问答:斯坦福大学研究人员模拟系外行星的大气

在寻找银河系以外的生命时,许多科学家把目光转向了像地球这样的球体:岩石行星。因此,在凌日系外行星勘测卫星(TESS)去年秋天探测到一颗略大于地球的岩石行星后,一组研究人员发起了一项运动,利用斯皮策太空望远镜(Spitzer Space Telescope)拍摄更多图像。斯皮策太空望远镜是目前太空中唯一一架能够直接探测行星红外光的望远镜。该望远镜拍摄的照片小于1像素(1/94英寸),就像一粒尘埃,用来预测这颗行星的可居住性。

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视频由NASA /姓名/ R。伤害(IPAC)

这幅艺术家的动画描绘了系外行星LHS 3844b,它的质量是地球的1.3倍,围绕着一颗M矮星运行。

通过观察这颗行星的几条轨道,科学家们可以绘制出它表面的温度图,并创建出它的大气模型——科学家们才刚刚开始研究岩石行星的这种能力。研究人员对系外行星的了解大多是基于他们对所环绕恒星的了解。

“人们说我们对行星的了解和我们对恒星的了解一样多,因为我们基本上是根据我们对恒星的测量来推断事物的,”斯坦福大学地球能源与地球科学学院的地质科学助理教授劳拉·谢弗(Laura Schaefer)说《自然》杂志8月19日刊登了一篇描述一颗行星特征的研究报告。

该团队的分析表明,这颗行星,LHS 3844b,距离地球48.6光年,比地球要热得多,可能被黑色火山岩所覆盖。它围绕一颗比太阳还小的恒星运行仅需要11个小时。这颗恒星是一颗M矮星——这是最常见、寿命最长的恒星类型,因此可能拥有银河系中很大比例的行星——这颗岩石行星的大气层是第一个被确定围绕M矮星运行的恒星。研究人员发现,这颗行星几乎没有大气层,因此不可能存在生命——这是了解M矮星周围类似岩石行星大气层的一个重要发现。

斯坦福新闻服务采访了谢弗,以了解更多关于这些发现及其意义。

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为什么科学家想要探索系外行星?

从广义上讲,这是为了更好地理解行星的形成。我们对太阳系中的行星有相当详细的了解,但这只是对行星形成过程的一个快照。通过出去寻找围绕其他恒星的行星,我们发现了许多在行星形成时我们没有意识到的疯狂的新事物。例如,我们发现了一种没有人认为存在的行星,叫做热木星。这些实际上是第一类被发现的系外行星。

观察系外行星的另一个主要目标是发现另一颗类似地球的行星,上面可能有生命。我关注的是较小的岩石行星,而不是巨大的气态巨行星。最终的目标是在我们所谓的“宜居带”找到一颗行星,这是一个轨道空间的区域,在那里液态水可能在像地球这样的行星的表面是稳定的。

为了确定一颗行星上是否有生命,我们需要能够测量它的大气层,看看是否有生命对它产生了影响,就像我们在地球上所知道的那样,我们的大气层中的氧气是由生命产生的。在生命在地球上广泛存在之前,地球的大气层是非常不同的。所以我们认为,如果我们能观察宜居带内行星的大气层,并确定它们是由什么构成的,那么也许我们就可以说,这些行星上是否有生命。这是实现这一目标的第一步。

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研究小组是如何绘制出如此遥远的行星的温度图的?

通过观察这颗行星在轨道上的不同位置,我们可以看到这颗行星白天的不同部分。如果我们观察恒星发出的光,当行星经过恒星前方时,我们会看到一个大的倾角,我们称之为凌日。当它经过恒星后面时,我们看到一个较小的倾角,我们称之为二次日食。这种下降的幅度使我们受到地球表面温度的限制。我们还可以观察恒星光的变化,这给了我们一个昼夜温差图。

我们可以很好地约束轨道;我们知道它离恒星有多近,我们知道恒星的亮度,所以我们基本上知道行星从恒星接收了多少光。我们使用恒星演化的模型来试图了解这颗行星在其整个生命周期中接受了多少光。

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关于它的大气数据告诉了你什么?

大气层可以吸收恒星的热量并使其运动。如果这颗行星没有大气层,那么你将会看到白天和黑夜之间的巨大反差。大气的两个特征是最高温度点的移动和这个特征的较低振幅,这表明热量正在四处移动。在这颗特殊的行星上,我们发现白天和黑夜之间有很大的温度对比,而且没有温度点的偏移。这表明大气层必须非常稀薄。

我的贡献是通过运行模型来确定大气是否稳定,通过运行模型来观察行星在其生命周期内的一系列参数可能会损失多少大气。如果地球上开始有相同数量的气体,比如水和二氧化碳,地球甚至更多,那么它将失去他们所有人在其一生中由于恒星加热气氛,使其逃避——这是一个大气逃逸的机制。我们看了另一个模型,它限制了地球大气层的低端,并确定这些稀薄的大气层在这个星球上并不稳定。

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你为什么把研究重点放在大气逃逸模型上?

