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《少年科学画报》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

《少年科学画报》坚持向少年儿童传播科学思想,普及科学知识,传递科技信息,传授科学方法,激发少年儿童探求知识的兴趣和热情,开发少年儿童的创造力,提高少年儿童的科学思维能力,培养少年儿童的动手能力和创造能力。

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哪些高科技掌握在中国人手中

2017-10-23 10:57:00

  如果有一天,你的身边出现了液态金属机器人,请千万不要惊讶;在不远的将来,受益于量子通信技术的你,不必担心和朋友打电话交流的信息被人窃听;你手中的精美书籍在制作过程中没有污染环境;你将用上能够像人脑一样思考的计算机芯片,还有计算速度高达每秒1017 次的超级计算机……而今天,我将告诉你,在上述高端科技领域里,都有我们中国科学家忙碌的身影,他们掌握着尖端技术,领跑在科技前沿,他们为我国在全球科技强国中争得了话语权,他们已经并且还将继续改变整个世界。

  纳米绿色印刷:纯原创,零污染

  如果你的家里有父母小时候读过的图书,就会看见书上的字可能是歪歪扭扭的,这是传统铅字排版印刷技术存在的缺陷。从20世纪80年代末期开始,激光照排技术替代了铅字排版印刷技术,随后又发展为计算机照排技术,然而这两种照排技术都是基于感光化学成像的技术,在曝光、冲洗过程中会带来化学废液排放问题,既污染环境,又危害健康。如何解决这个问题呢?

  2004年,我国科学家在世界上首次提出了“纳米印刷”的概念,通过十几年的努力,中国科学院化学研究所对这个难题给出了非常出色的解决办法,最终抢在了柯达、富士和爱克发等以感光材料为基础的国际巨头前面,成功研发、应用纳米绿色印刷技术,占据了技术和市场先机。

  “纳米绿色印刷技术”将纳米技术与印刷技术相结合,其技术原理就是在亲水的印刷版材上打印出由纳米颗粒形成的亲油图文区,通过亲油和亲水的差异,形成图文区和空白区的差别。这种技术比传统印刷技术节省三分之一的成本,并且可从源头上解决印刷产业链中80%以上的污染。根据计算,用纳米绿色印刷技术印刷一本160页左右的彩色书籍,能减排3000多升污染环境的废水,应用前景十分广阔。

  这种先进的绿色印刷技术仍在不断创新。之前,由纳米颗粒组成的两个液滴融合后常常会形成一个更大的液滴或波浪线,但现在可以做到形成非常均匀的点,并且能让一个墨滴经由一个、两个到几个数目可控的纳米颗粒组成,而且还能做到让纳米颗粒像糖葫芦一样串成一条直线。这项技术在世界上没有先例,从设备到软件都是由我国科研人员自己开发,属于我国的独创秘籍。

  液态金属:“终结者”终将实现

  电影《终结者2》中可以任意变换身体形态的液态金属机器人令人印象深刻,这种科幻设想能走进现实吗?是的,2015年3月,我国科学家宣布成功研制世界上第一台自主运动可变形的液态金属机器,这个消息引起了世界范围内的广泛关注。其实早在2001年,我国科学家就开始涉足液态金属领域,并且一骑绝尘,先后取得了30多项科学发现,申请了200多项专利,也许有一天,我国科学家真的会造出一个液态机器人。

  液态金属指的是一种不定型金属,是一种有黏性的流体,具有不稳定性,可通过充型过程形成各种铸件。在室温状态下,液态金属具有在不同形态和运动模式之间转换的普适变形能力。浸没于水中的液态金属可在低电压作用下呈现出大幅度变形;一块很大的金属液膜可在数秒内收缩为单颗液态金属球。

  2016年9月,我国首次揭示了液态金属有节律性的自发振荡效应和跳跃现象,并研发出自驱动的磁性液态金属机器,以及一辆由金属液滴车轮驱动的立体迷你小车。同年11月,我国首次实现了在开放液体环境中的液态金属自由塑形,突破了原有的液态金属元件调控模式;首次揭示出处于自由空间下的电控液态金属的蠕动爬坡能力,实现了逆重力方式的运动;发现了自驱动液态金属机器原理,在没有外部电源供电的情况下,液态金属通过吞吃金属铝就能自发运动,这种特性为研制实用化智能马达、血管机器人、流体泵送系统、柔性执行器以及更为复杂的液态金属机器人奠定了基础;通电之后的液态金属具有神奇的多变形效应,可在不同形态、尺寸和特性间转换;将液态金属做成“墨水”,可直接在纸上印刷电路;将来的3D 液态金属打印机甚至能够打印使骨骼重建的原材料。这些都已由或者将由我国科学家亲手将它们一一变成现实。

  量子通信:发送信息绝对安全

  2016年8月16日,我国成功发射了全世界首颗量子通信卫星“墨子号”,还在地面上建立了贯通北京、济南、合肥、上海四个量子通信城域网的“京沪干线”,二者构成“天地一体化”的通信网络,为将来建立全球化的量子卫星通信网奠定了基础。我国为何要花大力气建设这张网呢?

