想拍出大片效果?可能只需要一束激光丨2020十大科技動圖
2020年12月24日17:44

原標題:想拍出大片效果?可能只需要一束激光丨2020十大科技動圖

原創 窗敲雨 果殼

多災多難的2020年就要過去了,我可能不會懷念它,但卻還會想起這一年中那些有趣的科技動圖與視頻。這些現象與演示背後可能並沒有多麼重大的突破,但它們直觀地展現著科學之美,也為人們帶來了點滴的快樂。

在本文中,就讓我們來回顧十個來自2020年最新研究的有趣演示吧。

“反轉”浮力

這大概是今年看起來最“反直覺”的一段實驗演示——一隻小船大頭朝下漂浮在液面的下方,彷彿浮力被“顛倒”了過來[1]。

Benjamin Apffel et al.

不過事實上,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月發表於《自然》的一篇論文。在畫面中,上下無色的部分都是空氣,而中間藍色的液體則是一層矽油。實驗裝置在垂直方向以60Hz持續振動,同時向矽油底部注入空氣。垂直振動可以讓原本不穩定的液-氣界面變得穩定,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現“反向漂浮”。

精子游泳

幾百年來,人們一直認為精子會像小蝌蚪一樣左右擺動尾巴——而這一認知在今年被顛覆了。最新研究顯示,精子們其實是旋轉著前進的,就像下圖演示的這樣。

精子在三維空間中的運動實際是這樣的 | polymaths-lab.com

在此之前,人們往往通過二維顯微鏡觀察精子,因此這種旋轉運動長時間以來都被忽視了。而通過3D顯微鏡下對精子每秒55000幀的詳細記錄,科學家們終於確認了精子實際的運動軌跡[2]。

機器人打冰壺

人工智能控制的機器人挑戰了新的運動領域——打冰壺。

機器人擲出冰壺 | Korea University

這是冰壺機器人“Curly”,它其實是由兩個機器人與AI系統組成的團隊:一個機器人負責擲出冰壺,同時另一個則負責觀察賽場。控制機器人的人工智能系統首先在虛擬模型中進行訓練,接下來再通過比賽前的一次實際測試進行修正。與人類的比賽顯示,Curly投擲冰壺的技術已經達到了專業選手的水平[3]。

泡泡光影秀

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

這種現象被稱為“分支流”(branched flow),它存在於包括電子、海浪、聲波在內各種波的傳播當中。肥皂泡膜上存在著隨機分佈、平滑變化的厚度差異,這些結構差異就是讓光束形成分支的原因[4]。

剃刀變鈍

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

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

研究者發現,當刀片以傾斜的角度切斷毛髮、組成刀片的不鏽鋼材料微觀結構不均勻時,刀刃更容易損傷。此外,毛髮與已有缺損的位置關係也是重要因素[5]。

老鼠開車

在神經科學研究者的安排下,大鼠也開起了小車。

L.E.Crawford et al.

當大鼠鑽進“駕駛艙”踩上鋁製“地板”,並抓住銅絲製成的“欄杆”時,它就可以接通控制電路,讓小車運動起來。研究者認為開小車這樣的實驗設計可以用來替代一些傳統的實驗任務(例如讓老鼠走迷宮),用來瞭解其背後的神經基礎。更有挑戰性的任務能帶來更多有意義的數據[6]。

防雨翅膀

雨滴會把蝴蝶、蛾子們的砸壞嗎?看看高速攝影畫面就知道了。

高速攝影:水滴擊中一隻蛾子的翅膀 | Seungho Kim et al

一項研究發現,蝴蝶、蛾子等昆蟲翅膀表面的微結構不僅能夠防水,同時也可以讓砸中翅膀的水滴迅速碎裂。這樣不僅能減少衝擊對翅膀的影響,同時也可以避免冰冷的雨水長時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?在實驗室里,誕生了能在黑暗中自己發出明亮綠光的菸草植物。

發出明亮綠光的植物 | PLANTA

這發光源自螢光素系統的化學反應,原理與螢火蟲發光類似。科學家們為植物轉入了來自發光蘑菇(Neonothopanus nambi)的基因,讓它們也產生了綠色的生物發光。發光的變化能夠體現植物的生理活動,方便研究[8]。

威士忌之網

威士忌酒里藏著一張漂亮的“網”——不過只有在特定的條件下我們才能看到它。

經過稀釋的威士忌酒滴在蒸發中產生網狀結構。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.

這些錯綜複雜的“網”來自一些美國威士忌,它們經過了一定程度的稀釋(至酒精度20%-25%),並取1微升的小液滴滴在玻璃片上進行蒸發。接下來,在顯微鏡下就可以觀察到這樣的網狀結構自發形成。研究者認為這張網與酒中的一些不易溶於水的物質有關,它似乎能夠體現不同威士忌的特徵[9]。

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

極光波浪

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

“沙丘”極光(延時攝影) | Kari Saari

研究者認為,“沙丘”極光波浪狀的結構應該是大氣波動的結果。綠色的極光由電子激發氧原子產生,而其中的明暗差異則源於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下分別從芬蘭和瑞典的不同地點對它進行了詳細的拍攝記錄,而觀測結果則在今年1月發表[10]。

參考文獻

[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

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