几年前,甚至在我读研究生之前,我就开始研究早期的行星大气。对我来说,这是最有趣的问题之一,因为这颗行星的早期状态似乎决定了它在整个生命周期中是如何演变的。这对地球来说真的很重要,因为我们对地球最初5亿年的早期历史知之甚少——但那正是生命开始的时期。所以我的观点是你必须从头开始。这实际上意味着在行星形成之前就开始尝试理解形成行星的所有过程以及是什么设定了最终形成行星的初始条件。通过观察这些炽热的岩石系外行星,我们可以检验我们对这些过程的理解。

这项研究的其他合作者包括麻省理工学院、马里兰大学、加州理工学院德克萨斯大学奥斯汀分校范德比尔特大学、太空望远镜科学研究所和哈佛大学天体物理中心史密森学会。

这项工作得到了美国宇航局和约翰·坦普尔顿基金会的支持。

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斯坦福大学的研究人员解释了我们感觉不到的地震

地球的地下是一个极其活跃的地方,在那里,板块在地下深处的运动和摩擦塑造了我们的景观,并控制着上面的危险程度。尽管地震和火山爆发期间地球的运动已经被精密的仪器记录下来,研究人员进行了分析,并受到数学方程的约束,但它们并没有讲述我们脚下移动的板块的全部故事。

慢滑事件经常发生在俯冲带,比如位于奥林匹克国家公园下方、从加利福尼亚北部延伸至太平洋西北部的区域。(图片来源:Alisha Bube/iStock)

在过去20年里,全球定位系统的出现——包括带有捕捉毫米移动的极其灵敏传感器的接收器——让科学家意识到,地震样的现象一直难以理清。其中包括所谓的缓慢滑动事件,或缓慢移动的地震——这种滑动发生在数周内,而地面上的人类并不知道。

这些慢滑事件发生在世界各地,可能有助于触发更大的地震。最大的慢滑事件发生在俯冲带,一个板块俯冲到另一个板块之下,在数百万年的时间里最终形成山脉和火山。斯坦福大学的研究人员在6月15日的《固体力学与物理杂志》(Journal of the mechanical and Physics of solid)网络版上发布了新的计算机模拟结果,这些模拟结果可能解释了这些隐藏的运动。

“缓慢下滑是如此有趣的现象。慢滑事件是如此普遍,又如此难以解释,以至于作为科学家,它们是一个悬在我们面前的谜题,我们都想解开,”研究报告的合著者、斯坦福大学地球、能源和地球科学学院地球物理学副教授埃里克·杜汉姆说环境科学(斯坦福地球)。“我们对慢滑现象已经了解了近20年,但仍然不太了解它为什么会发生。”

隐形但强大

这些事件由于其不稳定但缓慢的性质,解释起来特别具有挑战性。断层并不稳定地滑动,而是周期性地滑动、加速,但从未达到发出足够大的地震波供人类探测的程度。

尽管它们的本性是偷偷摸摸的,但慢慢滑倒的事件可能会累积起来。邓纳姆说,在南极洲的一条冰流中,缓慢滑动事件每天发生两次,持续30分钟,相当于7.0级地震。

研究人员认为摩擦的变化解释了断层两侧岩石滑动的速度。考虑到这一点,他们假设慢滑事件始于地震,一种被称为速度衰减的摩擦力使滑体从根本上不稳定。但许多实验室的摩擦实验与这一观点相矛盾。相反,他们发现来自缓慢滑动区域的岩石表现出一种更稳定的摩擦,被称为速率强化,人们普遍认为这种摩擦能产生稳定的滑动。新的计算机模拟解决了这种不一致的问题,它显示了在看似相反的速度强化摩擦下,缓慢的滑移是如何产生的。

“一些研究表明,有一些方法可以破坏加息摩擦的稳定。然而,在我们的论文发表之前,没有人意识到,如果你模拟这些不稳定性,它们实际上会变成慢滑,不会变成地震。“我们还发现了一种产生慢滑不稳定性的新机制

物理定律

杜汉姆的研究小组通过考虑所有可能起作用的物理过程来解决关于地球的未解之谜。在这种情况下,断层发生在流体饱和的岩石中,使岩石具有所谓的孔隙弹性性质,孔隙允许岩石膨胀和收缩,从而改变流体压力。该小组对这些压力的变化如何改变断层上的摩擦阻力很感兴趣。

“在这种情况下,我们开始这个项目不是为了解释慢滑事件——我们开始这个项目是因为我们知道岩石具有这种孔隙弹性,我们想看看它会产生什么后果,”杜汉姆说。“我们从未想过它会引发慢滑事件,我们也从未想过它会以这种摩擦破坏断层的稳定。”

通过这些解释岩石多孔性的新模拟,研究小组发现,当岩石受到挤压,流体无法逃逸时,压力就会增加。压力的增加减少了摩擦,导致了缓慢的滑动事件。

“这个理论是高层次的,”Heimisson说。“当你考虑孔隙弹性时,我们看到了这些有趣的事情,人们可能希望在地震周期或特定地震的模型中更广泛地使用它。”

作为加州理工学院的博士后研究员,Heimisson将基于这一理论创建一个3D仿真。

马丁·阿尔姆奎斯特(Martin Almquist)是地球物理系的博士后研究员,也是这项研究的合作者之一。

这项研究是由斯坦福诱发和触发地震联盟、南加州地震中心、美国宇航局地球和空间科学奖学金项目总部以及克努特和爱丽丝·瓦伦堡基金会资助的。

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斯坦福大学社会学家发现,网上约会已成为美国夫妇最流行的约会方式

斯坦福大学(Stanford)社会学家迈克尔•罗森菲尔德(Michael Rosenfeld)发现,对于寻找真爱的人来说,如今最重要的媒人是算法,而不是朋友和家人。

网上约会已经成为美国人寻找浪漫伴侣的最常见方式。(图片来源:altmodern / Getty Images)

罗森菲尔德在发表于《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上的一项新研究中发现,异性恋情侣更有可能在网上结识浪漫伴侣,而不是通过私人接触和联系。罗森菲尔德说,自1940年以来,通过家庭、教堂和社区等传统方式与伴侣见面的方式都在减少。

罗森菲尔德是这项研究的主要作者之一,也是人文科学学院(School of Humanities and Sciences)的社会学教授。2017年,他对美国成年人进行了一项具有全国代表性的调查。社会学研究生索尼娅·豪森(Sonia Hausen)是这篇论文的作者之一,对这项研究做出了贡献。

20年来,罗森菲尔德一直在研究交配、约会以及互联网6037对社会的影响。

斯坦福新闻服务采访了罗森菲尔德关于他的研究。

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你对网上约会的研究得出的主要结论是什么?

