互动科普

工程学

涡轮螺旋桨发动机复兴

对短途、低成本飞行的需求催生了对涡轮螺旋桨发动机的新一轮研究。

撰文 克莱 · 迪洛（Clay Dillow）   翻译  张哲

100年前，由螺旋桨推动的飞机问世后，随即在全球范围内引发了航天技术的蓬勃发展。

第二次世界大战后，在经济利益的驱动下，人们开始青睐那种可以飞得更快、更远的飞机，因此研究的重点也转向了喷气式飞机。这使得涡轮风扇喷气发动机技术的发展一日千里，而对螺旋桨的研究却基本处于停滞状态。

然而在过去10年间，随着油价以及短途空中旅行需求的上涨，各个航空公司再一次将目光投向了更小、效率更高的机型，以进行短途飞行。就这样，原本已经过时的涡轮螺旋桨发动机再次获得了研究人员的“宠爱”，在实验室里，工程师们也正在重新思考这种技术，新一代的涡轮螺旋桨飞机即将振翅高飞。

根据加拿大飞机制造商庞巴迪（Bombardier）的市场研究，在2013年，20座至99座的飞机中，约有半数使用了涡轮螺旋桨发动机，这是自20世纪90年代以来，涡轮螺旋桨飞机首次占据半壁江山。当飞行距离不足500海里（约合926千米）时，涡轮螺旋桨飞机比涡轮风扇飞机能耗低得多，这就是为什么对前者的需求越来越大，而只有长距离爬升至更高的巡航高度后，后者的效率才会更高。尽管能耗低，老式涡轮螺旋桨飞机的速度却无法让人恭维，此外还会产生让乘客不舒服的噪音与震动。要吸引顾客，航空公司间不仅在票价上还要在客户体验上竞争（航空公司已经清醒地意识到，在乘客眼中，螺旋桨推动的飞机就是过时的老古董），因此，上世纪的螺旋桨技术无法满足现今的要求。

在开发新一代涡轮螺旋桨发动机的先驱中，通用电气航空（General Electric Aviation）旗下的道蒂螺旋桨公司（Dowty Propellers）正在重新研究螺旋桨、发动机舱和机翼三者的相互影响。由于使用了近几年才出现的计算流体力学软件，这家英国公司不仅可以设计新型、高效的桨叶形状，同时还可以把螺旋桨当作一个整体，重新思考其布局。

“强大的计算能力帮了我们大忙，”道蒂螺旋桨公司的乔纳森·切斯特尼（Jonathan Chestney）说，他发现，研究人员现在可以对每个桨叶的数据进行单独分析。“这真是一个令人兴奋的时代，”他说，“我们现在能看到比以前多得多的细节，这就好比科学家第一次用上了显微镜。”

目前，道蒂公司的工程师正在研究两种新的八叶螺旋桨桨叶排布方式。其中一种是桨叶以非等间距排布在螺旋桨桨毂上；另外一种则是让桨叶在轴向上错开，一半的桨叶比另一半更靠近桨毂的前部。这样的桨叶排布方式可以改变飞行时产生的噪声的频率。道蒂公司正邀请自愿者在机舱中体验两种螺旋桨产生的声音，以确定乘客更喜欢哪种。

道蒂公司的研究很有实用价值。美国国防部的下一代直升机和即将推出的无人机都将采用先进的螺旋桨，美国乔治亚理工学院的航空工程师拉克希米·桑卡尔（Lakshmi Sankar）说。事实也的确如此，整个航空工业,甚至其他行业都在进行相关研究。美国航空航天局格伦研究中心（NASA Glenn Research Center）和乔治亚理工学院等机构就在进行螺旋桨的流体力学研究，其研究成果转化成了道蒂公司和美国UTC航天系统公司（UTC Aerospace Systems）等螺旋桨制造商的设计。

这些新型设计离实际应用并不遥远，道蒂公司的切斯特尼说，“我们期待，某些著名的航空公司能在未来几年内让新的飞机设计方案走向应用”。

新技术

不受重力控制的悬浮球

一款可自行飞行的游戏用球，遵循由研究人员设定的动力学和运动规则。

撰文 拉里 · 格林迈耶（Larry Greenemeier） 

翻译 林清

在许多球类运动项目中，对球的控制是成功的关键。但如果球的运动违背物理定律，会出现什么情况呢？来自索尼电脑科学实验室（CSL）和东京大学的研究人员正在着手研究此类设备——可以飞行的悬浮球（HoverBall）。

这种悬浮球的中心有一个90毫米宽的四轴飞行器（quadcopter），外面安装有一个比室外地滚球（bocce ball，直径约11厘米）略大的笼子。在玩耍过程中，这个悬浮球可悬在空中或调整自身的运动状态。悬浮球的电池重10克，可保障它一次飞行5分钟。尽管最新版本还需依赖遥控操纵四个旋翼，但在未来可通过编程实现自主飞行。2014年年初，在提交给在日本神户举行的人类感官扩张大会（Augmented Human Conference）的一篇论文中，研究人员表示，悬浮球可以悬空飞行，它遵循的是一套人为设置的运动规则，在研究人员演示游戏的过程中，悬浮球的表现令人惊艳，它将游戏的自发性水平提升到了一个新的高度。

