这些最浪费政府资金的科学研究,是如何做出来的?
2020-06-24 20:48

这些最浪费政府资金的科学研究,是如何做出来的?

本文来自微信公众号:一席(ID:yixiclub),作者:胡立德(David Hu) ,佐治亚理工学院机械工程与生物学系教授,头图来自:作者供图

 

我的研究并不是从刚开始就是好玩的。我刚开始做助理教授的时候,我想跟着经费走,不是跟着好的想法走,结果并不好。我觉得这样就变成和其他所有人一样了,心不在研究上了。后来我找到了自己的路。


其他科学家怎么看待这样的研究呢?其实顶尖的期刊也总在寻找不同的东西。科学家也是人,也愿意看到好玩的东西。 



大家好,我是胡立德,英文名字是David Hu。几个月前一席邀请我来演讲,我很期待来中国和大家面对面交流,但没想到疫情爆发,我没办法来中国了,很可惜。所以现在,我在亚特兰大的家里给大家录这一个演讲。我的小孩已经睡着了,现在我的太太是我唯一的现场观众。


我是佐治亚理工大学的一名机械工程系教授。今天在这里和大家分享我的一些研究。


2016年5月25号,我正在开会,我大学的媒体中心给我打电话说:你快打开电视看福克斯频道。当时,主持人正在播报这样一条新闻:一位参议员发布了一个名单,叫作“最浪费政府资金的20项科学研究”,上面列出了2016年美国20个最浪费的科学课题。



我惊讶地发现,我的名字在这个名单上出现了3次!我算了算,也就是说,我占了美国最浪费的科研项目的15%!



点击大图看看这20个研究分别是什么~


最初我十分震惊,但我静下心来仔细想了想,发现大家其实对这些研究有很多误解,而这些误解大多来自于科学家们并没有和大众解释清楚这些研究的意义。后来作为回应,我在《科学美国人》这个拥有160多年历史的科学期刊上,发表了一篇文章叫作《一个浪费科学家的自白》。



我上榜的3个研究分别是:



这三个问题的答案分别是:



好,下面我就跟大家聊聊为什么我要研究这些问题 。


一只淋湿的狗,摇摆甩水多少次,才可以把自己弄干?


我第一次见到我太太的时候,她带着她前男友送的情人节礼物——一只咖啡色的贵宾犬。



我们用高速摄像机拍狗甩水的录像。1秒钟,狗可以甩水4次。它的加速度几乎是地球重力加速度的20倍,比赛车转弯的加速度还要大。



一只30公斤的狗,它毛发里可以藏半公斤的水。在冬天,这些水分会吸收它身体的热气,消耗掉它一天进食量中1/5的能量。所以怎么让自己身体保持干燥,对哺乳动物来说非常关键。



其实在自然界,越小的动物甩水越困难。如果老鼠需要甩干自己,它们一秒钟要甩30次才行。


为什们老鼠需要更高的甩水频率?因为贴在毛发上的水有表面张力,只有足够大的离心力,才能够挣脱这个表面张力。半径越小,离心力就越小,就像你站在旋转木马的最外面,你感受到的离心力是最大的,但是站得越靠近中心,离心力就越小。



所以老鼠因为毛发半径小,甩水离心力小,它需要甩得更快,来增加离心力。



这不是因为洗衣机不好,这是因为我们没有设计很容易干的衣服。狗的毛发很容易干,但是我们的衣服,特别是牛仔裤,很不容易干。如果我们想节省能源,我们需要在大自然中再去寻找设计的灵感。



蜜蜂的毛多,还是松鼠的毛多?


我们先测量了很多动物的毛发。我们发现,一只蜜蜂和一只松鼠都有300万根毛,而人类大概只有10万根头发(我的更少)。毛越多,表面积越大,就容易有越多的灰尘、水滴、花粉藏在里面。



毛发表面积这么大,这些动物是怎么做清洁的呢?



