《畅享智能时代（出版书）》
作者：《环球科学》杂志社/外研社科学出版工作室
内容简介：
玻璃会像橡胶一样柔韧？潜水衣会像水獭的毛皮？窗户竟能发电？科技如何让我们的生活变得更有趣？手机网络永不崩溃，光芯片打造未来网络，下一代网络达到每秒千兆……智能网络让你与世界相连。无人机助警方破案，3D打印微型金属装置，超级计算机助力石油勘探……人工智能的新发展会是什么？《畅享智能时代》精选《科学美国人》前沿科技资讯，邀你共同了解材料新技术、认识网络世界、探索人工智能新时代。
目录
序 集成再创新的有益尝试
前言 科学奇迹的见证者
话题一 科技让生活更有趣
天衣无缝的视频修复
超高速喷墨打印机
预测交通堵塞
从iPhone到SciPhone
动画电影中的光学原理
裸眼3D崭露头角
手机应用预测风暴潮
让动画中的长发飘起来
可穿戴设备让你边玩边学
话题二 不寻常的材料新技术
“智能窗户”节能又发电
纳米材料也能“记忆”形状
设计柔性显示屏
像橡胶一样柔韧的玻璃
“打印”电池的新工艺
石墨烯的头号竞争者——磷烯
毛皮潜水衣
新型避火罩救助消防员
话题三 航空航天科技承载飞翔梦想
便携式飞机
天然气火箭
超声速脉冲爆震发动机
太空中的斯特林发电机
突破无线电黑障
无人机来袭
新型灯具助宇航员入睡
新材料让火箭引擎更耐高温
话题四 牵动人心的国防科技
强化甲胄
铪弹骗局
安全防御出新招
激光武器即将登场
探测核材料的“火眼金睛”
激光拦导弹
美军装备
军用飞行车即将起飞
话题五 寻求安全的信息技术
空白频段争夺战
蠕虫病毒：向集团犯罪进军
虚拟世界无法可依
存在安全后门的芯片
黑客入侵车载计算机
监控身份安全
用户评价靠谱吗
给数据中心降温
黑客工具隐匿手机数据
话题六 走进智能网络世界
打造围棋“深蓝”
博客搞定数学难题
微博的搜索利器
下一代网络：每秒千兆
计算机触觉界面
光芯片打造未来网络
纳米晶体管改造计算机
手机网络将永不崩溃
话题七 人工智能拉开时代科技大幕
一心多用的机器耳朵
航海机器人穿越太平洋
无人机保护野生犀牛
把机器人的耳朵“叫醒”
“谍影旋机”助警方破案
社交网站成科研数据重要来源
机器人做比萨饼
无人机飞进火山口
话题八 科技创新引领时代
柔性电子技术获突破
追逐太阳的概念车
“天河二号”助力石油勘探
3D打印微型金属装置
激光雷达绘制室内3D模型
触觉地图帮助盲人过马路
新型液化气电池
序 集成再创新的有益尝试
欧阳自远
中国科学院院士 中国绕月探测工程首席科学家
《环球科学》是全球顶尖科普杂志《科学美国人》的中文版，是指引世界科技走向的风向标。我特别喜爱《环球科学》，因为她长期以来向人们展示了全球科学技术丰富多彩的发展动态；生动报道了世界各领域科学家的睿智见解与卓越贡献；鲜活记录着人类探索自然奥秘与规律的艰辛历程；传承和发展了科学精神与科学思想；闪耀着人类文明与进步的灿烂光辉，让我们沉醉于享受科技成就带来的神奇、惊喜之中，对科技进步充满敬仰之情。在轻松愉悦的阅读中，《环球科学》拓展了我们的知识，提高了我们的科学文化素养，也净化了我们的灵魂。
《环球科学》的撰稿人都是具有卓越成就的科学大家，而且文笔流畅，所发表的文章通俗易懂、图文并茂、易于理解。我是《环球科学》的忠实读者，每期新刊一到手就迫不及待地翻阅以寻找自己最感兴趣的文章，并会怀着猎奇的心态浏览一些科学最前沿命题的最新动态与发展。对于自己熟悉的领域，总想知道新的发现和新的见解；对于自己不熟悉的领域，总想增长和拓展一些科学知识，了解其他学科的发展前沿，多吸取一些营养，得到启发与激励！
每一期《环球科学》都刊载有很多极有价值的科学成就论述、前沿科学进展与突破的报告以及科技发展前景的展示。但学科门类繁多，就某一学科领域来说，必然分散在多期刊物内，难以整体集中体现；加之每一期《环球科学》只有在一个多月的销售时间里才能与读者见面，过后在市面上就难以寻觅，查阅起来也极不方便。为了让更多的人能够长期、持续和系统地读到《环球科学》的精品文章，《环球科学》杂志社和外语教学与研究出版社合作，将《环球科学》刊登的“前沿”栏目的精品文章，按主题分类，汇编成系列丛书，包括《大美生命传奇》《极简量子大观》《极简宇宙新知》《未来地球简史》《破译健康密码》《畅享智能时代》《走近读脑时代》《现代医学脉动》等，再度奉献给读者，让更多的读者特别是年轻的朋友们有机会系统地领略和欣赏众多科学大师的智慧风采和科学的无穷魅力。
