神马文学网悬浮科技：乘着声波的翅膀
来源：百度文库 编辑：神马文学网 时间：2024/04/29 10:20:25
乘着声波的翅膀
中国科学家完成活体动物“声悬浮”实验
www.thebeijingnews.com · 2006-12-11 11:30:43 · 来源：新京报
飞的梦想一直伴随着我们。即使有了飞机等航空器物，“飞”的梦想仍未止步。中国西北工业大学的一个课题组就希望让没有翅膀的动物也能在空中“飞”起来。他们将飞行的舞台搬到了超声波环境。近日，《自然》杂志网站报道了他们让动物在声悬浮中“飞”起来的科学研究成果。
声悬浮初试牛刀
在西北工业大学，科研人员利用声波将鱼、蚂蚁等活体小动物悬浮在实验仪器中。经历了奇妙的悬浮之旅后，科学家发现实验动物并未受到明显伤害。事实上，在此之前，西北工业大学的这个研究小组一直进行声悬浮的实验工作。
在空间环境中，物体几乎不受重力的影响，呈现“微重力”的状态。这时，液体可自由漂浮于空中。所以，在空间环境中可以实现材料的无容器处理。一些化合物太容易腐蚀容器，甚至会与容器发生不必要的反应，不仅损坏容器，还使加工失败。而无容器处理则是解决这一问题的重要手段。
那么在地面条件下，能否制造出这样的环境呢？声悬浮就是模拟无容器条件的重要手段之一。这一手段最早可以追溯至1866年。当时，德国科学家孔特（Kundt）发现，谐振管中的声波能够让灰尘颗粒悬浮起来。这一发现引发了今后悬浮技术的大革命。现在，声悬浮的威力已经足以让所有人感到惊讶。
超声悬浮的原理是利用在超声波发射端和反射端之间形成的声辐射力将研究对象捕获并悬浮在驻波结点处。
其间产生的声辐射力实际上也便是可以平衡地球重力的力，使物体悬浮起来。而在西北工业大学理学院教授解文军等研究人员的选择中，除了声悬浮外，还采用电磁悬浮模拟空间环境。声悬浮的优点就在于，不论何种材料，都可以实现悬浮。2002年，西北工业大学这一课题组通过声波让密度很大的固体铱和液体汞悬浮起来。“由于密度是衡量声悬浮能力的主要指标，因此我们的实验证明，声悬浮原则上可以悬浮起一定体积的任何固体和液体。”这一项研究使我国的声悬浮技术处在了国际领先地位。
向天空“进军”
如果将一个活的动物放入超声波场中，会发生什么？它会稳定漂浮在空中吗？
事实上，此前已经有科学家进行过活体动物的悬浮实验。1997年，荷兰奈梅亨大学的物理学家们利用一块超导磁石将一只活着的青蛙漂浮在半空中。青蛙本身是一个非磁体，但是通过电磁石的磁场而变得有磁性。而1996年，日本科学家在磁场悬浮实验中，则利用一个金属盘子将一位体重为142公斤的相扑运动员悬起。相同的原理被用于研制磁悬浮列车。
2003年开始，解文军等研究人员开始将生命体放进这个可以“飞”的舞台上。他们在具有超声波发射端和反射端的实验场中，使用磁铁在一个电场中摆动，从而激发出波长大约为20mm的声波———这便是声悬浮环境。从理论上讲，它能浮起所有长度不超过其声波波长一半（10mm）的物体。科研人员小心翼翼地用镊子，将动物放进发生器和反射器之间，它们便飘了起来。在长达三年的实验中，蚂蚁、蜘蛛、瓢虫、鱼……
这些微小的生命逐一在实验仪器的小平台上悬浮起来。
根据实验要求，这些小动物的悬浮需要超过半个小时，在此期间，它们出现了明显躁动。实验动物受了惊吓似的重复着无用的挣扎。蚂蚁挥舞着六足，企图踩住某个东西逃走。小瓢虫几次展开翅膀，想飞走，但因为声场力量太强，始终无法做到。小鱼则摇摆着身体，希望能游回水中。为了让鱼在半空的环境中能够存活，实验人员每隔一分钟就给它一些水。实验结束后，动物们并未受到明显伤害，不过由于缺水，鱼还是表现出了不良的反应。“我对这些动物没有受到伤害并不感到吃惊。”奈梅亨大学磁悬浮实验室的彼特·克里斯蒂安娜（Peter Christianen）表示，“对这些动物来说，地心的引力非常小，因此它们不需要太多的反作用力。”