科學(xué)微距

前沿

IoT讓農(nóng)業(yè)更加智能化

供稿 / 駐外記者??李青

地球村變得日益擁擠，而地球資源正在被村民們消耗殆盡。與此同時(shí)，村民們還給地球帶來(lái)了各種污染和傷害，以至于我們賴以生存的生態(tài)環(huán)境在不斷惡化。如果有一天，我們這個(gè)地球村變成動(dòng)畫片《機(jī)器人總動(dòng)員》里描述的那樣，只有蟑螂才能生存，那該怎么辦？到那時(shí)，我們恐怕真的要移民到火星或者其他星球上去了。不過(guò)，在尚未實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想之前，我們能做的只有高效利用現(xiàn)有的自然資源，并善待它們，減少或者避免污染和傷害。近年來(lái)，不少農(nóng)場(chǎng)開(kāi)始利用物聯(lián)網(wǎng)來(lái)幫助管理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，這不僅減少了資源浪費(fèi)，還提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

什么是物聯(lián)網(wǎng)？物聯(lián)網(wǎng)的英文是“Internet of Things”，俗稱IoT，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是把有獨(dú)立功能的普通物體通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)相連，使它們彼此之間能夠發(fā)送、接收和交換信息，它通常由傳感器、數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)的軟件和數(shù)據(jù)交換四個(gè)部分組成。它把現(xiàn)實(shí)世界數(shù)字化，使我們能對(duì)每一個(gè)掛在物聯(lián)網(wǎng)上的真實(shí)物體進(jìn)行管理和控制。

IoT其實(shí)在智能家居、交通運(yùn)輸、健康醫(yī)療、智慧城市等工業(yè)領(lǐng)域早有應(yīng)用，而農(nóng)業(yè)方面稍晚一些。不過(guò)，現(xiàn)在有很多科技公司和農(nóng)場(chǎng)都在嘗試?yán)肐oT實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)的精確化管理，為農(nóng)民提供詳細(xì)、實(shí)時(shí)、實(shí)用的農(nóng)場(chǎng)信息。比如，智能灌溉管理：嵌入土地里的傳感器能告訴農(nóng)民目前農(nóng)作物生長(zhǎng)的情況、是否需要澆水、什么時(shí)候澆、哪個(gè)部位需要澆，等等;又如病蟲(chóng)害的預(yù)防和控制：帶著攝像機(jī)的小型無(wú)人機(jī)在距地面100多米的空中巡查菜地的情況，查看菜葉上是否有害蟲(chóng)、菜地里是否有其他影響作物生長(zhǎng)的雜草。利用IoT，還能監(jiān)測(cè)溫室和菜地的光照、溫度和濕度，根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)挑選種什么菜和種菜的位置;農(nóng)場(chǎng)甚至能用IoT技術(shù)監(jiān)測(cè)谷物顆粒的蛋白質(zhì)含量，收獲的時(shí)候把蛋白質(zhì)含量高的顆粒和蛋白質(zhì)含量低的顆粒分開(kāi)，高的給人吃，低的喂動(dòng)物。

古代，人類“靠天吃飯”，人們用占卜禱告的方式祈求上天賜予雨水和豐收，而現(xiàn)在，隨著科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步，人們變被動(dòng)為主動(dòng)。IoT帶來(lái)的精確化管理，讓我們更有信心把控農(nóng)業(yè)的未來(lái)。伴隨著機(jī)器學(xué)習(xí)，大數(shù)據(jù)的進(jìn)一步發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一定會(huì)越來(lái)越智能化，使用最少的能源、水資源和殺蟲(chóng)劑，讓我們的餐桌上有更多、更好地選擇。

讓動(dòng)物皮毛更加真實(shí)的新技術(shù)

供稿 / 朱崇愷

加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校和伯克利分校的研究人員開(kāi)發(fā)了一種技術(shù)，可以顯著改善計(jì)算機(jī)模擬皮毛的方式。該技術(shù)可應(yīng)用于視頻游戲、計(jì)算機(jī)特效、電腦動(dòng)畫電影等各種應(yīng)用，或許我們將會(huì)在下一部迪士尼動(dòng)畫電影中看到更加逼真的動(dòng)物。此項(xiàng)成果在2017年11月泰國(guó)舉辦的SIGGRAPH會(huì)議上（電腦圖形及互動(dòng)技術(shù)展覽會(huì)）發(fā)表。

