来自蜥蜴的灵感 科学家设计抗震安全建筑

来自蜥蜴的灵感 科学家设计抗震安全建筑 这些悲剧不断地提醒我们，提高建筑物的抗震性能刻不容缓。接下来，让我们一同揭开新型抗震建筑的神秘面纱！蜥蜴启发的新型建筑系统设计2024 年 5 月 15 日，我国科学家在《自然》杂志上发表了一篇关于受蜥蜴启发的建筑系统的文章，这种建筑的问世有望规避地震等外界撞击可能导致的建筑坍塌风险，为我们的生命安全筑起一道坚实的防线！研究成果发表于《自然》杂志 图片来源：参考文献 1在地震发生时，地震波会产生周期性振动。这些地震波与建筑物的固有振动频率相接近时，就会引发共振现象，导致建筑物产生更大的振动幅度，加剧建筑物的损坏程度。在建筑物设计中，一个常见的挑战是如何在建筑发生初始损坏时，防止损害进一步扩散到整个结构，从而避免引发灾难性的全面坍塌。因此，在建筑物设计中，关键问题是在建筑物受到外部冲击时，如何像蜥蜴一样迅速做出反应，防止损坏进一步扩散，并避免更大的破坏。蜥蜴尾部的软骨组织中有许多预定的断裂点，当蜥蜴感到危险时，它们会收缩尾部肌肉，使尾巴迅速折断在这些预定点上。在尾巴折断后，蜥蜴的身体会分泌出一种黏液来掩盖断裂处，以防止感染和减少失血。这种黏液还能够迷惑捕食者，让蜥蜴有更多的机会逃脱。受到这种行为的启发，科学家将提出了“倒塌隔离”概念，并将其应用于新型建筑系统的设计中。“倒塌隔离”概念的应用为了防止地震或外界撞击等情况下，建筑物中损坏部分进一步扩散，科学家们应用“倒塌隔离”概念，通过控制结构系统的失效层级，以隔离由初始大失效引发的崩塌。科学家在建筑物的关键部位设置了特定的断裂点结构。当建筑物受到损坏时，这些部位会按照预定的方式断裂，确保特定元素在最关键的组件失效之前先行失效。这样一来，整个建筑会被隔离成不同的单元，从而增强其抗损性。同时，新型建筑系统的不同单元之间具有足够的连通性，可以彼此重新分配荷载，进一步隔离崩塌传播。基于层级结构的倒塌隔离设计（a、基于分层优化的梁柱连接；b、基于层级结构的建筑部分倒塌隔离模拟；c、常规建筑倒塌场景模拟）图片来源：参考文献 1现场测试与结果验证为验证这种“层级式倒塌隔离”设计在实际地震发生中的抗倒塌效果，研究者用混凝土建造了一个长 15 米、宽 12 米的双层建筑，与现行的楼房标准层高类似，双侧建筑的每层高 2.6 米。研究者进行了双重测试，首先验证了建筑物在受到小范围冲击后连锁结构防止崩塌的能力，接着验证了建筑物的崩塌隔离效果。在第一轮测试中，研究者去掉了建筑转角的两根柱子中的一根，结果发现，建筑物未出现大面积的崩塌，仍能提供传统的结构支撑。在第二轮测试中，研究者采用了更极端的初始破坏，他们去掉了转角剩下的那根柱子。结果显示，基于“层级式倒塌隔离”设计概念制造的建筑成功避免了整个结构的坍塌，只有沿着加载路径的部分建筑发生了崩塌。这证明了此种建筑设计可以将崩塌限制在限定区域内。建筑设计和测试（a、在不同测试阶段拆除的全尺寸预制混凝土和柱结构；b、施工过程中的一层连接；c、施工中预制梁放置后的二层连接；d、在第一阶段测试中用于准静态去除的两柱装置；e、角柱拆除采用的三铰机制）图片来源：参考文献 1结语随着科技的飞速发展，新型抗震建筑技术应运而生。这些技术不仅颠覆了传统建筑的设计理念，更在材料、结构、施工等多个方面实现了革命性创新。它们不仅能够显著减少地震对建筑物的破坏，还能在灾难发生后提供更为安全的避难场所，构筑了守护我们生命安全的重要屏障。相信在不久的将来，新技术将广泛应用于各类建筑中，让我们的城市更加安全、坚固！ ... PC版： 手机版：