我们研究了一下蜜蜂。一只蜜蜂每天要采的花粉是它自己重量的1/3。在这个过程中,它整个身体都会被花粉覆盖。但是我们发现,它2分钟之内就可以把自己弄得干干净净。它是怎么做到的呢? 



首先, 它的毛之间的距离,跟一颗花粉的直径是一样的,这样花粉会被卡在毛发的表层,比较容易清洁。



其次,因为蜜蜂身体的毛很硬,就像弹簧一样,所以每次它用腿刷毛,毛就会把灰尘弹开。如果它每4秒钟刷一次身体, 2分钟内就可以把整个身体完全清洁干净。




医疗行业的工程师受我们这个研究的启发,发明了新型的药贴。原来用于外敷疗伤的纱布表面很平,可以容纳的药量不多。这些工程师受到蜜蜂的启发,设计了新型的“带毛”的药贴,这样就可以放更多的药在里面,帮助外伤的恢复。这个发明已经申请到专利。这是蜜蜂体毛研究的一个意想不到的应用。



我从小就觉得自然有一种魔力,尤其是动物。我总是很好奇为什么它们形形色色,而又各有特长。我的父母都是科学家,他们总是鼓励我的好奇心。我的爸爸一直告诉我,大自然可以给我很多启发。夏天,他会带我们去钓鱼、露营。有一次,他在高速路边捡了一头被车撞死的鹿,在回家路上的3个小时,我妹妹就跟那头死鹿坐在一起。回到家我父母一起解剖了那只鹿。我爸爸的好奇心真的会带他到很奇怪的地方。




我从小在马里兰长大,很幸运考进了天才班。六年级的时候老师就让我们自己写书。我十年级开始去实验室做实验,研究材料科学。当时我研究的课题是,用实验测试气泡对金属硬度的影响。简单地说,如果你把金属熔解,在液态金属里充气泡,然后再让金属固化,这样形成的带有气泡的新金属会比原来的金属更加坚固。这个项目入围了西屋科学奖的半决赛。大概也是因为这个奖,我考进了麻省理工。



我的本科导师因为研究“床单起皱的规律”拿了搞笑诺贝尔奖



他的导师拿了两次搞笑诺贝尔奖:第一次是他研究了一下,为什么茶壶嘴里倒出来的茶水,有时候会顺着茶壶嘴流下来。第二次他研究的是,扎马尾辫的人跑步的时候头发是怎么甩动的。



他们的研究给了我很多启发。我的“师傅”和我的“师祖”都拿了搞笑诺贝尔奖,我是第三代获奖者。从他们那里我明白了,会问有意思的问题至关重要。他们说,别人对我的看法我管不了。应用数学家大多对世界充满好奇,他们用应用数学来解答生活中的问题。我就是这么一个应用数学家。


搞笑诺贝尔奖(Ig Nobel Prize)是对诺贝尔奖的戏仿,与诺贝尔奖得主名单宣布时间相近,主要表彰10种“乍看之下令人发笑,之后发人深省”的研究。胡立德和他的团队两次获奖的研究分别是,“哺乳动物 21 秒尿尿定律”,以及“袋熊的大便为什么是方形的”。


昆虫是如何在水上行走的?


我在本科的时候对流体力学最感兴趣。后来我的研究生导师就叫我去看看,昆虫是怎么在水上行走的。 



人们都知道,有的昆虫可以站在水面上。它们叫水黾,它们可以站在水上其实是得益于水的表面张力,表面张力把水面变成了一张蹦床。除此以外,水黾腿上有很浓密的毛,这些毛也可以在水面形成足够的表面张力,来支撑它们自己的体重。 



虽然科学家知道它们是怎么在水面上立住的,但是没有人知道,它们是如何在水上行走的。我和我的博士生导师发现,它们其实是用脚,在水的表层以下制造旋涡,借助旋涡的推力前进,就像这样:




