## 硬科技报告 | 机器视觉练出“透视眼”

你好，这里是《邵恒头条》，我是邵恒。

这周末，我为你带来了一份特殊的《头条速览》——我邀请得到上《前沿科技——卫星技术》的课程主理人彭天放老师，为你制作了一份《硬科技报告》。

不知道你有没有这样的感觉，每隔几天我们就会在新闻上看到，“某某领域又实现了重大突破”，研究成果发表在《自然》或者《科学》《细胞》这样的顶级期刊上。

每次看到这样的新闻，一方面，我会为科研成果感到惊叹，另一方面，作为一个文科生，我又常常感到自己的知识储备不足以让我判断，到底哪些科研进展会将人类社会推向下一个转折点。因为大多数时候，我看不懂那些论文写的是什么。

我相信，很多人也都有类似的困扰。这就是为什么，我邀请彭天放老师来做了这份《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。我邀请他用专业的视角，为你筛选出在过去这一个月里，硬科技领域的重大进展——所谓的硬科技，指的是新硬件、新材料、新的人工智能技术等等高精尖科技。

在这份报告里，彭老师挑选出了硬科技领域的三项新进展。

下面就让我们一起来听听，为什么在过去这一个月里，这三项硬科技值得你花时间。

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> 彭天放 青年科学家

1. 计算机视觉训练出了“第六感”的超能力

先来说第一个，机器视觉的“第六感”已经被训练出来了。

提到机器视觉，指的是让计算机具有能看的能力。一提到这点，我想你可能会想到文字识别、AI换脸、自动驾驶等这些应用。但这归纳起来，还是计算机对我们的双眼已有功能的模仿和拓展。

而最近的几项研究，让我们看到，在未来机器视觉可能会赋予我们人眼现在不具备的一些“超能力”。

2019年10月27日，美国麻省理工学院（MIT）的官网上发表了一项最新研究，这项研究让机器可以拥有一种在武侠电影中常见的“第六感”。

在电影中，我们经常看到主人公一旦发觉气氛不对，比如风吹草动、身后一道黑影闪过，就知道有对手要从暗处跳出来了，于是主人公能提前一瞬间做好应战的准备。

MIT的这项技术，就非常像是赋予了机器这种“第六感”。

它让机器能够分析周围环境里光影的变化，来预判障碍物之后物体的行动轨迹。

这样的“第六感”很重要。因为它会在自动驾驶的场景中，让车辆避免由于视线遮挡造成的事故。比如说，让一辆自动驾驶的汽车，判断旁边的公交车后面有没有正在过马路的行人。

这套研究，是基于一套叫作“ShadowCam”（影子相机）的系统。这套系统通过分析连续拍摄的图像当中光照强度的变化，就能判断是否有物体正在靠近。

在这项研究里，实验人员让正在拐弯的汽车和医院里的自动导航轮椅使用了“影子相机系统”。

他们发现，相比起传统的激光雷达系统，用了这种“第六感”系统的设备，在遭遇突发情况的时候，反应时间要快0.5-1秒。你别小看这1秒的时间，要知道，在避免碰撞的场景中，1秒的时间可以起到非常关键的作用。

这项研究，只是最近机器视觉超能力研究中的一个。

2019年9月27日，同样是来自麻省理工的研究团队，大大提高了机器“透视眼”的能力。

在这项研究中，机器能隔着一堵墙，判断墙后的人在做什么样的动作。比如说，在一个房间外面，机器能看出房间里两个人正在握手。还能看出，在一个封闭的电话亭里，打电话的人到底是什么样的姿势。我在下面放了一张论文中的效果图，你可以看看。

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这是怎么做到的呢？

我们都知道，平时我们人眼看到的可见光不能穿墙而过，但光不过是电磁波的一种，有的电磁波不受墙壁阻挡。家里的WI-FI就是一种电磁波，无论你在哪个房间，它都能穿墙过去抵达你的设备。

这项实验里，机器之所以能获得透视眼，就是因为它实际上监测的，是物体传递出来的电磁波。

过去，科学家也不是没做过这样的实验，只不过，过去的成像技术分辨率很低、误差太大、反射的环境太复杂，所以成像的效果一直不好。即使把拍摄出来的图像拿给你看，也看不出里面都有啥东西。

而MIT这项研究用了一种全新的思路。他把穿墙拍摄的图像跟传统摄像机拍摄的正常图像，一一进行对比，然后用机器学习，找到其中对应的规律。用这种方式，让机器获得了理解穿墙信号的能力。

