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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

日志

 
 
关于我

什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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不可能的任务和不可能的工具  

2012-04-27 20:52:49|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:猛犸

对于我这样的技术宅来说,《碟中谍》系列的意义就在于一对耀眼双星:靓老汤和高科技道具。IMF的装备部门实力一定不输于007的班底,总是能搞出一些充满想象力、徘徊于真实和科幻之间的小玩意。在整个观影过程中,“这玩意真酷!”和“这东西是什么原理?”两句话一直在我大脑中此起彼伏,差一点影响了理解剧情——不过幸好,这一系列的剧情也不用太过大脑就是了。

《碟中谍4》也是如此,一开始就不让人失望。又帅又邪的乔什?哈洛威(Josh Holloway)用一枚毒戒指轻松搞定了倒霉的快递特工,几秒钟之后又被女王范儿杀手蕾雅?赛杜(Léa Seydoux)干掉,好一出螳螂捕蝉黄雀在后。不过蕾雅姑娘显然没有关注最新的科技进展,连自己的高清玉照被哈洛威的隐形眼镜摄像机留在了手机里也没有注意到——顺带说一句,那好像是一部iPhone 4S。

这种隐形眼镜要是上市的话,一定会成为年度最受欢迎产品之一。想想看哪,能拍摄、能人脸识别、能显示、还能无线连接手机和打印机,绝对是豆瓣文艺小清新的至爱利器。只有一个问题——这东西……可能吗?

眨眨眼,拍张照

在接受《大众机械》杂志采访时,《碟中谍4》的导演布兰德?伯德(Brad Bird)说:“有些技术是已经实现了的,例如隐形眼镜摄像头;还有些未来几年将会投入使用,例如壁虎手套。”这句话只对了后一半。要把高清级别的摄像头整合进隐形眼镜中,恐怕存在着无法逾越的巨大鸿沟。

虽然现在摄像头的体积已经越来越小,能够以毫米级的体积提供不输于十几年前手持摄像机的功能,但是它们的基本原理并没有变化——这种原理,和我们的眼睛十分相似。对我们的眼睛来说,光线进入瞳孔,经过晶状体的调节,投影在视网膜上;而摄像头使用的则是镜头组和感光器件,把光转化成电信号,再存储或者播放出来。摄像头研发的重点之一,正在于镜头组的焦距和感光元件的尺寸。

但是隐形眼镜的表面积和厚度限制,却让摄像头无法施展 。即使最厚的隐形眼镜,厚度也只在0.1毫米以下,留给镜头聚焦的空间实在太小。如果想要布设摄像头的话,也许更好的方式是像远程视频指挥特种部队那样,把摄像头固定在眼镜框上——甚至可以说,这是唯一的随身摄像方式。如果哈洛威出场时戴一幅框架眼镜的话,可能会更有说服力一些。

紧贴瞳孔的显示

既然拍摄无法实现,那么其他功能是不是也是科幻呢?幸好并非如此。实际上,影片中这幅隐形眼镜的其他所有功能都是可以实现的,只不过可能存在一点点时间上的障碍而已。

从显示装置开始吧。我们都知道,虽然隐形眼镜覆盖整个角膜,但是其中真正起作用的只有覆盖瞳孔的那部分。这也就意味着在隐形眼镜上,依然还有相当大的空间可以利用,而不至于遮挡视线。

华盛顿大学的电子工程学助理教授的巴巴克?帕尔维兹(Babak Parviz)就进行过这方面的探索。帕尔维兹是个妙人,获得过英国文学、电子工程、物理学和化学等诸多领域的学位,目前主要关注的是微机电系统和生物电机系统界面,试图把人和机器更好地连接在一起——为了这一目的,他还花了很多时间和兔子打交道。就是他,率先把显示装置集成在隐形眼镜上。

