嗡嗡嗡的不只有蚊子,还可能是机器人!

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夏天到了,蚊虫们的嗡嗡声又不时回响在大家的耳边,一不留神身上就会多几个大包,许多人甚至听到它们的声音都会浑身发痒。然而,在大洋彼岸的一个实验室中,一群研究者却在努力制造嗡嗡声,他们在设计一种微型机器人——以昆虫为灵感的扑翼式飞行器。

这种机器人属于仿生机器人。仿生机器人是一个非常前沿、热门的研究领域。自然界中一切能够运动的生命体,比如飞鸟、游鱼甚至昆虫、真菌,都能为研究者们提供灵感。而模仿昆虫的扑翼式飞行器具有体积小、飞行灵活、低速安静等特点,可以轻易完成狭窄空间、复杂地形的穿越与导航,在遥感测绘、灾难救援等多种场合都有着广泛的应用前景,因此也受到极高的关注。

哈佛大学的WYSS研究院是一间专注于生物交叉技术的研究机构,其中的微型机器人实验室专注于仿生机器人的开发。早年间,他们研发了名为RoboBees的微型扑翼式飞行器[1],其翼展仅为3cm,重量80mg,能够像昆虫一样灵活地飞舞。

灵活的RoboBees | 图片来源:参考文献[1]

为了制造适合微型扑翼飞行器的驱动结构,研究者们提出了一种创新的结构与加工方法,“智能复合材料微结构(Smart Composite Microstructures,SCM)”。通过在SCM中加入压电材料,电能可以直接作用于扑翼结构使其产生运动,这样制作的飞行器尺寸要比传统电机驱动的飞行器更加紧凑,推力效率也更高。

从图中可以清楚地看到,早期的RoboBees用的是一种有缆飞行技术,通过外接的电缆给飞行器供能。这种技术的缺陷也很明显:飞行器移动的空间被电缆限制,无法发挥出最大的功能优势。

对于微型飞行器来说,电池技术是个难关——如果想要RoboBees进行无缆飞行,使用的锂离子电池可能会比飞行器本身重好几倍;如果使用太阳能板供能,则需要5-7倍的太阳光光强才能让飞行器持续正常飞行。总之,突破自供能的无缆飞行始终是一个巨大的挑战。

因此,微型飞行器目前最主要的研究方向就是供能方式的革新以及能量利用效率的提升。在去年的机器人与自动化国际会议(ICRA)上,华盛顿大学的研究员就发表了一项供能方式上的创新[2]:通过激光照射微型飞行器上的光电转换板,就可以高效地为其供电。当然,这种方式也存在很大的缺陷:激光光源必须实时追踪飞行器才能为其供电,而这在实际使用场景中基本是无法做到的。就目前而言,这项技术仅能用于飞行器的起飞,而无法用于持续飞行。

通过激光为飞行器供能 | 图片来源:参考文献[2]

本周,WYSS研究院研发的一个新的微型仿生机器人RoboBee X-Wing登上《自然》封面[3]。他们选择了更为艰难的道路:提升能量的利用效率。研究者称,RoboBee X-Wing是迄今为止最轻的、能够实现无缆飞行的昆虫级飞行器。

登上《自然》封面的RoboBee X-Wing | 图片来源:参考文献[3]

作为RoboBees的改进型,RoboBee X-Wing一个明显的变化,就是采用了四翼结构以增加升力。主体结构翼展3.5cm,自重90mg,与原版相比增加不多,但是峰值推力可以达到370mg。结合一些驱动电路、波形等等其他方面的优化,其推力效率已经基本和同体积的昆虫相当。

RoboBee X-Wing具有四翼结构 | 图片来源:参考文献[3]

通过搭载一枚60mg的太阳能板以及100mg的驱动电路板,总重259mg的RoboBee X-Wing可以在3倍太阳光强的实验条件下进行持续的飞行,并且还能提供少量载荷用于搭载其他设备。此外,他们的仿真结果显示,如果将飞行器的体积放大至现在的1.26倍,则其飞行需要的光强仅需1.5倍太阳光强。

RoboBee X-Wing主体结构;加装太阳能板与驱动电路 | 图片来源:参考文献[3]

不过研究者也承认,这项工作距离真正的实用化飞行器仍然有一段距离。RoboBee X-Wing看似距离室外飞行只差临门一脚,但是实际上还需要大量的优化甚至关键技术的革新,才能够攻克这最后的壁垒。

然而不积跬步,无以至千里;正是这一点一滴的技术进步,才让今天的人类能够享受到各种高科技带来的便利。随着电池技术、微电子技术的不断进步,能够受控飞行的微型机器人也许指日可待了。(编辑:Yuki)

参考文献:

  1. Ma K Y, Chirarattananon P, Fuller S B, et al. Controlled flight of a biologically inspired, insect-scale robot[J]. Science, 2013, 340(6132): 603-607.
  2. James J, Iyer V, Chukewad Y, et al. Liftoff of a 190 mg laser-powered aerial vehicle: The lightest wireless robot to fly[C]//2018 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). IEEE, 2018: 1-8.
  3. Noah T. Jafferis, E. Farrell Helbling, Michael Karpelson & Robert J. Wood. Untethered flight of an insect-sized flapping-wing microscale aerial vehicle[J]. Nature 570, 491–495 (2019)

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不用颜料,如何画出比芝麻还小的《蒙娜丽莎》?

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审稿:
秦德韬(京都大学细胞-物质统合科学研究所Sivaniah 研究室特定研究员);
蒋涵东(京都大学Sivaniah 研究室分子工学研究生)

想象一下,假如给你一张1毫米宽的画布,没有笔,也没有颜料,你能否在上面绘制出一幅清晰的画作呢?你或许会觉得这个任务太难,甚至完全不可能实现。

但最近,日本京都大学细胞-物质统合科学研究所(iCeMS) Easan Sivaniah教授带领的研究团队,就创造出这样的“奇迹”,他们绘制了迄今为止世界上最小的名画——“神奈川冲浪里”,宽度仅有1个毫米。

更令人不可思议的是,这张画没有使用任何颜料或墨水。

“神奈川冲浪里”(又名“巨浪”)是一幅彩色浮世绘版画作品,它是日本艺术界的泰坦葛饰北斋(1760-1849)的代表作,原画尺寸是25.7cm×37.0cm。图片来源:iCeMS

这项研究颠覆了传统打印理念,研究成果已于本月(2019年6月)发表在顶级期刊《自然》(Nature)杂志上[1],其中有两位研究成员(秦德韬与蒋涵东)来自中国。

不用颜料,能呈现色彩吗?

人类自古就有追求艺术的天性。早在三万八千年前,印度尼西亚人就用赭石在“Lubang Jeriji Saléh”洞穴的墙壁上绘制出公牛的图形,留下人类已知最早的具象绘画。从那时起,人类就在不断尝试各种绘画创作。自上古石器时代的“手绘”,到后来的水墨画、油画,再到今天的各种街头艺术,几乎都离不开对墨水颜料的依赖。就算是数字绘画,想要将它们打印出来,同样离不开墨盒。

目前已知最早的具象手绘:Lubang Jeriji Saléh洞壁上的公牛。图片来源:Nature|Luc-Henri Fage

然而,在大自然中,却存在着不用颜料就可以呈现缤纷的色彩的现象,比如蝴蝶的翅膀,昆虫的甲壳,以及那些有虹彩效应的鸟羽。地球上许多的生物的颜色,实际上并不是化学色素,而是通过其表面结构和光线之间的相互作用,产生令人目眩神迷的斑斓色彩。这种非颜料型的色彩现象被称为“结构色”。

金龟子的结构色及其微观结构。图片来源:Wikimedia Commons、参考文献[2]

那么问题来了,我们能不能利用结构色的原理来绘图呢?答案是肯定的。这次iCeMS团队创造的新型打印技术,就蕴含着结构色的原理。

如何“人造”结构色?

这样的结构色是如何“制造”出来的呢?

原来,在聚苯乙烯等高分子材料中存在着一种特殊现象——当这些高分子受到水平方向上的拉力时,会产生细长的纤维,即“原纤维”,原纤维的形成会产生强烈的视觉效果。打个比方,拿起一把透明塑料尺反复掰,尺子受力的部分就逐渐变成半透明的白色。

iCeMS的研究人员发现,通过控制微观下原纤维的形成过程,并按一定的规律来排列,排列后的原纤维就会反射不同光线产生鲜亮的色彩。

“无墨打印”原理示意。图片来源:参考文献[1]

打印过程需要先制备光敏聚合物薄膜,然后在薄膜中引入光学“驻波”,这种驻波的作用是给材料分层施加能量。于是薄膜上就有了获得能量的“交联层”和没有能量的“非交联层”交替排列,使交联层间产生应力。将薄膜放入相应溶剂,非交联层会生成细小纤维释放应力,形成能够干涉光线的层状结构。

以《蒙拉丽莎》为例,“打印纸”是硅片,“墨水”是聚苯乙烯。“打印”过程需要先将光敏高分子溶液涂在硅片上形成薄膜,然后把薄膜放在micro-led仪器中进行交联(micro-led是一种光学仪器,仪器上有成千上万个小的led灯,每个led灯可以独立开关)。

iCeMS的研究人员正在超净间中操作micro-led。图片来源:iCeMS

在交联前,研究人员会将蒙娜丽莎的图片在电脑中转成CAD的图片格式,由micro-led读取CAD格式,并控制各个小灯的亮和暗(比如,蒙娜丽莎的面部有颜色,那么位于蒙娜丽莎面部上方的那些小led灯是,从而这部分的薄膜被交联了;而她的头发是黑的,那么位于头发上方的的小led灯是关闭的,这部分的薄膜就没被交联)。

“蒙娜丽莎”图片转为CAD格式示意图。图片来源:参考文献[1]

将交联好的薄膜在溶剂中浸泡一段时间,交联部分的薄膜在溶剂中应力释放,形成层状结构,未交联部分没有层状结构,这样一来,图案就能显现了。

这一发现被命名为“组织性微纤维化”(Organized Microfibrillation, OM),它的色彩范围能够覆盖由蓝到红整个可见光光谱。从此,一种革命性的新型“调色板”产生了。有了OM无墨打印,印刷再也不必受限于墨水和颜料。

使用不同的分子量的聚苯乙烯和不同交联照射光波长,能得到各种各样的颜色。图片来源:参考文献[1]

无墨打印,不仅是省墨那么简单

与传统打印相比,这种无墨打印技术实现了很多新的突破。比如它打印出的图案分辨率可高达每英寸14000点数,也就是说每英寸(2.54毫米)的长度上放置14000个墨点。而目前喷墨打印机所能达到的理论极限是4800点数,但如果真的在普通的纸张上用这个规格来打印,纸张对墨水等吸收过饱和,墨水就会糊成一团。

运用OM无墨技术打印出亚毫米级别的高清艺术图案。你看到蒙娜丽莎的微笑了吗?图片来源:iCeMS

与此同时,这种打印技术的应用范围也很广。京都大学的研究人员已经证明,这项无墨打印技术适用于多种常用的聚合物(如聚苯乙烯和聚碳酸酯),能在各种饮料瓶、食品药品塑料包装;同时也适用于在透明的玻璃材质上进行打印。人们可以使用这项技术来制造类似水印的安全标签,以显示产品是否被打开过包装或遭到过破坏,抑或是用来制造塑质钞票上的防伪图案。

显微镜下OM打印呈现出的多层微孔结构。图片来源:参考文献[1]

另外,从显微镜观察可以发现,这项技术印制出的高分子是一种多层微孔结构。这种结构能够让液体或气体流入,并在其内部实现连通,同时这种网状结构又具有透气性和可穿戴性特色。人们或许可以依此制造出一种柔性的“流体线路板”,将其安置在人皮肤表面或者隐形眼镜内。皮肤或眼睛的分泌物流入线路板微孔后会造成多层结构物理性质的改变,对这些物理性质进行分析就可以收集到人体相关的生物医学信息,然后通过信号传输及时上传给云数据空间或医护人员。

论文的第一作者伊藤真阳表示,未来可以在多项基础科学领域延伸这一突破性研究。“我们已经展示可以在亚微米尺度上通过控制应力从而控制高分子的结构”“而我们知道,金属和陶瓷承受应力时也能产生裂纹。如果未来能用类似方法在这些材料也实现对裂纹形成的操控,将会同样令人激动振奋。”

参考文献:

  1. Structural color through organized microfibrillation in glassy polymer films. Masateru M. Ito, Andrew H. Gibbons, Detao Qin, Daisuke Yamamoto, Handong Jiang, Daisuke Yamaguchi, Koichiro Tanaka & Easan Sivaniah. Nature. 570, 363–367 (2019)
  2. Arwin, H., Berlind, T., Johs, B., & Järrendahl, K. (2013). Cuticle structure of the scarab beetle Cetonia aurata analyzed by regression analysis of Mueller-matrix ellipsometric data. Optics express, 21(19), 22645-22656.

