三十一、胡立德的科学发现与“搞笑诺贝尔奖”

——奇异世界、好奇心与奇思妙想的联系

今年40岁的胡立德是一名华裔科学家，他在美国长大，专业是动物运动力学，在麻省理工大学获得数学博士学位，现任佐治亚理工学院机械工程与生物学系副教授。他26岁时就两次登上《自然》杂志封面。胡立德和他的研究团队就是把机械工程和生物运动联系起来，加以研究并利用，因此曾三度摘得“搞笑诺贝尔奖”的桂冠。搞笑诺贝尔奖（Ig Nobel Prize）是对诺贝尔奖的戏仿，由科学幽默杂志《不可思议研究年鉴（Annals of Improbable Research）》主办，自1991年起颁发，每年九月在哈佛大学桑德斯剧场举行颁奖仪式，授予“乍一看好笑，后又引人深思”的十项科学领域成就。这个把“搞笑”和“深思”联系起来、看似无厘头的奖项，评委中却不乏真正的诺贝尔奖得主。2012年开始，在浙江省科协的支持下，浙江省科技馆和科技媒体果壳网把中国和搞笑诺贝尔奖联系起来，共同打造了菠萝科学奖，口号是“向好奇心致敬”。

猫怎么用舌头清洁身体？袋熊的粪便为什么是方的？暴雨中飞行的蚊子为什么不会被雨水砸死？这些问题不是趣味儿童读物，而是胡立德所从事的正当研究。好玩的课题也可以搞成严肃的科学。

先说“猫和狗都用舌头舔毛”课题吧，这是研究猫的舌头和皮毛之间的关系。胡立德家中有两个小孩，他是个勤快的爸爸，每天都要给孩子做清洁，于是有强烈好奇心的他就自然而然联想到：“动物是怎么清洁的？为什么它们不会弄脏，也不需要洗澡？而舔毛这个动作是动物搞自身清洁的自然行为。他们研究了家养的猫、狮子、老虎等六种猫科动物，其中最小的和最大的体重差了30倍，研究发现它们的舌头都是像砂纸一样，上面分布着多个突起（papillae），有点像梳子的齿，但带有一点弧度，朝着同一个方向，这些凸起内部有空腔。他又专门找到搞清洁最厉害的动物——猫。猫每天睡16个小时，剩下的有6个小时都在用舌头舔自己。他们进行测量，人洗一次澡需要10升水，而猫把自己舔干净只需要3汤匙唾液。当猫用舌头舔毛的时候，唾液就从位于突起尖端的小孔直接输送到毛上，所以不会浪费水，清洁效率很高。而且猫舔屁股自己不生病，因为它们的唾液还有较强的杀菌功能。

他们搞这么精细的研究，也不是单凭自己的力量，而是跟动物园合作的结果。美国有专门饲养老年猫科动物的动物园，它们死后遗体会保存在冷冻库中供研究者使用，他们从那里领取了狮子、老虎、雪豹、美洲豹、山猫的舌头，利用现代的科学仪器显微CT进行可视化。另外还用高速摄像机拍摄家猫舔毛的过程，用3D打印还原了猫舌倒刺的微观结构，还设计制作了一台可以用不同力度在毛皮表面拖拽舌头的“梳毛机”。他们根据这个研究模拟猫的舌头做了一个梳子。与普通毛刷相比，猫舌刷梳理毛绒表面更加省力，并且无需消耗大量清洁剂，清洁能力也更强，是一款环保又高效的生活用具。这成为他们实验室的第一个专利，经济效益也就不请自来了。

胡立德的另一项研究——"袋熊的粪便为什么是方的？”是研究袋熊的消化肠道与消化物的关系。据说世界上第一可爱的动物是中国大熊猫，第二可爱的就是澳洲袋熊了。我们人的粪便的含水量大约是80%，其他动物也差不多，但澳洲大陆是比较干旱的。那里生活的袋熊的大便只有50%的含水量。澳大利亚有一种假说，认为袋熊的肛门是方形的，就像做意大利面一样，不同形状需要有特定形状的模具。

后来澳大利亚的一个生物学家寄来了因为车祸死掉的袋熊的大肠。通过观察发现，袋熊的肠道有30米，袋熊和其他所有哺乳动物一样，消化物残余以流体形态流经了92%的肠道之后才开始脱水固化，粪便在经过肠道的过程中越来越干，最后会出现明显的棱角。而不同之处在于，在横截面上，袋熊的大肠结构不是均一的。它们的部分肠道呈四棱状，其中四个角弹性较小，在充盈的时候只能发生20%的形变，而它们中间的部分可以发生75%的形变。就是在这样的一个脱水工序中，立方体状的便便逐渐成形了。值得一提的是，这个过程和它们所栖息的干燥环境有关系——越是能榨干便便里尽可能多的水分，便便的棱角也就越鲜明；而动物园里供水充足的袋熊，拉出来的便便也就没有那么方了。

从物理学的角度来看，肠子是软的，软呼呼的东西一般不会产生出方形的东西来。袋熊的大肠肠壁的厚度不完全是均匀的，有的地方比较硬，粪便经过这个地方就会被挤压出棱角。有医生根据这个研究结果认为，得了肠癌的人，大肠也会有比较硬的地方，所以如果人的大便出现了不正常的形状，很可能就是大肠发生了病变。这样的认知可以运用在医院临床诊疗上。