索尼电脑科学实验室副主任暦本纯一（Jun Rekimoto）介绍说，悬浮球不仅具有高超的飞行特性，还可以根据不同游戏者个体能力的差异，调节飞行方式，这使得悬浮球游戏老少皆宜，即使是残疾人也能参与其中。

不过，悬浮球要投入市场还需要一段时间。四轴飞行器需要有充足的进气，才能起飞，这就是为什么其外围安装的是一个开放的笼状结构的原因，这一设计使得悬浮球不耐用，不太适合接触性运动。研究人员正考虑让它变得更加坚固耐用，包括加装强大的旋翼、使用更强大的电池和更坚韧的外表面材料。

气候

冰川证据

正在消失

气候科学家们都在争分夺秒地赶在冰洞融化之前采集样本。

撰文 卢卡斯 · 劳尔森（Lucas Laursen）

翻译 易小又

水晶冰洞（Crystal Ice Cave）位于美国爱达荷州，当气候和冰洞研究人员最近一次拜访它时，不得不费力蹚过寒冷齐膝的冰水，才能抵达结冰地带，这也是水晶冰洞这个名字的由来。对于恶劣的环境，冰洞探索者们尚能欣然接受，但让他们感觉冰水寒冷刺骨的还有另外一个原因，那就是冰水正在带走他们此行所要研究的一些线索。

冰是研究人员探究地球历史的一个极其宝贵的信息来源。通过研究极地冰盖和山顶冰川中的花粉，最早可以追溯到150万年前的植物，对冰中所含气泡和水进行同位素分析，可以一瞥古地球的气候。

不过，极地冰的样本不一定能揭示温带地区的气候。因此，在10年前，一小组研究人员开始把目光投向了冰洞，有些冰洞甚至已经存在了3 000多年。从那以后，多项研究都已发现，冰洞可以为我们解释，关于低海拔和低纬度地区如何应对气候变化的一些问题。但2014年夏天，当科学家发现他们需要蹚过水晶冰洞融化的雪水时，两年一次的研讨会的重点，马上从冰可以告知科学家什么重要信息，转变成了如何在冰洞消失前，采集到足够多的样本。

研究人员迄今为止还未获得足够的资金赞助，用于冰洞的长期研究。部分原因在于,获取冰洞样本需要耗费大量人力、物力和财力，高强度的钻孔、直升机和冷冻货车都是必备之物。匈牙利科学院（Hungarian Academy of Sciences）是匈牙利最重要的学术研究机构,来自该机构的地球化学家佐尔坦·克恩（Zoltán Kern）特别指出，他能够理解资助者的疑虑所在，因为科学家至今还未将复杂的冰洞数据转化为井井有条的气候记录。但美国国家岩洞及喀斯特研究所（National Cave and Karst Research Institute）执行理事乔治·韦尼（George Veni）说，至少有一点是非常明确的，那就是在冰洞融化之前，“我们的首要任务就是采集尽可能多的样本”。

古人类学

“霍比特人”与智人之谜

古人类学家曾于2004年挖掘出一具古人类骨骼化石，不过它究竟属于霍比特人还是智人，至今仍存争议。

撰文 凯特·王（Kate Wong）翻译  李春艳

有关人类的起源，至今仍存在分歧。2004年10月，古人类学家宣布，他们在印度尼西亚的弗洛勒斯岛（Flores）上发现了一具1.7万年前的古人类骨骼化石，它属于一个全新的人类物种——弗洛勒斯人，也就是人们所称的霍比特人。这立即在世界范围内引起了轰动。弗洛勒斯人身高仅1米左右，大脑体积为智人大脑的1/3，与320万年前的人类近亲“露西”（属于南方古猿阿法种）一样，有着许多原始特征。不过，它们的生存年代与晚期智人的生存年代重合，能打制出较为先进的石器、会使用火、擅于猎捕大型动物——这种种行为都与智人的活动方式类似。针对这一存有争议的发现，许多怀疑者立即提出了质疑，认为这具骨骼只是某位患病智人的尸骨，并非新物种。一场由古人类骨骼化石引发的口舌之战也由此展开，并一直持续至今。

近期，怀疑者中还有人提出了新的论据，对发现新物种的观点再次进行了反驳。2014年8月，在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的一篇论文中，澳大利亚阿德莱德大学（University of Adelaide）的马切伊·亨内贝格（Maciej Henneberg）及同事指出，有迹象表明，在弗洛勒斯岛发现的这具较为完整的骨骼化石，即众所周知的“LB1”，患有唐氏综合征（Down syndrome）。而他们之所以得出这样的结论，主要在于LB1较小的头骨周长，及其他相关的骨骼特征。

然而，认为该骨骼化石属于霍比特人的古人类学家也不甘示弱，他们很快就对唐氏综合征的说法进行了驳斥。美国石溪大学的威廉·荣格斯（William Jungers）强调，从古至今，从未出现过头骨周长小到LB1的程度的唐氏综合征患者。此外，LB1面部外凸且头骨偏厚，这类LB1独有的特征也与唐氏综合征患者不相吻合。