对此，解文军表示，“通过对飘浮水滴的压迫力进行观察，我们发现在实验中声波的压迫力不足以对这些动物构成任何威胁。”事实上，这些实验动物时刻受到大气压力的压迫。实验中，瓢虫所受到的声辐射压力和大气压相比则微不足道。据估计，悬浮仅对瓢虫的后背和腹部造成轻微的压迫，不足以对它构成任何伤害。“当你站在地面上时，你受到地面对双脚的支撑力。正是这个支撑力平衡了地球引力，使你可以站稳。但地面的支撑力并未对你的双脚或身体造成伤害。”那么，活体动物的声悬浮实验，难度究竟体现在什么地方呢？解文军解释说，活体动物与任人摆布、没有活动能力的固体实验品截然不同。“声悬浮研究中，除了悬浮力外，悬浮稳定性是另一个重要的因素。普通固体和液体在声场中，只能被动地接受声辐射力，而生物活体具有主动性，它们在声悬浮力作用下必然会有反应。它们的声悬浮稳定性如何，是我们的考虑之一。”这也就是为什么这样的活体悬浮实验要保持半小时以上的稳定时间。
在声悬浮实验中，瓢虫试图飞离仪器，但因为声场力量太强，始终无法做到。
在声悬浮实验中，鱼卵也可以孵化。
微重力环境有何作为
在空间环境中，“微重力”是最独特也是最具魅力的一个特性。当物体处在宇宙空间中时，其重量几乎完全消失。根据牛顿第二定律，力对物体作用的结果，是使物体获得加速度。航天器在引力场中飞行时，受到非引力的力一般都很小，产生的加速度仅为地面重力加速度的万分之一甚至更小，这便是“微重力”。
如果能在微重力环境下实现材料加工，将会出现许多奇妙的效果。在地球上，由于受到重力的影响，材料加工会存在许多问题，比如在合金的制造过程中，一些重的物质沉在下面，轻的则浮在上面，导致混合材料质地不匀，产生分层现象，影响材料的质量。在微重力环境中，这样的问题就完全不存在。又因为在这样的环境下，液体不需要容器盛放，这使一些强腐蚀性液体的使用也会变得更为方便。
微重力对生命的影响也是研究人员关注的重点。在太空育种实验中，微重力、宇宙射线、超真空等与地面截然不同的环境，会使种子产生特殊的生物学效应。不过，微重力究竟会对生命体产生什么样的影响呢？有些研究人员认为微重力对植物形态和生理代谢会产生影响，那是因为微重力可能干扰DNA损伤修复系统的正常运转，即阻碍或抑制DNA链断裂的修复。同时，微重力环境下，宇航员极有可能肌肉萎缩、骨骼硬化等等。解文军表示，“我们的结果为生物研究提供了一些方法和主意。在声悬浮时，我们已经可以做到能让鱼卵孵化。”活体动物悬浮实验或许是探秘微重力作用的窗口。解文军表示，目前这还只是一个设想。毕竟声悬浮环境不能完全模拟微重力，即使模拟出微重力环境也无法还原空间环境的所有特征。
而长久处于超声波环境下，是否会对生命体产生影响？解文军指出，事实上我们对超声波的应用早已不陌生。B超检查用的就是超声波。
“我们认为，超声波对生物体的影响要看超声波是具体如何作用于生物体的。医院B超检查是将超声波引入体内。成人可以，但对胎儿却有一定影响。就声悬浮而言，这种对生物体的影响作用还有待进一步研究。”中国科学院声学研究所研究员张海澜进一步指出，一般来说，国际上公认的超声波危害警戒线是每平方米100毫瓦。超过这条警戒线的超声波，则可能具有杀伤力。
■链接
声悬浮能制造“超人”吗？
目前，除了声悬浮，悬浮还可以通过磁悬浮、静电悬浮、气动悬浮、电磁悬浮、光悬浮等手段实现。各种悬浮方法采用的物理原理不一样，但目标却是一个：产生可以平衡地球重力的力，使物体飘起来。
其中，磁悬浮的应用最为公众熟知。20世纪70年代起，各国相继开展了磁悬浮运输技术的开发研究。我国在引进德国磁悬浮技术的基础上，在上海设计建造了国内第一条常导型磁悬浮的轨道。但声悬浮却很难实现这样的应用，解文军指出，尽管声悬浮有着不论何种材料都可以实现悬浮的特性，却无法摆脱长度不超过声波波长一半的限制。
