夏季最卖座大片背后的科学

一个人可以变得有多强大？

灵感来自《钢铁之躯》

剧情：在这部已有 75 年历史的漫画系列的最新翻拍中，超人，一个天真的农民儿子，发现了自己的超能力，并从两个精神失常的恶棍——佐德将军和他的追随者法奥拉——手中拯救了地球，他们从氪星而来，一心想毁灭世界。

答案：超人也许能举起一辆公共汽车或一个石油平台，但人类的力量有相当严格的限制，其中第一个限制就是肌肉的性质。人类产生的最大力量取决于我们的肌肉纤维如何工作。多年来，科学家从不同的脊椎动物身上提取肌肉并测试了它们的能力。得出了一个巧妙的经验法则：肌肉每平方厘米的横截面积可以产生大约 30 牛顿（或 6.75 磅）的力。“由于进化是一个保守的过程，所有这些肌肉的组成部分基本相同，”达拉斯南卫理公会大学的应用生理学家 Peter Weyand 说。

那么，为什么不直接增加肌肉呢？从某种程度上说，人类已经这样做了好久：我们的身体比 500 年前更加发达。但是，体育分析师 Geoffroy Berthelot 说，“你不能将肌肉质量增加到一定限度以上，因为你的骨骼无法支撑其强度。”肌腱虽然非常坚固，但也有极限——每平方英寸可承受 15,000 磅的拉力。Berthelot 说，人类可能正在接近运动表现的上限。

肌肉组成也会限制人类的表现。快肌纤维比慢肌纤维产生更多力量。通过训练，运动员也许能够改变慢肌纤维与快肌纤维的比例，但研究表明，这主要是由基因决定的。

提高人类力量极限的一种方法是设计出超越人类的运动员。不同的骨骼结构可以增加某些动作的杠杆作用。例如，根据杜克大学进化人类学家史蒂文·丘吉尔的说法，尼安德特人的男性在弯曲肘部时，可能比今天的普通男性强壮三分之一。所以在考虑超人时，值得记住他在氪星的起源。和尼安德特人一样，他严格来说不是人类，而是类人生物，因此适用不同的规则。

健康的怀疑论：超人的战衣几乎和钢铁侠一样坚不可摧。漫画作家曾说，它的强度来自力场或氪星纺织品，但这听起来总是空洞的。制造防弹紧身衣的唯一方法是用石墨烯加固它，石墨烯柔韧、超薄，强度是钢的 50 倍。

为什么要费力用你的意念来控制机器人？

灵感来自环太平洋

剧情：当被称为kaijus的巨大怪物从太平洋深处出现时，人类试图用由与神经接口相连的飞行员控制的巨型战斗机器人抵御它们。

答案：当然可以。你可以使用久经考验的界面，就像无人机飞行员那样。但脑控界面 (BCI) 更酷。原则上，它更好：任何游戏玩家都知道，脑信号传递到肌肉的速度存在生化极限，而在与怪兽战斗时，每一毫秒都至关重要。

尽管如此，科学家距离这一目标还有一段距离。BCI 确实存在——科学家已经用它们来控制机器人——但它们相当笨重。很难从脑电波模式中获得清晰的信号，这会导致错误并减慢响应速度。“我们在谈论 BCI 时非常谨慎，”英国埃塞克斯大学的生物工程师 Francisco Sepulveda 表示，他从事神经接口研究已有 20 年。“除非在特定情况下，否则它不会成为一种独立的解决方案。”

例如，更好的 BCI 有朝一日可能让四肢瘫痪的人能够活动自如，或者帮助因高重力而无法行动的飞行员。但即便如此，BCI 的实用性也有限；科学家可以更轻松地创建一个响应语音命令或眼球运动的界面，或者他们可能根本不需要界面。对于飞机或汽车（或 2,700 吨重的机器人），自主控制可能是更好的选择。

