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来认识华裔科学家胡立德,他致力于从动物身上寻找潜质来改善制造机器人

他的研究领域堪称“最古怪好玩”。

本文只能在《好奇心日报》发布,即使我们允许了也不许转载*

胡立德(David Hu)在为刚出生的儿子换尿布时产生了一个研究灵感,而这个想法最终还帮助他夺得搞笑诺贝尔奖(Ig Nobel prize)。请注意,这可不是诺贝尔奖,而是宣称要为“乍看之下好笑,而后又引人深思的成就”而颁发的搞笑诺贝尔奖。

和其他男婴一样,儿子的尿全部撒在了胡立德的衬衫上,而且排尿时间足足有 21 秒。没错,由于他的好奇心战胜了恼怒的情绪,所以当儿子排尿时,他在一旁计时。

对于一个小婴儿而言,他认为这样的排尿时间并不算短。那么,一个成年人排完膀胱里的尿液要多长时间呢?他帮自己也做了计时,一共花了 23 秒。“噢,我觉得我儿子已经能像成年男子一样尿尿了。”

他丝毫不觉尴尬地重新为自己和儿子计时,并且还在出版的书籍《How to Walk on Water and Climb up Walls: Animal Movements and the Robotics of the Future》里对这个问题进行探讨,书中也阐释了为该研究领域所做的傻事和背后的深层意义。

胡立德目前 39 岁,认识他的人都不会觉得这是个离奇的故事,因为他的家庭、朋友、周围的动物,全都是他做研究时的灵感源泉。

他的妻子 Jia Fan 是快递公司 U.P.S. 的一位市场研究员和高级数据科学家。当年他们相识的时候,她有一只小狗,后来因为胡立德好奇小狗是怎样甩毛的,还做实验来研究甩毛的过程。

如今,他和儿女在散步或跑步后,有时会从外面带回一些在路上被轧死的动物尸体,然后把它们放进冰箱里保存。以前他们就用冰冻的老鼠喂过蛇。(有的蛇还吃过狗粮)。“我的第一个反应不是,噢,好恶心,而是在想‘冰箱里还有空间吗,’”他的妻子说道。

他也保存着孩子的耳垢、牙齿、以及学童头发里难以避免的虱子和虱卵。“我们把虱子和虱卵分开放到不同的小瓶子里,”他说道。

“我觉得他是一个叛逆的人,”妻子大笑着说,“他不怎么遵循社会规范。”

然而,胡立德的行事作风也是在追寻父亲的脚步。他的父亲是一位化学家,同样喜欢收集死掉的东西。在一次家庭露营之旅后,他父亲曾带回一只被轧死的鹿,并且在晚上悄悄藏到车库里。

他在父亲节为父亲写的一篇文章里提到,这是全家第一次参与屠宰,“这也是一次密集式学习和感官体验。我这才知道,原来一个动物体内有那么多器官。

后来,他的好奇心促使他开始研究眼睫毛和火蚁、黾蝽(water striders)和马尾、还有青蛙的舌头和蛇。

胡立德是佐治亚理工学院(Georgia Tech)工程系里研究动物的数学家。他那些看似古怪的研究引发了某些爱作秀的参议员的愤怒,但至少也得到了美国陆军一位捐助者的全力支持,而那里就像是他的快乐堡垒。

亚利桑那州共和党参议员杰夫·弗莱克(Jeff Flake)在凭借大法官布雷特·卡瓦诺(Brett Kavanaugh)的听证会而出名之前,曾把胡立德的三个项目列入 20 个最浪费联邦政府资助的研究中。电视节目《Fox and Friends》曾专题报道过弗莱克所做的批判

胡立德在埃默里大学(Emory University)做演讲时,很自然地把这些攻击作为 TEDx 演讲的由头。他在演讲时鞠躬,感谢有人把自己列为“国内最浪费资源的科学家”,然后反驳说弗莱克完全误解了基础科学的本质。

一位科学家应该为浪费公帑的行为负责,胡立德一想到这个观点就觉得好笑,因为他和他的支持者都不惧怕遭受谴责。

来自北卡罗来纳州达勒姆(Durham)美国陆军研究办公室(Army Research Office)的项目经理塞缪尔·C·斯坦顿(Samuel C. Stanton)就是其中一位支持者,他资助胡立德对火蚁究竟是液体还是固体的问题进行研究。(文章稍后会有更多关于这个研究和排尿问题的发现。)

