最简单的事物往往潜藏着最深奥的玄机。然而被高科技武装到牙齿的人类,迄今却对我们身边众多的“不起眼”所知无几。比如,那些忙着以改变基因来延长人类寿命的科学家们,却始终还没搞懂感冒的发病机理;再比如,根据现代空气动力学原理,蚊子根本就无法飞行。揭示果蝇的运动机理,其意义绝不只是仿生学的突破,就人类认识自然而言,更是方法论范畴的价值回归。
美国康奈尔大学研究人员发现,果蝇对飞行的控制其实并非人们之前想象的那么复杂,要实现空中悬浮、急速转向等高难度飞行动作,果蝇仅需在保证肌肉机械运动的同时改变翅膀倾斜的角度即可。研究人员称,该研究将有助于开发出体积更小、机动性更好的微型飞行器。 果蝇在飞行上有着过人的天赋:它的翅膀每4毫秒就能拍动一次,80毫秒就能实现120度的转向,这甚至超过了其神经元传递神经信号的速度。对此人们一直以来都困惑不解。 实验中,研究人员设计了一个透明的方形盒子,在周围架设了3台能以每秒8000帧的速度拍摄的高速摄影机。盒子内放置了10只果蝇和一个能促使果蝇在飞行中不断转向的LED光源。一旦有果蝇飞过盒子中间的探测器,摄像机就会自动开启以记录果蝇的飞行状态。 研究人员在对视频进行分析后发现,就像有两只船桨的船在水中转弯一样,果蝇也是通过两个翅膀不同的倾斜幅度来实现转向的。只要翅膀间有9度差异就足以让果蝇轻松转向。 在随后的计算机模拟实验和空气动力学实验中,研究人员发现位于果蝇翅膀与身体间起连接作用的关节就如同发条玩具上的扭转弹簧。飞行时,果蝇的神经仅需要控制翅膀的倾斜方向,其他所有的工作都由肌肉的机械运动完成。 负责该研究的康奈尔大学伊泰·科恩表示,这些昆虫在飞行的时候几乎不需要任何思考,它们有一个自然的系统,只要对翅膀的扭矩稍加调整就能实现目的。这项研究成果刊登在{zx1}一期的《物理评论快报》杂志上。 美国普林斯顿大学的两名工程师利用“随机共振”技术,借助非线性材料、噪音和光线揭示出隐藏的物体图像。其可辅助飞行员在浓雾中实现安全飞行,或使医生无需进行手术也可xx了解人体状况。科研人员表示,通常情况下,噪声常被认为有害,因为噪声的存在降低了信噪比,影响了信号分析过程中对于有用信息的提取。然而,在某些特定的非线性系统中,噪声的存在能够增强微弱信号的检测能力,使远程或模糊的图像变得清晰可见,这就是所谓的随机共振现象。 在此项实验中,电气工程学家杰森·弗莱舍和德米特里·迪洛夫令激光束穿过刻有数字和横线图样的玻璃块,使激光“携带”图样传递至与视频监控器相连的接收器,并将该图样展示出来。随后,研究人员将与透明胶带相似的塑料片放置在玻璃块和接收器之间,利用半透明的塑料片在激光到达接收器前把光打散,使视觉信号仿若烟雾一般,呈现出“混乱”的效果,令人用肉眼难以辨认出数字和横线的混合图样。 实验的关键在于,科学家还在激光束的传播路径中放置了铌酸锶钡(SBN)晶体,其具有优良的非线性光学特性,能以非常规的方式改变光的行为。在这种情况下,非线性晶体可混合图像中的不同部分,使信号和噪声发生交互作用。而通过调整穿过铌酸锶钡晶体的电压,研究人员可使数字横线组合图样清晰地显示在监视器上。这是由于铌酸锶钡晶体能够聚集被半透明塑料片打散的光线,并利用其使模糊的图样逐渐变得清晰。 这就好比在阴暗的环境下拍了一张人像,当把画面中的人物调亮而把背景弱化时,黑暗的背景就会衬得画面中的人物变得清晰可见。经由“随机共振”技术,某种程度的噪声确实能够增强微弱信号的侦测与传送,其已被广泛应用于神经科学和能量收集等领域,但却是首次被应用于成像方面。同时,研究混合了统计物理学和光学等,创造了嘈杂信号穿越非线性材料途径的新理论,为非线性沟通提供了常规的基础。 弗莱舍表示,“随机共振”可广泛改进与信号相关的技术,这其中包括可探测胎儿情况的声波图,以及飞行员在风暴和涡流发生时所需的雷达系统等。下一步,研究人员计划融入其他的信号处理技术,进一步提升成像的清晰程度,并拟以声音或超声波替代光线,将其应用于生物医药成像仪器、夜视镜和水下侦测乃至涉及保密和安全目的的隐写术等。 |