对于那些追求 BCI 的人来说， 《环太平洋》中的飞行员确实提出了一个有用的想法：他们两人一组驾驶战斗机器人，大脑通过“神经桥”连接起来。塞普尔维达的团队刚刚完成了一项关于这一概念的实验。参与者被分成两人一组，当他们试图运行航天器模拟器时，软件会读取两名团队成员的脑信号。通过合并神经信号，BCI 平均了一些噪音，飞行更加准确。事实证明，三个脑袋确实比一个脑袋好。

** 健康的怀疑态度：** 根据剧照，怪兽的血液是蓝色的，这很奇怪，但并非闻所未闻。在其他节肢动物中，鲎的血液是蓝色的。它的血细胞使用由铜而不是铁制成的蛋白质来携带氧气。它的血液也容易凝结，这使得鲎，大概还有怪兽，能够从伤口中快速恢复。

我们是否会将致命枪支换成精美的相位手枪？

灵感来自《星际迷航：暗黑无界》

剧情：这是 2009 年 JJ 艾布拉姆斯电影的续集，伦敦发生的恐怖爆炸事件引发了对叛徒联邦特工的星际追捕，而叛徒的飞船和美国企业号航空母舰之间爆发了一场激烈的太空战斗。

答案：自 1966 年首次亮相以来，《星际迷航》相位器一直是好莱坞道具部门和星际迷大会的必备品。但定向能武器可能很快就会出现在战场上。例如，波音公司正在开发车载 10 千瓦 HEL MD（高能激光移动演示器），以防御成群的无人机、导弹或迫击炮弹。国防专家可以使用激光精确摧毁多个目标，而不是为应对每种威胁而发射价值百万美元以上的导弹。虽然烟雾会削弱光束的强度，但激光不必考虑风速或射程，也不会反弹，从而限制了任何附带损害。

波音公司还在测试一种名为“战术激光系统”的小型装置。虽然它还远达不到枪套大小，但可以与 Mk 38 机枪一起安装在海军舰艇上。其目标是防御无人机群或小型船只舰队，要么直接摧毁它们，要么使用低强度光束使传感器（或眼球）失明或烧毁。

射线枪在较小规模上就变得行不通了。例如，波音公司正在研发一种便携式 2kw 激光器，能够摧毁未指定的目标（该公司不愿透露细节）。但即使是这种武器也不够小，无法取代可靠的突击步枪；它需要两名士兵携带。激光器最适合用于隐形任务，因为它可以就地设置并远程发射，而且发出的光线和声音极少。

制造手持定向能武器的最大挑战是能量本身。一台 100 千瓦的激光器在四秒的攻击中会消耗两杯柴油。与发射导弹相比，这很划算。但通用的步兵级死亡射线需要能量密度高的燃料，这是当今研究人员梦寐以求的。“我们离目标还很远，”美国陆军研究办公室的材料工程师 Suveen Mathaudhu 说。他说，要制造这种武器，“需要在聚变技术层面上取得重大突破。”

健康怀疑论：在电影中，斯波克曾试图用超级冰块之类的东西扑灭火山。但丹尼森大学的火山学家埃里克·克莱梅蒂说，要扑灭火山喷发，就需要立即凝固岩浆。这就需要大规模的即时冷却；否则只会产生大量蒸汽，只会加剧火山喷发。

外骨骼能飞吗？

灵感来自钢铁侠 3

剧情：放荡不羁的亿万富翁、发明家和超级英雄托尼·斯塔克面临一系列袭击，包括对他家的空袭和与纳米技术增强型暴徒的摔跤比赛，而这些袭击都是由自称满大人的国际恐怖分子发动的。