这还不算，未来可能你对着教室天花板拍一张照片，就能看到全班同学卷子上的答案。

什么原理呢？即便是一面大白墙，也蕴含着非常丰富的信息。这面大白墙上映射着很多不同物体呈现出来的光影。

通过机器学习的技术，对这些光影进行就有可能还原出墙前面的物体。

所以，用这样的方式，科学家可以把一面白墙变成一面“镜子”。这也是2019年发表在《自然》杂志的一项研究。

你看，我刚才说的这几项研究，不管是机器视觉的“第六感”还是“透视眼”，甚至是墙面变镜子的“戏法”，本质上都是让机器分析环境当中那些细微、复杂的隐含信息，从而发展出“超能力”。

这些“超能力”，可能在未来重塑我们的信息环境和隐私环境。在这方面，我会为你持续关注。

2. 石墨烯“转角”结构研究揭示未来芯片的全新可能

第二个进展，来自材料领域。它之所以值得关注，是因为这项进展，有可能可以解决信息技术领域最大的“焦虑”。

2019年10月30日，《自然》杂志上发表了一篇中国、美国和日本科学家的关于石墨烯材料的联合研究。这项研究让人们看到了一种未来芯片的全新可能。

石墨烯跟芯片有什么关系呢？

这还得从这项研究的渊源说起。下面的内容可能有点陌生，我尽量用最简单的语言给你解释清楚。

石墨烯是一种仅仅由单层的碳原子构成的薄膜。在石墨烯之前，人们不相信仅仅由一层原子织成的薄膜，能够在自然界稳定存在。于是出于对这种结构的惊奇，科学家开始疯狂探索石墨烯的各种应用。

到了2018年，科学家发现，当两层石墨烯之间有一个特别小的夹角的时候（大概1.1°），两层石墨烯的薄膜之间会交替出现超导和绝缘的区域，就像是汽油漂在水面上交替出现的彩色条纹一样。

这个现象让科学家们非常兴奋。它开启了一个被称为转角电子学的研究领域，1.1°这个角度，就被称为“魔角”。

而在这一次的研究中，人们发现了石墨烯一个更重磅的特性，就是通过一个小的电压变化，我们就可以控制这个超导现象的打开或者关闭。正是这个可控的特性，让科学家异常兴奋，甚至看到了未来芯片的一种可能。

为什么这么说呢？

你想，一个可控的，能在绝缘和超导之间切换的装置是什么？——其实是一个开关。

而我们所熟悉的各种芯片，包括电脑的CPU、手机的AI芯片，还有大量的集成电路器件等等，它最底层的结构单元，其实就是逻辑开关。

所以，在遥远的地平线上，科学家们仿佛看到了一种全新的、构成芯片底层结构的可能，那就是用两层石墨烯的夹角结构，也就是“魔角”，构成逻辑开关的阵列。

而且这个阵列还有一个特别诱人的特性——那就是超导。

要知道现在芯片行业最头疼的一个难题，就是晶体管发热的问题。而石墨烯夹角带来的超导特性，意味着这样的材料不会发热，因此格外吸引人。

不过平心而论，因为目前针对石墨烯器件的研究，普遍都在原理阶段。咱们说的这种新型芯片，距离实现看起来还非常非常远。

那为什么希望这么渺茫，科学家们还费尽心思地钻研呢？

这是因为，这种新型材料很有可能解决信息技术领域最大的“焦虑”——摩尔定律的极限。

我们知道，所谓摩尔定律是指单位面积的集成电路数量，平均每18个月就要翻一番。在过去半个多世纪的时间里，摩尔定律一直在延续。单个晶体管的大小，从原来的几百微米，缩小到了今天的7纳米。

所以，我们今天的一块手机芯片上，可以有100亿个晶体管。这些就是支持一个手机强大算力的基础设施。

但发展到这个地步，用于制作晶体管的硅材料，已经遭遇了“物理极限”——如果晶体管再小下去，很可能就会出现“量子效应”——也就是说，芯片会变得不稳定、不可靠。

可是人们对于算力的渴望又是无穷无尽的，就像上面说到的机器视觉超能力，也需要越来越高的算力才能实现。

所以在科研领域，有不少科学家都在尝试，不用传统的硅材料作芯片，尝试其他的材料。

在这些研究思路之中，有一条就是用碳基芯片代替硅基芯片，石墨烯就是其中之一。

这条关于石墨烯的最新进展之所以值得关注，简单来说，就是它通过一种可控的方式，实现了石墨烯在超导和绝缘之间的切换。这个切换，让石墨烯原料成为了一种开关，它能作为一种全新的芯片原理，延续摩尔定律的发展。