当前，我们国家正处于科技创新发展的关键时期，创新是我们需要大力提倡和弘扬的科学精神。前沿系列丛书的出版发行，与国际科技发展的趋势和广大公众对科学知识普及的需求密切结合；是提高公众的科学文化素养和增强科学判别能力的有力支撑；是实现《环球科学》传播科学知识、弘扬科学精神和传承科学思想这一宗旨的延伸、深化和发扬。编辑出版这套丛书是一种集成再创新的有益尝试，对于提高普通大众特别是青少年的科学文化水平和素养具有很大的推动意义，值得大加赞扬和支持，同时也热切希望广大读者喜爱这套丛书！
前言 科学奇迹的见证者
陈宗周
《环球科学》杂志社社长
1845年8月28日，一张名为《科学美国人》的科普小报在美国纽约诞生了。创刊之时，创办者鲁弗斯·波特就曾豪迈地放言：当其他时政报和大众报被人遗忘时，我们的刊物仍将保持它的优点与价值。
他说对了，当同时或之后创办的大多数美国报刊消失得无影无踪时，170岁的《科学美国人》依然青春常驻、风采迷人。
如今，《科学美国人》早已由最初的科普小报变成了印刷精美、内容丰富的月刊，成为全球科普杂志的标杆。到目前为止，它的作者包括了爱因斯坦、玻尔等160余位诺贝尔奖得主——他们中的大多数是在成为《科学美国人》的作者之后，再摘取了那顶桂冠的。它的无数读者，从爱迪生到比尔·盖茨，都在《科学美国人》这里获得知识与灵感。
从创刊到今天的一个多世纪里，《科学美国人》一直是世界前沿科学的记录者，是一个个科学奇迹的见证者。1877年，爱迪生发明了留声机，当他带着那个人类历史上从未有过的机器怪物在纽约宣传时，他的第一站便选择了《科学美国人》编辑部。爱迪生径直走进编辑部，把机器放在一张办公桌上，然后留声机开始说话了：“编辑先生们，你们伏案工作很辛苦，爱迪生先生托我向你们问好！”正在工作的编辑们惊讶得目瞪口呆，手中的笔停在空中，久久不能落下。这一幕，被《科学美国人》记录下来。1877年12月，《科学美国人》刊文，详细介绍了爱迪生的这一伟大发明，留声机从此载入史册。
留声机，不过是《科学美国人》见证的无数科学奇迹和科学发现中的一个例子。
可以简要看看《科学美国人》报道的历史：达尔文发表《物种起源》，《科学美国人》马上跟进，进行了深度报道；莱特兄弟在《科学美国人》编辑的激励下，揭示了他们飞行器的细节，刊物还发表评论并给莱特兄弟颁发银质奖杯，作为对他们飞行距离不断进步的奖励；当“太空时代”开启，《科学美国人》立即浓墨重彩地报道，把人类太空探索的新成果、新思维传播给大众。
今天，科学技术的发展更加迅猛，《科学美国人》的报道因此更加精彩纷呈。无人驾驶汽车、私人航天飞行、光伏发电、干细胞医疗、DNA计算机、家用机器人、“上帝粒子”、量子通信……《科学美国人》始终把读者带领到科学最前沿，一起见证科学奇迹。
《科学美国人》也将追求科学严谨与科学通俗相结合的传统保持至今并与时俱进。于是，在今天的互联网时代，《科学美国人》及其网站当之无愧地成为报道世界前沿科学、普及科学知识的最权威科普媒体。
科学是无国界的，《科学美国人》也很快传向了全世界。今天，包括中文版在内，《科学美国人》在全球用15种语言出版国际版本。
《科学美国人》在中国的故事同样传奇。这本科普杂志与中国结缘，是杨振宁先生牵线，并得到了党和国家领导人的热心支持。1972年7月1日，在周恩来总理于人民大会堂新疆厅举行的宴请中，杨先生向周总理提出了建议：中国要加强科普工作，《科学美国人》这样的优秀科普刊物，值得引进和翻译。由于中国当时正处于“文革”时期，杨先生的建议6年后才得到落实。1978年，在“全国科学大会”召开前夕，《科学美国人》杂志中文版开始试刊。1979年，《科学美国人》中文版正式出版。《科学美国人》引入中国，还得到了时任副总理的邓小平以及时任国家科委主任的方毅（后担任副总理）的支持。一本科普刊物在中国受到如此高度的关注，体现了国家对科普工作的重视，同时，也反映出刊物本身的科学魅力。
