3D打印的革命性

王飞跃  梁晓辉

    ①3D打印源自100多年前的照相雕塑和地貌成形技术，是一种不需要传统刀具和机床就能打造出任意形状、根据物体的三维模型数据制成实物模型的技术，被认为是一项改变世界的新技术。具体地说，人们首先需要通过电脑对实物进行扫描或直接创建一个三维设计图，再通过3D打印机对这个立体原型进行“切片”，一层一层地进行数据记录，然后将原材料按切片数据层层叠加，直到最终成型。

    ②3D打印机与普通打印机的工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，3D打印使用的不是传统的“墨”，而是那些能发生固化反应的材料。比如树脂、塑料、陶瓷、金属等，因而能“打印”出实实在在妁三维立体模型，小到一只耳环，大到体积庞大的工程零件、器具，只要获得了原始的模型数据，3D打印机都能将这些东西精准地复制出来，就像童话中的“复制机”一般神奇。这将使工厂彻底告别车床、钻头、冲压机、制模机等传统工具，从而转变为一种以3D打印为基础的、成本更低、研发周期更短的生产方式。以目前的发展情况判断，3D打印之后，必将是社会制造的迅猛崛起。

    ③据报道，国外目前已经通过3D打印技术成功地打印出了自行车、汽车、电控飞行器等物。现今，3D打印也应用于珠宝制造和模型制作，在时装业、电影业、建筑业等10多个不同的行业和领域显示出了十足的魅力，并大大改变了美国制造业的格局。其实，众多的3D打印创业者此前早已落户以虚拟经济著称的纽约市，即便在2008年金融危机的情况下，3D打印还是拉动了当地的萧条经济，为经济增长贡献了力量。

    ④3D打印的应用并不止于工业制造，它在医学界也有着广阔的发展前景。如果它用来打印的“墨”是一个个活体细胞，那么，只要获得相关器官的切片数据，该器官就可以被“打印”出来。这并非天方夜谭，在去年举行的全球科技娱乐设计大会（TED）上，美国维克森林再生医学学院博士安东尼就向人们展示了这样一个肾脏模型打印的过程。据他介绍，他们正在进行一个更大胆的试验，直接用打印机在人体伤口上进行修复式“打印”如果取得成功，这将是医学领域的重大进展。（选自《人民日报》2012年12月，选文有删改。）

“悟空”探“妖”

    ①2015年12月17日8时12分，“悟空”在酒泉卫星发射中心升空。它是一只非常勤奋的“猴子”，每天要绕地球飞行15圈，从不偷懒。

    ②“悟空”是我国第一颗主要用来探测暗物质的人造卫星。其实，它就是一台空间望远镜，担负着寻找暗物质粒子、研究暗物质特性及其空间分布规律等任务。

    ③一般人听到“暗物质”会一脸茫然：这是什么“妖魔鬼怪”？为什么要寻找它？顾名思义，暗物质就是通过人眼和其他设备看不到的物质。天文学家在长期的观测研究中发现：许多星系中存在额外的、看不见的引力源，宇宙的总质量其实远远大于已知物质的总质量。他们据此推测，宇宙中应该还存在着一种“暗物质”。我们已知的各种物质基本上都要受电磁力的影响，要么吸收光，要么反射光，要么就自己发光；但暗物质不与光波发生作用，它对电磁力无动于衷，所以我们无法看到它。

    ④半个多世纪过去了，对暗物质的研究依然不明朗。目前，能够确定的是，宇宙总能量的26.8%由暗物质贡献，普通物质只占4.9%，暗物质的能量是普通物质的5倍以上。有这样隐形的庞然大物存在于宇宙中，却又看不见摸不着，这的确让科学家心痒难耐。而且，暗物质与我们人类的生存息息相关。科学家发现，所有发光物质提供的引力无法抵消星系内旋转时产生的离心力，因此推测，是暗物质在提供额外引力，以阻止星系解体。也就是说，没有暗物质就没有星系，也就没有人类。而且，作为一种全新的、未知的粒子，暗物质很有可能开创前所未有的应用空间。

    ⑤那么，怎样才能找到传说中的暗物质呢？“悟空”的任务，就是上天捕捉暗物质粒子碰撞湮灭时产生的高能电子。简单地说，“悟空”在观测中如果突然发现某一速度的电子射线数量变多了，但这又无法用现有理论来解释，那么这些电子射线很有可能是暗物质湮灭时产生的。

