2022科技趋势提前发布：快充电池十分钟，一辆电动车就能跑300公里；仅凭意念就能写字变成现实；电子皮肤、软体机器鱼也来了
重磅文献：2021腾讯科技WE大会硬核复习资料
今年的腾讯科学WE大会，再次带着全球顶尖的科学家们，为你贡献了能吃三个多小时的科学盛宴：
科技，指向地球深处，和星辰大海
2021年，疫情仍未停息，森林大火、台风暴雨等气候灾害全球肆虐，水、电等资源的短缺令人猝不及防。
很显然：人类活动已经对地球产生了深刻的影响，我们必须改变。
腾讯首席探索官网大为说：“我们可以通过应用新技术和消除自然的制约，来改善我们的生活质量，同时保持与地球和自然的新的平衡。”
比如，我们开发出了新的疫苗，更多地使用清洁能源，用碳中和等手段优化对自然生态系统的控制、尝试恢复地球的健康......
但除此之外呢？
网大为认为，纵观上面所有旨在稳定生态系统、确保人类未来生存的努力，我们仍然保持着一种好奇——世界上还存在着比寻找个人身份更重要的事。
最初是为了帮助人类自身的生存而不断发展的科技力量，最终将指向地球深处，和星辰大海。
这届WE大会的主题也很有意思——“洞天”。
它象征着中国文明对于人和宇宙关系的探讨和想象：
山中有洞室通达上天，如同一条时空隧道，连接着所有现在与未来。
而正如古时的先驱者们选择走进洞穴、寻找自己与世界的联系，每一个追逐科学真理的人，几十年如一日的付出，不也是为了那一刻的“别有洞天”吗？
花了40年，终于“看到”看不见的黑洞
研究者的幸运，就是当我们探索森林时，我们会去发现自然赋予了我们什么，然后我们成功了。
—— 2020年诺贝尔物理学奖获得者
天体物理学家 莱因哈德·根泽尔
这份“幸运”，由根泽尔40年日复一日的心血组成：
他的“森林”是宇宙，而他要找的是黑洞。
黑洞，顾名思义，没有光可以从中逃出，所以无法直接观测它的存在。
而根泽尔的办法是——通过引力作用来观测黑洞。
就像地球围着太阳转一样，天体的运行总是受引力的影响。
拿太阳系来说，离中心最近的行星，总是会比其他行星运行的速度要快。
想象一下，当太阳巨大的体积被不断压缩，质量却不变，那么它的引力会越来越大，周边的天体运行速度也会越来越快——
哪怕太阳密度大成一个黑洞，这条定律依然成立。
所以，根泽尔和同事们找到这样一个办法：通过引力对周边区域其它物体的作用，来测量中心天体的质量，并确定它的密度，以及这样的密度是否必须由黑洞来解释。
40年来，科学家们经历了最早期的“高糊度”照片，到现在终于用上了超高分辨率天文望远镜——能够看清月球表面一枚硬币的那种。
从最初观察气体云的活动，到观察恒星的运动，再逐渐精确到观察某个、甚至多个恒星的轨道，科学家们得以追踪这种引力势能，并画出详细的星体轨迹图。
最终，通过观察这些恒星聚集、运动的方式，经过大量论证，科学家们得以推测：
银河系中心存在一个质量巨大的黑洞——当然，科学的表述仍然是“可能”。
当然，“看到”黑洞远不是终点：
黑洞的内部是什么？
黑洞中心的“奇点”是什么样的？
这些黑洞真的曾经对银河系和其它星系的演化产生了重要影响吗？
希望科技的发展，能让这些问题不需要另一个“40年”才能回答。
“仅凭意念就能写字”变成现实
我们必须搞懂的一个神经科学问题就是，不同的信号是在人脑的什么部位被编码的、以及如何被编码的，这也是人类精神生命的核心。
—— 脑机接口专家
斯坦福大学教授 克里希纳・谢诺伊
意念打字，不仅仅是科幻电影中常见的桥段。对于失去行动、沟通能力的人来说，这似乎是最近在眼前的救赎之路。
而目前，谢诺伊教授和同事们成功读取、并首次破译了与手写笔记有关的大脑信号。
首先，要知道大脑是会“发电”的：当一个神经元想和另一个神经元沟通时，会发出一种微弱电子脉冲，还会根据想触达方向的不同，相应地变化样式。