如今，《科学美国人》在中国的传奇故事仍在续写。作为《科学美国人》在中国的版权合作方，《环球科学》杂志在新时期下，充分利用互联网时代全新的通信、翻译与编辑手段，让《科学美国人》的中文内容更贴近今天读者的需求，更广泛地接触到普通大众，迅速成为了中国影响力最大的科普期刊之一。
《科学美国人》的特色与风格十分鲜明。它刊出的文章，大多由工作在科学最前沿的科学家撰写，他们在写作过程中会与具有科学敏感性和科普传播经验的科学编辑进行反复讨论。科学家与科学编辑之间充分交流，有时还有科学作家与科学记者加入写作团队，这样的科普创作过程，保证了文章能够真实、准确地报道科学前沿，同时也让读者大众阅读时兴趣盎然，激发起他们对科学的关注与热爱。这种追求科学前沿性、严谨性与科学通俗性、普及性相结合的办刊特色，使《科学美国人》在科学家和大众中都赢得了巨大声誉。
《科学美国人》的风格也很引人注目。以英文版语言风格为例，所刊文章语言规范、严谨，但又生动、活泼，甚至不乏幽默，并且反映了当代英语的发展与变化。由于《科学美国人》反映了最新的科学知识，又反映了规范、新鲜的英语，因而它的内容常常被美国针对外国留学生的英语水平考试选作试题，近年有时也出现在中国全国性的英语考试试题中。
《环球科学》创刊后，很注意保持《科学美国人》的特色与风格，并根据中国读者的需求有所创新，同样受到了广泛欢迎，有些内容还被选入国家考试的试题。
为了让更多中国读者了解世界科学的最新进展与成就、开阔科学视野、提升科学素养与创新能力，《环球科学》杂志社和外语教学与研究出版社展开合作，编辑出版能反映科学前沿动态和最新科学思维、科学方法与科学理念的“《科学美国人》精选系列”丛书。
丛书内容精选自近年《环球科学》刊载的文章，按主题划分，结集出版。这些主题汇总起来，构成了今天世界科学的全貌。
丛书的特色与风格也正如《环球科学》和《科学美国人》一样，中国读者不仅能从中了解科学前沿和最新的科学理念，还能受到科学大师的思想启迪与精神感染，并了解世界最顶尖的科学记者与撰稿人如何报道科学进展与事件。
在我们努力建设创新型国家的今天，编辑出版“《科学美国人》精选系列”丛书，无疑具有很重要的意义。展望未来，我们希望，在《环球科学》以及这些丛书的读者中，能出现像爱因斯坦那样的科学家、爱迪生那样的发明家、比尔·盖茨那样的科技企业家。我们相信，我们的读者会创造出无数的科学奇迹。
未来中国，一切皆有可能。
话题一 科技让生活更有趣
现代社会，人们生活的方方面面都深深地打上了科技的烙印。手机里的各种应用程序帮助你收获知识、查找内容，让你与世界相连。有一天，也许你能一边处理日常事务一边学习知识。科技改变生活的同时，也让生活变得更方便、更有趣。
天衣无缝的视频修复
撰文│布里·芬戈尔德（Brie Finegold）
翻译│徐欣
新开发的图像修复软件采用了一种新的计算规则，能让计算机自动修复影片图像，迅速而且天衣无缝。
细心的电影观众可能已经注意到了，在彼得·杰克逊（Peter Jackson）执导的电影《指环王》第一部《护戒使者》的一个场景中，一辆旅行车拖着尾气一闪而过。现在人们使用的工具，如Adobe软件系列的“修复笔刷”工具，可以轻易处理和修复图像中的小瑕疵。但如果是对图像进行大块的修复处理，软件使用者就必须不厌其烦地重复同一个动作：切取小块的图像，然后将它们粘贴在需要被除去的部分上面。除非修改幅度很小，否则这种方法创造的图像效果就不敢恭维：在后来的《护戒使者》DVD（数字视频光盘）中，电影中出现过旅行车的地方变成了一个可见的模糊斑点。
新近开发的软件使用了先进的数学算法，也许能很快改变这种情况。它能帮助视频编辑人员自动掩盖影片中的移动物体，迅速且毫无破绽。美国明尼苏达大学的计算机科学家吉列尔莫·萨皮罗（Guillermo Sapiro）是这个软件的总开发师，按照他的说法，这种新开发的软件甚至能够移除遮挡其他东西的巨大移动物体。
萨皮罗对视频修复的知识建立在先前对静态图片的处理经验上。早在1998年，萨皮罗和他的3个同事在巴黎见识了传统艺术修复大师的修复技巧：他们先从受损物品的边缘入手，将物品的基本组织结构由外向内修补，然后根据图像的色饱和度（颜色的纯度）上色。研究人员模仿修复大师的工作程序，先从黑白图像开始，将这些艺术家的技术编译成数学算法（具体地说，就是偏微分方程），这种数学算法可以描述图像在各个方向上色饱和度的改变情况。