    ⑥全世界各国的科学家都希望能够第一个观测到这部分电子射线，从而获取暗物质存在的证据。除“悟空”外，目前世界上用以探测暗物质的设备，还有国际空间站的阿尔法磁谱仪和美国宇航局的费米空间望远镜。而中国的“悟空”，是迄今为止观测范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星。

    ⑦2017年末，“悟空”工程团队在世界权威科学杂志《自然》上发表论文，宣布获得了世界上最精确的高能电子宇宙射线能谱，该能谱将有助于发现暗物质存在的蛛丝马迹。接下来的2018年，我们希望“悟空”不负众望，用火眼金睛找到更多线索，早日探到“妖”的真容。

今天，你“刷脸”了吗？

    最近，上海一商家推出了刷脸支付系统，它通过对人脸的扫描识别，确定支付人，从而划走其账户资金，完成支付。其实，人脸支付不是头一回听闻。人脸和指纹、掌纹、声音等这些人体生物特征都可以作为密码“随身携带”，使用起来的确方便。那么，“刷脸”到底是怎么回事呢？

    “刷脸”，是“人脸识别”的俗称。“人脸识别”又称“人像识别”或“面部识别”，是一种基于人的脸部特征信息进行身份认证的生物特征识别技术。它集人工智能、机器识别、机器学习、模型理论、专家系统、视频图像处理等多种专业技术。人脸识别用摄像头采集含有人脸的图像或视频流，并自动在图像中检测和跟踪人脸，进而对检测到的人脸进行脸部识别。人脸识别主要分四步完成：人脸图像采集及检测、人脸图像预处理、人脸图像特征提取、匹配与识别。

    人脸识别与指纹识别、掌纹识别、视网膜识别、骨骼识别、心跳识别等都属于人体生物特征识别技术，都是随着光电、计算机、图像处理与模式识别等技术的快速发展应运而生的。人脸识别具有自然性和非接触性，可以快捷、精准、安全地进行身份认定，避免个人信息泄露，并能隐蔽使用。人脸识别能够应对复杂的光照并支持多种人脸姿态，可以精确定位眉毛、眼睛、鼻子、嘴巴、脸部轮廓等面部关键区域位置，制成独一无二的“脸谱”，以便通过已存“脸谱”和待识“脸谱”的快速比对，实现准确识别。人脸识别也具有不可复制性，能从几百项脸部特征中找出识别对象。人脸识别系统已在安全、海关、金融、军队、机场、边防口岸、安防等多个重要行业及领域以及智能门禁、门锁、考勤、手机解锁、电脑登录认证、人脸支付、特殊人物识别等方面有广泛应用。随着智能手机的普及，可以通过手机镜头在手机上做基于人脸识别的身份注册、认证、登录等，使身份认证过程更安全、方便。由于人脸比指纹等视觉辨识度更高，所以“刷脸”的应用前景更广阔。

    “刷脸”曾经被视为“奇思异想”，直到前几年，还是一句“调侃”之词。然而，随着相关技术的不断成熟，在数字化生活的大环境之下，“刷脸”已成为现实场景，并呈日益普及之势，人们对于“刷脸”的需求和热情也与日俱增。人脸识别技术正在给人们的生活带来更多的方便和安全。未来，人脸识别技术将在不断发展中日益完善，更好地解决人脸相似性、易变性等难点，让更多的人享受“刷脸”的“乐趣”。

丹麦生蚝

佚名

    ①近日，丹麦驻华大使馆的一篇《生蚝长满海岸，丹麦人却一点也高兴不起来》，一夜之间丹麦生蚝抢占了前辈“皮皮虾”的风头，成为网络爆款。各种吃蚝攻略层出不穷，连丹麦驻华大使馆的官微都说“火得有点儿措手不及”。各种商务合作随之而来，天猫、京东纷纷推出各式丹麦美食。

    ②首先需要明确一点，此处所说的疯长生蚝，并非丹麦原有的欧洲蚝，而是太平洋生蚝。而之所以泛滥成灾，正是所谓的生物物种入侵。

    ③美国加州大学伯克利分校博士、科普作家张博然表示，事实上，科学家到现在还不知道丹麦的生蚝是哪儿来的。“过去的十多年间，这种生蚝在丹麦、挪威和瑞典迎来了大范围爆炸式增长，成批占领贻贝的生存空间，甚至开始入侵本土生蚝持有的潮下带。悲观者担心，按照这个趋势扩散，北海周边的沿海生态系统将被改写。”作为原产于日本的种类，太平洋生蚝抵达丹麦的可能路径之一是通过荷兰。张博然介绍道，1964年荷兰的生蚝养殖者将其引入了太平洋，用来满足吃货，这也是其在北海周边的第一个明确记录。

