这个模型也可用于计算钢管及其他卷绕材料的曲度。“作为工程师，我们一开始想的是如何解决工程方面的问题，”雷斯说，“我并非专业发型师，说真的，我其实是个秃头。”
可穿戴设备让你边玩边学
撰文│陈英菲（Ingfei Chen）
翻译│王舟
提供触觉刺激的可穿戴设备或许能帮助人们边玩游戏，边学习莫尔斯码。或许有一天，你可以一边处理日常事务，一边学习。
莫尔斯码由嘀嘀嗒嗒的长短信号构成。初步研究表明，学习这种电码可能没那么费力，也没那么费时，诀窍就在于提供触觉刺激的可穿戴设备。研究成果显示，可穿戴设备或许能够影响人的潜意识，让我们在处理日常事务的同时，学会一些“手艺”。
佐治亚理工学院计算机科学教授萨德·斯特纳（Thad Starner）与博士生凯特琳·塞姆（Caitlyn Seim）研究的是触觉学，这是一门结合了计算机设备与振动等触觉刺激的科学。2016年9月，在德国海德堡举行的第20届国际可穿戴计算机研讨会上，他们宣布了自己的研究成果：他们对谷歌智能眼镜进行编程，佩戴者可用它被动地学习莫尔斯码，该研究已经取得了初步成功。
莫尔斯码
莫尔斯码是一种时通时断的信号代码，通过不同的排列顺序来表达不同的英文字母、数字和标点符号，包括：点、划、点和划之间的停顿、每个词之间中等的停顿以及句子之间长的停顿。
在研究中，12位参与者佩戴谷歌智能眼镜，同时在计算机上专注地玩网络游戏。该测试由数个长达1小时的阶段构成，在每个阶段里，一半参与者既能听到谷歌智能眼镜内置扬声器不断重复拼读的单词，又能感受到右耳后方的敲击（来自内置于镜架的骨导传感器），这些敲击分别对应了每个字母在莫尔斯码中的“点”或“划”信号；其余一半参与者则只能听到扬声器的拼读，感受不到骨导传感器的振动。
在每一轮游戏过后，研究人员要求所有参与者用手指在智能眼镜的触摸屏上，按莫尔斯码敲击出字母。例如，参与者在屏幕上敲击“点划点”，则智能眼镜的可视化屏幕上就会显示出字母“i”。该简短测试实质上会促使参与者去尝试学习莫尔斯码。在4轮游戏后，接受过触觉刺激的参与者敲击全字母短句（指包含全部字母的句子）的准确率高达94％。而未接受触觉刺激的参与者最终的准确率仅为47％，这些参与者仅能通过他们在输入时的“试错”来学习。
斯特纳表示，这项研究说明，“即使在心不在焉时，用户也可能通过可穿戴设备学会一种输入法”。他补充说，被动触觉学习法有望帮助用户快速掌握辅助键盘的新文本输入方法，或者让用户学会在智能手表上盲打，敲击出与莫尔斯码体系类似的信号。这或许真的会让人们使用移动与可穿戴设备的方法发生巨大变化。
塞姆说，这些研究结果与他们先前对被动触觉学习的其他研究结果“完全一致”。例如，他们曾研发出一种智能手套，该手套可以向手指传递振动信号，培养“肌肉记忆”，帮助人们学习钢琴演奏或盲文输入。
德国人工智能研究中心的保罗·卢科维奇（Paul Lukowicz，未参与这项研究）评论说，该实验尽管规模不大，但展示了可穿戴设备是如何让用户“一边处理日常事务一边获取信息，进行学习”的。要是在睡梦中听中文，就能把普通话说流利，那该多好！
话题二 不寻常的材料新技术
产品的生产要用到各种性能的材料。科学家和工程师们仍在不断探索、创造新技术，追寻新型材料，满足各行各业的需求。也许在不久的将来，玻璃会像橡胶一样柔韧，我们失手掉落一只玻璃杯时，不会产生碎片。不寻常的新型材料，走进寻常百姓家。
“智能窗户”节能又发电
撰文│蔡毅
一种兼具节能和太阳能发电两大功能的“智能窗户”，将吹响建筑物节能新号角。
将太阳能电池植入一种可自行调节热传递的“智能窗户”，使窗户集节能与发电两大功能于一身，而且完全不影响窗户的透明度——这不是科幻电影中的桥段，中国科学家正在把这一场景变为现实。
中国科学院上海硅酸盐研究所高彦峰领导的一个研究团队，通过为玻璃镀上一层二氧化钒，开发出了一种可根据环境温度，调节阳光中红外线透过率的节能玻璃。而且在此基础上，他们还利用二氧化钒对入射光的散射作用，把散射的阳光导向玻璃四周的窗框（这些窗框由高效的太阳能电池板构成），因此这种窗户在节能的同时还可发电。这项研究发表在2013年10月24日的《科学报告》上。
上述“智能窗户”的实现，依赖于二氧化钒可以发生相变的特殊性质。相变前后，二氧化钒的结构、光学和电学性能都会发生显著变化。