举例来说，在一张缺了一块圆形区域的桥梁图片中，这种软件能像那些修复大师一样，从圆形缺片的边缘开始向内部修补。软件的数学算法还集成了一种功能，可以在修补处理的同时，将一组特殊的曲线（也就是等亮度线，每条线上的图像色饱和度都完全相同）延伸到圆形缺片之中。当灰度色调沿着这些等亮度线由外向内填满整个圆形缺片时，图像修复过程也就完成了。萨皮罗解释说：“这种由外向内进行衍生修补的方式，是最近所有图像修复技术的共同方案。”对于彩色图像，研究人员也可以先分别计算3种基本色（红色、绿色和蓝色）的色饱和度，再将它们合并起来。美国国家航空航天局（NASA）曾经使用这种方法来修复金星的图像。
这些技术突破应用于视频影像看起来非常简单，只需要对影片的每一帧图像加以修复就可以了。这种做法也许过于直接，因为它可能产生如同波浪一样漂浮不定的画面，甚至可能根本不起作用。举例来说，一帧画面中一件T恤上的图案被遮住了，如果单将这一帧输入图像程序，它就能修复出一件不带图案的完美T恤。但是经过这样的修复，视频影像中T恤的图案就会时隐时现，这样的修复显然不能算成功。不过一种能够利用视频影像时间连续性的程序，就能修复T恤上的图案。它可以从前后的其他帧中提取出没被遮挡的T恤图案，将图案叠加上去，完成对视频影像的修复。
如同液体流动一般的修复过程
视频文件修复软件的数学算法与纳维－斯托克方程式类似，后者从数学上描述了液体的运动，并且得到了广泛的研究。颜色就如同液体一样，流入空洞（照片上数据丢失的圆形区域），沿着障碍物（边界分明的图像轮廓）的边缘扩散。这种类似性激发了美国明尼苏达大学的计算机科学家吉列尔莫·萨皮罗和他的同事的想法，他们利用一种与预测液体流动方式的技术相似的数学算法，实现了视频影像的自动修复。
单帧画面的拼合叠加确定了数据损坏的范围，对它加以修补可以修复一段行人走路的视频影像。在静态的单帧画面中，数据损坏的区域是一个黑色矩形。
为了将时间连续性添加到修复算法之中，研究人员把时间视为第三维。如果把一段视频看成是一本厚厚的书，每一帧图像是书中的一页，在影片中平滑移动的图像数据丢失部分，就是一只扭曲着身体前行的蠕虫在书中咬出的空洞，洞的长度就是影片中受损图像持续出现的时间。一旦洞的时空边界被确定下来，程序就可以修复蠕虫咬出的三维空洞，同时修复每一帧二维图像上的数据损坏，创造出流畅的视频画质。对程序使用者来说，幸运的是，他们只需要确定一帧画面中的图像错误，程序就能自动将视频文件里静态的图像与动态部分分辨出来，提取出蠕虫咬出的整个空洞。
萨皮罗的算法还没有应用在商业软件中，萨皮罗和他的同事仍然在继续改进他的算法。在一篇论文中，萨皮罗与来自美国明尼苏达大学的凯达尔·帕特瓦尔丹（Kedar Patwardhan）和西班牙巴塞罗那的庞佩乌·法布拉大学的马塞尔·贝尔塔米罗（Marcel Bertalmio）一起，描述了一种速度更快的计算方法，并且这种方法能够处理摄像机在变焦时拍摄的图像。至今为止，没有一种软件能够移除不断放大或者缩小的物体，当摄像机对准某一目标被拉近或者拉远镜头时，就会产生这样的效果。同时，也没有哪种运算方法能够处理飘忽不定的移动物体。当科学家战胜这些困难的时候，他们也许就能让罗列出《泰坦尼克号》182处错误的网站关门了，比如moviemistakes.com。
超高速喷墨打印机
撰文│蔡宙（Charles Q. Choi）
翻译│Kingmagic
澳大利亚的一家研究公司开发了一种新型喷墨打印机，它的新型喷嘴让喷墨打印机的彩色打印速度加快了30倍。
经过十多年的研发，一种新型打印机已经在澳大利亚初具雏形。研发小组最初的构想是制造出一台小到可以塞进数码相机的打印机，不过最后的成果却是一台名为Memjet的喷墨打印机，它打印彩色照片的速度比已有的打印机快30倍。（打印机的名字来源于微机电系统的缩写MEMS。）
喷墨打印机主导着目前的桌面打印市场。它通过喷嘴往打印纸上喷洒墨滴进行打印。常规的喷墨打印机在打印时会在打印纸上来回移动喷嘴，就像织布机上来回穿梭的梭子一样。
