这些技术合在一起，就制成了这套适应能力较强的机器人倾听系统。与其他类似的系统相比，这套系统的能力更接近于人脑的听觉能力。奥乃博表示，这套系统也许能同时处理多达6个人的声音，具体人数取决于人们的相对位置和麦克风的数量（目前是8个）。此外，机器人还可以移动并面向说话者，从而提高听觉处理性能。
美国哥伦比亚大学语言与声音识别重构实验室的负责人丹·埃利斯（Dan Ellis）评价说：“奥乃博的机器人听觉项目，把多麦克风声源定位的最佳方法和强大的缺失特征语音识别技术很好地结合在了一起，因此在理解重叠语音方面表现得非常出色。致力于解决真实世界中遇到的所有实际问题，探索能让机器和人类在真实环境中交谈沟通的技术，这才是奥乃博的研究工作高于其他类似研究的原因所在。”
除了给快餐店打工以外，奥乃博的机器人还可以改造成具有降噪功能的人工耳蜗。奥乃博认为，这样的设备可以与先进的自动复述系统结合起来，这一点非常重要，因为有听力障碍的人通常对谈话内容的上下文相当依赖。奥乃博本人因为常年用耳机听音乐，而且把声音开得很大，听力受到了损害，如果不借助听力辅助设备，基本上就是个聋子。他开玩笑说：“目前类人机器人的听觉能力跟我差不多。”
奥乃博希望，这一技术能有更广泛的应用。他预测说，“在不久的将来，许多家电都会拥有内置的麦克风”，这些麦克风能做的事情肯定不仅仅是了解你想吃什么这么简单。
航海机器人穿越太平洋
撰文│卡伦·弗伦克尔（Karen A. Frenkel）
翻译│王栋
一台潜水机器人不仅获得了一批珍贵数据，还创造了无人驾驶潜水设备航行距离的新纪录。
现在，科学家正在研究一台名为“Papa Mau”的潜水机器人采集的数据信息。这台机器人和冲浪板一般大，由波浪驱动航行。它从美国旧金山出发，航行16,668千米后，于2012年年末抵达了澳大利亚赫维湾，成功穿越太平洋，并创造了无人驾驶潜水设备航行距离的纪录。它还记录了沿途有关洋流、风速和对海洋生物至关重要的微生物等数据信息。
这台潜水机器人在海中航行了一年有余，是4台被称为“波浪滑行者”的自动航海机器人中的一台。这些机器人由位于美国加利福尼亚州的Liquid Robotics公司研制并测试运行。公司首席执行官比尔·瓦斯（Bill Vass）介绍说，他们的潜水机器人提供的数据，其精确度比卫星提供的还高。目前，卫星被用来监测风速、浪高及水华等海洋数据。在400千米高的轨道上，卫星“只能粗略地遥感这些数据”。此外，卫星也只能监测洋面附近的海洋环境。与之相比，滑行者机器人能够“感知洋流的方方面面”。这一功能可使滑行者机器人更好地监测洋流的流速和方向，而这些信息对航运、石油和天然气开采以及全球天气均有重要影响。
美国罗格斯大学海洋生物学教授奥斯卡·斯科菲尔德（Oscar Schofield）虽然也认为卫星的探测效果有限，但“即便只能探测到洋面，卫星仍是能提供海洋全球监测的唯一途径”。问题是，如何才能填补洋面之下监测的空白，将二维平面探测升级为三维立体探测呢？同是罗格斯大学教授的物理海洋学家斯科特·格伦（Scott Glenn）说，结合卫星和滑行者机器人两者获得的数据，或许能带来更加完整的图像。卫星能提供实时海洋图，而“波浪滑行者”机器人和“水下测绘滑行者”机器人则能进行垂直方向上的海洋测绘，并且能随时派它们去最感兴趣的海区，格伦解释说。
Liquid Robotics公司挑选了5名科学家，来研究“Papa Mau”和其他滑行者机器人收集的数据。来自美国加利福尼亚大学默塞德分校和圣克鲁斯分校、斯克里普斯海洋研究所、得克萨斯大学奥斯汀分校，以及位于波士顿的Wise Eddy软件公司的研究人员，将利用这些数据来分析评价海洋生态的健康和循环、海洋生物种群的数量，以及其他对海洋生物具有决定性影响的相关信息。
无人机保护野生犀牛
撰文│约翰·普拉特（John R. Platt）
翻译│高瑞雪
无人机将可以帮助肯尼亚保护犀牛。