現(xiàn)有模型的一個(gè)問(wèn)題是，它們將動(dòng)物的皮毛與人類頭發(fā)當(dāng)作一種同質(zhì)的材料，沒(méi)有考慮每根皮毛纖維中心存在的圓柱型髓質(zhì)所帶來(lái)的光線散射情況?，F(xiàn)實(shí)生活中，我們很容易觀察到類似的散射情況：在較暗的房間內(nèi)打開(kāi)智能手機(jī)的手電筒并用手指將其覆蓋，就會(huì)看到紅色的光環(huán)，這是因?yàn)楣饩€穿過(guò)了手指，經(jīng)過(guò)散射后又出來(lái)了。研究團(tuán)隊(duì)借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了纖維表面的散射，只需要對(duì)一個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行訓(xùn)練，然后就能將次表面散射模型應(yīng)用于所有不同場(chǎng)景進(jìn)行呈現(xiàn)。由此產(chǎn)生的算法同樣適用于人類頭發(fā)，而用這種新方法呈現(xiàn)的頭發(fā)將更逼真?！拔覀兊哪Ｐ彤a(chǎn)生了更準(zhǔn)確的模擬，它比現(xiàn)有技術(shù)水平快10倍?！痹撜撐牡淖髡咧弧⒓又荽髮W(xué)圣迭戈分校視覺(jué)計(jì)算中心主任拉維這樣說(shuō)到。

利用再生碳纖維改善滲透性路面

供稿 / 朱崇愷

人們?cè)絹?lái)越關(guān)注城市道路積水問(wèn)題，該如何給雨水提供流向呢？不少城市嘗試了在停車場(chǎng)和交通流量較少的街道上使用透水混凝土。透水混凝土與在大多數(shù)道路和停車場(chǎng)使用的不透水路面不同，它允許雨水自由流入并滲入地下。但由于其高度多孔的特性，它不是那么耐用。

與此同時(shí)，碳纖維復(fù)合材料在眾多行業(yè)中廣受歡迎。它既輕又結(jié)實(shí)，可以滿足從飛機(jī)機(jī)翼到風(fēng)力渦輪機(jī)和汽車等的制造需要。盡管碳纖維市場(chǎng)以每年約10%的速率增長(zhǎng)，但工業(yè)界還沒(méi)有找到一種方法來(lái)回收廢棄的碳纖維制品。

華盛頓州立大學(xué)的一個(gè)研究小組提出了解決這兩個(gè)問(wèn)題的方法—在混凝土中添加廢舊碳纖維復(fù)合材料，就可以大大增加透水混凝土的耐久性和強(qiáng)度。這項(xiàng)研究由華盛頓州立大學(xué)土木與環(huán)境工程系副教授卡爾·英格倫（Karl Englund）和助理教授納西里（Somayeh Nassiri）領(lǐng)導(dǎo)，他們的回收方法不需要使用很多能源或化學(xué)物質(zhì)—這是回收廢物的關(guān)鍵因素。“復(fù)合材料分散在整個(gè)路面混合物中以提供均勻的強(qiáng)度，”納西里說(shuō)，“就彎曲強(qiáng)度而言，我們得到了非常好的結(jié)果—與傳統(tǒng)混凝土一樣高，但是它的排水速度非?？??！?h3>數(shù)字

70%

英國(guó)《自然·氣候變化》雜志在線發(fā)表的歐洲科學(xué)家的一篇研究報(bào)告稱，如果溫室氣體仍按當(dāng)前速度繼續(xù)排放，那么到本世紀(jì)末，將有70%的王企鵝被迫驟然遷移或消失。