相反，由位于澳大利亚悉尼市的西尔弗布鲁克研究公司开发的Memjet则拥有一排排固定的喷嘴阵列。这些喷嘴阵列的宽度与打印纸宽度相同，所有喷嘴都可以同时喷墨。这种设计减少了打印机的活动部件，从而降低了振动和噪声。这种设计还能在1秒钟内完成一张高质量彩色页面的打印，比已有的消费级打印机快大约5倍。凭借这一速度，这种打印机在1分钟内可以打印30张4英寸×6英寸（1英寸＝2.54厘米）的彩色照片。位于美国马萨诸塞州牛顿维尔的天琴座研究公司的分析师史蒂夫·霍芬伯格（Steve Hoffenberg）一直在关注影像工业的进展，他评论说：“与这种打印机相比，其他任何打印机的打印速度都像冰河的流速一样缓慢。”
和许多喷墨打印设备一样，Memjet也需要将墨水加热到沸腾，产生墨水蒸气，再通过喷嘴喷射出去。不同之处在于，传统喷墨打印机的加热电路分布在喷嘴的管壁上，而Memjet则将加热器悬空伸进墨水当中。
这种放置方式可以冷却加热器，因此Memjet可以将喷嘴排列得非常紧密，每平方毫米可以安置多达320个喷嘴——是已有主流打印机喷嘴密度的17倍。更紧密的喷嘴排列意味着更高的资源利用率和更低的成本。目前，西尔弗布鲁克研究公司的目标是将Memjet打印机的生产成本维持在与其他消费级打印机相同的档次上。
Memjet喷射出来的墨滴大小，仅有大多数喷墨打印机墨滴的1/5。这种墨滴的体积极小，可以打印出精度达1600dpi的清晰照片，超过了人眼的分辨能力，与已有的主流打印机不相上下。Memjet的首席设计师基亚·西尔弗布鲁克（Kia Silverbrook）解释说，要设计一种墨滴大小与Memjet相似的常规喷墨打印机并非难事，但这种常规打印机需要喷射5倍以上的墨滴，“因此打印速度也只有Memjet的1/5，我们在速度上占了不少优势”。该公司还声称，Memjet不会比已有喷墨打印机更容易发生喷嘴堵塞故障。
新型喷嘴：Memjet使用与打印纸宽度相同的一排排固定的喷嘴阵列，因此可以进行高速打印。
2007年3月21日，在捷克首都布拉格召开的全球喷墨打印机会议上，西尔弗布鲁克研究公司公布了他们的这项新技术。至于能够塞进数码相机的微型打印机，该公司表示仍有可能开发成功。
预测交通堵塞
撰文│马克·菲谢蒂（Mark Fischetti）
翻译│王栋
IBM推出了一个新系统，它能提前1小时预测交通堵塞，使驾驶员远离交通堵塞。此外，此系统的分析技术还可以在其他领域派上用场。
车载导航系统和移动应用软件能提示驾驶员如何避开交通堵塞。问题是，当驾驶员收到这些信息时，他们大多已在路上，甚至已经陷入交通堵塞。IBM（国际商业机器公司）推出的一个系统，能在堵车前1小时预测车流量，让驾驶员有足够的时间绕行，避免陷入交通堵塞。
在新加坡进行的试运行中，该系统对遍布市区的500个地点进行了交通预报，准确预测了这些地区的车流量（准确率为87％～93％）和车速（准确率为87％～95％）。在芬兰和美国新泽西州高速公路进行的测试中，该系统的预测情况也得到了类似的结果。
预测成功的关键是预测模型，它能将路面传感器、摄像机及出租车上GPS（全球定位系统）转发器发来的实时数据，与过往交通信息、路面情况和天气预报结合在一起综合分析。每周，这套预测模型都会根据最近6周的统计数据重新校准。通过道路上的电子信号牌和车载导航系统，这套预测模型能发布提示信息，预测堵塞路段何时恢复畅通。
IBM发言人珍妮·亨特（Jenny Hunter）表示，该公司已经同美国两个交通部门签订合约，打算推出一套完整的预测系统。实施地点很快就会被公布。新加坡可能也会使用这个系统。该国还在测试另一版本的系统，它能为站台候车的乘客预测公交车到站时间。
避免塞车：IBM提供的一项新服务能提前1小时预测堵车情况，并能提供备选行车路线。
在每个地方，持续运行的预测系统都会给出经过优化的出行建议。如果高速公路1发生堵塞，许多得到这一消息的驾驶员就会涌入高速公路2，那么很快，高速公路2也会堵塞。工程师会继续根据情况调整模型，让它决定是向25％还是向40％的驾驶员发送信息，才能更好地调节这两条高速路上的车流量。而且由于驾驶员的手机持有率非常高，IBM正在与一些通信公司合作，以便连续监控道路上手机用户的密度变化，这有助于建立更加精确的预测模型。为了保护隐私，手机用户的身份信息不会被泄露。