在网上与重要的人见面已经取代了通过朋友见面。人们越来越信任新的约会技术,网上约会的耻辱似乎已经消失了。

2009年,当我最后一次研究人们如何找到他们的另一半时,大多数人仍然通过朋友作为中间人来认识他们的伴侣。当时,如果人们使用在线网站,他们仍然会向朋友寻求帮助来建立他们的个人资料页面。朋友们也帮助筛选潜在的恋爱对象。

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你惊讶地发现了什么?

令我惊讶的是,网上约会在很大程度上取代了朋友们在寻找另一半时的帮助。我们之前的想法是,朋友在约会中的角色永远不会被取代。但在线约会似乎正在取代它。这是人类与科技关系的一个重要发展。

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你认为是什么导致了人们认识另一半方式的转变?

有两项核心技术创新提升了网上约会。第一个创新是1995年左右图形万维网的诞生。在1995年以前,以文本为基础的旧电子公告板系统中只有少量的在线约会,但是图形化网络将图片和搜索放在了互联网的最前沿。照片和搜索似乎给网络约会增添了很多乐趣。第二个核心创新是智能手机在2010年代的惊人崛起。随着智能手机的兴起,网上约会不再是桌面约会,而是一直装在每个人的口袋里。

此外,与你母亲认识的人的数量,或你最好的朋友认识的人的数量相比,在线约会系统有更大的潜在伴侣池。交友网站具有巨大的规模优势。即使泳池里的大多数人都不符合你的口味,但更多的选择会让你更有可能找到适合你的人。

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你的发现是否表明人们的社交活动越来越少?

不。如果我们花更多的时间上网,并不意味着我们的社交能力就会下降。

在我看来,对于单身人士来说,网上约会只是一件好事。在我看来,人类最基本的需求就是找到一个可以合作的人,如果科技能帮上忙,那么它就在做一些有用的事情。

通过家庭结识伴侣的减少并不意味着人们不再需要他们的家庭。这只是一个迹象,浪漫的伙伴关系正在发生在晚年的生活。

此外,在我们的研究中,我们发现一段关系的成功与否并不取决于人们是否在网上认识。最终,无论你是如何遇见你的另一半的,这段关系在第一次见面后就有了自己的生命。

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关于网络世界,你的研究揭示了什么?

我认为网络约会对我们的世界是一个适度的积极的补充。它在人与人之间产生互动,否则我们就不会有这样的互动。

过去很难找到潜在伴侣的人,从约会应用提供的更广泛的选择中获益最大。

网络约会有潜力服务于那些被家庭、朋友和工作虐待的人。有一群人没有得到很好的服务,他们就是LGBTQ+社区。因此,同性伴侣在网上见面的比率要比异性伴侣高得多。

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你研究约会已经有20多年了。你为什么决定研究网上约会?

约会只是我们生活中受科技影响的一个方面。我一直对新技术如何颠覆我们建立关系的方式有着天生的兴趣。

我很好奇情侣们是如何相遇的,以及随着时间的推移发生了什么变化。但是没有人深入研究过这个问题,所以我决定自己研究一下。

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新的斯坦福壁画将校园与当地的自然、多样性和历史联系起来

在春分的最后几天,大地母亲出现在校园里。

艺术家杰西·x·斯诺(Jess X. Snow)在和谐之家(Harmony House)的一面墙上画了一个大地母亲的形象,这个人物由树枝和加州本土罂粟做成。和谐之家是一个大学生艺术家的社区中心。

在壁画中,地球母亲向墙对面的一位年轻女子提供了她的治疗能力。他们互相靠近,双手在当地圣人的阳光照耀下交相辉映,圣人的叶子一直长到建筑物的山墙,并向天空和太阳倾斜。

艺术多样性研究所(Institute for Diversity in the Arts)的学生项目经理伊芙琳·玛丽亚·安德森(Evelyn Maria Anderson)(左)和主任阿兰·霍尔特(a -lan Holt)正在讨论一幅新的户外壁画。(图片来源:洛杉矶·西塞罗)

这幅壁画于6月初完成,描绘了斯坦福大学学生的剪影,他们的照片上点缀着星星。

当游客从壁画的一端走到另一端缓缓上升的人行道上时,他们会看到托尼凯德班巴拉(Toni Cade Bambara)在1980年出版的小说《盐食者》(the Salt Eaters)中的引言,其中有一句颇具煽动性的开场白:“亲爱的,你确定你想好吗?”

一天早上,妇女社区中心主任费思·卡兹米(Faith Kazmi)在开车上班的路上看到了这幅新壁画,她说这让她无法呼吸。

她在给伊芙琳·玛丽亚·安德森(Evelyn Maria Anderson)的一封电子邮件中说:“这让我有了一种在校园里待了很长时间的更深的感觉。”

卡兹米说:“我确实需要花更多的时间来研究这篇文章,但从我所看到的情况来看,这篇文章对斯坦福大学的贡献是如此的强大和必要。”

国际开发协会在2018-19学年期间与学生、教职员工、校友、访问艺术家和大学艺术领袖密切合作,为其办公室“和谐之家”(Harmony House)委托制作了这幅壁画。

“学生是我们的北极星和罗盘”

