## 硬科技报告｜“活体机器人”诞生有什么意义？

你好，这里是《邵恒头条》，我是邵恒。今天我想和你一起分享的，是得到上的青年科学家彭天放老师带来的《硬科技报告》，盘点1月份的硬科技新进展。

平时一说到科技突破，我们就马上想知道结果，到底有什么突破？但其实更有意思的是过程，因为涉及到的科学实验，常常会有一些精妙的设计思路。在今天的《硬科技报告》里你会听到这样的设计。下面我们有请彭天放老师来为你解读。

你好，我是彭天放。2020年1月的《硬科技报告》又和你见面了。在这个月里，我为你梳理出了三项你值得关注的硬科技新进展：

先说第一项进展，首个活体机器人诞生。

2020年1月13日，来自美国的联合研究团队在顶级期刊《美国科学院院报》上，发表了人类首个“由细胞构成的活体机器人”。它是一团直径大概0.7毫米，有两条小粗腿的“肉球”。我在文稿里放了一张论文里的图，你可以点开看看。

在两条腿的驱动下，这个活体机器人可以在水中完成前进、转圈等动作。而且，它还有着很强的自我修复功能。当研究人员通过剪刀把机器人几乎剪成两瓣之后，这团“肉球”，竟然神奇地慢慢自我愈合，并且在水中继续活动。

![图片](https://piccdn3.umiwi.com/img/202002/07/202002072112196938066592.png)

要知道，传统观念里，生命和机械之间有着明确的边界，你绝对不会把路上飞奔的汽车和鸵鸟归成一类。

但这个小“肉球”，既可以说是一种人为设计、能完成一定功能的机械装置，也可以说它是一种地球上从未出现过的生命形式。所以，著名的《连线》杂志甚至用“毛骨悚然”这个词来形容这项研究。

不过，如果仅仅停留在引发人们的惊慌，你就太小看这项研究背后的意义了。用一句话来说：这种全新机器人门类，是基于新的材料、在新的设计理念之上诞生的，背后蕴藏着非常巨大的想象空间。

接下来我详细说说。

先看第一个突破，新的材料。

以前的机器人都是由金属、塑料等无机物组成的，这次是研究人员第一次将生命体最基础的单元——细胞，作为搭建机械结构的原材料。可以说，这是一个非常创新的举动。

这个创新其实来源于一个重要的思想脉络——仿生设计学。

在仿生设计学的观念里，大自然才是完美的工程设计师，经过上亿年的进化留存到今天的生命体，是完美的工程杰作。人类目前最顶尖的机械设计，不管是能量的使用效率、复杂环境的适应性，或者自我修复能力，都没办法和自然生命体相比。

所以，工程师们就设想，能不能把生命体最基础的单元——也就是细胞本身，作为搭建机械结构的原材料呢？——这就是这项研究的第一个突破。

研究人员很巧妙地使用了青蛙的心脏细胞和皮肤细胞，作为搭建机器人的材料。心脏细胞类似发动机，能不断地伸缩产生动力；而皮肤细胞类似结构框架，用来附着和固定这些动力细胞。动力和框架在一起，就能搭建出具备一定运动能力的“活体机械”。

这个设想当然好，但是没有任何一个理论告诉研究人员应该怎么用细胞搭建一个有特定功能的结构。

这就涉及到了这项研究的第二个突破，全新的设计理念。

为了把细胞搭建起来，研究人员使用了“进化算法”来设计活体机器人，我简单介绍一下。

研究人员用上面两种细胞，先随机设计了几个搭建方案，然后在一台超级计算机上开始模拟配对和筛选过程。先让几个初始方案之间相互“配对产生后代”，再在新产生的后代里，筛选出运动性能最好的继续配对。

重复100多次“配对”和“筛选”后，就逐渐进化出了运动性能比较好的方案——也就是我们最初看到的那个小“肉球”。

这一整个设计过程，虽然是计算机全程模拟，但是很像自然界里物种进化的过程。所以被叫做“进化算法”。

这种设计理念最具价值的地方，在于它的可扩展性。也就是说，未来的研究者能利用同样的方法，设计出各种不同功能的活体机器人来。

比如说，使用的细胞种类增加为三种，只需要在模拟过程里增加一个基础单元。如果设计的目标不是运动性能最优，而是其他功能，只需要替换进化中的筛选机制。

运用这种可扩展的设计思路，就可以创造出一个新的机器人门类。这就是实验的第三个突破。

这种“活体机器人”，介于生物体和机器之间，跟自然环境甚至是人体内环境的兼容性非常高，摆脱了电池技术的制约，应用场景非常广泛。比如，可以用细菌和藻类做材料，设计更高效的污水处理机器人。或者用人体细胞做材料，设计可以在血管中精确投放药物的医疗机器人。

