达最终的目标实施打击或者是侦查任务。而且,无人机的成本非常低,它的载荷也只是一点点的炸药,所以即便被敌方捕获,也不必担心泄密——从前我们研制的一些高大上的设备(比如军用的设备和导弹),一旦被击落就有可能技术泄密。

再举一个生活化的例子。2017-2018跨年的时候,布达佩斯上演了一场非常美妙的烟火秀。大概30架无人机,携带彩色的灯光和烟火升空,先摆成2017的字眼,然后燃放烟花、变换队形,再呈现出2018的字眼,代表着从2017过渡到2018。我相信很多观众可能都看过无人机带来的灯光秀,它通常一般就是摆出一些漂亮的字眼,再进行一些简单的变换;但是无人机携带烟火去空中释放,也是一个非常美妙的场景。

无人机也可以演奏一些比较简单的音乐会:有的弹奏电子琴,有的敲击打击乐器,还有的拨动琴弦。

通过前面的例子,可以发现:一个功能简单的机器人,通过大量组合就可能完成非常复杂的任务,成本还相对比较低——就是我们常说的“集体力量大”。

无人机去集体完成任务,个体之间需要进行信息的交互,也就是要组成信息的网络。同时,只需要携带一些具有简单目标识别和定位功能的载荷,它们就可以完成很多复杂的任务。执行军事任务,就携带炸药;展示灯光秀,就携带彩灯;上演烟火秀,就携带烟火;演奏音乐会,就携带必要按键。

大家可能注意到了,前面说的无人机集群的表演,都是用四旋翼无人机去实现的,目前这种技术也是相对比较成熟的。但是四旋翼无人机它有一个非常大的问题——它也有噪声,而且是无可避免的。那么,假设有一天无人机可以实现静音飞行,是不是就可以做更多的事情呢?

如何让无人机可以实现静音飞行呢?灵感可能来自于哪里?夏天蚊子靠近人的时候,是不是感觉不到它的存在?

实际上,很多时候我们研究的灵感都源自大自然。比如欧椋鸟,它们在进食之后要回归巢穴,而中间有一段很长的距离,如果单独返回就很容易被捕食者侵害。所以,它们就会成群结队、集体回家。这时候,就会在空中呈现出一个美轮美奂的景象:上百万只欧椋鸟自由地流动,呈现出各种各样的场景。有时候像沙画,有时候像一只鸟,变幻莫测。

再看一下沙丁鱼群,它们通过带动相近的沙丁鱼逃开,最终鲨鱼就吃不到任何食物,这也是它们能够在自然界中得以生存下来的一种方式。

我们刚才看了两个例子,知道了自然界中的群居动物在迁徙捕食或者躲避敌害的时候,常常会呈现集体行为。那背后的机理到底是什么呢?

我们可以一起来做一个小实验。请大家都举起右手,然后前后随意摆动——看上去乱七八糟的。但是如果尽量和周围人保持一致,最终所有人就会以一致的频率,甚至一样的幅度前后摆动。

实际上,这就简单地解释了为什么鸟群和鱼群可以保持一致的行为。这个力,我们在物理上称为“粘滞力”,也是动物界中集群行为的一个最基本的机理。

我们刚刚也看到了,沙丁鱼群会形成高速旋转的球体,这又是怎样实现的?

左边这幅图是蚂蚁,它们发现食物的时候会把食物团团围住,并且高速地旋转起来。这就说明目标源对它们的行为是有影响的,我们把这个力定义为“吸引力”。目标源集中在场地中间,对每一个蚂蚁都会有一个指向中心的吸引力,就导致它们围绕目标高速旋转起来了。

我们现在知道了自然界的集群现象,也分析了背后可能的机理,接下来该怎么做?