IDA新任命的主任A-lan A. Holt说,该组织利用每一个机会向学生们征求关于壁画设计的意见。

她说:“我们在周三晚上的免费晚餐上讨论了这件事,这总是能让一大群人聚在一起。”“我们在与来访艺术家的工作坊中谈到了这一点。我们和同学们讨论了这件事。我们在我们的学术课程《我们40亿岁的母亲万岁:黑人女权主义者的实践、土著居民的反抗和可能存在酷儿的文化》(Long Live our 40 Billion years old Mother: Black Feminist Praxis, Indigenous Resistance, and Cultures of Queer Possibility)中谈到了这一点。”

霍尔特说,学生们在有关设计的讨论中发挥了核心作用。

“学生绝对是我们的北极星和指南针,”她说。“我们在所有方面都跟随他们的脚步,包括形象、氛围和感觉。他们中的一些人甚至作为壁画中人物的真实形象的模型。他们帮着选台词,帮着画画。”

霍尔特说,这幅壁画是为了纪念那些与斯坦福历史交织在一起的有色人种社区,它们的历史可以追溯到Muwekma Ohlone人、黑人艺术家和活动家、斯坦福的酷儿艺术家和活动家。

霍尔特相信,这幅壁画的治愈主题将在斯坦福社区引起共鸣。

她说:“无论你是1962年从斯坦福大学毕业,还是将于2022年毕业,这个主题都与我们所有人息息相关。”

“一个美丽的社区”

斯坦福大学种族与民族比较研究中心(Stanford Center for Comparative Studies in Race and)开设了一门关于社区艺术和公共艺术的课程。

本科艺术教育主任赫尔南德斯-克拉克(Hernandez-Clarke)称,这幅壁画是对斯坦福大学壁画收藏的“巨大新贡献”。斯坦福大学的藏品包括一幅画在学生宿舍萨帕塔公寓(Casa Zapata)内外墙上的壁画。

Hernandez-Clarke说:“这是一个美丽的社区,令人振奋。”

尽管校园里最新的壁画是在学生们即将放暑假之际完成的,但IDA计划在学生们秋季返校时,为和谐之家的壁画举行一场公开庆祝活动。

要看新的壁画,请访问和谐之家,它位于561罗米塔大道,与巴布亚新几内亚雕塑花园隔街相望。

“和谐之家”壁画计划获多元化艺术学会资助;艺术副总裁办公室;妇女社区中心;酷儿学生资源;性侵犯办公室关系虐待教育&响应(SARA);以及本科生教育副教务长办公室。

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斯坦福大学的专家解释了海洋在解决粮食不安全方面的作用

在未来30年里,世界将有另外20亿人需要养活,而要做到这一点,同时又不破坏地球的资源,就需要探索尽可能多的选择。然而,在全球粮食安全规划和有关未来饮食的讨论中,一个重要的选择——海鲜——经常被忽视。

斯坦福大学的科学家们说,海洋中的食物应该在养活全球不断增长的人口方面发挥重要作用,同时从植物中获取更多的蛋白质。(图片来源:Pexels.com)

《斯坦福报告》采访了斯坦福海洋解决方案中心(Stanford Center for Ocean Solutions)联席主任吉姆·利普(Jim Leape)和威廉姆·里格利(William Wrigley)地球系统科学教授罗莎蒙德·内勒(Rosamond Naylor),讨论了如何将海洋融入可持续和公平的未来粮食中。Leape是海鲜可持续发展方面的专家,拥有超过30年的保护经验;他是海洋管理委员会和世界经济论坛全球未来环境委员会的成员。Naylor的研究集中在粮食安全的经济和生物物理方面以及粮食生产对环境的影响。两人都将参加9月4日至6日在斯坦福举行的全球健康年会上举行的有关海洋和粮食安全的专题讨论。该活动旨在加深人们对环境影响如何影响人类健康的理解。

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为什么要把海洋作为全球粮食安全的解决方案?

Leape:粮食生产约占地球陆地面积的40%,畜牧业占农业用地的80%,畜牧业是世界上自然资源的最大使用者。换句话说,在地球上所有的哺乳动物中,96%是牲畜和人类,只有4%是野生的。随着全球人口从70亿增长到100亿,经济的日益繁荣增加了人们对蛋白质的需求,减少对牛、猪、羊和鸡的依赖将变得至关重要。来自海洋的食物,以及来自植物的更多蛋白质,将是解决方案的关键部分。

内勒:海洋提供了牛肉或鸡肉之外的另一种蛋白质来源,通过满足全球粮食需求和避免单一领域的价格冲击,可以在整个食品体系中创造更大的弹性。食品生产的组合范围越广,金融体系对包括气候冲击在内的冲击的抵御能力就越强。水产养殖实际上是世界粮食经济增长最快的部分。它提供了满足粮食需求的希望,但如果不以无害环境的方式加以管理,也会给海洋生态系统带来生态破坏的危险。海洋也为动物饲料提供重要的输入。在这些方面,海洋在全球粮食系统中发挥着重要但尚未得到广泛承认的作用。

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在保护海洋/海鲜方面有哪些双赢的机会?

内勒:如果以可持续的方式养殖鱼类,而不是用野生捕捞的鱼类来喂养水产养殖场,这可以减少对野生渔业的压力,同时增加鱼类供应。可持续的水产养殖做法还可以预防疾病和寄生虫,这些疾病和寄生虫可能会传播到野生鱼类种群,如果用药物或杀虫剂处理鱼类,可能会损害当地的栖息地。小规模渔业社区的可持续渔业管理也提供了一种双赢的结果,从长期来看可以提高收入,并保护鱼类种群免受过度捕捞。

Leape:野生鱼类的产量在过去的几十年里急剧上升,导致许多渔场的衰退甚至崩溃。从那以后,我们认识到,如果我们把一些捕鱼区排除在外,例如建立公园或海洋保护区,我们就可以恢复珊瑚礁、海草床和其他重要的海洋生态系统的健康,同时恢复鱼类资源的生产力。受保护的保护区使鱼类能够长得更大,产生更多的后代,从而为海洋和渔民提供了真正的双赢。

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海洋能以哪些令人惊讶的方式帮助缓解粮食不安全?

