《阿凡达》的科学:装甲外骨骼让人变大力神 (图)

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《阿凡达》的科学:装甲外骨骼让人变大力神 (图)

http://www.sgst.cn 2010-01-06 08:37:00 新浪科技.

  据美国《大众机械》杂志报道，好莱坞大导演詹姆斯-卡梅隆执导的最新科幻大片《阿凡达》正在全球热映。实际上，卡梅隆还是美宇航局的科学顾问，参与研究用于火星探测任务的相机，他对待科学的态度素来严谨，《阿凡达》中所展现的先进技术场景也就不足为奇。以下是该片中对这些技术的描述及其在现实世界的发展现状。



  重机械外骨骼战争机器
  





重机械外骨骼战争机器

  《阿凡达》描述：为了工作、战斗和穿越“潘多拉”雨林地区，人类穿上了“增强机动平台”(Amplified Mobility Platform，简称AMP)服。这些装甲外骨骼战争机器与《黑客帝国3：矩阵革命》中的“装甲人员装置”(Armored Personnel Units)和卡梅隆执导的《异形》中“强力装卸器”(power loader)存在很大相似之处，只不过前者的驾驶舱是密封的。从这台机器的座位上，操作人员手臂和胳膊的活动会传递给AMP服的外部肢体，得到“增强”。操作人员摆动手臂，摆幅虽只有几英寸，但AMP服相应的金属臂却可挥动周长10英尺(约合3.05米)的圆弧。

  《阿凡达》飞行器设计师泰-鲁本-埃林森(Ty Ruben Ellingson)在宣传片中说：“超级液压装置的力量十分强大，以致AMP服可以碾碎建筑物，功能就像坦克一样。”AMP服会让操作人员变身“大力神”，对于太空海军陆战队员来说，手提庞大的30毫米自动大炮参加战斗，就如一个人扛步枪般轻松。斯坦-温斯顿工作室设计总监约翰-罗森格兰特(John Rosengrant)对AMP服特点做了更为形象的描述，称它就是“有胳膊的‘阿帕奇’武装直升机。”

  科学事实：几十年来，美国军方一直在开发有动力装置的外骨骼服，可以让士兵携带重型装备参加行动，帮助实施救援任务、工程作业、受伤康复。2000年以来，美国国防部高级研究计划局(DARPA)根据“增强人类性能的外骨骼”项目，资助了各种各样的研究，包括对雷神萨柯斯(Sarcos)研究团队的支持。他们开发的机器名为“XOS”，重150磅(约合70公斤)，可以带在人的手臂、胳膊和背部。

  这套铝制机器人装置的水力学原理可以让使用者数百次举起200磅(约合90公斤)的重物也丝毫不觉得累，而且用起来非常便捷，使用者仍能自如爬楼梯或踢足球。雷神萨柯斯XOS的一个重要缺陷是需要独立驱动。眼下，XOS仍需要一个外部电源。麻省理工学院、加州大学伯克利分校和本田汽车等机构和企业的研究小组正在开发适于下肢使用的类似机器。

  与此同时，日本CYBERDYNE公司研究人员发明了钢铁侠式的人体外骨骼，辅助实施物理治疗，称为“机器人服混合辅助肢”((HAL)。美国纳蒂克士兵研究开发与工程中心士兵机动和任务增强小组负责人戴维-奥迪特说：“像《阿凡达》这样的电影足以让我们去思考各种可能性。”这个小组在XOS装置的研发中起着重要作用。奥迪特说，虽然AMP服在“电影中让人无所不能”，但实际上此类装置将承担繁重的后勤工作，“是不经太多改动就能实施大规模攻击的功能性平台的典型例证。”

  半人马座阿尔法星

  

半人马座阿尔法星

  《阿凡达》描述：“半人马座阿尔法星A”(Alpha Centauri A，与太阳非常相似的恒星)发出的白黄色光芒照亮了巨大的气态行星“波吕斐摩斯”(Polyphemus)及其炎热的卫星“潘多拉”。在这个郁郁葱葱的世界，大型猛兽在丛林中徜徉，如翼龙一般的动物在空中翱翔。名为“纳美人”的蓝皮肤类人族在那里繁衍生息，深谙与自然和睦相处之道。

