你好,我是彭天放,欢迎来到2月的《硬科技报告》。

在过去的一个月里,我为你梳理出两项值得关注的硬科技进展。

1.英国企业维珍轨道首次通过飞机+火箭成功将10颗小卫星送入太空

我为你推荐的第一项进展,来自商业航天领域。

这几年,商业航天产业尽管发展得轰轰烈烈,但是在最基础的火箭发射环节,真正能够把卫星送上天的商业公司,其实并不多。而最近,在这样一份屈指可数的名单里,多了一个非常有特色的新成员。

1月18号,英国的商业航天企业维珍轨道公司,第一次成功地将10颗小型卫星送入了太空轨道。而最值得注意的是,这家公司采用的卫星发射思路,跟其他人都不一样——它是通过飞机+火箭接力的方式把卫星送上天的。

具体来说,维珍轨道公司改造了一架波音747-400型飞机,在机翼下面像战斗机挂载导弹一样搭载了一枚小型火箭。卫星发射过程分为前后两个阶段,首先由波音747飞机带着火箭飞行到距离地面大概1万米的高空;然后火箭和飞机脱离、点火,将卫星送向距离地面500公里左右的近地轨道。

这里值得一提的是,维珍轨道公司的创始人是一位70岁的英国老头,叫做理查德·布兰森。他的名下还有另外一家商业航天公司,叫做维珍银河,这家公司的主营业务是太空旅游。在2018年、2019年维珍银河同样使用了飞机+飞船这种类似的接力发射方式,把两名宇航员送到了距离地面高度100公里左右的太空边缘。

那么听到这里,我想所有的同学都会有一个疑问,那就是布兰森老爷子为什么会喜欢这种另类的飞机+火箭的接力发射技术呢?

是因为这种发射方式更便宜吗?——目前看来应该不是。从目前卫星发射对外报价的情况来看,维珍轨道公司对外发射的价格一次大概是1200万美元,能够发射总重量大概450公斤的卫星上天,平均每公斤发射成本高达2.7万美元。而埃隆·马斯克的SpaceX公司,使用猎鹰9号火箭发射的单次报价大约是6000万美元,能够发射总重量22.8吨的卫星,平均每公斤的发射成本只有不到2700美元,仅仅是维珍轨道公司的大概1/10。而且由于SpaceX采用可回收式火箭技术,猎鹰9号的发射成本在未来还将会继续降低。

那既然没有成本优势,为什么还会有人选择维珍轨道公司提供的这种接力发射方式呢?——其中的卖点,我这里引用维珍轨道公司一位高管的说法,那就是“自由”。

具体来说,维珍轨道这里所说的“自由”,是指飞机+火箭的这种接力发射方式,可以摆脱卫星发射所面临的两个很重要,但我们外行人又容易忽略的限制条件——发射的场地和发射的时间窗口。

先说发射场地。我们知道传统火箭的发射,特别是航天任务中常见的液态火箭,基本上都要在专门的地面火箭发射场内进行。而不同的发射任务,往往都要有最适合的发射场地。以美国为例,往国际空间站发射飞船,一般是在佛罗里达发射;而如果想把卫星发射到途经地球南北极的极地轨道,一般就是通过加州或者阿拉斯加的航天发射场。如果再考虑到每次太空发射,往往都需要十几天到几十天的准备时间,全世界范围内发射场地的资源其实是很有限的。

再说发射的时间窗口。这是一个很多人都容易忽略的因素。在新闻上,我们有的时候会听到某个航天发射任务推迟,择机再次发射的报道。这里所谓的择机,很大程度上指的就是选择下一个合适的时间窗口。

你可能也知道,允许火箭可以发射的时间范围有可能是非常小的。而且,往往航天任务距离地球越远,适合的时间窗口就越稀有。比如火星探测器的发射窗口,每两年才会出现一次。再比如我们的“嫦娥4号”月球探测器的发射任务,在2018年一年里面只有4个最长4分钟、最短1分钟的发射窗口。而即便是现在商业航天领域非常火热的近地轨道发射,考虑到地面观测、天气影响,还有一起乘坐火箭的多颗卫星的综合需求,适合发射的时间窗口也并不是很富裕。

