《流浪地球2》不够科幻:这不都是进行中的国家级课题嘛!(狗头)
太空电梯真的有人研究开发
明敏 Alex 发自 凹非寺
量子位 | 公众号 QbitAI
你以为的《流浪地球2》——科幻片;
不,背后全是真科技,有人研究、有人开发的那种。
太空电梯效果震不震撼?只是个脑洞?
但这其实是一些物理科学家的正经课题,研究了快20年的那种。
还有日本公司已经开始开发,计划2025年左右于赤道附近的海上开工。
电影中出现的外骨骼机器人,甚至都能拿出来抽奖了:
还有推动地球的行星发动机,它依靠重核聚变提供能量。
而现实世界里,1个月前人类才刚刚实现了可控核聚变研究的一项新里程碑研究——实现净能量增益,让核聚变产生的能量比注入的还要多。
可能不少人看完《流浪地球2》都会想:这真的能实现吗?
但真实世界里,很多科技点早就走在路上了。
哪些科技正在现实中推进?
首先来看视觉效果燃爆了的太空电梯。
按照设想,太空电梯将通过缆绳连接地面和空间站,成为一个太空运输基础设施。
一旦成真,这意味着人类往返太空的成本将大大降低,而且还能更方便完成航天探索、清理太空垃圾甚至是太空旅行。
其概念提出可以追溯到1960年。1975年,科学家就对太空电梯进行了第一次工程分析,结果证明所需电梯缆绳材料的比强度,是当时任何材料都无法实现的。比强度是指材料的强度和密度之比。
按照目前的估计,太空电梯的缆绳材料的比强度应该至少是钢铁的50倍。
现如今,有很多学者在探索这一领域,加拿大瓦尼尔学院的物理学家斯蒂芬·科恩(Stephen Cohen)正是其中之一。他表示自己投身太空电梯研究已经快20年了。
斯蒂芬对太空电梯的动力学、缆绳形态等方面做了理论研究,在他的影响下,还有学生开发了能模拟太空电梯操作员进入太空的软件。
实际落地方面,日本大林组公司是代表之一。
他们于2012年正式启动太空电梯项目,拟耗资100亿美元,打造一个缆绳长约9.6万公里的升降机,可以穿过大气层在地表和太空中运送物资和人。
目前他们正在进行缆绳材料的试验验证。此前已经验证了强度是钢铁数十倍的CNT(碳纳米管),长期置于大气层中,会被原子状态的氧破坏。
不过CNT不会受到辐射影响,而且原子状态氧只存在于地表上空约500公里内的大气层中,所以大林组工程师表示,可以在更高处使用CNT。
2021年,他们开始尝试在CNT外面加上金属和硅进行保护。
按照计划,大林组的太空电梯将在2025年左右动工,缆绳预计在2030年建造。太空电梯将从重力和离心力相互平衡的3.6万公里处开始上升,完成缆绳的建设后,将用大约1年的时间建设宇宙空间站,最快在2050年投入运行。
利用电能,升降机将能以200公里时速移动,轿厢总长度约144米,定员30人。
另一个科幻片常见元素——宇航员休眠,其实也是如今医学界重点关注的领域之一。
代表性事件是马里兰大学医学院已经实现了让患者处于“假死”状态,延长人体创伤修复的窗口期,为手术抢救最多争取1小时时间。
通过用冰生理盐水给人体降温,研究人员成功将患者体温控制在了10℃以下,减缓人体新陈代谢的速度,并且在恢复正常后不对人体造成明显影响。
这意味着,通过低温我们有机会让人体进入“待机”模式,减少对能量的需要,同时为长途太空旅行创造机会。
比如从地球去土星就需要5年左右时间。这一过程会对人体造成很大危害,比如太空辐射、失重、长时间生活在密闭空间等。
欧洲航天局的科学家Jennifer Ngo-Anh表示,基于动物研究,已经可以验证冬眠能最大限度减少这些危害。
加拿大公司SpaceWorks Enterprises此前获得了NASA的资助,尝试开发一种“合成休眠(synthetic torpor)”的方法,理论上能让宇航员实现长达14天的休眠。
而更接近于现实的,还是被大家称作是电影隐藏主角的MOSS。
