胡立德：从跟随经费到找到自己的路，探索好玩的研究

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大卫·胡 (David Hu) 是佐治亚理工学院机械工程与生物系的教授。

我的研究从一开始就不好玩。刚开始做助理教授的时候，只想着追着资金走，不想着追着好的想法走，结果也不好。我觉得这跟大家一样，对研究没兴趣了。后来我找到了自己的路。

其他科学家对这种研究有什么看法？事实上，顶级期刊总是在寻找一些与众不同的东西。科学家也是人，喜欢看到有趣的东西。

废物科学家

2020.06.02 美国亚特兰大

大家好，我是 David Hu。几个月前，我受邀在义希做演讲。本来期待着能来中国和大家面对面交流，没想到疫情爆发，没能来中国，很遗憾。我现在正在亚特兰大的家里为大家录制这篇演讲。孩子们都睡着了，妻子是我唯一的听众。

我是佐治亚理工学院机械工程学教授，今天我想与大家分享我的一些研究成果。

2016年5月25日，我正在开会，我们大学的媒体中心打电话给我说：“打开电视，看福克斯。”当时，主播正在播报这样一条新闻：一位参议员公布了一份名单，叫做“2016年美国最浪费的20项科学研究”。

我惊讶地发现，我的名字在这份名单上出现了三次！我算了一下，我占了美国最浪费的科研项目的15%！

▲点击大图就能看到这20项研究是什么了~

我一开始很震惊，但冷静下来仔细思考后，发现对这些研究存在很多误解，而这些误解大多来自于科学家没有向公众解释这些研究的意义。后来，为了回应，我在拥有 160 多年历史的科学杂志《科学美国人》上发表了一篇题为《一个浪费科学家的自白》的文章。

我列出的三项研究是：

让我们猜猜答案是什么。这三个问题的答案是：

好，现在我跟大家讲一下我为什么要研究这些问题。

当我第一次见到我妻子时，她带来了一只棕色的贵宾犬，作为她前男友送的情人节礼物。

虽然我和这只狗并不喜欢对方，但它晃水的能力还是让我惊叹不已。我们用高速摄像机拍摄了这只狗晃水的全过程。1秒钟内，这只狗可以晃水4次，它的加速度几乎是地球引力的速度，比赛车转弯时的加速度还要大20倍。

一只体重30公斤的狗，毛发中可以储存半公斤的水。冬天，这些水会吸收它身体的热量，消耗掉它一天食物摄入量的1/5。那么如何保持身体干燥呢？这对哺乳动物来说非常重要。

你可以猜一下，动物越小，甩干身上的水是越容易还是越困难？事实上，在自然界中，动物越小，甩干身上的水就越困难。如果老鼠需要甩干身上的水，它们必须每秒甩 30 次。

为什么老鼠需要更高的频率甩水呢？因为附着在毛发上的水有表面张力，只有足够大的离心力才能挣脱这个表面张力。半径越小，离心力就越小。你在旋转木马的外侧感受到的离心力最大，但你越靠近中心，离心力就越小。

所以因为老鼠毛发的半径较小，水的离心力较小，所以需要更快的摇晃水，以增加离心力。

不同的动物甩干水分的频率也不同。于是就出现了一个有趣的问题：为什么狗狗能在1秒内甩干70%的水分，而洗衣机却要几十分钟才能把衣服甩干？并不是说洗衣机不好，而是我们设计的衣服没有设计得容易干。狗毛很容易干，但我们的衣服，尤其是牛仔裤，不容易干。如果我们想节约能源，就要从大自然中寻找设计灵感。

哺乳动物、昆虫都有毛发。我们首先测量了许多动物的毛发。我们发现，一只蜜蜂和一只松鼠有300万根毛发，而人类只有大约10万根毛发（我的更少）。毛发越多，表面积就越大，灰尘、水滴和花粉就越有可能藏在里面。