为阻止镇痛药被滥用成毒品,药学家们简直操碎了心

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镇痛药可以说是人类历史上一项伟大的发明。

吗啡、芬太尼、羟考酮和哌替啶(杜冷丁)等阿片类药物,具有强大的镇痛效果,在临床上有着广泛而悠久的应用。而与此同时,这些药物的不正当使用会带来成瘾性和严重的副作用。

镇痛药的不正当使用会带来成瘾性和副作用。图片来源:Pixabay

因此,大多数阿片类药物只能作为处方药使用。但即使这样,这类药物仍有可能被滥用。以美国为例,从2004年至2011年间,由于这类处方药造成的急诊数量翻了一倍,滥用芬太尼等阿片类药物造成的死亡更是达到16200起之多[1]

另一方面,滥用处方止痛药又很可能导向危害更强的毒品使用,例如海洛因[2]。因此,从各个角度来说,阻止阿片类处方止痛药的滥用,都是禁毒工作的一项内容。

阿片类药物如何被滥用?

很多阿片类的药物会被制作成药片,正常使用时,患者按照说明书和医嘱服用就可以了,此时药物缓缓地释放出来,具有更持久的作用时间。但瘾君子们渴求强烈的效果,会追求在短时内迅速达到超高的药物浓度。

很多阿片类的药物会被制作成药片。图片来源:Pixabay

他们通常利用三种手段。一种是口服,但这里当然不是按照正常用法用量吃,而是远超推荐剂量的服用药品;第二种是吸入,就是影视剧里常见的把药片研碎,通过呼吸道粘膜吸收粉末或烟雾;第三种是注射,包括但不限于皮下注射、肌肉注射和静脉注射等等方式,这种时候吸食者会把药片研碎后溶解到水里,再用注射器打进身体[1]

这样的行为非常危险,掌握不好剂量可能会致命。

为阻止镇痛药滥用,药学家们操碎了心

阻止药物滥用并不只是政府部门和社会团体的责任,在药品研发的上游也有人一直在为此而努力。

针对这样的滥用问题,药品生产企业提出了“防滥用型制剂(abuse deterrent formulations, ADFs)”的概念,并逐渐为各方接受。

根据FDA指南文件所述,防滥用型制剂主要应用了包括制作前药,设置物理/化学屏障,联合使用激动剂和拮抗剂,使用新型给药系统等等手段。

乍一听防滥用型制剂的概念会觉得晦涩拗口,但其实很多产品的设计思路,细说起来非常有意思,你会发现药学家为了阻止滥用真的是操碎了心。

药学家为了阻止滥用已经操碎了心。图片来源:Pixabay

有人把药片做得特别硬,用锤子砸也砸不碎的那种硬,这样就不会被磕碎,也没法研磨(不知道不小心咬到的话会不会硌掉牙)[2]

有人往药片里掺了一定比例的拮抗剂,即使吃很多也不会达到过强的药效[2]

超硬止疼药,锤子砸了都会疼……图片来源:参考文献[2]

还有在辅料组成上下功夫的。2010年,FDA批准了一种新型的羟考酮片,它与传统的羟考酮片生物等效,但是其中加入了特殊的高分子材料[3],使整个药片变得像塑料一般很难被研磨成粉末,如果有人非要把它溶解到水里,高分子材料会变成黏黏糊糊的胶状——这样的东西显然不能拿来注射。在美国康复中心通过追踪140000名研究对象后分析发现,这种药片推向市场之后有效地减少了羟考酮的滥用[2]

左边是传统的羟考酮片,可以被研磨成粉末,进而容易被滥用;右边是这种新型的药片被砸了之后的状态,这……这真的吸不动了吧。参考文献:[2]

另一项研究中,新型羟考酮片(reformulated ERO)的滥用频率比传统的羟考酮片(original ERO)低了很多,特别是注射和吸入这两种滥用途径,几乎完全被终结了[4]

还有一些人尝试设计“前药”。所谓的前药,就是在本来的药物分子结构上加一坨其他的东西,让它变得无法直接发挥药效,只有在进入人体之后,通过体内一些酶的加工,切掉多余的结构,“解除封印”后才能发挥作用。由于这些酶只存在于消化道中,就直接限定了给药途径——只能吃,不能注射或用鼻子吸。

那么,如果有些人想靠大量地吞食药片来解瘾该怎么办呢?药学家们又想到一个办法,他们设计了前药的同时在药片里加了少量的酶抑制剂。这会造成一种有趣的结果——如果你只按照剂量来吃一两片药,这少量的酶抑制剂不会产生任何作用,体内的酶会正常工作切掉药物上多余的部分,使它发挥镇痛效果;但如果你一次塞了一大把药片,对不起,酶抑制剂的总量就足够使消化道里的这种酶失效,不能对前药产生作用,也就不会释放出大量有活性的药物了[2]

昨天是第32个“国际禁毒日”,毒品给个人、家庭及社会带来的危害已无需多言。而像这样“魔高一尺,道高一丈”的故事还会一直继续下去。这些药物的成瘾性没有解决,药学家们的努力就不会停止。

另外也要提醒正在和这些药物相伴的患者,使用时务必谨遵医嘱,如果发现异常反应要积极寻求专业的帮助,以防不良后果的发生。(编辑:Yuki)

参考文献:

  1. ZiyaurRahman, Effects of excipients and curing process on the abuse deterrentproperties of directly compressed tablets [J], International Journal ofPharmaceutics, 2017, 517: 303-311
  2. Elie Dolgin, Barriers to misuse[J], Nature, 2015, 522:60-61
  3. Raymond CRowe, Handbook of Pharmaceutical Excipients (6th edition) [M],
  4. 2009Jennifer R.Havens, The impact of a reformulation of extended-release oxycodone designed todeter abuse in a sample of prescription opioid abusers [J], Drug and AlcoholDependence, 2014, 139:9-17

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从医学转行化学,他用超前分析手段破获“高智商谋杀案”

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在各种影视作品中,我们不时可以看到法医通过对中毒身亡的人进行尸检,检测出具体的毒素以帮助警方破案。从生物组织中检测某种化学成分,可谓现代生物分析领域的日常工作。

《非自然死亡》剧照

然而,在一百多年前,这门科学还没有兴起时,人们几乎无法知道受害者究竟因何丧命。而就在那时,有位名叫斯塔斯的年轻分析化学家站了出来,第一次用现代科学手段与思维分析生物样品,并成功破获了一起毒杀命案。

醉心化学的医生

让·塞尔韦·斯塔斯(Jean Servais Stas)是一位比利时人。早年间,他在国立鲁汶大学学医。然而,相比于医学,斯塔斯更感兴趣的其实是分析化学、无机化学、有机化学等学科。这位年轻人曾经从苹果树的树皮分离出根皮苷,进行纯化和性质研究。

1835年,由于鲁汶大学发生变迁,斯塔斯转而到巴黎综合理工学院,有机会在化学家让-巴迪斯特·杜马(Jean-Baptiste Dumas)的实验室工作,主要研究精确测定碳的原子量。在巴黎求学期间,斯塔斯有幸在马修·奥菲拉(Matéo José Bonaventura Orfila)的毒理学课程上担任助教。而奥菲拉有个响当当的江湖名号:现代毒理学之父。

斯塔斯。图片来源:Wikimedia Commons

彼时毒理学家已经可以进行一些有毒物质的分析和检测,比如鉴定生物样品的有毒无机物,或者鉴定一些植物性毒素的纯品。但是,对于生物样品中的有机毒物却无从入手。

这是因为当时的技术手段,还不能让科学家们从动物的组织中分离得到纯净的小分子有机化合物,那么针对纯净物的常规鉴别方法放到动物组织和体液上就毫无意义了。

1847年时,奥菲拉在咨询了一系列著名的化学家并进行了相关研究之后,下了一个武断的结论——检验生物组织样品中的植物性毒物,或许永远无法实现。

但是,斯塔斯对此不以为然。1841年,他回到比利时布鲁塞尔,在皇家陆军学院担任化学教授。而就在几年后,一宗离奇的凶杀案发生了。

波卡莫伯爵凶杀案

案件的主角伊波利特·维斯塔·德·波卡莫伯爵(Hyppolite Visart de Bocarmé)是一位烟草商的儿子,父亲去世后,他继承了“彼得蒙特的城堡”(Château de Bitremont)。随后 ,伯爵与莉迪·弗朗西斯·布瓦(Lydie·Fougnies du Bois)小姐缔结百年之好。

布瓦小姐出身资产阶级,父亲是一位富有的药剂师。伯爵追求布瓦小姐,正是看中了她家族的钱财。可是,莉迪父亲去世后,却将大部分财产留给了小儿子古斯塔夫(Gustave)。“幸运”的是,古斯塔夫自小身体羸弱,伯爵夫妇期待着他英年早逝,继承财产。然而等来等去,他们等到了古斯塔夫决定结婚的消息。

若是有了妻子儿女,作为姐姐姐夫的伯爵夫妇就甭想继承遗产了,为了钱财,夫妻俩动了杀机。为此,他们精心谋划了一场凶杀案。

波卡莫伯爵。图片来源:Wikimedia Commons

“彼得蒙特的城堡”,毁于1998年的一场大火。

一天,伯爵夫妇假意款待古斯塔夫,可是温馨的家庭晚餐刚结束,仆人们就被告知,古斯塔夫突然中风了。仆人们被吓到了,但同时也觉得这事儿有点蹊跷,就报了官。受理此案的是预审法官厄贝尔(Heughebaert),他很快就带着宪兵和外科医生来检查了古斯塔夫的遗体,发现死者的口腔、舌头、咽喉、胃都有被腐蚀灼烧的痕迹,似乎吞下了什么化学物质。但是,法官大人对于化学和毒物的认知毕竟有限,他心存疑惑却无法拿到有效的证据。为了查明死因,厄贝尔一边将伯爵夫妇羁押;另一边则下令将古斯塔夫的器官取出浸泡在酒精里,马上带着样品去布鲁塞尔请教让·斯塔斯。

抽丝剥茧,在线鉴毒

如那个时代的同行一样,斯塔斯大多只能通过有限的手段——比如嗅觉和味觉等感官——来鉴别化学物质,他也能够对纯净的化学物质晶型测试,比如颜色试验和结晶试验等。但是在这个案例里,古斯塔夫的遗体已经被人用醋反复清洗过,样品散发着醋味,掩盖了其他化学物质存在的气味从而难以鉴别。但斯塔斯还是尝试这进行了试验,他怀疑毒物是某种植物性的生物碱。

