8月8日《科學》雜志精選

8月8日《科學》雜志精選

　　 一個受折紙啟迪的變形器

　　應用平面材料及受折紙工藝啟迪的模式，研究人員建造了一個現實中的變形器—— 一種一旦被組裝就會爬行并轉身的能自我折疊的機器人。這樣一種機器在搜尋和救援任務中具有多種潛在應用，其中包括給封閉的空間——如倒塌的建筑物等——傳遞東西。在一則相關的報告中，研究人員展示了他們是如何用基于折紙操作來設計一種重量輕、具有可調性的超韌材料。研究人員說，將這種材料結合到機器之中可被用來增強其功能。

　　人們周圍到處都有自組裝過程發生；生物分子會無須來自某外部的動因而組成像病毒這樣的結構，而群體中的昆蟲會以同樣的方式建造巢穴。有數種類型的自組裝可用于工程學。一種是平面材料自己組織而成3D材料——它特別有用，因為它能產生就其重量而言非常強勁的復雜且可縮放的形狀。然而，按照現有的類似方法還沒有產生能自己折疊并接著無須外部人力幫助而有功能的機器。這種機器人一旦創制出來將會很有價值，因為它們能大量地以疊平的狀態運輸以從事不同類型的工作。如今，S. Felton等人取得了一個飛躍，展示了一種能建造一種會自己折疊的會爬行機器人的方法。研究人員用容易找到的材料來建造他們的機器人；即一種透明的具有形狀記憶的聚合物，它被設計成在100攝氏度時會收縮并有可自動折疊的鉸鏈。在這些聚合物中放置鉸鏈，加之它們被觸發時進行折疊（通過產熱線路）的順序，從而產生了一個復雜的3D機器。為了讓折疊過程自動發生，研究人員利用了能在聚合物中產生詳細皺褶圖案的3D折紙設計軟件。在他們的機器人自組裝后，它會行走，且它還能轉身。這項工作顯示了建造自組裝機器的一個實用的過程。作者們說，由于它的實施相對容易，它可適合于范圍廣泛的應用之中。

　　在一則相關的報告中，Jesse Silverberg等人研究了一個特殊類型的鋸齒形的折紙折疊，該折疊一直被用于有效地收好用于太空飛行用的太陽能電池板。研究人員用這種模式來創建折疊板并接著通過添加或去除缺陷，設計了一種方法來結構性地改變這些疊板以控制它們的力學性能。這種方法將允許科學家們創建具有理想強度或剛度等特性的超材料。通過擴展在此研發的可調設計原則至自折疊機器人系統，這項工作為可按需改變其機械功能的機器鋪設了道路。

　　電腦芯片可模仿真腦特征

　　研究人員設計了一種可實時從事復雜任務且同時耗能很少的具有腦樣接線與架構的電腦芯片。該芯片為適用于傳統電腦芯片無法良好完成的任務的電腦裝置設計作好了準備。人腦可從事復雜的操作并同時耗能很少且占據很少空間。這啟發了工程師們朝著認知計算新時代進行努力，在該計算中，小型、節能的芯片可完成相同的工作，這是科學家們幾十年來的夢想。然而如今這樣的電腦并不存在，其部分原因是因為經典的數字電腦構架——由John von Neumann及其同事首次提出——的功效有限，尤其是與腦子所能做到的相互連接的神經網絡相比較時。

　　現在，為了向受到腦啟發的計算更接近一步，Paul Merolla等人建造了一個基于某不同構造的芯片。他們的工作受到了一個常用神經網絡——脈沖神經網絡——的啟發；它并非以固定間隔放電，在這一組態中的人工神經元只會在某電負荷達到一個特定值時才會放電。該放電轉而會影響其他神經元上的電荷，就像是在真的腦中所發生的情況。研究人員的基本構件是一個由256條輸入線（“軸突”）及256條輸出線（“神經元”）組成的核心。他們將4000多個這樣的核心進行連接并將它們落實到一個被稱作“TrueNorth”的數字電腦芯片上，它有超過2億5600萬個交換電信號的“突觸”。該芯片完成了一個復雜的圖像檢測測試，在該測試中，它必須從背景中挑出像人或自行車等物體。研究人員的這一設計不僅能效高，而且還可縮放；TrueNorth可像瓦片覆蓋樣地來構建具有成千上萬個核心、數億個神經元及數千億個突觸的系統。Merolla等人設想將他們的芯片與傳統電腦構架結合，這樣兩者可從事互補性的工作。DARPA為這項工作提供了資金。

　　“一鍋法”無碳產氨配方

　　用水和氮來制備氨的一種新型電化學方法可能指出了一個從純粹的可再生資源來生產化肥的方法。用于制備化肥氨的典型方法涉及給氮加氫，但在這個過程中所用的氫消耗了這個世界天然氣產量的3%~5%，并排放出了大量的二氧化碳污染物。由Stuart Licht及其同事所研發的電化學方法跳過了這一對天然氣的需求，使得它可能成為一個更為環保的過程。在他們的“一鍋法”合成中，水和氮在一個熔融的氫氧化物鹽內直接相互作用來產氨。該相互作用是由一個電流觸發的并在一個分散于整個熔融混合物中的納米結構氧化鐵的幫助下催化的。該混合物僅維持幾個小時的穩定，但研究人員希望他們的證明將導致一種更為穩定且有效的產氨方法。