而维珍轨道公司提供的飞机+火箭的接力发射方式,就刚好可以很好地避开发射场和时间窗口这两个空间和时间上的限制。举个例子,对于很多卫星发射来说,最理想的发射位置经常是在地球赤道附近的上空,但恰好地球上围绕赤道这一圈并没有什么航天强国,也就没有合适的发射场。而通过维珍轨道公司这种飞机+火箭接力的方式,就可以从国内的飞机场起飞,用飞机把火箭运到赤道附近的上空,然后找一个天气、地面观测等等条件都合适的位置释放火箭。换句话说,其实不只是赤道附近,这种接力发射的方式,可以让地球上任何位置都成为潜在的航天发射场,极大地增强了航天发射的灵活性。

正因为这个优势,尽管目前接力发射的成本更高,但是在竞争激烈的商业航天领域,依然可以满足一部分对于发射成本并不太在意,但是对于时间要求非常急切的客户需求。比如一些重量只有几公斤的卫星,多十几万美元的发射成本,可能就不是那么重要,赶紧能让卫星上天才重要。

而更容易被人们忽略的是,除了商业上的独特定位之外,维珍轨道这种公司的存在对于国家战略层面的意义可能更大一些。

举例来说,对于任何一个国家来说,飞机场的数量肯定是远远大于航天发射场的。一旦发生重大的自然灾害,甚至是战争,影响到了航天发射场的正常运转,那么维珍轨道公司这种机载发射手段,就很可能是短时间内,大量向近地轨道补充卫星的最可靠的方式。在这种意义下,作为一家商业公司开发和储备相关的技术,是很有意义的。

再进一步说,如果我们脱离短期商业竞争的视角,会发现其实太空探索技术公司的可回收火箭技术,和维珍轨道公司的机载发射技术,并不是一对相互竞争的技术。未来,如果能够把可回收火箭和机载发射相结合,并且使用比波音747更专业的飞行平台,很有可能进一步降低航天发射的成本。

事实上,除了维珍轨道之外,微软的联合创始人保罗·艾伦投资的商业航天公司Stratolaunch(翻译过来叫平流层发射系统公司),就是在尝试类似的思路。这家公司没有使用波音747这种现成的飞行平台,而是专门研发一种体型巨大、专门用来航天发射的飞机。

其实不论这场太空发射平台的商业竞赛结果如何,可以预见的是未来10年内,我们人类很可能将会发射2万-4万颗卫星上天。这样一个空前繁荣的航天发射市场,一定会酝酿出不止一家伟大的企业。

让我们一起拭目以待。

2.美国得克萨斯农工大学研发植入式设备,提供对抗肥胖的新思路

第二项进展跟我们的体重有关。不知道你有没有过曾经下定决心想减肥,但还是没忍住吃了很多东西的经历。我要分享的这项技术进展,就让我们这种一不小心就把自己吃胖的人,看到了控制体重的新思路。

1月8号,美国得州农工大学在《自然通讯》杂志上发表了一项新颖的研究。研究人员开发了一种可以长期植入生物体内,并且远程遥控的微型LED灯。这种微型发光设备,可以通过在生物体内施加适当光照的方式,非常神奇地让生物产生饱腹感,从而起到控制食欲的效果。

在这篇论文中,研究人员通过这种装置照射小老鼠的胃部神经,成功地让小老鼠的食量减小到了原来的1/5。我在文稿区放了一张论文里面这种微型发光设备的图片,以及实验中小老鼠的照片,你有兴趣的话可以看一下。研究人员表示,他们希望通过这项研究,为将来防止肥胖症的发生,提供一种新思路。

我想听到这里,很多同学可能已经是一头雾水了——光照和食欲,这两个完全没有关系的事情,是怎么联系到一起的?难道我们在饭前拿手电筒照一下肚子,就可以降低食欲了吗?先别急,要理解这项研究背后的原理,还要从这些年来结合了物理、化学、生物等等多个学科的新兴交叉领域——光遗传技术来说起。

我们知道,不论是动物还是人,吃饭睡觉运动思考等等所有这些行为,背后的控制,都是我们的大脑,还有分布在身体各个地方的一整套复杂的神经系统来完成的。从神经细胞被发现的第一天起,科学家们就一直梦想着能够弄清楚,生物体内上万亿个神经细胞相互之间的连接关系。从而有朝一日能够解释、预测,甚至调控生命体的各种行为。