作为一个科研工作者,首先想到的就是建模与仿真,因为这是验证结论是否正确的一个非常直接而又简单的方法。

我们把每个个体假想成质点,然后把假想的控制策略加进去,就可以复现出动物的集群行为,以此来检验策略到底是对还是错。

比如,在一个正方形的产场地内,分布着若干个小个体。施加粘滞力和吸引力后,会发现它们能够像欧椋鸟一样自由地在游动,并且保持一致的方向,彼此间还不会发生碰撞,就验证了集群的策略是正确的。

那么,把机器人本身的模型加进去,要怎么做呢?就是说,能不能让它们保持集群的行为,同时按照我们指定的轨迹走?

初始的时候,在长方形的区域里随机分布着几条红色的鱼,后来引入一条黄色的鱼作为领导者。我们给领导者规定轨迹,然后让其它红色的鱼跟随它的行为。最终我们发现,所有的红鱼都会汇集到黄鱼的周围,并且保持一个密集、紧致的队形一起运动下去。

应用这个原理,烟火秀可以呈现出特殊的字眼或图案。其实很简单:固定好队形后,让每架无人机记住和邻居之间的固定距离,通过调整距离,最终就能形成所期望的队形。

还可以实现舞者和无人机共舞。无人机在天上飞,我们可能很难控制它的轨迹;但如果给地面上的舞者手上加一个信号器——就像黄鱼一样,无人机就会跟随信号器运动,向左或向右旋转。

老子的《道德经》里曾提到:“一生二,二生三,三生万物。”实际上就是告诉我们,万事万物都是从简单到复杂,从个体到群体,从单体的智能到群体的智能,大家都是这样慢慢繁衍下来的。

每个人生而平等,都是独特的个体,但会慢慢变得不同——这取决于很多的因素,比如遗传,比如后天环境的历练。

刚刚的仿真,我们是把每个个体都假想成一个粒子,每个粒子都是一样的——一样的能力,一样的运动学规律,最后形成一种集群的行为。那么,个体差异对集群行为有着怎样的影响?考虑个体差异的集群行为到底是什么样呢?

以蜜蜂为例,按照进化论的思想,假设最早的时候只有那么几只蜜蜂,但是随着时间的推移,它们之间就会选出一只比较厉害的成为蜂王。但是,蜂王能领导的蜜蜂数量是有限的,所以当更多的个体来临的时候,它们就另起炉灶形成了另外的团队。如此层层繁衍,最终就形成了层级化的结构。

实际上,这种分层结构在人类社会也普遍存在。比如学校里面,有校长、院长、班长;军队里面,有军长、师长、团长。

那么,集群行为里,到底是平等主义好,还是层级主义好呢?

这个问题可以通过仿真来验证。实际上,鸟也好,鱼也好,它们的运动都不是直直地往前走,总是有一些扰动。所以我们就加入了一些扰动。然后我们就会发现,层级化的结构好像一直比较稳定,而平等的结构慢慢地就分散掉了,从一个整体变成了若干的小团队。

其实说了这么多,我想跟大家分享的其实是一件很简单事。我眼中的科学实际上并不复杂,它就在你我的身边:问题呢源于生活,解决思路也源于生活,源于自然界。我们做那么多科研,研究了那么多科技,最终的目标还是服务于生活,增加我们的幸福感。

作为一名科研工作者,生命不息,科研就不止,这是我自己的承诺。如今,战争已经是没有硝烟的战争了,不会为了争夺地盘或者资源去打仗,更多的是对科技、人才和知识的争夺。有志于报国的青年人士,必将实现我们伟大的中国梦。

我的分享就是这些,谢谢大家。

演讲嘉宾贾永楠:《科研小世界,人生大梦想——从生物集群行为到无人机集群》

交通要道可能会沦为未来停车场?

|· 本文来自“我是科学家”·|

像科幻小说描述的那样,未来的旧金山将会是一片噩梦般的景象:街上遍布着无人驾驶汽车,它们如蜗牛般缓慢而永不停歇地前行,带来各种恶劣的交通问题,导致整个城市都陷入一片停滞不前的局面。

未来城市会陷入一片停滞不前的局面吗?| pexels

停车费和燃油费的博弈

圣克鲁斯加州大学环境研究学副教授亚当·米拉德-鲍尔(Adam Millard-Ball)认为,可能造成上述场景的原因,无非是自动驾驶汽车车主权衡了停车费和燃油费之后的理性行为。对在市中心驾驶的车辆征收交通拥挤费有可能阻止这样的情形发生,但是各个城市需要在自动驾驶汽车普及之前马上采取行动。