法國(guó)斯特拉斯堡大學(xué)與意大利費(fèi)拉拉大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)一個(gè)生物物理生態(tài)位模型，來(lái)模擬王企鵝過(guò)去的棲息地轉(zhuǎn)移情況，并鑒定未來(lái)的脆弱區(qū)域。研究人員發(fā)現(xiàn)，70%的王企鵝—約110萬(wàn)對(duì)繁殖對(duì)會(huì)因溫室氣體排放而遭受嚴(yán)重影響。

模型顯示，王企鵝群體中49%（在克羅澤群島和愛(ài)德華王子群島繁殖的企鵝）預(yù)計(jì)將完全失去棲息地，21%（在凱爾蓋朗群島、?？颂m群島和火地島繁殖的企鵝）將因?yàn)橐捠尘嚯x增加向環(huán)境差異巨大的棲息地轉(zhuǎn)移。

這一模型經(jīng)過(guò)了群體基因組學(xué)和過(guò)往分析的驗(yàn)證，而該建模方法可能也對(duì)研究其他棲息地高度分散的物種有用。

南喬治亞島的王企鵝

8分鐘

在韓國(guó)平昌冬奧會(huì)閉幕式“北京8分鐘”表演環(huán)節(jié)上，24臺(tái)人工智能機(jī)器人控制著“冰屏”與24名輪滑演員，配合地面投影不斷變幻曼妙舞姿，驚艷世界。這是世界上第一次多臺(tái)機(jī)器人與演員同臺(tái)共舞，它實(shí)現(xiàn)了高科技與文化藝術(shù)的完美融合，短短8分鐘，濃縮了中國(guó)機(jī)器人行業(yè)近20年的努力。

為了讓機(jī)器人在演員頻繁移動(dòng)、場(chǎng)地復(fù)雜光照情況下“看”得見(jiàn)、“看”得準(zhǔn)，團(tuán)隊(duì)研制了全新的導(dǎo)航控制算法，精確度達(dá)到毫米級(jí);為了讓機(jī)器人表演中同時(shí)接到指令，確保動(dòng)作協(xié)調(diào)一致，網(wǎng)絡(luò)延遲的偏差被控制在毫秒級(jí);為確保所有機(jī)器人正常接收指令，不受干擾，機(jī)器人通信系統(tǒng)全部升級(jí);為應(yīng)對(duì)大風(fēng)、低溫等惡劣環(huán)境，機(jī)器人可以抵御零下30多攝氏度的低溫。

平昌冬奧會(huì)閉幕式上，“北京8分鐘”表演環(huán)節(jié)

聲音

“空天飛機(jī)既可載人，也可運(yùn)貨，前者可滿足太空旅游、運(yùn)送航天員等需求，后者可用于衛(wèi)星發(fā)射、空間站貨物補(bǔ)給、太空應(yīng)急救援等?！?/p>

—全國(guó)政協(xié)委員、中國(guó)航天科工集團(tuán)三院院長(zhǎng)

張紅文

據(jù)悉，目前中國(guó)正在研制新一代天地往返飛行器，該飛行器是一種可執(zhí)行航天發(fā)射任務(wù)并多次重復(fù)使用的“空天飛機(jī)”，項(xiàng)目名為“騰云工程”。

張紅文院長(zhǎng)提到，與現(xiàn)有火箭發(fā)射回收方式不同的是，新一代天地往返飛行器能夠從普通的機(jī)場(chǎng)起飛，把航天器送入軌道，或帶來(lái)航天運(yùn)輸方式的一種革命。目前，該項(xiàng)目正處于前期技術(shù)研發(fā)階段。

另外，他還透露了中國(guó)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)項(xiàng)目研制的最新進(jìn)展，該項(xiàng)目旨在臨近空間構(gòu)建空中局域網(wǎng)。臨近空間是指距地20～100千米的空域，在這個(gè)高度上，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)可憑借機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、滯空時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，提供不受區(qū)域限制的網(wǎng)絡(luò)或通信接入服務(wù)，并可擴(kuò)展應(yīng)用于圖像遙感、氣象觀測(cè)等不同應(yīng)用方向。