其底层技术量子计算机研发,咱们人类已经完成了第一阶段:实现量子优越性。
如IBM、谷歌、微软等科技巨头,都在加速推进量子计算研究。
谷歌号称最早在量子计算机“悬铃木”上实现了量子优越,并在加州圣巴巴拉分校建立了谷歌量子AI实验室。
IBM目前在全球已经拥有20多台量子计算机。去年11月,IBM号称造出了迄今全球最大量子计算机“鱼鹰”(Osprey),拥有433个量子比特。
国内,中科院潘建伟团队是量子计算的代表。他们先后在量子计算机“九章”、“祖冲之号”上实现量子优越性。
商业公司中,如阿里巴巴达摩院量子实验室,也成功设计并制造出两比特量子芯片,实现了单比特操控精度99.97%,两比特iSWAP门操控精度最高达99.72%。
相关数据显示,到2031年左右,有将近8000亿的市场规模将会直接与量子计算相关,全球70%的企业想在这方面做一些布局。
以谷歌、霍尼韦尔为代表的积极投入下,量子计算进入到探索如何解决实际应用中高难问题的NISQ阶段。国内以百度、图灵量子等机构则正在探索实际场景中的落地应用。
可以说量子计算落地已只差临门一脚了。
除此之外,电影中也多次cue到了核聚变。
无论是炸掉月球,还是行星发动机,基于的原理都是核聚变。
从当下来看,可控核聚变仍旧是难以攻克的难题,但是前景十分可观。
加上如今人类实现了核聚变净能量增益,让聚变反应产生的能量,比注入的能量还多,能量增益达150%,可以说是离“人造太阳”更近一步了。
由于核聚变的主要燃料是氢的同位素氘和氚,几乎不产生碳排放,产生的长效放射性废料也少得多。从理论上讲,一小杯氢燃料就足以给一栋房子供电数百年。
之前的研究表明,海洋含有数亿吨的氘,如果当核聚变发电成真,仅一升的海水,就能产生相当于300升汽油的能量。
而氚虽然本身比较罕见,但能通过自然界中极为丰富的锂元素来反应获得,比较容易操作。
去年1月,被称为中国“人造太阳”的EAST运行时间首次突破4位数,实现了1056秒的长脉冲高参数等离子体运行。
英国牛津的核聚变技术First Light Fusion 打造的超高速炮。可以用每秒6.5公里的速度(19倍音速)向燃料靶发射弹丸,从而引爆核聚变。
这整个过程只花了不到4500万英镑,与传统的激光和磁性约束装置相比,成本是它们的千分之一。
与此同时,可控核聚变商业化也备受关注起来,如腾讯、米哈游等公司都开始投资。
最后要说的,则是让人感到有些细思极恐的数字生命了。
它将人的意识植入到机器中,并依靠超强算力的量子计算机,实现了“永生”。
现在的技术,已经在尝试将人类或动物大脑和计算机相连,建立一种不依赖于常规大脑信息输出的通路——即脑机接口。
比如意念打字、缸中之脑等,都多次引发热议。
马斯克也表示已经把自己的大脑上传到云端,还要和虚拟版的自己成为伙伴。而电影里,刘德华饰演的图恒宇,最后就把丫丫的大脑数据上传到了550W上……
如上几方面,就是电影中科幻照进现实非常代表性的几个方面。
有的已经离应用落地不远,有的还需要多年探索。
制作过程科技浓度也超高
回归电影本身的制作过程,更是一场科技盛宴。
比较为人熟知的是制作组利用AI对李雪健老师的声音进行修复。
李雪健今年已经68岁,因为鼻咽癌,声带和听力都受到影响,在预告里能明显看出老人家说话很吃力、含糊不清。
但“小破球”制作组解决了这个问题:他们用AI修复了李雪健的原声,台词句句清晰且铿锵有力;协助这位老戏骨再度献上神级表演。
这也得到了网友们的连连称赞:
此外,AI的应用还体现在角色换脸上。
由于电影内容贯穿主演几十年的变化,所以制作组通过Deepfake给演员换脸,实现了年龄上的跨越。
导演郭帆和up主@影视飓风介绍说,人的面部随着年龄变化,不仅仅是增加了皱纹,骨骼也会发生改变,靠化妆加上简单的后期晕染,效果可能不够自然。
