“人工智能”之父图灵多年前“不务正业”的发现,如今成为了净化水的关键

新创

05-08 14:34

身为计算机专家,阿兰·图灵(Alan Turing)对密码破译和人工智能领域的贡献毋庸置疑。但谁也没想到,他在职业生涯晚期对生物学方面的“跨界”研究,会对如今的净水技术产生革命性的影响。

(图片来自:The Pink Humanist

最近,来自浙江大学的张林教授团队在《科学》杂志上发表了一项最新研究成果。他们发现,通过运用“图灵结构”来制造的一种纳滤净水膜,可以快速地将海水中的盐分和水分离出来,速率是以往的数倍。

这个“图灵结构”,来源于图灵在自己职业生涯后期对生物学和数学领域的研究成果。

那个时候,刚刚完成“图灵测试”的他,开始对生物学领域产生巨大的兴趣。他发现,自然界中存在的多种多样的图案及形态——动物的纹理、植物的形状等等,都有其诞生和形成的奥秘,而这也许可以通过数学模型来进行“解密”。

著名的斐波那契数列(简单来说,就是从 0 和 1 开始,之后的系数都等于前两者之和)就在生物学界有着广泛的应用。植物的花瓣数、叶片枝干的排列、昆虫的繁殖规律等等,似乎都以某种黄金比例存在着,展现出规律的数学之美。

(斐波那契数列的“黄金螺旋”,图片来自:Imgur

受到斐波那契数列的启发,图灵也开始通过建立数学模型来对生物的形态变化进行进一步的研究。

他的理论框架中,引发形态变化的有两种不同的反应物(细胞):其中一种被称为“激活因子”(Activator),它可以促进反应的发生;另一种被称为“抑制因子”,跟字面意思一样会对反应产生抑制作用。

当这两种反应物相遇之后,会出现两种现象

  • 反应后均匀扩散,则整个系统平衡,不会产生图案;
  • 反应后扩散不均衡,系统开始形成具有周期性特征的复杂图案。

这个理论被图灵称为“反应-扩散方程”,被记录在他于 1952 年发表的名为《形态发生的化学基础》的论文中。而这种在“反应-扩散”机制下形成的具有规律性的生物图形,也被称为“图灵结构”。

(图片来自:Science

乍一看,这个理论与海水淡化技术是没有什么直接关联的,不过来自浙江大学的这个团队在一次偶然中突发奇想,决定测试一下这种模型在制备净水纳滤膜时的应用效果。

他们先试验了哌嗪(Piperazine)和三甲酰氯(Trimesoyl)这两种反应物,但两者的反应扩散效果差异不大,无法形成“图灵结构”。

后来,他们又在哌嗪中加入了聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol)。这一次,哌嗪的反应扩散速度放缓,与三甲酰氯拉开了差距,成功激活“反应-扩散方程”,在基底上形成了一种具有三维“图灵结构”的滤水膜。

(图片来自:Science

在这个滤水膜的表面,“图灵结构”的图案能随着反应物的不同配比而产生变化;最关键的是,因为增加了更多可透水的图形,这种带有“图灵结构”的滤水膜在滤水效率上面更高。

实验的结果显示,一平方米的新滤水膜可以在一小时内处理 125 升以上的水,这意味着,它的效率要比传统滤水膜快 3 倍。

这是自“图灵结构”被发现后,第一次被应用于实际生活中。研究团队还指出,如果可以得到有效利用,未来在海水淡化、工业用水回收等方面,都有可能出现很大的效率突破。

所以谁说“跨界”就一定是不务正业呢,要不是有了差点抢了生物学家饭碗的图灵,中国的科学家今天也不会这么容易就突发灵感了。

题图来自: The Imitation Game

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