制作：科了個普
監(jiān)制：中國科學院計算機網絡信息中心
娛樂評論界普遍認為，2017年是好萊塢科幻大片的超級大年。這一年中，《變形金剛》、《蜘蛛俠》、《復仇者聯盟》、《星球大戰(zhàn)》、《X戰(zhàn)警》等等著名科幻系列影片都推出了新作。加上近年人氣陡升的《美國隊長》、《銀河護衛(wèi)隊》，2017年的科幻大片如潮水一樣叫人應接不暇，刺激著影迷的觀影沖動。?
夢想照進現實，始終是科幻電影令人著迷的所在之一。那些看似天馬行空的狂想，真的有可能在未來的某一天得以實現。今天小編就來帶領大家回顧幾部過去一年出現在熒屏上的科幻大片，看看都有哪些酷炫的未來科技正在變成現實。?
《蜘蛛俠歸來》中的一系列科幻元素?
蜘蛛俠系列最新一部《蜘蛛俠歸來》上映后，里面眼花目眩的黑科技讓人目不暇接。蜘蛛俠一襲紅藍緊身衣、白目蒙面、胸口蜘蛛圖案的裝扮（無論是目鏡形狀還是蛛網紋路的線條，以及靴子的高度都更接近于蜘蛛俠早期的漫畫）足具未來感與科技感。戰(zhàn)衣擁有一鍵式穿脫功能，不僅可以迅速穿脫，還可以根據自身的身體尺寸調節(jié)大小。自帶蜘蛛網翼，可實現短距離滑翔，在樓宇穿梭間起輔助作用。護目鏡會根據彼得的情緒變大變小。戰(zhàn)衣包含腋下滑翔翼、機械可動眼、彈性伸縮面料、蛛網榴彈和小型蜘蛛偵察機，多達500多種蛛網噴射的組合方案。依附在緊身衣上的蜘蛛追蹤器，作為一個小型的智能無人機裝置，它既可以作為追蹤敵人方位的追蹤器，也可以將“看到或聽到”的信息傳遞給緊身衣里的彼得。緊身衣上還有類似于鋼鐵俠賈維斯系統(tǒng)的智能AI系統(tǒng)，它以女性角色與蜘蛛俠進行語言交流，為蜘蛛俠進行各種數據分析及戰(zhàn)況分析。?
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圖1 蜘蛛俠歸來劇照（來源：網絡）?
?電影中的蛛絲有多強？人工合成纖維可以實現！
我們有好幾種方法可以估測蜘蛛絲的強度，先考慮在前一部電影中蜘蛛俠用網絲牽住了一輛墜落的汽車。那么網絲需要達到什么程度的張力才能不斷呢？?
由于汽車有下降的慣性，網絲的張力必須達到汽車本身的重量，而且能夠使汽車在落地之前速度為零。假設一輛汽車的重量為2000kg，下降1秒后讓它停下來。網絲抓到汽車后，汽車受到向上的網絲拉力和本身的重力，拉力需要平衡汽車的重力加速度，不可能馬上停下來。這里假設迫使汽車停止的所需時間也是1秒，通過動量定理可以計算得到拉力至少為39200牛頓。那么，什么樣的材料可以提供這么大的力呢？假設從蜘蛛俠的網絲直徑為1毫米，如果換成相同粗細的實際材料，可以達到的張力極限是：?
鋼絲繩：6503 牛頓?
尼龍繩：235 牛頓?
實際蜘蛛絲：3142牛頓?
碳納米管繩：1.98 x 105 牛頓 ?
所以只有碳納米管能夠代替蜘蛛俠的網絲，如果用鋼絲繩的話，大概2.5毫米粗的才能達到相同強度。?
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圖2 蜘蛛俠歸來劇照（來源：網絡）?
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普通的蜘蛛絲已經很堅韌，科學家使用碳納米管和石墨烯，可以使普通的蜘蛛絲變得更強韌。意大利特倫托大學的Nicola Pugno教授帶領的一個研究團隊，成功地使蜘蛛吐出的蛛絲強度提升了3倍，韌性提升了10倍。?
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圖3（a）給蜘蛛喂食含有石墨烯或碳納米管的分散液，（b）在納米管系統(tǒng)中收集和測試蛛絲; （c）應力 - 應變曲線顯示改進的纖維與原始樣品的性能比較[2]。?
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這項研究開辟了生物材料合成的新道路，拓寬了新型生物材料的應用范圍。這些人造蛛絲可以用于高性能或可生物降解的紡織品，例如降落傘或醫(yī)用敷料。相信在以后會擴展到其他生物系統(tǒng)，并促進新一代的仿生材料的技術革新。?
