科学微距

前沿

IoT让农业更加智能化

供稿 / 驻外记者  李青

地球村变得日益拥挤，而地球资源正在被村民们消耗殆尽。与此同时，村民们还给地球带来了各种污染和伤害，以至于我们赖以生存的生态环境在不断恶化。如果有一天，我们这个地球村变成动画片《机器人总动员》里描述的那样，只有蟑螂才能生存，那该怎么办？到那时，我们恐怕真的要移民到火星或者其他星球上去了。不过，在尚未实现梦想之前，我们能做的只有高效利用现有的自然资源，并善待它们，减少或者避免污染和伤害。近年来，不少农场开始利用物联网来帮助管理农业生产，这不仅减少了资源浪费，还提高了农作物的产量和质量。

什么是物联网？物联网的英文是“Internet of Things”，俗称IoT，简单地说，就是把有独立功能的普通物体通过互联网相连，使它们彼此之间能够发送、接收和交换信息，它通常由传感器、数据、分析数据的软件和数据交换四个部分组成。它把现实世界数字化，使我们能对每一个挂在物联网上的真实物体进行管理和控制。

IoT其实在智能家居、交通运输、健康医疗、智慧城市等工業领域早有应用，而农业方面稍晚一些。不过，现在有很多科技公司和农场都在尝试利用IoT实现对农业的精确化管理，为农民提供详细、实时、实用的农场信息。比如，智能灌溉管理：嵌入土地里的传感器能告诉农民目前农作物生长的情况、是否需要浇水、什么时候浇、哪个部位需要浇，等等;又如病虫害的预防和控制：带着摄像机的小型无人机在距地面100多米的空中巡查菜地的情况，查看菜叶上是否有害虫、菜地里是否有其他影响作物生长的杂草。利用IoT，还能监测温室和菜地的光照、温度和湿度，根据传感器的数据挑选种什么菜和种菜的位置;农场甚至能用IoT技术监测谷物颗粒的蛋白质含量，收获的时候把蛋白质含量高的颗粒和蛋白质含量低的颗粒分开，高的给人吃，低的喂动物。

古代，人类“靠天吃饭”，人们用占卜祷告的方式祈求上天赐予雨水和丰收，而现在，随着科学和技术的进步，人们变被动为主动。IoT带来的精确化管理，让我们更有信心把控农业的未来。伴随着机器学习，大数据的进一步发展，农业生产一定会越来越智能化，使用最少的能源、水资源和杀虫剂，让我们的餐桌上有更多、更好地选择。

让动物皮毛更加真实的新技术

供稿 / 朱崇恺

加利福尼亚大学圣迭戈分校和伯克利分校的研究人员开发了一种技术，可以显著改善计算机模拟皮毛的方式。该技术可应用于视频游戏、计算机特效、电脑动画电影等各种应用，或许我们将会在下一部迪士尼动画电影中看到更加逼真的动物。此项成果在2017年11月泰国举办的SIGGRAPH会议上（电脑图形及互动技术展览会）发表。

现有模型的一个问题是，它们将动物的皮毛与人类头发当作一种同质的材料，没有考虑每根皮毛纤维中心存在的圆柱型髓质所带来的光线散射情况。现实生活中，我们很容易观察到类似的散射情况：在较暗的房间内打开智能手机的手电筒并用手指将其覆盖，就会看到红色的光环，这是因为光线穿过了手指，经过散射后又出来了。研究团队借助神经网络实现了纤维表面的散射，只需要对一个场景进行训练，然后就能将次表面散射模型应用于所有不同场景进行呈现。由此产生的算法同样适用于人类头发，而用这种新方法呈现的头发将更逼真。“我们的模型产生了更准确的模拟，它比现有技术水平快10倍。”该论文的作者之一、加州大学圣迭戈分校视觉计算中心主任拉维这样说到。

利用再生碳纤维改善渗透性路面

供稿 / 朱崇恺

人们越来越关注城市道路积水问题，该如何给雨水提供流向呢？不少城市尝试了在停车场和交通流量较少的街道上使用透水混凝土。透水混凝土与在大多数道路和停车场使用的不透水路面不同，它允许雨水自由流入并渗入地下。但由于其高度多孔的特性，它不是那么耐用。

与此同时，碳纤维复合材料在众多行业中广受欢迎。它既轻又结实，可以满足从飞机机翼到风力涡轮机和汽车等的制造需要。尽管碳纤维市场以每年约10%的速率增长，但工业界还没有找到一种方法来回收废弃的碳纤维制品。

华盛顿州立大学的一个研究小组提出了解决这两个问题的方法—在混凝土中添加废旧碳纤维复合材料，就可以大大增加透水混凝土的耐久性和强度。这项研究由华盛顿州立大学土木与环境工程系副教授卡尔·英格伦（Karl Englund）和助理教授纳西里（Somayeh Nassiri）领导，他们的回收方法不需要使用很多能源或化学物质—这是回收废物的关键因素。“复合材料分散在整个路面混合物中以提供均匀的强度，”纳西里说，“就弯曲强度而言，我们得到了非常好的结果—与传统混凝土一样高，但是它的排水速度非常快。”

数字

70%

英国《自然·气候变化》杂志在线发表的欧洲科学家的一篇研究报告称，如果温室气体仍按当前速度继续排放，那么到本世纪末，将有70%的王企鹅被迫骤然迁移或消失。

法国斯特拉斯堡大学与意大利费拉拉大学研究团队通过一个生物物理生态位模型，来模拟王企鹅过去的栖息地转移情况，并鉴定未来的脆弱区域。研究人员发现，70%的王企鹅—约110万对繁殖对会因温室气体排放而遭受严重影响。