所以，谢诺伊做的，就是通过芯片收集这些电信号，并对其进行实时的数学计算，从而让脑信号与计算机信号互动。
比如，想要意念打字，一种方式，就是让患者在脑中想象手伸向屏幕上的各个方向、找到每个字母，最后形成单词和句子。
而更进一步的意念“写字”，难度在于：没有一个屏幕上的键盘给人选择，而人们应该能够写出任何单词。
而谢诺伊教授的团队，通过解码指尖的轨迹运动做到了这一点：
通过收集患者书写字母时的信号，并运用机器学习和人工智能算法，让电脑知道患者是想“写出”哪个字母。
为了提高精确度，他们还不断训练电脑的语言模型，给收集到的患者的大脑信号增加一道“拼写和语法检查功能”，让错误率从5%降低至0.5%。
希望未来，这项技术可以帮助更多的人重拾“交流”的快乐。
10分钟充满一辆车
第一，作为一个科学工作者，要有勇气和毅力去走没有人走过的路；
第二，简单就是美，一般有实用意义的科学发现，一定是精致的简单；
第三，诚实的能源，我们首先要记住能量是守恒的。
—— 电池技术专家
宾夕法尼亚州立大学材料与工程学杰出教授 王朝阳
我们知道，电池里有正极、负极和中间的电解液，而电解液的材料至关重要。
比如现在电动车用的锂电池，非常怕冷，在冬天会严重损失功率。但如果加入高活性的材料，到了夏天又容易起火甚至爆炸。
困难来了：电池内，正负极与电解液的反应界面永远存在，但电池材料自身无法同时满足低温高活性和高温稳定性。
怎么办？
王朝阳的办法是：做一种能调控反应界面的电池，不用就关小到最低水平、用就瞬间开大。
经过十多年的探索，他们终于找到了一种热调控的方法，并打造了一种“全气候电池”。
通过在电池的内部植入一片10微米厚度（人的头发丝的1/10）的镍（niè）箔作为发热体，再加上一个开关，就可以随意调控电池的活性。
哪怕在负30度的环境里冻透的电池，也只需要30秒时间，就可以让电池自加热到零度以上正常工作。
这项研究成果也被2022年北京冬奥运会采用，成为驱动奥运电动汽车的核心技术之一。
而热调控原理也让王朝阳发明了10分钟快充电池：
通过实验，只要给电池来一个30秒的热刺激，然后再在10分钟之内把大电流充到电池当中，可以获得获得200Wh/kg的能量。
相当于以后只需要充十分钟，一辆电动车就能续航300公里。
这或许会引发电动汽车的革命性变化，也是“飞行汽车”能够生产和商业化最重要的先决条件之一。
目前，王朝阳和他的团队下一个目标，就是打造一款几乎接近终极的“完美电池”。
希望，不久的将来，我们就能开启“飞行汽车”的时代。
让电子设备与人体兼容
让电子设备保持多样化的电子功能的同时，像人体组织一样与人体兼容，这是我们过去15年一直为之努力的目标。
—— “柔性电子之父”
美国西北大学教授 约翰·罗杰斯
电子皮肤，听上去不可思议，但原理似乎不难。
第一，如果可以把一种材料做得足够薄，这种材料就会具有柔性。
第二，对人体和皮肤来说，我们还需要它能够像橡胶一样拉伸、有弹性。
罗杰斯教授的团队用硅片尝试，做出非常薄的硅带硅薄膜和硅线，并做成类似波浪形，就可以制造出可弯曲的精密电子设备，还像皮肤一样可以挤压变形。
它非常薄，就像临时纹身一样，可以置于人体任何部位的表皮，并且它通过无线的方式持续工作。
但更重要的是，电子皮肤不仅是个电子设备，还是能够达到医院设备的测量精度的接口。
举个例子，罗杰斯教授研发出一款用于监测早产婴儿生命体征的电子皮肤。
早产婴儿身体柔弱，需要24小时精密的监测看护。
而只需要1-2个无线表皮电子设备，就可以替代许多笨重的仪器，在不影响监测质量的同时，让父母和孩子更自然地互动。
这项技术目前已经在全球5大洲的23个国家临床应用，守护着婴儿健康。
电子皮肤也被投入到了对新冠患者监测设备的研发上，并应用在战疫前线。