低温时，二氧化钒晶体呈半导体或绝缘状态；高温时，二氧化钒晶体的结构会发生改变，显示出金属特性。因此，发生相变后，二氧化钒的电阻也会发生大幅度变化：高温时，二氧化钒的电阻仅为低温时的百分之一到百万分之一。在光学性质方面，相变前后，可见光的透过率几乎不会变化，但对于红外线，“智能窗户”却可由低温的透明状态，转变为高温的反射或吸收状态，这就是“智能窗户”可以根据环境温度变化，调节红外线透过率的关键所在。
二氧化钒的另一个好处在于，它还可以吸收紫外线，阳光中约93％的紫外线都可被它吸收，并且这不会受到二氧化钒相变的影响。（众所周知，在紫外线的长期照射下，人体会受到伤害，室内家具的使用寿命也会受到影响。）
为了让通过窗户的可见光不被“浪费”，高彦峰和同事想到了用可见光来发电。他们最初的设想是，将高效太阳能电池夹在玻璃中间，但由于太阳能电池的透光性不好，这一方案无法实现。于是，高彦峰把目光转向了窗户四周，设计出了一种“三明治”结构的玻璃，两层透明的玻璃板中间夹着一层二氧化钒镀膜。然后，在窗户四周安上高效太阳能电池。他通过调节镀膜中二氧化钒颗粒的形态、大小及彼此之间的距离，使这些离散分布的纳米颗粒形成数以千万计的“小斜面”。当大量可见光通过时，总有些可见光会撞上“小斜面”而改变传播方向，照射到四周的太阳能电池上，达到发电的目的。
测试结果表明，这种“智能窗户”在节能方面表现优异：夏季使用空调时，可减少10％以上的电能消耗，而且随气候条件不同，最高可节省30％的电能。至于发电，根据现有实验结果测算，5平方米的玻璃窗户在正午阳光最强的时候，所产生的电量可以点亮一个34瓦的灯泡。如果能找到合适的产业化合作伙伴，高彦峰认为，在1～2年内，这种“智能窗户”就可以实现产业化。
尽管相对于普通窗户，“智能窗户”所用材料多，制作工艺复杂，成本会因此上升，但考虑其节能、发电，以及对环境和居住舒适度的贡献，“这一产品仍将是性价比非常高的新一代窗户”，高彦峰说道。
纳米材料也能“记忆”形状
撰文│廖红艳
研究人员找到了一种纳米级别的记忆材料，它可以“记住”自己变形前的模样，并恢复到原来的样子。
在1966年的科幻电影《神奇旅程》中，美国中央情报局将一艘载有营救人员的潜水艇，缩小至微米级别，注射到一位遭遇刺杀、处于昏迷状态的科学家体内，以清除他大脑中的血块。
这部科幻电影中的微型潜水艇，与我们今天说的微机电系统有些相似。微机电系统通常包含提供动力的微发动机、微处理器和若干获取外部信息的微型传感器，虽然它们的结构并不复杂，但对材料的要求特别苛刻。因为在微米和纳米尺度下，材料会产生巨大的表面效应，普通材料几乎完全无法适用，那么，什么样的材料才能担当这一重任呢？
北京师范大学物理学系教授张金星及其团队，提供了一种可能的材料——铁酸铋。通过实验，他们证实，在纳米尺度下，铁酸铋能实现形状记忆，且形变程度可达14％。相关论文《纳米级形状记忆氧化物》发表在2013年11月19日的《自然·通讯》上。
早在上世纪60年代，科学家就已经发现，铁酸铋拥有很多优良特性，是制备多功能、高密度微型器件的上佳材料。不过，由于那时的技术还无法在原子尺度上操控晶体生长，实验室一直无法制备出质量足够好的样品来实现这些性能。
直到2003年，科学家才第一次在实验室合成出了高质量的铁酸铋薄膜，从此掀起了一股研究铁酸铋材料的热潮。绝大多数科学家都着重研究铁酸铋的电磁特性，希望把这种材料用于微电子领域，从而用电场而非电流来控制材料的磁性。这样不仅可以解决机器发热的问题，还能实现更高密度的数据存储。
张金星及其团队关注的则是铁酸铋材料的形状记忆特性。2011年，他们成功地在铝酸镧基底上制备出了铁酸铋薄膜，并发现薄膜中存在两种不同的晶体结构。正是从那时起，研究人员有了一个想法：传统的形状记忆合金能在温度刺激下，从一种晶体状态转变为另一种晶体状态；新材料拥有两种不同的晶体结构，如果在电场、压力或温度的作用下，材料可以从一种结构向另一种结构转变，那么材料形状是否可以实现来回转变呢？
要验证这个想法，研究人员需要先让拥有两种晶体结构的材料，转变成只有一种晶体结构的纯相。然而，想让薄膜材料发生形变并不容易，因为基底对薄膜有巨大的束缚作用，会限制薄膜的形变程度。
