未来是仿生的吗?

2015年《巴黎气候协定》的一个明确目标是，将全球平均气温的上升幅度限制在比工业化前水平高1.5摄氏度以内。许多人说这是不可能实现的。但现在一项新的分析表明，我们可能有一些喘息的空间。Michael Wheeler采访了苏黎世联邦理工学院气候科学家Joeri Rogelj。

Joeri -在巴黎协议中，有一个长期的温度目标，旨在将温度保持在2度以下，我们也致力于将其限制在1.5度。基本上，这是相对于19世纪中期工业化前水平的全球年平均气温上升。

当然，现在问题来了，我们怎么能做到呢?文献表明，我们看到的变暖与我们排放到大气中的二氧化碳总量几乎成线性正比。这意味着我们被允许排放到大气中的二氧化碳有一定的最大值，也通常被称为碳预算。

迈克尔:所以碳预算是实现这一目标的关键。你是怎么计算碳预算的?

Joeri:为了计算出我们还能排放多少碳，我们基本上使用了三种不同的建模方法。一个是简单的气候模型;另一种方法是用一个中等复杂程度的模型来验证简单气候模型。最后，我们还使用了最复杂、最先进的地球系统模型的结果。

在过去，碳预算通常是相对于工业化前计算的，这意味着随着时间的推移，它们会积累小的误差和差异。所以我们所做的，就是通过表达碳预算来重置这些不确定性。我们发现，如果考虑到我们今天所处的位置，我们的预算大约是7000到8000亿吨二氧化碳。这相当于大约20年的温室气体排放量。

Michael -所以以前的碳预算给我们的时间要少得多?

乔里:没错。以前的碳预算给我们的时间要少得多，而且基本上表明，将升温控制在1.5摄氏度以下几乎是不可能的。

Michael -温度升高1.5度似乎是一个很小的温度升高。为什么如此微小的温度上升对我们的气候如此有害?

Joeri:人们必须意识到这些增长是全球平均增长。一般来说，人们不一定对平均气温升高感兴趣。我们感兴趣的是可能出现的风险，比如极端事件。极端情况出现了明显的转变。

迈克尔-是的，好的。随着平均气温的变化，极端气候也会发生变化，因此我们正在经历更多的极端天气事件;对吗?

乔里:对，没错。在某些地区，这是一个非常明显的趋势。

迈克尔:你的分析给了我们一个更大的碳预算和更多的希望，我认为有两种方式可以接受这个信息。一方面，如果人们认为我们已经走过了一个不归路，那么他们也会认为保护环境的努力将毫无意义。你的分析让我们从这个角度出发，我认为这是一件好事，但另一方面，它可能有可能让人们对气候变化更放松一些。我不确定哪一种会最流行;你觉得呢?

Joeri:我们的研究确实把把升温限制在1.5度以内的可能性重新摆在了桌面上，我认为这是一个充满希望的信息，但这并不意味着压力消失了。它仍然需要采取远远超出各国目前承诺的行动，全球二氧化碳排放量需要立即减少，到本世纪中叶实现零排放，这是一项极具挑战性的壮举。

在本周的神话概念节目中，伊兹·克拉克将为大家讲解微波炉的科学原理。

Izzie -如果你像我一样，在漫长的一天后，你饿着肚子回到家，你最不想做的就是花很长时间做晚饭。谢天谢地，我们有了可信赖的微波炉——剩菜外卖的救星。等等，这是用微波来复活我的伤口，微波是辐射。这是否意味着，因为我的微波炉，我正在吃致癌的咖喱?