科学家发现婴儿大脑与人工智能模型惊人相似

科学家发现婴儿大脑与人工智能模型惊人相似 与许多动物相比，人类在出生后很长一段时间内都是无助的。许多动物，如马和鸡，出生当天就能行走。这种漫长的无助期使人类婴儿处于危险之中，也给父母带来了巨大的负担，但令人惊讶的是，这种无助期却经受住了进化的压力。跨物种研究的启示"自 20 世纪 60 年代起，科学家们就认为人类婴儿表现出的无助感是由于出生时的限制造成的。他们认为，人类婴儿头大，必须早产，导致大脑发育不成熟，无助期长达一岁。"认知神经科学教授、论文第一作者罗德里-库萨克（Rhodri Cusack）教授解释说。研究团队由库萨克教授、美国奥本大学克里斯蒂娜-查韦特教授和 DeepMind 高级人工智能研究员 Marc'Aurelio Ranzato 博士组成，库萨克教授利用神经成像技术测量婴儿大脑和心智的发育情况；克里斯蒂娜-查韦特教授负责比较不同物种的大脑发育情况；DeepMind 高级人工智能研究员 Marc'Aurelio Ranzato 博士负责比较不同物种的大脑发育情况。"我们的研究比较了不同动物物种的大脑发育情况。它借鉴了一个长期项目时间转换"（Translating Time），该项目将不同物种的相应年龄等同起来，从而确定人类大脑在出生时比许多其他物种更加成熟。"研究人员利用脑成像技术发现，人类婴儿大脑中的许多系统已经开始运作，并能处理来自感官的丰富信息流。这与人们长期以来认为婴儿大脑的许多系统尚未发育成熟，无法发挥作用的观点相矛盾。研究小组随后将人类的学习与最新的机器学习模型进行了比较，在后者中，深度神经网络受益于"无助"的预训练期。在过去，人工智能模型是直接根据所需的任务进行训练的，例如训练自动驾驶汽车识别它们在道路上看到的东西。但现在，模型最初都是经过预先训练，以便在海量数据中发现模式，而不执行任何重要任务。由此产生的基础模型随后用于学习特定任务。研究发现，这种方法最终会加快新任务的学习速度，并提高性能。对未来人工智能发展的影响"我们提出，人类婴儿也同样利用婴儿期的'无助'期进行预训练，学习强大的基础模型，并在以后的生活中以高性能和快速泛化来支撑认知。这与近年来在生成式人工智能领域取得重大突破的强大机器学习模型非常相似，例如OpenAI的ChatGPT或Google的Gemini，"库萨克教授解释道。研究人员表示，未来对婴儿学习方式的研究很可能会启发下一代人工智能模型。"虽然人工智能取得了重大突破，但基础模型比婴儿消耗大量能源，需要的数据也多得多。了解婴儿是如何学习的，可能会对下一代人工智能模型有所启发。"他最后说："下一步的研究将是直接比较大脑和人工智能的学习情况。"编译自/scitechdailyDOI: 10.1016/j.tics.2024.05.001 ... PC版： 手机版：

科学家确定可用于搭建月球和火星建筑的潜在溶剂

科学家确定可用于搭建月球和火星建筑的潜在溶剂 这项工作由华盛顿州立大学机械与材料工程学院副教授苏米克-班纳吉（Soumik Banerjee）领导，在《物理化学杂志B》（Journal of Physical Chemistry B）上进行了报道。被称为离子液体的强力溶剂是处于液态的盐。"机器学习工作把我们从 2 万英尺的高度降到了 1000 英尺的水平，"Banerjee 说。"我们能够非常快速地向下选择大量离子液体，然后我们还能科学地理解决定溶剂是否能够溶解材料的最重要因素。"美国国家航空航天局（NASA）资助了Banerjee的工作，作为其Artemis任务的一部分，NASA希望将人类送回月球，然后再送往火星等更深的太空。但是，要使这样的长期任务成为可能，宇航员就必须利用这些地外环境中的材料和资源，使用3D打印技术利用从月球或火星土壤中提取的基本元素制造结构、工具或零件。Banerjee说："对美国国家航空航天局来说，原地资源利用是未来几十年的一件大事。否则，我们将需要从地球运载高得吓人的材料"。获取这些建筑材料必须以环保和节能的方式进行。开采元素的方法也不能使用水，因为月球上没有水。Banerjee 的研究小组十多年来一直在研究用于电池的离子液体，这可能就是答案。然而，在实验室测试每种候选离子液体既昂贵又耗时，因此研究人员利用机器学习和原子级别的建模技术，从数十万种候选离子液体中筛选出了几种。他们寻找那些可以消化月球和火星材料，提取铝、镁和铁等重要元素，可以自我再生，或许还能产生氧气或水作为副产品，帮助提供生命支持的离子液体。在确定溶剂所需的优良品质后，研究人员找到了大约六种非常理想的候选溶剂。成功的重要因素包括组成盐的分子离子的大小、表面电荷密度（即离子单位面积上的电荷）以及离子在液体中的流动性。在另一项研究中，研究人员与科罗拉多大学的研究人员合作，在实验室中测试了几种离子液体溶解化合物的能力。他们希望最终能建造一个实验室规模或中试规模的反应器，并用从月球获取到的材料测试候选溶剂。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