怎样才能克服基底的束缚呢？研究人员想到一个办法，他们在薄膜上刻蚀出一个孤立的“小岛”，让这个区域与周围断开，不再受到周围环境的束缚。随着“小岛”的面积越来越小，研究人员终于得到了仅有一种晶体结构的铁酸铋晶体。然后，研究人员给这种晶体一个温度刺激，它的结构就会改变，完全转变成另一种晶体结构；而给新的晶体结构施加电场、温度等刺激，它又会恢复成之前的结构。
至此，研究人员终于实现了晶体结构的双向转变，而随着晶体结构的转变，材料形状也随之转变。也就是说，材料具有形状记忆效应。
除了形变效应大，这种新型铁酸铋材料还具有很高的硬度（是金属材料的50～100倍），形变时会产生很大的机械力，如果能证明这种材料的耐疲劳性同样优秀，它完全可以成为微机电系统中发动机、传感器的制备材料。
另外，材料中的两种晶体结构还可以扮演存储器中的“1”和“0”的角色，这使它在高密度存储方面也有极大的应用潜力。
谈到未来，张金星充满希望：“现在，这种材料已经可以长到硅基底上了，这是一个技术上的突破，意味着它可以集成到微电子工艺中了。”
新的纳米级记忆材料还可以用来做成什么呢？不妨以最大胆、最科幻的方式来想象吧，因为我们还不知道，在几年后，这一领域的研究水平可以达到多么科幻的程度。
形状记忆效应
形状记忆效应指具有一定形状的固体材料，在某一状态下经塑性变形后，通过加热或改变其他条件，材料又恢复到初始形状的现象。
设计柔性显示屏
撰文│凯瑟琳·布尔扎克（Katherine Bourzac）
翻译│张哲
利用柔性显示屏，我们可以制造出可弯曲的电子产品。
在2014年秋天，一些iPhone 6用户感到很不安，因为他们发现自己的这款新手机有点变弯了。苹果公司对此的回应是，这种情况非常罕见，并称自己的产品达到了高质量标准，经得起日常使用。不过，有些技术公司倒是希望可以创造出可弯曲的电子产品。
多年来，材料科学家一直在努力研发可弯曲、可卷起的元件。在发表于2014年9月《应用物理通讯·材料》上的一篇论文中，韩国首尔大学的研究人员描述了显示屏的最新研究进展——一种可以替代易碎屏幕的柔性LED（发光二极管）。科学家首先在超薄石墨烯衬底上培养了一层氮化镓缓冲层，随后再在缓冲层上培养出垂直排列的氮化镓微米棒。氮化镓是一种发光晶体材料，而石墨烯则由一层碳原子构成，具有很好的柔韧性、导电性和机械强度。接下来，他们把这些石墨烯－LED层从原来的铜基底上剥离下来，转移到柔韧的聚合物上，这就得到了可弯曲显示屏的雏形。
由于氮化镓在能效和亮度上表现出色，目前大多数液晶显示器中的蓝色LED，使用的发光材料都是氮化镓，并且蓝色LED的发明者也荣获了2014年的诺贝尔物理学奖。不过，想让氮化镓生长在柔软的聚合物上并非易事。
这个由韩国科研团队发明的新型LED，可以反复弯曲1000多次而不影响自身发光性能。这项发明看起来已经在材料的质量和柔韧性的平衡上取得了突破。如果研究人员能把这些单独的、生长有LED的石墨烯层整合起来，做成一个完整的显示屏，那么将来我们就有希望用上可弯曲的手机，这次可是“精心”设计的哦。
蓝色LED
蓝色LED是能发出蓝光的LED，它的发明被誉为“爱迪生之后的第二次照明革命”。2014年，天野浩、赤崎勇和中村修二因“发明高亮度蓝色LED，带来了节能明亮的白色光源”共同获得诺贝尔物理学奖。蓝色LED的发明，使得人类凑齐了能发出三原色光的LED。人们可以用LED凑出足够亮的白光。
像橡胶一样柔韧的玻璃
撰文│凯瑟琳·布尔扎克（Katherine Bourzac）
翻译│李玲玲
科学家发明了一种同时具有硬度和弹性的新型玻璃材料。也许在不久的将来，我们失手掉落一只玻璃杯时，就不会再有碎片迸溅的场面了。
如果玻璃能像橡皮筋一样伸展，它就可以用作防震窗和柔性电子显示屏，或者被做成航空领域里耐高温的力敏元件。由材料科学家稻叶诚二领导的东京工业大学研究团队，已经首次创造出了这种弹性玻璃。
玻璃通常由磷基或硅基分子构成，这些分子以有序但非晶的三维构造结合在一起。通过实验，稻叶诚二和同事将玻璃的微观结构改变成了类似橡胶分子的链式结构，相当长的氧化磷链以较弱的力彼此连在一起。科学家在高温下拉伸这种玻璃后，它可以回缩大约35％，展现出了正常玻璃从未有过的弹性。这种弹性玻璃的研究论文，于2014年12月发表在了《自然·材料》上。