蜜蜂毛发的表面积相当于一片面包的面积，猫毛发的表面积相当于一张乒乓球桌，海狸毛发的表面积相当于一个溜冰场。这些动物是如何实现如此大的表面积的？清洁又如何呢？

我们研究了蜜蜂。一只蜜蜂每天采集相当于自身体重三分之一的花粉。在这个过程中，它的整个身体都被花粉覆盖。但我们发现，它只需两分钟就能将自己全身覆盖上花粉。它是如何做到的？

首先，它的茸毛之间的距离和花粉粒的直径相同，因此花粉会粘附在茸毛表面，比较容易清理。

其次，由于蜜蜂身上的毛发很硬，就像弹簧一样，它每次刷腿的时候，毛发都会把灰尘弹开，如果每隔4秒钟刷一次身体，那么2分钟就能把整个身体刷得干干净净。

医疗界的工程师们受到我们的研究启发，发明了一种新型的贴片。外敷用的纱布表面很平整，装不下多少药。这些工程师受到蜜蜂的启发，设计出一种新型的“带状贴片”，该发明已申请专利。这是对蜜蜂体毛研究的一个意想不到的应用。

我一直觉得大自然有一种魔力，尤其是动物。我总是很好奇它们为什么如此不同，有自己的特长。我的父母是科学家，他们总是鼓励我的好奇心。我父亲总是告诉我大自然能给我很多灵感。夏天，他会带我们去钓鱼和露营。有一次，他在高速公路边捡到一只被车撞到的鹿。在回家的三个小时路程中，我姐姐坐在死鹿旁边。当我们回到家时，我的父母一起解剖了那只鹿。我爸爸的好奇心真的把他带到了奇怪的地方。

我在马里兰州长大，很幸运地被录取到天才班。六年级的时候，我们的老师让我们自己写书。十年级的时候，我开始在实验室做实验，学习材料科学。当时我的研究课题是用实验来测试气泡对金属硬度的影响。简单来说，如果你把金属熔化，在液态金属中放入气泡，然后让金属凝固，那么有气泡的新金属就会比原来的金属更坚固。我是西屋科学奖的半决赛入围者，我想正是因为这个奖项，我才进了麻省理工学院。

我的本科导师因其关于“床单起皱规律”的研究获得了搞笑诺贝尔奖。

他的导师曾两次获得搞笑诺贝尔奖：第一次是研究为什么茶壶里倒出来的茶有时会顺着壶嘴流下来。第二次是研究人们扎马尾辫的原因——扎马尾辫的人跑步时头发是怎么摆动的？

他们的研究给了我很多启发。我的“师父”和“宗师”都获得了搞笑诺贝尔奖，我是第三代获奖者。从他们身上，我明白了提出有趣的问题是成功的关键。他们说我无法控制别人对我的看法。应用数学家大多对世界充满好奇，并用应用数学来解决生活中的问题。我就是这样一位应用数学家。

▲搞笑诺贝尔奖是对诺贝尔奖的恶搞，与诺贝尔奖得主公布时间相近，主要表彰10种“乍一看让人发笑，但随后又让人深思”的研究。该团队的两项获奖研究分别是“哺乳动物21秒排尿定律”和“袋熊粪便为何呈方形”。

我本科的时候最感兴趣的是流体力学，后来我的研究生导师让我去研究一下昆虫在水上行走的原理。

大家都知道有些昆虫是可以站在水面上的，它们被称为水黾，它们之所以能站在水面上，是因为水的表面张力，表面张力让水面变成了蹦床，腿上长满了浓密的毛发，也能在水面上形成足够的表面张力来支撑自己的体重。