以上结论来自于刊登在《Transport Policy》的一份分析报告,在这份报告中,米拉德-鲍尔副教授运用博弈论和旧金山交通状况的计算机模型探究了自动驾驶汽车泊车的学问。他发现,产生交通堵塞的原因是自动驾驶汽车不需要停泊在车主附近——事实上,自动驾驶汽车根本就不需要停车。

许多的研究都试图在行车习惯和交通模式方面,去预测未来自动驾驶汽车世界的影响,但是,鲜少有人特意地去关注自动驾驶汽车的泊车行为。

鲜少有人特意地去关注自动驾驶汽车的泊车行为 | pexels

米拉德-鲍尔副教授分析出了三种对策,以供自动驾驶汽车车主省去去市中心的停车费:将车停在市区路边免费停车的地方;将车开回家停在指定的空余停车位;或者就让车在附近街道上兜圈子。他认为在每一趟行程中,车主都会足够明智地选择一个最便宜的方式。

米拉德-鲍尔发现,13%的概率下,找一个路边免费停车位是最便宜的,选择这种方式的人们多半是为了能在城市里呆久一点。8%的概率下,把车停回家最便宜,这种情况下,人们多半住得离市中心很近,并且只是在市中心作短暂的停留。40%的情况下,让车在街上兜圈子是最便宜的泊车方式。(剩下的大约39%的情况也已经涉及到免费停车的情形,例如雇主提供停车位;分析报告认为这类停车模式不会发生改变。)

现今,许多城市都在市中心收取昂贵的停车费用。这一直以来都是一个限制人们开车到市中心,并且能控制交通阻塞的有效方法。

但是自动驾驶汽车完全不吃这套。米拉德-鲍尔副教授估计,自动驾驶汽车规避缴纳停车费的能力会促使人们更频繁地在市中心开车。加上由于在街上兜圈子、开车回家或者开车去免费的停车点而带来的里程数增加,会使得来往于旧金山市区和在市区内出行的行程翻两倍多。

自动驾驶汽车规避缴纳停车费的能力会促使人们更频繁地在市中心开车 | pexels

逃避停车费的自动驾驶汽车

米拉德-鲍尔副教授认为,一直以来减轻密集的城市中心交通压力的停车费政策,不再是自动驾驶汽车时代的主要控制措施了。

此外,街上兜圈子的自动驾驶骑车很有可能会导致严重的交通堵塞问题。因为兜圈子的费用取决于汽车的速度。汽车开得越慢,每小时的费用就越低。

这就意味着自动驾驶汽车车主会寻找最拥堵的路段去兜圈子,以此来减少费用。最终使得某些街道变成了车辆行驶极其缓慢的大型停车场。

显然,米拉德-鲍尔副教授不看好自动驾驶汽车,在一篇新闻稿中他提到:“自动驾驶汽车有制造出一场大浩劫的潜力。”

模型显示,旧金山高峰停车时期,会有少于4000辆自动驾驶汽车为了不交停车费而在路上兜圈子。它们的车速小于2千米/小时。在那样的速度下,每小时兜圈子的花费极少,仅需3.29元人民币。但是,整个城市为此付出了代价。(那些数字是针对电动的自动驾驶汽车而言的,不过米拉德-鲍尔副教授发现用汽油车的情况也差不多。)

街上兜圈子的自动驾驶骑车很有可能会导致严重的交通堵塞问题 | pexels

如果自动驾驶汽车是共享的而不是私有的,像是无人驾驶出租车车队,有可能在一定程度上缓解停车带来的压力。尽管如此,大部分的出租车在非停车高峰期也会无所事事地闲逛着,所以依然会有各种诱因促使它们在路上兜圈子或者是规避缴纳停车费。