稻叶诚二现供职于日本旭硝子公司（一家玻璃制品公司），他说自己还需要继续努力。目前这种玻璃在220～250℃下的回缩表现不错，但设计师希望玻璃在室温条件下最终也能具有这样的表现。美国麻省理工学院的材料科学家迈克尔·德姆科维茨（Michael Demkowicz）指出，工程师可以用稻叶诚二的方法，再赋予已经可以成为优良导体的玻璃以弹性。也许在不久的将来，我们失手掉落一只玻璃杯时，就不会再有碎片迸溅的场面了。
“打印”电池的新工艺
撰文│凯瑟琳·布尔扎克（Katherine Bourzac）
翻译│张哲
新的电池制造工艺将有望像挤牙膏一样，把制造电池所需的部件一次性地“挤”出来。
“打印电池是可持续能源的未来。”施乐公司下属的著名研发企业帕洛阿尔托研究中心（位于美国加利福尼亚州）的工程师如是说。他们最近公布了一种节省成本的电池制作工艺，这种工艺将有望像挤牙膏一样，把制造电池所需的部件一次性“挤”出来。
目前，制作电池需要很多步骤。首先，制作电极，需要两个机器像摊馅饼一样把储能物质铺在金属层上。然后，将其干燥压实，根据尺寸进行裁剪，再向正负极之间插入塑料隔层以防止短路。最后，电池被封装在绝缘材料中，并被充满电解液，电解液可在正负电极间运输电荷。
而新的电池打印工艺简化了上述步骤。2015年4月，美国材料研究学会在旧金山举行了一次会议，帕洛阿尔托研究中心的科里·科布（Corie Cobb）在会上展示了打印用的喷嘴和材料，利用这些材料可以一次制作出电池三个组分中的两个。这个具有两头的打印喷嘴可以同时挤出含锂离子的正极和聚合物隔层。不过，目前三个组分还不能一起打印，因为在打印过程中材料会混。在科布找到解决方案之前，研究人员还需要手动添加石墨负极。科布和同事预测，一旦正极、负极和隔层三者可以同时打印，这种三合一的工艺就可以将锂电池的制作成本削减15％。目前，电池制造商已经对这种二合一的制作方法显示出了兴趣。因为，采用新工艺制作的原型电池在性能上与采用传统工艺、相同材料制作的电池一样好。
采用新工艺制作电池无论对降低电动车成本，还是对电力公司购买并存储不稳定的风能和太阳能作为稳定电网的额外能量，以及降低电池价格都至关重要。长期来看，设计师还可以根据新型应用设备的要求来定制电池形状，电池将不再只是方形或圆柱形。
石墨烯的头号竞争者——磷烯
撰文│亚历山德拉·奥索拉（Alexandra Ossola）
翻译│张哲
磷烯或许能成为比石墨烯更好的半导体材料。
在工程师的神奇材料榜单上，石墨烯目前高居榜首。这种材料由单层碳原子构成，不仅强度大，延展性好，还有独特的电性质。正因为有这些性质，研究人员把石墨烯用在了从手机充电器到水过滤器的多个设备上。但石墨烯有一个方面却让人失望：它并不是一个天然的半导体。尽管工程师在改造石墨烯成为晶体管（晶体管是在各种电子设备中负责调整电流的元件）方面取得了很大的进展，但是他们目前已经转向了另一个与石墨烯结构类似、有潜力的替代品——磷烯，即单原子层的黑磷。
在高压条件下，磷会转变成黑磷。大约一个世纪前，人们就发现黑磷具备超导特性。2014年，美国普渡大学的一个科研团队分离出了单原子层的黑磷。此后，这个领域的其他研究人员就开始了磷烯的研究。仅一年，有关这种二维材料的论文就发表了400余篇。
加拿大麦吉尔大学二维材料领域专家托马斯·什科佩克（Thomas Szkopek）说：“磷烯有潜力取代目前电子元件中使用的低效材料，因此人们对其兴趣不断增加。”
什科佩克说：“磷烯是一种‘真正的半导体’。”他的意思就是磷烯的导电性是可以开启和关闭的。正因如此，工程师可以调整穿过磷烯的能量大小，调整幅度可达好几个数量级。如此一来，工程师就能尽可能减少电流泄漏，从而使晶体管朝着更高的效率迈进。传统的晶体管主要由硅元素组成，其效率远未达到热力学极限。
尽管材料科学家对磷烯抱有很高期望，但是磷烯也有一些特点使它并不利于未来应用于半导体（见下表）。不过即便研究人员无法解决这些问题，磷烯也可能还有其他用途。
磷烯不像硅那么脆，因此它可能用在柔性电子元件中。而且磷烯可以发光，也有望用在激光器或者LED中。磷烯也有可能最适合用在一种目前还没发明出来的元件中。
