想拍出大片效果？可能只需要一束激光丨2020十大科技动图

原创 窗敲雨 果壳

多灾多难的2020年就要过去了，我可能不会怀念它，但却还会想起这一年中那些有趣的科技动图与视频。这些现象与演示背后可能并没有多么重大的突破，但它们直观地展现着科学之美，也为人们带来了点滴的快乐。

在本文中，就让我们来回顾十个来自2020年最新研究的有趣演示吧。

“反转”浮力

这大概是今年看起来最“反直觉”的一段实验演示——一只小船大头朝下漂浮在液面的下方，仿佛浮力被“颠倒”了过来[1]。

Benjamin Apffel et al.

不过事实上，无论是正向还是反向漂浮的小船，它们所受的重力与浮力方向都是相同的。这段演示出自今年9月发表于《自然》的一篇论文。在画面中，上下无色的部分都是空气，而中间蓝色的液体则是一层硅油。实验装置在垂直方向以60Hz持续振动，同时向硅油底部注入空气。垂直振动可以让原本不稳定的液-气界面变得稳定，使液体能被空气层托起，悬浮在上方。在这样的悬浮液体中，就可以在下方液面附近实现“反向漂浮”。

精子游泳

几百年来，人们一直认为精子会像小蝌蚪一样左右摆动尾巴——而这一认知在今年被颠覆了。最新研究显示，精子们其实是旋转着前进的，就像下图演示的这样。

精子在三维空间中的运动实际是这样的 | polymaths-lab.com

在此之前，人们往往通过二维显微镜观察精子，因此这种旋转运动长时间以来都被忽视了。而通过3D显微镜下对精子每秒55000帧的详细记录，科学家们终于确认了精子实际的运动轨迹[2]。

机器人打冰壶

人工智能控制的机器人挑战了新的运动领域——打冰壶。

机器人掷出冰壶 | Korea University

这是冰壶机器人“Curly”，它其实是由两个机器人与AI系统组成的团队：一个机器人负责掷出冰壶，同时另一个则负责观察赛场。控制机器人的人工智能系统首先在虚拟模型中进行训练，接下来再通过比赛前的一次实际测试进行修正。与人类的比赛显示，Curly投掷冰壶的技术已经达到了专业选手的水平[3]。

泡泡光影秀

这是一个登上Nature封面的科学研究，同时也是人人都能尝试的美丽实验：利用光纤将一束激光水平打进肥皂泡膜内部，就可以看到激光束形成许多分支，仿佛变成了光的河流。

激光束通过光纤水平进入肥皂泡膜，并形成分支，肥皂泡膜的干涉色彩体现了不同部位的厚度差异 | Anatoly Patsyk et al

这种现象被称为“分支流”（branched flow），它存在于包括电子、海浪、声波在内各种波的传播当中。肥皂泡膜上存在着随机分布、平滑变化的厚度差异，这些结构差异就是让光束形成分支的原因[4]。

剃刀变钝

锋利的剃刀，为什么用着用着就钝了？今年，麻省理工学院的工程师们在电子显微镜下仔细观察了这一生活问题。

电子显微镜下，剃刀片切断一根毛发。可以看到刀刃局部出现了微小的缺损 | Gianluca Roscioli

研究者发现，当刀片以倾斜的角度切断毛发、组成刀片的不锈钢材料微观结构不均匀时，刀刃更容易损伤。此外，毛发与已有缺损的位置关系也是重要因素[5]。

老鼠开车

在神经科学研究者的安排下，大鼠也开起了小车。

L.E.Crawford et al.

当大鼠钻进“驾驶舱”踩上铝制“地板”，并抓住铜丝制成的“栏杆”时，它就可以接通控制电路，让小车运动起来。研究者认为开小车这样的实验设计可以用来替代一些传统的实验任务（例如让老鼠走迷宫），用来了解其背后的神经基础。更有挑战性的任务能带来更多有意义的数据[6]。

防雨翅膀

雨滴会把蝴蝶、蛾子们的砸坏吗？看看高速摄影画面就知道了。

高速摄影：水滴击中一只蛾子的翅膀 | Seungho Kim et al

一项研究发现，蝴蝶、蛾子等昆虫翅膀表面的微结构不仅能够防水，同时也可以让砸中翅膀的水滴迅速碎裂。这样不仅能减少冲击对翅膀的影响，同时也可以避免冰冷的雨水长时间接触翅膀带走过多热量[7]。

夜光植物

植物盆栽也有了夜光款？在实验室里，诞生了能在黑暗中自己发出明亮绿光的烟草植物。

发出明亮绿光的植物 | PLANTA

这发光源自萤光素系统的化学反应，原理与萤火虫发光类似。科学家们为植物转入了来自发光蘑菇（Neonothopanus nambi）的基因，让它们也产生了绿色的生物发光。发光的变化能够体现植物的生理活动，方便研究[8]。

威士忌之网

威士忌酒里藏着一张漂亮的“网”——不过只有在特定的条件下我们才能看到它。

经过稀释的威士忌酒滴在蒸发中产生网状结构。酒滴中的小颗粒是人为加入的，目的是显示液体对流 | Adam D. Carrithers et al.

这些错综复杂的“网”来自一些美国威士忌，它们经过了一定程度的稀释（至酒精度20%-25%），并取1微升的小液滴滴在玻璃片上进行蒸发。接下来，在显微镜下就可以观察到这样的网状结构自发形成。研究者认为这张网与酒中的一些不易溶于水的物质有关，它似乎能够体现不同威士忌的特征[9]。

形态各不相同的“威士忌之网”。图片利用倒置显微镜拍摄，每一部分的实际直径约为2mm | Adam D. Carrithers et al.

极光波浪

芬兰极光爱好者与专业研究者合作发现了一种新形式的极光——它被称为“沙丘”（the dunes）。

“沙丘”极光（延时摄影） | Kari Saari

研究者认为，“沙丘”极光波浪状的结构应该是大气波动的结果。绿色的极光由电子激发氧原子产生，而其中的明暗差异则源于局部大气氧浓度的差异。2018年10月7日，几位爱好者在研究者的指导下分别从芬兰和瑞典的不同地点对它进行了详细的拍摄记录，而观测结果则在今年1月发表[10]。

参考文献

[1] https://www.nature.com/articles/s41586-020-2643-8

[2] https://advances.sciencemag.org/content/6/31/eaba5168

[3] https://robotics.sciencemag.org/content/5/46/eabb9764

[4] https://www.nature.com/articles/s41586-020-2376-8

[5] https://science.sciencemag.org/content/369/6504/689

[6] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0166432819311763

[7] https://www.pnas.org/content/early/2020/06/05/2002924117

[8] https://www.nature.com/articles/s41587-020-0500-9

[9] https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b08984

[10] https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2019AV000133

作者：窗敲雨

原标题：《想拍出大片效果？你需要的只是给肥皂泡打束激光丨2020十大科技动图》

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