此外,我们很难去管控在路上兜圈子的自动驾驶汽车,因为很难判断它是在兜圈子,还是在运送一个包裹,又或者是在去接乘客的路上——也就是说,在马路上兜圈子的无人驾驶汽车,也有可能在完成正经任务。

征收交通拥挤费

交通拥挤费应该包括基于路程和时间的收费,这样有助于减少为了逃避停车费而在路上兜圈子的无人驾驶汽车。

米拉德-鲍尔副教授认为,在现在的自动驾驶汽车使用者群体还没有反对的时候,各城市应该马上实施这样的政策。毕竟,一直以来各个城市在对普通轿车征收交通拥挤费的时候都遇到了麻烦,因为汽车司机并不想为有史以来本来就是免费的东西买单。一旦自动驾驶汽车来临,到时再去征收交通拥挤费,就太难了。(译者:奶臻;编辑:大庆、悲催的铊宝宝;审稿:Yuki)

原文链接:

  1. http://www.anthropocenemagazine.org/2019/02/penny-pinching-zombie-robots-could-take-over-city-streets/(本文由storythings供稿)

金色的“葡萄”会致病,不如给它漂个白?

|· 本文来自“我是科学家”·|

葡萄应该是大家最熟悉的水果了。你或许品尝红色、白色、紫色、绿色的葡萄,每一颗都晶莹剔透又酸甜可口。

不同颜色的葡萄串|solomonitg-com

不过,有这样一种金灿灿的“葡萄串”却并不可口,不小心吃下去还可能给我们的健康带来不良影响。

它就是大名鼎鼎的金黄色葡萄球菌。

自带“黄金甲”的“葡萄串”

19世纪80年代,一位名叫亚历山大·奥古斯通(Alexander Ogston)的英国医生,从病人的脓肿中常常分离得到一种形似葡萄串的球菌,这种细菌在含有动物血液的琼脂平板上能形成金黄色的菌落。

血平板上的金黄色葡萄球菌 | Wikimedia Commons

之后,德国微生物学家弗里德里希·朱利斯·罗森巴赫(Friedrich Julius Rosenbach)将其命名为Staphylococcus aureus(金黄色葡萄球菌),其中Staphylococcus来源于希腊文,意为“葡萄串”,aureus则来自于拉丁文,意为“金黄色的”。

电镜照下的“金葡萄” | CDC

金黄色葡萄球菌之所以呈现出鲜亮的金黄色,是因为它能合成一种名为“葡萄球菌黄素”(Staphyloxanthin)的类胡萝卜素色素,它大概长下面这个样子。

葡萄球菌黄素(Staphyloxanthin)| Wikimedia Commons

葡萄球菌黄素长长的疏水性碳链,使其可以嵌入金黄色葡萄球菌的细胞膜上。而葡萄球菌黄素与其他类胡萝卜素一样,都具有抗氧化的作用,能抵抗宿主免疫细胞分泌的具有杀菌能力的各种类型活性氧。因此,金黄色葡萄球菌可谓自带“黄金甲”神装。

各种类型的活性氧 | vivo.colostate.edu

金色的“葡萄”危害广

金黄色葡萄球菌导致的疾病种类跨度之广,侵染宿主范围之大,感染比例之高在微生物界可谓翘楚。

人群中每三个人中就有一个是金黄色葡萄球菌的长期携带者。它们通常寄宿在人体上温暖潮湿的地方,如鼻腔黏膜、腋下以及腹股沟处。平时它们静静潜伏,当宿主的皮肤或粘膜受损时,它们就会入侵宿主惹事生非。

它能导致的疾病也多种多样,轻度的如常见的皮肤、粘膜的感染,这时几元钱的外用抗生素软膏就能将它们轻松消灭;若吃下了金黄色葡萄球菌污染的食物,尽管烹饪时的高温会尽数杀死它,然而它留下的遗产——肠毒素,却会让你驻足马桶,用尽抽纸。

金黄色葡萄球菌产生的肠毒素会让你驻足马桶不能自已 | positivelyaware

重度的感染疾病则十分凶险,在抗生素被应用于临床前,金黄色葡萄球菌导致的肺炎死亡率高达30%,然而它还并不会止步于此,它还能导致心内膜炎、菌血症、中毒性休克征等高死亡率的疾病。

