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2017多少科幻片中的狂想成現(xiàn)實(shí)?
發(fā)布時間:2017-12-29
出品:科普中國
制作:科了個普
監(jiān)制:中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

  娛樂評論界普遍認(rèn)為,2017年是好萊塢科幻大片的超級大年。這一年中,《變形金剛》、《蜘蛛俠》、《復(fù)仇者聯(lián)盟》、《星球大戰(zhàn)》、《X戰(zhàn)警》等等著名科幻系列影片都推出了新作。加上近年人氣陡升的《美國隊(duì)長》、《銀河護(hù)衛(wèi)隊(duì)》,2017年的科幻大片如潮水一樣叫人應(yīng)接不暇,刺激著影迷的觀影沖動。?

  夢想照進(jìn)現(xiàn)實(shí),始終是科幻電影令人著迷的所在之一。那些看似天馬行空的狂想,真的有可能在未來的某一天得以實(shí)現(xiàn)。今天小編就來帶領(lǐng)大家回顧幾部過去一年出現(xiàn)在熒屏上的科幻大片,看看都有哪些酷炫的未來科技正在變成現(xiàn)實(shí)。?

《蜘蛛俠歸來》中的一系列科幻元素?

  蜘蛛俠系列最新一部《蜘蛛俠歸來》上映后,里面眼花目眩的黑科技讓人目不暇接。蜘蛛俠一襲紅藍(lán)緊身衣、白目蒙面、胸口蜘蛛圖案的裝扮(無論是目鏡形狀還是蛛網(wǎng)紋路的線條,以及靴子的高度都更接近于蜘蛛俠早期的漫畫)足具未來感與科技感。戰(zhàn)衣?lián)碛幸绘I式穿脫功能,不僅可以迅速穿脫,還可以根據(jù)自身的身體尺寸調(diào)節(jié)大小。自帶蜘蛛網(wǎng)翼,可實(shí)現(xiàn)短距離滑翔,在樓宇穿梭間起輔助作用。護(hù)目鏡會根據(jù)彼得的情緒變大變小。戰(zhàn)衣包含腋下滑翔翼、機(jī)械可動眼、彈性伸縮面料、蛛網(wǎng)榴彈和小型蜘蛛偵察機(jī),多達(dá)500多種蛛網(wǎng)噴射的組合方案。依附在緊身衣上的蜘蛛追蹤器,作為一個小型的智能無人機(jī)裝置,它既可以作為追蹤敵人方位的追蹤器,也可以將看到或聽到的信息傳遞給緊身衣里的彼得。緊身衣上還有類似于鋼鐵俠賈維斯系統(tǒng)的智能AI系統(tǒng),它以女性角色與蜘蛛俠進(jìn)行語言交流,為蜘蛛俠進(jìn)行各種數(shù)據(jù)分析及戰(zhàn)況分析。?

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  圖1 蜘蛛俠歸來劇照(來源:網(wǎng)絡(luò))?

?電影中的蛛絲有多強(qiáng)?人工合成纖維可以實(shí)現(xiàn)!

  我們有好幾種方法可以估測蜘蛛絲的強(qiáng)度,先考慮在前一部電影中蜘蛛俠用網(wǎng)絲牽住了一輛墜落的汽車。那么網(wǎng)絲需要達(dá)到什么程度的張力才能不斷呢??

  由于汽車有下降的慣性,網(wǎng)絲的張力必須達(dá)到汽車本身的重量,而且能夠使汽車在落地之前速度為零。假設(shè)一輛汽車的重量為2000kg,下降1秒后讓它停下來。網(wǎng)絲抓到汽車后,汽車受到向上的網(wǎng)絲拉力和本身的重力,拉力需要平衡汽車的重力加速度,不可能馬上停下來。這里假設(shè)迫使汽車停止的所需時間也是1秒,通過動量定理可以計(jì)算得到拉力至少為39200牛頓。那么,什么樣的材料可以提供這么大的力呢?假設(shè)從蜘蛛俠的網(wǎng)絲直徑為1毫米,如果換成相同粗細(xì)的實(shí)際材料,可以達(dá)到的張力極限是:?