想象一下，只有几十个警察在曼哈顿全境巡逻，保护被一群装备精良的犯罪分子盯上并想要杀掉的东西。这就是近来肯尼亚中部奥尔佩杰塔自然保护区的大致状况。这个360平方千米的非盈利性自然保护区是许多濒临灭绝的珍稀动物的家园。这里生活着黑犀牛、大象、狮子、黑猩猩、细纹斑马，以及世界上最后7头北部白犀牛中的4头。其中，犀牛处境尤其危险，因为犀牛角能使偷猎者获得巨大的财富。据保护区管理局说，在这种平均收入只有每天1美元的国家里，仅仅一只犀牛角就可以给偷猎者带来相当于30年工资的收入。
虽然奥尔佩杰塔保护区24小时武装护卫北部白犀牛，但是在保护区的其余区域，只有区区160名警卫，想要完成巡视任务几乎是不可能的。为了能让这些动物时刻处于保护之中，保护区管理局借助募资网站Indiegogo，募集到了35,000美元，购买了第一架无人机。
在世界各地保护濒危物种的工作中，类似的无人机已经发挥了作用。最终，总部设在美国的Unmanned Innovation公司的一个无人机型号获得了奥尔佩杰塔管理局的青睐。该型号无人机可以按照预先设定的程序模式飞行，同时还能向笔记本计算机发回实时视频。该无人机配有高清晰度的摄像头，在日间飞行中能够高倍变焦，在夜间活动时又可以红外热成像。奥尔佩杰塔保护区还计划给一些动物装上射频识别标签，以便无人机能够进行定位和跟踪。
无人机发送的视频和射频识别标签相结合，能让管理人员从空中发现问题，比如动物遇到了麻烦，或是偷猎者出现在不该出现的地方。
尽管这是奥尔佩杰塔保护区第一次启用无人机，但是已对偷猎者起到威慑作用。“有东西在天上，天空中有眼睛在看着，”罗伯特·布瑞尔（Robert Breare）说，“这样的消息会传播开来。”布瑞尔在奥尔佩杰塔保护区负责策划和创新工作，并且主持推进无人机工程。他说：“无人机飞行时产生的发动机的声音，就是我们最大的收益。”
把机器人的耳朵“叫醒”
撰文│格雷戈里·莫内（Gregory Mone）
翻译│王栋
研究人员设计了一种新的声音识别方案，让智能设备不仅能识别人类语言，还能识别其他声音。
在语音识别软件（例如iPhone的Siri）的帮助下，机器人已经能够识别语音命令并对此作出反应。但是，智能设备对其他声音的识别仍然很困难。位于美国波士顿的Rethink Robotics公司的机器人学家约瑟夫·罗马诺（Joseph Romano）解释说：“从某种意义上讲，这个问题其实应该更容易解决，只是目前还没有进行过很多关于环境声音方面的研究工作，环境声音还没有被整合进机器人的反馈回路中。”
罗马诺试图让机器人尝试“聆听”除我们人类谈话以外的其他声音。他同美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员合作，编写出了一款名为《怒吼》（机器人操控系统开源音频识别程序）的工具软件，可以让机器人学家训练智能设备对更多种类的声音作出反应。根据于《自主式机器人》期刊上发表的一篇研究文章介绍，该工具软件所需的主要硬件设备仅仅是一部麦克风。
开始进行训练时，操控员首先会让机器人装备的麦克风捕捉周围的声音，《怒吼》软件会滤除其中的静电噪声。接下来，操控员将引导《怒吼》软件来识别一些关键声音。在识别过程中，操控员需要反复进行某一特定动作（例如关门或打开智能手机闹铃），并在机器人“聆听”声音时，为不同的特征音频做不同的标记，以此来实现声音识别训练。最后，在完成一系列训练课程后，《怒吼》软件会对与动作相关的所有声音建立一个通用模型。
该研究团队在一部单臂机器人上安装了《怒吼》软件，用以测试该软件是否可以增强机器人完成特定任务的能力。其中的一个实验设置是让机器人尝试自主抓取并启动电钻。在没有声音反馈的情况下，机器人在20次尝试中只成功了9次；安装了《怒吼》软件后，机器人在做抓取动作后，如果没有听到电钻马达运转的声音，它就会调整动作再试一次，从而将成功率提高了一倍。
该项研究的下一个目标，是确保软件在吵闹嘈杂的环境中也能正常运行。未来的某一天，机器人学家如果能将声音识别成功地整合进机器人的反馈回路中，与视觉识别和触觉识别共同发挥作用，机器人护士就可以迅速应对病人的呼叫，工业机器人也能对生产中的故障及时作出反应。虽然这项技术的研究才刚刚起步，但是罗马诺认为它的潜力巨大。“现在，我们甚至连（这项技术）能做什么都还没有开始探索呢。”他说。
“谍影旋机”助警方破案
撰文│廖红艳
