2017年，多少科幻大片中的狂想正在变成现实？
2017/12/29 17:00:00 中国科普博览
等你点蓝字关注都等出蜘蛛网了
娱乐评论界普遍认为，2017年是好莱坞科幻大片的超级大年。这一年中，《变形金刚》、《蜘蛛侠》、《复仇者联盟》、《星球大战》、《X战警》等等著名科幻系列影片都推出了新作。加上近年人气陡升的《美国队长》、《银河护卫队》，2017年的科幻大片如潮水一样叫人应接不暇，刺激着影迷的观影冲动。
梦想照进现实，始终是科幻电影令人着迷的所在之一。那些看似天马行空的狂想，真的有可能在未来的某一天得以实现。今天小编就来带领大家回顾几部过去一年出现在荧屏上的科幻大片，看看都有哪些酷炫的未来科技正在变成现实。
《蜘蛛侠归来》中的一系列科幻元素
蜘蛛侠系列最新一部《蜘蛛侠归来》上映后，里面眼花目眩的黑科技让人目不暇接。蜘蛛侠一袭红蓝紧身衣、白目蒙面、胸口蜘蛛图案的装扮(无论是目镜形状还是蛛网纹路的线条，以及靴子的高度都更接近于蜘蛛侠早期的漫画)足具未来感与科技感。战衣拥有一键式穿脱功能，不仅可以迅速穿脱，还可以根据自身的身体尺寸调节大小。自带蜘蛛网翼，可实现短距离滑翔，在楼宇穿梭间起辅助作用。护目镜会根据彼得的情绪变大变小。战衣包含腋下滑翔翼、机械可动眼、弹性伸缩面料、蛛网榴弹和小型蜘蛛侦察机，多达500多种蛛网喷射的组合方案。依附在紧身衣上的蜘蛛追踪器，作为一个小型的智能无人机装置，它既可以作为追踪敌人方位的追踪器，也可以将“看到或听到”的信息传递给紧身衣里的彼得。紧身衣上还有类似于钢铁侠贾维斯系统的智能AI系统，它以女性角色与蜘蛛侠进行语言交流，为蜘蛛侠进行各种数据分析及战况分析。
图1 蜘蛛侠归来剧照(来源：网络)
电影中的蛛丝有多强？人工合成纤维可以实现!
我们有好几种方法可以估测蜘蛛丝的强度，先考虑在前一部电影中蜘蛛侠用网丝牵住了一辆坠落的汽车。那么网丝需要达到什么程度的张力才能不断呢？
由于汽车有下降的惯性，网丝的张力必须达到汽车本身的重量，而且能够使汽车在落地之前速度为零。假设一辆汽车的重量为2000kg，下降1秒后让它停下来。网丝抓到汽车后，汽车受到向上的网丝拉力和本身的重力，拉力需要平衡汽车的重力加速度，不可能马上停下来。这里假设迫使汽车停止的所需时间也是1秒，通过动量定理可以计算得到拉力至少为39200牛顿。那么，什么样的材料可以提供这么大的力呢？假设从蜘蛛侠的网丝直径为1毫米，如果换成相同粗细的实际材料，可以达到的张力极限是：
钢丝绳：6503 牛顿
尼龙绳：235 牛顿
实际蜘蛛丝：3142牛顿
碳纳米管绳：1.98 x 105 牛顿
所以只有碳纳米管能够代替蜘蛛侠的网丝，如果用钢丝绳的话，大概2.5毫米粗的才能达到相同强度。
普通的蜘蛛丝已经很坚韧，科学家使用碳纳米管和石墨烯，可以使普通的蜘蛛丝变得更强韧。意大利特伦托大学的Nicola Pugno教授带领的一个研究团队，成功地使蜘蛛吐出的蛛丝强度提升了3倍，韧性提升了10倍。
图3(a)给蜘蛛喂食含有石墨烯或碳纳米管的分散液，(b)在纳米管系统中收集和测试蛛丝; (c)应力 - 应变曲线显示改进的纤维与原始样品的性能比较[2]。
这项研究开辟了生物材料合成的新道路，拓宽了新型生物材料的应用范围。这些人造蛛丝可以用于高性能或可生物降解的纺织品，例如降落伞或医用敷料。相信在以后会扩展到其他生物系统，并促进新一代的仿生材料的技术革新。
壁虎胶带
在电影中，蜘蛛侠可以倒吊在屋顶上，行走自如，似乎不受重力影响。在现实中，我们人类目前是做不到的，然而有一种生物可以实现这个强大的功能，就是壁虎!
