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细菌也许可以让汽车更安全

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发布时间: 2021-03-12
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细菌也许可以让汽车更安全

今天我们大部分人的生活,已经完全被各种现代科技包围起来了。从钢筋混凝土的城市建筑,到出行乘坐的飞机轮船,再到平时使用的计算机,以往很多的技术进步,都好像把我们和自然的距离越拉越远。以至于很多科幻作品都把未来描绘成一个由各种冰冷的机器包围的赛博朋克世界。

但是在很多科学家的眼中,未来的世界可能未必是这种酷炫的超自然风格,反而更像一个我们会感到有些熟悉的生态系统。因为今天的很多前沿科技,都正在向自然界中已经存在的解决方案借鉴思路。在过去的一个月里,我就为你梳理了两项这样的前沿进展。我想在听完这两项进展之后,我们对未来世界的想象,也许会多一个选项。

1.美国南加州大学科学家利用细菌制造出高强度、高韧性材料

我为你推荐的第一项进展来自材料科学领域。

今天如果一栋楼变成了危楼,我们多半会形容它年久失修。也就是说,对于我们身边大部分的材料来说,我们都默认它的性能会随着时间的流逝不断降低。但是,不知道你有没有想过,会不会存在一种随着时间推移,越长越结实的材料呢?

2月19号,美国南加州大学的研究人员在《先进材料》杂志上介绍了一项很有创意的研究。他们利用细菌和3D打印技术,制造出了一种拥有生命的材料。这种材料不仅强度和韧性比肩很多现有的人工复合材料,而且会随着时间的推移越长越结实,在受到破坏之后还能进行自我修复。

听到这里,我想很多同学一定会好奇,细菌和3D打印这两个看起来完全不沾边的概念,是怎么用来制造材料的?——其实,这背后的思路很简单。这项研究里面细菌和3D打印的关系,就如同建筑工人和脚手架的关系一样。

具体的过程是这样的:研究人员先是用3D打印技术制造了一个柔软的立体网格作为材料的脚手架。然后让一种叫做“巴氏杆菌”的细菌,像建筑工人一样附着在这个脚手架上。这种细菌有一个重要的特点,那就是它能够在研究人员特制的培养液里面进行化学反应,不停地产生碳酸钙。

说到碳酸钙我们应该会感到很熟悉,它是一种地球上非常常见的、很坚硬的材料,像是石灰岩、大理石,甚至一些动物外骨骼的主要成分都是它。

听到这里你可能就明白了,这种用细菌+3D打印制造新材料的技术。本质上就是让细菌工人在3D打印的脚手架上不停地堆积碳酸钙,像建筑工人砌墙一样,逐渐填满整个框架结构的过程。

而且,随着细菌的生长,建筑主体中的碳酸钙的含量会越来越高,也就是说会越来越结实。


我在文稿区放了一张论文中,这个材料不断生长的照片。从图片中你能看到这种材料从一开始像蜂窝一样的形状,逐渐生长成了一块灰白色的方砖的样子。研究人员发现,通过10天的生长,材料整体的刚度(你可以理解成材料的结实程度)增长了将近1000倍,达到了大约2GPa(类比我们熟悉的材料,就是刚度从天然橡胶变成差不多工程塑料的样子)。


细菌也许可以让汽车更安全


不过,听到这里,有材料学背景的同学可能会发现,这种材料在变结实之后的刚度似乎也不是很大嘛。拿一块儿全都是碳酸钙组成的石灰岩来,它本身的刚度也有差不多40GPa,是这项研究的20倍。那这些研究人员究竟在折腾什么呢?

其实,这里研究人员关心的,除了材料的刚度之外,还有另一个很重要,但是往往被我们忽略的力学性能——那就是材料的韧度。所谓韧度,简单来说指的就是材料抵抗断裂的能力,或者说是材料在外力的作用下发生断裂之前吸收能量的能力。

很多刚度很大的材料,往往韧度反而比较低——翻译成日常语言来讲,就是很多摸起来特别硬的材料,往往也比较脆。比如像是传统的陶瓷、玻璃,还有刚刚提到的石灰岩,它们的刚度比这次研究人员发明的材料高出几十甚至几百倍。但是它们的韧性却非常低,几乎不能吸收任何能量。也就是说这类材料在外力的作用之下,尽管不屈不挠,但是稍一用力就碎了。

而很多情况下,我们需要材料在刚度比较高的同时,还能够有很高的韧度,通过形变来吸收外界能量,起到一种保护作用。这也是制作防弹衣往往都会用更加柔韧的弹性纤维,而不会贴一身硬瓷砖的原因。

但是,设计一种刚韧并济的材料,并不是那么容易的。研究人员经过大量的前期探索之后,最终从自然界里一种螳螂虾的钳子上找到了设计灵感。

这种螳螂虾,它们能用手枪子弹出膛一样的加速度,挥舞自己的钳子击打猎物,能够轻易地在水下打碎贝壳、玻璃瓶这样的东西。以往呢,一些科学家已经对螳螂虾这种水下拳击手做过研究,发现它们之所以这么能打,是因为钳子外壳的材料,有一种特殊的微观结构。