通过模仿蝙蝠和鸟类的飞行和栖息机制，科学家发明了仿生飞行吸附两栖机器人，希望未来能将它应用在犯罪、火灾、爆炸、地震等现场，进行侦察和监控。
犯罪嫌疑人走出大楼，乘坐汽车离开。这时，早早隐藏在楼顶的“谍影旋机”也开始行动。它悄无声息地接近犯罪嫌疑人乘坐的汽车，稳稳地吸附在车尾，清楚记录下犯罪嫌疑人的行车路线和车内情况。当犯罪嫌疑人走进另一栋大楼后，“谍影旋机”又飞向空中，“粘”在犯罪嫌疑人所在房间的窗外，伸出小摄像头，把现场情况拍了下来，最终帮助警方抓住了犯罪嫌疑人。
实际上，这是一次演习。表现神勇的“谍影旋机”，是南京理工大学计算机科学与工程学院智能科学与技术系副教授、博士生导师刘永带领的研究团队，研发的一款仿生飞行吸附两栖机器人。
这款侧吸式机器人外表看起来像一台遥控飞机，由四旋翼结构、吸附装置、无线摄像头、嵌入式控制器和多种传感器等部件组成。
它既可以像飞行生物一样飞行，又可以像壁虎一样吸在天花板和墙壁上，还可以像鸟儿一样抓着树枝，具有功耗低、噪声低、续航能力强等优点。它不仅具有空中飞行能力，能快速移动到目标位置，而且具有在三维空间壁面进行稳定吸附的能力，能够长时间在线工作，未来有望应用在犯罪、火灾、爆炸、地震等现场，进行侦察和监控。
“谍影旋机”是刘永团队研制的第三代产品，在此之前，他们在飞行吸附机理及飞行吸附方位方面，经过了较长时间的研发。
在接受《环球科学》记者采访时，刘永说：“研发过程中面临的最大技术挑战，是让机器人在空中实现飞行和吸附状态的自主转换。由于在状态转换瞬间，吸附力和壁面反作用力的存在，正常的飞行控制规律完全失效，需要新的控制机理和关键技术。”
为了解决这些机理问题，研发团队一方面从数学上建立了机器人的动力学模型，提出了阻抗控制和力控制等策略；另一方面，从系统设计上，采取了柔性装置和多传感器等技术手段。
研发团队中的孙国辛当时是南京理工大学计算机专业研三的学生，他说：“当初做实验时经历了无数次失败，机器人接触到墙面，有时会侧翻或者坠落。后来，团队成员在吸盘的支撑杆上设计了一个缓冲器，上面安装了弹簧。机器人碰到墙的时候，弹簧可以吸收墙面的反作用力，吸盘附近的支架也有助于把机器人固定在墙上。”
由于设计精巧，“谍影旋机”虽然自重只有1.5千克，却能搭载1千克的物品；普通机器人能飞二三十分钟就不错了，但这款飞行吸附两栖机器人一次能运行两三百分钟。
“一旦机器人吸附在墙壁上，螺旋桨就会停下，这样耗电量就少了，”孙国辛介绍说，“另外，机器人身上有一个测距传感器，在距离墙面近1米的地方，就可以调整飞行速度和姿态，防止机器人撞到墙上。飞到距离墙面5～10厘米时，机器人还能根据测力传感器，分析墙面的粗糙程度，最终确定吸盘的吸附力。因为机器人能够自己判断吸附力，所以也比较节能。”
在后续应用中，刘永希望，这款“谍影旋机”飞行吸附两栖机器人，能够像飞机一样实现自主起降。“自主性的起飞与降落，对飞行吸附两栖机器人的安全性非常重要。不过，要实现自主、智能化的起降过程，使机器人能够像真正的飞行生物一样停落在壁面上，再从壁面上自由地飞走，我们还需要做一些深入的研究。”刘永说。
除了提升机器人的自主起降能力和智能化水平，研发团队还打算进一步提高机器人的有效负载、续航能力和隐蔽性，以应对复杂三维空间环境，同时提供更加友好、简单的人机操控界面。
刘永说：“未来，我们想设计一款能执行长期侦查任务的机器人，它能像鸟、蝙蝠一样自由飞行栖息，把现场的图像和信息源源不断地传回来。”
社交网站成科研数据重要来源
撰文│梅琳达·温纳·莫耶（Melinda Wenner Moyer）
翻译│王栋
推特拥有数十亿用户，他们每天发布的“推文”数量巨大，这是一笔无价的数据资源。
每天，全世界用户发表在推特上的“推文”有5亿条之多。对于研究人类行为模式的科学家来说，社交网站无疑是巨大的数据宝藏，因为其中包含大量有关用户私人生活的详细信息。
通过分析这些数据，研究人员可以找出影响健康的风险因素，还能追踪某些疾病的流行情况。例如，微软公司的研究人员开发出了一种算法，能通过分析怀孕妇女在推文中表现出的潜在情绪，预测她们患产后抑郁症的几率。美国地质调查局则利用推特来追踪地震发生的位置，因为地震时人们会在推特上炸了锅一样讨论刚刚感觉到的震动。
