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“搞笑诺贝尔奖”得主:我只做有意思的研究

| 2020-11-08

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“搞笑诺贝尔奖”得主:我只做有意思的研究

腾云 腾云 2020-08-28



很多科学家都进行过很有意思的研究,但像胡立德这样进行了这么多有意思的研究的科学家可谓凤毛麟角。他建议,“科技企业要多和生物学家交流。”




文 | 鞠 强
科普图书编辑


即便在全世界的科学家里面,美国佐治亚理工学院机械工程与生物学教授胡立德(David Hu)也是非常特别的一个。


很多科学家都进行过很有意思的研究,但像胡立德这样进行了这么多有意思的研究的科学家可谓凤毛麟角;很多科学家都曾经获奖,但胡立德也许是世界上获得幽默科学奖次数最多的那一个。


胡立德


2015年和2019年,他因为发现“哺乳动物21秒尿尿定律”和“为什么袋熊的大便是方形的”而先后两次获得“搞笑诺贝尔奖”(Ig Nobel Prize)。


这个创立于1991年的奖项奖励那些看似引人发笑实则发人深省的科学研究。不少诺贝尔奖得主之间有师承关系,搞笑诺贝尔奖似乎也不例外。胡立德的本科导师拿过这一奖项,而这位导师的导师也曾两次榜上有名。


此外,胡立德还三次获得有“中国版搞笑诺贝尔奖”之称的菠萝科学奖:2015年的获奖研究是“蚊子为什么不会被雨滴砸死”,2016年的获奖研究是“苍蝇为什么总在搓手”,2019年的获奖研究是“猫怎么用舌头清洁身体”。


如果只是看这些研究的名字,我们也许会一笑置之,但也有人格外“在意”。2016年,一位叫杰夫·弗雷克(Jeff Flake)的美国参议员曾经发布了一个名单,列出了当年美国最浪费的20个科学课题,其中胡立德的研究就独占三项。


这三项研究分别是:

  • 一条湿漉漉的狗要甩多少次才能把自己甩干?(39万美元)

  • 松鼠的毛多,还是熊蜂的毛多?(75.3万美元)

  • 赛马尿尿需要多长时间?(33.1万美元)


而这三项研究的答案分别是:4次;一样多,都是300万根;大约21秒。正是第三项研究使他获得了搞笑诺贝尔奖。我们也许会觉得,这些研究听起来很好玩,可仅此而已,实在是不值得花费上百万美元的科研经费。但是,我们也许大错特错了。


面对这位参议员的指责及其带来的对公众的误导,胡立德认为有必要进行回应。几天之后,他在著名科普媒体《科学美国人》上发表了一篇题为《一个浪费科学家的自白》的文章。


他在文中不仅解释了为什么要做这些奇怪的研究,更指出很多普遍存在到我们已经习以为常的问题,其作用机制却仍然是个谜,也是科学家们最难回答的问题。找到这些问题的答案,其实与我们的生活息息相关。


设计师Brian Chan根据胡立德的研究设计的水黾机器人,重量仅为0.3克。


这篇文章是胡立德尝试与公众交流的一个缩影。他认为科学家做科普是非常必要的,这样可以更好地向公众阐释科学研究的意义,消除公众的误解。


科学需要和大家分享。他身体力行,不仅写文章、做讲演,还用两年时间创作了自己的第一本科普书:How to Walk on Water and Climb up Walls:Animal Movement and the Robots of the Future(《如何在水上漂和在壁上爬:动物运动和未来机器人》)。


《如何在水上漂和在壁上爬:动物运动和未来机器人》


《如何在水上漂和在壁上爬:动物运动和未来机器人 》 英文原版,胡立德著,普林斯顿大学出版社2020年3 月出版。


他在书中也再次谈到了“浪费”的话题:“如果我们知道从A到B的确定路线,那么不同路线之间比较,确实有省油和费油的区别。但是,科学的真正力量本来就是把我们带向从未到达的地方。如果我们不知道B在哪里,探索的过程何来浪费一说?”