但是,我们动物的神经系统可不是为了方便科学家的观察研究而诞生的。神经系统在内部沟通的时候,所依赖的两种最主要的机制——电信号的变化,以及化学物质的变化,人的肉眼并没有办法直接观察到,更不要说对神经细胞工作机制的深入研究了。

于是,从上世纪60年代开始,科学家们就在思考,有没有一种办法能够将神经系统的行为,转化成一种可视化的图像。让科学家可以像看视频一样,对整个神经系统有清晰和动态的把握。这个思路,就慢慢演变出了今天我们刚刚提到的光遗传技术。

所谓光遗传技术,简单来说,就是给生物体内一部分神经细胞,植入一种特殊的基因片段。在这种基因片段的作用下,神经细胞除了正常工作之外,还会额外在细胞膜上面产生一种具有光-电转换能力的蛋白质。有了这种蛋白质,神经细胞在工作时候的电信号,也会同时产生对应的光信号。光电信号的这种一一对应的关系,就能够让科学家非常方便地,通过显微镜来观察神经细胞的活动。

更神奇的是,在这些蛋白质之中,还有一种叫做光敏通道的蛋白(channel rhodopsin,ChR2),可以在光照的作用下,反过来改变神经细胞内部的电信号。也就是说,给神经细胞植入这种特定的基因片段之后,它就不仅会听大脑的指挥,也会听从外部光照信号的指挥。这就给科学家们提供了一个重要的外部接口,可以反过来控制一些神经细胞,从而通过直接调控神经行为,探索各种医疗手段的可能性。

在得州农工大学的这项研究中,科学家们正是采用了光遗传技术的思路:他们通过在小老鼠胃部的神经细胞中,植入特殊的基因片段,让胃部的神经可以受到外部光照的调控,最终起到了降低小老鼠食欲的效果。(所以拿手电筒照自己的胃是没有用的)

不过,听到这里有些同学可能会担心:如果光照可以影响神经细胞的话,那这些改造之后的小老鼠,不是从此就只能生活在黑暗中了吗?

其实,事情还远没有这么简单。光遗传技术改造的神经细胞,并不是对任何的光照都会有反应的。而只会对特定波段,达到了一定强度的,而且以一定频率照射的光线才会有反应。外部环境中的光线,在皮肤血液等等复杂的体内环境干扰下,很难起到调控神经的效果。

于是,为了精确调控小老鼠的胃部神经,研究人员研发了一种可以植入生物体内,与生物组织具有良好相互兼容性的微电子设备。这种设备的尺寸大概只相当于一枚5毛钱的硬币,在这样一个狭小的空间内,集成了用来接收遥控信号的天线、电池、信号处理芯片以及微型LED灯。

具体的实验过程是这样的:研究人员将这种设备,植入小老鼠的体内。等小老鼠的伤口愈合,可以正常生活之后,再饿上它一两天,确保小老鼠确实非常想吃饭。接下来就到了实验的关键环节,研究人员给饥饿处理之后的小老鼠提供糖水作为食物,观察LED灯光对小老鼠食欲的调控效果。结果发现,被植入了特定基因片段的小老鼠在光照的作用下,食欲明显减少;并且随着光照频率的增加,食欲最多可以下降到原来的大概1/5。

值得一提的是,研究人员还准备了一批没有植入光遗传技术的基因片段,但是同样植入了微型光照设备的小老鼠。发现它们即便在胃部光照的作用下,食欲依然非常好。这进一步证明了,小老鼠并不是因为植入了外部设备不舒服而导致的食欲下降,而是光遗传技术的神经调控作用的结果。

研究人员表示,这是人们第一次通过光遗传技术,调控动物大脑之外的特定器官。为地球上将近20亿的超重或者肥胖人群健康情况的改善提供了一种新的思路。

尽管目前看来这项研究还有很多需要继续完善的细节,距离真正安全地发挥医疗作用,可能还有一段距离。但是这项研究中透露出的一个更重要的现象,值得我们关注。那就是研究中对半导体技术、生物技术、材料技术的综合使用,让我们看到未来几十年中,跨领域技术的交叉融合,很可能会迸发出巨大的经济价值。这一类交叉融合类的技术进展,我也将持续为你关注。

本期的《硬科技报告》就到这里,我们下一期再见!

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