斯坦顿不像胡立德那样离经叛道,他认真而严肃地谈到军方资助的科学领域,包括“非平衡信息物理学(nonequilibrium information physics)、体感学习和控制、非线性波和晶格(lattices)”。

因此,他也一本正经地认为胡立德是“有深层勇气和充满正直”的科学家,“他的好奇心一直在指引着他前进。”

胡立德拥有“一种不可思议的能力,能够识别出隐藏在人们眼皮底下的科学问题,并顺藤摸瓜进行研究,”斯坦顿说道。

当谈到物理时,陆军和胡立德之间似乎有一种深层的关联。他们都会跑到实验室外,而且通常会到潮湿、泥泞或是充满困难的真实世界里,靠人类亲身进行研究。

在谈及物理学如何在这些条件下运作时,斯坦顿说,“现实世界中变幻莫测的事物真的会以一种有趣的方式出现。”

此外,斯坦顿还说,陆军可能和有些人想象得不同,并非总是“在坦克上寻找小部件或其他东西。”他们其实对基础性的洞见和原创型思考者很感兴趣。而且,他们觉得科学领域里对寻求资助和终身职位的约束,有时会对创造力产生不利影响。

斯坦顿说,有时候,他工作的一部分是要说服学术科学家“减少他们的顾虑”。

不用说,这个问题对于胡立德来说完全不是什么大事。

胡立德对哺乳动物的理想睫毛长度进行了研究,比如在这只羊身上,它的睫毛是眼球宽度的三分之一。图片版权:Guillermo Amador

另一个发现表明,火蚁会连续不断地形成和打破连接——从本质上来讲,可变成一种“可自行修复”的物质。图片版权:Tim Nowack

在胡立德的实验室里,火蚁甚至能够像液体一样流动,但不能像饮料一样可食用。图片版权:Tim Nowack

一位有抱负的科学家却“误入歧途”

“应用数学家总是比较爱玩,”胡立德最近在谈到自己的学术背景时这样说道——虽然其他人可能不像他那样能玩儿。几年前,在一个有科学家出场的中国电视节目中,他曾以一个体操空翻登台亮相

胡立德在马里兰州贝塞斯达(Bethesda)长大,在读高中时就发表过文章探讨多孔金属的强度,还入围过英特尔科学奖(Intel Science Prize)的前身西屋科学奖(Westinghouse Science Prize)的半决赛,另外也赢得过其他奖项。

优异的成绩让他以医学预科生的身份进入麻省理工学院学习,他计划还要获得医学博士学位。

但是,他很快就“误入歧途”了。

拉克什米纳拉亚南·马哈德万(Lakshminarayanan Mahadevan)是胡立德在麻省理工学院的一位本科导师,也是一位用严谨的数学语言来描述现实生活过程的数学家。

马哈德万又被学生和同事称为马哈,他会研究比如弄皱床单之类的问题,因此自然而然也得过搞笑诺贝尔奖。

“马哈点燃了我的好奇心,”胡立德表示。他说,在看到这位导师的研究以前,自己觉得“仅仅靠玩乐就能谋生,是不可思议的事情。”

但是,从这以后他开始看到一些可能性。

在麻省理工学院做毕业作品时,他的实验室导师、地球物理学家约翰·布什(John Bush)还记得他是个充满热情的学生。

通过电邮询问布什关于胡立德对日常生活物理学的大胆探索时,他告诉我,“在科学领域里,抱有玩乐之心无疑是一件好事,尤其是能够打动更多的受众。”不过他也说,“专攻荒诞问题并不是一个好的策略,而我知道他也为此受到了相当大的抨击。”

导师马哈德万曾师从已过世的斯坦福大学数学家约瑟夫·凯勒(Joseph Keller),而凯勒也获得过两次搞笑诺贝尔奖,一次是因为研究人在慢跑时何为马尾辫会左右摆动,而不是上下摆动;另一次是研究茶壶滴水的原因。因此从科学谱系来说,胡立德可能是第一个获得搞笑诺贝尔奖的“第三代传人”。

