《邵恒头条》136期:【硬科技报告】机器视觉练出“透视眼”

《邵恒头条》136期:【硬科技报告】机器视觉练出“透视眼”

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你好,这里是《邵恒头条》,我是邵恒。 这周末,我为你带来了一份特殊的《头条速览》——我邀请得到上《前沿科技——卫星技术》的课程主理人彭天放老师,为你制作...

你好,这里是《邵恒头条》,我是邵恒。

这周末,我为你带来了一份特殊的《头条速览》——我邀请得到上《前沿科技——卫星技术》的课程主理人彭天放老师,为你制作了一份《硬科技报告》。

不知道你有没有这样的感觉,每隔几天我们就会在新闻上看到,“某某领域又实现了重大突破”,研究成果发表在《自然》或者《科学》《细胞》这样的顶级期刊上。

每次看到这样的新闻,一方面,我会为科研成果感到惊叹,另一方面,作为一个文科生,我又常常感到自己的知识储备不足以让我判断,到底哪些科研进展会将人类社会推向下一个转折点。因为大多数时候,我看不懂那些论文写的是什么。

我相信,很多人也都有类似的困扰。这就是为什么,我邀请彭天放老师来做了这份《硬科技报告》。

彭老师是在清华大学从事一线科研工作的青年科学家。我邀请他用专业的视角,为你筛选出在过去这一个月里,硬科技领域的重大进展——所谓的硬科技,指的是新硬件、新材料、新的人工智能技术等等高精尖科技。

在这份报告里,彭老师挑选出了硬科技领域的三项新进展。

第一,机器视觉有了“第六感”超能力。
第二,材料学的新研究可能揭示未来芯片的全新可能。
第三,美国高度保密的空天飞机成功返航。
下面就让我们一起来听听,为什么在过去这一个月里,这三项硬科技值得你花时间。

1. 计算机视觉训练出了“第六感”的超能力

先来说第一个,机器视觉的“第六感”已经被训练出来了。

提到机器视觉,指的是让计算机具有能看的能力。一提到这点,我想你可能会想到文字识别、AI换脸、自动驾驶等这些应用。但这归纳起来,还是计算机对我们的双眼已有功能的模仿和拓展。

而最近的几项研究,让我们看到,在未来机器视觉可能会赋予我们人眼现在不具备的一些“超能力”。

2019年10月27日,美国麻省理工学院(MIT)的官网上发表了一项最新研究,这项研究让机器可以拥有一种在武侠电影中常见的“第六感”。

在电影中,我们经常看到主人公一旦发觉气氛不对,比如风吹草动、身后一道黑影闪过,就知道有对手要从暗处跳出来了,于是主人公能提前一瞬间做好应战的准备。

MIT的这项技术,就非常像是赋予了机器这种“第六感”。

它让机器能够分析周围环境里光影的变化,来预判障碍物之后物体的行动轨迹。

这样的“第六感”很重要。因为它会在自动驾驶的场景中,让车辆避免由于视线遮挡造成的事故。比如说,让一辆自动驾驶的汽车,判断旁边的公交车后面有没有正在过马路的行人。

这套研究,是基于一套叫作“ShadowCam”(影子相机)的系统。这套系统通过分析连续拍摄的图像当中光照强度的变化,就能判断是否有物体正在靠近。

在这项研究里,实验人员让正在拐弯的汽车和医院里的自动导航轮椅使用了“影子相机系统”。

他们发现,相比起传统的激光雷达系统,用了这种“第六感”系统的设备,在遭遇突发情况的时候,反应时间要快0.5-1秒。你别小看这1秒的时间,要知道,在避免碰撞的场景中,1秒的时间可以起到非常关键的作用。

这项研究,只是最近机器视觉超能力研究中的一个。

2019年9月27日,同样是来自麻省理工的研究团队,大大提高了机器“透视眼”的能力。

在这项研究中,机器能隔着一堵墙,判断墙后的人在做什么样的动作。比如说,在一个房间外面,机器能看出房间里两个人正在握手。还能看出,在一个封闭的电话亭里,打电话的人到底是什么样的姿势。我在下面放了一张论文中的效果图,你可以看看。

麻省理工团队实验中的现实图片和结果比对

这是怎么做到的呢?