基于这样的思路,在某个下午,他将苛性碱加入到组织样品碎片中,用乙醚进行了萃取。随后将提取物放在特制的玻璃容器中蒸发,容器中已经预先加入了硫酸,用以结合可能存在的生物碱。第二天一早,他走进实验室,闻到了一股烟草和鼠尿的气味,在当时的认知里,这是尼古丁的特征。

尼古丁是烟草的重要成分。图片来源:Pixabay

通过对萃取物的进一步纯化,斯塔斯获得了一些具有烟草味道的褐色的固体残留物,他把之前用在纯品尼古丁的测试用在了这些物质上,并成功得到了阳性结果。

随后斯塔斯还进行了一系列的交叉对比验证:他从屠宰场和兽医学校取得动物样本,从医学院取得生前吸烟/不吸烟的死者遗体样品,对这些样品都用上述的尼古丁萃取法挨个进行了测试,进一步确认了检测结果。有了这些依据,斯塔斯基本上可以确定无疑的认为,古斯塔夫的遗体中存在着高浓度的尼古丁,随后他将发现报告给了预审法官厄贝尔。

取证的雏形

根据斯塔斯指明的方向,厄贝尔收到检验报告以后迅速展开了行动。一方面他立即调查波卡莫伯爵是否曾经获得过尼古丁。据城堡的仆从反映,这位伯爵曾宣称要制造一种新型的古龙水/用于果园的杀虫剂,并以此为名头购置了大量的烟叶,在城堡外附属建筑设置的“实验室”中制备提取物。为此,伯爵不仅拜访著名的化学家,还设计实验,用动物测试提取物的毒性效果,而这些动物的尸体就埋在他的城堡花园里。

另一方面,他请斯塔斯继续进行取样分析工作。取样的范围从在城堡花园里掘出了经过焚烧的猫狗尸体,到 “实验室”的木地板,再到帮助搭建制造“古龙水”设备的园丁的长裤。而在所有的物品中,斯塔斯都发现了尼古丁的痕迹。

为什么尼古丁可以杀人?
通过现代研究人们已经知道,尼古丁可以作用于乙酰胆碱受体,是一种快速起效的有毒物质。高剂量的尼古丁能够在几分钟内导致恶心、头晕、瞳孔缩小、心动过速、高血压、大量出汗、流涎、抽搐、呼吸肌松弛等症状,成年人摄入40~60 mg尼古丁就有可能导致死亡。

波卡莫的实验室。图片来源:Murderpedia

1851年5月,经过审判,法庭最终裁定波卡莫伯爵谋杀罪名成立,并于1851年7月19日被公开处决,而法庭所依据的关键证据之一就是斯塔斯的检测报告。

现代生物分析技术和毒理学的原点

此后,以分析化学为基础的毒理学逐渐发展为一个新的科学分支,并在案件侦破过程中发挥着越来越大的作用。而这,或许都要归功于斯塔斯最初的努力。

以今人的眼光来看,斯塔斯能够提取成功,可能也部分得益于他所得到的样品(古斯塔夫的遗体)的前期处理方式——浸泡在酒精中,并用醋洗过。酒精可能部分地起到了解除蛋白结合的效果,而酸性的介质也让尼古丁能更稳定地存在于检材中——尼古丁是一种容易挥发的小分子碱性物质,溶液中的酸可以“拉”住尼古丁,避免它的损失。

而如今,人们再无需那么古老的方法来鉴别尼古丁或其他有毒的有机物,取而代之的则是更为先进的化学分析手段。例如在分离上最常使用的是各种细致的色谱法;检测方法上,更为灵敏的质谱检测器得到了广泛的应用。

如今人们拥有更先进的化学分析手段。图片来源:Pixabay

但是,在样品的前处理阶段却仍然能够找到当年“尼古丁杀人案”的痕迹。“蛋白沉淀法”依然是现在的研究者们常用的手段,而他们在检测尼古丁的时候,也仍然要加入酸来阻止样品中的损失。现在的生物分析人员已经可以使用几百微升血浆,检测到pg/mL级别的尼古丁了(做个粗略但直观的类比,将一块方糖切成10份,其中的一块扔到一个游泳池里,充分分散均匀,最后取1/5毫升水拿来检测)。

然而,灵敏而苛刻的现代分析手段却给研究者带来了新的困扰:随着烟草的普遍流行,对生物样品中的尼古丁进行检测时,筛选完全不含尼古丁的空白样品作为对照,以及在操作中注意样品不要被来自环境和空气中的尼古丁污染,却变得有些困难。

不得不说,这还真是有些讽刺啊。(编辑:Yuki)

参考文献:

  1. Robert Wennig, Back to the roots ofmodern analytical toxicology: Jean Servais Stas and the Bocarmé murder case [J], Drug Testing and Analysis, 2009(1):153-155
  2. Nicotine: Toxicology Data Network, NIH. https://toxnet.nlm.nih.gov/cgi-bin/sis/search2
  3. 李文魁. 生命科学实验指南系列:液相色谱-质谱(LC-MS)生物分析手册 最佳实践、实验方案及相关法规 (Handbook of LC-MS Bioanalysis: Best Practices, Experimental Protocols and Regulations)[M]. 1版. 北京:科学出版社,2017年
  4. Hippolyte Visart de Bocarmé: Wikipedia. http://en.wikipedia.org/wiki/Hippolyte_Visart_de_Bocarmé
  5. Hippolyte Visart de Bocarmé: Murderpedia. http://murderpedia.org/male.B/b/bocarme-photos.htm

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量子力学随机性被推翻了?事情才没那么简单

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近日,一则名为“薛定谔的猫终于有救了,Nature 研究首次观测到量子跃迁过程”的新闻报道刷屏。诸如“耶鲁大学实验推翻量子力学随机性”“爱因斯坦又蒙对了”等等标题党纷纷出现,仿佛战无不胜的量子力学一夜之间阴沟翻船一样,很多文青纷纷哀叹宿命论又回来了。然而,事实真的如此?还是报道偏差歪曲了论文本意?

刷屏的新闻报道。图片来源:百度搜索截图

什么是量子力学随机性?

咱们先搞懂量子力学的随机性说的是什么,再看看这篇论文做了什么。

根据数理双修的大师冯诺依曼的总结,量子力学有两个基本的过程,一个是按照薛定谔方程确定性地演化,另一个是因为测量导致的量子叠加态随机塌缩。薛定谔方程是量子力学核心方程,它是确定性的,跟随机性无关。那么量子力学的随机性只来自于后者,也就是来自于测量。

这个测量随机性正是让爱因斯坦最无法理解的地方,他用了“上帝不会掷骰子”这个比喻来反对测量随机性,而薛定谔也假想了测量一只猫的生死叠加态来反对过它。

薛定谔选猫作为实验对象是不是因为猫爱钻盒子……图片来源:Unsplash

但是无数的实验证实,去直接测量一个量子叠加态,它的结果就是随机在其中一个本征态上(概率为叠加态中每个本征态的系数模平方),这就是量子力学最重要的测量问题。为了解决这个问题,诞生了量子力学多个诠释,其中主流的三个诠释为哥本哈根诠释、多世界诠释和一致历史诠释。

哥本哈根诠释认为,测量会导致量子态塌缩,即量子态瞬间被破坏,随机跌到一个本征态上;多世界诠释觉得哥本哈根诠释太玄了,于是就搞了个更玄的,认为每一次测量就是世界的一次分裂,所有本征态的结果都存在,只是互相完全独立(正交),干扰不到对方,我们只是随机地在某一个世界当中;一致历史诠释引入了量子退相干过程,解决了从叠加态到经典概率分布的问题。但是在选择哪个经典概率上,还是回到了哥本哈根诠释和多世界诠释的争论。

从逻辑上看,多世界诠释和一致历史诠释的结合对解释测量问题似乎是最完美的,多个世界组成一个总的叠加态,即保留了“上帝视角”的确定性,又保留了单一世界视角的随机性。但物理学是以实验为准的科学,这些诠释预言了同样的物理结果,相互之间不可证伪,那么物理意义就是等价的,所以学术圈还是主要采用哥本哈根诠释,即用塌缩(collapse)这个词代表测量量子态的随机性。

耶鲁大学的论文说了什么?

那么我们再看看耶鲁大学这篇Nature论文[1]做了什么。先铺垫一个量子力学知识,那就是量子跃迁是一个量子叠加态完全按照薛定谔方程演化的确定性过程[2],即在基态|G>上的概率幅按照薛定谔方程连续地转移到激发态|E>上,再连续地转移回来,形成一个振荡(频率称为拉比频率),它属于冯诺依曼总结的第一类过程。

图片来源:nature.com

这篇论文测的就是这样一个确定性的量子跃迁,所以得到确定性结果毫无意外。文章的卖点在于怎样不让这个测量破坏掉原本的叠加态,或者怎样让量子跃迁不会因突如其来的测量而停止。这个也不是多么神秘的技术,而是量子信息领域目前广泛应用的“弱测量”方法。

图片来源:Nature 570, 200–204 (2019)

我们来看这篇nature论文里的实验用到的能级图,是一个三能级系统,|G>是基态,|D>是一个激发态,称为暗态(不易受影响的态),|B>是亮态(易操作的态)。这个实验用的是超导电路人工构建的三能级系统,信噪比相比真实的原子能级还要差很多。

实验用到的弱测量技术,就是把原本基态|G>的粒子数(这个实验用的是超导电流)分出一点点,让它和|D>形成叠加态,同时|G>剩下的粒子数继续和|B>叠加,这两个叠加态(几乎)是独立的,(几乎)不互相影响。例如通过光(微波)强控制两个跃迁拉比频率,就能让概率幅在|B>接近1时,在|D>上也接近1。这时测量|G>和|B>的叠加态,会发现粒子数塌缩在了|B>上面。此时尽管|G>和|D>的叠加态没塌缩,也能知道概率幅都在|D>上面,再测量|G>和|D>的叠加态结果就是粒子数塌缩在了|D>上。所以测量|G>和|B>的叠加态本身还是个引起随机塌缩的测量,但这个测量对于|G>和|D>的叠加态来说却不引起叠加态塌缩(仅有很微弱的改变),同时还能监视|G>和|D>的叠加态演化到什么程度了,这就成为了相对|G>和|D>叠加态的弱测量。

如果这个三能级系统只有一个粒子,那么塌缩在|B>上的粒子数为1时,塌缩在|D>和|G>上的粒子数为零。但这个三能级系统是用超导电流人工制备出来的,相当于有很多电子可用。当一些电子塌缩在|B>上之后,仍然有一些电子处于|D>和|G>的叠加态。所以多粒子系统也保证了这个弱测量实验可以进行。这和冷原子实验非常类似,即大量原子具备相同的能级系统,叠加态的概率可以反映在相对原子数上。

上帝依然掷骰子

用一句话总结,这篇nature论文里用了实验技巧去弱测量一个确定性过程,主动避开了对这个过程能导致随机结果的测量,一切都符合量子力学预言,对量子力学的测量随机性没任何影响。所以爱因斯坦没翻身,上帝依然掷骰子。

这篇nature论文只是又一次验证了量子力学的正确,为什么会引起这么大的误解?这里我不得不吐槽一下。这与作者们在摘要和引言里立的错误靶子脱不了干系。估计是为了制造大新闻,他们找到了玻尔在1913年提出的量子跃迁瞬时性的想法做靶子[3],但这个想法早在1925年海森堡方程和1926年薛定谔方程提出(也就是量子力学正式建立)之后就被否定了,他们在论文里也明确说了实验其实验证了薛定谔关于跃迁是连续确定演化的观点。把玻尔搬出来,很可能是为了营造一个和爱因斯坦对立的效果,延续世纪论战,多博取关注。但是在量子跃迁这个问题上,是玻尔最早的想法错了,海森堡和薛定谔对了,不关爱因斯坦什么事。

