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2014年08月08日科学杂志精选

更新:2014年08月24日 阅读次数: 【字体:

2014年08月08日科学杂志精选


封面故事:电脑芯片可模仿真脑的特征
A?million?spiking-neuron?integrated?circuit?with?a?scalable?communication?network?and?interface
研究人员设计了一种可实时从事复杂任务且同时耗能很少的具有脑样接线与架构的电脑芯片。该芯片为适用于传统电脑芯片无法良好完成的任务的电脑装置设计做好了准备。人脑可从事复杂的操作并同时耗能很少且占据很少空间。这启发了工程师们朝着认知计算新时代进行努力,在该计算中,小型、节能的芯片可完成相同的工作,这是科学家们几十年来的梦想。然而如今这样的电脑并不存在,其部分原因是因为经典的数字电脑构架——由John?von?Neumann及其同事首次提出——的功效有限,尤其是与脑子所能做到的相互连接的神经网络相比较时。现在,为了向受到脑启发的计算更接近一步,Paul?Merolla等人建造了一个基于某不同构造的芯片。他们的工作受到了一个常用神经网络——脉冲神经网络——的启发;它并非以固定间隔放电,在这一组态中的人工神经元只会在某电负荷达到一个特定值时才会放电。该放电转而会影响其它神经元上的电荷--就像是在真的脑中所发生的情况。研究人员的基本构件是一个由256条输入线(“轴突”)及256条输出线(“神经元”)组成的核心。他们将4000多个这样的核心进行连接并将它们落实到一个被称作“TrueNorth”的数字电脑芯片上,它有超过2亿5600万个交换电信号的“突触”。该芯片完成了一个复杂的图像检测测试,在该测试中,它必须从背景中挑出像人或自行车等物体。研究人员的这一设计不仅能效高,而且还可缩放;?TrueNorth可像瓦片覆盖样地来构建具有成千上万个核心、数亿个神经元及数千亿个突触的系统。Merolla等人设想将他们的芯片与传统电脑构架结合,这样两者可从事互补性的工作。DARPA为这项工作提供了资金。(DOI:10.1126/science.1254642)

生活在悬浮于油的水中的微生物
Water?droplets?in?oil?are?microhabitats?for?microbial?life
据Rainer?Mechenstock及其同事的一篇新的报告披露,微生物可生活在困于油内的极小水珠中。微生物可在自然环境中水与油相遇的边界处蓬勃发展,它们在那里起着一种分解油的重要作用。然而它们存在于油内本身或提示了一种用于石油生物降解的更广泛应用的可能。生物降解可降低海洋中自然油流动的价值,在海洋中石油通过裂缝网络缓慢向上流动,但该过程还能被利用来清理意外的石油泄漏。研究人员在来自特立尼达和多巴哥的沥青湖——这是世界上最大的沥青湖——样本中的水滴内发现了微生物群落。他们的分析表明,这些微生物群含有不同的微生物种群,它们正在将石油降解成各种有机物分子。水滴本身的组成提示,它们来自石油矿床之内而非来自表面水的渗透。(DOI:10.1126/science.1252215)

一锅法无碳产氨配方
Ammonia?synthesis?by?N2?and?steam?electrolysis?in?molten?hydroxide?suspensions?of?nanoscale?Fe2O3
用水和氮来制备氨的一种新型电化学方法可能指出了一个从纯粹的可再生资源来生产化肥的方法。用于制备化肥氨的典型方法涉及给氮加氢,但在这个过程中所用的氢消耗了这个世界天然气产量的3-5%,并排放出了大量的二氧化碳污染物。由Stuart?Licht及其同事所研发的电化学方法跳过了这一对天然气的需求,使得它可能成为一个更为环保的过程。在他们的“一锅法”合成中,水和氮在一个熔融的氢氧化物盐内直接相互作用来产氨。该相互作用是由一个电流触发的并在一个分散于整个熔融混合物中的纳米结构氧化铁的帮助下催化的。该混合物仅维持几个小时的稳定,但研究人员希望他们的证明将导致一种更为稳定且有效的产氨方法。(DOI:10.1126/science.1254234)

一个现实生活的受折纸启迪的变形器
A?method?for?building?self-folding?machines
应用平面材料及受折纸工艺启迪的模式,研究人员建造了一个现实中的变形器--一种一旦被组装就会爬行并转身的能自我折叠的机器人。这样一种机器在搜寻和救援任务中具有多种潜在应用,其中包括给封闭的空间——如倒塌的建筑物等——传递东西。在一则相关的报告中,研究人员展示了他们是如何用基于折纸操作来设计一种重量轻、具有可调性的超韧材料。研究人员说,将这种材料结合到机器之中可被用来增强其功能。

我们周围到处都有自组装过程发生;生物分子会无需来自某外部的动因而组成像病毒这样的结构,而群体中的昆虫会以同样的方式建造巢穴。有数种类型的自组装可用于工程学。一种是平面材料自己组织而成3-D材料-它特别有用,因为它能产生就其重量而言非常强劲的复杂且可缩放的形状。然而,按照现有的类似方法还没有产生能自己折叠并接着无需外部人力帮助而有功能的机器。这种机器人一旦创制出来将会很有价值,因为它们能大量地以叠平的状态运输以从事不同类型的工作。如今,S.?Felton等人取得了一个飞跃,展示了一种能建造一种会自己折叠的会爬行机器人的方法。研究人员用容易找到的材料来建造他们的机器人;即一种透明的具有形状记忆的聚合物,它被设计成在100°C时会收缩并有可自动折叠的铰链。在这些聚合物中放置铰链,加之它们被触发时进行折叠(通过产热线路)的顺序,从而产生了一个复杂的3-D机器。为了让折叠过程自动发生,研究人员利用了能在聚合物中产生详细皱褶图案的3-D折纸设计软件。在他们的机器人自组装后,它会行走,且它还能转身。这项工作显示了建造自组装机器的一个实用的过程。作者们说,由于它的实施相对容易,它可适合于范围广泛的应用之中。

在一则相关的报告中,Jesse?Silverberg等人研究了一个特殊类型的锯齿形的折纸折叠,该折叠一直被用于有效地收好用于太空飞行用的太阳能电池板。研究人员用这种模式来创建折叠板并接着通过添加或去除缺陷,设计了一种方法来结构性地改变这些叠板以控制它们的力学性能。这种方法将允许科学家们创建具有理想强度或刚度等特性的超材料。通过扩展在此研发的可调设计原则至自折叠机器人系统,这项工作为可按需改变其机械功能的机器铺设了道路。一篇《视角》文章对这两篇报告提出了更多的见解。(DOI:10.1126/science.1252610)

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