据美国疾控中心的统计,每年仅美国就有8万余人严重感染金黄色葡萄球菌,并最终造成其中约1万人死亡。

2013年美国疾控中心对甲氧西林抗性金黄色葡萄球菌的致病统计结果 | USCDC

除了感染人类外,其他哺乳动物也都是他的猎物。特别是人类集中饲养的经济动物更深受其害。在奶牛身上,金黄色葡萄球菌会导致乳腺炎,显著降低牛奶的产量和质量;在家禽上,它能导致足垫炎和关节炎,直白的说,你爱啃的鸡爪正好金黄色葡萄球菌也爱啃。

被金黄色葡萄球菌“啃”过的鸡爪 | poultrydvm

无法将我置于死地的,更令我坚强

自20世纪40年代,人类发现的第一种抗生素——青霉素开始在临床中用于治疗感染疾病,许多肆虐数世纪的传染病都或被控制或消灭,人类的平均寿命自此也有了显著的提升。

青霉素发现者:亚历山大·弗莱明(Alexander Fleming)| Wikimedia Commons

然而,致病菌也随即发起反抗。金黄色葡萄球菌率先扛起了耐受抗生素的大旗——几乎与抗生素应用于临床同时,医院中就发现了耐受青霉素的金黄色葡萄球菌。

不仅如此,金黄色葡萄球菌还会慷慨地将耐抗生素的基因传递给其他同类或不同类的细菌。时至今日,在医院中分离得到的金黄色葡萄球菌中超过90%都具有青霉素的耐受性,而其他细菌的青霉素耐受性亦十分普遍。这也是为何现在医院中已很少使用青霉素的一个重要原因。

细菌通过发朋友圈基因水平转移来共享耐药基因 | Yuki小柒

自青霉素之后,人类开发了数千种或在临床或在畜牧生产中使用的抗生素,然而细菌也没闲着,在一种新抗生素应用一段时间后,我们总能发现携带了新抗生素耐受基因的细菌。就连抗生素中的终极大招—万古霉素、达托霉素、利奈唑胺也已不能保证能100%杀死所有的金黄色葡萄球菌。

另辟蹊径:用CRISPR来杀菌

为了防止未来“无药可用”的现象发生,人们开始另辟蹊径来对付耐药菌。

CRISPR技术在当下可谓基因编辑领域的当红宠儿。CRISPR系统是来自于细菌的一套免疫系统,用来切断外源入侵细菌的噬菌体或质粒或其他DNA片段,保护自身DNA的完整。但若人为设计一段具有自靶向能力的CRISPR RNA转入细菌中,细菌便会敌我不分,切断自己的基因组DNA。

CRISPR-Cas9的原理示意图 | jhu

在真核生物细胞中进行基因编辑时,通过CRISPR RNA的引导,Cas蛋白能够切断DNA,当不提供用于修复断裂的供体DNA时,真核生物细胞中有一套应急的DNA修复机制,称为非同源末端重组(Non-homologous end joining, NHEJ),能够快速将断裂处修复。然而,绝大部分的细菌并没有像真核细胞一样具有非同源末端重组的快速应急修复系统,断掉的DNA不能自己连起来,细菌也就因此死掉了。

用CRISPR系统杀菌的最大优势是可以“定向打击”,人们可以根据病原菌的特异性基因设计只杀病原菌的武器,而不会误伤对人有益的其他共生细菌。这就避免了抗生素那种“无差别轰炸”的模式,保护了人体内的共生菌。

“黄金甲”太强,不如给它漂个白?