他采用的材料是OLED,即有机发光二级管,一种耗电低、耐用而可以做得很薄的显示技术。最好的一点,是这种三明治结构的显示单元可以实现柔软的透明显示面板。实际上,索尼爱立信的某款实验性手机和三星的一款概念笔记本电脑已经实现了基于OLED技术的透明显示屏,想来它们也会很快出现在我们身边 。

2008年,帕尔维兹把OLED像素阵列、控制显示的芯片和供电模块集成在了隐形眼镜上,并且给兔子试戴了一段时间。据他说,“兔子没有表现出不舒服的迹象。”

虽然如此,但是就目前来看,这还只是一个概念性的设计,而只让温顺的兔子带上这种隐形眼镜还远远不够。 帕尔维兹设计的这种显示器只能提供100个像素的显示,还不足以推向市场。当然,如果IMF有兴趣进一步开发的话,让特工们戴上这种东西并非完全没有可能。而IMF版隐形眼镜显示器的功能还需要再强大一点——最少需要能够实现人脸识别吧。

眼镜知道你是谁

姑且让我们给电影中的特工戴上一副假想的框架眼镜好了。就算眼镜拍摄到了图像,然后进行人脸识别——且慢,难道一听就很高科技的人脸识别系统也能集成到隐形眼镜中吗?

本着多一事不如少一事的设计原则,我认为人脸识别技术并没有内置在隐形眼镜之中。人脸识别需要快速的计算和大量的存储,而这些都会增大隐形眼镜的厚度,挤占本来就不多的空间。更好的做法,是把它们分离出去,比方说,让随时在线的手机和远程服务器来完成这种计算工作,而只把识别结果显示在隐形眼镜上。

【谷歌展示的具有强大互联网功能的Google Glass】

其实,计算机人脸识别系统和我们认出熟悉的人的过程差不多。我们在大脑中已经存储了 目标人物的长相,在人来人往中只需要观察所有的人脸,并且和脑中的人脸逐一进行对比就好。对机器来说,这个过程则意味着事先需要准备好一个数据库,里面存放了目标人物的面部特征。对今天的人脸识别系统来说,这些特征主要包括面部骨骼和结构特征——特别是眉骨、双眼、鼻和嘴等在五官轮廓中的距离、位置、角度和大小,来作为判断依据。如今的面部识别系统每秒钟可以比较五十万张以上的面孔,对影片开头那种任务已是绰绰有余。即使不用连接到IMF总部的服务器,单凭iPhone 4S的存储和运算能力,也能实现。要是早两年有了这种技术,《穿普拉达的恶魔》的助理小姐也就不用背人名背得那么辛苦了吧。

所以, 可以这样理解,手机和隐形眼镜可以视为一台计算机,其中手机相当于 机箱,完成存储和计算的任务;而隐形眼镜就是显卡和显示器。嗯,这看起来也不算出奇,采用眼镜式显示器的随身计算机一般都是这么设计的。

那么,既然隐形眼镜显示器需要和手机连接,下一个问题就应该是:选取什么类型的网络?

无处不在的WiFi

《碟中谍4》里面有一点很令人惊讶:特工们使用的都是诸如iPad和iPhone之类的民用设备。这让人不得不钦佩苹果公司赞助这部电影的力度,也容易产生某种误解。例如一直在影片的前半段,我都想当然地认为,隐形眼镜应该使用蓝牙方式和手机连接。直到影片中段,看到特工们直接用隐形眼镜和打印机传递合同的时候才感觉出不大对劲。以两层楼之间的距离,用蓝牙通信可能会有点不够稳定才是。直到这时我才意识到,也许采用Wifi会是更合理的选择;因为iPhone也可以设置成Wifi热点。

这样一来,一切就都说得通了。隐形眼镜将拍摄到的照片传递给兼做Wifi热点和数据接收装置的iPhone,再由iPhone转发给打印机;或者直接传给打印机就好。当然,隐形眼镜使用蓝牙和手机连接也是一样,但是鉴于影片中这一段并没有出现手机,所以我们姑且认为采用最简单的方式就好。

嗯,对于这么一部惊人的隐形眼镜,我几乎已经能看到发售前夜在专卖店前排队的人群了。不过,还有最重要的一个问题没有解决:它的电源是从哪里来的呢?

