科学家创造出世界上最小、最轻、最快的全功能微型水黾机器人

科学家创造出世界上最小、最轻、最快的全功能微型水黾机器人 华盛顿州立大学的研究人员开发出了体积最小、速度最快的微型机器人，有望改变从人工授粉到外科手术的各个领域。这些机器人利用形状记忆合金进行运动，比以前的型号明显更轻、更快，通过模仿自然界昆虫的行为，有望实现更高的自主性和效率。图片来源：西悉尼大学图片社速度和微型化方面的突破机械与材料工程学院的博士生、这项研究的第一作者康纳-特里格斯塔德（Conor Trygstad）说："与这种规模的其他微型机器人相比，这是非常快的速度，尽管它仍然落后于它们的生物亲戚。一只蚂蚁通常重达五毫克，移动速度可达每秒近一米。"微型机器人的关键在于使机器人移动的微型致动器。特里格斯塔德利用一种新的制造技术，将致动器微型化到不足一毫克，这是目前已知最小的致动器。一个西悉尼大学创造的机器人被放在一个25美分硬币旁边，以显示其大小。资料来源：西悉尼大学领导该项目的西悉尼大学机械与材料工程学院工程学副教授 Néstor O. Pérez-Arancibia 说："这些致动器是迄今为止为微型机器人开发的最小、最快的致动器。"先进的致动器技术致动器使用一种称为形状记忆合金的材料，这种材料在加热时能够改变形状。之所以称之为"形状记忆"，是因为它能记住并恢复到原来的形状。与移动机器人的典型电机不同，这些合金没有任何活动部件或旋转组件。Trygstad 说："它们的机械性能非常好，轻型致动器的开发开辟了微型机器人技术的新领域。"形状记忆合金一般不用于大规模机器人运动，因为它们的速度太慢。但在西悉尼大学的机器人中，执行器是由两根直径为 1/1000 英寸的微小形状记忆合金线制成的。只需少量电流，这些金属丝就能轻松加热和冷却，使机器人能够以每秒 40 次的速度扇动鳍或移动脚。在初步测试中，致动器还能举起超过自身重量 150 倍的物体。与其他用于使机器人移动的技术相比，SMA 技术也只需要极少量的电力或热量就能使机器人移动。未来方向与改进Trygstad 说："SMA 系统对供电系统的要求要低得多。"他是一名狂热的钓鱼爱好者，长期以来一直在观察水黾，并希望进一步研究它们的动作。虽然西悉尼大学的水黾机器人是用扁平的拍打动作来移动自己，但自然界的昆虫会用腿做更有效率的划船动作，这也是真正的昆虫能移动得更快的原因之一。研究人员希望模仿另一种昆虫，开发出一种既能在水面上也能在水面下移动的水黾型机器人。他们还在努力利用微型电池或催化燃烧技术，使机器人完全自主，不受电源束缚。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

著名天体物理学家警告马斯克：大规模移民火星计划很危险

著名天体物理学家警告马斯克：大规模移民火星计划很危险 然而，这一大胆设想并未得到所有人的认同。英国皇家学会前主席、著名天体物理学家马丁·里斯对马斯克的火星移民计划提出了批评。里斯认为，这类宏大的太空计划更应该由私人个体而非政府机构来推动，因为与地球上面临的紧迫问题相比，将大量资源投入火星城市建设似乎更像是一种危险的幻想。里斯将马斯克描述为一位“非凡的人物”，同时也承认他的个性“相当奇特”。尽管如此，里斯并不认同马斯克构建火星城市的设想。里斯强调，太空探索中的实际任务和探索应该主要由机器人来完成，而只有那些对风险有高度容忍度的人，才应该考虑亲自前往太空，并且这样的冒险应当由私人资金而非公共资金来支持。里斯进一步指出了长期太空旅行所面临的诸多挑战，包括生理限制和宇宙辐射等。他主张，在冒险进行雄心勃勃的太空探索之前，人类应该更加谨慎，并优先解决地球上的问题。早在2021年，里斯就对火星殖民的可能性表示了怀疑，他特别指出了火星的恶劣环境。他认为，在火星那样一个缺乏必要生命支持系统的星球上建立永久殖民地，不仅需要解决无数的技术难题，还要面对巨大的生态风险。因此，他主张在追求太空梦想的同时，更应该关注并解决地球当前面临的问题，确保人类能够在自己的家园上持续繁荣与发展。 ... PC版： 手机版：