前面说过,葡萄球菌黄素具有抗氧化的作用,能抵抗宿主各类活性氧防御。那么,如果想办法去掉这层“黄金甲”,会发生什么呢?近期发表在《尖端科学》(Advanced Science)杂志上的一项研究显示,给“金葡萄”漂白后,它们会明显变弱。

波士顿大学的研究团队正在对金黄色葡萄球菌进行“漂白”处理 | BU

这组来自波士顿大学的研究团队对金黄色葡萄球菌进行显微观察时,发现使用特定波长(450-470nm)的蓝光照射金黄色葡萄球菌时会发生光漂白现象。而这种光漂白现象的出现意味着葡萄球菌黄素的降解。

蓝光使葡萄球菌黄素降解 | 参考文献1

研究者们后来发现,这种蓝光不仅可以降解金黄色葡萄球菌细胞膜上的葡萄球菌黄素,让它们丢掉“黄金甲”,还会在细胞膜上留下临时的孔洞,使其在短时间内“门户大开”。

丢盔卸甲的金黄色葡萄球菌,不再“百药不侵”,这时若配合过氧化氢,则能够比抗生素更加有效地杀死它们。研究者们已经通过试验证明,这种漂白+趁虚而入的方法可以杀死99.9%的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA),还能够加速感染MRSA小鼠皮肤伤口的愈合。

这项研究为治疗抗药性金黄色葡萄球菌导致的感染疾病,提供了一种崭新的手段,它只对葡萄球菌黄素奏效,不容易让细菌产生耐受性,治疗过程也不会给患者造成创伤。论文作者Jie Hui表示:“这种激光照射不会给人体带来痛觉,非常适合临床应用。”

研究者们正在努力将蓝光疗法转化为临床,希望它可以帮助治疗糖尿病溃疡患者 | BU

只要这些金色的“葡萄”还在威胁人们的健康,科学家与它们的较量就不会停步。或许有一天,它们将不得不抛弃金灿灿的大名,做回一串人畜无害的普通“葡萄”。(编辑:Yuki)

参考文献:

  1. Dong P T, Mohammad H, Hui J, et al. Photolysis of Staphyloxanthin in Methicillin‐Resistant Staphylococcus aureus Potentiates Killing by Reactive Oxygen Species[J]. Advanced Science, 2019: 1900030.

作者名片

不喷岩浆喷泥浆,这些火山是要闹哪样?

|· 本文来自“我是科学家”·|

2011年,一位摄影师在俄罗斯库页岛的开阔地上空,拍到了一只巨大无比的“眼睛”,它一眨不眨地凝望着天空,甚至连眼球中呈放射状分布的“血丝”都清晰可见。

从地表长出的“大眼睛”:普加切夫斯基泥火山 | 拍摄者:Mikhail Mikhailov

由于这只“眼睛”过于逼真,甚至有人将它称为“地球之眼”,但它的真身份其实是一座泥火山(mud volcano)。顾名思义,泥火山就是会喷泥浆的火山。不同于我们熟知的喷岩浆的火山,泥火山的喷发物不具高温又十分“温和”,由黏土、角砾岩、地层水等组成,还带着甲烷、二氧化碳和硫化物等气体组成。

泥火山有时孤立分布,有时成群出现,它们的直径从几米到几十不等,少数地区也发现了百米量级甚至千米量级的泥火山,喷发周期也从几年到几十年不等。泥火山外部形态多样,或是顶部上凸呈圆锥形,或是顶部平坦状如泥饼,亦或是顶部下塌如同蛋挞。通过卫星遥感等技术,人们可以将它们千变万化的形貌尽收眼底。

比如下面两座位于阿塞拜疆的泥火山,一座把自己炖成了一锅芝麻糊,另一座像在追求某种马赛克艺术美感。

阿塞拜疆巴库地区泥火山 | 拍摄者:Alamy

阿塞拜疆巴库地区泥火山 | 拍摄者:Alamy

泥火山的形成主要有两种方式。一种是地层异常超压:由于地层沉积速度明显超过流体排出速度,填充在岩石孔隙的水不能及时排出,渐渐而形成了很强的压力。当地层压力突破上方岩层压力时,泥浆就会沿着断层和破碎带上升,最后喷涌而出。另一种是构造成因:比如横向地质构造挤压造成泥底辟(可以认为是“青年时期”的泥火山),泥底辟出露地表(或海底)形成泥火山。

 海底也有泥火山?