  科学事实：半人马座阿尔法星A是组成半人马座阿尔法星的三颗恒星之一。半人马座阿尔法星距地球4.37光年，是太阳系中距离我们最近的恒星。如此亲近也为揭示系外行星能否是我们邻居的大量研究工作注入了灵感。今年1月，耶鲁大学天文学家芭芭拉-费舍尔(Barbara Fischer)领导的一个研究小组利用安设在智利托洛洛山美洲天文台的1.5米孔径望远镜，展开了对半人马座阿尔法星长达五年的研究。

  芭芭拉的团队正在寻找由外部世界引力拖拽对恒星光线波长产生的有节奏的变化。这种“摇摆方法”已经排除了半人马座阿尔法星的恒星周围存在木星或土星大小的系外行星(如《阿凡达》中的波吕斐摩斯)的可能性。芭芭拉表示，质量接近于地球的行星具有此类恒星系的“可能性非常大。我们对单个恒星周围行星形成的原因知之甚少，更何况是像半人马座阿尔法星这样由三颗恒星构成的星系了。所以，我们在这个领域的知识几乎是一片空白。”

  位于半人马座阿尔法星中心地带的两颗恒星通常被称为“Cen A”和“Cen B”，它们的轨道力学表明有行星可能隐藏于周围。“Cen A”和“Cen B”彼此间的引力接近于11个天文单位(天文单位指的是地球与太阳之间的平均距离)，而在摇摆之后相隔36个天文单位。第三颗恒星，即名为半人马座比邻星的红矮星，以相当大的距离绕这两颗恒星旋转，由于过于模糊，芭芭拉的团队不能对其进行研究，但它也可能具有小质量行星。据芭芭拉介绍，鉴于这种结构，相隔2个天文单位形成的系外行星的轨道稳定性会遭到另一颗恒星的破坏，最终脱离这个星系。

  幸运的是，如果生命扎根于半人马座阿尔法星系，遭受这种命运的可能性微乎其微。所谓的“可居住区”(即一个不冷也不热的轨道区域，水在行星或卫星表面是液态的)距离Cen A和Cen B这两颗恒星更近。前者质量比太阳稍大，具有大约1.2个天文单位的可居住区；后者质量约为太阳的90%，具有大约0.75个天文单位的可居住区。

  这两颗恒星的化学特征与太阳很相像，所以，令生命在地球上形成的相同元素应该也存在于Cen A和Cen B。眼下，科学家仍然不确定半人马座阿尔法星系是否在对生命友好的区域内存在更小、类似地球一样的世界，芭芭拉认为这个答案不久便将揭开。她说：“到2012年前，我们将会揭开这个谜团。”与此同时，日内瓦大学著名行星科学家米歇尔-迈耶领导的一项研究和英国坎特伯雷大学提出的新倡议可能会更早破解这个谜团。



  反物质飞船


  


外星之旅

  《阿凡达》描述：为准备赶赴半人马座阿尔法星的星际之旅，人类建造了长近1英里(约合1.6公里)的太空飞船，太空飞船使用混合反物质聚合发动机。这些飞船的航行速度大概相当于光速的十分之七，即每小时6.7亿英里(约合每小时11亿公里)，然而，即便是照此速度航行，赶赴距离地球最近的星球也需要大约六年时间。

  科学事实：作为一种用于推进的能源，你无法阻止物质和反物质粒子接触，彼此湮灭。从事先进推进系统研究的美宇航局科学家乔治-施密特(George Schmidt)表示：“这是我们所知最强大的能量反应。”施密特现任美国俄亥俄州研究与技术委员会副主任。物质与反物质湮灭释放的能量可以直接用作推进剂，从火箭后部的喷嘴中喷射出来，或者反物质可以在其他物质中诱发裂变(原子分裂)或聚变反应(原子合并)，生成数量少但却强大的推力。

  然而，地球距半人马座阿尔法星有26万亿英里之遥，获取这种星际之旅所需要的足够反物质以及长期保存这种挥发性燃料，一方面耗资巨大，另一方面技术难度大。首先，生成反物质就不是一项轻松的工作：瑞士日内瓦欧洲核子研究中心和美国芝加哥费米实验室的粒子加速器迄今仅仅造出十几毫微克的反物质，当然，值得一提的是，这些设施不是用来大量生成反物质的。