物理学家发明测量单个原子三维位置的巧妙新方法

物理学家发明测量单个原子三维位置的巧妙新方法 新方法可通过单个图像确定原子的所有三个空间坐标。这种由波恩大学和布里斯托尔大学开发的方法是基于一种巧妙的物理原理。这项研究最近发表在专业期刊《物理评论 A》上。测量第三维度的挑战在生物课上用显微镜观察过植物细胞的人可能都能回忆起类似的情形。很容易看出，某个叶绿体位于细胞核的上方和右侧。但它们是否位于同一平面上呢？然而，一旦调整显微镜的焦距，就会发现细胞核的图像变得更加清晰，而叶绿体的图像却变得模糊不清。其中一个一定比另一个高一点，一个比另一个低一点。不过，这种方法无法精确显示它们的垂直位置。实际情况就是这样：各种"哑铃"的旋转方向不同，表明原子位于不同的平面上。图片来源：IAP/波恩大学如果要观察单个原子而不是细胞，原理也非常相似。所谓的量子气体显微镜可用于此目的。它可以直接确定原子的 x 坐标和 y 坐标。然而，要测量其 Z 坐标（即到物镜的距离）则要困难得多：为了确定原子位于哪个平面上，必须拍摄多幅图像，并在不同平面上移动焦点。这是一个复杂而耗时的过程。把圆点变成哑铃波恩大学应用物理研究所（IAP）的 Tangi Legrand 解释说："我们现在已经开发出一种方法，可以一步完成这一过程。为了实现这一目标，我们使用了一种早在上世纪 90 年代就已在理论上被人们所熟知，但尚未在量子气体显微镜中使用过的效应"。要对原子进行实验，首先必须将其大幅冷却，使其几乎不动。然后，可以将它们困在激光的驻波中。然后，它们就会滑入波谷中，就像鸡蛋坐在鸡蛋盒里一样。一旦被困住，为了显示它们的位置，就将它们暴露在另一束激光下，这束激光会刺激它们发光。由此产生的荧光在量子气体显微镜下显示为一个略微模糊的圆形斑点。量子气体显微镜产生的原子图像通常是一个圆形、略微模糊的斑点。研究人员将其扭曲成哑铃状（图片显示的是理论预测）。哑铃指向的方向表示 z 坐标。图片来源：IAP/波恩大学安德烈亚-阿尔贝蒂博士解释说："我们现在已经开发出一种特殊的方法，可以使原子发出的光的波面变形。变形的波面在照相机上产生了一个围绕自身旋转的哑铃形状，而不是典型的圆形斑点。这个哑铃指向的方向取决于光线从原子到照相机的距离"。这位研究员目前已从 IAP 转到位于加兴的马克斯-普朗克量子光学研究所，他也参与了这项研究。"因此，哑铃的作用有点像罗盘上的指针，让我们可以根据它的方向读出z坐标，"迪特尔-梅斯赫德（Dieter Meschede）博士说。波恩大学跨学科研究领域"物质"的成员之一。对量子力学实验非常重要通过这种新方法，只需一张图像就能精确测定原子在三维空间中的位置。例如，如果你想用原子进行量子力学实验，这一点就非常重要，因为通常必须能够精确控制或跟踪原子的位置。这样，研究人员就可以使原子以所需的方式相互影响。此外，这种方法还可用于帮助开发具有特殊特性的新型量子材料。布里斯托尔大学的 Carrie Weidner 博士解释说："例如，我们可以研究原子按一定顺序排列时会产生哪些量子力学效应。"这将使我们能够在一定程度上模拟三维材料的特性，而无需合成它们"。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