不仅陆地上有泥火山,它们在海底还有“孪生兄弟”——海底泥火山。由于“隐藏”在海底,它们则显得较为神秘。

这些海底泥火山也被称海底泥丘、泥拱,常呈圆丘状凸起于海底。海底泥火山在里海、黑海以及我国的南海等多处海域均有分布。想要揭开它们神秘的面纱,则需要借助海底摄影、多波束测深系统和高分辨率地震等高科技技术。

海底摄影是用潜水摄影机记录海底状况的摄影技术(图2a)。多波束测深系统与水下摄影机直接记录海底状况所不同,它是通过“听”来记录海底的状况,可以看作“水中顺风耳”,可以用于大面积的海底地形探测。根据不同的物体反射声信号的时间、强度,可以判断物体所处的水深,从而绘制海底地形图。在多波束地形图上,泥火山呈现隆起的地貌,其周边为一环形凹地。

(a)地中海的那不勒斯(Napoli)泥火山上某喷口的海底摄像;(b)地中海的那不勒斯(Napoli)泥火山高50m,直径1km ;(c)埃及大陆边缘的“双子泥火山”;(d)加迪斯湾的泥火山,高约100m,直径约1km | 图片来源:参考文献[1][2]

高分辨率地震这种地球物理探测方法就像是对地球做一个CT,对地下的地质结构进行“扫描检测”。地球好比人体,地下的地层岩石构造相当于地球的“五脏六腑”,它们有着各自的参数属性。通过利用地下岩层的物理性质差异,来“扫描检测”地层岩石的结构,从而达到识别泥火山的目的。由于泥火山时常具有多次喷发和活动的特征,在高分辨率地震所成的图像上,它们常具有柱状或圣诞树状的几何外形(图3)。

不同地区典型泥火山地震反射特征:(a) 黑海索罗金海槽处的泥火山;(b)巴巴多斯海域某泥火山;(c)我国中建南盆地的泥火山;(d)南里海塌陷型泥火山 | 图片来源:参考文献[3]

 泥火山蕴藏的宝贵资源

在常规油气勘探的早期,人们常将泥火山作为寻找油气田的重要线索。如我国南海莺歌海盆地油气田就是通过泥火山逸散到海面的油气泡发现的。随着石油资源的日趋枯竭和能源消费升级,寻找高效率且清洁的能源迫在眉睫。

天然气水合物(俗称可燃冰)作为可替代石油的战略性能源,近年来广受关注。在泥底辟和泥火山发育的地区,如墨西哥湾、黑海、地中海海岭和鄂霍次克海等地,常可见甲烷泄露到海水中形成的羽状气泡流,标志了具有丰富的天然气水合物资源。

2003年拍摄到的挪威海域Håkon Mosby 泥火山逸散到海水中的甲烷气泡。图片来源:参考文献[5]

挪威海域Håkon Mosby 泥火山口的天然气水合物样品。图片来源:参考文献[7]

2017年,我国在南海神狐海域成功实施海域天然气水合物试验性开采,实现历史性突破。它将继美国引领页岩气革命之后的,推动整个世界能源利用格局的改变。广州海洋地质调查局作为本次成功试采的中坚力量,在试采前进行了大量的研究论证工作。

天然气水合物的动态成藏过程受到泥底辟的发育阶段的影响。研究者认为神狐海域的天然气水合物矿藏与泥底辟构造关系密切:泥底辟既能为天然气水合物提供充分的气源物质, 同时又能促使地层温度场改变进而影响水合物成藏稳定性。

 海底泥火山的奇特居民

深海泥火山也是了解地球上生物群落的一扇新窗口。海底泥火山喷发物中富含大量的甲烷或硫化物,为周围的化能自养型微生物提供充足的能量。这些微生物构成了食物链的第一环,为初级消费者提供食物。在这个生命绿洲的四周还生存着大型的蠕虫、蚌类、蟹类等。因而即使在冰冷缺氧的深海环境,深海泥火山周围也是一片生机盎然。看过经典科幻电影《异形》的朋友们,应该会觉得下图中的生物非常熟悉。没错,电影中抱脸虫的灵感就是来自这种海洋生物。