我们经常看见壁虎在垂直的墙面或建筑物的天花板上奔走，经过研究发现，壁虎并没有像有些生物那样分泌粘液把自己”粘“在墙面上，如果有粘液的话也不会跑得那么快。这都得益于脚掌上具有多分级纤维状黏附系统。壁虎的每个脚趾生有数百万根细小刚毛，每根刚毛的长度约为30-130微米，直径为数微米，约为人类头发直径的十分之一。刚毛的末端又分叉形成数百根更细小的铲状绒毛(100-1000根)，每根绒毛长度及宽度方向的尺寸约为200纳米，厚度约为5纳米，结构非常精细、复杂。
图4壁虎脚掌多分级黏附系统的微观结构(来源：网络)
图5 壁虎二级结构黏附模型[1]
图6 壁虎脚趾的微观结构在吸附和脱离吸附时的变化[2]
英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆教授注意到壁虎刚毛的这种多层级微纳、尺度介观结构之后，马上联想到是否可以制造出一种胶带，拥有类似壁虎脚掌的刚毛绒毛系统，具有强大吸附力的同时还可以吸脱自如。
于是经过一段时间的艰苦实验，通过电子束光刻、热蒸镀、氧等离子体刻蚀等一系列先进的微加工手段，制备出了类似的结构——由聚酰亚胺(PI)微纤维构成的阵列，如图7所示。而制备出的样品只有1平方厘米!
海姆教授的尝试为科学界开辟了一个全新的研究方向。2008年，佐治亚理工大学的王中林教授在《科学》杂志上发表了关于壁虎胶带的研究成果。这篇论文利用超高长径比的碳纳米管阵列来模拟壁虎的刚毛构造。在垂直于墙面方向上，拉力可以达到20牛每平方厘米，平行于墙面的方向上，拉力高达 100 牛每平方厘米，这已经达到了壁虎实际吸附能力的十倍程度，如图8所示。
图7 由聚酰亚胺(PI )微纤维构成的阵列[3] 图8 A：利用碳纳米管阵列制成的壁虎胶带吊起一本1480克重的书，B-C： 碳纳米管阵列的形貌， D-E： 壁虎胶带的力学性能测试结果[4]
”吐丝“无人机
伦敦帝国理工学院的空中机器人实验室研究团队研制了一款名为SpiderMAV的无人机，它具有一种神奇的能力，能够像蜘蛛侠一样射出可让机身稳定的磁性绳索，近日该研发团队成功地测试了其喷射磁性“蛛丝”于磁性表面上的稳固能力，在强风等环境中，无人机可以依靠这样的方式来稳固自身，或者不依靠电力完成以往需要悬浮来完成的任务，提高续航能力[6]。
据介绍，SpiderMAV 的灵感来自于一种被称为Darwin's bark spider的蜘蛛。这种蜘蛛可以吐出25米长的丝，是其他蛛丝耐性的两倍多，而且是现存最硬的生物丝状物。
目前，这只是系统的一个初步设计测试，研究人员并没有真正了解如何解除锚固系统，尽管可以调节磁性绳索的磁性强度，或者使用电磁铁通过控制电流方向切换磁铁作锚，然而，更完善的结构优化是实现多功能的保障。
图9 Spider MAV无人机模型(来源：Imperial College London)
《银河护卫队2》中的神奇植物
小树人是银河护卫队2中最吸粉的角色，并且几乎没有之一。在上集末尾，树人格鲁特壮烈牺牲，堪称整部电影最为催泪的情节。不过既然是美式爆米花大片，生离死别绝非观众喜闻乐见的桥段。于是树人身体的一部分化身为小树，获得了某种意义上的新生。
小树人是一种植物和动物结合的生命体，简单来说可以认为是一株可以自由移动，并且具有思想的植物，堪称长距离跨越物种鸿沟的嵌合体。其实早在2015年，科学家们就造出了另外一种意义上的嵌合体怪胎——电子植物。
来自瑞典林雪平大学的科研小组利用具有导电性的聚合物溶液来培养玫瑰花，最终聚合物在被植物的导管系统吸收后形成导电水凝胶构成的电子回路。在最初的电子植物雏形中，导电水凝胶只能分布在玫瑰花茎中。2017年，该科研小组设计了改良的有机导电聚合物，其在植物内部具有更好的扩展性，可以自发分布到叶脉乃至花瓣中，形成遍布植物整体的导电网络 [7]。
目前，研究人员所展示的电子玫瑰花已经可以经得起数百次充放电，从某种程度上来看，可以达到超级电容的电量存储水平。虽然想要造出小树一样的动植物嵌合体并不容易，不过植物与机械或者电子的结合却给我们带来了新的启示。很多惊世成就最初都诞生自天才一般的狂想，谁敢打包票说，未来以电子植物作为核心的植物电站不会成为现实呢。
图10 导电玫瑰花示意图(图片来自该实验室官网)
《金刚狼3》与人类组织再生
虽然经常被质疑为只用两对大爪子靠蛮力吃饭，金刚狼这一角色还是在休杰克曼的演绎之下成为该系列当仁不让的第一主角。实际上，金刚狼经常被人忽视的特长之一就是强大的组织自我修复功能。不光能打，还皮实抗造，巅峰时期的金刚狼，身体损伤后的再生速度极为迅捷，即便是能毁天灭地的凤凰女也没能让金刚狼伤筋动骨。不过，在《金刚狼3》中，他最为仰仗的再生能力却随着年龄的衰老而逐渐弱化了，不禁令人产生英雄迟暮的感慨。