物理学家提出广义相对论的修正方案 解释引力在宇宙尺度上稍稍减弱的奇特现象

物理学家提出广义相对论的修正方案 解释引力在宇宙尺度上稍稍减弱的奇特现象 在过去的 100 年里，物理学家一直依靠阿尔伯特-爱因斯坦的"广义相对论"来解释引力如何在整个宇宙中起作用。广义相对论被无数次试验和观测证明是准确的，它表明引力不仅影响三个物理维度，还影响第四个维度：时间。该项目的第一作者、滑铁卢数学物理系应届毕业生罗宾-温（Robin Wen）说："这个引力模型对于从宇宙大爆炸理论到拍摄黑洞的所有工作都至关重要。""但是，当我们试图理解宇宙尺度上的万有引力时，在星系团甚至更远的尺度上，我们遇到了与广义相对论预言明显不一致的地方。就好像引力本身不再完全符合爱因斯坦的理论一样。我们把这种不一致称为'宇宙故障'：当距离达到数十亿光年时，引力会变弱约百分之一。"二十多年来，物理学家和天文学家一直在努力创建一个数学模型，以解释广义相对论明显不一致的地方。滑铁卢大学在应用数学家和天体物理学家的跨学科合作下，开展了长期的尖端引力研究。滑铁卢大学天体物理学教授、外围研究所研究员尼耶什-阿夫肖迪（Niayesh Afshordi）说："近一个世纪前，天文学家发现我们的宇宙正在膨胀。星系距离越远，移动速度越快，以至于它们似乎以接近光速的速度移动，而这正是爱因斯坦理论所允许的最大速度。我们的发现表明，在这些尺度上，爱因斯坦的理论可能也是不够的。"研究小组的"宇宙故障"新模型修改并扩展了爱因斯坦的数学公式，在不影响广义相对论现有成功应用的情况下，解决了一些宇宙学测量不一致的问题。"把它想象成爱因斯坦理论的脚注，"温说。"一旦达到宇宙尺度，就会出现条件。这个新模型可能只是我们开始跨越时空解开宇宙谜题的第一条线索。温这项题为"引力中的宇宙故障"的研究发表在《宇宙学与天体粒子物理学杂志》上。DOI: 10.1088/1475-7516/2024/03/045编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