但它们的腿那么小,是怎么制造出那么大的漩涡的呢?原来,它们可以通过腿让水面变形,水面变形形成的凹面会把周围的水向后推,就像船桨一样。



一个很棒的设计师Brian Chan对我的研究很感兴趣。他设计了一个类似水黾的机器人,重量只有0.3公克。



还有些机器人,有些用太阳能,有些可以在水上跳,如果将来人们要测量水中的化学物质,可以考虑使用这些便宜的机器人。



我从读博士开始,就很好奇动物的行为和身体形状背后的科学道理。自然界许多看似最简单的问题还没有答案,比如,为什么机器狗还不能像一只普通的狗那样自然地走路。狗的身体有很多传感器,骨头、肌肉、肌腱,所有这些零件配合起来,让狗可以走路,就像是魔法一样。

      

我们身边有很多司空见惯的东西,但不等于我们懂它们的机制。我在本科的时候,很幼稚地认为,几乎所有的科学问题都已经有了答案。读博士的时候才发现,人类只是解答了很小一部分自然的奥秘,而看似最简单的问题,往往最难解答。


研究完昆虫如何在水上行走后,我到纽约大学,开始研究蛇的运动。我不只研究蛇,我还在我纽约的公寓里养了很多条蛇。我发现蛇身上的鳞片,是帮助它们在地上滑行的关键。2008年起我开始当教授,我做的研究大多数都像这样受到动物的启发。



我所研究的这门学科,是生物学底下的一个分支学科,叫作生物力学。这个学科的历史很悠久,15世纪末意大利的达·芬奇就开始了生物力学方面的研究。在1950年代,伴随着电脑的使用以及高速摄像机的发明,生物力学才逐渐成为了一个专业。高速摄像机非常重要,因为动物的运动太快了,人眼看不到。

     

现在大多数的生物学家都在研究细胞和基因,真正研究动物的人越来越少了,研究经费也大部分给了细胞和基因的研究。我觉得这很可惜,因为研究动物真的很有意思。接下来再和大家分享一些我这几年做的研究。


为什么我和婴儿的排尿时间会是一样的呢?


9年前我儿子出生,初为人父,我每天要换很多尿布,很累,我都闷闷不乐。有一天,我才刚开始换尿布,我儿子就突然开始尿了,那时候我就会有些生气。我老婆发现我没有耐心的时候,她就会叫我数数。


我一边数数,我的儿子一边继续尿。随着我换尿布的次数越多,我开始觉得,他尿的时间挺长啊!我数了下,差不多21秒。我换完尿布,自己去洗手间看看自己的排尿时间,居然也差不多是21秒


我当时就觉得这个事情很奇怪。我的儿子是一个婴儿,这么小,不过5公斤,而我是60多公斤,我的重量是他的十倍多,我膀胱的容量也应该是他的十倍多才对。但是为什么我们俩排尿的时间是一样的呢?

     

第二天我就派我的学生去亚特兰大动物园,去记录各种动物的排尿时间。我给了他们一个秒表和一个水桶。他们去了一整天,回来时脏兮兮的,衣服跟照相机上都有尿液的味道。



这次在一席,这个视频是第一次展示,大家可以感受一下排尿系统的进化。      





我们发现,哺乳动物按照尿尿时间可以分成2类:体重小于3千克的哺乳动物的尿尿时间很快,不到1秒。比如老鼠排尿的速度是百分之一秒,所以我们需要用到高速摄像机。体重大于3千克的哺乳动物,从吉娃娃到大象,排尿时间很相似,平均21秒。一只狗的膀胱容积差不多一个杯子这么大,但是一头大象的膀胱容积,几乎和厨房垃圾桶一样大。它们的排尿时间为什么会一样呢?