IBM还宣布，他们打算开发个人服务项目：根据当前路况，提前告知个人用户，在多条候选路线中哪一条能让他们最快到达目的地。相关信息会通过语音提示发送至车载导航系统或手机上。
在其他领域，类似的分析技术也能派上用场。位于美国纽约州阿蒙克的IBM服务开发部副总裁罗伯特·莫里斯（Robert Morris）评价说：“预测模型的好处是，通过转换，它可以用在不同领域。”在以色列海法市IBM的实验室里，研究人员正在测试一个名为EuResist的软件，它可以预测鸡尾酒疗法中的不同药物组合对艾滋病人的疗效。通过比对一个不断更新的数据库（包含33,000位病人和98,000种疗法的治疗结果），这个软件能分析艾滋病病毒的基因型和病人当前的健康状况。类似的软件或许还能帮助医生确定哪种乳腺癌或前列腺癌疗法在病人身上的效果最好。
IBM还与美国华盛顿特区供水与污水管理局合作，实时预测水网中哪里可能出现问题，比如下暴雨时，哪条下水道可能排水不畅。合作的目标是，在整个水网系统内提前调整阀门，尽可能减少溢水量，提前派遣维修人员赶往事故地点。2010年3月，IBM还在中国西安设立了一家预测分析实验室，帮助商业客户（如西安银行）提前预测客户动态。
从iPhone到SciPhone
撰文│蔡宙（Charles Q. Choi）
翻译│王栋
科学家正在研发iPhone的应用程序，以促进科学研究，实现从iPhone向SciPhone的过渡。
●鸟眼（Birdseye）
由美国康奈尔大学鸟类学实验室研发的“鸟眼”程序，能提供北美大陆上最常见的数百种鸟类的信息，包括鸟的照片和鸣叫声。根据用户向eBird.org网站在线提交的目击报告，这种程序可以告知鸟类观察者他们所在的区域哪里有鸟。eBird.org网站是一个由康奈尔大学和美国国家奥杜邦学会（美国一个民间鸟类保护组织）共同运营的项目。科学家可以根据观察者提供的信息，弄清楚鸟类的分布、活动和数量。
此手机外观图为iPhone 4，苹果公司于2010年推出该款手机，目前该公司每年都会推出新款iPhone。
●时间树（Timetree）
人类和黑猩猩最近的一个共同祖先生活在什么年代？你可以通过一个叫作“时间树”的程序来查找答案。这个由美国亚利桑那州立大学和宾夕法尼亚州立大学的科学家共同开发的应用程序，能在美国国家生物技术信息中心的大型数据库中搜索数据。该数据库包含超过160,000种生物信息。对于这种问题，“时间树”在数秒钟内就能给出人类和黑猩猩进化分离的时间，答案中还会包括相关论文的引用情况。
●分子（Molecules）
这个程序能描绘化学物质的三维模型，用户可以通过触摸屏来操控。这些模型不仅仅是一些漂亮的图片，分子的三维结构往往决定了自身的性质，因此这些模型能帮助研究人员和科学爱好者了解化学物质的作用机理。“你随时可以向同事展示蛋白质的分子结构，比如吃午餐的时候。”哥伦比亚大学的病毒学家文森特·拉卡涅洛（Vincent Racaniello）说。
●我找到了（Ivegot1）
你想发现外来入侵物种吗？外来野生物种（例如缅甸蟒和尼罗巨蜥）正在入侵美国佛罗里达州，破坏当地生态系统。科学家和志愿者可利用这个程序来识别那里的爬行动物，该程序能提供不同物种的照片、特征、分布区域等信息，还可以分辨这些物种是本地生物还是外来入侵者。
●地质学（Geology）
这是由Integrity Logic公司开发的程序，它向用户提供了美国26个州的地图，其中包含多达50个信息层，包括岩石类型、年龄、地震断层以及过去的地震记录。不仅是科学家，普通用户也会觉得它很有用。“采集蘑菇的人可以利用森林火灾的数据记录，因为某些蘑菇在发生过火灾的地区长得更好。”Integrity Logic公司的创始人马克斯·塔尔迪沃（Max Tardiveau）说。
●化学果汁（Chemjuice）