胡立德的研究领域是生物力学,具体来说,就是使用流体力学等方法研究各种动物的运动及其背后的机制。


在这本书中,他带领读者展开一次探索动物运动世界的奇妙旅程。从麻省理工学院的地下室到巴拿马的雨林,胡立德展示了动物们如何利用惊人而巧妙的物理原理,适应不同的环境,实现生存和进化。


他在书中介绍的内容,既有自己的研究,也有其他科学家的研究。涉及的动物包括水黾、蛇、蚊子、狗、马、大象、鲨鱼等。


这些动物看似迥然不同,但其实有一个共同点:为了生存,它们都需要运动以获得能量。而从能量的角度考虑,动物在速度、经济性和机动性方面需要不断突破极限,才能在激烈的生存竞争中脱颖而出。


这本书的各章基本遵循同一个模式:最开始提出一个关于动物运动的简单问题,然后展开介绍相关研究,探究其中的科学原理,最后以一个研究成果的应用结尾。


以第一章为例,题目是“在水上行走”,这也是他进入生物力学研究的开始。当他的导师最早给他提出这个研究题目的时候,他甚至认为这都不算是一个研究。但当他进行认真观察后,他发现从人类的角度看,水黾能在水面上行走是一件不可思议的事情。


他和合作者使用高速摄像机对水黾在水上行走进行了研究,找到了背后的机制,解决了长久以来困扰科学家的难题,这些研究后来成为世界著名科学期刊《自然》(Nature)的封面文章。在这章的最后,胡立德讲述了他和合作者如何利用研究成果成功制造出一台机器水黾。


胡立德从麻省理工学院获得博士学位后,前往纽约大学进行博士后研究,也是从那时开始研究蛇的运动。他在书中通过对蛇、沙虎等动物的介绍,展示了它们如何充分利用自己的外形在沙地上移动,就像在水里游动一般。


同时,动物利用特殊的身体部位的形状还能影响流体的流动,比如飞蛇和水母的形状。不过,外形不是唯一的因素,特殊的表面结构,比如毛发或者鳞片,可以使动物影响流体在它们身边流动的方式。


动物获得和使用能量的方式也是生物力学研究者研究的重点,胡立德在书中介绍了鳟鱼如何从周围的水流中获得能量,从而减少自身的能量消耗。


胡立德的学生在亚特兰大动物园研究哺乳动物排尿的过程。


很多动物具有应对障碍冲击的能力,胡立德的获奖成果“蚊子为什么不会被雨滴砸死”正展示了这种能力。动物的神经系统使用中枢模式发生器(CPG)来彼此感知并发出信号,这对鸟群或者鱼群的协作至关重要。


在这本书的最后一章,胡立德把目光投向蚂蚁。它们在合作的时候会把自己的身体连接起来形成跨越沟壑的桥梁,这就是动物发挥群体智能的一种方式。


当跟随胡立德完成这样一趟奇妙的旅程之后,我们也许会好奇,他是怎么发现这么多有意思的研究题目,或者说他会不会因为开展这些研究而感受到压力。他自己曾经说过,刚成为助理教授的时候,也是想跟着经费走,但是后来发现这样会人云亦云,背离研究科学的初心,于是开始寻找自己的路。


蚂蚁可通过合作将身体连接起来,形成跨越沟壑的桥梁,这一实验生动地展示了蚂蚁如何发挥它们的群体智慧。


这是一个值得很多科研工作者借鉴的例子。从事科学研究本不应该以拿经费、发论文为目的,可是科学家又有实实在在的现实压力。胡立德的经历证明,有意思的科学研究和经费及论文并不是对立的关系。


当你把良好的实验设计、认真的观测和精确的计算结合到一起的时候,有意思的研究也会受到顶尖期刊的青睐。


更重要的是,在经费和论文之外,生物力学中的研究不仅揭示了很多动物运动背后的秘密,还给新的技术或者产品带来了启示,有望改善我们的生活。胡立德在这本书的最后展望未来时,就提到了他的“哺乳动物21秒尿尿定律”带来的实际应用。


日本一位名叫松本诚司(Seiji Matsumoto)的医生在看到胡立德的研究后,认为这可以作为诊断泌尿疾病的简单方法。这位医生调查了2000个日本人的排尿时间,发现时间随着年龄增长而变长,从20岁时的21秒增加到80岁时的31秒。