变形粘液机器人：科学家正在设法控制没有固定形态的东西

变形粘液机器人：科学家正在设法控制没有固定形态的东西 1991 年，邪典电影《终结者 2：审判日》（Terminator 2: Judgment Day）中的 T-1000 向世人展示了可变形机器人的概念。从那时起（如果不是在此之前的话），许多科学家都梦想着创造一种能够改变形状的机器人，以执行各种任务。但是，麻省理工学院的一个研究小组正在努力开发能够做到这一点的机器人。他们开发了一种机器学习技术，可以训练和控制一种可重新配置的"粘液"机器人，这种机器人可以挤压、弯曲和拉长自己，从而与周围环境和外部物体进行互动。遗憾的是，这个机器人不是由液态金属制成的。麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）的陈博源（Boyuan Chen）是概述研究人员工作的研究报告的共同作者，他介绍说："我们的机器人就像粘液一样，可以真正改变自己的形态。我们的方法效果如此之好，非常令人震惊，因为我们面对的是一种非常新的东西"。研究人员必须设计出一种方法来控制粘液机器人，这种机器人没有手臂、腿或手指，也没有任何骨架供其肌肉推拉，更没有任何固定位置的肌肉致动器。如此无形的形态，如此无尽动态的系统......这些都是噩梦般的场景：你究竟该如何为这样一个机器人的动作编程呢？显然，在这种情况下，任何标准的控制方案都将毫无用处，因此研究小组求助于人工智能，利用其处理复杂数据的巨大能力。他们开发出了一种控制算法，可以学习如何移动、拉伸和塑造所述球状机器人，有时还可以多次学习，以完成特定任务。粘液机器人没有固定的"骨架"或执行器位置，因此具有极高的灵活性，但同时也是对控制系统的巨大挑战 麻省理工学院强化学习是一种机器学习技术，用于训练软件利用试验和错误做出决策。它非常适合训练具有明确运动部件的机器人，例如带有"手指"的抓手，可以对使其更接近目标的动作进行奖励例如捡起一个鸡蛋。那么，由磁场控制的无形软体机器人呢？"这样的机器人可能有成千上万块小肌肉需要控制，"陈说。"因此，用传统方法学习它非常困难。粘液机器人需要一次移动大块粘液，才能实现有效的功能性形状变化；操纵单个颗粒不会产生所需的实质性变化。因此，研究人员采用了一种非传统的强化学习方法。在二维行动空间中，相邻行动点之间的相关性更强，从而使软机器人的形状发生变化在强化学习中，当一个代理与环境交互时，可供选择的所有有效行动或选择的集合被称为"行动空间"。在这里，机器人的行动空间被视为由像素组成的图像。他们的模型使用机器人所处环境的图像来生成一个由网格覆盖的点所构成的二维行动空间。与图像中邻近像素的关联性相同，研究人员的算法认为邻近的动作点具有更强的关联性。因此，当机器人的"手臂"改变形状时，其周围的动作点会一起移动；"腿"上的动作点也会一起移动，但与手臂的移动不同。研究人员还开发了一种"从粗到细的策略学习"算法。首先，使用低分辨率的粗略策略（即大块移动）对算法进行训练，以探索行动空间并识别有意义的行动模式。然后，更高分辨率的精细策略深入研究，优化机器人的行动，提高其执行复杂任务的能力。团队利用人工智能强化学习技术创建了一个基于任务、以目标为导向的控制系统"从粗到细意味着，当你采取一个随机动作时，这个随机动作很可能会产生不同的结果，"该研究的合著者、同样来自CSAIL的文森特-西茨曼（Vincent Sitzmann）说。"结果的变化很可能非常显著，因为你同时粗略地控制了几块肌肉"。接下来是测试他们的方法。他们创建了一个名为"DittoGym"的模拟环境，其中有八项任务可以评估可重构机器人改变形状的能力。例如，让机器人匹配一个字母或符号，并让它生长、挖掘、踢、抓和跑。"我们在 DittoGym 中的任务选择既遵循了通用的强化学习基准设计原则，又满足了可重构机器人的特殊需求。""每项任务的设计都代表了我们认为重要的某些特性，例如通过长视野探索进行导航的能力、分析环境的能力以及与外部物体交互的能力，"Huang 继续说。"我们相信，这些任务加在一起可以让用户全面了解可重构机器人的灵活性以及我们的强化学习方案的有效性。"研究人员发现，就效率而言，他们的"从粗到细"算法在所有任务中的表现都优于其他算法（例如，仅使用粗算法或从零开始使用细算法）。要想在实验室外看到形状可变的机器人尚需时日，但这项工作是朝着正确方向迈出的一步。研究人员希望，这将激励其他人开发出自己的可重构软体机器人，有朝一日，这种机器人可以在人体上行走，或被集成到可穿戴设备中。该研究发表在预印本网站arXiv上。 ... PC版： 手机版：

