## 硬科技报告 | 北斗核心星座完成部署

你好，这里是《邵恒头条》，我是邵恒。本周末，我为你带来一份特殊的《头条速览》，来自得到上彭天放老师的《硬科技报告》。

彭老师是在清华大学从事一线科研工作的青年科学家。在过去的这个月里，他挑选出了三项值得你关注的硬科技领域新进展。

下面就让我们一起来听听，为什么在2019年的最后一个月，这三项硬科技新进展值得你关注。

1. 北斗核心星座完成部署。

彭天放老师为你推荐的第一项进展，非常令人振奋，来自我国的航天领域。

12月16日15点22分，我国第52、53颗北斗导航卫星，在西昌卫星发射中心成功发射。这次发射的是第三代北斗导航系统当中核心星座的最后两颗卫星。这次卫星的成功发射，标志着北斗三号全球系统核心星座部署完成，这具有令人激动的历史意义。

为什么这么说呢？说到导航卫星，我想大家可能都听说过。但是导航卫星对一个国家而言的重要性，很多人可能不一定清楚。用一句话来概括，导航卫星是我们人类目前丈量时间和空间最重要的工具，对于目前世界的经济、军事等等活动起到了重要的作用。

可以说，今天你很难找到一台不使用导航卫星服务的设备。

不论是我们日常生活中用手机点外卖、叫网约车，还是全球贸易中所有飞机和船舶的航行，再到涉及国家安全的军事装备，这些都要使用导航卫星服务。

而在未来，随着物联网技术还有数字地球概念的发展，导航卫星的市场只会越来越大。

这么重要的服务，过去是谁来负责提供呢？

在北斗星座成熟之前，世界上总共有三个全球性的导航卫星项目，分别是美国的GPS、苏联的格洛纳斯，以及欧洲的伽利略星座。

但是其中，格洛纳斯系统由于经历了苏联解体，系统本身的性能、后期维护还有商业化程度在今天看来都并不理想。而欧洲呢，则更是由于内部的经济和政治等等因素，伽利略星座至今也没有完成建设。

所以从某种意义上来讲，为人类活动提供时空基准这项基础服务，在过去是由美国的GPS系统垄断的。

但是有人可能会说，GPS本身也挺好用的，为什么一定要花大力气搞自己的导航卫星星座呢？

确实，如果只从微观经济的角度来看，全世界的经贸活动和生活服务在GPS数据的支持下，目前看来运转是很不错的。多了一套北斗导航，企业和个人能够感受到的边际收益，可能都不是很明显。

但是，如果我们站在一个更宏观的视角来看这个问题，你就会发现导航卫星的发展里面，最核心的逻辑，还是一个历史中经久不衰的话题，那就是大国之间的利益博弈。

而导航卫星给大国带来的边际收益，那可是巨大的。彭天放老师具体解释了一下：

正像刚刚提到的，几乎所有的现代产品和设备都需要依赖于定位和导航服务。一类产品有或没有利用导航卫星数据，其实是代差的问题。

最直观的案例，还要说上世纪九十年代的海湾战争。在导航星座的帮助下，美军获得了精确打击的能力，把我们曾经认为也有一定实力的伊拉克部队按在地上摩擦。

这种代际的差距，就好像当年欧洲殖民者在美洲和非洲，打败当地土著民族的感觉一样。

我们知道，国家之间的博弈，不论是贸易谈判，还是各种国际协定，其中最重要的利益分配，最终还是会趋于反映国家真实实力。

从这个例子可以看出来，一个没有自主卫星导航星座的国家，在某种意义上来讲，就不具备真正意义上的国防能力。也就是说，国防实力这张国际博弈中的底牌，你只拿到了一张梅花三。