玻尔(左)和爱因斯坦(右)。图片来源:Wikimedia Commons

这篇论文的英文报道[4]的作者是Phillip Ball,他尽管写过很多优秀的科学新闻,但这次大概是碰到了知识盲点,整个报道写的也是故弄玄虚,没抓到重点,还把海森堡拉去陪玻尔一起给瞬时跃迁背锅(不知道海森堡方程和薛定谔方程实质等价吗?)。然后中文媒体再翻译过来,其它自媒体再自由发挥一通,就变成了科学传播的“车祸现场”。

笔者几年前在丹麦Aarhus大学物理系做博士后时(Aarhus物理系大概一百年前是从哥本哈根大学物理系——即现在的玻尔研究所分出来的,这样也算和玻尔扯上点渊源),也做过一个监视超冷原子相变的量子弱测量实验,可不敢像耶鲁这个团队这样立靶子吹牛,文章后来发的很普通的英国物理学会杂志。量子技术既然瞄准的是第二次信息革命,未来的应用才决定其价值,而不应该沾染为了发顶级期刊而哗众取宠的风气。这样做即使一时受宠,很快还是会被历史埋没。(编辑:Yuki)

参考文献:

  1. Z. K. Minev, et. al., To catch and reverse a quantum jump mid-flight, Nature 570, 200–204 (2019)
  2. 一般的高等量子力学教材中都有专门的章节讲怎么用含时薛定谔方程描述量子跃迁,在量子光学教材中有更细节的光与二能级原子相互作用的半经典模型,光学Bloch方程,全量子J-C模型等,无一例外都属于含时薛定谔方程。
  3. N. Bohr, On the constitution of atoms and molecules. Part I. Binding of electrons by positive nuclei. Phil. Mag. 26, 1–25 (1913).
  4. https://www.quantamagazine.org/quantum-leaps-long-assumed-to-be-instantaneous-take-time-20190605/

作者名片

如果有一盏灯能被聚变之能点亮,我期望它最先在中国

本文为2019年5月20日“我是科学家”演讲活动第十一期——中国制造 | 钟武律 演讲实录:

“未来如果有一盏灯能够被聚变之能点亮,我们期望它最先在——中国!”目前,中国环流器二号A(HL-2A)等大型装置(也被称为“人造太阳”)正在进行核聚变相关的研究和测试。为了让人类有朝一日可以用上清洁可靠的核聚能,科学家如何运用智慧在地球上建起“人造太阳”?中核集团核工业西南物理研究院博士、特聘研究员钟武律为大家带来演讲《受控核聚变:用“人造太阳”点亮能源梦想》。

大家好,我叫钟武律,来自中核集团核工业西南物理研究院。我今天要讲的东西温度特别高——超过1亿度。

1亿度是什么概念?俗话说,万物生长靠太阳,太阳的核心温度大概在1500万度~2000万度;而地球上的金属材料在1000度左右就会融化。1亿度,已经超过太阳温度的5~6倍了。

我们现在要做的工作,就是在地球上建一个能够承受住1亿度、甚至超过2亿度高温的装置。

为什么要建这么一个装置?是为了通过核聚变反应持续续稳定地输出能量,最终解决人类的能源问题,从而造福人类。由于核聚变的原理和太阳发光发热的原理很相似,所以,这些以探索聚变清洁能源为目的的装置被人们称为“人造太阳”。

东方超环(EAST),还有中国环流器二号A(HL-2A),都属于“人造太阳”实验装置。

中国环流器二号A装置在成都,在中核集团核工业西南物理研究院——也就是我工作的地方。实验期间,我天天和它打交道。它由成千上万个零部件组成,非常复杂。

有人问我:你们以后要在地球上造一个太阳吗?

其实这话还真有几分道理,因为我们装置的基本原理确实和太阳的原理是一样的。

太阳之所以能够持续发光发热,正是因为它在时时刻刻发生核聚变反应。

那核聚变是怎么来的,它的能源从哪里来?

其实核聚变是两个轻的原子核融合在一起形成一个重核的过程,它与核裂变相反。在反应过程中,原子核的总质量会减少(质量亏损),会释放出巨大的能量。

反应释放出的能量有多少呢?可以由著名的质能方程来描述,E=mc2。正所谓“大道至简”,爱因斯坦用我们现在看来非常简单的一个公式,就描述了质量和能量之间的关系。

地球上,氢的同位素氘和氚非常容易发生核聚变反应。从左图可以看到:我们可以利用氘和氚,让它们的原子核无限接近,然后融合在一起发生核聚变反应,就会释放能量。

从原理和公式来看,核聚变非常简单;但真正实现起来,却是异常的困难。

想利用核聚变能,就必须要让核聚变变得可控——就意味着要满足三个非常苛刻的条件。

第一,温度要足够高,使燃料变成超过1亿度的等离子体。

第二,密度要足够高,这样两个原子核碰撞的概率就会更大。

第三,要把等离子体在有限的空间里约束足够长时间。

然而在地球上,没有任何材料可以把1亿度高温的等离子体给直接包裹起来。但是聪明的科学家想了一个办法——用强磁场的方式,把带电粒子约束住。

如果我们制造一个环形的磁容器(像甜甜圈或者轮胎),把带电粒子约束住,把高温的等离子体和材料隔离开,它们就会在磁容器里面盘旋、绕圈,而不接触装置内壁。这样的装置就叫托卡马克装置,这种装置很复杂,由很多外部线圈和辅助系统组成。

中国环流器二号A装置装置运行的时候,周边就有很多支撑系统,比如电源系统、控制系统、诊断系统、加热系统等等。

还记得我上完研究生基础课回所里报到的第一天,我们主任就说,“托卡马克等离子体物理啊,没有5年入不了门”,当时我还很不理解。

我回来以后,就参加所里的实验。当时一到控制大厅,就被大屏幕上面形态各异的曲线给镇住了。

后面我们不断学习、不断参加物理实验、不断和专家们一起讨论,才慢慢地对装置运行有了一个概念。我也逐渐明白,核聚变是对每一项技术逼近极限的挑战,是一个多学科高度交叉融合的领域,也是一项系统而庞大的工程,需要科研团队齐心协力合力,去攻克整个聚变研究过程中关键的科学与技术问题。

演讲嘉宾钟武律:《受控核聚变:用“人造太阳”点亮能源梦想》

我回到所里的时候,正赶上2A团队重点攻克一项关键技术——实现高约束模式运行。

什么是高约束模运行呢?如果把磁容器约束的等离子体比作一个沙堆,我们的目的就是把这个沙堆堆得足够高。但是往上加沙子的时候,沙子会往两边垮下来。在底面积不变的前提下,怎样才能把沙堆堆得更高呢?很简单:把沙堆用一块木板围起来,挡住垮下来的沙子。

我们要实现高约束模运行,也是要在等离子体的边缘形成一个很陡的垒,让它起到像木板一样的作用,把芯部等离子体的密度和温度进一步提高,从而有利于聚变反应。

从物理图像来看,高约束模很简单,但真正实现起来却并不容易。我们2A团队花了很多年的时间来攻克这个难题,我们的专家和老师查阅了大量的资料,夜以继日地开展研讨和讨论。因为高约束模运行是整个装置综合能力的体现,不仅要求各个系统要达到最优,还要求参数也达到最优的范围。经过大概1万多次的实验,我们终于在2009年于国内首次实现了高约束模运行。

左边这个照片,是当时实验成功以后大家在一起庆祝,当时我们还是第一次开香槟,大家都沉浸在喜悦之中。当时新闻联播也报道了这个消息,因为这是中国磁约束聚变研究史上一个里程碑的事件。

有了高约束模这个平台以后,我们就可以开展很多更先进的实验。

过去,我们请国外顶尖的科学家来做实验和指导,有时候都请不来,但有了这个平台以后,国外的同行都主动联系我们,想来我们装置做实验,甚至有些还是组团来。

从过去的“请不来”,到今天的“组团来”,这样的变化,靠的是实力。我们也有了越来越多的底气,在国际聚变舞台上,中国有了绝对的话语权。我们将和全世界聚变领域的科学家携手,共同解决人类未来的能源问题。

硕士毕业以后,我以访问学者的身份去了法国原子能委员会的聚变科学所(图右),继续从事等离子体物理实验研究。

其实等离子体被磁场约束住以后也不会那么老实,会时不时会形成一些不稳定性,破坏约束性能,阻碍温度和密度的进一步提高。

其实这种现象,我们在2A装置上早有发现,但并不知道为什么。所以我带着这个问题和我法国的导师,一起利用他们装置的数据进行了进一步分析。

但是对物理本质的理解,除了实验,往往还要结合理论模拟。所以当时我导师联系了一位做理论模拟的法国专家,请她来指导我开展理论模拟的研究。但那个老师特别忙,几个月都没有任何进展。我导师就让我去找她学习程序,然后自己做理论模拟。

后来我找了她,她也热心地指导了我,通过两年实验和理论模拟研究,我们终于找到了答案,这个结果也很快被物理学国际顶级期刊《物理评论快报》接收发表。

收到文章被接收的邮件以后,我非常高兴,大半夜打电话给我法国的导师分享这份喜悦。那一年正好是我接触核聚变的第五年,我心想,这算入门了吗?如果是这样,核聚变的门槛还真不低啊。

确实,受控核聚变研究非常困难。世界上第一颗原子弹爆炸以后,不到十年就实现了和平利用,建成了核电站。科学家就想,氢弹成功以后,应该也用不了多长时间就能够实现和平利用,实现受控核聚变。但后来的研究发现,并没有那么简单,它需要全世界的科学家一起来努力完成。

所以就有了国际热核聚变堆计划,简称ITER计划。由中国、美国、欧盟、俄罗斯、日本、韩国和印度七方参与,计划在法国南部美丽的普罗旺斯地区共同建造一个世界上最大的托卡马克装置。

ITER是目前全球影响最深远的、最大的国际合作项目之一,也是中国以平等身份参加的最大的国际科技合作项目。其中,中国承担了大概9%的采购包研发任务。

中国在采购包研发制造过程中,取得了重大突破,解决了一系列的工程和技术问题。比如说核工业西南物理研究院研发的第一壁采购包半原型部件,在国际上率先通过了高热负荷的认证,这也是中国在世界范围内首次通过这样的认证。所以圈内非常振奋,国际同行也纷纷发来邮件祝贺。

其实这是ITER组织交给中国团队的一份高难度的作业,因为第一壁是ITER装置的关键部件,要直接面向1亿度的高温等离子体。世界上拥有这种特殊材料提取和制备工艺的国家中,美国处于绝对的技术垄断地位。所以那个时候,我们有钱也买不到。我们院的科研团队通过超过十年的特殊材料研制,该自主研制的材料问世后,将美国的垄断价格降低了90%,也让中国在这个技术上直接从“跟跑”实现了“领跑”。

中国参与ITER十多年来,在材料科学、超导技术和精密加工等领域的研发能力和制造水平都取得了长足的进步。目前我们中国承担的ITER采购包,不管是在研发进度还是完成质量方面,都处于七方之首。在科学研究方面,我们依托国内的几个大装置和国际的装置,通过国际合作的形式也取得了一系列国际领先的科技成果。所以看得出来,中国的磁约束聚变正在走向国际的前列。

其实核聚变还是很多科幻大片里面的素材。过年的时候,《流浪地球》热映,有朋友就问我,“行星发动机是不是你们研究的那个东西?”包括我儿子也问我发动机什么时候造成。前不久,《复仇者联盟4:终局之战》上映,又有人问我,“钢铁侠胸前那个放射反应堆是不是你们研究的东西?”