离开麻省理工学院后,胡立德去另一个应用数学的宝地——纽约大学库郎研究所(Courant Institute at New York University)做研究。后来在生物学家 Jeannette Yen 引荐之下,他来到佐治亚理工学院。

从蚂蚁到可自行组装的机器人

胡立德的研究可能看上去单纯只为好玩,但其实很多都建立在这样一种想法之上:如何让动物运动及其功能为工程师带来灵感,从而设计出人造物体或系统。

他的书名引用了“未来机器人”的说法,同时他也强调,从动物运动方式可洞悉到工程方面的应用——即在生物学启发之下所做的设计。

举个例子,巴西潘塔纳尔湿地(Pantanal wetlands)发生洪水时,那里的火蚁会紧密地交织在一起形成木筏,甚至连水都无法穿透它们。胡立德写道,当他在实验室里拿起这样的一团物体时,感觉就像是一堆沙拉蔬菜。

“它们的木筏是有弹性的,如果我把它们往下压一点,稍后它们就会恢复到原来的形状。如果我把它们拆开,它们就会像披萨上的奶酪一样散开。”

他发现,这些蚂蚁会持续不断地移动,而这团物体在移动过程中还会保持差不多相同的形状。它们不停地打破和形成连接,而从实质上来说,这可以变成一种“可自行修复”的物质。

这个想法对于许多工程学应用来说都很有吸引力,包括可应用于可自行修复的混凝土,以及能够自行组装成大型复杂结构的机器人等。根据施加的不同外力,十万只蚂蚁能够形成球体或塔楼,又或者像液体一样进行流动。

此外,他和实验室里的学生们还通过研究证明,蚊子之所以在暴风雨中不会被水滴砸死,是因为它们太轻了,以至于水滴在滴落时会扰乱空气,从而把蚊子吹到旁边。这项发现可能会被应用在微型无人机方面。

他们还表明,哺乳动物的理想眼睫毛长度是眼球宽度的三分之一,而这样的长度正好可以作为合适的屏障来防止空气吹干眼球表面。如此一来,人工膜也可以使用某些人工假睫毛。

那么,关于排尿这件事又有什么发现呢?作为成年人的胡立德和婴儿的排尿时间竟然差不多相同,这看起来太难以置信了。

胡立德让研究生 Patricia Yang 带着一群本科生到亚特兰大动物园(Atlanta Zoo)为所有动物记录排尿时间,而这一做法似乎让问题变得更加扑朔迷离了。他们发现,大多数哺乳动物的排尿时间在 10 秒 到 30 秒之间,平均用时为 21 秒。(小型动物的情况有所不同。)

他们还发现,尿道是这个问题的关键。尿道本质上是一根连接膀胱的管道,它会增强重力的作用。在狭窄的管道中,即使少量的流体也会产生高压并产生惊人的效果。

通过狭窄的管道向一个大木桶注水,最终会让桶裂开,胡立德认为,现在即便用特百惠(Tupperware)生产的塑料桶,也可以重现这个经典的“帕斯卡裂桶实验”(Pascal’s barrel)。

“应用数学家总是比较喜欢爱玩。”图片版权:Melissa Golden for The New York Times

从生物学来看,关于尿道的有趣之处在于,无论动物的体积大小如何,其尿道的比例、长度和直径都大致相同(只要动物的重量超过约 3 公斤)。

从生物进化的角度来看,21 秒的平均排尿时间是很重要的一点。或许排尿时间再长一点,就会引来掠食性动物?不过,掠食性动物也遵从同样的定律。胡立德在最初的研究报告中写道,在任何情况下,如何有效从容器中排出液体的原则,对于设计“水塔、水袋背包和储存容器”的设计者都是有用的。

像往常一样,胡立德在书中也顾及到科学的通俗性,或者说,他也没有把科学看得太严肃。他在书中把尿道称为尿管(pee-pee pipe),而且当发现儿子吹嘘只有自己有尿管而妹妹没有的时候,他纠正了儿子的错误。

他坚持告诉儿子,男性和女性都有尿道。

一旦他的孩子长大以后,可能永远都不会原谅他写的这本书。但是,想必中学科学老师和爱钻研科学之人都会对他表示感谢。


翻译:熊猫译社 Emily

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