下一个问题是，悬浮技术能制造出“超人”吗？在《超人》漫画当中，提及了这位奇人奇特飞行能力的由来。超人的故乡在氪星，那里的重力加速度是地球的1000倍，因此超人的身体结构是适应于这种超重力环境的。换言之，如果人类能制造出一个足够庞大的微重力环境，则适应了地球重力的人类个个都可以飞檐走壁，如履平地。那么，活体动物声悬浮实验的成功是否意味着，在不久的未来人类也可以在半空中“飞”起来。
对此，解文军表示，在声悬浮中惟一衡量能否成功的标准是，选择悬浮物体的尺寸小于半波长。“目前，我们在声悬浮实验中一般是对固体物体进行实验，即使是动物那也是非常小的才会成功。”张海澜表示了同样的观点。
除了制造交通工具，磁悬浮效应也被用于制作玩具。图为磁悬浮地球仪。
■延伸
蜂鸟悬停能力缘于特殊神经核？
除了人为制造磁场和声场让物体悬浮外，动物自身的空中悬浮能力也一直是科学家们关心的话题，对蜂鸟的研究就是一个例子。近日，Physorg科学网站报道称，加拿大的科研人员在这一领域取得了新的发现。
蜂鸟是世界上最小的鸟，更奇特的是它兼具三种飞行绝技：凌空悬停、倒退飞行、垂直上升。事实上，蜂鸟在90%的时间里都保持静止。即使翅膀拍打速度达到每秒75次，并有狂风的干扰，蜂鸟仍然可以在空中保持稳定。
“我们发现，蜂鸟的大脑内有一些东西明显与其他物种不同。”加拿大行为学与神经系统科学国家研究中心主任道格·翁维利（Doug Wong-Wylie）博士说。他与其他研究人员一起，比较了蜂鸟与其他28种鸟类的大脑、生理构成。结果发现，蜂鸟的大脑内有一种特殊的神经核。
尽管蜂鸟的大脑本身比指尖还要小，但这种神经核在其中所占的比例，是其他鸟类的2~5倍。“很可能正是这个特殊的神经核在负责蜂鸟的视觉运动反应。”翁维利说。
本专题感谢：
解文军（西北工业大学理学院教授）
张海澜（中国科学院声学研究所研究员）
专题采写/本报记者李健亚
中国科学家完成活体动物“声悬浮”实验
www.thebeijingnews.com · 2006-12-11 11:30:43 · 来源：新京报
飞的梦想一直伴随着我们。即使有了飞机等航空器物，“飞”的梦想仍未止步。中国西北工业大学的一个课题组就希望让没有翅膀的动物也能在空中“飞”起来。他们将飞行的舞台搬到了超声波环境。近日，《自然》杂志网站报道了他们让动物在声悬浮中“飞”起来的科学研究成果。
声悬浮初试牛刀
在西北工业大学，科研人员利用声波将鱼、蚂蚁等活体小动物悬浮在实验仪器中。经历了奇妙的悬浮之旅后，科学家发现实验动物并未受到明显伤害。事实上，在此之前，西北工业大学的这个研究小组一直进行声悬浮的实验工作。
在空间环境中，物体几乎不受重力的影响，呈现“微重力”的状态。这时，液体可自由漂浮于空中。所以，在空间环境中可以实现材料的无容器处理。一些化合物太容易腐蚀容器，甚至会与容器发生不必要的反应，不仅损坏容器，还使加工失败。而无容器处理则是解决这一问题的重要手段。
那么在地面条件下，能否制造出这样的环境呢？声悬浮就是模拟无容器条件的重要手段之一。这一手段最早可以追溯至1866年。当时，德国科学家孔特（Kundt）发现，谐振管中的声波能够让灰尘颗粒悬浮起来。这一发现引发了今后悬浮技术的大革命。现在，声悬浮的威力已经足以让所有人感到惊讶。
超声悬浮的原理是利用在超声波发射端和反射端之间形成的声辐射力将研究对象捕获并悬浮在驻波结点处。
其间产生的声辐射力实际上也便是可以平衡地球重力的力，使物体悬浮起来。而在西北工业大学理学院教授解文军等研究人员的选择中，除了声悬浮外，还采用电磁悬浮模拟空间环境。声悬浮的优点就在于，不论何种材料，都可以实现悬浮。2002年，西北工业大学这一课题组通过声波让密度很大的固体铱和液体汞悬浮起来。“由于密度是衡量声悬浮能力的主要指标，因此我们的实验证明，声悬浮原则上可以悬浮起一定体积的任何固体和液体。”这一项研究使我国的声悬浮技术处在了国际领先地位。