你想快速建立自己的分子数据库吗？有了“化学果汁”程序，你只需要在触摸屏上滑动手指，就能绘制出一个化学键；轻敲屏幕，就能去除一个分子或化学键，或者改变化学键的类型。这个应用程序还能计算分子量和分子中各元素的百分含量，并能通过电子邮件将这些分子结构发送到任何你想发送的地方，这对于学生和专业人士来说很是方便。
动画电影中的光学原理
撰文│约翰·斯科特·莱温斯基（John Scott Lewinski）
翻译│红猪
皮克斯动画电影营造出一个个虚幻的世界，而它们的背后是现实世界中光照技术的不断改进。皮克斯是如何在《赛车总动员2》中引入逼真的光学特效的？
尽管皮克斯动画工作室的故事都发生在幻想味十足的世界里，但是营造这些场景所需的科学和技术却都源于现实世界。
为了制作《赛车总动员2》，主创人员（与《玩具总动员》、《飞屋环游记》和《瓦力》等影片为同一班人马）不得不研究起了汽车表面反射的光线。这部续集的场景不再是第一集中那个沙漠小镇，而是移到了一场国际车赛的赛场，这就意味着画师们必须描绘大量赛车驶过不同赛道和路面的场景。主创人员很快就意识到，要完成这部影片，皮克斯原有的3D光照系统必须大幅升级才行。
“汽车的设计和上漆都是为了与色彩和光线产生独特的关系，”皮克斯光照组的成员苏迪普·兰加斯瓦米（Sudeep Rangaswamy）表示，“因此，我们必须研究光线从快速移动的车辆上反射回来的方式，以及车辆的移动和反光特性对于周围环境的影响。”
《赛车总动员2》的画面。
皮克斯的一支团队研究了汽车的涂料、碳纤维和铬的吸光特性，以及标准头灯和LCD（液晶显示）头灯对黑暗的穿透强度和射程。研究结果被编成算法，用来实时计算并补偿在反光和吸光材料上的光照频率和色彩温度。
接下来，这项研究又整合进了一个新的光照引擎。所谓光照引擎指的是一种软件，它能让画师在场景中制造出来自任何方向的光照，而这正是真实世界中的摄像指导所期望的效果。光照引擎和虚拟摄像系统的结合，让导演约翰·拉塞特（John Lasseter）得以创造出任意机位的场景。“有了这部新引擎，场景里的光线就能和画师放进场景里的角色准确地互动了，”兰加斯瓦米说，“举例来说，我们在影片里重建了东京闹市的每盏霓虹灯。依靠人工智能，光照引擎创造出这些光线并加以保持，从而建立起了正确的光照关系，而这些都是自动完成的。”
就这样，闪电麦昆疾驰而过，红色的车身上反射出跑道和霓虹灯的光，路边的水塘里也映出它的红色身影，还让它身边的汽车变了色彩。这一切，都无需动画师一幕一幕地“亲手”渲染。现在，新的光照技术已经留在了皮克斯的专利软件库中，它会继续得到更广泛的应用。
裸眼3D崭露头角
撰文│拉里·格林迈耶（Larry Greenemeier）
翻译│赵瑾
一项新的技术能让观众在不配戴特殊眼镜的情况下体验3D效果，目前这项技术仍在研讨之中。可以肯定的是，裸眼3D的实现能让3D电视得到更广泛的应用。
几年前，在消费电子和娱乐产业的推动下，3D电视的销售着实火爆了一番。然而，这项技术仍有一个很大的局限：观众需要佩戴一副特殊眼镜才能体验3D效果。目前，一些市场专家认为，这种技术没法真正普及，除非在不用眼镜的情况下，消费者也能体验到3D效果。
虽然裸眼3D技术已在一些智能手机和便携游戏机的小型屏幕上应用，但这些产品使用的背光液晶显示屏不仅耗电量高，也使产品本身的大小受到了限制。研究人员开始使用前景更好的发光二极管3D显示屏，他们开发了自动立体3D技术，利用微小的棱镜阵列，制造出不用眼镜就能看到的3D影像。发光二极管是因有机化合物对电流产生响应而发光的，因此这种显示屏会比液晶显示屏更薄、更轻、柔韧性更好。这项技术的详细介绍发表在2011年8月的《自然·通讯》杂志上。
韩国首尔大学、Act公司和Minuta技术公司的研究人员，在一块屏幕上设置了一个微型棱镜阵列，充当过滤器，把光线导至特定方向。利用这种棱镜阵列——研究人员用拉丁文“Lucius”（意思是“闪亮”）为之命名，研究人员能让屏幕显示一个只有从特定的角度才能看到的图像。通过调节光线强度，同一个屏幕可以显示出两幅完全不同的图像，一幅传给观看者的左眼，另一幅传给观看者的右眼。观看者的左右眼同时看到这两幅图像，就会产生一种深度感知，使大脑认为看到的是3D影像，从而观看者不需要佩戴任何特殊眼镜。