这种动物全员雌性 窃取同类精子繁衍 科学家都懵了

这种动物全员雌性 窃取同类精子繁衍 科学家都懵了 亚马逊莫莉鱼，图源：University of Texas随着探索的继续，全员雌性的脊椎动物也积累得越来越多，但是在所有这类动物中，没有一个像钝口螈属的一个全员雌性的谱系蝾螈来的奇怪。钝口螈属有十几个物种，它们普遍分布在北美五大湖区域，全员雌性的这个谱系和其它物种一起生活，但是它会窃取自己同属蝾螈的基因来繁殖，这在所有已知动物是独一无二的繁殖方式，以至于生物学家不得不专门为它创造一个新术语“kleptogenesis”（基因窃取，我看到有些地方翻译盗癖生殖）。基因窃取者钝口螈是两栖动物，它们的配对方式与青蛙有点像，雄性蝾螈会把自己的精子包裹在一个白色“精囊”里，并将其产在池塘里的树叶、树枝等物体上。然后，雌性根据自己的需求选择最符合标准的“精囊”，并放入自己的泄殖腔中，受精在体内完成，产卵并孵化出后代。这种配对方式给了那些全员雌性谱系的钝口螈机会，它们可以很容易拾取到其它同属物种的遗传物质，但是它们并不会完全利用这些精子。图：钝口螈的精囊很早以前，科学家就了解到，其它钝口蝾螈的精子只是刺激了这些雌性蝾螈产卵，并不会对后代的遗传信息产生影响，它们的后代是通过孤雌生殖的方式复制出来的，所以后代依然全部是雌性。随着研究的继续，科学家发现，通常情况下它们确实只会像其它全员雌性动物一样复制自己，但是有极少数的情况，它们会窃取同属物种雄性的染色体。十几年前（2009年），科学家第一次在这个全雌性谱系蝾螈的细胞中发现了其它同类物种的染色体，这让科学家吃惊不已。全雌性的钝口螈谱系通常拥有三组基因或者称为三倍体（其它正常同类是两组），这是它们只有雌性且孤雌生殖的原因，因为无法完成减数分裂产生生殖细胞（这种谱系通常是两种正常的不同物种杂交突变结果）。然而，有一些个体也就是我们前面提到的极少数情况，它们拥有更多组基因，而多出的基因组就是来自其它雄性同类的基因。在加入其它雄性同类的基因时，它们的选择其实非常多样化（如下图），可以是加入几种不同雄性的基因组发现的个体最多加了5个其它物种雄性的基因，当然也可以是一种；除添加之外，它们还可以丢弃自己一组基因，并替换上其它雄性的基因组。图：紫色显示的是其它同属蝾螈的基因组这种钝口螈如何完成这种生殖方式还是一个谜，但是它们并不会一直把其它钝口螈的基因保留在自己的谱系中，通常使用几代就抛弃。另一方面，对于常见的多倍体生物而言，通常会关闭多出的基因组的表达，但是这种钝口螈不会，它们不但获得了其它雄性同类的基因，还将一些基因表达出来了，所以它们是真正的“基因窃贼”。图：这四种钝口螈是它们的窃取对象占据栖息地90%的种群关于这种全雌性的钝口螈，我们前面提到的都是一个谱系，而不是一个物种，这是因为这些蝾螈很难将它们归类为单一物种，因为它们的基因组太多样了，违反了常规物种的定义。但是，这个谱系通过它们这种生殖方式，在自己的栖息地相当成功，你可能想象不到，钝口螈属有十几个物种，而它们的栖息地90%个体都是来自这个全雌性谱系。有性生殖是昂贵的，它消耗时间、精力和资源，所以那些全员雌性或者单性的物种，往往有一个天然的优势能够高效地占据栖息地。图：大理石纹螯虾不知道大家听说过大理石纹螯虾没，它们也是一种三倍体全雌性的动物，它们通过孤雌生殖的方式不停复制自己，以至于在整个亚欧大陆快速泛滥成灾。然而，任何单性生物都不可能长久，有科学家推算，这类物种不可能存在超过10万年。这是因为这类生物有两个主要的障碍（两个假说）：一个是物种必须继续进化才能在环境、疾病和寄生虫的压力下生存，而无性生殖只能提供极其低效的进化动力，这个被称为红皇后假说。图：泛滥成灾的大理石纹螯虾我们现在别看大理石纹螯虾很嚣张，因为体型巨大，所到之处其它同类完全无法与之抗衡，它们可以迅速占据栖息地并泛滥成灾，但是哪天出现一种专门针对它们的疾病，它们可能就会在极短的时间内消失。另一个是无性生殖会让有害的突变不断积累，最终让整个种群覆灭，这是因为它们本质就是复制自己，任何有害的突变都无法从种群中完全剔除。正是因为这些限制的存在，复杂的单性生物很罕见，很多其实都是像大理石纹螯虾一样是最近才进化（突变）出来的。然而，钝口螈属的这个全雌性谱系可能已经存在600万年了，毫无疑问，“基因窃取技术”是它们成功的关键。它们通过“盗窃”基因来增加自己后代基因的多样性，从而提高生存能力，再通过“抛弃”基因来稳定住单性生殖的优势。这是独一无二的生殖方式，是自然界让人惊喜的部分，真的只有我们想象不到，没有生物完成不了。 ... PC版： 手机版：