当然，这些都是从芯片材料的角度对于这项研究的解读。作为早期的学术研究，石墨烯转角结构很可能还会从超导原理、二维材料的设计等等其他方面，发挥意想不到的作用。

这种可能性，正是早期科学探索的魅力。这也是我推荐你继续关注这个领域进展的原因。

3.  空天飞机“X-37B”航行2年后首次返航

第三个进展，来自航天领域。

2019年10月27日凌晨，美国空军X-37B空天飞机，成功返回美国肯尼迪航天中心。我之所以推荐你关注这条信息，是因为它标志着太空军事实力的竞赛，正在快速升温。

X-37B空天飞机，是美国高度保密的航天项目，也是目前世界上最先进的航天飞行器之一。

它在经历了780天神秘的航行之后，成功返回了地球。要知道，类似的航行任务过去有5次，这次是飞行任务中飞行时间最长的一次。

关于X-37B，它最大的特点应该说就是“保密”。

它最早由NASA主持研制，后来由国防部高等研究项目局接管。此后，它一直保持着非常神秘的色彩。要问X-37B的主要目的——保密，携带的设备——保密，有哪些技术特点——保密。

尽管有这么多的未知因素，但X-37B的成功返回，依旧是过去这一个月来你最应该关注的科技新闻之一。

为什么这么说呢？因为种种迹象表明，X-37B具有极为先进的性能，而这些性能的军事意义不言而喻。

第一个性能特点是超高速。

据相关分析，X-37B的飞行速度可以达到25倍音速，是当前最快战斗机速度的8倍。不要说战斗机了，连导弹都追不上这个速度。

而且，它还可以以超高速在大气层内外切换着飞行，大部分的地面雷达根本就没法追踪这种飞行模式。这种特性意味着，X-37B很可能会成为一种“不对称”的武器，也就是说，一方使用这种武器时，另一方难以追踪、难以防守，由此会形成巨大的威慑效应。

X-37B的第二个性能特点是功能多。

尽管我们对X-37B了解有限，但是可以想象它的上面包括太阳帆板、机械维修臂、军用装备等各类功能模块，携带起来都很方便。

它能承担起卫星的勘测、数据收集的功能，但是又远比卫星更灵活，能干的事比卫星更多。你想，一个卫星，只能在固定轨道飞行，但空天飞机，你让它飞到哪就能飞到哪。

如果这类空天飞机技术趋于成熟，可能意味着，使用方会获得在全球快速部署太空设备的能力。在未来，很可能对整个低轨道航天器的生态造成一定的冲击。

不仅如此，空天飞机还有第三个特点：成本低。

空天飞机的个头，只有航天飞机的1/4。而且，除了它自身的推进剂之外，所有的部件全部可重复使用，大幅度降低了成本。

以上这些特性都在提醒我们，一轮新的太空竞赛正在加速开展。

除美国之外，中、俄、英、德等世界科技强国都在研究空天飞机的技术。

咱们国家正在研制的“空天飞机”被称为“腾云工程”。

与X-37B不同，我国正在研制的空天飞行器可以两用。一方面可以载人，用于太空旅游、输送航天员；另一方面可以载货，发射各类卫星、给空间站提供货物补给等等。

不过目前，各国空天飞机大多处于研究与验证阶段，有很多关键技术突破有待实现。比如恶劣环境的可靠性技术，长距离的飞行技术等等。

所以，距离真正大规模投入应用，空天飞机还有很长的路要走。

但我们能看到的趋势是，未来各个国家在太空中的竞争，必然会变得越来越激烈。目前的太空领域，基本处在一半靠大国协商，一半靠丛林法则的不稳定状态。

而最终的利益分配，一定是跟各个国家在太空中的技术实力相匹配的。空天飞机恰恰是太空军事实力的体现，也是争夺太空利益的一种关键装备。因此，这一领域值得你持续关注。

好了，这就是由彭天放老师带来的《硬科技报告》。如果有哪些硬科技领域的新进展是你希望进一步了解的，欢迎你留言告诉我们。

我是邵恒，我们明天见。

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