不，不是的。所以让我们把这个神话的热度调高。让我们从辐射开始。它以不同的量存在于我们周围，本质上是能量的释放。这是自然发生的，但日常物品也会发出辐射，比如太阳。是的，那是辐射，如果你今天打电话给你妈妈，辐射也在那里。但这并不意味着你一直处于危险之中。所有形式的辐射都可以放在一个频谱内——电磁频谱。在这个范围内，微波的能量相当低，因此能量也很低。

但是食物是如何加热的呢?当你按下再加热按钮时，一个叫做磁控管的小轮状装置就会开始工作。它被加热的核心发出电子，这些电子在一个恒定的磁场中循环。它们以每秒不到25亿次的频率从小孔状的空洞中渗出;这就产生了一种变化，使我们的食物变得贫瘠。

当你吃晚饭的时候，实际上是食物中的水分子吸收了这些热能。它使它们来回旋转，正是这些分子之间的摩擦产生了热量。与大量具有破坏性的X射线不同，微波是非电离辐射，这是一件好事。这基本上意味着，虽然射线有能量，但它不足以将电子从原子中引导出来，从而改变食物的化学结构。

最早的一项关于微波食品的研究发现，与传统烹饪的食物相比，用微波烹饪的食物没有任何不良影响。但要注意的是，在过去的十年里，美国每天有21人因微波相关伤害而接受治疗，但大多数病例是烫伤溢出。所以，虽然你的食物在短期内不会有放射性，但在你急切地吃这些剩菜之前，最好戴上烤箱手套。

凯蒂-谢谢你，伊兹，如果你有什么想要仔细研究的科学，请给我们写信chris@thenakedscientists.com你可以推特@Nakedscientists或者在facebook上找到我们，我们会看一看。

在我们进入身体内部之前，先来看看外部辅助设备怎么样?凯蒂·海勒采访了Ekso Bionics公司的联合创始人拉斯·安戈尔德，这家公司生产可以帮助你举起重物的外骨骼机器人。

罗斯-就像它的发音一样;它是一种外骨骼，环绕在人的周围，看起来像个机器人。它的执行器与机器人非常相似，可以帮助用户移动或提供帮助。

凯蒂-我在想象一种变形金刚/独立日之类的东西。是这样吗?是科幻小说吗?

Russ -它可能不像变压器-它更薄，更小。我们试图让它们尽可能的轻和苗条，这样用户就可以在环境中移动而不会撞到东西。

凯蒂-好的。那么它们到底是如何工作的呢?

拉斯-你穿上就行了。这取决于外骨骼的类型。我们有专门为中风或脊髓损伤患者设计的医疗服务;在我们的康复疗程中，他们会把鞋装好。我们还有其他外骨骼，比如Ekso背心，你可以像背包一样穿上它，绑在你的手臂和躯干上，它可以帮助你的手臂。所以这取决于你穿的外骨骼的类型。

凯蒂，我想从医学角度来看谁会从中受益更明显，但另一方面呢，只是举重物?对这种技术的需求是什么?

罗斯:实际上，大约两年前，我们开始从建筑公司、工业公司、制造公司那里得到很多兴趣，他们说他们的劳动力正在老龄化。他们知道如何完成工作，但他们的身体总是在崩溃，我们能不能用外骨骼为他们提供额外的耐力，让他们安全高效地度过一天?

凯蒂-那这些东西是怎么供电的呢?

拉斯:这真是一个有趣的问题。我们早期的一些设备根本没有电源;基本上，我们所做的就是抵消重力的影响。你可以想象我有这样的想象，每个人都挂了一个吊扇，并试图把吊扇举在手里，实际上你在与重力作斗争。我们的eksovest就是用弹簧来抵消重力的影响，基本上让你的手臂失重，这样你就可以永远伸出你的手臂而不会感到疲倦，这是第一步。

最终，它们将被供电以提供更大的功能。我们看到的一个大应用是物料处理。如果你想象一下搬运物体的人，比如搬运行李的人，建筑工人，制造业的维修工人。人们总是在移动东西，我们认为这是外骨骼的一个很好的应用。

凯蒂-这似乎意味着更少的压力，更少的潜在背痛，疼痛和疼痛，这对生产力有什么影响吗-人们能更快地完成体力工作吗?