什科佩克说：“在全球范围掀起了一股追逐像磷烯这样的二维材料的热潮，这将使我们可能得到混合有各种性质的独特产品。”其他有待研究的类似材料还有：锗烯、硅烯和锡烯。这些材料也已经准备好登场了。
毛皮潜水衣
撰文│辛西娅·格雷伯（Cynthia Graber）
翻译│廖红艳
研究人员从水獭身上得到灵感，希望设计出暖和的毛皮潜水衣。
鲸、海豹、海象都能在冰冷的海水中悠然游动，因为它们的身体被一层厚厚的脂肪包裹着。像海洋生物的脂肪层一样，人类的潜水衣由氯丁橡胶制成，也能起到保暖作用。不过，在冰冷的海水中，潜水员穿着加厚版的潜水衣，行动起来会非常不方便。除了大型海洋生物，我们能否从更小的一些动物（比如河狸和水獭）身上得到灵感呢？
“河狸和水獭身材比较小，不可能长一身厚厚的膘，所以演化出致密的毛发。在水中时，毛发里藏着的空气能起到保暖作用。”艾丽斯·纳斯托（Alice Nasto）说，她是麻省理工学院机械工程专业的一位研究生。科学家早就知道毛皮能捕获空气，形成隔热层，但一直不清楚其工作原理。所以，纳斯托和同事开展了这项新研究。
研究人员首先制作毛皮潜水衣模型。他们用激光切割弹性材料，模仿毛发表面。通过这种方法，研究人员可以精确地控制毛发之间的距离及毛发长度。然后，他们把制好的毛皮放入液体中（为了看清气泡，研究人员用的是硅油）。试验的关键是，毛皮在水中时，空气层要一直处于完整无损的状态。毛皮刚刚穿过空气和水之间的界面时，毛皮中充满了空气。毛皮完全浸入水中时，里面还留有多少空气呢？结果表明，毛发越浓密，在水中捕获空气的能力也就越强。相关研究已发表在《物理评论·流体》杂志上。
研究人员接下来想搞清楚的是，潜入水下后，如何保持空气不从毛皮中漏走。纳斯托说：“毛皮有许多有趣的特性，目前的试验还没有深入涉及。要弄明白河狸和水獭在水下活动时如何保持体温，我们还有很多工作要做。”
看起来，潜水员和冲浪运动员暂时还得穿得像海豹一样，但也许有一天，他们会穿得像水獭一样。
新型避火罩救助消防员
撰文│马克·考夫曼（Mark Kaufman）
翻译│张哲
用航天材料制成的新型避火罩，可以帮助消防员从火海中逃生。
尽管消防员提前做好了缜密的计划，但在野外灭火时仍可能突然被近1500°F（约816℃）的火焰包围。如果无法逃脱，他们就只能暂时躲在避火罩（一种能够反射热辐射的箔膜小帐篷）里，期待火焰迅速消退。
2013年夏天，在美国亚利桑那州亚内尔山执行任务的19位消防员使用了标准型避火罩。但由于火势太大，他们无一生还。这场悲剧过后，美国国家航空航天局兰利研究中心的科学家吸取了教训，开始研发更好的避火设备。他们使用了可膨胀隔热技术，这项技术最初用在航天器上，航天器穿过地球大气层时需要抵御2000～5000°F（约1093～2760℃）的高温。2017年4月中旬，美国林业局在艾伯塔大学的一个研究设备上测试了该避火罩抵御高温的能力。尽管实验结果尚未公布，但之前的测试结果表明这种避火罩很有潜力。如果这项技术最终被证实效果显著，那么消防员就可以用到新型避火罩。
过去50年间，传统的避火罩帮助数百位消防员从火海中逃生。但是参与开发新型避火罩原型产品的美国国家航空航天局热力学家乔希·福迪（Josh Fody）解释称，亚内尔山的悲剧说明“传统设备无法抵御高温，无法耐受火焰直接加热”。不过，新的避火材料能做到这一点。新型避火罩很薄，内部填充石墨烯薄片。福迪说，接触火焰后，石墨烯会使玻璃纤维隔热材料层膨胀，把避火罩变成“一个蓬松的大毯子”。他说这个材料“挺聪明”，因为它只有在高温下才会膨胀。这种避火罩很轻，这至关重要，因为消防员常常要在野外环境中长途跋涉，无法携带笨重的设备。
如果效果得到证实，这项技术算得上是及时雨。美国林业局生态学家马特·乔利（W. Matt Jolly）称，由于气候变得更炎热干燥，美国每年野外火灾的过火面积（燃烧过后形成的过火区域的面积大小）比20年前增加了一倍，“也就是说，消防员要面对更多的火灾”。
话题三 航空航天科技承载飞翔梦想
人类在漫长的社会进步中不断扩展自身的生存空间，从陆地到海洋，从海洋到天空，再从天空到太空，人类活动范围的每一次扩展，都是一次伟大的飞跃。航空航天技术的发展，为人类的飞翔梦想插上了翅膀。
便携式飞机
撰文│萨拉·托德·戴维森（Sarah Todd Davidson）