虽然科学家知道它们如何在水面上停留，但没人知道它们如何在水面上行走。我和我的博士生导师发现，它们实际上是用脚在水面下制造漩涡。漩涡的推力向前移动，就像这样：

但它们如何用这么小的腿制造出这么大的漩涡呢?原来，它们可以利用腿让水面变形，水面变形后形成的凹面会将周围的水向后推，就像桨一样。

一位名叫 Brian Chan 的伟大设计师对我的研究非常感兴趣，他设计了一个类似水黾的机器人，重量仅为 0.3 克。

另外还有一些机器人，有些是太阳能驱动的，有些可以在水面上跳跃。如果将来人们想要测量水中的化学物质，可以考虑使用这些廉价的机器人。

自从我开始攻读博士学位以来，我一直对动物行为和体形背后的科学感到好奇。自然界中许多看似最简单的问题仍未得到解答，例如为什么机器狗不能像普通狗一样自然行走。狗的身体有许多传感器、骨骼、肌肉、肌腱，所有这些部位共同作用，让狗能够像魔术一样行走。

我们身边有很多东西司空见惯，但这并不意味着我们了解它们的机制。本科时，我天真地认为几乎所有科学问题都有答案。读博士时，我意识到人类只解决了自然界一小部分奥秘，而看似最简单的问题往往是最难回答的。

在研究了昆虫如何在水上行走之后，我去了纽约大学，开始研究蛇的运动。我不仅研究蛇，还在纽约的公寓里养了很多蛇。我发现蛇有鳞片，可以帮助它们在水上移动。这是在地面上滑行的关键。自 2008 年我开始担任教授以来，我所做的大部分研究都受到这类动物的启发。

我研究的学科是生物学的一个分支，称为生物力学。这门学科历史悠久。意大利的列奥纳多·达芬奇在 15 世纪末开始研究生物力学。直到计算机和高速摄像机出现后，生物力学才成为一门职业，这两项技术非常重要，因为动物的移动速度太快，人眼无法看到。

如今，大多数生物学家都在研究细胞和基因。真正研究动物的人越来越少，而且大部分研究经费都用于细胞和基因研究。我觉得这很可惜，因为研究动物确实很有趣。接下来，我将与大家分享我近年来所做的一些研究。

儿子出生9年了，我刚当爸爸，每天要换很多尿布，很累很郁闷，有一天我刚开始换尿布，儿子突然尿裤子了，那时候我就会有点生气，老婆发现我很不耐烦，就让我数数。

我数着数，儿子继续尿尿。随着我给他换尿布的次数越来越多，我开始觉得他尿尿的时间太长了！我数了数，大约是 21 秒。我在浴室里检查了一下我的排尿时间，差不多是 21 秒。

我觉得很奇怪，我儿子当时还是个婴儿，那么小，只有5公斤，而我却有60多公斤，我的体重是他的10倍多，所以我的膀胱容量也应该是他的10倍。但为什么我们两个会同时排尿呢？

第二天，我派学生去亚特兰大动物园记录各种动物的排尿时间。我给了他们一个秒表和一个桶。他们去了一整天，回来时浑身脏兮兮的，衣服和相机上都沾满了污渍。他们身上都有尿味。

这个视频是第一次在宜溪放映，可以感受到排尿系统的进化。

我们发现，根据排尿时间，哺乳动物可以分为两类：体重在3公斤以下的哺乳动物排尿速度非常快，不到1秒。例如，老鼠排尿的速度是百分之一秒，所以我们需要使用高速摄像机。体重在3公斤以上的哺乳动物，从吉娃娃到大象，排尿时间都差不多，平均21秒。狗的膀胱容量大约是杯子大小，但大象的膀胱容量大约是厨房垃圾桶大小。水桶大小一样。为什么它们排尿的时间会相同呢？

我们查阅了 50 多篇来自医生和兽医的文章，发现泌尿系统是一个非常简单的系统。每个人都有一个膀胱来容纳尿液，下面有一根管子，长度和直径的比例大约是 18 比 1。

