“明亮之夜”謎題得到解釋
一項(xiàng)漂浮粒子受聲波引導(dǎo)自組裝的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)為研究在外力作用下如何產(chǎn)生栩栩如生的行為提供了新的框架。
美國(guó)能源部勞倫斯伯克利公司實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家演示了漂浮在甘油水溶液上層的粒子，是如何在計(jì)算機(jī)揚(yáng)聲器發(fā)出的聲波作用下同步響應(yīng)的。
這一研究已發(fā)表在6月20日的自然材料雜志上，可幫助處理關(guān)于能量耗散的基本問(wèn)題，并回答生命和非生命系統(tǒng)在未處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)時(shí)如何適應(yīng)環(huán)境的。
論文通訊作者、伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部門和加州大學(xué)伯克利分校資深科學(xué)家Xiang Zhang說(shuō)道：“非均衡態(tài)下的動(dòng)態(tài)自組裝不僅在物理學(xué)中很重要，在我們的生活世界中也很重要。然而，調(diào)節(jié)這一過(guò)程的基本原理只被部分所知。這一研究工作提供了研究和理解這種現(xiàn)象的一種簡(jiǎn)單簡(jiǎn)煉的平臺(tái)。”
據(jù)某些物理學(xué)家描述，這種具有不斷變化和發(fā)展能力特征的非均衡態(tài)正是生命的精髓，可用于生物系統(tǒng)中，從細(xì)胞到生態(tài)系統(tǒng)，以及某些非生物系統(tǒng)，比如天氣或者氣候模式。研究非均衡系統(tǒng)能使理論學(xué)家們更接近于理解生命——特別是智慧生命的產(chǎn)生。
Zhang說(shuō)道，然而由于非均衡系統(tǒng)是開放系統(tǒng)，因此非常復(fù)雜，難以研究。通常物理學(xué)家會(huì)傾向于研究穩(wěn)定和封閉系統(tǒng)中的現(xiàn)象。
研究共同作者、同一小組的博士后Chad Ropp說(shuō)道：“我們證實(shí)單個(gè)‘惰性’粒子通過(guò)耗散能量能在遠(yuǎn)非均衡態(tài)下自組織，并表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)適應(yīng)和反應(yīng)周圍環(huán)境的集體特質(zhì)。在此情形下，粒子會(huì)跟隨計(jì)算機(jī)揚(yáng)聲器發(fā)出的聲波的‘節(jié)奏’?！?span style="display:none">lkX菜譜美食網(wǎng)-眾歸云 - 24小時(shí)不關(guān)機(jī)的云端電腦_云主機(jī)_VPS掛機(jī)寶_免費(fèi)掛機(jī)寶_0.1元試用,3-5元月租服務(wù)器提供
值得注意的是，當(dāng)研究者故意打破聚集的粒子之后，分散粒子又會(huì)重新組裝，表現(xiàn)出了自愈能力。
Ropp強(qiáng)調(diào)道這一工作將最終催生大量“巧妙”應(yīng)用，比如對(duì)聲波和光波響應(yīng)的自適應(yīng)迷彩，或者是按需通過(guò)外部控制裝置寫入特定性質(zhì)的白板材料。
雖然先前已有研究表明粒子能夠在外力作用下自組裝，這一論文卻提供了一種通用框架，研究者可據(jù)此研究非均衡系統(tǒng)中的適應(yīng)機(jī)制。
另一位共同作者、同一小組的博士后Nicolas Bachelard說(shuō)道：“我們工作的獨(dú)特之處在于我們能夠預(yù)測(cè)會(huì)發(fā)生什么，比如粒子會(huì)怎樣動(dòng)作，這是意料之外的?！?span style="display:none">lkX菜譜美食網(wǎng)-眾歸云 - 24小時(shí)不關(guān)機(jī)的云端電腦_云主機(jī)_VPS掛機(jī)寶_免費(fèi)掛機(jī)寶_0.1元試用,3-5元月租服務(wù)器提供
在4kHz的聲波作用下，分散粒子以一分鐘1厘米的速度移動(dòng)。在10分鐘內(nèi)，粒子的聚集模式開始出現(xiàn)，其中粒子之間的距離表現(xiàn)出意料之外的不一致性。研究者發(fā)現(xiàn)自組裝粒子具有聲子帶隙，即在這個(gè)頻率范圍內(nèi)的聲波無(wú)法通過(guò)，帶隙的邊緣與輸入4kHz緊密相關(guān)。
Bachelard說(shuō)道：“單獨(dú)粒子中并不具備這一特性。只有當(dāng)粒子聚集組織之時(shí)才會(huì)出現(xiàn)這種特性，這就是為什么我們將其稱為非均衡條件下的結(jié)構(gòu)的突顯特性?！?span style="display:none">lkX菜譜美食網(wǎng)-眾歸云 - 24小時(shí)不關(guān)機(jī)的云端電腦_云主機(jī)_VPS掛機(jī)寶_免費(fèi)掛機(jī)寶_0.1元試用,3-5元月租服務(wù)器提供
這一實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)幾乎不可能有更簡(jiǎn)單的了。針對(duì)聲波引導(dǎo)，研究者利用了2米長(zhǎng)的亞克力管，包含5毫米深的甘油水溶液池。粒子由吸管制造而來(lái)，漂浮在一塊平坦塑料板上，聲源則是現(xiàn)成的計(jì)算機(jī)揚(yáng)聲器，通過(guò)塑料漏斗將揚(yáng)聲器與管子連接起來(lái)。測(cè)量聲波則是實(shí)驗(yàn)中最具技術(shù)含量的部分。
Ropp說(shuō)道：“在你自己的車庫(kù)里就能完成這一套實(shí)驗(yàn)設(shè)備。這是一個(gè)非常便宜的實(shí)驗(yàn)，部分設(shè)備在你家附近轉(zhuǎn)角的五金店里都能買到。有一次我們需要更大一點(diǎn)的吸管，所以我就出去買了一點(diǎn)珍珠奶茶。實(shí)驗(yàn)設(shè)備雖然非常簡(jiǎn)單，但卻完美地展示了物理?！?span style="display:none">lkX菜譜美食網(wǎng)-眾歸云 - 24小時(shí)不關(guān)機(jī)的云端電腦_云主機(jī)_VPS掛機(jī)寶_免費(fèi)掛機(jī)寶_0.1元試用,3-5元月租服務(wù)器提供
研究者稱，這個(gè)實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)聲波進(jìn)行研究，這是因?yàn)楦粢舨牧媳容^容易得到，但觀測(cè)到的行為之下的原理可被用于任何波系統(tǒng)。
這一基礎(chǔ)研究能形成研發(fā)智能網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的非算法計(jì)算，有助于未來(lái)實(shí)現(xiàn)具有類似知覺(jué)的決策系統(tǒng)。
Ropp說(shuō)道：“我想到了人造大腦，不同部位響應(yīng)不同頻率的‘腦波’，可塑可重構(gòu)?！?span style="display:none">lkX菜譜美食網(wǎng)-眾歸云 - 24小時(shí)不關(guān)機(jī)的云端電腦_云主機(jī)_VPS掛機(jī)寶_免費(fèi)掛機(jī)寶_0.1元試用,3-5元月租服務(wù)器提供
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