【获奖作品】瞄准蚊子,发射!

作者:杨光来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-03-13

本文荣获“和院士一起做科普”2017年十佳新锐科普创客大赛文章类二等奖。

       本文将介绍一种你前所未闻的对抗疟疾的方法。

  故事要从七年前的一场TED演讲说起。演讲者是曾任微软首席技术官、高智发明创办人之一的内森•梅尔沃德,演讲的主题是对抗疟疾的新手段。内森在演讲中提到,喷洒杀虫药同时杀灭了其它昆虫,污染环境,还会造成蚊子产生耐药性。价格低廉的蚊帐虽然管用,但贫困的疫区居民更愿意用它来捕鱼。

  内森就此提出了一个问题,有没有什么方法可以既低成本高效率地消灭蚊子,又不对环境造成破坏呢?紧接着他给出了自己的答案:

  “让我们利用一些家用电器……发出激光将蚊子射下来。”

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用激光射蚊子,真地可能吗? 图片来自网络

  台下的观众发出一阵哄笑。倒不是嘲笑,而是压根就不敢相信,觉得他在开玩笑的笑声。用激光打蚊子,这怎么可能?

  现在就让我们来看看,内森和他的团队如何匠心独运,将不可能变为可能。

  要想打蚊子,首先要找到蚊子在哪儿。为了保护生态环境,研发团队一来就定下了一个细节性而又十分重要的目标——找到蚊子,且只针对蚊子,不伤及其它昆虫。要做到这一点,就要对蚊子进行全方位的研究。通过研究蚊子的飞行特征来找到它们,让它们飞不起来。

  内森说:“我们都是一群软件男,做什么事情都想编一套程序去进行数据收集和分析。”团队收集数据的方式别出心裁:将蚊子放入充满水雾的箱中,用一束绿光打在蚊子身上,再用高速摄影机记录蚊子振翅时周边水珠飞溅的情况,以此收集蚊子飞行动力学的各种数据,从而提炼出蚊子独一无二的“身份信息”,将其与其它昆虫区别开来。

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收集雌蚊的“身份信息” 图片来源:Intellectual Ventures

  得到了这些数据,研发团队并不满意,还要在细节上更进一步——仅消灭蚊子还不够,还要做到只消灭雌蚊子,因为只有雌蚊才会吸血传播疟疾。因此他们又从收集到的数据中,提炼出了雌蚊的数据。

  敌人已经研究透彻,这下可以开始造激光灭蚊器了。

  既然灭蚊器要推广到欠发达地区,造价就一定要尽可能低才行。为了达到这个目标,团队另辟蹊径,在ebay上购买二手家用电器,蓝光DVD机、激光打印机、手持摄像机等设备。手持摄像机拥有镜头,蓝光DVD机配备有蓝色激光发射器,而激光打印机的镜式电流计可以精敏地操控激光指向。这些日常生活中淘汰的过期电子产品马上就会迎来它们的第二次生命。

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早期的激光灭蚊器模型 图片来源:Intellectual Ventures

  “废物利用”的灭蚊器由两部分组成,一台激光发射器和一面反光膜。第一步,激光发射器上安装的红外LED灯向反光膜发出红外线。反光膜由逆反射材料制成,与交通标志所采用的材料一样。反光膜将红外线反射回激光发射器,从而在两者之间形成一道红外线幕墙。这道红外线幕墙就像一道边界线,任何穿过它的东西都逃不过“守卫”的眼睛。

  这名“守卫”是一只安装在激光发射器上的镜头。镜头随时捕捉任何经过红外幕墙的东西,昆虫、人类、树叶……只要穿过幕墙,就会被镜头拍下来。

  “守卫”只负责发现入侵者,却不会辨别对方的身份。这项工作要交给图像处理技术。现有的图像处理技术已经足够成熟,可以识别穿过幕墙的东西是否为昆虫。如果是的话,激光发射器会立即发射不会造成伤害的低能量激光指向该昆虫,并利用光束控制技术,像一名随时待发的狙击手,将激光固定在昆虫身上。

  别忘了那一头的反射膜,它的工作还没结束。追踪昆虫的激光打在反射膜上弹回,为激光发射器送回一组强烈的反射光讯号。这组光讯号被即时送往光电二极管,并在此地被“翻译”成电信号,提供有关这只昆虫的身份信息——振翅频率、体型、个头、飞行速度等等。

  最后一步就该决定要不要“痛下杀手”了。通过刚才得到的昆虫身份信息,系统会判断出这是一只会传播疟疾、应该被处死的雌蚊,还是一只无辜的蜜蜂或者蝴蝶。如果是雌蚊,高能量的激光立即发射,“狙击手”瞬间射下不受欢迎的闯入者。

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蚊子被激光射中,再也飞不起来了 图片来源:Intelletual Ventures

  这便是激光灭蚊器的工作原理。TED演讲的现场,内森展示了实验室环境里激光射下蚊子的高速录影,录影中激光直接烧断了蚊子的两只翅膀,精准度可见一斑。用内森的话说,光是看着就觉得爽!