无线供电的梦想

无线供电其实不神秘,看看公交一卡通就知道。公交一卡通中的无线射频识别(RFID)芯片周围总是绕着几圈线圈,当人们把卡片放进读卡机的磁场的时候,这些线圈就会产生感应电流,来让芯片发出信号。电磁感应原理嘛,中学就学过了。

不过,身负重任的隐形眼镜显示器不能使用这样不稳定的电源。也许另一种电磁感应技术可能更合适一点;一种叫做“耦合共振”的技术。

我们对共振都很熟悉,而人们也早就发现,共振能够非常高效地传递能量。但是,把共振用于无线供电,却还只是近几年的事。2007年6月,麻省理工学院的物理学助理教授马林?索尔贾希克(Marin Soljacic)用两个精确调制过的线圈制造出了第一个室内距离无线供电系统,所消耗的电能只有传统电磁感应供电技术的百万分之一,产生的磁场只与地球磁场类似,而能量转化效率能达到40%。

一年后,英特尔公司西雅图实验室的约书亚?史密斯(Joshua R. Smith)把这一技术发扬光大,实现了75%的能量转化效率。在2011年六月,他更是和一位胸外科医生合作,开发出了能够无线供电的人工心脏系统,能输送超过90%的能量。这种技术同样可以用于隐形眼镜的供电系统上,只要使用者口袋里带着一块电池就行。

所以我们可以看出,如果想买《碟中谍4》中的那种隐形眼镜,怕是会受到一些物理学上的阻力,不过如果变通一下的话,也并非全不可能。与之相比, 《碟中谍4》中其他神奇玩意的真实程度更高一些;比方说那个隐身幕布,甚至可以尝试自己在家DIY一块。

简陋的隐身衣

在潜入克里姆林宫那一段,老汤又用iPad、相机、小型投影仪和幕布出了番风头,骗过警卫溜进了资料室。那块隐身幕布的原理一望可知:拍摄后面的景物,再投射到前面的幕布上。虽然没有哈利?波特的隐身衣那么拉风,但是效果也还不错。

说起来,这还真能算是隐身衣的一个流派。2006年,日本东京大学的田智前教授(Susumi Tachi)就已经开发出了这种技术,将之称为“视觉伪装”,其关键之一,就是幕布上涂抹了一层反向反射材料。

反向反射材料在日常生活中很常见——那种灯光照上去就会明晃晃的交通标志就是它的应用之一。这种材料一般是微小的棱镜,能够让入射光线沿原路返回; 当摄像头拍摄好幕布后的图像并投影在涂有反向反射幕布上时,幕布后的阿汤哥也就进入了隐身状态。

虽然阿汤哥使用的幕布是从背面而非正面进行投影的,但是基本原理一致。不过,这种技术有几个明显的弱点,其中之一就是它需要在特定角度才能实现欺骗的效果,这也是为什么iPad一直在跟踪警卫眼睛的位置,而当出现两名警卫时,这种把戏马上就会穿帮的原因。

作为一种暂时的欺敌之术,隐身幕布还是有价值的,否则也不会有这么多顶级特工都在用它——007《择日再亡》里面那部能隐身的阿斯顿?马丁,用的也应该是同样的技术。

壁虎侠诞生

有些评论认为,迪拜那一段高潮迭起,以至于让影片后半段相形失色。可以理解,毕竟不是每天都能看见有人在千米高迪拜塔的玻璃幕墙上爬来爬去;而除了我们的主角艺高人胆大之外,装备得力才是这段好戏的决定性因素。那么,能紧贴玻璃的爬墙手套又是什么原理呢?答案是:靠原力。