只需要放在正确的位置上，它就可以监测咳嗽的次数和强度、心率、呼吸率等种种迹象，帮助医生们确定一个人是否患病。
未来，除了医疗领域，电子皮肤也许还能在更多地方大展身手。
科幻电影里常见的“手背就是电脑”剧情，也许很快就会成真了。
万米深海“摸鱼”大师
我们对于未来还有一个大胆的设想，就是把这种软体机器人应用在星球或太空探索中。
—— 科学探索奖得主
浙江大学教授 李铁风
这位“85后”是本次大会最年轻的演讲嘉宾，但他养的“机器鱼”却已经抵达了地球最深处。
那么，首条潜入马里亚纳海沟10900米深处的中国软体机器鱼，是怎么来的呢？
真的是“摸鱼”摸来的。
首先，李铁风摸的是这个鱼，解决“怎么动”的问题：
鳐鱼，它的动作由很多束独立控制的肌肉组成肌肉群来完成。
对鱼来说很棒，但对机器人来说简直是灾难——太复杂，hold不住。
经过不断试验，李铁风终于找到一种用电就能发生运动和响应的、类似肌肉功能的材料——“介电高弹体”人工肌肉，成功化繁为简。
但另一个挑战来了：鱼能进水，电器不行，怎么造？
李铁风们想到的办法是，我们这个机器人基本上就只由水和高分子构成。
水不是能导电吗？正好人工肌肉需要电，干脆把周围的水当成低压电极，然后再包住一层导电体就行。
顺便一提，这个导电体是一层像果冻一样的盐水，所以整条鱼几乎是透明的，不染色都看不见。
而想要这条机器鱼游进深海，李铁风摸了另一种鱼：
深海狮子鱼，开心快乐地生活在世界上最深的马里亚纳海沟中。
别看它们很快乐，在这里，水压超过110兆帕，相当于一个成年人扛约1万辆小汽车的重量。
但不像普通的机器，它不需要一个硬质的耐压壳来对抗深海的压力。
因为它整个身体就像一块果冻凝胶，包裹着细碎分散的骨头。
这让李铁风受到很大启发：把怕压力的电池、芯片、电路，按照合理的方式分散或分层，就可以融在一个软基质中，对抗深海的压力和低温。
这样，一条可以快乐在深海中探险的机器鱼就诞生了。
而这种不怕压力、适应严寒的软体机器人，未来有一天，也许会潜进另一颗星球的深海、遨游在宇宙星际。
宇宙是一个无限循环
一个宇宙生命期，可能是多个宇宙生命期的无限循环的其中某个阶段，而它会不断地循环下去。
—— 2020年诺贝尔物理学奖得主
数学物理学家罗杰·彭罗斯
曾经，霍金在WE大会的舞台上说，未来如果人类想要存续下去，必须大胆前行、去往宇宙。
今年WE大会上，他的好友、当代最伟大的数学物理学家之一罗杰·彭罗斯，则回头看向了遥远的过去——宇宙的起源。（高能提醒，这一节非常难懂）
大爆炸之前是什么？
彭罗斯提出了一个大胆的猜想：可能是另一个“大爆炸”。
一方面，大爆炸之后宇宙似乎在不断膨胀，就像上面一行图中，由于高温、热量和气体等，天体们逐渐散开分布；
但另一方面，由于引力的作用，分开的星星们又开始相互靠近，并形成更紧密的联系，就像右下角的图一样，最终可能就会坍缩成一个黑洞。
而黑洞最中心的奇点，可能又会发生下一次大爆炸。
（以上省略无数字计算过程）
用彭罗斯的话说，大爆炸之所以如此特殊，是因为它是某种东西的共形延续，也就是某种东西的遥远未来。
宇宙不光是个空间概念，也是个时间概念。一个宇宙生命期，可能是多个宇宙生命期的无限循环的其中某个阶段。
目前，彭罗斯的观点还等待人类进一步通过计算、观测去验证，或是推翻。
但毫无疑问，90岁高龄的他，又为宇宙学打开了全新的领域。
让我们思考，也许宇宙也有自己的“前世今生”。
这也是故事的动人之处：
“洞天者们”做着最枯燥的事，却永远怀着最浪漫的梦。
下一次WE大会，我们将迎来第十个年头。
十年在即，当初种下的那颗科技的种子，已经是一颗大树赫然挺立。
为伟大思想而生！
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