  可研发团队并不满足,他们还要精益求精。

  他们在最后一步发射激光之前多加了一道安检程序,确保此时激光发射器与目标之间没有阻碍,特别是恰巧经过的人,确认之后再发射激光。这样一来既保证了安全,又不用派专人在旁边操作维护,节省下了人力成本。

  在此基础上,团队又想到了可以改进的地方,进一步降低成本。烧断蚊子的两只翅膀很了不起吗?不,那样太耗费能量。要知道疟疾疫情严重的地方都是电力资源十分匮乏的地区,多烧一只翅膀的能量看似微乎其微,但积少成多,说不定就成了压死骆驼的最后一根稻草,断绝了推广灭蚊器的可能性。团队的目标是只烧断一只翅膀,将能量损耗降到最低。

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图片中可见激光烧断了蚊子的两只翅膀 图片来源见水印

  激光射蚊子,简直是天方夜谭,还真被他们做到了。一时间,各大科技媒体纷纷报道。美国《时代》杂志2011年将这款激光灭蚊器收录进《百大科学新发现》中。TED演讲视频下方的留言区,网友纷纷留言,这么好的东西,什么时候上市了赶紧来一台。

  可没想到这一等就是七年。

  七年,疟疾仍在肆虐人间。世界卫生组织2016年的数据显示,疟疾仍是5岁以下儿童的一大杀手,在疟疾高传播的撒哈拉以南非洲地区,情势尤其严重。人类对灭蚊的需求并未降低,为什么再也没听到激光灭蚊器的消息了呢?难道说它已经像许许多多的发明创造一样,昙花一现过后就迅速消失了?

  激光灭蚊器到底出了什么事?

  围绕这个问题有许多猜测,最可能的原因还是成本问题。平心而论,我们愿意为一台灭蚊器出多少钱,几十还是几百,更多呢?价格的高企会让绝大多数的顾客敬而远之。连我们尚且如此,何况第三世界的国家?

  这的确让人感到遗憾。然而一项产品的终极检验都要由市场决定,大众无法承受的产品终究只能是空中楼阁。无利可图的情况下,没人愿意投资,没有投资就降不下成本,这是一个死结。有时候再了不起的工匠精神,也不得不在商业利益前低头。

  然而,故事并没有结束。

  创造激光灭蚊器的团队,这支极具匠心的团队,不可能甘于原地踏步甚至就此放弃。工匠精神必将推动他们做更多的改进,如果实在受成本所限,就先解决投资问题再说。

  山重水复疑无路,柳暗花明又一村。2017年2月,一则新闻挂在了麻省理工科技评论的网站上,标题令人眼前一亮——《能够射杀昆虫的激光防护篱即将首次投入实战试验》。

  新闻中所说的“防护篱”就是七年前的激光灭蚊器!只不过这一次,灭蚊器的目标不是传播疟疾的蚊子,而是令美国果农倍感头疼的亚洲柑橘木虱。这种害虫大面积侵害弗罗里达州和加利福尼亚州的柑橘树,传播柑橘黄龙病,给果农造成极大的损失。美国农业部与内森的团队合作,首次准备将激光灭蚊器投入试验,检验其消灭柑橘木虱的能力。

  灭蚊器变成了灭木虱器,实战场地也由疟疾疫区变成了美国柑橘园,但这并不代表开发团队抛弃了阻击疟疾的人道主义目标。据团队里负责商业化发展的成员介绍,让激光灭蚊器先投入商业试用,正是为了证明它的有效性,获得投资和订单,从而降低产品的成本,最终投放到第三世界国家去。

  更令人欣喜的是,没有随着时间消失的不仅是激光灭蚊器,还有研发团队精益求精的工匠精神。他们对装置做出了升级,边长加宽三十米,高度加高三米。优化激光武器,进一步降低能耗,比原先更加节省能源。实验中将蚊子的尸体放在显微镜下观察,上面连一道烧焦的痕迹都找不到。

  尽管这则新闻给人希望,我们仍旧很难在短时间内见到激光灭蚊器的普及。但只要背后的人们始终保持着一颗匠心,我们就应该相信它终有站在对抗疟疾一线的那天。因为不管困难几多,工匠精神始终都会推动创新,成为改变世界的力量。

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  经过改良后现在的激光灭蚊器 图片来源:Intellctual Ventures。

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