  鋼絲繩:6503 牛頓?

  尼龍繩:235 牛頓?

  實(shí)際蜘蛛絲:3142牛頓?

  碳納米管繩:1.98 x 105 牛頓 ?

  所以只有碳納米管能夠代替蜘蛛俠的網(wǎng)絲,如果用鋼絲繩的話,大概2.5毫米粗的才能達(dá)到相同強(qiáng)度。?

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  圖2 蜘蛛俠歸來劇照(來源:網(wǎng)絡(luò))?

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  普通的蜘蛛絲已經(jīng)很堅(jiān)韌,科學(xué)家使用碳納米管和石墨烯,可以使普通的蜘蛛絲變得更強(qiáng)韌。意大利特倫托大學(xué)的Nicola Pugno教授帶領(lǐng)的一個研究團(tuán)隊(duì),成功地使蜘蛛吐出的蛛絲強(qiáng)度提升了3倍,韌性提升了10倍。?

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  圖3a)給蜘蛛喂食含有石墨烯或碳納米管的分散液,(b)在納米管系統(tǒng)中收集和測試蛛絲; c)應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線顯示改進(jìn)的纖維與原始樣品的性能比較[2]。?

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  這項(xiàng)研究開辟了生物材料合成的新道路,拓寬了新型生物材料的應(yīng)用范圍。這些人造蛛絲可以用于高性能或可生物降解的紡織品,例如降落傘或醫(yī)用敷料。相信在以后會擴(kuò)展到其他生物系統(tǒng),并促進(jìn)新一代的仿生材料的技術(shù)革新。?

壁虎膠帶

  在電影中,蜘蛛俠可以倒吊在屋頂上,行走自如,似乎不受重力影響。在現(xiàn)實(shí)中,我們?nèi)祟惸壳笆亲霾坏降?,然而有一種生物可以實(shí)現(xiàn)這個強(qiáng)大的功能,就是壁虎!?

  我們經(jīng)常看見壁虎在垂直的墻面或建筑物的天花板上奔走,經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),壁虎并沒有像有些生物那樣分泌粘液把自己在墻面上,如果有粘液的話也不會跑得那么快。這都得益于腳掌上具有多分級纖維狀黏附系統(tǒng)。壁虎的每個腳趾生有數(shù)百萬根細(xì)小剛毛,每根剛毛的長度約為30-130微米,直徑為數(shù)微米,約為人類頭發(fā)直徑的十分之一。剛毛的末端又分叉形成數(shù)百根更細(xì)小的鏟狀絨毛(100-1000),每根絨毛長度及寬度方向的尺寸約為200納米,厚度約為5納米,結(jié)構(gòu)非常精細(xì)、復(fù)雜。?

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  圖4壁虎腳掌多分級黏附系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)(來源:網(wǎng)絡(luò))?

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  圖5 壁虎二級結(jié)構(gòu)黏附模型[1]

6 壁虎腳趾的微觀結(jié)構(gòu)在吸附和脫離吸附時的變化[2]?

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  英國曼徹斯特大學(xué)的安德烈 K 海姆教授注意到壁虎剛毛的這種多層級微納、尺度介觀結(jié)構(gòu)之后,馬上聯(lián)想到是否可以制造出一種膠帶,擁有類似壁虎腳掌的剛毛絨毛系統(tǒng),具有強(qiáng)大吸附力的同時還可以吸脫自如。?

  于是經(jīng)過一段時間的艱苦實(shí)驗(yàn),通過電子束光刻、熱蒸鍍、氧等離子體刻蝕等一系列先進(jìn)的微加工手段,制備出了類似的結(jié)構(gòu)——由聚酰亞胺(PI)微纖維構(gòu)成的陣列,如圖7所示。而制備出的樣品只有1平方厘米!?

  海姆教授的嘗試為科學(xué)界開辟了一個全新的研究方向。2008年,佐治亞理工大學(xué)的王中林教授在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了關(guān)于壁虎膠帶的研究成果。這篇論文利用超高長徑比的碳納米管陣列來模擬壁虎的剛毛構(gòu)造。在垂直于墻面方向上,拉力可以達(dá)到20牛每平方厘米,平行于墻面的方向上,拉力高達(dá) 100 牛每平方厘米,這已經(jīng)達(dá)到了壁虎實(shí)際吸附能力的十倍程度,如圖8所示。?

