原創(chuàng) 窗敲雨 果殼

多災(zāi)多難的2020年就要過去了，我可能不會(huì)懷念它，但卻還會(huì)想起這一年中那些有趣的科技動(dòng)圖與視頻。這些現(xiàn)象與演示背后可能并沒有多么重大的突破，但它們直觀地展現(xiàn)著科學(xué)之美，也為人們帶來了點(diǎn)滴的快樂。

在本文中，就讓我們來回顧十個(gè)來自2020年最新研究的有趣演示吧。

“反轉(zhuǎn)”浮力

這大概是今年看起來最“反直覺”的一段實(shí)驗(yàn)演示——一只小船大頭朝下漂浮在液面的下方，仿佛浮力被“顛倒”了過來[1]。

Benjamin Apffel et al.

不過事實(shí)上，無論是正向還是反向漂浮的小船，它們所受的重力與浮力方向都是相同的。這段演示出自今年9月發(fā)表于《自然》的一篇論文。在畫面中，上下無色的部分都是空氣，而中間藍(lán)色的液體則是一層硅油。實(shí)驗(yàn)裝置在垂直方向以60Hz持續(xù)振動(dòng)，同時(shí)向硅油底部注入空氣。垂直振動(dòng)可以讓原本不穩(wěn)定的液-氣界面變得穩(wěn)定，使液體能被空氣層托起，懸浮在上方。在這樣的懸浮液體中，就可以在下方液面附近實(shí)現(xiàn)“反向漂浮”。

精子游泳

幾百年來，人們一直認(rèn)為精子會(huì)像小蝌蚪一樣左右擺動(dòng)尾巴——而這一認(rèn)知在今年被顛覆了。最新研究顯示，精子們其實(shí)是旋轉(zhuǎn)著前進(jìn)的，就像下圖演示的這樣。

精子在三維空間中的運(yùn)動(dòng)實(shí)際是這樣的 | polymaths-lab.com

在此之前，人們往往通過二維顯微鏡觀察精子，因此這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)長時(shí)間以來都被忽視了。而通過3D顯微鏡下對精子每秒55000幀的詳細(xì)記錄，科學(xué)家們終于確認(rèn)了精子實(shí)際的運(yùn)動(dòng)軌跡[2]。

機(jī)器人打冰壺

人工智能控制的機(jī)器人挑戰(zhàn)了新的運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域——打冰壺。

機(jī)器人擲出冰壺 | Korea University

這是冰壺機(jī)器人“Curly”，它其實(shí)是由兩個(gè)機(jī)器人與AI系統(tǒng)組成的團(tuán)隊(duì)：一個(gè)機(jī)器人負(fù)責(zé)擲出冰壺，同時(shí)另一個(gè)則負(fù)責(zé)觀察賽場。控制機(jī)器人的人工智能系統(tǒng)首先在虛擬模型中進(jìn)行訓(xùn)練，接下來再通過比賽前的一次實(shí)際測試進(jìn)行修正。與人類的比賽顯示，Curly投擲冰壺的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了專業(yè)選手的水平[3]。

泡泡光影秀

這是一個(gè)登上Nature封面的科學(xué)研究，同時(shí)也是人人都能嘗試的美麗實(shí)驗(yàn)：利用光纖將一束激光水平打進(jìn)肥皂泡膜內(nèi)部，就可以看到激光束形成許多分支，仿佛變成了光的河流。

激光束通過光纖水平進(jìn)入肥皂泡膜，并形成分支，肥皂泡膜的干涉色彩體現(xiàn)了不同部位的厚度差異 | Anatoly Patsyk et al

這種現(xiàn)象被稱為“分支流”（branched flow），它存在于包括電子、海浪、聲波在內(nèi)各種波的傳播當(dāng)中。肥皂泡膜上存在著隨機(jī)分布、平滑變化的厚度差異，這些結(jié)構(gòu)差異就是讓光束形成分支的原因[4]。

剃刀變鈍

鋒利的剃刀，為什么用著用著就鈍了？今年，麻省理工學(xué)院的工程師們在電子顯微鏡下仔細(xì)觀察了這一生活問題。

電子顯微鏡下，剃刀片切斷一根毛發(fā)。可以看到刀刃局部出現(xiàn)了微小的缺損 | Gianluca Roscioli

研究者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)镀詢A斜的角度切斷毛發(fā)、組成刀片的不銹鋼材料微觀結(jié)構(gòu)不均勻時(shí)，刀刃更容易損傷。此外，毛發(fā)與已有缺損的位置關(guān)系也是重要因素[5]。

老鼠開車

在神經(jīng)科學(xué)研究者的安排下，大鼠也開起了小車。

L.E.Crawford et al.