在预算等因素的限制下(不愧是小破球),最终他们启用了基于Deepfake开源算法二次开发的方案,用目标演员的海量素材训练AI,来替换拍摄素材。
最后,AI在不同镜头下,帮制作组完成三成到七成的工作;剩下的则靠人工手动调节完成。据片方人员介绍,这样省事省力又省钱。
这边用技术“以假乱真”,另一边,在很多我们以为是“假”的地方上,制作组用的却是真家伙。
比如开头提的外骨骼机器人,就是机器人科技公司傲鲨智能的产品。
傲鲨智能表示,现实版外骨骼已在多个场景中落地,而且全身外骨骼已在小批量生产,后续将推出民用产品。
而电影中的挖掘机、起重机等,是徐工集团专门根据导演组要求,用自家机器改装出来的。
还有出镜率超高的各种移动机器人,也都是实际产品,由优艾智合机器人提供。
除了各方技术支持外,《流浪地球2》的科学顾问也是天团级别——直接找到中科院的大佬们。
据悉,这些受邀的科学家涉及多个领域,他们分为理论物理、天文、地球科学、人工智能、基础材料、航空航天等组别。
比如最近手绘《流浪地球2》科普的中科院计算技术研究所研究员王元卓,就是顾问之一。
在他们的支持下,影片中数字生命部分电脑上的代码、图恒宇家里墙壁上的公式,都是真的。
以及月球核爆用相控阵来实现,据说也是中科院物理所大大们手推公式验证过的……
就连科学家们的生活习惯,制作组都“力求还原”,甚至半夜给顾问大佬打电话:
如果两个顶级科学家一起坐电梯,他们会聊点啥?
One More Thing
不得不说,三个小时的电影,彩蛋盘点至少得看好几天。
就连刘慈欣走出影院都得说一句:每次都能发现新细节。
电影中的很多科幻元素,取材于大刘的不同作品。
太空电梯是和《三体》原著的联动;在月球上布设核弹的情节《吞食者》中就有出现,不过在这部作品中月球只是被推走了,没有炸掉。
数字生命的概念联动,则来自大刘从未出版的科幻处女作《中国2185》。
这部小说构建了一个2185年的世界,那时社会老龄化问题严重,老人(100岁+)可以保留电子化的大脑思维生活在数码世界里,实现“永生”。
更耐人寻味的是,这本书中提及的许多概念,都和当下的真实生活有所对应。
比如万物互联——互联网/物联网;备份记忆——数据备份;病毒原理式信息武器——逻辑炸弹;CPU计算硬件资源的分配与争夺——算力资源紧张……
如果是现在翻看,恐怕难以辨认这到底是科幻作品还是现实小说了。
不过,也不是没有“破绽”——因为《中国2185》的世界里,结婚离婚还要插磁盘。
但这情有可原,毕竟作品的最后一句话是:
1989.2.15 于娘子关。
参考链接:
[1]https://theengineerspulse.blogspot.com/p/space-elevator.html
[2]https://voices.vaniercollege.qc.ca/vanier-researcher-profile-stephen-cohen/
[3]https://www.keguanjp.com/kgjp_keji/kgjp_kj_sea/pt20211012000004.html
[4]https://www.cnet.com/science/biology/features/chasing-ghosts-unlocking-the-mysteries-of-human-hibernation/
[5]https://www.163.com/dy/article/HRENDQP505532V1M.html
[6]https://www.bilibili.com/video/BV1x84y1j7Zn/?
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