我们做了一个实验，有三个容器代表狗、人类和犀牛的膀胱容量。下面放了三根管子代表这些动物的尿道。你看，它们的容量不同，但它们的清除时间都是一样的。

为什么不同动物排尿时间相同？原因有两个。我们以大象为例。第一个原因是，你可以把尿道想象成高速公路，尿液分子是汽车。尿道越宽，通过的速度就越快。通过的尿液分子越多。大象的尿道直径为 3 厘米，和我的手腕一样粗，流速要快得多。

第二个原因就比较复杂了，尿道越长，受到地球引力的影响就越大。大象的尿道有1米长，尿液分子会顺着它下落，压力越大，速度越快。膀胱容量大，但流量也大，就像同时打开5个水龙头一样，所以不管膀胱有多大，它们的排尿时间都很相似。

我们发现的这个机制有什么用呢？在工程上，有时我们需要快速排空液体，比如消防车或水塔里的水。也许我们可以参考泌尿系统的设计，在 21 秒内排空 10 升、100 升，甚至 10,000 升的水。这就是大自然的流体动力学。

文章发表后，还有意外的收获，有人看完文章留言说：“我很惊讶，因为我的平均排尿时间是60秒，最长排尿时间是150秒，我以为喝了很多饮料还不够。”在看到这个研究之前，我都觉得这很正常，我需要去看医生吗？

确实，排尿时间过长，可能是前列腺肥大或肿瘤的征兆，当尿道受压时，尿流就会变慢。日本一位泌尿科医生找了2000多名日本人，调查了他们的排尿情况，发现年轻人排尿时间是21秒，但80岁以上的人则需要30秒以上，这是检测膀胱健康状况的一种方法。

因为我有两个孩子，所以我每天都要打扫卫生。我很好奇为什么动物不需要洗澡？每次研究我都会寻找在这方面做得最好的动物，而清洁能力最好的动物就是猫。猫每天醒来 9 个小时，花 3 个小时舔自己。我们测量发现，人类需要 10 升水才能洗澡，而猫只需要 3 勺唾液就能把自己舔干净。

你知道猫咪是怎么清理毛发的吗？如果你摸猫的舌头，顺着一个方向摸的话，会感觉很光滑，但是逆着方向摸的话，就会感觉很粗糙，像被砂纸刮过一样。这是因为猫的舌头上有很多毛发，有290个突起。

事实上，世界上有 36 种猫科动物都有舌突。对于猫来说，舌突非常重要，因为野猫容易受到蜱虫和跳蚤的威胁。因此，在 1100 万年前的进化过程中，猫进化出了舌突，使它们能够将这些寄生虫从毛皮中清除掉。

这是我们用高速摄像机拍摄的猫用舌头舔毛的视频。每次舔毛大约需要 1 秒钟。猫的舌头伸出来，然后像气球一样膨胀。舌头上的 290 个突起会竖起来。所以猫舔毛就像我们用梳子梳头发一样。

为了有更大的实验样本，我们联系了一个名为“老虎天堂”的动物保护组织，这个组织收养了很多猫科动物，包括山猫、美洲狮、雪豹、老虎和狮子，还收集了很多猫科动物的舌头标本。负责标本的学生每天要背着一大袋舌头去学校。猫的舌头很小，但狮子的舌头却和人的头差不多大。

我们用刀小心地挖出舌头上的每一个突起，清洗干净后，用核磁共振扫描制作了这段视频，我们发现，每一个突起其实都是一根小吸管。

这让我们想起了蜂鸟的嘴，它也是一根小小的吸管，蜂鸟可以利用这根“吸管”通过表面张力吸食花蜜。

同样的原理也适用于猫咪将舌头伸进嘴里时，唾液会自然地流入每个舌头突起中。当猫咪舔舐毛发时，舌头突起与毛发接触，唾液便流出。

猫舔毛不仅是为了清洁自己，也是为了保持体温。通过舔毛，它们舌头上的突起将唾液带到毛皮上。当唾液蒸发时，它可以帮助猫降低体温并防止过热。猫没有汗腺，所以这个降温过程对猫来说至关重要。

