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趣味数学

不可能的任务和不可能的工具(二)

2013-09-09 来源:科学松鼠会 已有1516人阅读

关键字:趣味数学   任务工具   

  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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