不过值得注意的是，虽然前景很光明，但这项技术由于游走在机械和生命的交叉地带，不可避免地将会遇到一些伦理问题。比如刚刚提到的医疗机器人，为了避免排异反应，很可能需要使用患者本人的细胞作为生产原料。这在伦理上会遇到一些复杂的障碍。

总而言之，全新机器人门类，背后蕴藏着非常巨大的可能性和发展潜力。活体机器人技术，非常值得你继续关注。

第二项值得关注的进展来自载人航天领域。

1月19日，马斯克所创办的商业航天公司Space X，进行了一次非常大胆的实验——他们主动引爆了一枚正在空中飞行的猎鹰9号重型火箭，目的是测试火箭头部搭载的载人飞船在极限条件下的逃生功能。

在发射后的1分26秒，火箭发动机按照计划发生“故障”。探测到故障的龙飞船在超音速的条件下，迅速启动了自身逃逸发动机，在2秒后逃离了火箭，又过了8秒，火箭就发生了巨大的爆炸。而逃离的龙飞船按照计划降落在了大西洋中，实验顺利完成。

值得注意的是，这可能是马斯克的所有测试里，单次成本最高的成功测试。仅被引爆的猎鹰九号火箭，单支造价就高达3.4亿元人民币。所以，这次的测试也被很多媒体戏称为史上最贵的炮仗。

但是这笔钱，花得值。这次烧钱实验既一定程度验证了新设计的载人航天飞船，龙飞船的可靠性，还给龙飞船狠狠打了一波广告。而这最终会开拓商业载人航天市场，给猎鹰九号拓宽业务量。可以说一举多得。下面给你详细说说。

我们都知道，Space X是一家低成本的商业航天公司。而降低航天成本最重要的方法，就是给予航天装备可重复使用的能力。

Space X的猎鹰九号火箭可重复使用，把过去航天发射的成本降低了一个量级。但是这个成本可能不小心降得太低了，在2019年已经占据了美国60%的火箭发射市场，按现在的发射需求，猎鹰九号的业务只有不到一倍的增长空间。这相当于手里有把金刚钻，但是瓷器不够用啊！

所以，马斯克想用载人航天飞船，自己创造出市场对于航天发射的需求。马斯克认为，个人登上太空的需求，能创造更大的航天发射市场。要开发这块市场，就要改进落后的载人航天飞船设计。

在过去，火箭不重复使用，载人航天飞船上面宇航员紧急逃逸功能也是一次性的，一般是由一个叫做“逃逸塔”的装置完成。

Space X降低成本的主要思路就是可重复使用。这就是说除了火箭之外，载人飞船本身也要可重复利用。这就使得载人飞船本身，自己就要具有紧急逃逸功能，而不能依赖一次性的“逃逸塔”。

但是，因为这个飞船把原来独立的载人部分和逃生部分合成了一体，重新设计后增加了复杂性，整体可靠性反而降低了。

为了对新飞船进行可靠性验证，马斯克采用了最直接有效的方式：让这艘载人飞船，在一艘即将爆炸的火箭上做一次真的逃逸测试。这才有了这次的史上最贵炮仗。

你可能好奇，测试可靠性还有成本更低的方法，为什么要用这么高调又烧钱的方式呢？而且，这一次的测试成功，并不具有统计学意义。

其实，这次高调测试，虽然看起来非常冒险，却恰恰是马斯克权衡了各种利弊之后，成本最低的选择。

你想啊，一趟太空旅游的报价大概在5500万美元。能够支付起这么昂贵费用的客户，最关心的莫过于安全问题。马斯克的载人龙飞船在2019年4月就被报道了一次爆炸事故。在这种情况下，有什么比引爆火箭之后高调地极限逃脱，更能提振潜在客户群体的信心呢？