其实还是有区别:《流浪地球》里面烧石头的行星发动机,原理是重核聚变,如果真的带着地球去流浪了,可能还没到目的地地球就被烧光了。

我们做的轻核聚变就不一样。地球上更容易实现的聚变是氢的同位素氘和氚,其中氘可以从海水里面提取——一升海水里面的氘如果用于聚变反应,释放的能量大概等效于300升汽油燃烧释放的能量。据目前估计,海水中的氘里面可供人类使用上百亿年,而太阳的寿命也就100亿年。所以从这个时间尺度来看,聚变燃料非常丰富,可谓“取之不尽,用之不竭”。

此外,核聚变堆是固有安全的,因为反应条件非常苛刻,任何一点小故障都会让它的反应停止。

最后,它是一种清洁友好的能源。整个反应过程中,它不会释放有害气体和温室气体,也不会产生长寿命的放射性产物。所以说,核聚变能是人类最理想的能源之一。

等到实现核聚变的那一天,我想我们有望彻底解决人类的能源问题。那个时候,环境问题、社会问题、电价问题等等,都将不成为问题,我们的生活将是多么美好。

我们中国环流器2A装置在运行的时候,控制大厅的中间有一个大屏幕来呈现等离子体的图像。当我看到这个等离子体被约束住,发光的时候,我觉得它特别美。这种感觉就像人类第一次看到自己点燃了篝火——发光发亮,充满希望。

最后,期待更多的新生力量能够加入我们中国聚变队伍,接力聚变火炬,我们一起用智慧来点燃蓝色的海洋!

演讲嘉宾钟武律:《受控核聚变:用“人造太阳”点亮能源梦想》

自拍时,手机为什么知道我的脸在哪儿?

|· 本文来自“我是科学家”·|

要是评选人类身上最精巧的器官,那么眼睛一定会在候选名单之中。视觉能够给我们的生活带来非常美好的体验:坐在海边一座安静的小屋门口,悠闲地看潮涨潮落,靠的是视觉;在科研机构的实验室中,科学家们通过显微镜观察细胞的各种结构,靠的是视觉;在一次商业谈判中,我们通过观察对方代表的面部表情来判断对方的心理从而让我方获取更大的利润,靠的依旧是视觉。

目前最好的照相机也比不上人类的眼睛。图片来源:rolax

机器有视觉吗?

视觉对于我们人类来说是一种非常重要的感觉,那么计算机是否也能具有视觉呢?答案是肯定的。计算机视觉简称CV(computer vision),在20世纪的下半叶就已经被提出。计算机的视觉器官主要是摄像头,如同我们的眼睛一样可以接受图像信号。但是如何处理与分析这些信号并产生出“认知与决策”,才是这项技术的奥秘所在。

图像在计算机的世界里通常被表示为一系列网格状的像素矩阵,这一表示形式是大多数图像处理技术的基础。我们可以通过坐标位置来确定某个像素点的位置,并通过更改该点的像素的值来更改图像的显示。图像的色彩空间常用RGB表示,即 Red,Green,Blue,空间中的 RGB 分布取值范围都在 [0, 255],呈均匀分布。同人类理解世界一样,对于计算机来说同样有“知识的表示形式决定了学习的难易程度”。

分别输入R、G、B值就能得到想要的颜色了(上图中A指透明度,取值在0-1)。图片来源:Pixabay

为了更好的表示图像信息,还有两种常用的颜色空间表示方法, 一是HSV: 色调 Hue,饱和度 Saturation,亮度 Value。这个空间中的颜色分布呈现为一个圆柱体。由于色调通道在不同的光照条件下变化范围不大,而亮度通道则在不同的光照条件下变化明显,因此可以通过调整色调通道的值来更好的选择目标区域而避免光照条件的影响。

二是HLS:色调Hue, 亮度Lightness, 饱和度Saturation,这个标准几乎包括了人类视力所能感知的所有颜色,是目前运用最广的颜色系统之一。由于在大部分计算机视觉应用中,光照条件对于算法的识别能力是有影响的,后两种颜色空间表示方法考虑了亮度信息,因此可以用于图像的光照条件的分辨。

图像处理主要是通过图像增强、图像恢复使得图像更加清晰,从而方便人们进一步观察和分析。例如20世纪50年代末,卫星航拍的图像往往不够清晰,这时候人们通过计算机的图像增强功能来获取更加清晰的图像,从而帮助为专家分析提供便利。而模式识别主要是指识别出图像中某些特定的“概念”,例如找出图片中的一只猫,或在一张充满汉字的图片上找到某个特定的汉字。如何能在一个基于数学和逻辑的机器上形成某种“概念”,成为了模式识别和机器学习研究的重点与突破性的技术。

不知道这张“猫片”机器能不能识别出来?图片来源:Unsplash

模式识别在20世纪60年代初开始就被广泛的认可,例如当时就已经具有了能够识别图片中的英文字符的识别程序,虽然识别效果和现代的技术不可同日而语,但还是能够减少一部分人工的工作量(人们不再需要将字符一个个手动输入计算机)。尽管当时计算机视觉在二维的图像增强和模式识别这两个领域已有广泛应用,但人们并不满足于此。我们人类看到的世界是一个三维的世界,因此人们也希望计算机也能够看见一个三维的世界? 1965年罗伯特的研究是计算机视觉研究从二维转向三维的标志。通过一遍遍地让计算机观察圆锥、圆球、立方体等模型的照片,以及一遍遍地调试程序,罗伯特成功地让计算机识别出了二维图像中的三维结构和空间布局。这使得从二维图像中提取三维信息成为了可能。从此,计算机视觉得到了突飞猛进的发展。

罗伯特成功地让计算机识别出了二维图像中的三维结构和空间布局。图片来源:sogoucdn

计算机视觉能帮我们做什么?

到了今天,计算机视觉在众多领域都得到了广泛的应用。在图像增强方面:图像增强已被广泛应用于医疗、航空航天以及交通监控等方面。例如,以往X光检测中由于一些脏器的特殊结构而使得这些器官在X光片中清晰度不够,从而会给诊断带来极大不便。但将图像增强技术应用于这一领域就可以很好地解决这一问题,使得医生对病人病情诊断更加准确。在航空航天以及工业领域中,图像增强可以有效地去除图像中的干扰,获取更为清晰的图像以供分析,在图像增强和更先进的光学镜头帮助下,人们在一些军用卫星拍摄的照片中甚至能清晰地分辨出地面上几厘米长度的线段。在交通监控领域,图像增强技术也带来了巨大的便利。在晴朗的天气中,交通摄像头固然能够良好运作,而在雨天、雾天或是夜晚,摄像头取得的图像会受到干扰,此时,图像增强就可以在一定程度上去除这些干扰,更好地监控路面信息以维护我们的安全。

图像增强技术可解决X光片的清晰度问题。图片来源:cdn.sohucs

而在模式识别方面,计算机视觉的发展就更令人惊叹。现在我们拿起手机拍照时,手机不仅能够快速且准确地在图片中识别出人脸的位置,并且能够识别出人脸的表情,在微笑时自动拍照(微笑快门)。此外,相信女生们对于手机拍照中的美颜功能并不陌生,在自拍之后要用美颜把自己P得美美的。而现在的手机能够准确识别出五官的位置,在拍照时就有针对性地对眼睛、鼻子、皮肤进行相应地美颜,从而省去了人们在拍照之后还要花时间去处理的烦恼。2015年,微软推出了一个网站How-old.net,在这个网站一经推出就刷爆了朋友圈和微博,这个网站可以对人们上传的图片中的人脸进行识别,并根据相应算法预测出其年龄,虽然有时候结果不够准确,但完全不影响人们乐此不疲地上传照片。在我们去乘坐地铁,火车或飞机时,我们的行李从安检仪中快速滑过时,此时计算机就能根据X光图像将行李箱中的物品进行识别,并通过不同的颜色清晰地呈现在安检员的面前。

如何让计算机理解“眼前”的世界?

在计算机视觉发展之初,其研究还仅限于“看见”。对于我们人类来说,视觉不仅仅是为了看见,而是为了对看见的事物做出反应,或是更好地理解这个世界。因此,专家们也希望能够赋予计算机这样的能力。一款名为“Kinect”的摄像传感器能够捕捉到站在摄像头前的人以及这个人做出的动作。根据不同的动作,“Kinect”背后的计算机会做出不同的反应。这也就是人们常说的“体感游戏”。这种不需要手柄而是靠自己身体动作来操纵的游戏机在当时受到了热烈的追捧。

另外还有一项计算机视觉技术也正逐步来到我们身边:我们在看电影时一定都见过这样的场景,在一个人流量巨大场所(比如机场),警察们为了追踪一个坏人,在监控室中将坏人的头像与监控器中的人脸进行比对,在经过短暂的比对后,坏人的人脸在监控画面上被标了出来,这种人脸识别技术已经十分令人惊叹,而更令人惊叹的是,监控摄像头锁定了目标,一直自动跟随着目标移动,直至坏人被警察抓住。这样的跟踪摄像头其实已经出现在我们的生活中,相信很快它将开始为大家服务。

现在的摄像头越来越先进啦。图片来源:Unsplash

尽管这两个例子中的计算机视觉,已经不局限于“看见”这一基础的层面,但这两个例子中计算机对于图像的反应都比较简单,它们并不需要理解他们看到的是什么,只需要根据设计好的程序,在出现特定图像时做出特定的动作即可,对于人类来说,这几乎是与生俱来的本领。人类随着年龄的增长,能够识别出图像中的不同物体,并且通过不断的观察学习,在三五岁时就能够认出一只躲在箱子后面只露出半张脸的小猫。

计算机能不能也在图片中识别出图片中的物体呢?有人可能会问,上面不是说了计算机能够识别出人脸吗?kinect不是也能够识别出人的动作吗?但是这都是识别一种物体(也就是人),而且仅仅是识别出人脸这一项,就要耗费科学家大量的精力去建立模型、设计算法。按照这一思路,想让计算机识别出生活中的所有物品就需要给每个物品设计大量的模型,这几乎是一项不可能完成的任务。

用这种思路识别生活中的每一件物品是不可能完成的任务。图片来源:Pixabay

1981年诺贝尔医学生理学奖颁发给了神经生物学家大卫·休伯尔(David Hubel)和托斯坦·维厄瑟尔(Torsten N. Wiesel)。他们发现了视觉系统信息处理机制,证明大脑的可视皮层是分级的,大脑的工作过程是一个不断迭代、不断抽象的过程。 视网膜在得到原始信息后,首先经由区域V1初步处理得到边缘和方向特征信息,其次经由区域V2的进一步抽象得到轮廓和形状特征信息,如此迭代地经由更多更高层的抽象最后得到更为精细的分类。像素是没有抽象意义的,但人脑可以把这些像素连接成边缘,边缘相对像素来说就变成了比较抽象的概念;边缘进而形成球形,球形然后到气球,又是一个抽象的过程,大脑最终就知道看到的是一个气球。

这个生理学的发现,促进了计算机视觉的发展。计算机专家仿照人类大脑由低层到高层逐层迭代、抽象的视觉信息处理机理,建立深度网络模型。深度网络每层代表可视皮层的区域,深度网络每层上的节点代表可视皮层区域上的神经元,信息由左向右传播,其低层的输出为高层的输入,逐层迭代进行传播。