    ④至于是否存在生物入侵的风险，引进者们表示不必担心，理由看似很充分：在原产地太平洋生蚝只有在水温20摄氏度以上的时候才会繁殖，而北海的温度无法达到。无法繁殖，自然不会失控。但这个世界上本来就没有“绝对”二字。1975—1976年，北海“异常”温暖，太平洋生蚝开始繁殖，仅仅两个夏天，就牢牢占据了东斯海尔德河口。加上全球变暖大背景下的水温上升，到20世纪90年代，荷兰全部海岸线都已被生蚝占领，还在继续向东扩散。

    ⑤“它们大概是和德国、丹麦自己的引种尝试汇合，终于造成今天的局面。”对于太平评生蚝入侵带来的影响，张博然描述说：“生蚝是一种造礁生物。厚实的壳体在沿岸层层累积，会彻底改变海岸的面貌，甚至影响海水的流动、降低海底的氧气浓度。在有些海岸，这样的改造是有益处的；但另一些海岸里生蚝的入侵就会对原本的生物产生强烈冲击。”

    ⑥在瓦登海南侧，潮间带主要贝类原本是紫贻贝，是本土鸟类至关重要的食物。十多年前研究者就已经观察到，随着生蚝的扩张，砺鹬这一种季候鸟正变得越来越少。

    ⑦丹麦的科学家和渔民已经向丹麦自然保护局投诉很多次了，但是依旧没有办法处理这些棘手的入侵者。政府鼓励大家去海岸边采集这些生蚝带回家煎炒烹炸，但并没有多少人去这样做，所以根本就没有效果。因为当地人平时常吃的主要是野生欧洲生蚝。在丹麦首都哥本哈根市中心的瓦埃勒市场，太平洋生蚝单价为18丹麦克朗（约18元人民币）；而产自利姆水道的欧洲生蚝虽然个头较小，但价格更贵，要40丹麦克朗（约合40元人民币）一只。

    ⑧《中国科学报》记者就此采访了曾在丹麦留学多年，现在一家大型金融机构工作的岳皓，他表示，其实丹麦当地有一种“生蚝狩猎”的旅游业态，即所谓的去海边抓生蚝、吃生蚝。参加生蚝狩猎必须由导游带领，穿好防水连靴裤，带上网兜、防水手套等工具，退潮后去浅滩湿地上捡拾生蚝。找到生蚝也并非易事，需要一直弯腰，决然不是轻松坐在饭桌前享受已经打开清理完毕的生蚝那么简单。

    ⑨丹麦驻华使馆工作人员对媒体表示，因为此次生蚝“大热”，未来“生蚝狩猎”可能会在中国游客中引起巨大反响。数据显示，截至2017年12月，中国赴丹麦旅游游客在酒店每晚住宿的数量增长42%。加上今年是中丹旅游年，预计2018年中国赴丹麦游客有望达到26.2万人次。

“高铁”是怎样飞起来的

①按照国际铁路联盟规定：铁路提速达到时速200千米以上，新建铁路达到时速250千米以上，就能被称为高速铁路。仅仅几年前，说起“高铁”这个词，许多人还非常陌生，对“高铁”到底能有多快还抱有好奇。而今，高铁已经真实地驶入了我们的生活：2008年8月1日，时速高达350千米的中国第一条高速铁路——京津城际高铁正式开通运营，标志中国铁路正式进入高铁时代。此后的几年，武广、郑州至西安、沪宁、沪杭等城际高铁相继开通运营，而且时速都在350千米以上。在京沪高铁利用国产“和谐号”CRH380A新一代高速动车组进行综合实验时，还曾刷新世界铁路运营实验最高时速，达486.1千米。

②时速486.1千米，这是喷气式飞机低速巡航的速度！那么，我们是如何使高铁列车“飞”起来的呢？

    ③高铁列车能飞驰起来，要给那条看似普通的水泥板铁道记“一等功”。

    ④水泥板铁道，专业名词叫无砟（zhǎ）轨道，砟就是小块石头的意思。普通铁路用的是有砟轨道，即铁轨下面铺着30厘米厚的小石块和枕木。无砟轨道下面没有小石头和枕木，在水泥板上面直接铺钢轨。无砟轨道由五部分组成，从上往下依次是无缝钢轨、轨道板、填充层、底座板、滑动层。这5个部分看起来很普通，然而，仅仅是那一块块看起来像大地砖一样的轨道板，技术人员就用了整整4年才研制出来。