我们查了50多位医生和兽医的文章,发现泌尿系统是一个很简单的系统。大家都有一个膀胱装尿液,底下有一条管子,长度和直径的比例大概都是18比1。



我们做了一个实验,三个容器分别是代表一只狗,一个人,和一头犀牛的膀胱容积。在底下放了三根管子,代表这些动物的尿道。你看,体积不同,但是都有一样的清空时间。



为什么不同的动物会有一样的排尿时间?有两个原因。我们用大象举一个例子。第一个原因,想象一条尿道就是一条高速公路,尿液分子就是汽车。更宽的尿道,就可以通过更多的尿液分子。大象的尿道直径有3厘米,跟我的手腕一样粗,流量更大。


第二个原因比较复杂。更长的尿道,受地球引力的影响就会越大。大象的尿道长1米,尿液分子顺着落下,压力会更大,速度会更快。虽然大象的膀胱容积大,但是流量也大,就像同时开五个水龙头一样,所以不管膀胱的体积大小如何,它们的排尿时间很相近。


我们发现的这个机制有什么用呢?工程上,有时候我们需要很快地排空液体,比如消防车或者水塔里的水,也许我们可以参考泌尿系统的设计方式,把10升、100升、甚至10000升的水都在21秒内倒光。这是自然的流体力学。



文章发表后,也有个意外收获。有人看到文章后留言说,我很惊讶,因为我的平均排尿时间是60秒,而我最长的排尿时间是150秒,我以为这对于喝了很多饮料的人来说,很普通,直到我看这个研究。我是不是需要看医生了?


确实如此。如果排尿时间过长,有可能是前列腺增大或是肿瘤的征兆,尿道被压迫后,就会减缓尿的流速。日本有一个泌尿科医生找了2000多个日本人,调查他们尿尿的时间,发现年轻人尿尿是21秒,但80岁以上的老人就需要30秒以上。这是一个检测膀胱健康程度的方法。



猫是如何清洁自己的?


我每个研究都会去找在这方面最厉害的动物,那清洁方面最厉害的就是猫了。猫每天醒来9个小时,3个小时都在舔自己。我们进行了测量,人洗一次澡需要10升水,而猫把自己舔干净只需要3勺唾液。


你知道猫是如何清理自己的毛发的吗?如果你摸猫的舌头,顺着摸会感觉很光滑,逆着摸就会感觉很粗糙,有被砂纸刮到的感觉,这是因为猫舌头上有290个突起


实际上,世界上有36种猫科动物都有舌突起。对猫科动物来说,舌突起是很重要的,因为野生的猫科动物会面临蜱虫、跳蚤的危害。所以在1100万年的进化过程中,猫逐渐形成了舌突起,可以从毛发里清除这些寄生虫。



这是我们用高速摄像机拍下的,猫使用舌头的过程。猫舌头每舔一次,大概需要1秒钟。猫的舌头伸出去,然后像一个气球一样胀开,舌头上的290个突起会立起来。所以猫舔毛,就像我们用梳子梳头发。




为了有更大的实验样本, 我们联系了一个叫“老虎天堂”的动物保护组织。这个组织收养了很多猫科动物,包括山猫、美洲狮、雪豹、老虎和狮子。他们也搜集了很多猫科动物的舌头标本。当时负责标本的学生,每天都要背着一大包舌头上学。猫舌头很小,但狮子的舌头差不多有人的头那么大。 



我们用一把刀,很小心地把每一个舌头的突起挖出来。清洁过后,用MRI扫描,做了这个视频。我们发现,每一根突起,实际上是一根小吸管。      



这让我们想起蜂鸟的嘴,也是一根细小的吸管,蜂鸟通过表面张力的作用,可以用这根“吸管”喝到花蜜。



同样的原理,当猫的舌头在嘴里的时候,唾液也会这样自然地进入每一个舌突起里面。当猫在舔毛的时候,突起跟毛发接触,唾液就会被带出来。



猫舔毛不仅有清洁的作用,还可以维持体温。通过舔毛,舌头上的突起把唾液带到皮毛上,唾液蒸发的时候,可以帮助猫降低体温,防止过热。猫本身没有汗腺,这个降温过程对猫来说至关重要。     



猫舔毛的过程,是不是也让大家联想到我们每天梳头。在过去200年里,梳子的设计一直都是硬的齿,梳子齿上面总是缠着很多头发,很难清理。受到猫舌头突起的启发,我们发明了一把猫舌头仿生梳子。我们用3D打印机,打印了40根类似于猫舌突起一样的齿,放在柔软的硅胶上。这把梳子不会被头发卡住,并且非常好清洁。




为什么蚊子不会被雨滴砸死呢?