逐层迭代的深度网络模型。图片来源:eefocus

比如看到一张图片中的摩托车,在大脑中可能就几微秒的时间,但是经过了大量的神经元抽象迭代。对计算机来说,最开始看到的根本也不是摩托车,而是RGB图像三个通道上不同的数字。所谓的特征或者视觉特征,就是把这些数值给综合起来用统计或非统计的形式,把摩托车的部件或者整辆摩托车表现出来。大部分的设计图像特征都是把一个区域内的像素级别的信息综合表现出来,利于后面的分类学习。若输入层为输入数据的特征表示,则高层的特征则是低层特征的组合,从低层到高层的特征表示越来越抽象的人类视觉系统信息处理过程。

在2007年,科学家开始将人工神经网络与计算机视觉相结合,让计算机能够自主学习和理解所看到的内容。他们让计算机观看了上亿张图片,并且告诉计算机每张图片中每个物品的名称(这是一项巨大的工程,167个国家和地区的约5万名工作者耗费了近2年时间才完成这一工作)。计算机观看并学习了如此大量的图片之后,能够准确地分析出一张新的照片上的大部分物体,并且能够简单地描述一张图片。对于计算机视觉研究来说,这无疑是十分重大的突破。

计算机观看并学习了如此大量的图片之后,能够准确地分析出一张新的照片上的大部分物体,并且能够简单地描述一张图片。供图:sussex

计算机视觉中最常使用卷积神经网络(CNN),进行图像识别研究。卷积是在连续空间做积分计算,然后在离散空间内求和的过程。实际上在计算机视觉里面,可以把卷积当做一个抽象的过程,就是把小区域内的信息统计抽象出来。比如,对于一张爱因斯坦的照片,可以学习多个不同的卷积和函数,然后对这个区域进行统计。

卷积层。图片来源:eefocus

卷积神经网络学习好的卷积和会对输入图像进行扫描,每一个卷积和会生成一个扫描的响应图(即feature map)。 从一个最开始的输入图像(RGB三个通道)可以得到256个通道的响应图,即 256个卷积和,每个卷积和代表一种统计抽象的方式。

池化层。图片来源:eefocus

在卷积神经网络中,除了卷积层,还有一种叫池化的操作。池化操作就是一个对一个小区域内求平均值或者求最大值的统计操作。在内积结果上取每一局部块的最大值就是最大池化层的操作,由卷积层得出的每一个响应图经过一个求最大的一个池化层,会得到比原来响应图更小的响应图。卷积神经网络通过卷积层和池化层实现了图片的特征提取。

今天的计算机视觉技术包括了诸多不同的研究方向,关注度高的一些领域有目标检测、语义分割、运动和跟踪、视觉问答等。其中目标检测一直是计算机视觉中非常基础且重要的一个研究方向——通过给定的输入图片识别图片中的特定物体,并输出其所属类别及位置,根据检测对象不同,也衍生出人脸检测、车辆检测等细分的检测算法。目标检测和识别通常是将是将“宏观”上的物体在原图像上框出,语义分割则是将每一个像素上进行分类,图像中的每一个像素都有属于自己的类别。近年来用在无人车驾驶技术中分割街景来避让行人和车辆、医疗影像分析中辅助诊断等。 跟踪问题研究的是在一段给定的视频中,根据第一帧所给出被跟踪物体的位置及尺度大小,在后续的视频中去寻找到被跟踪物体的位置,并在跟踪过程中需要适应各类光照变换,运动模糊以及表观的变化以提高检测的精度。视觉问答是近年来十分热门的研究方向之一,其研究目的旨在根据输入图像,由用户进行提问,而算法自动根据提问内容进行回答。此问题跨越两种数据形态,故也称之为跨模态问题。

如今,计算机视觉的研究成果正不断给我们的生活带来便利。图片来源:Pixabay

如今,计算机视觉的研究成果正不断给我们的生活带来便利。最后,我们来构想一个小场景:在一个天气晴朗的假日,你开着车飞驰在田间小路上,车上的摄像头和计算机正一刻不停地帮我们分析路况,判断路上的每一种障碍物究竟是团无害的干草,还是会对行车造成威胁的石块。当你驶过一个路口时,在你毫无察觉的前提下,路口的监控摄像头已经扫描过了你的面部,并与数据库中的坏人进行比对,并认定你不在坏人的名单上。在路边,你发现了一片十分美丽的野花,于是你下车去观赏。花实在是太美丽了,你掏出手机,扫描了一下自己的脸或是指纹将手机解锁,然后打开一个识别植物种类的APP,用手机拍下上传,几秒钟之后,你就知道了这朵花的名字。之后你重新发动汽车准备启动,车载摄像头发现车的左后方正有个小孩骑着自行车而来,车上的显示屏立即显示出摄像头观察到的危险画面,你因此避免了一场车祸……在这个想象的场景中有着多种计算机视觉研究成果的应用,一些已成为现实,而一些在不久的将来,也将走进我们的生活。(编辑:Yuki)

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在“女儿国”里当父亲,是怎样一种体验?

|· 本文来自“我是科学家”·|

时光荏苒,又到了一年一度的父亲节啦!首先,要向各位上有老下有小,房贷车贷一个不少,发际线越来越高的各位父亲们道声:节日快乐!

当父亲,真的是不容易啊!

同样,在动物界里也有诸多辛劳的父亲们,比如从小把娃保护在自己育儿袋中的海马父亲;背着小宝贝们“环游世界”负子蝽和负子蟾;宠妻护崽的红狐,全职父亲狨猴等等。

教科书级的怀孕父亲——海马。图片来源:17bobandsuewilliams

普通狨猴Callithrix jacchus的父亲在孩子断奶后就背负起抚养成猴的重任。图片来源:primatecarewelfare.wordpress.com

为了缓解密集恐惧症,选取了一张手绘的负子蟾。图片来源:Naturgeschichte der Wirbelthiere 1867。

辛苦归辛苦,能有机会当上父亲并亲手把娃带大,还是很幸运的。在无奇不有的生物王国里,可不是所有父亲都能享受“喜当爹”的福利。尤其对于许多能够“孤雌生殖”(有性生殖中一种特殊的形式)的动物们来说,母亲一人就能“包办”婚育大事,父亲的角色就变得尴尬起来——它们有的“查无此父”,有的“可有可无”,更有的“似父非父”。这些动物们能不能好好过个父亲节,都要打个问号了。

父亲是啥?麻烦你见到他叫他回家

最极端的孤雌生殖,整个族群中只有雌性没有雄性,如同《西游记》里的“女儿国”一般,父亲神马的,根本不存在。

比如一种染色体变异的小龙虾——大理石纹鳌虾(Procambarus fallax f. virginalis),就是齐刷刷的娘子军团,它们从来不知父亲为何物,想要娃了就“克隆”自己。给它一片池塘,就能还你一池吃不完的小龙虾(然而据说它们肉少味淡,并不好吃)!作为入侵物种,它们给欧洲和马达加斯加本地物种带来了灾难[1]

图中所示的炫丽花纹是大理石鳌虾的重要鉴别特征,而我们日常吃的克氏原鳌虾是点状的花纹。当然最重要的差别应该是风味吧(十三香没有加够?)。图片来源:参考文献1

脊椎动物里也有“戒掉”父亲节的选手。比如爬行动物中的婆罗门盲蛇(又称钩盲蛇)(Indotyphlops braminus),以及超过50种的鞭尾蜥(Aspidoscelis spp.)中的许多物种就秉持了这项传统[2]

哇,大蚯蚓!盲蛇:我不是,我没有,别瞎说啊!图片来源:Luna Tewary Adhurya MAMC Township, Durgapur, Paschim Bardhaman

没有父亲的荒漠草原鞭尾蜥Aspidoscelis uniparens(你看这个尾它又细又长)。图片来源:Wikimedia Commons

 可有可无,存在感稀薄的父亲

对于秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)来说,父亲既可以有,也可以没有。为啥这么说?这得归功于它们非同一般的母亲——这位线虫母亲真正意义上做到了既当爹又当妈,双线操作同时产生精子和卵子,完成自体受精。这些开了挂的母亲们,面对要不要给孩子找个爹的问题,就很佛系了。有些株系的母亲热衷于自己的事自己解决,有些则更喜欢由两人承担繁衍下一代的责任,再有的就更加随性,没有明显的偏好。足见这些父亲们的存在感是多么稀薄[3]

秀丽隐杆线虫的繁殖图示母亲因为可以同时产精子和卵子。图片来源:Eevee

显微镜下一条秀丽隐杆线虫为孩子们选了一位父亲。图片来源:WormAtlas

可以自己产生精子的秀丽隐杆线虫完全实现了“我的娃,我做主!”图片来源:Ellie elegans

不过,同样是“可有可无”,蚜虫父亲的职责就显得格外加光辉伟大了。平日气候宜人水草丰盈,蚜虫母亲自己就能够通过“胎生”完成繁殖大业,蚜虫父亲默守幕后。当凛冬将至时,蚜虫父亲们才如约登场,完成交配后留下爱的结晶——带卵壳的受精卵,帮助蚜虫宝宝抵挡刺骨的严寒。待到春日,孩子们从卵壳中孵化,它们并不知道,是父亲为它们带来了整个冬天的温暖。

蚜虫的生活史非常复杂,既可以通过孤雌生殖直接胎生产子,也可以通过交配产卵再孵化出后代。图示为极简蚜虫生活史。图片来源:参考文献4

明明当了爹,后代却没我的基因

自然界还有一种特别父亲,就是明明当了爹,实际却是个似父非父“假爹”。这种现象叫做“假受精”(雌核发育),属于一种特殊的孤雌生殖。在这种模式下,精子不会和卵子融合,它们作用是来激活卵原(卵)细胞的发育等功能,产生的下一代也和父亲毫无“血缘”关系。

爸爸,我真的是你女儿!图片来源:豪斯医生

贝拉中杆线虫(Mesorhabditis belari)就是一种以“假受精”来繁殖后代的动物,他们种群中雄性的数量稀少(不足10%),男女比例失调严重。这些父亲的肩负了繁重的任务,却总是挥挥衣袖不留下一片云彩,时间长了会不会力不从心呢?别担心,除了假受精外,贝拉中杆线虫家族中也存在少量“真受精”,虽然几率较低,但这样产生的孩子无一例外都是儿子[5],这部分延续父亲血脉的小伙儿,将继续背负起家族兴衰责任的未来。

贝拉中杆线虫同时存在假受精和真受精(两性生殖),通过真受精得到的后代都是雄虫,这样儿子们接过父亲的接力棒,继续完成家族繁衍的大业。图片来源:修改自WormBook

那么,假如更加极端一点,整个群体里只有雌性,并且必须通过假受精来繁殖,该怎么办?精子要从哪里来呢?

答案就是:借别人家的呗!亚马逊花鳉(Poecilia formosa)就是一种依赖假受精来繁衍下一代的动物,这些鱼妈们能够通过抢亲戚家的鱼爹(目前发现的有P. latipinnaP. mexicanaP. latipunctata这三种)的精子来激活自己的鱼卵。至于谁是孩子的父亲?这不重要,反正他们的基因是不会进入亚马逊花鳉的后代的。

亚马逊花鳉(Poecilia formosa) (左) 和毫不知情的“云老爹”茉莉花鳉(P. latipinna) (右) 。图片来源:uni-wuerzburg

在“女儿国”为父略惨,那么“男儿国”呢?