物理学家发现一种作用于在超疏水表面上运动的水滴的新力

物理学家发现一种作用于在超疏水表面上运动的水滴的新力 物理学助理教授 Matilda Backholm 的独特微吸管力传感器技术可探测超疏水材料与水滴之间的微小作用力。资料来源：Matilda Backholm/阿尔托大学在一种名为黑硅的材料表面，微小的鸿沟形成了一片锥形锯齿状山峰。黑硅通常用于太阳能电池技术，同时也是研究水滴行为物理学的工具。黑硅是一种超疏水材料，这意味着它能排斥水。由于水具有独特的表面张力特性，水滴在黑硅等纹理材料上滑行时，会附着在下面的空气薄膜间隙上。当水滴缓慢移动时，这种方法非常奏效水滴在滑动过程中毫无阻碍。但是，当液滴移动得更快时，某种未知的力量似乎会拉扯它的底部。这让物理学家们感到困惑，但现在来自阿尔托大学和巴黎 ESPCI 的一组研究人员给出了解释，而且他们还得到了相关数据的支持。阿尔托大学助理教授玛蒂尔达-巴克霍尔姆（Matilda Backholm）是这篇论文的第一作者，该论文详细介绍了这些发现，并于4月15日发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上。她是在应用物理系罗宾-拉斯（Robin Ras）教授的软物质和润湿小组担任博士后研究员期间完成这项研究的。阿尔托大学研究小组对空气剪切力的解决方案是在黑色硅表面建立支柱，然后将其蚀刻成具有类似纹理的帽盖。资料来源：Maja Vuckovac/阿尔托大学"在观察水与表面的相互作用时，通常有三种力在起作用：接触线摩擦力、粘性损失和空气阻力。然而，水滴在黑硅等高滑表面上的运动会产生第四种力。这种运动实际上会对下面的空气产生剪切作用，从而对液滴本身产生类似阻力的作用。这种剪切力以前从未被解释过，我们是第一个发现它的人，"Backholm 说。流体物理学和软物质物理学的相互作用十分复杂，要将其简化为简单的公式具有挑战性。但是，Backholm 成功地开发出了测量这些微小力的技术，解释了这些力的作用原理，并最终提供了完全消除阻力的解决方案。空气剪切效应创造出更好的超疏水表面将使世界上的运输系统更符合空气动力学，医疗设备更能保持无菌，并普遍提高任何需要憎液表面的滑爽性。黑硅利用水的特定表面张力，最大限度地减少水滴与表面的接触。蚀刻在基底上的圆锥体使水滴在空气薄膜间隙上滑行，这种间隙被称为 Plastron。但与直觉相反的是，使疏水表面偏转水滴的机制也导致了 Backholm 论文中概述的剪切效应。用微吸管力传感器探测水滴。图片来源：Matilda Backholm/阿尔托大学"这个领域一直在制造超滑表面，通过缩小锥体的长度尺度使其更小更多，但没有人停下来意识到，嘿！我们实际上是在和自己作对。"Backholm说："实际上，在黑硅表面蚀刻更短的锥体会产生更大的空气剪切效应。"其他研究人员也注意到了这种力的存在，但却无法解释。Backholm 的发现促使人们重新考虑超滑表面的设计方式。她的团队采取的变通方法是在黑硅表面上增加带有纹理帽的高锥体，以进一步减小液滴的总接触表面积。"这项工作建立在软物质和润湿研究小组关于超疏水表面的丰富专业知识基础之上。Ras 说："很少有机会能完全解释润湿动力学所涉及的微观作用力的微妙之处，但这篇论文恰恰做到了这一点。"专业测量技术Backholm 采用了一种独特的微吸管测量技术来测量作用在水滴上的力。她是这些微吸管力传感器方面的专家，曾用它们测量过植物根系的生长动态、中观虾群的游动行为，现在又用它们来观察移动水滴中的力。通过艰苦的微调，她利用这一技术在确定剪切效应方面取得了突破性进展。Backholm 对液滴和探针进行摆动，以探测下方微妙的拉扯力。"我们还通过对碳酸液滴进行同样的测试，排除了接触线存在其他作用力的可能性。这些液滴不断释放出二氧化碳，使其悬浮在所处表面的上方。"Backholm 说："即便如此，我们还是在一定速度下测得了剪切效应，最终证实这种力的作用与它与黑硅表面的接触无关。"Backholm预计这些发现将进一步帮助物理学家和工程师开发出性能更好的疏水表面，他现在领导着应用物理系的生命物质研究小组。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：