有一天,我和3个月大的儿子安静地坐在门口看雨,突然我儿子哭了起来,原来是有一只蚊子叮了他一下。我觉得很奇怪。下雨的时候,雨滴掉落的速度是蚊子的10倍,雨滴比蚊子重50倍。一滴雨滴砸蚊子,就像一辆汽车砸人,蚊子怎么不会被雨滴砸死呢?

     

为了做这个实验,我们在实验室里喂了几个月的蚊子。蚊子是从疾控中心带回来的。后来我们听到了很多抱怨,因为这些蚊子不停地逃跑。我们实验室是整座楼里,唯一研究活动物的,所以跑了动物他们都知道是我们这里的。


不过大家没有被白咬。这是我在实验室拍的照片。看,令人讨厌的蚊子竟然那么漂亮!它们的眼睛是绿色的,身体是金色的,翅膀和脚看起来是那么地柔软,像羽毛一样 。



我用高速摄像机拍下了雨滴砸蚊子的过程。



原来,如果砸中的是翅膀,蚊子就会向那一侧倾斜50度,让水滴顺着翅膀滑走。



如果砸中身体,蚊子则不会抵抗,而且迅速随着水滴一起下落,在下落过程中,它会很快和雨滴侧向分离,恢复正常飞行。



因为蚊子那么轻,雨滴砸到它们,雨滴不会破。蚊子像打太极拳一样,不去抵抗雨滴,所以它们受到的力并不大。所以不好意思,雨滴不能帮你砸死蚊子了,最直接的办法还是用手把蚊子拍死。



后来证明,我们关于蚊子的研究,对微型飞行器的制作比较有帮助。借助这项研究,工程师可以改良设计,让微型飞行器不易被雨滴或大风弄坏。有时候轻的东西,反倒更安全。



这就是今天我想给大家分享的几个研究。我的研究并不是从刚开始就是好玩的。我刚开始做助理教授的时候,我想跟着经费走,不是跟着好的想法走,结果并不好。我觉得这样就变成和其他所有人一样了,心不在研究上了。后来我找到了自己的路。


其他科学家怎么看待这样的研究呢?其实顶尖的期刊也总在寻找不同的东西。科学家也是人,也愿意看到好玩的东西,所以我得到的评论意见一直都很好。 



不过最关键的是,我们确实有新的发现。一个领域再怎么好玩,如果你做不出新发现就没法发表。这就是应用数学可以一显身手的地方了:良好的实验设计,加上计算,是好的研究的基础,没有这些是不行的。


也许再回答最开始的问题。科学研究是否应该因为暂时的“无用”就被指责为“浪费”呢?我觉得,一段路从A到B,如果目的地明确,我们当然可以讨论如何到达更加省油。但是当我们根本还不知道B在哪里的时候,探索的过程又何来浪费一说?


我现在既是一个科学家,也是两个小孩的爸爸。我的小孩都对科学感兴趣。我看到很多学生来美国读研究所,他们当中有人接受了最好的科学教育,而且很聪明,但很可惜他们并没有爱上科学,后来也都不再追求科学了。我觉得我们应该把科学当做一个爱好。



我也想呼吁科学家,更多地参与科学普及,让人们更了解他们的研究。科学不应该是“高冷”的,而是需要和大家分享的。


为了普及我自己热爱的仿生学研究,我花了两年时间写了我的第一本书 How to Walk on Water and Climb up Walls (《如何在水上漂,在壁上爬:动物运动和未来机器人》)。这本书已经于今年3月正式出版发行,大家现在就可以买到。

     

最后,再次谢谢大家来听我的演讲。拜拜。



本文来自微信公众号:一席(ID:yixiclub),作者:胡立德(David Hu) ,佐治亚理工学院机械工程与生物学系教授

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