模型显示，王企鹅群体中49%（在克罗泽群岛和爱德华王子群岛繁殖的企鹅）预计将完全失去栖息地，21%（在凯尔盖朗群岛、福克兰群岛和火地岛繁殖的企鹅）将因为觅食距离增加向环境差异巨大的栖息地转移。

这一模型经过了群体基因组学和过往分析的验证，而该建模方法可能也对研究其他栖息地高度分散的物种有用。

南乔治亚岛的王企鹅

8分钟

在韩国平昌冬奥会闭幕式“北京8分钟”表演环节上，24台人工智能机器人控制着“冰屏”与24名轮滑演员，配合地面投影不断变幻曼妙舞姿，惊艳世界。这是世界上第一次多台机器人与演员同台共舞，它实现了高科技与文化艺术的完美融合，短短8分钟，浓缩了中国机器人行业近20年的努力。

为了让机器人在演员频繁移动、场地复杂光照情况下“看”得见、“看”得准，团队研制了全新的导航控制算法，精确度达到毫米级;为了让机器人表演中同时接到指令，确保动作协调一致，网络延迟的偏差被控制在毫秒级;为确保所有机器人正常接收指令，不受干扰，机器人通信系统全部升级;为应对大风、低温等恶劣环境，机器人可以抵御零下30多摄氏度的低温。

平昌冬奥会闭幕式上，“北京8分钟”表演环节

声音

“空天飞机既可载人，也可运货，前者可满足太空旅游、运送航天员等需求，后者可用于卫星发射、空间站货物补给、太空应急救援等。”

—全国政协委员、中国航天科工集团三院院长

张红文

据悉，目前中国正在研制新一代天地往返飞行器，该飞行器是一种可执行航天发射任务并多次重复使用的“空天飞机”，项目名为“腾云工程”。

张红文院长提到，与现有火箭发射回收方式不同的是，新一代天地往返飞行器能够从普通的机场起飞，把航天器送入轨道，或带来航天运输方式的一种革命。目前，该项目正处于前期技术研发阶段。

另外，他还透露了中国太阳能无人机项目研制的最新进展，该项目旨在临近空间构建空中局域网。临近空间是指距地20～100千米的空域，在这个高度上，太阳能无人机可凭借机动性强、滞空时间长等优势，提供不受区域限制的网络或通信接入服务，并可扩展应用于图像遥感、气象观测等不同应用方向。

趣闻

检测眼泪可判断帕金森病

美国一项新研究发现，通过检测眼泪中的蛋白质，有望诊断人们是否患上帕金森病。将在4月下旬举办的美国神经病学学会年会收录了此研究论文。论文作者、美国加利福尼亚南部大学凯克医学院的马克·卢及其研究团队指出，眼泪中存在泪腺分泌细胞产生的多种蛋白质，正是神经促使了这些蛋白质的产生，而帕金森病可以影响神经系统的功能。

研究团队将55名帕金森病患者的泪样与27名健康人的泪样进行比对，发现两组人群中的阿尔法-突触核蛋白和低聚阿尔法-突触核蛋白水平有所不同。其中，帕金森病患者的阿尔法-突触核蛋白水平降低，但低聚阿尔法-突触核蛋白水平升高。

研究人员认为，这一研究首次显示眼泪可以成为一种可靠、便宜、非侵入性的帕金森病生物学标记。

帕金森病的痛苦，无论对患者还是家人都影响巨大

月球和地球或同源于一团岩石蒸气

英美科学家提出的月球起源新模型认为，月球起源于一团大质量的、甜甜圈状的岩石蒸气“索内斯蒂亚（Synestia）”。这是首个与月球组成模式相匹配的模型，解释了目前模型很难回答的月球特征问题。

新模型讲述的故事仍以一次巨大的碰撞开始，但这一碰撞不是创造了一块岩石圆盘，而是创造了“索内斯蒂亚”。碰撞中产生了大量能量，导致10%的岩石被气化，其余的则是液体。月球从一个“种子”（远离“索内斯蒂亚”中心的少量液态岩石）开始，当“索内斯蒂亚”慢慢冷却，气化的岩石凝结并像下雨一样朝其中心降落。一些“雨水”冲入月球，使其增大。随着时间推移，“索内斯蒂亚”缩小，月球从蒸气中冒出。“索内斯蒂亚”不断凝结，最终形成地球。整个过程发生得非常快，月球在几十年内从“索内斯蒂亚”中出现;而地球在约1000年后形成。

月球和地球或同源于一团岩石蒸气

生物为何需要睡眠

最近，日本东京大学池谷裕二教授领导的一个研究小组发现了睡眠中大脑海马神经电路冷却的机制。该研究阐释了控制脑电路功能的睡眠的作用，明确解答了生物为何需要睡眠这一根源性问题。

研究小组发现，海马体发出的称为“尖波涟漪”（sharp wave ripple，SWR）的脑波，可以减弱睡眠时突触的联系程度。即SWR在保证必要信息的同時，减弱不必要的突触联系，以确保存储容量。此外，妨碍睡眠中的SWR，可充分再现睡眠不足的状态，因此可认为睡眠的目的之一是“产生SWR使大脑电路冷却”。

一般认为，自闭症谱系病和精神分裂症等疾病是由于睡眠中发生SWR紊乱、脑电路高度兴奋所致。由于睡眠中SWR脑电路不能冷却会引发多种精神症状，研究小组正在确立该类疾病的验证和治疗方法。

（责任编辑/岳萌 ）