可以说，这一次惊心动魄的实验，不仅是在验证技术，更是在给未来载人航天服务做品牌营销。这种一举两得的经营策略非常高明，再次展现了马斯克敢于冒险的商业才能。

目前，NASA预计乘坐龙飞船的首批航天员人选已经确定。马斯克能否拿下低成本载人航天这个领域，我们还将拭目以待。

我为你推荐的第三项硬科技进展，来自基础科学领域。这项重量级的发现将会改写目前的物理教科书，并且有助于我们对芯片、精密仪器的设计有更深刻的认识。

2019年12月底，《自然》杂志发表了一项由华人科学家作出的基础科学成果——经过几十年的努力，香港大学校长张翔教授带领的团队终于通过实验，证实了第四种传热方式的存在，并且还给出了针对这种传热方式的计算模型。

为了了解这项研究的意义，我们先简单回顾一下人们已经认识的传热方式。我们在中学的时候就知道，热量总是趋向于从高温物体传导向低温物体。其中传导的方式总共有三种，一个是热传导，比如用手握住冰块就是这种方式。一个是热对流，比如把热水兑到凉水杯里。另外一个就是热辐射，太阳把能量传递给地球就是这种方式。

在大部分的场景下，人们发现这三种热传导方式，就足以精确地描述大部分导热过程了。基于这三种传热方式的理论模型，人们也解决了在汽车发动机、汽轮发电机，甚至航天飞机等现代设备里面的传热和散热问题。

然而在上世纪60年代，科学家们却发现了一个意外情况，那就是当两个真空中的物体距离非常近（比如相距1微米以下）的时候，它们之间的热传导量，远远大于传统理论的计算结果，有的时候甚至相差十多倍。

于是人们猜测，也许还有一种未知的热传导方式，只在1微米以下的尺度才起作用，参与了这部分热量传导。

科学家们陆续提出了很多种解释模型，其中最热门的就是基于量子力学的“真空声子传热”模型。大概意思就是说，一块真空区域并不是真的一无所有，而是以非常快的速度产生和消灭大量的正反粒子对。这些正反粒子总是一起出现，一起消失，所以宏观的统计效果上呈现出真空的表象。

科学家们猜测：当两个物体距离非常近的时候，它们中间不断出现又消失的正反粒子，没有办法足够快地相互抵消掉，所以会呈现出实物粒子的一些性质。就好像在两个物体之间突然凭空多了一层导热膜，可以传递热量。

这种猜测很有道理，但是要证明，需要的实验装置精度太高了，一直无法实现。而这次，香港大学校长张翔教授带领的团队，通过非常精巧的实验设计，定量地验证了这层在纳米尺度下凭空出现的“导热膜”。这也是研究里最大的突破。

研究人员把一冷一热的两片薄膜平行放置，在距离大约350nm的时候，原本一冷一热两片薄膜的温度竟然接近一致了。这种跨越真空的剧烈传热效应，证实了第四种传热模式的存在！

我们知道，在历史上每一种新物理现象的发现和证实，都是非常令人激动的科学事件。这不仅意味着我们对于世界的认识得到了实质性推进，而且往往也是更多后续黑科技生长的基础。这一次新传热机制的证实，也不例外。

比如芯片的散热，过去手段一直非常匮乏，常用的也就是通过气体或者液体的热对流效应把热量传导走。但是这种粗暴的手段，制约着芯片速度的提高。而第四种散热机制的发现，让科学家们看到了新的可能性。今天，单个晶体管的尺度已经达到了3nm，这恰恰符合这次研究中第四种传热机制发挥作用的范围。如果利用这次研究中发现的理论模型，优化芯片内部结构的设计，就有可能从更根本的层面，解决芯片面临的散热问题。

这也是我在硬科技报告里，推荐你关注这项基础科学进展的原因。

这个月的硬科技报告就到这里，我是彭天放，我们下一期再见！

好，以上就是彭天放老师带来的《硬科技报告》。

彭天放是清华大学的一个青年科学家，他在得到上开设了一门《卫星技术》课程，但他自己其实本行是研究芯片和精密仪器的。这两个领域，听起来一个特别宏大，一个特别微观，但其实它们的目的是一致的，都是要改变我们获取信息的方式，比如从二维转变为三维。

如果你对这个话题感兴趣，欢迎你订阅他的课程《前沿科技-卫星技术》。

好了，这就是今天的《邵恒头条》。我是邵恒，我们明天见。

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