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  圖7 由聚酰亞胺(PI )微纖維構(gòu)成的陣列[3]?

8 A:利用碳納米管陣列制成的壁虎膠帶吊起一本1480克重的書,B-C: 碳納米管陣列的形貌,? D-E? 壁虎膠帶的力學(xué)性能測試結(jié)果[4]?

吐絲”無人機(jī)

  倫敦帝國理工學(xué)院的空中機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)研制了一款名為SpiderMAV的無人機(jī),它具有一種神奇的能力,能夠像蜘蛛俠一樣射出可讓機(jī)身穩(wěn)定的磁性繩索,近日該研發(fā)團(tuán)隊(duì)成功地測試了其噴射磁性蛛絲于磁性表面上的穩(wěn)固能力,在強(qiáng)風(fēng)等環(huán)境中,無人機(jī)可以依靠這樣的方式來穩(wěn)固自身,或者不依靠電力完成以往需要懸浮來完成的任務(wù),提高續(xù)航能力[6]。?

  據(jù)介紹,SpiderMAV 的靈感來自于一種被稱為Darwin's bark spider的蜘蛛。這種蜘蛛可以吐出25米長的絲,是其他蛛絲耐性的兩倍多,而且是現(xiàn)存最硬的生物絲狀物。?

  目前,這只是系統(tǒng)的一個初步設(shè)計(jì)測試,研究人員并沒有真正了解如何解除錨固系統(tǒng),盡管可以調(diào)節(jié)磁性繩索的磁性強(qiáng)度,或者使用電磁鐵通過控制電流方向切換磁鐵作錨,然而,更完善的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)多功能的保障。?

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  圖9 Spider MAV無人機(jī)模型(來源:Imperial College London)?

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《銀河護(hù)衛(wèi)隊(duì)2》中的神奇植物?

  小樹人是銀河護(hù)衛(wèi)隊(duì)2中最吸粉的角色,并且?guī)缀鯖]有之一。在上集末尾,樹人格魯特壯烈犧牲,堪稱整部電影最為催淚的情節(jié)。不過既然是美式爆米花大片,生離死別絕非觀眾喜聞樂見的橋段。于是樹人身體的一部分化身為小樹,獲得了某種意義上的新生。?

  小樹人是一種植物和動物結(jié)合的生命體,簡單來說可以認(rèn)為是一株可以自由移動,并且具有思想的植物,堪稱長距離跨越物種鴻溝的嵌合體。其實(shí)早在2015年,科學(xué)家們就造出了另外一種意義上的嵌合體怪胎——電子植物。?

  來自瑞典林雪平大學(xué)的科研小組利用具有導(dǎo)電性的聚合物溶液來培養(yǎng)玫瑰花,最終聚合物在被植物的導(dǎo)管系統(tǒng)吸收后形成導(dǎo)電水凝膠構(gòu)成的電子回路。在最初的電子植物雛形中,導(dǎo)電水凝膠只能分布在玫瑰花莖中。2017年,該科研小組設(shè)計(jì)了改良的有機(jī)導(dǎo)電聚合物,其在植物內(nèi)部具有更好的擴(kuò)展性,可以自發(fā)分布到葉脈乃至花瓣中,形成遍布植物整體的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò) [7]。?

  目前,研究人員所展示的電子玫瑰花已經(jīng)可以經(jīng)得起數(shù)百次充放電,從某種程度上來看,可以達(dá)到超級電容的電量存儲水平。雖然想要造出小樹一樣的動植物嵌合體并不容易,不過植物與機(jī)械或者電子的結(jié)合卻給我們帶來了新的啟示。很多驚世成就最初都誕生自天才一般的狂想,誰敢打包票說,未來以電子植物作為核心的植物電站不會成為現(xiàn)實(shí)呢。?

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  圖10 導(dǎo)電玫瑰花示意圖(圖片來自該實(shí)驗(yàn)室官網(wǎng))?

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《金剛狼3》與人類組織再生?