當(dāng)大鼠鉆進(jìn)“駕駛艙”踩上鋁制“地板”，并抓住銅絲制成的“欄桿”時(shí)，它就可以接通控制電路，讓小車運(yùn)動(dòng)起來。研究者認(rèn)為開小車這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以用來替代一些傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)（例如讓老鼠走迷宮），用來了解其背后的神經(jīng)基礎(chǔ)。更有挑戰(zhàn)性的任務(wù)能帶來更多有意義的數(shù)據(jù)[6]。

防雨翅膀

雨滴會(huì)把蝴蝶、蛾子們的砸壞嗎？看看高速攝影畫面就知道了。

高速攝影：水滴擊中一只蛾子的翅膀 | Seungho Kim et al

一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，蝴蝶、蛾子等昆蟲翅膀表面的微結(jié)構(gòu)不僅能夠防水，同時(shí)也可以讓砸中翅膀的水滴迅速碎裂。這樣不僅能減少?zèng)_擊對翅膀的影響，同時(shí)也可以避免冰冷的雨水長時(shí)間接觸翅膀帶走過多熱量[7]。

夜光植物

植物盆栽也有了夜光款？在實(shí)驗(yàn)室里，誕生了能在黑暗中自己發(fā)出明亮綠光的煙草植物。

發(fā)出明亮綠光的植物 | PLANTA

這發(fā)光源自螢光素系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)，原理與螢火蟲發(fā)光類似?？茖W(xué)家們?yōu)橹参镛D(zhuǎn)入了來自發(fā)光蘑菇（Neonothopanus nambi）的基因，讓它們也產(chǎn)生了綠色的生物發(fā)光。發(fā)光的變化能夠體現(xiàn)植物的生理活動(dòng)，方便研究[8]。

威士忌之網(wǎng)

威士忌酒里藏著一張漂亮的“網(wǎng)”——不過只有在特定的條件下我們才能看到它。

經(jīng)過稀釋的威士忌酒滴在蒸發(fā)中產(chǎn)生網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。酒滴中的小顆粒是人為加入的，目的是顯示液體對流 | Adam D. Carrithers et al.

這些錯(cuò)綜復(fù)雜的“網(wǎng)”來自一些美國威士忌，它們經(jīng)過了一定程度的稀釋（至酒精度20%-25%），并取1微升的小液滴滴在玻璃片上進(jìn)行蒸發(fā)。接下來，在顯微鏡下就可以觀察到這樣的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)自發(fā)形成。研究者認(rèn)為這張網(wǎng)與酒中的一些不易溶于水的物質(zhì)有關(guān)，它似乎能夠體現(xiàn)不同威士忌的特征[9]。

形態(tài)各不相同的“威士忌之網(wǎng)”。圖片利用倒置顯微鏡拍攝，每一部分的實(shí)際直徑約為2mm | Adam D. Carrithers et al.

極光波浪

芬蘭極光愛好者與專業(yè)研究者合作發(fā)現(xiàn)了一種新形式的極光——它被稱為“沙丘”（the dunes）。

“沙丘”極光（延時(shí)攝影） | Kari Saari

研究者認(rèn)為，“沙丘”極光波浪狀的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是大氣波動(dòng)的結(jié)果。綠色的極光由電子激發(fā)氧原子產(chǎn)生，而其中的明暗差異則源于局部大氣氧濃度的差異。2018年10月7日，幾位愛好者在研究者的指導(dǎo)下分別從芬蘭和瑞典的不同地點(diǎn)對它進(jìn)行了詳細(xì)的拍攝記錄，而觀測結(jié)果則在今年1月發(fā)表[10]。

參考文獻(xiàn)

[1] https://www.nature.com/articles/s41586-020-2643-8

[2] https://advances.sciencemag.org/content/6/31/eaba5168

[3] https://robotics.sciencemag.org/content/5/46/eabb9764

[4] https://www.nature.com/articles/s41586-020-2376-8

[5] https://science.sciencemag.org/content/369/6504/689

[6] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0166432819311763

[7] https://www.pnas.org/content/early/2020/06/05/2002924117

[8] https://www.nature.com/articles/s41587-020-0500-9

[9] https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b08984

[10] https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2019AV000133

作者：窗敲雨

原標(biāo)題：《想拍出大片效果？你需要的只是給肥皂泡打束激光丨2020十大科技動(dòng)圖》

閱讀原文