一些研究人员还介绍了实现裸眼3D技术的其他方法。比如，HTC公司的EVO 3D和LG公司的Optimus 3D智能手机的屏幕，就使用了视差屏障技术，屏幕由精密设计的狭缝组成，能让每只眼睛看到不同的像素组合。遗憾的是，观看者只能在一个特定角度才能体验到3D效果，研究人员正在努力弥补这个缺陷。
手机应用预测风暴潮
撰文│锡德·珀金斯（Sid Perkins）
翻译│郭凯声
新开发的手机应用和网络版应用或许会让风暴潮的预报更加容易。
你是否在选购沿海一带的房产？你想知道风暴潮引发的洪水在你中意的小区那里曾达到多高的水位吗？现在就有一项应用正好满足你的需求。美国西卡罗来纳大学的一个研究团队，搜集了大西洋和墨西哥湾沿岸3400多个地方过去65年来的风暴潮资料。2012年，该团队开发的网络版应用原型于6月1日（即大西洋飓风季节开始的那一天）之前在http://stormsurge.wcu.edu启用，用户只需在应用中输入地址或邮编，即可查看一张显示了该地区所有高水位记录的地图（手机应用会自动识别用户所在地）。该地图还会显示引发洪水的飓风的移动路线，以及可能影响风暴潮水位高度的其他一些飓风资料（风暴潮水位预报难度之大是众所周知的）。西卡罗来纳大学团队的成员凯蒂·麦克道尔·皮克（Katie McDowell Peek）认为，对这一信息宝库进行详细分析，或许有助于我们更好地了解一些与风暴无关但会影响风暴潮的因素，包括海岸线的形状、邻近海岸的洋底坡度以及风暴是否在高潮期间袭击陆地等。科学家把预测到的风暴路径及强度，同以前袭扰海岸地区的飓风的路径和强度进行对比，或许可以提高预测风暴后果的能力。
风暴潮、海啸和潮汐都是什么？
风暴潮是由热带气旋、温带气旋、海上飑线等风暴过境所伴随的强风和气压骤变而引起叠加在天文潮位之上的海面振荡或非周期性异常升高。
海啸是由海底地震、火山爆发或巨大岩体塌陷和滑坡等导致的海水长周期波动，能造成近岸海面大幅度涨落。
潮汐是在天体引潮力作用下产生的海面周期性涨落现象。
让动画中的长发飘起来
撰文│雷切尔·努维尔（Rachel Nuwer）
翻译│郭凯声
工程师的一项研究成果，可以帮助计算机动画制作者为动画角色安上一头更加飘逸灵动的卷曲长发。
在梦工厂动画出品的动画片《怪物史莱克》中，菲奥娜公主几乎总是把她的头发梳到脑后。菲奥娜公主的发型被设计成这样，并不是为了赶时髦，而是有着物理学上的原因。要想制作头发垂下来的画面，并打造出逼真的效果，需要进行一连串复杂的运算。因此计算机动画制作者通常偏爱短发和盘发，对飘逸的长发则敬而远之。无独有偶，大屏幕上的动画角色，绝大多数也都是梳着直发辫，因为从数学的角度来看，绘制三维的直发辫比较简单。
好消息是，计算机动画制作者的工具箱中或许即将增加一些新的“法宝”。梦工厂和皮克斯动画工作室制作的动画角色拥有一头灵动的卷曲长发，这也许很快就会变成现实。一个研究团队破解了一束卷发的物理学原理，并将研究结果发表在了《物理评论快报》上。“这是人们首次从三维角度对一束天然卷发的动态效果进行全面描述，”该研究报告的作者之一、麻省理工学院机械工程专业助理教授佩德罗·雷斯（Pedro Reis）说，“我们认为一束卷发的几何性质是高度非线性的，我们通常用这个术语描述复杂事物。”
雷斯和同事一开始并不打算研究卷发，他们想要研究的是细长管状结构的弯曲度，比如海底电缆、油气管道和细菌的微细尾毛。他们准备了一些空心的管状模具，然后把模具缠绕在直径为3.2～100厘米的圆柱形物体上。接着，他们向模具内注入一种类似橡胶的物质，干了之后就形成了一些弯曲程度参差不齐的柔性长条。他们把长条挂起来，考察重力对其形状的影响。看着这些长条一根根并排悬在那里，研究人员意识到这些长条与一缕缕头发有着惊人的相似之处，像极了从直发到非洲人卷发在内的各种发型。
研究人员进行了约11,000次计算机模拟，然后利用这些数据制作了一个模型。该模型描述了一束悬挂的长条在曲度、重量、长度及刚度4个参数的影响下，形成的不同几何形状。这个模型可以应用到动画制作软件中，但前提是，还得把每缕卷发之间的互动关系，以及风和其他外力对头发的作用搞清楚。