翻译│周俊
充气式飞机的研发让普通飞机不可能完成的任务成为了可能，对此我们还有大量的课题需要研究。从长远来看，对充气式飞机而言，天空和跑道不再是唯一的疆域。
一声闷响，炮弹从155毫米榴弹炮中迸射而出。不到1秒钟，弹壳便膨胀成一架翼展为183厘米的飞机，准备就绪，等待起飞。随后，飞机冲过浓烟弥漫的天空，飞向失火的森林。这是一般飞机都无法做到的。普通飞机飞行高度比较低，且必须根据航道飞行，遇到这种熊熊大火时，就只能“束手无策”了。
美国特拉华州ILC Dover公司的工程师称，这不过是在充气式飞机能够担当起这项任务前，进行一些微调试验而已。他们的目标是制造能够压缩和折叠、节省空间、便于运输和储藏的无人驾驶飞机。这种飞机除了可以用榴弹炮发射以外，还可以放进背包里，或进行空投。普通飞机安装了充气式机翼，翼展可以增长一倍。这样，飞机在飞行途中可以使用短机翼，在盘旋或减速降落时则张开充气机翼，以节约燃料。
充气膨胀的情景：183厘米的机翼在充满气体后便呈现出来，在放掉气体后可以方便运输和储藏。
2001年是充气式机翼发展史上值得纪念的一年。充气式飞机的发明者——美国国家航空航天局德赖登飞行研究中心（位于美国加利福尼亚州爱德华兹）从近305米的高空投下飞机，两个充气机翼都成功地展开了。但那些机翼上没有安装飞行控制系统。于是，ILC Dover公司开始在机翼里设计体积小巧、结构灵活、操作方便的制动器。工程师还设计了光电电池，机翼折叠时，电池收缩；机翼展开时，电池为机械设备提供能源。
ILC Dover公司的研发经理戴维·卡多根（David Cadogan）说：“对充气式飞机，我们还有大量的课题需要研究。”这种飞机能否执行多种任务，在某种程度上，取决于它的质量大小。这些飞机的质量有大有小，从4540～45,400克不等。45,400克级别的飞机，能够运载各种侦察设备，如光学和红外线照相机，并由一名飞行员驾驶。
就职于ILC Dover公司、负责宇航服研制的博比·琼斯（Bobby Jones）在美国肯塔基大学读书时，就已经开始研发机翼。对他来说，充气式飞机起飞是这项飞机工程的一件里程碑事件。他说：“当我跟人们谈论充气式机翼时，它也许就在我们的头顶上方。”
从长远来看，ILC Dover公司的工程师及肯塔基大学的合作者，都希望他们的飞机有一天能穿越火星的大气层。工程师称，实现这一目标的技术已经成熟了。
ILC Dover公司还为火星探测车设计了有助于安全着陆的气囊，但它并非唯一一家研发该技术的公司。美国加利福尼亚州埃尔西诺湖的Vertigo公司，为美国国家航空航天局设计出了2001年的机翼，并且还在继续这项研究。同时，该公司也在进行一系列研究，以制造能用榴弹炮发射的充气式军需品。此外，还有多个团体也对该技术表现出了兴趣，比如美国国家航空航天局、美国国防部高级研究计划局，以及生产无人驾驶飞机的几家公司。由此可见，当卡多根说天空就是这些机翼的界限时，或许他把目标定得太低了。
充气式飞机
充气式飞机不仅节约空间，而且非常强韧，不需跑道。远程遥控式飞机的时代结束后，飞行员仅仅通过直接着陆的方式就能把飞机带回家。这种着陆的冲击力很小，不会损伤坚韧的机翼。典型的机翼是由维克特拉纤维制成的，那是一种人造纤维，比凯芙拉纤维更强韧、更灵活。着陆后，飞行员只需把气体排放掉，然后就可以把飞机卷起来存放了。
天然气火箭
撰文│史蒂文·阿什利（Steven Ashley）
翻译│王栋
以甲烷为燃料的新型火箭发动机有很多优势，应用前景诱人。未来的火箭将使用甲烷作为动力来源，把人类送入太空，甚至送上火星。
很多人都知道天然气（甲烷）是日常生活中用于加热和取暖的一种燃料，然而在不远的将来，它也许还能推动宇宙飞船进入绕地球轨道，甚至到达更远的地方。世界各地的很多火箭工程师都在研究一种新型火箭发动机，它将用甲烷替代传统的液体燃料，为火箭提供动力。
过去半个世纪以来，工程师一般会选用碳氢化合物（比如煤油或氢）和低温下液化的氧作为火箭的化学推进燃料。但韩国C&Space公司（一家航天技术公司，位于韩国城南市）的戴维·赖斯伯勒（David Riseborough）指出，煤油和氢都有缺点。他说：“燃油燃烧产生的煤烟会在发动机表面沉积焦炭，造成堵塞，不利于火箭的重复使用。”氢燃料则需要昂贵的低温储存技术，操作起来十分危险；巨大的隔热储罐还要占用空间，增加火箭的负荷。