拉斯:哦，当然。他们能够更快更安全地完成这项工作。我们有一个例子，一个人用混凝土旋转锤在头顶上钻锚，没有我们的零重力臂，他每天钻大约80个洞。我们给他们安装了零重力臂，这样工具就没有重量了，可以推到天花板上，他从每天钻80个洞增加到每天钻400多个洞。他可以在一天结束的时候回家帮助他的家人打理农场，而不会因为一天的长时间工作而完全筋疲力尽。

凯蒂-哇。这是一个令人印象深刻的差异。你提到了零重力臂，我知道你们还有其他一些产品，其中一个是EksoVest。也许你能告诉我们它们之间的区别?

拉斯:当然。零重力臂基本上相当于工人的空中升降机——平台或脚手架——连接到他们的工具上，使工具失重。再说一遍，它没有动力，但它抵消了重力，但如果有人试图把一个20磅或10公斤的工具放在他们面前一段时间，那就很累了。我们基本上让它失重，这样用户就可以专注于工作质量，完成工作，而不用紧张他们的手臂。

这种背心是一种可穿戴设备。它会绑在佩戴者身上，使他们的手臂失重，所以你会想到汽车组装，工厂里的航空装配，任何你花很多时间把手放在头上的地方。这在建筑界经常发生因为很多系统都安装在天花板上。它使你的手臂浮力，就像你只是漂浮在水下，缓解所有的压力和你的肩膀和背部。

凯蒂:精确度也是一个因素吗?这在建筑和生产力中都是非常重要的?

罗斯:对。你可以想象，一旦举起沉重工具的压力或举起手臂的疲劳消失了，我们就会突然看到质量的提高，这意味着返工更少，工作做得更好，你不必回来完成工作，所以质量是一项重要资产。我们认为安全、生产力和质量是使用这种技术的三个真正好处。

凯蒂:简单地说，由于这种技术，我们是否都有变成沙发土豆的危险?

罗斯:一点也不。这项技术给了你更大的耐力，但工人们仍然在工作或使用我们无法增强的其他肌肉，所以没有风险……

我们考虑过机器人外骨骼和可植入的替代胰腺，但有时由于一系列原因，假体不合适，人体组织移植是最好的选择。一个例子是当一个人失去一只手或一条腿。但这种手术不仅需要克服心理障碍，而且从业者最初也担心免疫排斥带来的挑战。由于这个原因，直到最近20年，医生才进行了第一例手部移植手术。现在，这一趋势正在加快，亚历山德拉·阿什克罗夫特从利兹大学手外科医生、英国手部移植项目主任西蒙·凯那里听说……

西蒙:当你失去了上肢，或者上肢的一部分，你的选择就是继续活下去，制造一个假肢，或者进行肢体移植，肢体移植是一项很新的技术。你从一个最近去世的人身上取一只手，就像你要一个肾脏或肝脏一样，然后把它移植到有缺陷的肢体上。但是这个肢体存活了下来并从血液供应中获得营养随着肢体的神经再生，它的功能开始发挥。

Alex:你说这很新奇，你和其他人在外科手术方面取得了什么样的进步才能达到可以给别人移植四肢或手的地步?

Simon:第一例手部移植手术发生在1999年，早期我们没有意识到的最重要的障碍是患者的行为或心理。另一个被大肆吹嘘但实际上被证明很容易解决的主要障碍是免疫排斥风险。也就是说，就像你可以排斥肾脏或肝脏一样，你也可以排斥肢体。所以我们认为巨大的屏障实际上已经开始消退。有皮肤的肢体移植的好处是当它开始排斥时你可以立即看到它是皮疹，所以我们发现免疫排斥的问题相对来说比较容易处理。另一个障碍是了解神经的长期再生，以及肢体运动和感觉的恢复是否会达到我们认为有用的水平，我很高兴地说，事实证明这也超出了我们的预期。

亚历克斯:捐赠者是个问题吗?