内勒:大多数人关注的是鱼类在满足未来全球人口增长对蛋白质需求方面的作用。但许多种类的鱼也对微量营养素的需求有显著的贡献。今天与粮食不安全有关的最重要问题是营养不安全。除了长期冲突的社区外,世界上大多数人都能获得足够的卡路里。然而,世界上有20到30亿人患有微量营养素缺乏,损害了身体和认知发展。凤尾鱼和沙丁鱼等通常用于动物饲料的鱼类还向消费者提供omega-3脂肪酸和必需维生素(D、A和B)以及矿物质(钙、碘、锌、铁和硒)。

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海鲜行业令人兴奋/有前途的发展有什么例子?

内勒:水产养殖,如果可持续发展,是海产品领域最重要的发展,现在占人类直接消费鱼类的一半以上。在水产养殖部门,鱼类饲料技术的创新是减少对野生鱼类依赖和增加全球鱼类净供应的关键。饲料创新包括,例如,开发基于藻类和昆虫的饲料,在植物性饲料中推广长链omega-3脂肪酸的基因工程,以及通过废水和天然气处理中的甲烷捕获生产高质量的鱼类蛋白质。饲料创新的机会是巨大的。

李普:在过去的几十年里,我们也看到了可持续海鲜运动的兴起——许多消费者、渔民、加工商、零售商和厨师致力于从管理良好的渔场生产和销售海鲜。沃尔玛(Walmart)和麦当劳(McDonald’s)等大公司帮助推动了这一运动成为主流。今天,在世界上一些最重要的海产品部门,如白鱼和野生鲑鱼,大多数渔场现在被证明是可持续的。随着新技术的出现,人们越来越有可能追踪到每条鱼的踪迹,追溯到捕获它们的船,以及它们被捕获的那一天。

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个人可以做些什么来改善海洋健康?

Leape:你每天能做的最重要的事情之一就是小心你买的海鲜。寻找带有海洋管理委员会蓝色标志的海鲜,或者海鲜观察或其他指南给予高度评价的海鲜。如果海鲜没有标签,问问鱼柜台的服务员或店员它是从哪里来的。这样你就能做出更好的选择,同时也向餐馆或商店发出了一个强烈的信号:他们也应该注意了。

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改善海洋健康和扩大海鲜在粮食安全中的作用的主要障碍和机会是什么?

李普:几千年来,我们保护海洋健康的能力一直受到这样一个事实的阻碍,那就是我们不可能对水里甚至海面上发生的事情有太多的了解。现在这种情况正在迅速改变,因为水中、卫星上、船上甚至渔网上的新传感器为海洋资源的使用提供了一个透明度的新时代。这使我们能够更成功地管理这些资源,并为滥用这些资源的人创造真正的责任。

Leape也是斯坦福大学伍兹环境研究所的William and Eva Price高级研究员。内勒是斯坦福大学食品安全和环境中心的高级研究员和创始主任,斯坦福大学伍兹研究所和弗里曼·斯普利国际研究所的高级研究员,斯坦福大学经济学教授。

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斯坦福大学的研究人员发现智能水龙头有助于节水

斯坦福大学(Stanford University)机械工程专业的前研究生威廉·朱(William Jou)几乎没有瞒过他的研究参与者,他直接用了《绿野仙踪》(Wizard of Oz)里的一个诡计。他这样做是为了测试一个适合个人洗涤风格的水槽是否可以减少用水量。

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库尔特·西克曼

斯坦福大学机械工程研究人员研究了这种不起眼的水龙头,以探索如何减少家庭用水。

任何接近机械工程专业学生大脑的水龙头都还不存在。因此,Jou和他在机械工程助理教授Erin MacDonald的实验室里的同事们做出了下一个最好的发明:一个水龙头,看起来可以自动调整用户的喜好,但实际上是由Jou控制的。

8月20日在国际设计工程技术会议上发表的论文详细介绍了他们sly实验的结果《计算机与信息工程会议》(Computers and Information in Engineering Conference)支持这样一种观点,即经过深思熟虑设计的智能水槽可以通过调节用水和促使用户养成更节水的习惯来帮助节约用水。

“我们看着水龙头因为大量的水使用在家里发生,但是当你把你沉到其他产品在众议院——恒温器或冰箱——你会发现没有更新水槽是如何工作在很长一段时间,”麦克唐纳说,他是论文的资深作者。“有一些小的更新,但没有真正利用技术的力量。”

在这个实验中,参与者必须洗三次盘子,只有在第二次洗的时候,Jou才会秘密地控制水槽的温度和流量。有了Jou的参与,参与者使用的水比第一次洗的水少了26%。在第三轮测试中,他们仍然比第一轮少用了10%的水,尽管水槽又回到了没有大脑的状态。这种用水的转变发生在参与者不知道这个实验是关于节约用水的情况下。

“考虑到我们在加州的地理位置,节约用水尤其重要,”该论文的合著者、研究生萨曼莎比尤伊(Samantha Beaulieu)说。“我们还想看看人们的习惯是否可以调整;如果与这个水龙头的互动可以改变人们与手动水龙头的互动方式。我们发现的结果似乎表明这是可能的。”

不要注意墙后的学生

为了创造一个让人们信任并希望享受水槽为他们做出用水决定的环境,Jou在第一轮清洁中密切监控参与者的洗衣风格,这样他就可以在第二轮中模仿他们。

“作为算法,我试图利用这些信息来利用他们的认知风格或用户行为风格,看看我是否能帮助他们在保持快乐的同时减少用水量,”该论文的第一作者Jou说。“尽管现在很多产品都是为大众设计的,但这款产品能让你了解自己,并适应自己的风格。”