向天空“进军”
如果将一个活的动物放入超声波场中，会发生什么？它会稳定漂浮在空中吗？
事实上，此前已经有科学家进行过活体动物的悬浮实验。1997年，荷兰奈梅亨大学的物理学家们利用一块超导磁石将一只活着的青蛙漂浮在半空中。青蛙本身是一个非磁体，但是通过电磁石的磁场而变得有磁性。而1996年，日本科学家在磁场悬浮实验中，则利用一个金属盘子将一位体重为142公斤的相扑运动员悬起。相同的原理被用于研制磁悬浮列车。
2003年开始，解文军等研究人员开始将生命体放进这个可以“飞”的舞台上。他们在具有超声波发射端和反射端的实验场中，使用磁铁在一个电场中摆动，从而激发出波长大约为20mm的声波———这便是声悬浮环境。从理论上讲，它能浮起所有长度不超过其声波波长一半（10mm）的物体。科研人员小心翼翼地用镊子，将动物放进发生器和反射器之间，它们便飘了起来。在长达三年的实验中，蚂蚁、蜘蛛、瓢虫、鱼……
这些微小的生命逐一在实验仪器的小平台上悬浮起来。
根据实验要求，这些小动物的悬浮需要超过半个小时，在此期间，它们出现了明显躁动。实验动物受了惊吓似的重复着无用的挣扎。蚂蚁挥舞着六足，企图踩住某个东西逃走。小瓢虫几次展开翅膀，想飞走，但因为声场力量太强，始终无法做到。小鱼则摇摆着身体，希望能游回水中。为了让鱼在半空的环境中能够存活，实验人员每隔一分钟就给它一些水。实验结束后，动物们并未受到明显伤害，不过由于缺水，鱼还是表现出了不良的反应。“我对这些动物没有受到伤害并不感到吃惊。”奈梅亨大学磁悬浮实验室的彼特·克里斯蒂安娜（Peter Christianen）表示，“对这些动物来说，地心的引力非常小，因此它们不需要太多的反作用力。”对此，解文军表示，“通过对飘浮水滴的压迫力进行观察，我们发现在实验中声波的压迫力不足以对这些动物构成任何威胁。”事实上，这些实验动物时刻受到大气压力的压迫。实验中，瓢虫所受到的声辐射压力和大气压相比则微不足道。据估计，悬浮仅对瓢虫的后背和腹部造成轻微的压迫，不足以对它构成任何伤害。“当你站在地面上时，你受到地面对双脚的支撑力。正是这个支撑力平衡了地球引力，使你可以站稳。但地面的支撑力并未对你的双脚或身体造成伤害。”那么，活体动物的声悬浮实验，难度究竟体现在什么地方呢？解文军解释说，活体动物与任人摆布、没有活动能力的固体实验品截然不同。“声悬浮研究中，除了悬浮力外，悬浮稳定性是另一个重要的因素。普通固体和液体在声场中，只能被动地接受声辐射力，而生物活体具有主动性，它们在声悬浮力作用下必然会有反应。它们的声悬浮稳定性如何，是我们的考虑之一。”这也就是为什么这样的活体悬浮实验要保持半小时以上的稳定时间。
在声悬浮实验中，瓢虫试图飞离仪器，但因为声场力量太强，始终无法做到。
在声悬浮实验中，鱼卵也可以孵化。
微重力环境有何作为
在空间环境中，“微重力”是最独特也是最具魅力的一个特性。当物体处在宇宙空间中时，其重量几乎完全消失。根据牛顿第二定律，力对物体作用的结果，是使物体获得加速度。航天器在引力场中飞行时，受到非引力的力一般都很小，产生的加速度仅为地面重力加速度的万分之一甚至更小，这便是“微重力”。
如果能在微重力环境下实现材料加工，将会出现许多奇妙的效果。在地球上，由于受到重力的影响，材料加工会存在许多问题，比如在合金的制造过程中，一些重的物质沉在下面，轻的则浮在上面，导致混合材料质地不匀，产生分层现象，影响材料的质量。在微重力环境中，这样的问题就完全不存在。又因为在这样的环境下，液体不需要容器盛放，这使一些强腐蚀性液体的使用也会变得更为方便。