然而，即便是最热衷于此类研究的科学家，能得到的推文量仍很有限。虽然大部分推文都是公开的，但如果想要进行免费的系统性搜索，科学家就需要通过推特的后台系统来进行，而即使这样，搜索到的档案记录也只占全部数据的1％。不过，这种情况已得到改变：2014年2月，推特公司宣布，将把2006年起的全部“推文”记录，免费提供给研究人员使用。随着可利用的数据越来越多，而且人人有份，科学家将能探索一些更复杂、更具体的问题，用推特作为工具的研究也很可能会因此更加“兴旺发达”。
虽然推特公司的这一表态令人兴奋，但同时也引发了一些棘手的问题。例如，推特对基于自己数据产生的科研成果，享有法律权益吗？如果用户不愿意参与研究，那么将他们的“推文”用于研究，合乎道德吗？
为了消除这些担忧，2014年2月，美国弗吉尼亚理工大学的计算流行病学家凯特琳·里弗斯（Caitlin Rivers）和布赖恩·刘易斯（Bryan Lewis）发表了一篇文章，对使用推特数据提出了一些指导性道德原则。他们建议，科学家绝不能暴露用户的昵称，并且要将自己所从事的科学研究的目的公之于众。比方说，虽然从公共场合收集信息不存在道德问题（推特其实也是一种公共场合），但如果在未经用户许可的情况下，公开他（她）的个人信息，就不道德了。里弗斯和刘易斯指出，随着基于推特的研究项目迅速增多，考虑和保护用户隐私就变得极为重要。对科学家来说，可利用的数据越多，也意味着需要承担的责任越大。
机器人做比萨饼
撰文│珍妮特·毕比（Jeanette Beebe）
翻译│李想
对机器人来说，拉伸可变形的物体（比如面团）是非常不容易的一件事。
在加班夜宵的食谱上，比萨饼一直骄傲地拥有自己的一席之地。身在意大利那不勒斯的科学家可以很方便地尝到世界级的美味外卖，那里的比萨饼可谓美誉四方。但让工程师布鲁诺·西西利亚诺（Bruno Siciliano）着迷的不仅仅是比萨饼的美味，更是它的烹饪过程。
“制作比萨饼需要非凡的灵巧和细腻的技术。”西西利亚诺说道，他在那不勒斯费代里科二世大学领导一个机器人研究小组。拉伸一个可变形的物体，比如面团，不仅着力点要准确，而且力道也得适当。这是少数几件人类能轻易做到，但机器人无能为力的事情之一——仅就目前而言。
西西利亚诺的小组一直致力于灵巧机器人的研发，机器人要能揉面、拉伸面团、撒放作料、将面饼放入烤箱，从头到尾完成比萨饼的烹饪。“机器人动态操控”是一个由欧洲研究理事会斥资250万欧元资助的、为期5年的研究项目。该项目研发的机器人最终要能像人类厨师那样，让面团在指尖上翻飞甩动，既要保持住旋转又要能预测面团的形变。机器人厨师在2018年5月那不勒斯传统的比萨饼节上首次亮相。
2017年春天，“机器人动态操控”到达了一个新的高度：首次在不拉断的前提下拉长面团。为了训练机器人，西西利亚诺的小组聘请了比萨饼大师恩佐·科恰（Enzo Coccia），让他穿上一套动作捕捉设备。“我们学习科恰的动作，然后操控机器人进行模仿。”西西利亚诺说道。
“这种策略很有效。”科罗拉多大学博尔德分校机器人专家尼古劳斯·科雷尔（Nikolaus Correll）说道。科雷尔利用橡胶弹簧模仿了柔性动作，不过他并未参与西西利亚诺的研究。“人们学习制作比萨饼依靠的是来自双手的反馈，”科雷尔说，“人们得拉扯面团，感受面团。”
而“机器人动态操控”是使用头部的视觉系统来实时追踪面团。软件可以帮助机器人像厨师那样通过自我训练来掌握技巧，对于笨拙而稍显慌乱的机器人而言，这的确不容易。机器人需要捕捉面团的位置，然后追踪它的运动。通过练习，机器人会像人类发展出“肌肉记忆”那样熟能生巧。研究人员希望，借助“机器人动态操控”技术，新一代机器人即便不能像真人一样，也至少能以准确、精细、灵巧的方式完成任务。不过，西西利亚诺承认，还没什么能比得上人类厨师。“我永远也不会去吃机器人做的比萨饼，”他说道，“机器人没法做出源自厨师灵魂的味道。”
无人机飞进火山口
撰文│香农·霍尔（Shannon Hall）
翻译│林清
在无人机的帮助下，研究人员近距离领略了火山的内部活动。