在实验结束后的调查中,96%与智能水槽互动的参与者(还有一组不使用Jou洗三次盘子的对照组)表示,他们认为智能水龙头有节水的潜力。他们中的许多人甚至表示有兴趣购买这样的产品。

“大多数人都对水池感到很惊讶,”波柳说。“很多人离开实验时都在问这个算法是什么,它是如何工作的,或者如何看到更多。我们基本上告诉他们,我们必须等到实验结束后才能回答这些问题。”

虽然在Jou的帮助下清洗的结果和反应令人印象深刻,但研究人员特别为与“自主”功能的短暂互动如何改变参与者的用水习惯而感到振奋。

麦克唐纳说:“直到研究进行到很晚的时候,也就是我们进行试点试验的时候,我们才计划进行第三步。”“我从来没有想过,只要有一次使用‘威廉算法’的经历,人们就会保留培训,以不同的方式洗碗。”

未来的沉沦

研究人员设想了这样一个未来:医院的洗手池鼓励员工正确洗手,我们个人对洗手池和淋浴的偏好可以转移到酒店和朋友家。学校和社区可以组织比赛来节约用水和提高节水意识。通过附加的功能,水槽甚至可以检测到泄漏。

也就是说,创建这个水槽需要多年的工作,甚至不包括算法。除了植入人工智能,为大规模生产制造一个真正自主的版本,还需要能够区分用户和场景的传感器——比如洗锅、叉和洗手。尽管如此,研究人员仍然乐观地认为,像这样的研究可以为支持这些发展打下基础。

“我们都是人——我们有开心的时候也有不开心的时候。像这样的产品可能会有很大的影响,因为它会随着你的改变而成长和学习。”“这种水龙头正在努力节水,但同时也让用户感到高兴。从长远来看,这样的产品可能是我们的未来。”

斯坦福大学本科生Adrienne Lim也是这篇论文的作者之一。这项研究由国家科学基金会资助。

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斯坦福大学的研究人员发明了一种新的方法来寻找柑橘绿化的潜在治疗方法

在过去的40年里,生物学家Sharon Long已经成为帮助紫花苜蓿生长的共生细菌方面的专家。她已经就这一课题发表了150多篇论文,但当她意识到她的实验室几十年来高度集中的研究可以帮助解决柑橘绿色化问题时——柑橘绿色化是一种破坏柑橘作物的疾病——她受到了启发,决定朝一个新的方向前进。

Infected orange citrus

一种有柑橘变绿迹象的橙子,是一种无法治愈的柑橘疾病,会导致树木产生畸形、苦味的果实。(图片来源:Getty Images)

“i’00万农民只有两代人离开了农场,我读到过柑橘种植者失去了他们的生计和土地,因此也失去了几代人的家庭传统,”Long说,他是William C. Steere Jr.
1辉瑞公司的员工。人文科学学院生物科学教授。“我们决定将我们的努力转向解决这个问题,因为我们想有所作为。”

这种风险得到了回报,因为找到了一种新的方法,可以治疗这种疾病,而且还有130种化合物有待进一步探索。8月19日,《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)刊登了该系统的详细信息及其筛选结果。

“我们已经完成的只是需要做的一小部分,”朗格实验室的高级研究员、论文的第一作者梅勒妮·巴内特(Melanie Barnett)说。“我们的专业知识无法将这些发现发展到现实应用所需的水平,但这是研究人员迈出下一步的一步。”

几十年的知识

柑橘绿化破坏了佛罗里达州的柑橘产业,在美国许多柑橘种植区都能看到这种现象。即使有高度的监测,这种疾病仍在蔓延,当致命细菌感染的症状出现时,一切都太晚了——那些叶子斑驳、果实丑陋、汁液苦味难闻的植物必须被连根拔起并销毁。

一种越来越普遍的治疗方法是向整个果园喷洒抗生素,这是一种危险的做法,可能会让耐药细菌出现并传播。

尽管柑橘遭到破坏,但研究人员一直很难对其进行研究。导致这种疾病的细菌——亚洲自由杆菌(Liberibacter asiaticus)——不会在实验室里生长,而研究受感染的植物只可能在美国一些高度保护和密封的地方。为了找到答案,一些研究人员转向了一种相对封闭但危害较小的细菌。但长期的实验室意识到,他们可以通过关注一个更遥远的亲戚来解决这个问题——美利乐蒂角僵菌,它与某些植物合作,让它们在不添加氮肥的情况下生长。

Long说:“我们对这种细菌已经研究了40年,并且已经开发出工具,可以进行精细的基因研究。”“这提供了一个实验平台,不可能直接研究这种病原体,甚至是它的近亲。”

研究人员首先将柑橘绿色细菌的基因导入他们熟悉的蜜叶枯病菌细胞。这些基因各自编码一种蛋白质,科学家们认为这种蛋白质控制着感染的各个方面。

然后,他们对这些细菌进行了改造,当那些对感染至关重要的蛋白质活跃起来时,细菌就会在特定的光线下发出绿光。在这种情况下,如果他们把细菌暴露在一种化学物质中,这种化学物质可以抑制蛋白质——也许还会降低细菌感染柑橘的能力——细胞就会明显变绿。

这一视觉信号使得在斯坦福大学高通量生物科学中心的帮助下筛选超过12万种不同的化合物成为可能。该屏幕识别出130种化合物,可以在不影响细胞生长的情况下使细胞的绿光变暗。