西蒙-没有人真正关心他们的肝脏或肾脏是什么样子，只要它能起作用。在手部移植中，这很重要因为手的功能之一就是它一直在我们的视线中。虽然我们在英国的受赠者数量很少而供者数量很大，不仅在免疫方面，而且在体型、年龄和皮肤特征方面，供者的数量要小得多，所以找到合适的供者是一个挑战。

亚历克斯:这些肢体移植手术的效果如何，与那些做过义肢的人相比如何?

西蒙:比较移植肢体和假肢是非常有趣的。可以说，他们一直处于移植手术和假肢之间的竞争中。在我们看来，这是不合适的，因为它们做的事情非常不同。绝大多数患者仅靠假体就能得到改善和功能改善。假体最大的好处是你不需要给病人药物和免疫抑制来使用它。然而，假肢的局限性在于它不是人类，而手的一个特点是它是人类的一个非常重要的特征。所以它是温暖和感性的;我们用它做手势，用它抚摸，用它感受;这种人性是假体无法提供的。你确实可以通过手部移植获得; you get the cosmetic, the aesthetic, and the functional, and also the humanness of it, but it is at the cost of immunosuppressive drugs.

亚历克斯-我知道它们有很严重的副作用?

西蒙:我认为与其说它们有严重的副作用，倒不如说它们有明显的副作用，因为我们现在有很多药物可供选择，我们可以随意改变，混合，尽量减少副作用。但是，毫无疑问，对于一个接受手部移植的年轻人来说，如果我们假设他们在剩下的自然生命中继续接受移植并且在剩下的自然生命中进行免疫抑制，那么他们的生命将会稍微缩短。所以当你考虑手部移植手术时，就像任何其他重大的医疗决定一样，你必须非常仔细地权衡治疗的利弊。而且，因为我们直到1999年才开始做手部移植手术，我们还在开始填写风险/收益等式两边的方框。

Alex -你认为你的领域在未来十年将会发展到什么程度?

Simon -我认为概念的验证现在已经完成了。这些事情进展缓慢，但我认为人们逐渐理解并接受手部移植是可靠的。此外，它产生了非常好的和有用的结果，这些结果是持久的，这些是需要跨越的非常重要的桥梁。

Alex -将焦点稍微转移到塞尔吉奥·卡纳维罗(Sergio Canavero)在12月首次尝试做世界首例人类头部移植手术;你觉得这个怎么样?

西蒙:我认为这是一件需要讨论的事情，道德上也需要仔细考虑。但是当我们谈论头部移植时，我们真正谈论的是身体移植。人的内在存在于头盖骨中如果你有一个警觉的，活跃的人脑而你的身体却在衰竭那么你就会合乎逻辑地说，我能代替这个身体吗?理论上没有理由说你不能。所以，如果你有一个四肢瘫痪的器官衰竭，你可能会说，好吧，身体是一个惰性的支持大脑的机制，我想交换它。当然，这在概念上是头部移植，因为那是一个更小的部分。但我看不出有什么凌驾于技术之上的理由不能这样做，只要你不指望身体能机械地运作，站起来走路。

亚历克斯-因为连接脊髓?

西蒙:因为连接脊髓是脊柱手术的“圣杯”，但目前还远未实现。

现在让我们来看看现代科学可以为一个日益严重的世界性问题做些什么，那就是失明。随着越来越多的人进入老年，寿命越来越长，越来越多的人出现视力问题，这通常是因为影响视网膜的疾病过程。视网膜是眼睛后部光敏组织的拼凑物，它将光波转化为脑波，使我们能够看到东西。如果这个受损了，它就不能自我修复，我们就会失去视力。在接受克里斯·史密斯采访时，牛津大学的罗伯特·麦克拉伦正在研究一种人工视网膜，目前正处于临床试验阶段。

罗伯特:我们正在和一家德国工程公司合作，视网膜植入公司，我应该说视网膜植入公司在过去十年里一直在发展这项技术。在过去的五年里，我们一直在与他们合作，在牛津进行临床试验。视网膜植入的目的是在眼睛后部放置一个电子而非生物的光敏阵列。