所以，发展自主导航星座，能够给一个国家在国际博弈中争取到巨大的实际利益。

目前，除了我国之外，很多具备一定实力的国家都尝试过，或者正在尝试发展自己的导航卫星星座：

这里面，包括正在脱离欧盟的英国。他们在2018年8月宣布，将投资1.2亿美元研究建立欧洲“伽利略”系统替代系统的可行性。

这里面也包括世界经济排名第三的日本。2018年11月，日本宣布“准天顶”卫星系统正式投入运行。这个系统服务于亚太地区，共有4颗卫星在轨。

还有在亚洲雄心勃勃的印度。2018年4月，印度成功发射“印度区域卫星导航系统”（IRNSS）的第9颗卫星，这个计划的总规模未来将会达到11颗。

甚至连韩国，也在2018年2月，通过了《第三次航天开发振兴基本计划》，表示将会开发自己的卫星导航系统——KPS。

可以看得出，世界上每一个拥有一定实力，而且拥有重大国际利益关切的国家，都总会走到发展自己导航星座的这条路上。

所以，12月16日的这条新闻意味着，我国是世界上第三个走通了这条路的国家。

而且，对于第三代北斗导航卫星系统来说，从我们发射第一颗，到今天完成部署，我们只花费了2年的时间。可以说，这再次展现中国强大的基础建设实力。

关于北斗导航星座的具体发展历史和技术细节，很多网上的文章都有比较详细的介绍。在《前沿科技·卫星技术》的第六讲《资源：为什么谈卫星必谈轨道？》，彭天放老师也有简单的介绍，这里我就不赘述了。

本月选择这项硬科技进展的主要原因，还是在于它对于我国未来发展的重要意义。

2. 触觉反馈技术让我们距离虚拟现实更进一步。

第二项硬科技进展，来自于机器触觉领域。11月20日，《自然》杂志发表了一篇由34位署名作者，历时两年时间完成的研究成果。这项研究中，来自香港城市大学和西北大学的研究人员发明了一种可以贴在人体皮肤表面的触觉交互系统。

这种贴片交互系统，可以模拟很多触觉感受。在未来你可能可以佩戴这种设备，远距离接收到亲人的拥抱，也可能在游戏中更真实地体验“打击感”。

这项研究是怎么模拟触觉的呢？其实，原理并不复杂。

你要知道，人类触觉其实主要是通过一些能感受到外部压力的细胞实现的，这些细胞遍布在你的皮肤内。而研究人员做的，主要就是用这样一套系统来模拟压力。

他们使用了一种纽扣大小的振动发生器。把这种设备放在人的皮肤表面，通过无线操控，给里面的一个线圈通上适当的电流。这就会驱动设备当中的一个磁铁向下运动，对皮肤产生不同程度的压迫感。

研究人员把32个这种振动发生器放在一块贴片上，组成一个阵列，远程操控，就能让使用者感受到触觉了。

在这次实验中，一位只能用机械手生活的残疾人使用了这种触觉贴片。原本他的机械手是没有感觉的，所以拿东西的时候很不方便，很容易用力过猛。

在实验当中，研究人员把触觉贴片贴在了他的胳膊上。机械手臂自带压力传感器，能衡量压力的大小，会把信号传导给他的触觉贴片。这样他在手臂上就能感受到用机械手抓东西的触觉了，而且还能感受到物体的形状。

听到这里你可能会觉得，这项技术是不是有点粗糙了吧。这恐怕距离制造出能模拟我们各种细腻触觉的穿戴设备还早着呢！

没错，你的感觉是对的。说到触觉的模拟，我们最容易联想到就是像《头号玩家》或者《黑客帝国》这些科幻电影中的场景。

在这些对未来的想象中，虚拟现实技术足以模拟一切感官，包括触觉。可是现实中，这种触觉模拟技术却骨感得多。

事实上，通过技术装置模拟触觉的确非常困难，这导致到目前为止还没有商业级别的应用。难在哪呢？

首先其实就是信息采集困难。

我们知道记录视觉信息有摄像设备，记录听觉信息的有录音设备。那记录触觉的设备呢？你是不是想象不到什么类似这样的设备？

的确，很多设备都停留在实验室的探索阶段。触觉信息的采集过程还是一个远未成熟、亟待研究的领域。

另外，除了信息采集困难，另一个困难的原因是模拟触觉本身也很难。

人体的触觉分辨率可以达到小于1毫米。

什么意思呢？在皮肤比较敏感的地方，比如脖子，两根针尖在距离1毫米接触皮肤的时候，你仍然可以感受到有2个接触点。但是如果距离更小，就感觉跟1根针一样了，这就是1毫米分辨率的概念。

所以，如果要模拟触觉，皮肤上的触觉模拟器得排列得非常密集才可以，达到毫米甚至微米级的单元。

这么密集的数量，还得放在能贴在皮肤上的柔性材料上，并且还得能控制能耗。综合这么多严苛的条件，让触觉模拟这件事变得困难重重。

这次咱们介绍的研究，主要的突破之一，就是在能耗上的突破。研究人员把单个振动发生器的能耗，降低到了一般振动器的2%。不过即便这样，还是无法达到可穿戴设备的能耗要求。