  施密特称，按照现在的标准，每造出1毫微克的反物质，投入高达600亿美元，虽然造价数十亿美元的专门设施能以每毫微克600万美元的成本制造反粒子。施密特说：“令我高兴的是，《阿凡达》电影制作者提出以混合核进程作为能量来源。相比纯粹的反物质火箭，这种概念需要的反物质数量更少。”不过施密特同时指出，混合反物质聚变发动机不可能产生所需达到光速十分之七的推力。

  反物质储存是另一个严峻挑战。电磁场通过令暗物质远离所谓“彭宁离子阱”(Penning trap)的内壁，可以在里面储存暗物质。据美国宾夕法尼亚州立大学物理学荣誉教授杰拉尔德-史密斯介绍，这一过程仅持续几个月时间，随后反物质会与彭宁离子阱“等候区”的迷失物质粒子相接触，无法产生完美的没有物质的真空。史密斯教授是总部设在圣达菲的正电子研究(Positronics Research)公司创始人，该公司正在研究反物质的应用。

  据史密斯介绍，在从地球往返半人马座阿尔法星的为期数年的星际旅行中，如果有效载荷数量相当大，则总共需要数千吨反物质，这显然会是一个严重障碍。即便上述问题全都得到解决，那么在前往半人马座阿尔法星时还会面临如何令宇宙飞船减速的问题。施密特说，宇宙飞船在摇摆着穿越半人马座阿尔法星的重力势阱时，只能采用某种反向“弹弓效应”(slingshot effect)帮助减速。

  灵魂出窍体验

  

灵魂出窍体验

  《阿凡达》描述：在人类首次踏上潘多拉的土地，开始大规模采矿活动以来，三十年间他们同视自然为神圣的纳美人的关系越来越紧张。由于人类不能呼吸潘多拉的空气，双方之间的关系愈发复杂。为了同纳美人搞好关系，“地球人资源开发管理局”提出了“阿凡达计划”，试图培育半人类半纳美人混种充当友好大使。借助先进的界面设备，人类可以采用“心灵感应”之术“驱动”化身，令其像纳美人一样体验潘多拉的环境。由萨姆-沃辛顿(Sam Worthington)饰演的男主角杰克-萨利在双胞胎兄弟死后，加入了这个计划。对于杰克来说，这个悲剧性事件的确给了他一丝安慰：由于在战争中受伤，他只能依靠轮椅行动，而现在，通过他的化身，杰克恢复了行动能力。

  科学事实：为实现《阿凡达》中所描述的景象，科学家曾实施了大量研究，试图将生物“湿件”(Wetware，一种模仿生物系统及结构的智能程序)融入机械硬件。对人机界面研究的部分目标事实上就是，赋予像杰克这样的残疾人以活动能力。美国杜克大学神经系统学家米格尔-尼古莱利斯(Miguel Nicolelis)说：“《阿凡达》影片中展现的内容与我们当前正在实施的实验有着惊人相似之处。”

  尼古莱利斯是一个多国科学家参与的研究计划“重新行走项目”(Walk Again Project)的首席科学家，该项目正在开发外骨骼“神经假体”(neuroprosthethic)设备，这套装置可以披在瘫痪者的身体上，从大脑接收指令。去年，尼古莱利斯及其同事展现了迄今此类技术中最强有力的证明。

  在位于北卡罗来纳州的实验室，研究人员训练一只猕猴在跑步机上直立行走。接着，他们从插在猕猴脑部的电极获取神经信号，通过互联网将这些信号连同视频一起发给日本的实验室。在这个实验室，一个机器人可以随猕猴做出同样的动作。尼古莱利斯说：“我们训练猴子利用脑波活动控制它们自己的‘化身’。”

  另一项研究使得灵长类动物可以去遥控移动机械臂，而在人类身上，则是利用植入的电极帮助生成人工发音，利用大脑思维移动电脑鼠标。其他的一些研究涉及通过遭受重伤的脊髓佩戴的机器界面，改变神经细胞路线，以便让尚有功能的人体肌肉重新与大脑建立联系。在《阿凡达》中，人类可以将意识或感觉准确无误且完整地传递到另一具身体上，但就目前的技术水平，这一幕在现实生活中尚不能实现。尼古莱利斯说：“这种描述太过牵强。”(孝文)

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科学的高度，我们的目标。加油！！！