壁虎膠帶
在電影中，蜘蛛俠可以倒吊在屋頂上，行走自如，似乎不受重力影響。在現實中，我們人類目前是做不到的，然而有一種生物可以實現這個強大的功能，就是壁虎！?
我們經常看見壁虎在垂直的墻面或建筑物的天花板上奔走，經過研究發(fā)現，壁虎并沒有像有些生物那樣分泌粘液把自己”粘“在墻面上，如果有粘液的話也不會跑得那么快。這都得益于腳掌上具有多分級纖維狀黏附系統(tǒng)。壁虎的每個腳趾生有數百萬根細小剛毛，每根剛毛的長度約為30-130微米，直徑為數微米，約為人類頭發(fā)直徑的十分之一。剛毛的末端又分叉形成數百根更細小的鏟狀絨毛(100-1000根)，每根絨毛長度及寬度方向的尺寸約為200納米，厚度約為5納米，結構非常精細、復雜。?
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圖4壁虎腳掌多分級黏附系統(tǒng)的微觀結構（來源：網絡）?
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圖5 壁虎二級結構黏附模型[1]
圖6 壁虎腳趾的微觀結構在吸附和脫離吸附時的變化[2]?
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英國曼徹斯特大學的安德烈 K 海姆教授注意到壁虎剛毛的這種多層級微納、尺度介觀結構之后，馬上聯想到是否可以制造出一種膠帶，擁有類似壁虎腳掌的剛毛絨毛系統(tǒng)，具有強大吸附力的同時還可以吸脫自如。?
于是經過一段時間的艱苦實驗，通過電子束光刻、熱蒸鍍、氧等離子體刻蝕等一系列先進的微加工手段，制備出了類似的結構——由聚酰亞胺（PI）微纖維構成的陣列，如圖7所示。而制備出的樣品只有1平方厘米！?
海姆教授的嘗試為科學界開辟了一個全新的研究方向。2008年，佐治亞理工大學的王中林教授在《科學》雜志上發(fā)表了關于壁虎膠帶的研究成果。這篇論文利用超高長徑比的碳納米管陣列來模擬壁虎的剛毛構造。在垂直于墻面方向上，拉力可以達到20牛每平方厘米，平行于墻面的方向上，拉力高達 100 牛每平方厘米，這已經達到了壁虎實際吸附能力的十倍程度，如圖8所示。?
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圖7 由聚酰亞胺（PI ）微纖維構成的陣列[3]?
圖8 A：利用碳納米管陣列制成的壁虎膠帶吊起一本1480克重的書，B-C： 碳納米管陣列的形貌，? D-E：? 壁虎膠帶的力學性能測試結果[4]?
“吐絲”無人機
倫敦帝國理工學院的空中機器人實驗室研究團隊研制了一款名為SpiderMAV的無人機，它具有一種神奇的能力，能夠像蜘蛛俠一樣射出可讓機身穩(wěn)定的磁性繩索，近日該研發(fā)團隊成功地測試了其噴射磁性“蛛絲”于磁性表面上的穩(wěn)固能力，在強風等環(huán)境中，無人機可以依靠這樣的方式來穩(wěn)固自身，或者不依靠電力完成以往需要懸浮來完成的任務，提高續(xù)航能力[6]。?
據介紹，SpiderMAV 的靈感來自于一種被稱為Darwin's bark spider的蜘蛛。這種蜘蛛可以吐出25米長的絲，是其他蛛絲耐性的兩倍多，而且是現存最硬的生物絲狀物。?
目前，這只是系統(tǒng)的一個初步設計測試，研究人員并沒有真正了解如何解除錨固系統(tǒng)，盡管可以調節(jié)磁性繩索的磁性強度，或者使用電磁鐵通過控制電流方向切換磁鐵作錨，然而，更完善的結構優(yōu)化是實現多功能的保障。?
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圖9 Spider MAV無人機模型（來源：Imperial College London）?
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《銀河護衛(wèi)隊2》中的神奇植物?
小樹人是銀河護衛(wèi)隊2中最吸粉的角色，并且?guī)缀鯖]有之一。在上集末尾，樹人格魯特壯烈犧牲，堪稱整部電影最為催淚的情節(jié)。不過既然是美式爆米花大片，生離死別絕非觀眾喜聞樂見的橋段。于是樹人身體的一部分化身為小樹，獲得了某種意義上的新生。?
小樹人是一種植物和動物結合的生命體，簡單來說可以認為是一株可以自由移動，并且具有思想的植物，堪稱長距離跨越物種鴻溝的嵌合體。其實早在2015年，科學家們就造出了另外一種意義上的嵌合體怪胎——電子植物。?