尽管面临着很多困难，机器触觉技术，依旧是一个前景非常广阔的领域。未来这类技术不仅仅可以应用在娱乐、健康行业，甚至对于机器人的研发、智能工厂的高端制造都会有应用潜力。

所以，这个领域值得你持续关注。

3. “波计算”器件揭示了全新计算载体。

第三项值得关注的硬科技进展，来自于一种全新的电子器件。

2019年11月29日，来自麻省理工的华人团队，在《科学》杂志上发表了一项研究，揭示了一种全新芯片的可能性：利用电磁波作为计算的载体，也就是所谓“波计算”。

芯片行业，可能也会因此经历一次能耗的革新。如果将来的某一天，你的手机里面的电子器件全都更换成了波计算原理的器件，说不定手机的续航时间，就会从一天延长到半年。

为什么会发生这样的变化呢？我得先给你解释一下到底什么叫“波计算”。而要理解什么是“波计算”，我们需要先重温一下当前大部分芯片的原理。

我们目前所使用的手机电脑等等设备，本质上是一种“计算器”。

古人的计算器，是算盘。你通过手指来操控算盘上的算珠到不同的状态，然后再通过肉眼读取算盘上的计算结果。

而今天的芯片，其实就类似于一个进化版的算盘。只不过，算盘上的算珠被电子取代了，我们不是用手指来拨动算珠，而是用控制电压取代了手指来操控电子的运动，最终再读取它们的逻辑状态。

这么做让整个计算过程变得更快，而且自动化了，这就实现了比算盘复杂得多的功能。这就是芯片的基本原理。

那既然我们可以用电子取代算盘上的算珠，为什么就不试试用其他的东西呢？这就是所谓“波计算”说法的来源。

具体来说，麻省理工的这几位研究人员，这一次就是尝试把“自旋波”的状态，来作全新的“算珠”，对“自旋波”的状态进行操控和读取。

什么是自旋波呢？这个概念稍微有些复杂，其实你并不需要了解。但是你需要知道的是，自旋波的状态，是可以通过技术手段来存储、操控和读取的，这就让自旋波有可能成为一种“进化版的算珠”。

不过，在过去的研究中，操控这种新“算珠”，需要用体积较大的配套设备。但是你知道，现在的芯片可是纳米级别的，体积得小到这个程度，才能在手机、手提电脑这样的设备里运行。

所以在以前，研究人员一直没看到，把操控自旋波状态的技术，做成芯片的可行性。

但是这一次，麻省理工的研究人员发现了一种所谓“自旋传递转矩”的现象。这个现象的具体原理，这里我们不深入讨论。你需要了解的是，这一次研究人员利用这个现象，只通过一层薄膜结构，就能控制、存储、读取两个相邻区域内自旋波状态。而这个薄膜结构，只有几个原子的厚度，非常小。

更难能可贵的是，这项研究中制作这种薄膜结构的工艺，其实就是基于传统集成电路的制作工艺，跟过去的芯片制造技术有很好的兼容性。

这项研究的内容就给你介绍完了。但是你可能会好奇，为什么研究人员放着好好的电子不用，非要用一听就更复杂的“自旋波”呢？

这就要追溯到这项研究的“初心”了：减少发热。

传统的电子计算，尽管已经大范围的商业化，而且也非常好用，但是却有一个当前越来越让人头疼的缺点——芯片发热。

你肯定知道，发热是由电流引起的，你的手机和电脑，续航时间短，原因之一就是发热耗损了不少能量。所以一直都有一种解决发热的思路：能不能让计算，不依赖电流运行。所谓的“波计算”，就是一种不依赖电流，进行计算的方式。

理论上来说，这种计算方式的发热和功耗都非常低。所以即便波计算仍然处于早期探索阶段，依然吸引了人们的不少注意力。

这些年来，在传统半导体芯片之外，有很多基于其他物理原理的器件正在逐渐崭露头角。在很大程度上，这将会是未来整个计算硬件领域的一个长期趋势。

这也是彭天放老师，为你推荐这一项硬科技进展的原因。

好，以上就是彭天放老师带来的《硬科技报告》。他为你介绍了这个月三项值得你关注的硬科技进展，我们回顾一下：

第一，我国的北斗导航系统核心星座完成部署，这意味着我国是世界上第三个打造出了自己导航星座的国家。第二，研究人员发明了模拟触觉的设备，这项技术未来将会有广阔的应用前景。第三，“波计算”技术，让芯片行业看到了全新的可能性。

好了，这就是本期的《头条速览》特别版。我是邵恒，我们明天见。

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