科學快報 北大鳥人實驗！體驗過虛擬飛行後，大腦真以為你長了翅膀，【科學快報】280

自古以來人類最大的夢想之一就是像小鳥一樣自由的在天上飛 那麼你有沒有想過 假如有一天你突然長出了一對完美的翅膀 肌肉力量都非常強大 你真的能駕馭得了它嗎 你的大腦真的能控制得住這對翅膀嗎 接着 北京大學和北京師範的科研團隊做了一個鳥人VR實驗 發現只要在虛擬現實裏練習幾天飛行 你的大腦就會真的以爲你長出了翅膀 已經成果已經發表在了細胞報告雜誌上 研究團隊一共招募了25名志願者 他們需要戴上VR頭顯和動作追蹤設備 在虛擬世界裏 志願者在照鏡子時會看到自己變成了長着巨大羽毛翅膀的鳥人 核心操作是 只要志願者揮動自己的真實手臂 虛擬世界裏的翅膀就會跟着扇動 從而控制飛行的姿態 在爲期一週的訓練裏 志願者們要在天上完成躲避墜落氣球 維持高度 甚至穿越空中圓環等複雜的飛行任務 從一開始的跌跌撞撞到後來熟練掌握 志願者們真切的體驗到了用翅膀飛行的感覺 好玩歸好玩啊 主要還是看大腦發生了哪些變化 在訓練前後 研究人員用功能磁共振成像掃描了志願者的大腦 結果發現 僅僅經過幾天的VR飛行 相關腦區就發生了三大變化 第一 敏感度大幅增強 大腦對翅膀這個新東西的反應變得極其敏感 第二 大腦已經接受了這個新的翅膀 這是最神奇的一點 大腦在處理翅膀時的神經表徵就跟自己的胳膊差不多 第三 神經連接加強了 可以發現 當看到翅膀圖片時 大腦負責視覺的相關區域 與負責軀體感覺和運動的額頂網絡之間建立了更強的神經連接 這意味着翅膀的視覺形象已經和人體的運動 觸覺系統綁定在了一起 簡單說 雖然你在現實中並沒有長翅膀 也沒有感受到真實的翅膀重量和空氣阻力 但僅僅憑藉在VR裏的這種動作與飛行關聯的體驗 你的大腦就已經將虛擬翅膀納入了你對自身身體的認知體系當中 爲什麼捕蠅草只是一株植物 它沒有肌肉 也沒有神經系統 但卻有着動物般的爆發力 它最快可以在十分之一秒內閉合葉片 精準補查獵物 最近發現 它的急速閉合完全依賴於葉片外側細胞的瞬間軟化 正像6月11號發表的典型期刊《科學》雜誌上的最新研究 直接推翻了過去的傳統認知 解開了自達爾文時代起就困擾生物學界的百年謎題 科學界的主流假說認爲 捕蠅草的閉合是因爲植物內部的水分 迅速流向了葉片外側的表皮細胞 導致細胞膨脹 從而擠壓葉片閉合 但經過一系列的計算和測量之後發現 水分移動到葉片外側表皮細胞 實際上需要30到150秒的時間 這對於零點幾秒的瞬間補煉來說實在是太慢了 而先進發現 在捕蠅草被觸發激活的瞬間 其葉片外表面的細胞立刻就軟化了 通過測量葉片的脫布結構 研究人員確認葉片變得更加柔韌 而不是因爲水分流失導致乾癟 這背後的力學原理非常巧妙 在張開的狀態下 捕蠅草的兩半葉片向外彎曲 處於一種緊繃的受力狀態 當外側原本堅硬的細胞壁瞬間軟化時 這種緊繃的受力平衡就被瞬間打破了 一片就會瞬間向內反折 這種能迅速改變細胞力學性質的植物 目前在科學界還沒有發現第二例 不過 雖然我們弄清了瞬間軟化的力學機制 但目前仍然不知道究竟是什麼具體的物質 讓植物細胞壁在瞬間變軟 目前科學家的推測是 捕蠅草在被觸發之後釋放了一種混合酶 削弱了堅硬纖維和機制之間的連接 從而導致了細胞軟化 親戚科學家在實驗場地中人工製造了一道高達5米的火龍捲風 這道烈火不僅沒有帶來毀滅 反而以極高的效率直接燒掉了水面上高達95%的泄漏原油 同時讓有毒的黑碳排放量大幅減少了40% 實驗結果已經發表到了燃料雜誌上 提起海上的原油泄漏 很多人會想到2010年的深水地平線漏油事件 那場災難導致11名工人喪生 並對海洋生態造成了毀滅性的打擊 在處理這類危機時 救援人員常常被迫使用一種簡單粗暴的方法 就地將海面上的原油點燃 這種傳統的原味燃燒確實能阻止油污進一步擴散 但代價是十分慘重的 海面上會升起滾滾的黑色濃煙 有毒的煙塵直接排入大氣 而燃燒結束之後 水面上還會殘留一層厚厚的未燃燒的油泥 繼續毒害海洋生物 爲了尋找更清潔 更快速的解決方案 德州農工大學和加州大學伯克利分校的營團隊將目光投向了自然界中 破壞力極強的火龍捲現象 爲了真實模擬海洋漏油的狀況 營團隊搭建了一個大型實驗裝置 他們在直徑1.5米的原油水池周圍豎起了三面徑5米高的牆壁 組成了一個三角形的結構 用來精準操控空氣的氣流 在點火之後 一個火焰漩渦扒地而起 這樣技術的核心優勢主要在於極高的燃燒效率 相比普通的屏幕燃燒 高速旋轉的火龍捲風就像一個天然的增壓器 它能夠吸入大量氧氣 使燃燒溫度更高 速度更快 它就像一個巨型焚燒爐 直接在高溫中損毀了那些會形成濃煙的顆粒物 在原油變成有毒的海上交流電之前 就將其幾乎完全燃燒殆盡 不過這種人造火龍捲風非常敏感 稍有不慎就失控或者直接熄滅 鳥群 細菌和組織細胞在集體運動時 其實根本不遵守牛頓第三定律 也就是作用力反作用力的原理 它只會根據前方或側方的同伴調整位置 完全不管後方的鳥 這種單向互動在物理學中被稱爲非互異性相互作用 這給現代物理學提出了一個難題 傳統的經典力學理論主要是針對雙向互動建立的 無法高效精確的模擬之類單向互動的系統 但在6月12號發表在自然物理學上的一項寫信中 德國的物理學家們找到了一個比較優雅的解法 他們擴充了原有的作用力框架 引入了輔助自由度 簡單來說 爲了讓現成的物理公式能計算鳥群運動 科家在模型中爲每隻真鳥的正前方 人爲的強行放置了一隻方向完全相反的假鳥 通過引入這個自然界根本不存在的虛擬伴侶 科家成功把難以計算的單向互動 巧妙的替換成了經典力學 可以完美處理的雙向互動 這個補丁不僅能幫助我們深入研究人體內的複雜的生物過程 未來還可能在量子領域揭示出全新的集體行爲 但這裏講的不遵守牛頓第三定律 只是說生物感知和信息反饋的不對稱 並不是說力學上的 他們通過提高數學維度 把所謂的不遵守牛頓第三定律的系統 僞裝成了遵守牛頓第三定律的系統 我們可以將其理解爲一種兼容 拓展或者是超越