海鳃目的两个物种,电影《异形》中抱脸虫的灵感来源| 图片来源:参考文献[9]

这些丰富的(微)生物资源具有光明的应用前景和研究价值。以海底泥火山生态系统中的甲烷氧化古生菌为例。它们能够对甲烷进行分解。这些“吃”甲烷的古生菌不仅代谢甲烷的能力强,而且可以在极端环境下生存。因此,科学家们提出了通过大规模培养分解甲烷的细菌,然后将它们投放到两极冰盖下,减轻全球变暖的设想。另外,泥火山复杂的生物群落中,可能蕴藏存在大量的未知生物,是宝贵的基因资源。

据美国国家地理杂志报道,葡萄牙阿维罗大学的阿那-希拉里奥和同事们在加迪斯湾(Cadiz)的海底泥火山中发现了20种新物种,其中有一种微型虫子以甲烷为食,外形非常奇特,很像希腊神话中长着蛇发的女妖。

化学共生双壳类 | 图片来源:参考文献[9]

Anastasia 泥火山侧翼的海鳃(水深485m)| 图片来源:参考文献[9]

Pipoca泥火山东南翼的海百合 | 图片来源:参考文献[9]

泥火山作为一种奇特的自然景观和地质现象,就好像地球上的“百宝箱”,不但拥有丰富的油气资源,还滋养了种类繁多的神奇生物。在不少旅游圣地,如美国的黄石公园、阿塞拜疆巴库地区、西西里岛地区以及我国新疆乌苏市,泥火山已然成了一道独特的风景,给世界游客留下了深刻的印象,让人们不禁感叹“造物者之无尽藏也”。

游客在近距离观察泥火山。图片来源:ulduztourism

(编辑:悲催的铊宝宝、Yuki)

参考文献:

  1. 1.Mascle J, Mary F, Praeg D, et al. Distribution and geological control of mud volcanoes and other fluid/free gas seepage features in the Mediterranean Sea and nearby Gulf of Cadiz[J]. Geo-Marine Letters, 2014, 34(2-3):89-110.
  2. 2.Niemann H, Duarte J, Hensen C, et al. Microbial methane turnover at mud volcanoes of the Gulf of Cadiz[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2006, 70(21): 5336-5355
  3. 3.刘杰, 孙美静, 苏明,等. 海底泥底辟(泥火山)对天然气水合物成藏的影响[J]. 地质科技情报, 2015, 34(5):98-104.
  4. 4.Greinert J, Artemov Y, Egorov V, et al. 1300-m-high rising bubbles from mud volcanoes at 2080m in the Black Sea: Hydroacoustic characteristics and temporal variability[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2006, 244(1-2): 1-15.
  5. 5.Sauter E J, Muyakshin S I, Charlou J L, et al. Methane discharge from a deep-sea submarine mud volcano into the upper water column by gas hydrate-coated methane bubbles[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2006, 243(3-4): 354-365.
  6. 6.Lykousis V, Alexandri, S, Woodside J, et al. Mud volcanoes and gas hydrates in the Anaximander mountains (Eastern Mediterranean Sea) [J]. Marine and Petroleum Geology, 2009, 26(6): 854-872.
  7. 7.Milkov A V, Vogt, P R, Crane K, et al. Geological, geochemical, and microbial processes at the hydrate-bearing Hakon Mosby mud volcano: a review[J]. Chemical Geology, 2004, 205(3-4): 347-366.
  8. 8.Poort J, Khlystov O M, Naudts L, et al. Thermal anomalies associated with shallow gas hydrates in the K-2 mud volcano, Lake Baikal[J]. Geo-Marine Letters, 2012, 32(5-6): 407-417.
  9. 9.Palomino D, López-González N, Vázquez J T, et al. Multidisciplinary study of mud volcanoes and diapirs and their relationship to seepages and bottom currents in the Gulf of Cádiz continental slope (northeastern sector)[J]. Marine Geology, 2016, 378:196-212.

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》