如果我可以用另一种方式来解释的话——被称为光感受器的光敏细胞在诸如老年性黄斑变性和视网膜色素变性等疾病中逐渐退化。电子视网膜是光敏的，有点像你带数码相机的手机，它感知图像，然后用电子方式刺激视网膜，代替感光器。

克里斯:视网膜有多层，其中一个地方是感光细胞——视杆细胞和视锥细胞。它们向视网膜下方的细胞发送电子信息，视网膜是视神经的组成部分，并将这些信息发送到大脑。所以，在你所研究的疾病中，这些视杆细胞和视锥细胞都消失了，但是那些构成视神经并能向大脑传递信息的细胞，它们还活着，你还在向这些细胞传递信号吗?

罗伯特:是的，完全正确。色素性视网膜炎的病理表现是一层感光细胞的丧失。当然，如果一个人失去了这些细胞，他们就完全无法感知光线，完全失明，但眼睛本身相对完好无损。眼睛看起来很正常，它可以移动，可以聚焦图像，最重要的是，连接眼睛和大脑的视神经也相对正常。

所以我们一直在研究的电子视网膜技术是为色素性视网膜炎患者设计的。例如，它不适用于神经受损的青光眼患者，也不适用于因受伤或创伤而失去眼睛的患者。

克里斯:这个装置有多大?作为眼科医生，你怎么把它放进人的眼睛里?

罗伯特:它的尺寸大约是3.5乘4毫米，这是真正的光感应部分，上面有1600个像素。还有一根扁平的电缆连接到电源，电源位于耳后的皮肤下面。所以在皮肤下面有一条电缆，穿过头部一侧的颞肌下面连接到电源。

我们必须在不损伤视网膜的情况下把它移到视网膜下。我们把它从眼壁上的一个小缝里滑出来。我不得不说，这是相当棘手的;有很多关系和事情要做，而且需要很长时间才能做到。但是，作为眼科医生，我们非常习惯在小空间工作，所以在适应我们已经拥有的技术方面，这是相对简单的。

克里斯:一个人植入了它，然后你打开它，他们的体验是什么?

罗伯特-事实上，这对我们所有人来说都是一个非常神奇的时刻，当我们让一个失明十年甚至更长时间的人，没有光感的人坐在那个房间里，当我们第一次启动这个设备时，通常是在手术后的三周左右，有足够的时间让身体愈合。对他们来说，这是一个改变人生的时刻，对我们来说，这是非常令人兴奋的。团队里的每个人都很了解病人，我们都很焦虑，直到最后的开关打开，一旦病人能够看到东西，我们知道整个过程是成功的。

克里斯:他们看到颜色了吗?还是你现在只看到黑色背景上的白光斑点?

罗伯特-是的，它是非黑即白的。光感细胞——光感受器——有三种有效的颜色，红、绿、蓝，它们形成彩色图像，但我们目前在植入物中还没有这种处理方法——它实际上只是开或关。有点类似于早期的电视画面，一个非常模糊的黑白图像来来去去。这当然不是你所说的正常视力，但这足以让这些病人四处走动，看到东西，并有一定的独立性。

克里斯:比如说，它们能认出一张脸吗?因为有视觉障碍的人说他们很难看清街对面人的脸;他们不能读自己喜欢的书;他们不能看他们最喜欢的电视节目。这个设备的功能是什么级别的?

罗伯特:嗯，这很有趣，因为，当然，人类的大脑是一个神奇的东西。虽然病人无法识别静止图像上的人脸，比如看一张照片，但当图像移动时，他们可以从中获得更多信息，他们可以通过移动的方式看到和识别人。此外，我知道我的一些病人描述了能够识别不同的狗，例如。当然，很多盲人病人都有导盲犬，所以那里有线索。但运动图像是最重要的，它给了他们所需的线索，使他们能够更详细地识别事物，而不是基于像素的数量。