我们都知道,平时我们人眼看到的可见光不能穿墙而过,但光不过是电磁波的一种,有的电磁波不受墙壁阻挡。家里的WI-FI就是一种电磁波,无论你在哪个房间,它都能穿墙过去抵达你的设备。

这项实验里,机器之所以能获得透视眼,就是因为它实际上监测的,是物体传递出来的电磁波。

过去,科学家也不是没做过这样的实验,只不过,过去的成像技术分辨率很低、误差太大、反射的环境太复杂,所以成像的效果一直不好。即使把拍摄出来的图像拿给你看,也看不出里面都有啥东西。

而MIT这项研究用了一种全新的思路。他把穿墙拍摄的图像跟传统摄像机拍摄的正常图像,一一进行对比,然后用机器学习,找到其中对应的规律。用这种方式,让机器获得了理解穿墙信号的能力。

这还不算,未来可能你对着教室天花板拍一张照片,就能看到全班同学卷子上的答案。

什么原理呢?即便是一面大白墙,也蕴含着非常丰富的信息。这面大白墙上映射着很多不同物体呈现出来的光影。

通过机器学习的技术,对这些光影进行就有可能还原出墙前面的物体。

所以,用这样的方式,科学家可以把一面白墙变成一面“镜子”。这也是2019年发表在《自然》杂志的一项研究。

你看,我刚才说的这几项研究,不管是机器视觉的“第六感”还是“透视眼”,甚至是墙面变镜子的“戏法”,本质上都是让机器分析环境当中那些细微、复杂的隐含信息,从而发展出“超能力”。

这些“超能力”,可能在未来重塑我们的信息环境和隐私环境。在这方面,我会为你持续关注。

2. 石墨烯“转角”结构研究揭示未来芯片的全新可能

第二个进展,来自材料领域。它之所以值得关注,是因为这项进展,有可能可以解决信息技术领域最大的“焦虑”。

2019年10月30日,《自然》杂志上发表了一篇中国、美国和日本科学家的关于石墨烯材料的联合研究。这项研究让人们看到了一种未来芯片的全新可能。

石墨烯跟芯片有什么关系呢?

这还得从这项研究的渊源说起。下面的内容可能有点陌生,我尽量用最简单的语言给你解释清楚。

石墨烯是一种仅仅由单层的碳原子构成的薄膜。在石墨烯之前,人们不相信仅仅由一层原子织成的薄膜,能够在自然界稳定存在。于是出于对这种结构的惊奇,科学家开始疯狂探索石墨烯的各种应用。

到了2018年,科学家发现,当两层石墨烯之间有一个特别小的夹角的时候(大概1.1°),两层石墨烯的薄膜之间会交替出现超导和绝缘的区域,就像是汽油漂在水面上交替出现的彩色条纹一样。

这个现象让科学家们非常兴奋。它开启了一个被称为转角电子学的研究领域,1.1°这个角度,就被称为“魔角”。

而在这一次的研究中,人们发现了石墨烯一个更重磅的特性,就是通过一个小的电压变化,我们就可以控制这个超导现象的打开或者关闭。正是这个可控的特性,让科学家异常兴奋,甚至看到了未来芯片的一种可能。

为什么这么说呢?

你想,一个可控的,能在绝缘和超导之间切换的装置是什么?——其实是一个开关。

而我们所熟悉的各种芯片,包括电脑的CPU、手机的AI芯片,还有大量的集成电路器件等等,它最底层的结构单元,其实就是逻辑开关。

所以,在遥远的地平线上,科学家们仿佛看到了一种全新的、构成芯片底层结构的可能,那就是用两层石墨烯的夹角结构,也就是“魔角”,构成逻辑开关的阵列。

而且这个阵列还有一个特别诱人的特性——那就是超导。

要知道现在芯片行业最头疼的一个难题,就是晶体管发热的问题。而石墨烯夹角带来的超导特性,意味着这样的材料不会发热,因此格外吸引人。

不过平心而论,因为目前针对石墨烯器件的研究,普遍都在原理阶段。咱们说的这种新型芯片,距离实现看起来还非常非常远。

那为什么希望这么渺茫,科学家们还费尽心思地钻研呢?

这是因为,这种新型材料很有可能解决信息技术领域最大的“焦虑”——摩尔定律的极限。

我们知道,所谓摩尔定律是指单位面积的集成电路数量,平均每18个月就要翻一番。在过去半个多世纪的时间里,摩尔定律一直在延续。单个晶体管的大小,从原来的几百微米,缩小到了今天的7纳米。