具体来说,这是一种用蛋白质纤维和碳酸钙共同编织而成的螺旋状网格结构。其中的蛋白质纤维,就如同微小的钢筋,用来增加材料的韧性,而碳酸钙就如同是微小混硬土块,用来提升结构强度。两者用精细的网格编织起来,就如同一种微观尺度上的钢筋水泥材料,让螳螂虾拥有了刚韧并济的外壳。

研究人员很自然地就想,如果能够人工制造出一种微观结构类似螳螂虾外壳的材料就好了。但是这种微观尺度的网格结构,通过传统的材料合成工艺,是很难制作出来的。于是,他们才最终选择了一开始我们提到的这种细菌工人加3D打印脚手架的技术思路。

事实上,在这篇论文里研究人员尝试了很多种不同结构的脚手架,有的脚手架设计得横平竖直,有的呢七扭八歪,有的看起来像鸟巢体育馆一样。我们的细菌工人,就在微观结构内部一排排500微米大小的格子间里,开始了生产碳酸钙的工作。

最终研究人员发现,在他们尝试的所有微观结构里面,还是螳螂虾外壳的这种螺旋网格结构,拥有最强的吸收外部冲击的能力,超过了包括石墨烯聚合物在内的大部分人造复合材料。

除此之外更重要的是,这些细菌工人在材料完成之后的相当长的时间里,还会继续保持活性。也就是说,万一这种新材料真的在使用过程中被碰坏了,我们有可能利用细菌的自然生长,让材料自我修复。

研究人员表示,这种材料在未来,有希望可以应用在像是汽车保险杠,甚至装甲车的防弹材料里面。利用它出色的能量吸收效果,保护人的生命安全。也许在未来的某一天,我们会看到汽车防撞实验的冠军,会是一群活蹦乱跳的细菌。

而在我看来,这项研究更重要的意义,是证明了一种新的材料合成思路。也就是利用微生物和现有的材料加工技术相结合的这种方式,也许会产生很多我们意想不到的新材料。

这也是我在本月为你推荐这项研究的原因。

2.浙江大学科学家发明深海柔性机器人

我为你推荐的第二项进展,来自我国在海洋探索方面,一项非常了不起的技术突破。

3月3号,来自浙江大学的一项研究成果登上了《自然》杂志的封面,研究人员以一种深海鱼作为灵感来源,开发出了一种跟人的两只手差不多大,能够在深海独立工作的软体机器人。并且成功地让这台机器人在全世界海洋的最深处——马里亚纳海沟10900米的水下运转了45分钟。




我在文稿区放了一张论文里面,这种仿生软体机器人,还有作为它的灵感来源的深海鱼的照片。你会发现,浙江大学开发的这款深海软体机器人,不仅样子非常像一条白色的深海鱼,而且运动的方式也像鱼类一样,是通过电池驱动一对柔性仿生鱼鳍的摆动,来推动机器人在水里游动。


细菌也许可以让汽车更安全


最了不起的是,这台机器人浑身上下,没有一处使用传统的刚性容器来保护机器人上的设备,而是使用了柔性的硅胶来作为机器人躯干部分的主要材料。机器人的大脑和内脏呢——也就是包括控制芯片、电池、电压放大器等等这一系列的电子元器件,居然就仅仅在这团柔软硅胶的包裹之下,可以在深海里面正常地运转了!

这一点彻底颠覆了我们对于传统深海机器人的认知。

要知道,在我们传统的印象中,像是潜艇、深海探测器这种设备,看起来都通常像是一个球形或者圆柱形的大铁皮罐子。这是因为,在过去的设计观念中,我们认为深海环境中巨大的水下压力,肯定对各种电子和机械设备造成破坏。那么干脆用一个大铁皮罐子(专业术语叫压力容器)把所有重要的设备给保护起来,是最简单可靠的设计方法。

而这一项研究的初衷,恰恰就在于研究人员敢于挑战这种以压力容器为主体结构的传统设计。他们相信在这个世界上一定存在一种深海机器人的设计方式,可以不借助刚性容器来保护机器人上的关键元器件,只是人们还没有发现罢了。

听到这里有些同学可能会想,今天论文已经发表出来了,我们当然可以说这种完全柔性深海机器人是可行的。但是在研究开展的过程中,研究人员这种突破传统方案的自信,是哪里来的呢?