趣聞

檢測(cè)眼淚可判斷帕金森病

美國(guó)一項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)檢測(cè)眼淚中的蛋白質(zhì)，有望診斷人們是否患上帕金森病。將在4月下旬舉辦的美國(guó)神經(jīng)病學(xué)學(xué)會(huì)年會(huì)收錄了此研究論文。論文作者、美國(guó)加利福尼亞南部大學(xué)凱克醫(yī)學(xué)院的馬克·盧及其研究團(tuán)隊(duì)指出，眼淚中存在淚腺分泌細(xì)胞產(chǎn)生的多種蛋白質(zhì)，正是神經(jīng)促使了這些蛋白質(zhì)的產(chǎn)生，而帕金森病可以影響神經(jīng)系統(tǒng)的功能。

研究團(tuán)隊(duì)將55名帕金森病患者的淚樣與27名健康人的淚樣進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)兩組人群中的阿爾法-突觸核蛋白和低聚阿爾法-突觸核蛋白水平有所不同。其中，帕金森病患者的阿爾法-突觸核蛋白水平降低，但低聚阿爾法-突觸核蛋白水平升高。

研究人員認(rèn)為，這一研究首次顯示眼淚可以成為一種可靠、便宜、非侵入性的帕金森病生物學(xué)標(biāo)記。

帕金森病的痛苦，無(wú)論對(duì)患者還是家人都影響巨大

月球和地球或同源于一團(tuán)巖石蒸氣

英美科學(xué)家提出的月球起源新模型認(rèn)為，月球起源于一團(tuán)大質(zhì)量的、甜甜圈狀的巖石蒸氣“索內(nèi)斯蒂亞（Synestia）”。這是首個(gè)與月球組成模式相匹配的模型，解釋了目前模型很難回答的月球特征問(wèn)題。

新模型講述的故事仍以一次巨大的碰撞開(kāi)始，但這一碰撞不是創(chuàng)造了一塊巖石圓盤，而是創(chuàng)造了“索內(nèi)斯蒂亞”。碰撞中產(chǎn)生了大量能量，導(dǎo)致10%的巖石被氣化，其余的則是液體。月球從一個(gè)“種子”（遠(yuǎn)離“索內(nèi)斯蒂亞”中心的少量液態(tài)巖石）開(kāi)始，當(dāng)“索內(nèi)斯蒂亞”慢慢冷卻，氣化的巖石凝結(jié)并像下雨一樣朝其中心降落。一些“雨水”沖入月球，使其增大。隨著時(shí)間推移，“索內(nèi)斯蒂亞”縮小，月球從蒸氣中冒出?！八鲀?nèi)斯蒂亞”不斷凝結(jié)，最終形成地球。整個(gè)過(guò)程發(fā)生得非?？?，月球在幾十年內(nèi)從“索內(nèi)斯蒂亞”中出現(xiàn);而地球在約1000年后形成。

月球和地球或同源于一團(tuán)巖石蒸氣

生物為何需要睡眠

最近，日本東京大學(xué)池谷裕二教授領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)了睡眠中大腦海馬神經(jīng)電路冷卻的機(jī)制。該研究闡釋了控制腦電路功能的睡眠的作用，明確解答了生物為何需要睡眠這一根源性問(wèn)題。

研究小組發(fā)現(xiàn)，海馬體發(fā)出的稱為“尖波漣漪”（sharp wave ripple，SWR）的腦波，可以減弱睡眠時(shí)突觸的聯(lián)系程度。即SWR在保證必要信息的同時(shí)，減弱不必要的突觸聯(lián)系，以確保存儲(chǔ)容量。此外，妨礙睡眠中的SWR，可充分再現(xiàn)睡眠不足的狀態(tài)，因此可認(rèn)為睡眠的目的之一是“產(chǎn)生SWR使大腦電路冷卻”。

一般認(rèn)為，自閉癥譜系病和精神分裂癥等疾病是由于睡眠中發(fā)生SWR紊亂、腦電路高度興奮所致。由于睡眠中SWR腦電路不能冷卻會(huì)引發(fā)多種精神癥狀，研究小組正在確立該類疾病的驗(yàn)證和治療方法。

（責(zé)任編輯/岳萌 ）