对于袋熊来说，方形便便的主要用途，是用来标记领地。方形的便便不容易滚动，因此哪怕是被放在光秃秃的岩石顶端，也不会轻易滚走。在自然条件下，袋熊的便便相当干燥且不会散发出任何令人不悦的气味，因而一些脑洞清奇的澳大利亚人开发出了袋熊便便的系列“用途”，如肥料、燃料、包装填充物、空气清新剂（据说有一股纯正的澳大利亚味道）等。

炎热的夏季，除了高温让人难以忍受外，还有一种生物让人心烦意乱，那就是蚊子。本想着经过了多天的降雨，蚊子应该会变少吧，但是这种情况并没有出现，这就有了胡立德的又一项研究：为什么蚊子没有被雨滴砸死呢？按理说，水的密度很大，水滴的质量是蚊子的 50 倍，再加上下落时的加速度——一滴雨水掉到蚊子身上，就相当于一辆中型大巴全速撞到人身上，一场大雨意味着户外的一只蚊子每 25 秒就被大巴撞飞一次！但实际上这些勇敢的小精灵们到了雨天不仅不躲，还在雨中欢快地玩耍！这就要探究雨滴与蚊子小巧轻灵的身体究竟是怎样的关系。

胡立德与美国疾病控制中心合作，对雨中飞舞的蚊子进行了高速摄像。他们发现：当雨滴砸中它们时，很少会正中红心，大多都砸到了它们的六条腿上，这时候它们凭着高超的飞行技术，最多会在空中被撞翻，向击中的那一侧倾斜，并通过高难度“侧身翻滚动作”让雨滴从身侧滑落，1/100秒内就能够恢复平衡。而当雨滴直接击中蚊子身体时，蚊子先顺应强大的推力与水滴一同下落，随之迅速侧向微调与雨滴分离并恢复飞行，这样蚊子受到的冲击力就减小为自重的 50-300 倍，只相当于在蚊子身上压了一根羽毛。

蚊子雨中求生的另一秘诀是它们疏水性的细毛。覆满防水细毛的身体使得蚊子在随着雨滴下落的过程中与雨滴保持分隔状态，这个时候只要来几个简单的伸胳膊蹬腿的动作，它们就能很优雅地从雨滴里脱身而出。当雨滴落到地面时，它们早就飞到别的地方欢乐玩耍了。

胡立德教授的这一发现发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，引起了广泛关注。它告诉人们，在应对纷繁复杂的自然环境上，动物往往有着比人类更丰富的经验，并在千万年的进化过程中演变出了适合它们生存环境的结构和功能。研究和模拟这些动物应对大自然的特殊本领，可以为我们的科学家和工程师提供新的设计思想，解决机械技术上的很多难题——比如，如何更好地设计微型飞行器，让它们能够像蚊子一样，在雨中轻盈地翱翔。

美国有一些参议员每年会评选“最浪费政府资助的20项科学研究”，通常会有20个科学家上榜，看来美国政客还要对政府科研经费的使用严格把关呢。而在2016年，20项里面有3项都是胡立德的研究，这也算打破了一项世界纪录。这三项研究，一是被淋湿的狗把自己的毛甩干有多快；二是松鼠和蜜蜂谁的毛更多；三是不管体型多大的动物，狗也好大象也好，尿尿的时间都是21秒左右。大概很多人都好奇这个科学家为什么要做这些奇怪的研究。一些人甚至觉得这些研究是完全无用的、纯粹是浪费时间和金钱。胡立德教授认为，真地浪费经费的项目，应该是那些为战争的支出。科学的目的是探索未知，认识事物的真相，发现新的东西，因此没有明确的终点和最后的止境。而科学研究需要给科学家一些时间、一些自由。除非不想发现新的东西，那就不用科学研究，也就不会有所谓的浪费了。

胡立德的研究包括了物理学、机械工程学和生物学，是他的教育经历塑造了他跨学科联系研究的兴趣和想象力。胡立德本科的导师是一位机械工程系的应用数学家。在研究所读博士时，导师给他一个生物系的课题，就是研究昆虫如何在水上行走，这也是他的博士论文题目。胡立德觉得研究奇异的大自然既有无数的艰辛，也有无穷的乐趣。

研究动物的运动现在成了一个专门的学科，是生物学底下的一个分支学科，叫做生物力学（biomechanics）。15世纪末意大利著名科学家达·芬奇（Da Vinci）就开始了这方面的研究，机械工程学科像飞机的发明也是从鸟类的飞行中获得灵感的。而动物的运动太快了，比如苍蝇翅膀扇动的频率就非常快，人眼是看不清楚的。到上世纪50年代伴随着电脑的使用以及高速摄像机的发明，生物力学才得到迅速发展。而胡立德把这个做成了自己的专业。他既在物理系、机械工程系，又在生物系同时任教授课。

胡立德的很多研究最后都会做一个机器出来。现在有很多专门做机器人的公司，研究开发出很多可以爬墙和飞行的机器人。目前所有机械工程系的学生都想做机器人，而要做在户外工作的机器人就需要观察动物怎么在不平坦的、复杂多变的地形中运动。胡立德们的工作主要是发现原理。

胡立德教授还认为，所有获得诺贝尔奖的科学家，他们最开始都不是为了获奖而做研究的，就像艺术家创作时不会去想怎么样能让自己的作品更好卖，他们只是做他们觉得有意思的东西。而在研究之外，他热衷于从事科普和科学传播工作，希望让所有人理解自然界的奇异之美，觉得这是科学家的职责，相信关系到全人类的福祉。

参阅：360搜索，彭湃新闻，胡立德。

2020年7月8日