火箭燃料
运载火箭是用煤油、酒精、偏二甲肼、液态氢等作为燃烧剂，用硝酸、液态氮等提供的氧化剂帮助燃烧的。目前研制的火箭发动机多是固液火箭发动机，即在两种燃料中，一种为固体，另一种为液体。两种燃料相遇燃烧，形成高温高压气体，气体从喷口喷出，产生巨大推力，从而把运载火箭送上太空。
火箭上的任何纰漏都将带来灾难，因此火箭设计人员往往非常谨慎，坚持使用技术成熟、经过多次测试的装置和推进燃料。然而近年来，科学家也开始研究其他的替代燃料，甲烷就是其中之一。甲烷的性质相对温和，可以让航天员在太空或其他行星表面更安全、更有效地工作。
与煤油相比，甲烷燃烧释放的煤烟更少，产生的推力却更大。更重要的是，甲烷可以产生更高的比冲。（比冲是衡量燃料燃烧效率的物理量，表示一定质量的推进燃料能够产生多少动力。）
与氢相比，尽管甲烷的比冲略低一些，但它仍有许多优势。液态甲烷更稳定，挥发也更慢。而且，甲烷的储存对隔热措施的要求更低，可以显著减少系统重量。此外，与液态氢的液化温度（–253℃）相比，液态甲烷的液化温度（–162℃）与液态氧的（–183℃）更为接近，这使航天器的设计和操作都更加容易。甲烷燃料的另一个优势是：在未来的载人火星计划中，航天员可以就地取材，利用火星大气的主要成分——二氧化碳——合成甲烷，这有助于减少飞船的尺寸和重量。
在美国国家航空航天局的资助下，几家公司正在积累甲烷发动机的研究和制造经验。美国XCOR航天技术公司（一家火箭制造商，位于加利福尼亚州莫哈韦沙漠）的理查德·普尔内勒（Richard Pournelle）报告说，他们公司在2006年12月对一台推力为33,340牛的液态甲烷－液氧火箭发动机进行了地面试验。他们的竞争对手——美国KT工程公司（位于亚拉巴马州亨茨维尔市）——也在积极研制甲烷火箭发动机。
2006年12月，XCOR航天技术公司的甲烷火箭发动机在地面试验时，喷出了锥状的火箭尾焰。这种发动机也许会用于未来的宇宙飞行。
2006年3月，C&Space公司的工程师测试了一种甲烷－氢发动机，它可以产生88,906～133,358牛的推力。这种发动机是在俄罗斯专家的协助下设计完成的，可以将500千克重的卫星送入地球低轨道，发射费用约为每千克4409美元（仅为目前正常发射费用的20％左右）。这种装置还可以推动未来的亚轨道观光飞行器（一种在大气层外执行抛物线飞行，并不环绕地球运行的载人航天器，主要用于太空观光旅游），或者用作第二级火箭的推进器。赖斯伯勒说：“我们相信，甲烷可以大大缩短宇宙飞船的发射周期。”
虽然甲烷燃料的应用前景诱人，但发展道路绝不会一帆风顺。以日本宇宙航空研究开发机构联合几家风险投资公司合作研发的“银河快车”火箭为例，其二级火箭发动机设计用甲烷作为燃料，整个计划已经因为研发费用超过预算数亿美元而被推迟。
超声速脉冲爆震发动机
撰文│史蒂文·阿什利（Steven Ashley）
翻译│王栋
科学家正在对脉冲爆震发动机进行研发，争取在未来一二十年内，将它应用在多种类型的航空器上。
1944年6月，德国首次成功试射V－1导弹。大约一年后，这种简陋而原始的巡航导弹就频频侵扰英国和比利时的城市与乡村。它带着令人恐惧的“嗡嗡”声，毫无目标地狂轰滥炸，没有人知道死亡和毁灭会在何时何地到来。推动这种“嗡嗡作响的炸弹”的脉冲喷气动力装置结构简单，但噪声巨大、耗油量惊人。如今，工程师正在对它进行细致的分析和改进，试图利用同样的技术原理，研制出较轻的、功能更加强大的发动机。这种发动机由反复的冲击波驱动燃烧循环来提供动力，效率更高。在未来一二十年内，这种脉冲爆震发动机也许就能被应用在多种类型的航空器上。
德国的V－1导弹依赖于脉冲喷气发动机。能让燃料更加快速燃烧的类似发动机，可以提供更好的性能和燃料效率。