危地马拉的富埃戈火山（Volcan de Fuego）确实实至名归。“Fuego”在危地马拉语中的意思是“烈焰”，“烈焰火山”不仅每隔1小时就会向空中喷射几次火山灰，而且几乎每月都会有一次大爆发，化身成真正的炼狱，届时火山喷发的规模更大，吓人的岩浆和碎屑沿着山坡倾泻而下。这种周期性的行为正愈演愈烈，科学家不禁担心这座火山是否即将发生一次更大规模的喷发。1974年，这里曾发生过一次大规模火山喷发，火山灰喷射到4英里（约6.4千米）高的天空中，巨量岩屑顺坡而下。从那之后，下一次不知何时发生的大规模喷发，就成为当地10万居民心中挥之不去的梦魇。
但是，由于无法近距离观察，科学家很难预测火山今后的活动趋势。2017年早些时候，由火山学家和工程师组成的科研小组，首次通过无人机捕捉到了火山口活动的影像。“从火山学的角度来看，我们从未想到可以如此近距离地观察火山爆发，”研究团队成员、剑桥大学的火山学家埃玛·刘（Emma Liu）说，“那场面真是太壮观了。”
通过无人机的拍摄，研究人员发现，在富埃戈火山每月大爆发的前几天，火山口内会形成一个巨大的圆锥体。埃玛·刘及同事猜测，这个圆锥体会不断上升，直到像摇摇欲坠的叠叠乐塔一样，在结构变得不稳定时，开始部分塌陷，并喷发出更多的熔岩和岩屑，这个过程会部分地以半规则模式重复。
研究人员通过远程操控无人机，勘察帕卡亚火山（1）和富埃戈火山（2）。
基于上述观点，火山学家可以更为精确地预测火山的爆发周期。拉蒙特－多尔蒂地球观测站的火山学家埃纳特·列夫（Einat Lev，未参与此项研究）称，这项工作“是对火山基本新知识的绝佳展示，特别是（无人机）提供了关于危地马拉火山内部活动的场景”。
该小组成员计划2017年11月返回危地马拉，通过观察火山口活动的整个周期来验证他们的假设。这次，他们所用的无人机将配备新的仪器，可以同时对火山灰柱进行取样，这可能有助于确定富埃戈火山是否会再次发生灾难性的喷发。
话题八 科技创新引领时代
科技创新是现代化的发动机，是一个国家的进步和发展最重要的因素之一。科技创新能力强盛的国家在世界经济的发展中发挥着主导作用，只有不断提升自主创新能力，才能使经济建设和社会发展不断迈上新的台阶，实现可持续发展。
柔性电子技术获突破
撰文│郗泽潇
复旦大学科研团队揭示了有机薄膜晶体管稳定性机理，弯曲手机、折叠电视或将很快成真。
透明手机、折叠电视、防伪纸币、可显示新闻的车窗等一系列高科技产品，无不令人惊叹、向往。这些高科技产品的实现，都要依赖于柔性大面积电子技术。因此，其中最核心的硬件——大面积柔性有机薄膜晶体管（OTFT），受到了科研人员越来越多的关注。
OTFT具有可弯曲、伸展和折叠的特性，易于大面积印刷加工，生产成本低廉且无污染，因此应用前景非常广泛。然而，OTFT的性能不够稳定，国际学术界对其性能不稳定的成因和来源莫衷一是，这阻碍了OTFT走向商业化应用的进程。
复旦大学仇志军教授与刘冉教授领导的科研团队或许会改变这个局面。他们在揭示OTFT性能稳定性机制上取得突破性进展，找到了导致OTFT性能发生变化的内在机理，提出了水氧电化学反应与有机薄膜载流子相互作用模型，获得了广泛认可。
仇志军教授介绍说，OTFT是通过带正电荷的导电载流子（可以自由移动的带有电荷的物质微粒）来导电，当空气中大量存在的水分子和氧气分子与OTFT发生直接接触的时候，在OTFT表面会发生可逆的电化学反应。在正向电压作用下，水分子和氧气分子产生正向电化学反应，器件表面迅速产生大量带负电荷的氢氧根离子。正负电荷的相互吸引，导致OTFT中带正电荷的导电载流子被氢氧根离子牢牢“锁住”，缺少载流子的OTFT无法导通，也就无法正常工作。
左为传统硅芯片，右为柔性电子芯片。
然而在施加反向电压后，氢氧根离子发生逆向电化学反应，水分子和氧气分子被重新释放出来，之前被牢牢“锁住”的载流子便能在器件中自由“流动”，OTFT再次导通。
对于这种反应机理，科学家想出了一个生动的比喻——海绵模型。整个过程犹如向一条不断流动的小溪中投掷大量海绵，海绵吸水时，小溪近乎干涸而无水流动；海绵受到挤压时，水分会流出，小溪再次流动。小溪指的是OTFT，海绵指的是水分子和氧气分子，吸收和挤压指的是施加正、反向电压的过程，而水分就是载流子。如果OTFT内的电流状态不断发生变化，其逻辑操作就会发生“漂移”，导致电路工作紊乱失效。