  我们目前采用的信息加密手段是不完美的,只要计算机功能足够强大,所有的通信信息都会被破解。1977年,美国的三位科学家共同提出RSA公钥加密算法用于数据加密,宣称破解这个加密信息需要4万兆年(1兆就是100万)。结果17年后的1994年,有600人用了1600台计算机花了8个月时间就把这个加密信息破解了。而量子通信是迄今为止唯一被严格证明是无条件安全的通信方式,其加密后的信息永远无法被破解,这是因为量子具有两个诡异特性。

  特性1:量子叠加

  ●指量子有多个可能状态的叠加态,在被观测或测量时,会随机地呈现出某种确定的状态。

  ●这意味着,只要对物质进行测量,就会产生扰动,会改变被测量物质的状态,这种特性是量子通信不能被破解的基础。

  ●发送方在传递加密信息的时候,还会附上一把密匙,让接收方打开信息。

  ●一旦有人想盗窃这些信息,就会触发量子的叠加态,信息发送方会探测到,从而将原密匙作废,再重新发送新的密匙。

  特性2:量子纠缠

  ●指哪怕两个互相纠缠的量子相隔几百万千米远,当一个量子的状态发生变化,另一个相距遥远的量子也会发生同样的变化,并且是瞬间完成的。

  ●利用这个特点,科学家们可以通过隐形传输实现信息传递,通过将粒子的未知量子态精确传送到遥远地点就可以了,而不用传送粒子本身。

  量子通信是全世界科技强国都想攻破的技术堡垒,而在这个前沿领域里,我国目前处于领跑集团军的位置。通过京沪干线的运用、验证,量子通信可以得到很好的推广,也许会在不久的将来走进千家万户,到时候每家每户的网上银行、网络支付、手机支付等,都能享受到量子通信所带来的安全保障。

  “寒武纪”:它是谷歌那只“碗”

  2016年,谷歌研发的人工智能机器人AlphaGo(阿尔法围棋)击败人类围棋领域的顶尖高手,轰动了世界。后来,谷歌公布了AlphaGo屡战屡胜的秘密武器——一枚专为机器学习而定制的芯片TPU(张量处理单元)。其实,诸如IBM(国际商业机器)、 Qualcomm(高通)、Facebook(脸书)、Twitter(推特)等国际著名的科技公司早就开始了对这种小芯片的研究。在这个炙手可热的领域,有一股力量不容小觑,那就是正在崛起的中国芯片市场。

  2016年11月16日下午,在第三届世界互联网大会上,中国科学院计算机技术研究所发布了全球首颗深度神经网络处理器——“寒武纪”芯片,这是世界上第一款深度学习处理器芯片,在架构研发上也处于国际领先地位。它的处理器采用神经元和突触处理的操作模式,模拟人脑的机制来学习、判断和决策。它是一枚专门针对人工智能深度学习而设计的芯片,而不属于传统意义上的通用芯片,功能强大。它在图像和语音识别领域要比传统处理器高出许多,集成度也是传统处理器的数倍。

  AlphaGo使用了约170个图形处理器和1200个中央处理器,所有设备需要占用一个大机房,配备大功率空调。而如果把AlphaGo的芯片换成“寒武纪”,一个小盒子就能装下,而且运行速度更快。打个比方,AlphaGo的算法系统就好像是水,处理器就是盛水的碗,谷歌没能找到碗,只好用瓦片装水,而寒武纪处理器就是这只碗。与信息时代一样,在智能时代,芯片仍是物理规则的定义者。谁掌握了芯片技术,谁就能在智能时代获得话语权和统治力。“寒武纪”代表中国在人工智能处理器行业已名列前茅,希望中国的这只技术车轮能一直滚滚向前。

  超级计算机:没有最快,只有更快

  我国自主研发的“神威·太湖之光”超级计算机是全球首台运行速度超过1017次/秒的超级计算机,最高运算速度高达1.254×1017次/秒,持续运算速度每秒9.33×1016次。根据测算,“神威·太湖之光”运算1分钟,相当于72亿人24小时不间断地运算32年。“神威·太湖之光”计算机采用低功耗、高集成度的处理器设计,独创高效水冷降温技术以及高密度的组装工艺、软硬件协同、智能化的功耗控制方法,使之成为环保节能绿色产品,比上一代超级计算机“天河二号”节能60% 以上。这台超级计算机还实现了完全的国产化,全部采用中国自主研发的处理器,其峰值性能、持续性能、性能功耗比三项关键指标均居世界第一。

  超级计算机可以在十几分钟内完成海啸预警,30天内完成地球未来100年的气候模拟,提升应对极端气候事件和自然灾害时的减灾防灾能力,增强我国在全球温室气体减排谈判中的话语权,为航天器返回提供精确预测等。在2016年被誉为计算机领域“诺贝尔奖”的“戈登贝尔奖”的6个提名中,“神威·太湖之光”就拿到了3个,分别涉及海洋、材料和大气三个领域的应用。

  还有哪些高科技掌握在中国人手中?我们可以列出一个长长的单子,由于篇幅所限,我们不能一一列举。当今世界综合科技水平最高的国家是美国,我国与美国相比,虽仍有显著差距,但我国的科技水平从七十年前比先进国家整整落后一个时代,到现在几乎能在所有领域和美国正面对抗,我们全面追赶、重点突破、局部领先,进步非常大。如果你关心这些前沿科技信息,就会看到我国科研新成果层出不穷,正如本文中列举的那些振奋人心的好消息。让我们努力学习,拥抱科技,追求进步,这种自信和行动是大国人民必备的底蕴。

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