來自瑞典林雪平大學的科研小組利用具有導電性的聚合物溶液來培養(yǎng)玫瑰花，最終聚合物在被植物的導管系統(tǒng)吸收后形成導電水凝膠構成的電子回路。在最初的電子植物雛形中，導電水凝膠只能分布在玫瑰花莖中。2017年，該科研小組設計了改良的有機導電聚合物，其在植物內部具有更好的擴展性，可以自發(fā)分布到葉脈乃至花瓣中，形成遍布植物整體的導電網絡 [7]。?
目前，研究人員所展示的電子玫瑰花已經可以經得起數百次充放電，從某種程度上來看，可以達到超級電容的電量存儲水平。雖然想要造出小樹一樣的動植物嵌合體并不容易，不過植物與機械或者電子的結合卻給我們帶來了新的啟示。很多驚世成就最初都誕生自天才一般的狂想，誰敢打包票說，未來以電子植物作為核心的植物電站不會成為現實呢。?
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圖10 導電玫瑰花示意圖（圖片來自該實驗室官網）?
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《金剛狼3》與人類組織再生?
雖然經常被質疑為只用兩對大爪子靠蠻力吃飯，金剛狼這一角色還是在休杰克曼的演繹之下成為該系列當仁不讓的第一主角。實際上，金剛狼經常被人忽視的特長之一就是強大的組織自我修復功能。不光能打，還皮實抗造，巔峰時期的金剛狼，身體損傷后的再生速度極為迅捷，即便是能毀天滅地的鳳凰女也沒能讓金剛狼傷筋動骨。不過，在《金剛狼3》中，他最為仰仗的再生能力卻隨著年齡的衰老而逐漸弱化了，不禁令人產生英雄遲暮的感慨。?
那么，人類組織再生的相關研究，在2017年又有什么最新進展呢？?
2006年，iPS細胞初次登上歷史舞臺。日本京都大學教授山中伸彌率領的團隊利用基因修飾技術，將已經失去了全能分化性的小鼠皮膚成纖維細胞改造成了具備全能分化性的胚胎干細胞，從而大大降低組織再生的技術門檻。?
iPS細胞，即誘導性多能干細胞（induced pluripotent stem cell）。山中伸彌教授特意將I寫成i，是希望該技術像當年風靡一時的iPod一樣，發(fā)揚光大。2012年，山中教授也因發(fā)現“成熟細胞可被重寫成多功能細胞（即iPS細胞）”而與約翰？格登爵士一同獲得諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。?
今年三月末，來自理研和神戶市立醫(yī)療中心的團隊已經成功利用他人的iPS細胞培育成的視網膜組織，為患有滲出型老年性黃斑病變的患者實施了植入手術。所用iPS細胞來自于京都大學iPS細胞庫（圖11），雖然是異體移植，但是排異反應將會非常輕微，術后病變的視網膜將會逐漸恢復正常功能。該研究最初的階段是利用患者自身的iPS細胞培養(yǎng)成視網膜組織，因此耗費時間長，成本高昂。今年的這項成果將手術成本降低到了原來的幾十分之一，這被普遍認為是iPS細胞真正開始進入臨床的標志之一。?
同時，iPS細胞培養(yǎng)技術的發(fā)展也促進了相關的材料研究。今年初，日本科學家與纖維廠商合作，成功開發(fā)了新一代的iPS細胞培養(yǎng)基（圖12）。這種培養(yǎng)基基于纖維材料，具有極高的比表面積，因而有望大大節(jié)約細胞培育的空間成本。曾經一次iPS細胞移植手術所需的細胞量需要上千個培養(yǎng)皿同時運作，今后利用各種先進材料進行iPS細胞的培養(yǎng)將會大大節(jié)約場地和時間，將臨床手術的花費降低到普通人可以承受的水平 [8]。?
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圖11 國際iPS細胞庫構想（來源：網絡） 圖12 纖維培養(yǎng)基（來源：共同社報道）?
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2018年，又有幾十部科幻大片等著我們觀賞品鑒。在觀看電影的同時，除了絢麗奪目規(guī)模宏大的視覺場面，那些編劇和導演匠心獨運的發(fā)想以及對未來科技趨勢的把握同樣是值得關注的看點。當今世界，科技的發(fā)展時常超越人類最狂野的想象，能夠生活在這樣一個可以讓科幻成為現實的時代，也算得上是一種幸運了吧。?
參考文獻
[1] Lepore, Emiliano, et al. "Spider silk reinforced by graphene or carbon nanotubes." 2D MATERIALS 4.3 (2017): 031013-1.?
[2] Peng Z.L., Chen S.H., Effect of pre-tension on the peeling behavior of a bio-inspired nano-film and a hierarchical adhesive structure. Appl. Phys. Lett., 2012, 101(16): 163702.?
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