实验结果表明，该模型为统一理论模型，不但适用于低导电特性的OTFT，还适用于类似碳纳米管和石墨烯之类具有高导电特性的薄膜器件，并且为OTFT的大规模应用提供了理论依据。
柔性电子技术具有良好的集成性和结合性，可广泛应用于那些对芯片本身性能要求不高，但需要芯片能大面积灵活运用的领域，如智能包装、可穿戴设备、医学成像、纸币防伪、大面积传感器和照明等领域。因此，柔性电子技术成为促成物联网真正普及和大规模应用的“最核心”技术。复旦大学科研团队的研究成果扫清了大规模应用中的障碍，为物联网普及和大规模应用做出了技术开发和储备的贡献。
物联网
综合采用计算机、网络、传感器、控制设备等，让能够被独立寻址的相关物理对象互联互通，实现对它们识别、监控和管理的智能化网络。物联网是新一代信息技术的重要组成部分，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。
追逐太阳的概念车
撰文│拉里·格林迈耶（Larry Greenemeier）
翻译│王栋
一种混合动力概念车将可以完全使用太阳能来进行短途行驶。
时至今日，太阳能汽车几乎都还只是实验性的新鲜玩意儿。成本居高不下的电池、较低的能量转化率、许多地区并不多见的晴天等原因，让以光伏电池为动力的乘用车很难变成现实。
不过，福特公司正试图改变这一点。2014年，在美国消费电子协会于拉斯维加斯举办的国际消费电子展上，福特公司的C－MAX Energi混合动力车首次与公众见面。这辆车使用装在车顶的太阳能面板，来为锂离子电池充电。在电池驱动下，这辆车最远能行使34千米。随后，该混合动力车的汽油发动机将开始工作。“这是全世界首款不需要连接电源充电的插电车。”福特全球电气化与基础设施总监迈克·廷斯基（Mike Tinskey）介绍说。
这种概念车随车携带的一面展开面积可达20平方米的丙烯酸塑料顶篷，内有起到巨型放大镜作用的透镜，可将强烈的日光导向车载太阳能板上。这种概念车利用传感器和摄像机，能追踪太阳的位置，并自动移动顶篷内透镜的位置来获得最佳日照。“与只是让车停在阳光下相比，这种系统能将车辆的充电速度提升8倍。”廷斯基介绍说。
显而易见，要想让这种概念车从展台上驶入寻常百姓家，福特公司还有不少坎要过。例如，太阳能电池、追踪系统和顶篷的成本问题等都还有待解决。此外，这种概念车的位置调整系统还会带来可行性和安全性方面的问题：普通家庭的车道上能容下一辆自行乱跑的车吗？怎么才能防止它无意压过挡在路上的东西呢？例如某人的脚，或者一只打盹的猫。
即便存在这些困难，这辆混合动力车仍然标志着未来汽车的一个大有希望的发展方向——实现无需电缆而且能源自给的乘用车。
“天河二号”助力石油勘探
撰文│刘洋
科学家使用计算机模拟石油勘探，这是超级计算机投入应用以来面对的最艰巨的挑战之一。
人们总是担心找不到足够的石油支撑社会前进，这种情感之强烈几乎堪比马尔萨斯（Malthus，人口学家，以其人口理论闻名于世）对人口过快增长将令人类不堪重负的担心。
解决问题的关键在于技术，现代科学技术正改变石油勘探艰苦乏味的特点。科学家已经可以通过分析地震波产生的大量原始信号来提高勘探的速度和精度，中石油开发的GeoEast系统就承担着这样的使命。GeoEast是一款地震数据处理与解释协同工作的一体化系统，它由近500个功能模块组成，能实现陆地和海洋等多地形地质结构的石油勘探模拟。
但使用这样强大的系统会带来另一个棘手的问题：在使用过程中产生的大量数据要求计算机必须具有极高的存储、计算和I/O（输入／输出）能力，因为只有如此，研究人员才能模拟出地震剖面图，从而推断出矿藏的准确位置。很多时候，甚至系统中某个模块的使用就能占据寻常超级计算机全部的计算节点。因此，在GeoEast系统闻名世界的过程中，至少有两个幕后英雄值得关注。