答案：在《钢铁侠》中，托尼·史塔克的战衣威力无比，它是一种可穿戴的武器系统，可以抛掷汽车并超越喷气式战斗机。实际上，它是两项技术的综合：喷气背包和外骨骼，而外骨骼是两者中更有前景的技术。就外骨骼而言，短期内不会有人能够卧推别克汽车，但许多系统已经作为辅助或康复医疗设备存在。Argo Medical Technologies 和 Ekso Bionics 等公司针对残疾人士提供机动设备，佩戴者可以自行行走，为用户提供比轮椅更灵活的替代品。外骨骼还可以有其他应用。在美国宇航局，研究人员正在努力将它们整合到太空服中。他们已经开发出一种太空服，最终可以让宇航员在携带装备的情况下长途穿越火星，同时消耗很少的能量。

与此同时，火箭带（喷气背包的专业术语）的开发处于相对停滞状态。过去十年，有少数型号首次亮相，包括 Jet Pack International 的 H202 和 TAM 的火箭带，但没有一款能超过公关噱头。这些系统很难在空中停留足够长的时间，燃料箱不到一分钟就会耗尽。外骨骼的额外重量只会加剧这一问题。

至于外骨骼的未来，NASA 工程师 Chris Beck 表示，今天的系统（例如他正在开发的 X1）将引领未来的超人系统。“我们并不是在吹牛。像我们这样的外骨骼，或者经过改进的版本，可以用来增强力量，”他说。外骨骼也可能飞起来——只是不用喷气背包。“如果你将超轻型飞机和我们的自动平衡技术结合起来会怎么样？”Argo 首席执行官 Larry Jasinski 说，该公司的 ReWalk 外骨骼在欧洲和以色列出售供个人使用。飞行员可能不需要飞行员座椅和传统的控制布局，而是简单地挤进飞机的集成服中。“你可以向左或向右倾斜，外骨骼组件可以为你操纵。”

健康的怀疑态度：钢铁侠的喷气靴可以在水下使用，这忽略了燃烧式喷气发动机在水下会沉没的事实。DARPA 于 2008 年征求潜水飞机的提案，但该项目似乎已胎死腹中。

人类能在永久的轨道殖民地生存吗？

灵感来自极乐世界

剧情： 2154 年，最富有的人类生活在一个名为“极乐世界”的豪华轨道站上。一名男子试图利用上层社会的救生技术来拯救地球上仍然贫穷、疾病缠身的大众——从自己做起。

答案：尽管景色壮观，但在太空中生活却很艰难。微重力会消耗我们血肉和骨骼的质量，而地球磁层通常会阻挡的辐射会缩短寿命。因此， 《极乐世界》的前提提出了一个难题：为什么地球上最受宠爱的居民愿意花钱住在让他们变得脆弱和易患癌症的轨道栖息地？

在影片中，答案是金钱能治愈一切。空间站的医疗保健水平超过地球上的任何设施，其设备可以消除几乎所有身体疾病，包括癌症。至于低重力带来的危险，极乐世界是一个斯坦福环面，这种设计最早在 20 世纪 70 年代提出，居住者生活在一个巨大的旋转轮子的内部，离心力提供与地球相当的重力。

从理论上讲，这个环形结构是科学的，但建造它却是不可能的。它需要将数百万吨的物质运送到轨道上。“实际上，殖民月球可能比建造这个斯坦福环形结构更容易，”NASA 人类研究项目负责人约翰·B·查尔斯 (John B. Charles) 说。通过创新消除生活在地球磁层边缘的健康威胁也可能很困难。当今的宇航员可以在国际空间站上多次停留，吸收相当于两到三年的辐射量，然后才能被送回地面。查尔斯说，更永久的居住地很可能会使用废水等现有材料来偏转辐射。最终，仅仅为了避免消瘦，就需要做大量的工作。希望这种观点值得。

健康的怀疑态度：马特·达蒙的步枪大小的电磁炮应该引起一些人的注意。电磁推进发射的每发子弹提供约 100,000 安培电流的好处是射程更长。这对于舰载武器来说可能是有意义的，就像美国海军正在设想的那样。然而，对于不跨越数英里的枪战，火药更实用。

本文最初发表于 2013 年 7 月的《大众科学》 。点击此处查看该杂志的其他内容。