如果你觉得以上的父亲的日子过得多少有些“惨淡”和“低调”,那么我们换个视角,看看生在“男儿国”里,境况又如何呢?下面这位逆袭的父亲也许会让你再次感叹生物界的绚烂多彩——他们能够通过“借腹生子”来狂刷当父亲的体验,而且这些擅长“借腹”的爹们,可能就在你的盘子里——

各位家庭“煮夫”,你已经把别人家的老父亲都给料理了。图片来源:小蓉

河蚬(Corbicula fluminea)广泛分布江河、湖泊、池沼中,是一种非常廉价美味的食材。有一种蚬(C. leana)的群体中雄性占了80%左右,雌性的比例很小。不过,他们并没有找不到媳妇的担忧,甚至可以抢别家的姑娘(其他种类的蚬),并且踢掉人家的染色体,将自己的遗传物质完完整整的传给后代,完美实现“借腹生子”[6]。利用这种雄核生殖的方式,河蚬们成功入侵欧洲、北美的河滩,掀起了一股“抢媳妇”狂潮[7]

河蚬的精子进入卵子后就可以完全踢掉母亲的染色体,实现自己的春秋大业。图片来源:参考文献8

生物界里这些形形色色的父亲们着实令人惊叹,它们用自己的经历打开了生物演化的万花筒,背负着不同的使命,承载着延续生命的职责。而我们的父亲何尝不是一样,为了家庭工作奔走在自己人生最美的华年,他们的付出需要我们的肯定,回家记得紧紧拥抱他呀!(编辑:Yuki)

参考文献:

  1. Vogt, G. (2011). Marmorkrebs: Natural crayfish clone as emerging model for various biological disciplines. Journal of Biosciences, 36, 377-382.
  2. Lutes, A. A., Neaves, W. B., Baumann, D. P., Wiegraebe, W., & Baumann, P. (2010). Sister chromosome pairing maintains heterozygosity in parthenogenetic lizards. Nature, 464, 283–286.
  3. Bahrami, A. K. & Zhang, Y. (2013). When females produce sperm: genetics of c. elegans hermaphrodite reproductive choice. G3: Genes|Genomes|Genetics, 3, 1851-1859.
  4. Ogawa, K. & Miura, T. (2014). Aphid polyphenisms: trans-generational developmental regulation through viviparity. Frontiers in Physiology, 5. 1-11.
  5. Grosmaire, M., Launay, C., Siegwald, M. et al. (2019). Males as somatic investment in a parthenogenetic nematode. Science, 363, 1210-1213.
  6. Houki, S., Yamada, M., Honda, T. et al. (2011). Origin and possible role of males in hermaphroditic androgenetic corbicula clams. Zoological science, 28, 526-531.
  7. Pigneur, L. M., Etoundi, E., Aldridge, D. C. et al. (2014). Genetic uniformity and long-distance clonal dispersal in the invasive androgenetic Corbicula clams. Molecular Ecology, 23, 5102-5116.
  8. Etoundi, E., Marescaux, J., Vastrade. M. et al. (2019). Distinct biogeographic origins of androgenetic Corbicula lineages followed by genetic captures. bioRxiv preprint.

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短短十年,国产“钢铁穿山甲”何以跻身世界之强?

本文为2019年5月20日“我是科学家”演讲活动第十一期——中国制造 | 孙雪丰 演讲实录:

经过多年的探索和研发,中国盾构走在了世界前列,不仅满足了国内需求,同时也开始大规模开拓国际市场。从依赖进口到走出国门,中国盾构如何让“钢铁穿山甲”通达四方?中国铁建重工集团掘进机事业部土压盾构研究所副所长,工艺技术部部长孙雪丰为大家带来演讲《从零起步,跻身世界之强的“钢铁穿山甲”》。

我是孙雪丰,是中国铁建重工集团掘进机事业部的一名工程师,我主要做的是盾构机的研发设计工作。

大家不一定见过盾构机,但是它们跟我们的生活息息相关:我们的公路、铁路和地铁隧道,很多都是用盾构机来开挖的。它们形状不一,大小、功能也各不相同;它们像钢铁穿山甲一样,所经之处就会形成一条长长的隧道。

给大家看一张照片,这是我们在常德用到的盾构机,是不是很漂亮?我们中学有一篇课文叫《桃花源记》,照片中这个盾构机叫最美“桃花”。这个照片可能颠覆了大家的一个印象——地下工程机械都是傻大黑粗的。实际上,我们也可以把它做得很漂亮。它不仅颜值高,而且也很厉害,一天能够掘进几十米。

在没有盾构机以前,我们开挖隧道和地洞都是靠人工。在抗日战争时期,我们八路军联合当地老百姓,在华北地区藏兵千百万。他们当时开挖隧道,就是一锹土、一锄头地把土开挖下来,然后再用土兜把它给运出去。

再到我们北京修建地铁一号线的时候,采用是矿山法施工——也就是大家所理解的爆破。大家看一下这个工作面,它的环境是不是很差,是不是很危险?而且工作效率也很低,一天只能开挖几米。

那么盾构机是怎么产生的?19世纪初,英国要从伦敦的泰晤士河底下修建一条隧道。但是这个隧道如果直接开挖的话,很容易塌方;人在底下施工的话,就会被淹没。当时修建隧道的重任落在法国工程师布鲁诺尔(Marc Isambard Brunel)的身上,他左思右想都没有结果;直到有一天,他在轮船上看到船蛆在轮船甲板上钻洞,从中得到灵感,设计了世界上第一代盾构机。

后人在第一代盾构机的基础上不停地进行升级,由人工开挖逐渐到机械开挖,到现在,盾构机都是一个全断面的刀盘。现在的盾构机也从最初的铁匣子,变成了巨大的“钢铁穿山甲”。

这是目前世界上最大的一台盾构机,直径有17.5米,相当于七层楼这么高。

我们再看一下“钢铁穿山甲”是怎么工作的。前面的圆盘叫刀盘,相当于穿山甲的嘴,就是靠它来把前面的土壤和岩石开挖下来。然后这个刀盘的后面,有螺旋输送机和皮带输送机,它们是穿山甲的肠胃,把渣土运输出去。螺旋输送机的四周有蓝色的推进油缸,它是穿山甲的腿,这些腿顶在管片上面,把我们整个机器推着前进。

十几年前,中国不能够自主研发制造盾构机。从2000年开始,中国开始新一轮的地铁、铁路和公路的大规模建设,这时候我们需要大量的盾构设备。

当时就需要大量从国外进口。中国如果没有自己的盾构机,那么工程建设的进度就得不到保障,技术也受制于人。

首先,国外的设备,非常昂贵。左边的第一张图的盾构机用于秦岭隧道建设,是当时中国最贵的一台设备,花费了3.5亿人民币的外汇。

第二,国外的设备,研发设计人员多在海外,对中国的工程地质不是很了解,不能够根据我们的工程地质进行一些针对性的设计。比如右上第二张图,是用于广州地铁建设的一台盾构机。广州有一种特殊的土层叫“红层”,特别黏。所以盾构机的刀盘非常容易堵住,就没法前进。

第三,国外的设备,生产周期特别长。他们要签订合同以后,才开始准备原材料——所以说一台地铁盾构机,它的生产周期从签订合同到交付,总共需要12个月。而我们现在需要多久呢?只需要5到6个月。

第四,进口的设备,售后很差。我们设备在掘进过程中遇到问题,得聘请国外的工程师过来解决。但是售后周期很长,费用也很高——工程师从国外出发,就要开始计算费用,每天要1200欧元。如果需要国外的工程师长期驻守在工地,就要给他提供高档的酒店餐饮。用在秦岭隧道的这台设备,我们当时想请国外工程师到我们项目上,那行,你先得帮他建一个标准游泳池,这是他们生活的必需品。

所以说,中国如果要大规模地开展地铁建设,要实现中国速度,我们必须要研发制造自己的盾构机。

我非常幸运,毕业以后就来到了我所工作的中国铁建重工集团。那时候,国产盾构机的研发才刚刚起步。

这个是我们研制的第一台复合式土压平衡盾构机,用在长沙地铁2号线建设。当时我进我们单位的时候,厂房还没有建好,我们就一边搞建设,一边搞研发,待在一个铁皮房子里面,冬天很冷,夏天很热。

很幸运,我们没有购买国外的图纸,凭借自己摸索画图,画了十多万张图纸,制造出了我们第一台盾构机。

但是制造出第一台盾构机,才是刚刚起步。大家都知道,我们中国地大物博,工程地质复杂多样。单一类型的盾构机不能适应所有工程地质掘进。

城市大部分都是软土软岩地层,适合用盾构机(图中)掘进。但是在一些特殊的地方,比如说重庆,地底下是坚硬的岩层;如果用盾构机掘进,刀具就很容易磕坏。所以我们给它设计了一台硬岩适用的掘进机,业内叫做TBM(图左)。再比如右边,这个设备我们叫“顶管机”——它的设备比较短,可以看作是一台迷你版的盾构机,它适合在短距离隧道(比如城市里的过街通道)的地层掘进。

针对三种不同的地质,我设计了三台不同的盾构机。但是如果两种地层碰到一起了怎么办?

比如在广州到佛山的一段城际铁路建设中,有一条六公里的隧道——前面的400多米是软土,中间的4公里是硬岩,再出来又变到软土。怎么办?我们聪明的工程师把盾构机和TBM的功能结合在一起,就像给穿山甲设计了两套牙齿、两套肠胃。它根据地形的变化,可以自由地切换。

经过这些年的探索与实践,我们完成了从适应单一地层到适应复合地层的突破。

近段时间,我又做了一些新的尝试。这个是我们给上海设计的一批盾构机,这些盾构机具备一定的“思考”能力。我为什么做这件事呢?大家可能没有进过隧道,所以可能不了解——隧道底下温度很高,有40多度,还很潮湿,里面的工作环境很苦闷。

怎么让我们的作业人员能够解放出来呢?是不是可以少人化,甚至无人化?普通的盾构机都是人下达指令,然后盾构机来掘进;而我们这批盾构机,它前面有传感器,所以能够根据前面地层的变化自主调整设定参数,实现了从人工操作到人工监管的突破。

随着国产技术的飞速发展,我们现在的盾构技术不仅仅能够满足国内需求,还渐渐走出了国门。

比如2017年,我们中国在莫斯科拿到了第一个地铁项目,需要五台盾构机。大家知道,我们北京在建设地铁一号线的时候,有一批苏联的老专家过来援助我们;现在我们回到莫斯科,相当于学生到师傅家给老师讲课,压力很大。

当时,这样的重任落在我和我的团队的身上。接到任务之后,我第一时间就飞莫斯科去当地调研,结果发现,难度比我预想的还要大。

为什么?

第一,莫斯科的温度很低,一年的冰冻期有六个月,所以盾构机要适应零下30度的低温。

第二,莫斯科具有很复杂的工程地质条件。盾构机的转弯半径特别小,掘进的时候坡度很大,然后还有40米以上的富水深埋地层;再一个,它要穿越既有的一些车站——在国内遇到这样一个难题,就需要请专家过来援助,在莫斯科我们一下碰到了四五个。

第三,他们的施工习惯也不一样。莫斯科有80年的地铁建设经验,如何让我们的盾构机满足他们的习惯,就需要我们进行深入考量。

第四,标准体系也不同。我们采用的是国标(GB),而他们有自己的标准。如何让我们的设备符合当地的法律法规,是中国设备走出去的必经之路。

为这五台盾构机,我们特地开展了一些针对性的设计:我们研发了能够耐零下30度低温的主驱动系统,给设备做了很多加热的装置——普通设备大部分都做冷却,而这个设备我们给它做了加热装置,这样的设计应该还是第一次。

这个设备研发出来以后,深受当地人喜欢。他们用俄罗斯家喻户晓的一部电视剧叫《爸爸的女儿们》其中五个女儿的名字来命名。这个设备到了当地之后,也觉得非常好。现在五台设备,有三台已经贯通了,并且创造了俄罗斯每天最高掘进35米的记录。

回想十多年前,我们的设备完全依赖进口,到今天,我们中国的设备已经占据了国内市场90%的份额,并且占据全球三分之二以上的市场。可以非常自豪地说,中国已经成为全球高端地下工程装备的第一军团。

但是创新的步伐永不止步,我们会一直并且将来要继续引领技术前进的步伐。

比如说我们已经成功研发出来的常压换刀技术。这东西为什么这么重要呢?因为盾构机在掘进的时候,是靠牙齿来咬前面前方的岩土;时间长了之后,牙齿容易崩掉。我们普通的盾构机,工人都是在进到前方的土体里面进行换刀,水压很高,非常危险。我们设计了这种常压换刀的技术之后,人可以进到刀盘的结构里面去,由高压变成常压——这样我们的作业人员就可以很安全。

又比如说我们正在研发的隧道智能拼装机器人技术——这个就是让机器来代替人去进行管片的拼装和TBM的钢拱架安装。在我们TBM掘进过程中,后方的岩体非常容易坍落,人拼装钢拱架就非常危险。我们用机器来代替人,就可以减轻他们的劳动强度,从而让我们的隧道施工更加安全、更加高效。

21世纪是地下空间开发的世纪,我们盾构机研发会更加蓬勃——比如说我们在进行的超大竖井掘进机,还有面向川藏铁路设计的超级掘进机。

向未知的地层掘进,充满挑战,但是我乐在其中。谢谢。

演讲嘉宾孙雪丰:《中国盾构:从零起步,跻身世界之强的“钢铁穿山甲”》

管全梅:又快又稳又舒适,动车组如何打造“金色名片”?