其中一个是“天河二号”。与很多超级计算机相比，“天河二号”有几个显著特点：它是一个完全开放的设备，所有科学家都可以利用它解决科研难题，这与天文学家争取天文望远镜使用时间的方式差不多；它的体积比超级计算机“泰坦”小了15％，运算能力反而提升了接近1倍；它使用了CPU（中央处理器）和GPU（图形处理器）相结合的技术，尽管它的GPU不那么为人所熟知。
浪潮公司是另一个幕后英雄，正是这家公司凭借它在石油勘探行业积累的经验，设计出的高效低耗系统方案TS10000，将GeoEast系统的作业效率提高了10％，从而大大缩短了勘探的周期。这套系统由404个计算节点构成，整体峰值计算性能达134万亿次，运算能力因此获得了大幅提升；考虑到GeoEast系统是数据密集型和计算密集型相结合的应用，浪潮公司用万兆以太网将各计算节点彼此互联，从而提高了数据传输能力；浪潮公司还为该系统配置了它独立研发的高性能计算服务平台，用户借此可以精确快速跟踪资源使用情况，有效管理运算过程中的系统环境；最后，浪潮还对GeoEast系统中的部分模块进行了应用优化，因此GeoEast系统获得了量级的性能提升。
盲目的担心无助于问题的解决，技术进步在这里再次帮助人们解决了问题。
3D打印微型金属装置
撰文│迈克尔·贝尔菲奥尔（Michael Belfiore）
翻译│赵昌昊
研究人员从传统半导体加工工艺中得到灵感，开发了一种新的3D打印技术。
从商用电子设备到医疗器械，产品的尺寸都在不断缩小，这也给制造商带来了新的挑战：如何能制造出近乎微观尺寸的零件，同时又能完美呈现零件的细节部分？位于美国加利福尼亚州的Microfabrica公司，将逐层堆叠的3D打印技术与用于生产计算机芯片的金属离子电镀技术结合，研发出了一种新的生产工艺。这种工艺可以用5微米厚的金属层堆叠出极其精细的结构。相比之下，聚合物喷射3D打印机只能喷射出16微米厚的塑料层。
Microfabrica公司的新技术，不仅可用于制造各种新型工具，还可用于制造传统工具的“微缩版”。例如，该公司在美国国防部高级研究计划局推动的项目中，研制出了为计算机芯片散热的微型散热器，以及军用微型计时装置。Microfabrica公司还用该技术生产小型外科手术设备，包括一种直径不足1毫米的活体取样钳和一种带有联动装置、可随着细胞生长而扩展的组织支架。美国东北大学的机械与工业工程教授卡罗尔·利弗莫尔（Carol Livermore）对Microfabrica公司的技术大为称道，他说：“我从未见过比它更精尖的3D打印技术。”
活体取样钳（1）和可扩展的组织支架（2）。
激光雷达绘制室内3D模型
撰文│迈克尔·贝尔菲奥雷（Michael Belfiore）
翻译│黄安娜
便携式激光测距仪可快速绘制建筑物内部的3D模型。
各大汽车制造商（包括行业新秀特斯拉和优步）正展开竞争，希望自家的无人车能尽快上路。这种竞争也催生了一些新技术，比如激光雷达。激光雷达使用方便灵活，可向多个方向散射激光，每秒钟能进行数万次测量，形成空间位置的点云数据（三维坐标点的集合）。计算机则对这些数据进行处理，由此得到车辆周围环境的连贯画面。
新设备的发明者宣称，利用升级后的激光雷达技术，不到半小时就能打印出一间办公室内部结构的3D模型。
德国匹兹堡的创业公司Kaarta对激光雷达进行了改造，使其价格更加亲民，处理速度也更快。这种被称作Contour的手持设备上安装了运动传感器、处理器和7英寸触摸屏。公司宣称，设计师、建筑师和其他任何人都可以在行走过程中，利用Contour快速形成周遭环境的3D模型。而且设备上的相机可以捕捉到色彩信息，对点云的信息进行补充，使3D模型更加真实。当需要对建筑进行改造或利用它进行其他项目时，人们就可以通过计算机辅助设计软件调用这些3D模型，在模型基础上进行改造。
CEO（首席执行官）凯文·道林（Kevin Dowling）称，大部分制造商仍在使用卷尺加画板的方法收集数据，然后将数据输入软件。相比而言，用Contour收集数据的方法远优于传统方法，而且该方法也更节省时间。
触觉地图帮助盲人过马路
撰文│安德烈亚·马克斯（Andrea Marks）
翻译│李想
触觉地图可以帮助盲人穿过日趋复杂的交通路口。