朗解释说:“我们的系统让我们找到了非常特殊的抑制剂,它不会伤害有益的细菌。”“与一般抗生素的环境喷洒相比,这类抑制剂将是一个巨大的进步。”

除了研究这130种化合物,该小组还表示,其他研究人员现在可以用他们设计的系统测试其他化学物质,或者检测不同的基因。

巴尼特说:“有了这个系统,来自这种病原体或与之密切相关的病原体的任何基因都可以以一种非常受控、非常有效的方式进行检测。”“多年的研究已经进入研究和与中国绿僵菌的工作,现在可以节省多年的时间,其他人本来会花在从零开始开发这样一个系统。”

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当化学家是什么感觉

迈克尔·法耶尔调查了他周围的世界,发现了一些我们大多数人都没有发现的东西:化学。这并不是说,化学教授费耶认为除了学术化学研究之外,任何东西都没有价值。只是说到化学,与其他领域相比,它与人类的日常经历有更大的关系。对菲尔来说,从颜色到营养再到温室效应,一切都首先是化学。

“化学渗透到我们的生活中,”他说。

持这种观点的并非只有他一人。对诺亚·伯恩斯来说,这是生命的基础。对劳拉·达萨马来说,这是健康进步的道路。对赫玛玛拉·卡鲁纳达萨来说,化学是文明的基础。化学家称他们的学科为“中心科学”是有原因的,因为它涉及我们日常生活中的一切。在这里,法耶尔、伯恩斯、达萨马和卡鲁纳达萨分享了他们是如何进入化学的,他们学术生活中的快乐和挫折,以及化学这门核心科学对他们意味着什么。

费耶是大卫·穆尔文·埃尔萨姆和爱德华·柯蒂斯·富兰克林的化学教授。伯恩斯是斯坦福大学化学系h。达萨马是化学助理教授和h。卡鲁纳达萨是一名化学助理教授,也是Precourt能源研究所的中心研究员。

照片由洛杉矶西塞罗

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斯坦福大学的工程师们已经开发出一种无线传感器,可以附着在皮肤上跟踪我们的健康状况

我们往往认为皮肤的保护功能是理所当然的,而忽略了它在发出微妙信号方面的其他作用,比如心脏跳动或尴尬脸红。

Using metallic ink, researchers screen-print an antenna and sensor onto a stretchable sticker designed to adhere to skin, tracking pulse and other health indicators, and beaming these readings to a receiver on a person’s clothing.

研究人员使用金属墨水将天线和传感器屏幕打印到可伸缩的贴纸上,贴纸的设计目的是附着在皮肤上,跟踪脉搏和其他健康指标,并将这些读数发送到一个人衣服上的接收器上。(图片来源:包实验室)

现在,斯坦福大学的工程师们已经开发出一种检测皮肤发出的生理信号的方法,这种传感器像创可贴一样粘在皮肤上,并将无线读数传输到夹在衣服上的接收器上。

为了演示这种可穿戴技术,研究人员将传感器固定在一名受试者的手腕和腹部,通过检测他们的皮肤在每次心跳或呼吸时的拉伸和收缩情况,来监测受试者的脉搏和呼吸。同样地,在受试者的肘部和膝盖上贴上贴纸,通过测量每次相应肌肉弯曲时皮肤收紧或放松的时间,来跟踪手臂和腿部的运动。

化学工程教授鲍振安(Zhenan Bao)的实验室在8月15日的《自然电子》(Nature Electronics)杂志上发表的一篇文章中描述了该系统。她的实验室已经在尝试开发新的贴纸来检测汗液和其他分泌物,以追踪诸如体温和压力等变量。她的最终目标是创造出一组无线传感器,这些传感器可以附着在皮肤上,并与智能服装协同工作,比如今消费者使用的智能手机或手表更准确地跟踪更广泛的健康指标。

“我们认为,有一天,我们将有可能创建一个全身皮肤传感器阵列,在不干扰人正常行为的情况下收集生理数据,”鲍说。

可伸缩的、舒适、功能

博士后学者牛思淼和松久直二(Naoji Matsuhisa)领导了一个14人的团队,花了三年时间设计传感器。他们的目标是开发一种佩戴舒适、没有电池或刚性电路的技术,以防止贴纸与皮肤拉伸和收缩。

他们的最终设计满足了这些参数的变化的RFID(射频识别)技术,用于控制无钥匙进入锁定的房间。当一个人把身份证拿到射频识别接收器前时,身份证上的天线就会从接收器接收到少量的射频识别能量,并利用这些能量生成一个代码,然后再将其发送回接收器。

The rubber sticker attached to the wrist can bend and stretch as the person’s skin moves, beaming pulse readings to a receiver clipped to the person’s clothing.

手腕上的橡胶贴纸可以随着人的皮肤运动而弯曲和拉伸,把脉搏读数发送到夹在人衣服上的接收器上。(图片来源:包实验室)

车身贴纸类似于身份证:它有一个天线,可以从衣服上的接收器接收到一点RFID能量,为传感器供电。然后,它从皮肤上获取读数,并将其传回附近的接收器。

但是为了使无线贴纸起作用,研究人员必须创造出一种可以像皮肤一样伸缩弯曲的天线。他们通过在橡胶贴纸上丝网印刷金属油墨来做到这一点。然而,每当天线弯曲或拉伸时,这些运动使其信号过于微弱和不稳定,无法使用。

为了解决这个问题,斯坦福大学的研究人员开发了一种新型的RFID系统,可以在不断波动的情况下向接收器发送强大而准确的信号。然后,这种由电池供电的接收器使用蓝牙技术,定期将贴纸上的数据上传到智能手机、电脑或其他永久性存储系统。