在美国纽约州的尼斯卡于纳，纳伦德拉·乔希（Narendra Joshi）领导着通用电气公司的一个研究小组。他介绍说，脉冲喷气发动机是结构最简单的航空发动机。除了没有活塞外，这种发动机在很多方面都类似于普通汽车发动机中的燃烧室。它的基本运作原理是：一段短金属管的一端安装有一个注入阀，在注入阀的控制下，一定量的加压燃油和空气能以很高的频率被反复注入金属管，混合成为可燃气体，并用火花塞点燃。普通燃油燃烧后产生的膨胀燃烧气体，飞快地从金属管的另一端冲出，从而产生推力。接着，这一过程立刻被重复，1秒钟要进行50次循环——这个频率正是V－1导弹臭名昭著的“嗡嗡”声的来源。虽然脉冲喷气发动机是一种简单高效的推进装置，但是它对燃油的燃烧相当缓慢且不充分，燃烧效率低下。
不过，如果注入的燃油和空气被火花塞点燃后，产生的火焰前锋能够在混合气体中加速，在经过一段较长的金属管后，燃烧推进速度就可以达到大约5倍声速。这种高效率的超声速反应过程能使燃烧迅速且充分，可以说混合气体实际上是发生了爆炸。这样，同样数量的燃料就可以产生更大的推力。在这种脉冲爆震发动机中，爆炸的时间间隔为几十毫秒，比脉冲喷气发动机的工作频率高1倍以上。
过去十多年来，研究人员通过计算机模拟这一复杂的燃烧过程，并将得到的结果与实验室测试进行比较，已经对脉冲爆震的基本物理过程有了更多的了解。与此同时，工程师扩展了此类研究，开发了一种脉冲爆震原型发动机，它可以驱动超声速吸气式导弹，推动运载火箭，或者增强战斗机上的加力燃烧室。但是，美国西雅图普惠发动机公司的工程经理加里·利德斯通（Gary Lidstone）认为，复合式涡轮脉冲爆震发动机才是真正令人激动的目标。在这种发动机中，脉冲爆震管取代了中心压缩机和燃气涡轮燃烧室。这样的设计可以使高涵道比涡轮风扇发动机的燃油效率明显提高，同时还能降低燃烧室产生的钻机一般的噪声。
燃料在金属管中燃烧加速达到超声速，就能从同等数量的燃料中获得更多的能量。
涵道比
涡轮风扇发动机的涵道比（也称旁通比）是不经过燃烧室的空气质量与经过燃烧室的空气质量的比例。早期的涡轮风扇发动机和现代战斗机使用的涡轮风扇发动机涵道比都较低，现代民航机的发动机的涵道比通常都在5以上。涵道比高的涡轮风扇发动机耗油较少，推力却与涡轮喷射发动机相当，运转时也要安静得多。
普惠发动机公司的工程师已完成了对脉冲爆震燃烧室的测试，在一段直径为5厘米的管腔内成功进行了喷气燃料的燃烧，甚至在受到模拟的、下游涡轮产生的背压的影响下，测试也取得了成功。在美国国家航空航天局和美国空军的支持下，普惠发动机公司正加紧评估该技术在一种复合式发动机中的应用。与此同时，通用电气公司的乔希研究小组正在制作一个脉冲爆震燃烧室，它由三个直径为5厘米的空管组成。研究小组为它配备了一台直径为15厘米的100马力涡轮机，这其实是一架A－10“疣猪”攻击机的燃油机启动器。
乔希提醒说，仍然有许多难关有待攻克，比如研发一种超高强度的快速作用阀及相应的控制系统，研制一些能承受脉冲燃烧带来的高度机械疲劳的部件，制造能被安装在标准尺寸涡轮里的燃烧管等。但如果工程师能够克服这些困难和障碍，复合式发动机也许就能把燃油消耗量减少5％以上，每年为航空公司节省数百万美元的燃油费，还能减少二氧化碳的排放。这些优点一定会让所有的航空业内人士心动不已。
可观的附加效益
除了用来驱动航空器外，工程师们还把脉冲爆震发动机的基本原理应用到了衍生产品的制造上。他们设计出一种设备，用来清除阻塞在工业锅炉导热管内很难去除的水垢。普惠发动机公司的Shocksystem和通用电气公司的Powerwave+，都用脉冲爆震产生的冲击波来清除顽固污渍。
太空中的斯特林发电机
撰文│马克·沃尔弗顿（Mark Wolverton）
翻译│王栋
美国国家航空航天局打算利用200年前的一项技术，开辟太阳系探索的新时代。太空中的斯特林发电机具有高效和便宜的重要优势，有望成为驱动下一个太阳系探索时代的主要动力。
30多年来，美国国家航空航天局的深空探测器，使用的都是放射性同位素温差发电机，这是一种利用钚238衰变产生温差进而发电的装置。现在，美国国家航空航天局正在考虑放弃这种笨重、昂贵且效率不高的发电机，用一套新的发电系统取而代之。这套新设备使用更少的放射性燃料就能产生更多的能量，它所采用的技术实际上源于19世纪的一项发明。
目前的深空探测器，比如这幅画中正在飞越地球的“卡西尼号”土星探测器，使用的动力系统都是放射性同位素温差发电机。美国国家航空航天局计划用斯特林发电机替代放射性同位素温差发电机，前者所需的放射性燃料仅为后者的1/4。