本文为2019年5月20日“我是科学家”演讲活动第十一期——中国制造 | 管全梅 演讲实录:

更强、更轻、更安全,工程师如何打造动车组这张国家的“金色名片”? 中车唐山机车车辆有限公司产品研发中心高级工程师管全梅跟大家分享高速动车组车体设计的故事。

我叫管全梅,来自中车唐山机车车辆有限公司,是一名动车组车体结构设计师。

和大家一样,我也是动车组的乘客,感受过它带来的便利。我的老家在大西北的青海省,以前我回家坐普速客车,从北京到西宁要21个小时;有了动车组,即使加上中间转车的时间,也只需要10个小时。

动车组缩短了城市和城市之间的距离,也改变了我们的生活方式。西安到成都,地图上看很近,但俗话说:蜀道难,难于上青天。以前从西安到成都,坐火车大概需要16个小时;但2017年12月6日,西安到成都的高铁开通以后,这个时间缩短到了3个小时。大家可以想象,早上可以在西安吃一碗羊肉泡馍,中午就能到成都看大熊猫,晚上还可以去重庆吃火锅——这生活,确实很方便。

作为动车组列车的设计师,我有一点小小的职业病:坐动车组的时候,上了车就喜欢看看这、看看那,尤其是遇到新款车型或者由国内外同行制造的动车组。

看什么?

就是看别人设计的车的结构跟我们设计的有什么不一样,或者说有没有什么可借鉴或取长补短的地方。

动车组在大家的眼里,和在我们设计师的眼里是不一样的。

大家眼中的动车组可能是这样的——

这是一款由中国铁路总公司牵头组织研制的、时速在350公里的标准化动车组。左边是动车组的外观,右边是它的内饰。

或者这样的——

这是我们公司2018年推出的“复兴号”的家族新成员,因为它有翠绿色的涂装,所以被大家称为“绿巨人”。

大家看到的是动车组的整体,外面都已经涂装好了漂亮的颜色,内部也已经安装好了地板、墙板、顶板、座椅和行李架等。

而作为一名车体结构设计师,我眼里的动车组是这样的——

常见的动车组车体就这两种形式:

上面两张图,是一种由长大挤压铝合金型材拼焊而成的车体,它的材料是铝合金,所以我们看到的车体的外观还有内部,都是铝合金的本色——银白色。

下面两张图,是由耐候钢或不锈钢组焊而成的板梁结构的车体。这类车体是砖红色,其实不锈钢和耐候钢的本色也是发亮的那种;但是耐候钢在空气中容易被腐蚀,所以车体组焊、制造完成后,就要在它的外面涂一层砖红色的重防腐漆。

这是车体的设计框架图。这张图画的是铝合金车体,其中每一种颜色代表一块型材,所以侧墙(右上图)由5种型材组焊而成,底架(右下图)由4种7块铝型材组焊而成。完成侧墙、底架这样的小部件以后,再把它们组焊为整个车体,最终形成一个铝合金的筒形结构(左图)。

这是耐候钢车体还没有加墙板的框架图,看着是不是很炫酷?其实它跟铝合金车体很相似,也是从一根梁、一根柱开始慢慢组焊,焊到小模块,然后到大模块,接着到部件,最后再到整车——有点像小孩子搭积木。

车体就像房子的框架,又像人体的骨骼。它既是列车运输的载体,又是安装与连接列车上其他组成部件的基础。

以时速350公里动车组的二等座车为例,一辆车体的重量是11吨左右,安装这么多的系统部件后,大概能达到56吨;加上乘客(二等座车可以乘坐90个人,每个人按80公斤算,乘客的总重量就是7.2吨),总共有63吨左右——相当于用11吨的车体去承载将近32吨(除去转向架的重量约20吨)的重量。

此外,动车组在运行过程中,还要承受启动、变速和上下坡时,车辆之间产生的牵引和压缩冲击力,以及风压力、离心力等等作用力。所以,车体很关键,必须要保证它的安全性、可靠性和舒适性——因此,它既要结实,又要轻巧。

那么,一个好的车体,需要满足什么条件?

从专业角度,一个好车体需要满足强度、刚度、模态、气密性、轻量化等基本要求。

以高速动车组的头车为例,先介绍一下车体的构成:动车组车体长25.5米,宽3.36米,高3.1米;头车再加一个司机室,要更长一些。车体由底架、侧墙、端墙、车顶和司机室构成,它的断面(图右)是一个筒形承载的结构——这种结构的强度和刚度特别好。

强度跟安全有关,怎样做才能满足车体的强度?

首先,要选择高强度的材料——我们现在选择的是焊接性很好、强度也很高的挤压铝合金型材,每批型材都要通过很多的例行试验和型式试验的测试,保证材料的力学性能能够满足车体强度需求。

此外,在进行车体结构设计的时候,不仅要根据部件的受力路径来考虑平台的设计,还要考虑结构的设计。设计过程中,也会通过模拟仿真的手段,来验证强度是否能满足标准要求。

最终制造完成以后,实体整车要上试验台进行静态和动态的强度实验,试验合格才能证明车体的强度没有问题。

除了这些,大家可能注意到了,我在前面的介绍中多次提到一个词:焊接。

焊接是什么呢?它是车体制造过程中的一项关键特殊技术,指被焊工件(同种材质或不同材质)通过加热或加压的方法(或两者并用),采用或不采用填充金属,使被焊工件达到原子间结合而形成永久性连接的工艺过程。简单地说,就是把两个部件融合在一起,形成一个整体。

对于车体的焊接,我们单位有一套完整的体系来管理,保证每条焊缝从焊接接头、焊接形式、焊接等级设计——焊接试件——焊后PT检测都有完整的标准文件来指导,从而确保质量达标。

下面来说刚度和模态,模态是结构系统的固有振动特性,每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。为什么车体要考虑刚度和模态?或者说,如果车体不考虑刚度和模态会怎么样?

举个例子,如果车体和乘客座椅的模态相近,列车运行的时候,就容易发生共振,带来一个大的变形或者应变力,这时乘客坐在座椅上就会感觉特别不舒服,时间长了,还可能会对车体或者座椅的主题结构造成破坏。所以我们要把“车体模态”纳入考虑,避免它跟车上安装的其他系统包括车下的转向架之间发生共振。

模态是结构的一种特性,但是车体的结构是可设计的——我们可以通过结构的设计来调整它的模态,去避开这个频段。

大家以前坐老式普速客车,在两车交汇或进出隧道的时候,有没有感受过耳朵不舒服?这其实就跟“气密性”有关。

为什么?

因为两车交汇或进出隧道的时候,车周围会形成一个很大的压力波气场,如果密封性没有做好,外面气压就会进到车内,给人的耳朵造成一个压力,让人感到不舒服。现在动车组基本上就没有这个问题,因为气密性做得很好。

车体的气密性这块有哪些措施来保证?车体一般采用满焊结构,每条焊缝做完了以后,都要进行PT或真空检测,保证焊缝没有气隙——也就没有泄露面积。另外,局部不能焊接的地方,也采取了打胶密封的方式,来消除车体产生的缝隙。

“轻量化”是轨道交通一个永恒的话题——可能不光是轨道交通,还包括整个工业领域。

车轻了,肯定有很多好处——

首先,载客量更大。双层客车肯定比单层客车运输的乘客多,但是它也会更大,装载的设备会更多。所以在轴重不变的情况下,要想多载客人,车辆本身要轻。

第二,减少路轨等基础设施的损耗。车轻了以后,它对我们现有的路轨、桥梁还有隧道等基础设施的磨损就会小,维修成本就会降低,寿命就会延长——总的来说,就是省钱。

第三,节能环保。动车组牵引的能量来源于电能,当动车组运行到300公里的时候,每牵引1吨大概耗电16-17千瓦。现在中国线路上运行了这么多动车组,如果列车轻一点,一年下来就会节省很多电能。此外,二氧化碳的排放也会减少很多,这样我们生活的环境就会更好。

动车组轻量化了之后有这么多的好处,那就车体而言,可以通过哪些方法来实现呢?

可以从材料轻量化、结构轻量化还有功能轻量化等方面考虑。

说到材料,我讲一下车体用材料的变迁。

其实最早的火车车体是木头做的,然后慢慢演变成耐候钢、不锈钢,到今天的铝合金。现在轨道交通正在研究应用一种轻型复合材料——比金属材料强度更高,还耐疲劳、耐腐蚀;最重要的是,在同等速度等级下,要比铝合金车体轻将近30%。这种材料有可能是下一代高速动车组最理想的材料,但目前也有很多关键核心技术需要去攻克。

最先推动这种复合材料的批量成熟应用的,可能就是我们国家。为什么?因为我们的大地上跑着这么多高速动车组,积累了很多数据,我们也相信自己能把这个工作做好。

前面说的都是车体,但车体其实是车辆的一部分,所以我再说一下车辆。我们现在生产的多种轨距型号的列车都已经走出国门,远销世界20多个国家。

就连习总书记都曾经为中国的高铁点过赞,他说高铁是中国的一张亮丽名片。还有李克强总理,他每次出访的时候都不遗余力地为我们高铁做推销。

在这样伟大的事业当中工作,我很骄傲。我还记得第一次在自己设计的图纸上签字的时候,当时觉得有点神圣,但也有点害怕。

签字有什么害怕的?因为上大学第一堂制图课的时候,老师就对我们说,你们将来都有可能会成为工程师,到时就会在设计的图纸上签字,签字不是随便签的,要负责任——就是说将来你设计的图纸万一有什么问题,那么就算退休了,也得承担责任。我把这个事情告诉我的妈妈,她就说,你以后责任挺重大的,这么危险,还要担心会不会被抓走。我对她说,你就放心好了,既然是做这个工作,我肯定会努力认真地做好。

大家还记得咱们中国第一辆高速动车组是什么时候上线运营的吗?是2008年的8月1号,奥运会那年首发,从北京到天津,只需要半个小时。

但在这之前,这辆动车组先承担了一项特殊的任务。

这辆动车组是我们公司制造的。当年的春天,动车组在厂里的调试车间完成所有调试试验后,我们就把这辆车作为婚车,为公司的4对新人举办了一场婚礼——他们都因为动车组的生产一再延迟婚期。

我们当时都说,这可能是世界上最豪华的婚车了。

我是第一代高铁工人管全梅,谢谢大家。

演讲嘉宾管全梅:《动车组:打造一张国家“金色名片”,拉近人与人的距离》