开玩笑的……这是《碟中谍》系列,不是《星球大战》。不过大体可以确定,伊森特工的壁虎手套的确主要是靠一种相当原始的力量起作用——分子间的范德华力。当物体之间贴得很近的时候,分子之间的吸引力就是范德华力,当我们从新买的手机上撕下贴膜的时候,就能感受到这种力的存在。

壁虎就是靠这种力量缘墙而上的。它们的脚掌上长着诸多皱褶,生满了细细的刚毛,而在这些刚毛的顶端又会分叉出许多更小的细毛,直径甚至只有纳米级别。正是这些细毛末端和墙壁分子间产生的范德华力,让壁虎履玻璃窗如走平地,而挪动脚步也轻捷快速,就像人们撕下手机贴膜一样。

这么好的材料,科学家自然不会放过。从事这项研究的甚至不乏大牌物理学家,例如“曾获2010年诺贝尔物理学奖俄罗斯裔荷兰物理学家安德烈·海姆(Andre Geim)。他2003年发表在顶级杂志《自然?材料》上的论文描述了制备这种“壁虎”材料的方法,配图也非常应景地选择了一个蜘蛛侠玩偶,只在右掌心用了一小块这种材料,就能悬挂在一块玻璃板上。

【Spider-Man test" of gecko tape 图片出处:维基百科】

不过,这也不是明天就能在商店里买到的东西。现在这种纳米材料的价格还很惊人,估计做一只手套就要花上几十万美元,耐用性也很成问题。而且,这种材料现在能够提供的粘力有限,不足让一个人只靠两只手套就能爬上天际。

这就是为什么《碟中谍4》里面的壁虎手套需要电池——也许它还附有大量电动的微小真空吸盘来增强吸力吧。

宝马惊艳

豆瓣上有网友评论,说这部电影应该改名叫《苹果和宝马拯救世界》。我觉得这个名字未免有失偏颇,从出场频率看,也许改成《伊森和苹果拯救世界,宝马帮了一点忙》更合适一点。

不过,虽然出场不多,宝马那部电动力概念车i8却依然让人印象深刻,特别是那套支持手势操作的风挡玻璃显示系统,相信每位车主都会想在自己车上装一套。这倒不能算是彻底的创新——2008年,大众公司就已经开发出了内嵌透明OLED的风挡玻璃,能够直接在风挡玻璃上显示驾驶路径。至于手势操作嘛,像手机那样用触摸屏就行。

这当然是可能的方案之一,但是未免有些小题大做。在战斗机上,类似的系统已经应用了很长时间,这种让飞行员不必低头看仪表的显示装置早就有了一个专有名词:平视投影系统。虽然听起来有点高深,但是它的技术基础和家用投影仪差不多,不过是把图像投影在风挡玻璃上罢了。至于手势识别,也不能算是大问题:只要在车顶和风挡玻璃处装上几个摄像头,拍摄手部的动作再提供相应的反应就好——微软的游戏控制器Kinect做这种事早已经驾轻就熟了。

不过,这种人车交互技术其实大有潜力可挖。最近,麻省理工学院和奥迪合作开发了一种叫做“艾达2.0”(AIDA 2.0)的智能驾驶辅助装置,给驾驶者提供了更多帮助:车主面部识别、路线选择、报告实时交通状况、甚至提出驾驶建议。简而言之,驾驶时所需的一切信息,艾达2.0都能提供。

【AIDA 2.0的界面】

考虑到汽车行业竞争的激烈程度,相信i8也会拥有类似、甚至更加令人惊艳的智能系统,而不只是在电影中的那惊鸿一瞥。毕竟汽车和电脑的结合早已经是大势所趋;就像Google的前首席执行官埃里克·施密特(Eric Schmidt)曾说过的那样:“汽车早于计算机发明,应该算是一个错误。”

也许现在正是弥补这一错误的时机吧?

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