微重力对生命的影响也是研究人员关注的重点。在太空育种实验中，微重力、宇宙射线、超真空等与地面截然不同的环境，会使种子产生特殊的生物学效应。不过，微重力究竟会对生命体产生什么样的影响呢？有些研究人员认为微重力对植物形态和生理代谢会产生影响，那是因为微重力可能干扰DNA损伤修复系统的正常运转，即阻碍或抑制DNA链断裂的修复。同时，微重力环境下，宇航员极有可能肌肉萎缩、骨骼硬化等等。解文军表示，“我们的结果为生物研究提供了一些方法和主意。在声悬浮时，我们已经可以做到能让鱼卵孵化。”活体动物悬浮实验或许是探秘微重力作用的窗口。解文军表示，目前这还只是一个设想。毕竟声悬浮环境不能完全模拟微重力，即使模拟出微重力环境也无法还原空间环境的所有特征。
而长久处于超声波环境下，是否会对生命体产生影响？解文军指出，事实上我们对超声波的应用早已不陌生。B超检查用的就是超声波。
“我们认为，超声波对生物体的影响要看超声波是具体如何作用于生物体的。医院B超检查是将超声波引入体内。成人可以，但对胎儿却有一定影响。就声悬浮而言，这种对生物体的影响作用还有待进一步研究。”中国科学院声学研究所研究员张海澜进一步指出，一般来说，国际上公认的超声波危害警戒线是每平方米100毫瓦。超过这条警戒线的超声波，则可能具有杀伤力。
■链接
声悬浮能制造“超人”吗？
目前，除了声悬浮，悬浮还可以通过磁悬浮、静电悬浮、气动悬浮、电磁悬浮、光悬浮等手段实现。各种悬浮方法采用的物理原理不一样，但目标却是一个：产生可以平衡地球重力的力，使物体飘起来。
其中，磁悬浮的应用最为公众熟知。20世纪70年代起，各国相继开展了磁悬浮运输技术的开发研究。我国在引进德国磁悬浮技术的基础上，在上海设计建造了国内第一条常导型磁悬浮的轨道。但声悬浮却很难实现这样的应用，解文军指出，尽管声悬浮有着不论何种材料都可以实现悬浮的特性，却无法摆脱长度不超过声波波长一半的限制。
下一个问题是，悬浮技术能制造出“超人”吗？在《超人》漫画当中，提及了这位奇人奇特飞行能力的由来。超人的故乡在氪星，那里的重力加速度是地球的1000倍，因此超人的身体结构是适应于这种超重力环境的。换言之，如果人类能制造出一个足够庞大的微重力环境，则适应了地球重力的人类个个都可以飞檐走壁，如履平地。那么，活体动物声悬浮实验的成功是否意味着，在不久的未来人类也可以在半空中“飞”起来。
对此，解文军表示，在声悬浮中惟一衡量能否成功的标准是，选择悬浮物体的尺寸小于半波长。“目前，我们在声悬浮实验中一般是对固体物体进行实验，即使是动物那也是非常小的才会成功。”张海澜表示了同样的观点。
除了制造交通工具，磁悬浮效应也被用于制作玩具。图为磁悬浮地球仪。
■延伸
蜂鸟悬停能力缘于特殊神经核？
除了人为制造磁场和声场让物体悬浮外，动物自身的空中悬浮能力也一直是科学家们关心的话题，对蜂鸟的研究就是一个例子。近日，Physorg科学网站报道称，加拿大的科研人员在这一领域取得了新的发现。
蜂鸟是世界上最小的鸟，更奇特的是它兼具三种飞行绝技：凌空悬停、倒退飞行、垂直上升。事实上，蜂鸟在90%的时间里都保持静止。即使翅膀拍打速度达到每秒75次，并有狂风的干扰，蜂鸟仍然可以在空中保持稳定。
“我们发现，蜂鸟的大脑内有一些东西明显与其他物种不同。”加拿大行为学与神经系统科学国家研究中心主任道格·翁维利（Doug Wong-Wylie）博士说。他与其他研究人员一起，比较了蜂鸟与其他28种鸟类的大脑、生理构成。结果发现，蜂鸟的大脑内有一种特殊的神经核。
尽管蜂鸟的大脑本身比指尖还要小，但这种神经核在其中所占的比例，是其他鸟类的2~5倍。“很可能正是这个特殊的神经核在负责蜂鸟的视觉运动反应。”翁维利说。
本专题感谢：
解文军（西北工业大学理学院教授）
张海澜（中国科学院声学研究所研究员）
专题采写/本报记者李健亚