猫咪舔毛的过程让我们想起了每天梳头的过程。在过去的200年里，梳子一直都是硬齿设计，总是会缠住很多毛发，很难清洗。受到猫舌头突起的启发，我们发明了一种模仿猫舌头突起的仿生梳。我们用3D打印机打印了40个类似猫舌头突起的齿，并将它们放置在柔软的硅胶上。这种梳子不会卡在毛发里，而且很好清洗。

有一天，我和3个月大的儿子正静静地坐在门口看雨，突然，儿子哭了起来，原来是被蚊子咬了，我觉得很奇怪，下雨的时候，雨滴落下的速度是蚊子的10倍，而雨滴比蚊子重50倍，雨滴打在蚊子身上就好比汽车撞到人，那么蚊子又怎么可能不被雨滴打死呢？

为了做这个实验，我们在实验室里养了几个月的蚊子。蚊子是从疾控中心带回来的。后来我们听到了很多投诉，因为蚊子不断逃跑。我们的实验室占了整栋楼。我们是这里唯一研究活体动物的人，所以如果有动物逃跑，他们就知道是我们偷来的。

但叮咬并非徒劳。这是我在实验室拍的照片。看，这些烦人的蚊子真漂亮！它们的眼睛是绿色的，身体是金色的，翅膀和腿看起来好柔软。就像羽毛一样。

我用高速摄像机记录了雨滴打在蚊子上的过程。

原来，如果水滴打在翅膀上，蚊子就会向那侧倾斜50度，让水滴顺着翅膀滑落。

如果击中人体，蚊子不会反抗，而是迅速随水滴落下，在下落过程中，它会迅速与雨滴横向分离，恢复正常飞行。

因为蚊子很轻，雨滴打在蚊子身上不会碎掉。蚊子不会像打太极拳一样抵抗雨滴，所以受到的力道并不大。所以不好意思，雨滴不能帮你杀死蚊子。最直接的方法就是用手把蚊子拍死。

后来我们发现，我们对蚊子的研究对微型飞机的生产很有帮助。有了这项研究，工程师们可以改进微型飞机的设计，使它们不容易被雨滴或强风损坏。有时，轻的东西更安全。

这些就是我今天想和大家分享的几项研究。我的研究从一开始就不是一件有趣的事情。当我刚开始做助理教授的时候，我只想追随资金而不是好的想法，结果并不好。我觉得自己和其他人一样，不专注于研究。后来我找到了自己的道路。

其他科学家对这类研究有什么看法？事实上，顶级期刊总是在寻找不同的东西。科学家也是人，喜欢看到有趣的东西，所以我收到的评论总是非常好。

但最重要的是我们确实有新发现。无论一个领域多么有趣，如果你没有新发现，你就无法发表它们。这就是应用数学可以展示其优势的地方：良好的实验设计，加上计算是良好研究的基础，没有它，研究就行不通。

也许我可以重新回答一下最初的问题，科学研究是否应该因为暂时“无用”而被指责为“浪费”？我认为，如果目的地明确，我们当然可以讨论如何更高效地到达那里。但当我们连B在哪里都不知道的时候，探索过程怎么能算是浪费呢？

我现在是一名科学家，也是两个孩子的父亲。我的孩子们都对科学感兴趣。我看到很多学生来美国读研究生，他们中的一些人接受了最好的科学教育，非常聪明，但很遗憾，他们没有爱上科学，后来不再追求科学。我觉得我们应该把科学当成一种爱好。

我也想呼吁科学家多参与科普，让更多人了解他们的研究成果，科学不应该是“高高在上”的，而应该与大家共享。

为了普及我自己对仿生学研究的热情，我花了两年时间写了我的第一本书。

如何在水上行走和爬墙（如何在水上行走和爬墙：动物运动与未来机器人）。这本书于今年3月正式出版，目前已在中国大陆上市。

最后，再次感谢大家来听我的演讲。再见。