  雖然經(jīng)常被質(zhì)疑為只用兩對大爪子靠蠻力吃飯,金剛狼這一角色還是在休杰克曼的演繹之下成為該系列當(dāng)仁不讓的第一主角。實(shí)際上,金剛狼經(jīng)常被人忽視的特長之一就是強(qiáng)大的組織自我修復(fù)功能。不光能打,還皮實(shí)抗造,巔峰時期的金剛狼,身體損傷后的再生速度極為迅捷,即便是能毀天滅地的鳳凰女也沒能讓金剛狼傷筋動骨。不過,在《金剛狼3》中,他最為仰仗的再生能力卻隨著年齡的衰老而逐漸弱化了,不禁令人產(chǎn)生英雄遲暮的感慨。?

  那么,人類組織再生的相關(guān)研究,在2017年又有什么最新進(jìn)展呢??

  2006年,iPS細(xì)胞初次登上歷史舞臺。日本京都大學(xué)教授山中伸彌率領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)利用基因修飾技術(shù),將已經(jīng)失去了全能分化性的小鼠皮膚成纖維細(xì)胞改造成了具備全能分化性的胚胎干細(xì)胞,從而大大降低組織再生的技術(shù)門檻。?

  iPS細(xì)胞,即誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞(induced pluripotent stem cell)。山中伸彌教授特意將I寫成i,是希望該技術(shù)像當(dāng)年風(fēng)靡一時的iPod一樣,發(fā)揚(yáng)光大。2012年,山中教授也因發(fā)現(xiàn)“成熟細(xì)胞可被重寫成多功能細(xì)胞(即iPS細(xì)胞)”而與約翰?格登爵士一同獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。?

  今年三月末,來自理研和神戶市立醫(yī)療中心的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功利用他人的iPS細(xì)胞培育成的視網(wǎng)膜組織,為患有滲出型老年性黃斑病變的患者實(shí)施了植入手術(shù)。所用iPS細(xì)胞來自于京都大學(xué)iPS細(xì)胞庫(圖11),雖然是異體移植,但是排異反應(yīng)將會非常輕微,術(shù)后病變的視網(wǎng)膜將會逐漸恢復(fù)正常功能。該研究最初的階段是利用患者自身的iPS細(xì)胞培養(yǎng)成視網(wǎng)膜組織,因此耗費(fèi)時間長,成本高昂。今年的這項(xiàng)成果將手術(shù)成本降低到了原來的幾十分之一,這被普遍認(rèn)為是iPS細(xì)胞真正開始進(jìn)入臨床的標(biāo)志之一。?

  同時,iPS細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了相關(guān)的材料研究。今年初,日本科學(xué)家與纖維廠商合作,成功開發(fā)了新一代的iPS細(xì)胞培養(yǎng)基(圖12)。這種培養(yǎng)基基于纖維材料,具有極高的比表面積,因而有望大大節(jié)約細(xì)胞培育的空間成本。曾經(jīng)一次iPS細(xì)胞移植手術(shù)所需的細(xì)胞量需要上千個培養(yǎng)皿同時運(yùn)作,今后利用各種先進(jìn)材料進(jìn)行iPS細(xì)胞的培養(yǎng)將會大大節(jié)約場地和時間,將臨床手術(shù)的花費(fèi)降低到普通人可以承受的水平 [8]。?

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  圖11 國際iPS細(xì)胞庫構(gòu)想(來源:網(wǎng)絡(luò)) 圖12 纖維培養(yǎng)基(來源:共同社報(bào)道)?

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  2018年,又有幾十部科幻大片等著我們觀賞品鑒。在觀看電影的同時,除了絢麗奪目規(guī)模宏大的視覺場面,那些編劇和導(dǎo)演匠心獨(dú)運(yùn)的發(fā)想以及對未來科技趨勢的把握同樣是值得關(guān)注的看點(diǎn)。當(dāng)今世界,科技的發(fā)展時常超越人類最狂野的想象,能夠生活在這樣一個可以讓科幻成為現(xiàn)實(shí)的時代,也算得上是一種幸運(yùn)了吧。?

參考文獻(xiàn)

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