惊人的160米解冻：科学家发现格陵兰冰川巨大的厚度损失

惊人的160米解冻：科学家发现格陵兰冰川巨大的厚度损失 据测量，北纬 79°冰川下的融化速度为每年 130 米。格陵兰东北部陆基仪器和机载雷达的测量结果揭示了北纬 79°冰川的冰层流失程度。阿尔弗雷德-魏格纳研究所的研究结果表明，自 1998 年以来，冰川厚度减少了 160 多米。冰川厚度大幅减少的主要原因是温暖的洋流正在从下面融化冰川。高气温导致地表形成湖泊，湖水通过冰层上的巨大通道流入海洋。一个研究小组在科学杂志《冰冻圈》（The Cryosphere）上报告说，其中一条通道高达 500 米，而上面的冰层只有 190 米厚。格陵兰东北部的一个乡村营地是利用直升机在北纬 79°冰川难以进入的部分部署采用现代雷达技术的自主测量设备的基地之一。阿尔弗雷德-魏格纳研究所（Alfred Wegener Institute）、亥姆霍兹极地与海洋研究中心（AWI）的极地飞机进行的测量飞行和卫星数据也被纳入了一项科学研究，现已发表在科学杂志《冰冻圈》（The Cryosphere）上。Ole Zeisig 开始对 79 北冰川进行 pRES（雷达）测量。资料来源：阿尔弗雷德-魏格纳研究所 / Niklas Neckel本研究探讨了全球变暖如何影响浮冰舌的稳定性。这对格陵兰岛和南极洲的剩余冰架都非常重要，因为冰架不稳定通常会导致冰流加速，从而导致海平面上升。冰川变化与观测"自2016年以来，我们一直在使用自主仪器对北纬79°冰川进行雷达测量，从中我们可以确定融化率和变薄率，"该出版物的第一作者、AWI冰川学家Ole Zeising博士说。"此外，我们还使用了 1998 年、2018 年和 2021 年的飞机雷达数据，这些数据显示了冰层厚度的变化。我们能够测出，在全球变暖的影响下，北纬 79°冰川在最近几十年发生了显著变化。"该研究显示了温暖的海洋流入和变暖的大气层如何共同影响格陵兰东北部 79°N-冰川的浮冰舌。就在最近，AWI 的一个海洋学小组才发表了有关这一主题的模型研究。现在展示的这组独特的观测数据显示，在向冰盖过渡附近的大片区域出现了极高的融化率。此外，冰层底部从陆地一侧形成了巨大的通道，这可能是因为巨大湖泊的水通过冰川冰层排出。近几十年来，这两个过程导致冰川严重变薄。由于融化速度极快，自 1998 年以来，浮冰舌的冰层变薄了 32%，尤其是在冰层与海洋接触的接地线上。此外，冰层底部形成了一条 500 米高的通道，并向内陆蔓延。研究人员将这些变化归因于浮舌下方空腔中的暖洋流，以及大气变暖导致的地表融水径流。一个令人惊讶的发现是，自 2018 年以来，融化率有所下降。一个可能的原因是海洋流入的水温较低。参与这项研究的安杰利卡-亨伯特（Angelika Humbert）博士教授说："这个系统在如此短的时间尺度内做出反应，这对于冰川等实际上具有惰性的系统来说是令人惊讶的。""我们预计，这个浮动冰川舌将在未来几年到几十年内碎裂，"AWI 冰川学家解释说。"我们已经开始对这一过程进行详细研究，以便最大限度地了解这一过程。虽然已经发生过几次这样的冰架解体，但我们只能在随后收集数据。作为一个科学界，我们现在处于一个更好的位置，因为我们在冰架崩塌之前就已经建立了一个非常好的数据库"。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：