奇思妙想源于不断挑战极限
07.07.2016 16:26
本文来源: 科学技术委员会
切瑞·默里博士在体验相机阵列。(上科大供图)
别以为无人机只是送送戒指、拍个航拍，美国宾夕法尼亚大学教授研发的小型无人机已经能够集结成一个团队，协同搭出一个积木城堡；未来的计算机芯片可能会变成方形，因为晶体管将会被设计成层层叠起；现在的虚拟现实(VR)采用的是传统建模，未来光场渲染的VR真可让人眼以为眼前的一切就是真实……上海科技大学信息科学与技术学院日前举办的2016信息科学与技术国际学术会议 (SSIST) 和2016新兴器件、电路和系统研讨会(SWEDCS)上，来自世界各国的顶尖科学家带来了许多尚在实验室中的奇思妙想，这些充满未来感的技术和应用，挑战着各种现有技术的极限———技术就这样不断推进、不断创新。
微型无人机兵团：会组队搭积木、钻呼啦圈
提到无人机，别总想着航拍、送货，在学术会议上，来自美国宾夕法尼亚大学的维吉·库马尔教授和哈佛大学的魏谷岩教授分别带来了他们正在试验中的微型无人机，可以组队搭积木建筑、钻呼啦圈、还会给花朵授粉，它还会游泳。
掌上无人机是库马尔教授对未来无人机的设想———以更低成本、更灵活的方式，让无人机执行更多复杂任务。这个看似简单的设想，其实充满了现实的技术挑战。
最具挑战性的是让这么多无人机协同工作。让一架无人机提起一瓶水很容易，让两架一起提，难度就来了，若要让四五架无人机共同提起一瓶水，它们之间的相互协同、平衡，就需要高超的软硬件控制技术。通过视频，库马尔教授演示了他的最新成果：让十几架手掌大小的无人机绕八字飞行、多架无人机协同搭起一个积木城堡……
“多机联合，如何协作是难题。”上科大信息学院助理教授刘晓培介绍，由于机型迷你，各种传感器要高度集成，“要将数字、模拟元器件集成在一个很小的芯片上，本来就很困难，更何况各种传感器并非都使用硅材料，集成难度更大”。
不过，想到微型无人机的应用前景，科学家还是很愿意为之努力。目前，对微型无人机很有需求的是精准农业。现在喷洒农药需要动用飞机，成本太高，且农药喷洒粗放、效率不高。库马尔教授说，如果使用微型无人机，甚至可以精确侦测到哪几棵果树生病，再定向将药物喷洒到病树上———这将大大减少人工劳动。
比起手掌大小的无人机，魏谷岩教授的微型蜜蜂机器人，只有一美分硬币那么大。可这“小蜜蜂”真的可以找到花朵、为花朵授粉，它还会游泳、停栖在一片树叶上，甚至在一个房间里兜上一圈，就能重建出建筑的三维结构图。“无人机往微型化发展，会是这个产业的发展趋势之一。”魏谷岩教授说，或许哪天，在家中、办公室、工厂里，到处会有精灵一样的飞行机器人为人类提供各种服务。
光场VR：人眼的真实还需软硬件突破
如今火热的虚拟现实技术其实还都停留在非常初级的阶段，在SSIST上，专家提出了各种虚拟现实有待提高的地方：双目立体感、单目重聚焦和移动视差还没法同时实现；水流、烟雾、叶片飘落等模拟真实环境动力学过程的场景，现在还无法实时表现，这受制于VR设备的计算能力；很多VR设备必须拖一根“辫子”，这根“辫子”其实是一根通信线，如果想要“剪”掉它，则会对无线通信提出更高的要求，而目前无线通信的带宽无法满足其要求；现在的VR场景中，人与虚拟环境的交互还不够精细，要真能像现实中那样去拿起一样东西，必须进一步提高传感器的定位精度……
在这次会议上，上科大信息学院虞晶怡教授展示了一种光场VR的技术。现在所谓的VR，往往只是360度环视技术，这实际上是一个20年前的旧技术，利用三维建模将真实世界中的物体投射到虚拟世界中。可是，人眼是最完美的相机，360度环视的三维图像并不能让人眼满足，产生与观看真实世界一样的感觉。而光场VR则试图捕捉所有的光线，来构建起一个虚拟真实的视场。
虞晶怡解释，人眼有三个特点，一是双目视觉，对世界产生纵深立体的判断；二是单目重聚焦，通过对物体不同距离的聚焦，判断出物体的位置；三是移动视差，当物体移动的时候，可以从物体位置、大小的变化，来辨认物体的位置。去年，他在上科大建起了VR中心，还带领科研团队参与了舞台剧《战马》的全景拍摄。
这个实验室里有一个80台相机组成的阵列，可以将现实中的物体从不同角度拍摄下来，拼出一个完整的图像。“美国能源部科学办公室主任切瑞·默里博士带队访问上科大时，我让她在相机阵列里采集了三维数据，并将这些数据输入到3D打印机中，当晚就打印出了一个小塑像送给她作为纪念品。”虞晶怡说，其实，科学家还在研制光场相机，它好像昆虫的复眼，有很多棱镜组成，只要对着物体扫一扫，就能拍出可以完成动态聚焦的图像，将它映射到虚拟现实中。目前，上科大VR中心正在研发自己的光场相机，以降低设备成本。
未来芯片：摩尔定律走到尽头了吗？
不管是无人机，还是VR，它们都离不开计算、通信，而实现这一切的核心之一就是集成电路芯片。在SWEDCS上，关于未来芯片将如何发展引起了专家的热烈讨论。
摩尔定律走到尽头了吗？ 这个问题已经被提出不止十年，至今仍在争议中。
在美国工程院院士、2015年美国最高科技奖得主、加州大学伯克利分校胡正明教授看来，它还将继续有效，但会换一种方式。芯片上晶体管的集成度看上去已达到了物理极限，比如晶体管的特征尺寸已经到了22纳米，不过这个瓶颈最终将出现在5纳米。再接下来，集成电路芯片可以采取三维设计———如果现在的芯片都只是“一层平房”，今后芯片则可能是“多层楼房”，甚至是“高楼”。这将给集成电路产业带来巨大的挑战，因为所有现有生产工艺都将随之改变。他举了一个简单例子，当“楼层”多了之后，芯片如何有效散热？ 是否需要设计纳米管道通过冷却液来带走热量？
而美国普渡大学教授考希克·罗伊则尝试从基础元器件的改变来引发创新。他最新的尝试，是利用电子自旋产生磁场，利用磁场的南北极性来替代晶体管通电、断电状态。这种方法的好处是，由于磁场有记忆，即使遭遇断电，存储在新型缓存中的信息也不会丢失。
试图从整个计算机产业的系统层面入手，通过多个层面的整合来提高效率，是美国工程院院士、美国得克萨斯大学奥斯丁分校耶尔·帕特教授正在进行的尝试。过去几十年，计算机系统习惯采取分层式研发模式，每个小组完成一个层面的设计，由多个小组来共同完成一个系统的设计并不断升级。可他认为，这造成了分工过细、各层级之间无法沟通整合的问题，如果有人或团队可以对多个层面进行整体思考与设计，将可进一步降低功耗、提高系统效率。（记者 许琦敏） 【来源】文汇报
本文来源: 科学技术委员会
07.07.2016 16:26