在许多城市，过马路实际是一件要承担生命风险的事情。官方数据显示，自2006年起，纽约因交通意外死亡人数的很大一部分都是行人。对于视力障碍人群而言，情况就更为严峻了。
Touch Graphics公司是一家致力于将传感信息融入导航技术的研发公司。2017年夏天，该公司的设计人员与纽约交通运输部门合作，在一个靠近盲人资源中心的繁忙十字路口，对一种具有立体触觉效果并配有盲文图注的地图进行了测试。该项目是纽约“降低行人交通死亡率”计划的一部分。Touch Graphics公司总裁史蒂文·兰道（Steven Landau）称：“如果测试成功，这些地图将安装在纽约所有的13,000个十字路口旁。”兰道认为，这些地图之所以重要，是因为街道的布局日益复杂，有视力障碍的行人很难知道在他们走下人行道后将会遇到什么。“丹麦和瑞典已经开展了类似技术的试验，不过在北美，纽约是第一个，旧金山和多伦多很快也会跟进。”兰道补充说。
兰道的团队采用紫外光印刷技术制作这些地图：地图表面涂抹油墨后，在晾干前被送到紫外光下完成加工。这种工艺可以用更少的油墨绘制更丰富的细节，尤其有助于生产需要足够清晰度和对比度的立体触觉地图。每一幅地图都通过立体的图形和明亮且高对比度的颜色，从8个可能过马路的位置来标识路口。盲文和标准字体标示行人的起始位置，虚线标示行走的路线。椭圆代表车辆，在每辆车的一端有凸起的箭头指明车辆在该车道内的行驶方向。黑色的线条代表自行车道，而隔离带和行人岛则按照实际形状标记在地图上。
标记车道数量和行驶方向的触觉交通地图可以帮助盲人安全地穿过路口。
密歇根大学从事触觉技术研究的赛尔·奥穆达赫里（Sile O'Modhrain，未参与本项研究）认为，这项技术将改变他们的生活。奥穆达赫里是一名盲人，她说安阿伯复杂的交通路口限制了她的活动范围。“这个主意真是太棒了，要知道，在过马路的时候我们总是很难知道具体要面对多少条车道。”奥穆达赫里说。“虽然能听出有多少车辆，也能分辨它们从哪个方向过来，”奥穆达赫里补充道，“但明确的车道标识还是会很有帮助的。”
新型液化气电池
撰文│马修·塞达卡（Matthew Sedacca）
翻译│马晓彤
以液化气作为电解质溶剂的电池，不仅更强劲还更安全。
2016年，许多三星Galaxy Note7用户在付出惨痛的代价后，明白了一个道理，电子产品中的锂离子电池是可燃甚至可爆的。这种电池需要依赖由有机溶剂和可溶性盐组成的电解液工作。电解液使离子能在被多孔膜隔开的电极之间自由移动，形成电流。但这些液体容易形成微型锂纤维树突结构，导致电池短路，短时间内产生大量热量。一项研究发现，以一种液化气作为电解质溶剂的电池，不仅会更强劲，还会更安全。
加利福尼亚大学圣迭戈分校的赛勒斯·鲁斯托姆吉（Cyrus Rustomji）和同事发现，以氟甲烷液化气等组成的溶剂，可以像传统的液质基底一样溶解锂盐。实验表明，在充放电400次后，这种新型电池的电量还能保持如初；而传统的锂离子电池则只剩20％左右的电量。并且，这种压缩气体电池还不会产生树突结构。相关研究结果已于2017年早些时候发表在了《科学》杂志上。
传统的锂离子电池被刺穿时，分隔电极的膜会破裂，电极会互相接触，发生短路，导致电池过热，甚至起火（在氧气进入的情况下，反应还会更剧烈）。该研究的第一作者鲁斯托姆吉说：“氟甲烷液化气处于高压环境下，如果这种新型电池被刺穿，压力就会释放，液体就会汽化并逸出。气体逸出后，电解液不存在，离子也就不能自由移动，所以电池不会出现短路起火的情况。与传统的锂离子电池不同，这种电池在–60℃时仍可正常使用，所以它还可用于给高海拔无人机和远程航天器的设备供电。”
麻省理工学院材料化学教授唐纳德·萨多韦（Donald Sadoway，未参与此项研究）评论道：“该发现表明，这类已被充分研究的液体还有新的用途。”但他也提醒研究人员，温度过高可能会导致电池中的液化气快速膨胀，发生危险。
我很欣赏《科学美国人》，因为它把世界科学更广泛地介绍给了读者。
——阿尔伯特·爱因斯坦
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——钢琴家 理查德·克莱德曼