那么，人类组织再生的相关研究，在2017年又有什么最新进展呢？
2006年，iPS细胞初次登上历史舞台。日本京都大学教授山中伸弥率领的团队利用基因修饰技术，将已经失去了全能分化性的小鼠皮肤成纤维细胞改造成了具备全能分化性的胚胎干细胞，从而大大降低组织再生的技术门槛。
iPS细胞，即诱导性多能干细胞(induced pluripotent stem cell)。山中伸弥教授特意将I写成i，是希望该技术像当年风靡一时的iPod一样，发扬光大。2012年，山中教授也因发现“成熟细胞可被重写成多功能细胞(即iPS细胞)”而与约翰?格登爵士一同获得诺贝尔生理学或医学奖。
今年三月末，来自理研和神户市立医疗中心的团队已经成功利用他人的iPS细胞培育成的视网膜组织，为患有渗出型老年性黄斑病变的患者实施了植入手术。所用iPS细胞来自于京都大学iPS细胞库(图11)，虽然是异体移植，但是排异反应将会非常轻微，术后病变的视网膜将会逐渐恢复正常功能。该研究最初的阶段是利用患者自身的iPS细胞培养成视网膜组织，因此耗费时间长，成本高昂。今年的这项成果将手术成本降低到了原来的几十分之一，这被普遍认为是iPS细胞真正开始进入临床的标志之一。
同时，iPS细胞培养技术的发展也促进了相关的材料研究。今年初，日本科学家与纤维厂商合作，成功开发了新一代的iPS细胞培养基(图12)。这种培养基基于纤维材料，具有极高的比表面积，因而有望大大节约细胞培育的空间成本。曾经一次iPS细胞移植手术所需的细胞量需要上千个培养皿同时运作，今后利用各种先进材料进行iPS细胞的培养将会大大节约场地和时间，将临床手术的花费降低到普通人可以承受的水平 [8]。
图11 国际iPS细胞库构想(来源：网络) 图12 纤维培养基(来源：共同社报道)
2018年，又有几十部科幻大片等着我们观赏品鉴。在观看电影的同时，除了绚丽夺目规模宏大的视觉场面，那些编剧和导演匠心独运的发想以及对未来科技趋势的把握同样是值得关注的看点。当今世界，科技的发展时常超越人类最狂野的想象，能够生活在这样一个可以让科幻成为现实的时代，也算得上是一种幸运了吧。
参考文献
[1] Lepore, Emiliano, et al. "Spider silk reinforced by graphene or carbon nanotubes." 2D MATERIALS 4.3 (2017): 031013-1.
[2] Peng Z.L., Chen S.H., Effect of pre-tension on the peeling behavior of a bio-inspired nano-film and a hierarchical adhesive structure. Appl. Phys. Lett., 2012, 101(16): 163702.
[3] Y. Tian, N. Pesika, H. Zeng, K. Rosenberg, B. Zhao, P. McGuiggan, K. Autumn, J. Israelachvili, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2006, 103,19320
[4] A. K. Geim, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, K. S. Novoselov, A. A. Zhukov, and S. Y. Shapoval, Nature Materials 2 , 461 (2003).
[5] Qu, Liangti, et al. "Carbon nanotube arrays with strong shear binding-on and easy normal lifting-off." Science 322.5899 (2008): 238-242.
[6] http://www.chinahpsy.com/article-2203-1.html.
[7] http://mp.weixin.qq.com/s/THgl7CyaZhLEV75KnSm6ww
[8] http://ask.kedo.gov.cn/discovery/lihua/880453.shtml
出品：科普中国
制作：科了个普 雁丘客
监制：中国科学院计算机网络信息中心
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