所以,我们今天的一块手机芯片上,可以有100亿个晶体管。这些就是支持一个手机强大算力的基础设施。

但发展到这个地步,用于制作晶体管的硅材料,已经遭遇了“物理极限”——如果晶体管再小下去,很可能就会出现“量子效应”——也就是说,芯片会变得不稳定、不可靠。

可是人们对于算力的渴望又是无穷无尽的,就像上面说到的机器视觉超能力,也需要越来越高的算力才能实现。

所以在科研领域,有不少科学家都在尝试,不用传统的硅材料作芯片,尝试其他的材料。

在这些研究思路之中,有一条就是用碳基芯片代替硅基芯片,石墨烯就是其中之一。

这条关于石墨烯的最新进展之所以值得关注,简单来说,就是它通过一种可控的方式,实现了石墨烯在超导和绝缘之间的切换。这个切换,让石墨烯原料成为了一种开关,它能作为一种全新的芯片原理,延续摩尔定律的发展。

当然,这些都是从芯片材料的角度对于这项研究的解读。作为早期的学术研究,石墨烯转角结构很可能还会从超导原理、二维材料的设计等等其他方面,发挥意想不到的作用。

这种可能性,正是早期科学探索的魅力。这也是我推荐你继续关注这个领域进展的原因。

3. 空天飞机“X-37B”航行2年后首次返航

第三个进展,来自航天领域。

2019年10月27日凌晨,美国空军X-37B空天飞机,成功返回美国肯尼迪航天中心。我之所以推荐你关注这条信息,是因为它标志着太空军事实力的竞赛,正在快速升温。

X-37B空天飞机,是美国高度保密的航天项目,也是目前世界上最先进的航天飞行器之一。

它在经历了780天神秘的航行之后,成功返回了地球。要知道,类似的航行任务过去有5次,这次是飞行任务中飞行时间最长的一次。

关于X-37B,它最大的特点应该说就是“保密”。

它最早由NASA主持研制,后来由国防部高等研究项目局接管。此后,它一直保持着非常神秘的色彩。要问X-37B的主要目的——保密,携带的设备——保密,有哪些技术特点——保密。

尽管有这么多的未知因素,但X-37B的成功返回,依旧是过去这一个月来你最应该关注的科技新闻之一。

为什么这么说呢?因为种种迹象表明,X-37B具有极为先进的性能,而这些性能的军事意义不言而喻。

第一个性能特点是超高速。

据相关分析,X-37B的飞行速度可以达到25倍音速,是当前最快战斗机速度的8倍。不要说战斗机了,连导弹都追不上这个速度。

而且,它还可以以超高速在大气层内外切换着飞行,大部分的地面雷达根本就没法追踪这种飞行模式。这种特性意味着,X-37B很可能会成为一种“不对称”的武器,也就是说,一方使用这种武器时,另一方难以追踪、难以防守,由此会形成巨大的威慑效应。

X-37B的第二个性能特点是功能多。

尽管我们对X-37B了解有限,但是可以想象它的上面包括太阳帆板、机械维修臂、军用装备等各类功能模块,携带起来都很方便。

它能承担起卫星的勘测、数据收集的功能,但是又远比卫星更灵活,能干的事比卫星更多。你想,一个卫星,只能在固定轨道飞行,但空天飞机,你让它飞到哪就能飞到哪。

如果这类空天飞机技术趋于成熟,可能意味着,使用方会获得在全球快速部署太空设备的能力。在未来,很可能对整个低轨道航天器的生态造成一定的冲击。

不仅如此,空天飞机还有第三个特点:成本低。

空天飞机的个头,只有航天飞机的1/4。而且,除了它自身的推进剂之外,所有的部件全部可重复使用,大幅度降低了成本。

以上这些特性都在提醒我们,一轮新的太空竞赛正在加速开展。

除美国之外,中、俄、英、德等世界科技强国都在研究空天飞机的技术。

咱们国家正在研制的“空天飞机”被称为“腾云工程”。

与X-37B不同,我国正在研制的空天飞行器可以两用。一方面可以载人,用于太空旅游、输送航天员;另一方面可以载货,发射各类卫星、给空间站提供货物补给等等。

不过目前,各国空天飞机大多处于研究与验证阶段,有很多关键技术突破有待实现。比如恶劣环境的可靠性技术,长距离的飞行技术等等。

所以,距离真正大规模投入应用,空天飞机还有很长的路要走。

但我们能看到的趋势是,未来各个国家在太空中的竞争,必然会变得越来越激烈。目前的太空领域,基本处在一半靠大国协商,一半靠丛林法则的不稳定状态。

而最终的利益分配,一定是跟各个国家在太空中的技术实力相匹配的。空天飞机恰恰是太空军事实力的体现,也是争夺太空利益的一种关键装备。因此,这一领域值得你持续关注。

好了,这就是由彭天放老师带来的《硬科技报告》。如果有哪些硬科技领域的新进展是你希望进一步了解的,欢迎你留言告诉我们。

我是邵恒,我们明天见。