最初版本的贴纸依靠微小的运动传感器来测量呼吸和脉搏读数。研究人员目前正在研究如何将汗水、温度和其他传感器集成到他们的天线系统中。

为了使他们的技术超越临床应用,进入消费者友好的设备,研究人员需要克服另一个挑战——保持传感器和接收器彼此接近。在他们的实验中,研究人员将一个接收器夹在每个传感器上方的衣服上。传感器和接收器一对一的配对在医学监控中是可行的,但要制造出一个人可以在锻炼时穿的防护网,就必须把天线编织进衣服里,以便接收和传输信号,而不管一个人把传感器放在哪里。

此外,他还是美国高等法院能源研究所的高级研究员、斯坦福生物x研究所的成员、斯坦福化学- h研究所的教员、斯坦福森林环境研究所的附属机构以及吴仔神经科学研究所的成员。斯坦福大学的其他合著者是杰弗里b – h。托托,研究科学家;电气工程副教授潘爱达;威廉·伯内特,机械工程副教授;博士后姜元文、李锦兴;研究生王杰晨;前访问学者云永军、王思宏、颜旭州、贝克等。新加坡南洋理工大学的研究人员也参与了这项研究。

本研究由三星电子支持;新加坡科学、技术和研究署;日本科学促进协会;以及斯坦福精密健康与综合诊断中心。

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斯坦福大学的研究人员建造了一个只有10个原子厚的隔热层来保护电子设备

智能手机、笔记本电脑和其他电子设备释放出的过多热量可能会令人讨厌,但除此之外,它还会导致故障,在极端情况下,甚至会导致锂电池爆炸。

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这张放大了很多的图片显示了四层原子厚度的材料,形成了一个只有2到3纳米厚的隔热层,大约是一张纸的5万倍。(图片来源:国家标准与技术研究院)

为了预防这些疾病,工程师们经常将玻璃、塑料甚至多层空气作为隔热材料,以防止微处理器等发热部件造成损害或令用户不安。

现在,斯坦福大学的研究人员已经证明,几层原子厚度的材料,像一张张纸一样叠放在热点上,可以提供和厚100倍的玻璃一样的隔热效果。电气工程教授、8月16日发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的一篇论文的资深作者埃里克·波普(Eric Pop)表示,在短期内,更薄的隔热层将使工程师们能够使电子设备比我们今天的设备更紧凑。

波普说:“我们正以一种全新的方式看待电子设备中的热量。”

以热的形式探测声音

我们从智能手机或笔记本电脑感受到的热量实际上是一种听不见的高频声音。如果这听起来很疯狂,那么考虑一下基本的物理原理。电流以电子流的形式通过电线。当这些电子运动时,它们与所经过的材料的原子发生碰撞。碰撞等每一个电子使原子振动,和更多的电流,碰撞发生越多,直到电子原子像许多锤子上击败很多钟——除了这刺耳的振动穿过固体材料在听力频率远高于阈值,产生能量,我们感觉热。

将热视为声音的一种形式,激发了斯坦福大学研究人员从物理世界中借鉴一些原理。从他在斯坦福大学KZSU 90.1 FM做电台DJ的日子起,Pop就知道音乐录音棚很安静,因为厚厚的玻璃窗挡住了外面的声音。类似的原理也适用于今天电子产品的防热罩。如果更好的隔热是他们唯一关心的问题,研究人员可以简单地借用音乐工作室的原理,增加他们的热屏障。但这将阻碍使电子产品更薄的努力。他们的解决方案是从安装多窗格窗户的业主那里学来的一个小技巧,通常是在不同厚度的玻璃板之间安装一层空气,以使室内更暖和、更安静。

该论文的第一作者、博士后学者萨姆·瓦兹里(Sam Vaziri)说:“我们采用了这一想法,创造了一种绝缘体,它使用几层原子厚度的材料,而不是一层厚厚的玻璃。”

原子薄材料是一个相对较新的发现。直到15年前,科学家们才能够将一些材料分离到如此薄的层中。第一个被发现的例子是石墨烯,这是一种单层碳原子,自从发现以来,科学家们一直在寻找和实验其他片状材料。斯坦福大学的研究小组使用了一层石墨烯和另外三种类似薄片的材料——每层材料有三个原子厚——制成了只有10个原子深的四层绝缘体。尽管绝缘体很薄,但它是有效的,因为原子热振动被抑制了,当它们通过每一层时,会损失大部分能量。

为了使纳米隔热层切实可行,研究人员将不得不寻找一些大规模生产技术,在制造过程中向电子元件喷射或以其他方式沉积原子薄层材料。但在开发更薄的绝缘体这一近期目标的背后,隐藏着一个更大的野心:科学家们希望有一天能像现在控制电和光那样控制材料内部的振动能量。当他们把固体中的热理解为声音的一种形式时,一个新的声电子学领域正在出现,这个名字来源于电话、留声机和语音学后面的希腊语词根。

波普说:“作为工程师,我们知道很多关于如何控制电力的知识,我们对光的掌握也越来越好,但是我们才刚刚开始了解如何控制在原子尺度上表现为热的高频声音。”

Eric Pop是Precourt能源研究所的成员。斯坦福大学的作者包括前博士后Eilam Yalon和Miguel Munoz Rojo,以及研究生Connor McClellan, Connor Bailey, Kirby Smithe, Alexander Gabourie, Victoria Chen, Sanchit Deshmukh和Saurabh Suryavanshi。其他作者来自国际空间站研究中心和美国国家标准与技术研究院。

这项研究是由斯坦福大学的奈米制造设施,斯坦福大学纳米共享设施,美国国家科学基金会,半导体研究公司,国防高级研究计划局,美国空军科学研究办公室,斯坦福SystemX联盟,克努特和爱丽丝•瓦伦堡基金会斯坦福研究生奖学金计划以及国家标准与技术研究院。

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