胡立德说,也许有一天,医生在进行超声诊断之前,可以先问一下“你今天的排尿时间有多长”来作为初步判断膀胱是否健康的方法。


此外,失禁是很多老年人会遇到的问题。目前的一种解决方法是在膀胱中安装电动装置,从而更好地控制膀胱排尿。


但如何在安装后检查膀胱的功能已经得以恢复呢?密歇根大学的工程师阿比尔·胡拉姆(Abeer Khurram)和同事也是用这个21秒定律来测试植入装置的安全性。


除此之外,研究蚂蚁群体的流动性能够帮助防弹衣的研发,研究蚊子躲避雨滴的方式可以帮助开发更好的微型飞行器。研究者们对动物运动的秘密有越多的洞察,就越能将这些收获转化为先进技术或者材料的开发。


胡立德在书中将生物学、工程学、物理学和机器人技术联系起来,向读者呈现动物运动的世界和研究动物运动的科学家的故事,为我们揭开了生物力学的神秘面纱。其实,生物力学有着悠久的历史。


达·芬奇从15世纪末期就开始进行生物力学方面的研究。此后,人类逐渐从动物身上获得发明创造的灵感。


20世纪30年代,剑桥大学的动物学家詹姆斯·格雷(James Grey)对鱼和海豚游泳进行研究,他也被认为是现代生物力学之父。从20世纪50年代开始,伴随着电脑的使用和高速摄像机的发明,生物力学成为一个独立的专业。


不过,像胡立德一样的科学家数量其实并不多,他在佐治亚理工学院的教职也是机械工程系与生物学系为他特别设置的。他在书中也表达了自己对动物运动研究的担忧。


虽然研究动物运动大有可为,但是目前各大研究机构里的生物系越来越多地关注分子生物学或者细胞生物学,而研究整体动物运动的生物学家则在不断减少。


正如他说的那样,有点讽刺的是,受过专业训练、以发现和鉴别物种为职业的分类学家,却在逐渐消失。他觉得这是一件非常可惜的事情,因为从整体上研究动物是一件非常有意思的事情。他在接受采访时曾经表示,希望自己的书能吸引更多的人来研究动物的运动。


胡立德在书中展望了生物力学和机器人研究未来的发展。他在接受“腾云”专访时谈到了先进机器人研究和人工智能的关系。


他认为,机器人如果想完成复杂的任务,比如在天然地形中移动以及学习,人工智能非常重要。目前在这些任务中,缺少更好的传感器以及不能更好地处理信息都限制了机器人发挥作用。


谈到动物运动研究对机器人应用的促进作用,胡立德认为,很多机器人距离在工厂之外的应用还很遥远。


机器人擅长做重复性工作,但是在自然环境中长期工作却很困难。我们需要对动物如何在这样的环境中运动有更好的理解,这样机器人才能在不可预测的环境中完成各种工作。


高速摄像机拍摄的雨滴砸中蚊子的过程。


在这个过程中,科技企业可以做什么?


“多和生物学家交流”,这是胡立德给出的建议。动物可以做很多事情,比如安静地在空中移动、避免碰撞和搬运重物,它们都为提升机器人的性能给出了灵感。在这样的交流中,科技企业可以把这种灵感转化为未来的设计或者产品。


2010年,安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫因为研究石墨烯获得了诺贝尔物理学奖。而早在2000年,海姆就因为“通过磁悬浮技术克服重力作用,让一只青蛙悬浮在半空中”获得过搞笑诺贝尔奖。


他是迄今为止唯一一位既获得过诺贝尔奖也获得过搞笑诺贝尔奖的科学家,但是谁又敢说不会有下一位呢?


毕竟,两个奖项的研究都是由好奇心所驱动的。胡立德也在书中写到,科学并不只关乎答案,也关乎世界怎样运行的好奇心。


胡立德在接受采访的时候提到过,没有科学家是为了获得诺贝尔奖而从事研究的,他只要继续做自己觉得有意思的研究就好。也许不是所有的科学都是好玩的,但好玩的科学值得更多地被分享。


胡立德的这本书真正做到了这样深入浅出的分享,而我们也从中得到了发现未知的乐趣。



对这本书感兴趣的朋友,欢迎点击下方链接





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