美国留学：科研最大的驱动力是什么？
2021/06/24/周四 09:44
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在很多人的心目中，科研一直是一项神圣而又严谨的事情。理工科很高大上吗？科研很好玩吗？人类的梦想是驱动科研的原动力，使得技术更进步，生活变得更好。针对这些问题，加州理工学院研究员Jason Qu强调科研最大驱动力是兴趣、想象力和好奇心。
“有一部1966年发布的电影估计很多朋友可能没看过，Fantastic Voyage神奇旅程，讲的是用微科技深入人体拍摄的科幻电影。故事描述一名苏联科学家从银幕逃到美国，因为他的脑血管遭到间谍破坏而命在旦夕。五名美国医生乃被缩小成几百万分之一置于胶片中，注射进科学家体内进行血管手术。”
50年过去了，现在能不能实现将微型机器人植入人体，在血管中游动，实现靶向治疗，精准药物递送呢？
Jason说，“事实上，直到今天我们还在尝试去实现电影中所描述的这么一个场景，或者是设计出百万分之一的机器人，解决一些非常困难的医学上的难题，比如说溶解血栓、靶向治治疗、精准治疗送药等。”
一直以来，大自然是人类最好的老师，很多工程学的设计其实是从自然中获取灵感实现的。如果想去实现一个微型机器人的设计，应该从哪些自然中去获取灵感呢？
Jason举例说，自然界中能够游动的生物非常庞杂，大到鲸鱼，小到细菌，尺度跨度非常大。鲸鱼是几十米长的生物，人类大概是一米到两米的身高，小丑鱼可能只有10分米的状态。而细菌是10的6次方米，需要显微镜才能看得到。不同尺寸的生物游动的机制不一样。微尺寸的游动不太一样，而且非常困难。
为了帮助启德学生们理解微尺寸的流动概念，Jason介绍了雷诺数这一专业名词，“它描述的是一个环境的状态，雷诺数越大，说环境中的惯性越强，雷诺数越低，说明环境中的惯性越低。惯性就是物体维持它原本运动能力和现象。”
举例说，一脚把球踢出去，球还会飞，虽然那个时候没有在球上施加外力，它还是能沿着之前踢的方向去飞，是因为球有惯性。雷诺数比较高的时候，惯性比较明显。当雷诺数比较低的时候，这种惯性就不明显了，甚至是没有惯性的一个状态。
雷诺数比较低的时候，惯性不明显，甚至没有惯性的状态是什么样的？
Jason分享了一个实验的视频，在圆柱形的桶里面填满了非常粘的液体，筒的外壁是固定的，内壁有一个圆柱的实心柱，通过转动把手，让里面的圆柱去转动，并带动圆柱周围的液体去动。
在非常粘的液体中滴一滴红色的染料，搅动粘稠的液体，一开始红色染料浮在那，慢慢地变得不清楚。这个时候再反向转动它，一个非常神奇的现象出现了！反向转动相同的圈数之后，红色的染料回到了原来的位置，这就是低雷诺数下的time responsibility时间的反序。低雷诺数的环境中做一个正向的运动，然后同时做一个反向的运动，它可以把系统复原到最开始的一个状态。
但是如果在水这种高雷诺数的环境，如在一杯咖啡里滴一滴牛奶，然后正方向搅三圈，再反方向搅三圈，想让牛奶恢复原状，那显然是不可能的。
还是同样的实验。一个桶装着非常黏的液体，在液体的表面滴一些巧克力酱，然后用注射器画一个巧克力酱的正方形，重复相同的实验，可以看到正方形被扯得越来越看不清楚了，然后再反向转，正方形的巧克力酱神奇地回到最开始的状态！
这就是低雷诺数下一些反直觉的现象，在日常生活中几乎是看不到，因为人类生活在一个高雷诺数的环境中，是有惯性的环境，时间不可逆的环境，时间一直在往前走，空间上可逆的，但是时间上不可逆。
但是在实验的环境中，空间和时间都是可逆的，这就是神奇的低雷诺数的环境。在这种环境下游动问题变得非常有挑战。如何解决这样的挑战？Jason指出，可以参考大自然中生物中的精子和细菌的游动方式。
想象一下，如果把人放在一个低雷诺数的环境中做蛙泳，那人能不能游？其实是很难的。在宏观尺度下看到的游动的现象，是没有办法放直接放在微观尺度去使用，那么细菌到底是如何游动的呢？
Jason介绍说，细菌在大自然中有两个主要的流动方式。第一个主要的运动方式是转动它的鞭毛，细菌的鞭毛是一个相对来说比较硬的东西，一个几乎不会形变的螺旋状的长矛，它可以通过朝一个方向去转动这样一个长矛去驱动游动。
“这是一个很神奇的结构，大自然中除了细菌，有没有看过哪个生物的关节或者结构是可以做一个方向的不停的转动？其实是没有的。细菌有一个生物马达，可以一直朝一个方向去转。 ”
第二个办法，就是像精子一样，有一个比较柔软的尾巴，然后往复地摆动这个尾巴，有点像蛇一样在水里游。Jason分享了另一个实验的视频，左右摆动尾巴，做一个往复运动，在水里是可以游动，但是在玉米油里，就没有办法进行，会慢慢往下沉。而螺旋状的同一方向的转动可以慢慢往前游，这就是细菌如何克服低雷诺数环境的游动方式。
参考细菌的游动方式，就可以实现微型游动机器人的设计。目前纳米机器人是否在医疗中实现了应用？答案是肯定的。讲座最后Jason用视频展示了电磁场去驱动的纳米机器人尝试辅助人工授精的情形。
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