不过，即使最新研究不能证明LB1患有唐氏综合征，我们也不能排除该骨骼化石是因受其他疾病影响才具有独特性的可能。在美国印第安纳大学伯明顿分校研究大脑进化的生物人类学家托马斯·舍尼曼（Thomas Schoenemann）说道，一些支持者认为，这具骨骼化石属于弗洛勒斯人，应该将它视为新物种，除非反对者能找到与LB1特征相吻合的发育异常现象。“但与人类化石相比，LB1的特征太怪异了，所以上述支持者的思路明显就不合理。我们真正需要做的是，找到更多能证明LB1属于这些的化石或遗迹，而且这些化石还必须具有百万年前的灵长类动物的特征。”所以，要想确定LB1的新物种地位，研究人员还需要在弗洛勒斯岛上挖掘出更多的小型头骨。

生物学

味觉受体

可抗击细菌

鼻腔中的苦味受体能够对抗细菌，抵御导致鼻窦感染的病原体。

撰文 吉尔·U·亚当斯（Jill U. Adams）

翻译 侯政坤

我们的鼻腔中充满着苦味受体，但它们的存在并非是为了让我们享受盛宴。2009年，美国艾奥瓦大学的研究人员就得出了上述结论，此后，科学家一直在探求这些味觉受体存在的原因。有一种假设认为，这些味觉受体可以感知有毒物质的存在，并向我们发出警告。但它们可能还扮演着另外一个角色——抗击感染。

鼻子中的苦味受体不仅可以分辨平常的苦味物质，还能对细菌通讯分子作出反应。据此，宾夕法尼亚大学的耳鼻喉科专家诺姆·科恩（Noam Cohen）想搞清楚，这些受体能否检测出导致鼻窦感染的病原体。2012年，他的团队在研究中发现，当检测到细菌性化学物质时，鼻子和上呼吸道的细胞会出现两种不同的杀菌反应：鼻子中的细胞会发出喷射物，将有害物质从身体里移除；上呼吸道的细胞则是释放一氧化氮，杀死细菌。

这些发现在临床应用上可能也有价值。最近，通过检测患有慢性鼻窦感染的病人与苦味相关的基因，科恩发现，这些病人中几乎没有一个算得上是“超级味觉者”（Supertaster，味觉超常的人尝到的每一种味道都比别人更浓烈），尽管“超级味觉者”占到了全人类的25%。不管你对味道敏感，还是味盲（nontaster），亦或介于二者之间，都取决于一个名为T2R38的味觉受体基因。

科恩认为，超级味觉者的鼻子会对苦味的细菌性物质作出激烈反应，所以可以抵抗鼻窦感染。而味盲则缺乏这种能力，从而使得细菌大量繁殖，最终导致鼻窦感染。这些研究结果表明，仅凭一个味觉测试，我们就能预测出哪些人是复发性鼻窦感染的高危人群，需要对他们加大治疗力度。

生物学

关键病原菌：让好细菌变坏

人体内有一种微生物，虽然数量不多，却能有效地将有益微生物“忽悠”成有害微生物。

撰文 黛安娜 · 克罗（Diana Crow） 翻译 黄安娜

大多数居住在我们体内或体表的微生物并无危害，但当它们的群落数量失控时，就不妙了。所以,我们的免疫系统会杀死一些细菌，以控制它们的数量。

而有些微生物则会变着法子来破坏免疫系统，努力让形势对自身有利，我们称这种微生物为关键病原菌（Keystone pathogen）。比如说牙龈卟啉单胞菌（Porphyromonas gingivalis），它是一种口腔细菌，一直都是造成牙龈疾病的头号“嫌疑犯”。即使很少的数量，牙龈卟啉单胞菌也能使白细胞不再生产能够杀死细菌的特定化学物。而一旦没有这些会限制细菌生长的化学物，口腔中的细菌可就猖獗了，包括那些本来对口腔生态系统有益的细菌也会“叛变”，细菌数量集体大增长，从而造成如牙龈炎这样的组织损伤。

在两项最新研究中，由宾夕法尼亚大学口腔微生物学家乔治·哈伊森格利斯（George Hajishengallis）领导的一支研究团队，弄明白了牙龈卟啉单胞菌的致病机理。据此科学家发现，只要阻断一个关键的化学信号，就能使大鼠口腔中的微生物群落恢复正常。

治疗牙龈炎的标准方法是由专业人员清洁牙龈并更多地使用牙线，这样虽然可以暂时减少细菌数量，却无法恢复白细胞的杀菌能力。因此牙医对炎症反复发作也爱莫能助。该团队称，他们的发现或许能启迪新的治疗方法。

哈伊森格利斯说，关键病原菌或许还是其他慢性炎症的“元凶”。但是,要想证实此观点，科学家还需要更透彻地理解，这些致病菌如何控制微生物群的种群平衡——这也是人类和数以万亿计微生物和谐共存的关键。