这就要提到这项研究的灵感来源了。也就是一种叫做钝口拟狮子鱼的深海鱼类。这种鱼常年生活在水下几千米的海域,并且还是人类有记录的活体鱼类中潜水深度的纪录保持者,这个纪录是海面下8178米。研究人员们相信,如果自然界中存在着一种鱼类,可以凭借一副柔软的身体生活在几千米的深海,那么一定至少有一种机器人的设计方案,可以抛弃传统笨重的压力容器,用更加优雅的姿态展开深海探索。

那这种设计具体是什么样的呢?我为你概括成三个关键点,下面分别为你介绍。

第一,就是在电子元器件层面做排查,确保所有器件的内部都不能有微小的空腔。

这是什么意思?科学家获得的已知信息是,在马里亚纳海沟的海底,海水压强大概是110MPa。这个压强要说大吧,那是很大的,因为这大概相当于把埃菲尔铁塔的全部重量放到一张课桌上的压强。但是你要说它不大吧,单就这个110MPa压强来说,它如果只是压在一个完全实心的芯片上,还真不能把芯片怎么着。我们就以芯片最常用的硅材料为例,单晶硅材料断裂时候的强度大概是2.5GPa(这还仅仅是抗拉强度,抗压强度往往更大),也就是马里亚纳海沟最大海底压强的25倍。换句话说,不要说是马里亚纳海沟11000米的海底,就是250万米的海底,只要压强均匀分布在硅片上,大概也不会把硅片压坏。

但是,各种电子元器件,并不是一块裸露的硅片,而是一个封装起来的整体结构。一旦器件的封装内保留有空气,或者留有微小的空腔,比如在芯片外壳和内部硅片之间的一点缝隙,那这110MPa的压力可就了不得了,它会一下把芯片这部分空腔压扁。所以研究人员所做的第一项主要工作,就是确保所有的电子和机械元件都是实心的。

第二,对深海机器人的电路板做了分散化的设计(这也是这项研究最重要的创新之一)。上面我们提到,深海的巨大压强并不一定会把机器人的内部设备压坏。但这有一个前提,那就是海水的压强得是均匀分布在机器人内部的。而事实的情况是,机器人的内部由于各种材料密度的不同,会在很多地方产生所谓“应力集中”的现象。通俗地说,就是机器人内部总会有一些脆弱的部位,承受的压强会格外的大。对于形状非常不规则的电路板来说,这种现象尤其明显。事实上,这个电路部分的应力集中的问题,其实是软体机器人在深海最难克服的问题之一。

于是,研究人员开始观察这种叫做钝口拟狮子鱼的深海鱼的骨架结构,并且受到了启发。

他们发现这种鱼的骨骼,跟常见的鱼类不一样。常见的鱼身上的骨头是一根一根相互连接的,骨架非常难完整;而这种深海鱼身上的骨头,看起来就好像缺了一些部分,相互之间的连接也比较松散。研究人员就想,会不会是这种松松垮垮的结构,降低了鱼身体里面应力集中出现的概率,提高了深海鱼的抗压能力呢?因此研究人员在设计机器人的时候,就尝试把一块完整的大电路板,拆成很多分散的小板,每个小板上的电子元器件也尽量相互间隔得远一点。这种独特设计,果然取得了很好的降低应力集中的效果。在这种分散化的设计理念之下,仅仅让机器人的控制电路包裹上一层硅胶,就可以在深海的巨大压力下面正常工作。

前面两个技术关键点,成功解决了软体机器人在深海的耐压问题。但是我们的探测器毕竟还是要在水里游泳的。这就要说到这项研究的第三个关键点,那就是这项研究采用了一种特殊的人工肌肉装置,制作出了可以在深海游泳的两个鱼鳍。

我们知道传统的深海探测器,如果需要在水里游泳,一般会采用像是螺旋桨这样传统的机械结构。但是这种装置有一个缺点,那就是需要复杂的保护装置,不然很容易被海水压力弄坏。而这一次研究人员既然想抛弃传统铁皮罐子的设计模式,自然就要找到新的机器人的驱动装置。于是研究人员把目光投向了近些年来备受关注的一种新型驱动装置,也就是所谓的“人工肌肉”。

“人工肌肉”,简单来说其实是一类在电压的作用下会产生变形的弹性材料。把这种材料做成薄膜的形状,再通过给它加上大小交替变换的电压,就可以形成一种薄膜上下扇动效果,让机器人在海底游泳。尽管“人工肌肉”目前的动力比较弱,但它的结构非常简单,出故障的概率很低,于是很自然地被研究人员采用。这种人工肌肉最终成功地让我们的软体机器人,在3200米的水下,以每秒5厘米的速度游动。

说到这里你大概也听出来了,这一次的研究更多的还是一种方案验证意义上的探索。到未来发明真正有实用价值的海底仿生机器人还有一些距离。但是,它的意义依然是非常重大的。因为这是第一次在深海领域,完全抛弃了传统方案,探索出了一种新的机器人设计思路。并且这种机器人的成本,比传统的铁皮罐子要低将近80%。

随着这种思路可行性得到验证,未来体型更灵活,成本更低的海洋机器人一定会在海洋资源开发的领域,为我们带来一些好消息。


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