⑤无砟轨道板长6.45米左右，宽2.55米，相当于10个轨枕块。它的特点是：每一块的加工尺寸都不完全相同，必须对号入座，它在工厂打磨加工时，为了保证精确度，用的水泥沥青砂都要经过多次淘洗。

    ⑥无砟轨道最显著的特点就是“一根钢轨铺到底”，这叫无缝钢轨。每根钢轨长500米，在整个沪杭线上，由404根钢轨首尾焊接起来，形成一条全长202千米的完整无缝的“高铁”。因为钢轨平整无缝，列车行驶时不会发出丁当丁当的响声。

⑦每根钢轨都要打磨得十分精确，其顶面平直度误差规定：在1米长度内不能超过0.2毫米，约2根头发丝粗细。这种精密技术给乘客带来最直观的感觉就是，看窗外景物能感到列车在飞驰，而坐在车内却非常平稳。

    ⑧高铁列车的速度能够飙上去，除了无砟轨道的功劳外，还有一大原因是高铁在建设中以桥代路。以全长202千米的沪杭高铁为例，除了车站和部分线路无法架桥外，其余175千米都是在桥梁上修铁路，可谓是架在空中的一条直线铁路。用桥替代了路，对地面原有交通影响很小，使整条路变直了，速度自然就提高了。

    ⑨目前，中国已投入运营的高速铁路里程达7500多千米，居世界第一位，还有万余千米的高铁路线正在建设之中。

为什么空间站上能使用毛笔

①为了迎接虎年的到来，王亚平、翟志刚、叶光富三位航天员在太空用毛笔写起了对联。其实早在2021年央视《开学第一课》中，神舟十二号航天员刘伯明就为我们表演过在太空写书法。传统的钢笔、圆珠笔在太空中不能使用，而毛笔书写却能游刃有余。

②为什么毛笔这诞生于先秦的古老文具，能在21世纪的星海探险中发挥作用呢？这就不得不提到它们的工作原理了。

③传统的钢笔、圆珠笔必须依靠重力将墨水漏入笔尖，但在微重力的太空环境下，墨水只能停留在笔尖处。这是因为微量的墨水沾到纸张.上后，其表面张力的作用不足以使留在笔内部的墨水发生位置的移动，自然无法实现书写功能。

④毛笔之所以能写出字，关键在于一个神奇的物理现象——毛细现象。

⑤我们可能做过这样的实验：将直径很细的玻璃管垂直浸入盛有水的容器中，水会沿着管内壁自动上升，达到高于容器中液面水平的位置；如果换成水银这样无法浸润内壁的液体，细管内的水银高度则会低于容器中的液面水平。这种细管内的液面自动向上或者向下移动的现象就称之为毛细现象。砖块吸水、毛巾吸汗、粉笔吸墨水都是常见的毛细现象。

⑥之所以会产生这种现象，究其原因，在于液体表面分子受力的不均衡。当液体与空气相接触时，其表面分子之间的相互作用力，与内部相比会逐渐变弱。越接近表层气液交界面，分子之间的结合力就越小，在“内大外小”的作用下，液面便向着球形方向发展。

⑦液体与固体容器相接触时，如果固体分子与液体分子之间的吸引力，超过了维持液体分子平衡的相互作用力，那么固体就会吸住液体，相当于液体浸润了固体，就像水和玻璃一样。但假如两者接触时，没有超过液体内部分子间的作用力，那么这个固体就不能被液体浸润，就像水和石蜡一样。

⑧毛细现象，就是液体分子之间、液体与空气之间、液体与固体容器之间受力平衡的一个结果。在受力平衡的过程中，液体的表面形态会发生相应的改变，即使是在无重力的环境中，这种由表面张力所引发的毛细现象，依然会“推动”液体分子发生变形以及位置的转移。

⑨毛笔书写过程中，在毛细现象作用下，墨汁与可以被浸润的毛笔材料发生相互作用力的平衡，于是墨汁便被吸入毛笔材料中，并牢牢“困”在毛笔内部。而当毛笔尖与纸张接触时，留在毛笔表面的墨汁，同样在毛细作用下， 被吸附到纸上，其间根本无须重力作用。

⑩在太空中写毛笔字，是专属于中国人的浪漫。电影《我和我的父辈》中的父亲是位研究发动机的航天人，他有一句这样的台词“我的工作就是每天在天上写诗”。影片中在天上写诗当然是个戏剧化的隐喻，但到如今却已成了真，事实证明天上不仅可以写诗，还可以用我们的毛笔写。中国的传统文化在此与先进的科学技术融合，不断赓续。