很少能在化学界见到研究领域之间跨度如此大的天才！他就是——Bartosz A. Grzybowski教授！
他，历时10年打造人工智能驱动的化学逆合成软件——Chematica，被制药巨头默克收购；
他，被韩国政府请去IBS软物质中心担任核心PI，科研经费拿到手软，年入经费超过1000万美金；
他，曾经在不到1周时间内集齐Nature/Science，至今已发表数十篇Nature和Science了！
看他的科研经历，不得不惊叹，以及陷入深深的自我怀疑：跨界这么容易的吗？
一开始他在西北大学时，在物理化学领域弄的风生水起，没想到还用机器学习优化有机合成路线发《Nature》，直接解放化学家的双手！
然后又跨界生物领域，研究癌细胞与溶酶体，发顶刊Cell与小NC!
这些还不够，跑去研究电路，然后用电路原理做催化！
还去研究晶体化学，直接发Nature！
最令人惊叹的是，一个物理化学家，把研究生物的文章发在了物理领域的顶刊《物理评论快报》上，这满满的学科交叉精神让人惊掉下巴？！
在他身上，科研就是把“简单的工作”做到极致!
今日，Bartosz A. Grzybowski教授的最新工作直接登上了《Nature》封面！究竟是什么样的工作又双叒叕得到了《Nature》的青睐呢？让我们一探究竟！
单轮在下坡时沿直线滚动，但可以通过绕其与地面的接触点旋转来改变方向。通过轴连接的两个轮子的自由度要小得多——没有共同的旋转点，它们被迫永远沿着平行的直线移动。
火车采用了一种巧妙的方法来解决这个问题：它们的车轮是圆锥形的，因此转弯外侧边缘的车轮可以通过在圆锥体宽端的火车轨道上行驶来跟上另一个车轮。外轮的旋转速度与内轮相同，但行驶得更远。这样，轨道的形状就控制了火车的路径。
在今日的《Nature》封面中，Bartosz A. Grzybowski等人通过设计一个物体来扭转这种关系，该物体的路径由其自身形状决定，而不是由地面形状决定。作者将这些物体称为轨迹，然后用 3D 打印轨迹来表明这些物体沿着预先编程的周期性路径沿着缓和倾斜的平面移动。在某些情况下，即使这些物体被短暂地滚动上坡，它们的路径也会与所需的轨迹相匹配。
为了理解如何创建这样的形状，想象一下沿着桌面上绘制的路径滚动一个粘土球，将路径的一个版本压平到粘土中（Figure 1）。球的形状现在编码了穿过桌子的轨迹以及球沿着绘制的路径移动时必须旋转的方式。但球的表面积有限，因此其形状只能在一定长度内编程桌面轨迹。超过这一点，球将停止遵循所需的路径，除非桌面上的路径重复自身，就像本篇论文的周期性路径的情况一样。
Figure 1. 如何在周期性路径上滚动
类似轨迹的物体之前已经被报道过，但没有达到这种程度的普遍性——现有的尝试着眼于沿着相对简单的重复路径滚动的物体。一个例子是球形，这是一种遵循摆动轨迹的形状，它被编码在看起来类似于棒球接缝的球形路径中。另一个例子是我们中的一个人在杂耍大会上回答马戏团表演者提出的一个问题时设计的：他的巨大的球形装置可以让杂技演员在舞台上曲折前进，但他们必须在舞台边缘停下来向后走。使设备能够绕圈转动的改进设计可能是之前最接近今日《Nature》的轨迹的努力。
图 1. 滚动路径和轨迹形状
球体具有一种特殊的性质，使得关闭轨迹路径变得困难。想象一下桌子上的粘土球是一个地球仪。北极指向上方；亚洲在左边，美洲在右边。现在想象一下，它在桌子上沿着任意路径滚动，直到北极再次指向上方。你几乎肯定会发现地球的另一个部分正面临着你。但如果这个地球仪上的一条路径要在桌子上画出一条重复的路径，它必须有一个特殊的条件：不仅需要将北极返回到顶部，还需要将大陆与它们的初始位置对齐。
图 2. 路径到球体的映射和轨迹的存在
Bartosz A. Grzybowski采用这个想法并设计了一种算法，用于创建一个遵循印在粘土球上的周期性路径的形状，只需通过重力滚动即可。就像地球仪的情况一样，关闭这些物体之一的路径是具有挑战性的，即使它的“北极”返回到其初始位置。然而，作者（几乎总是）能够通过创建轨迹来规避这个问题，这些轨迹在滚动一圈时不是描绘出一个重复路径，而是描绘出两个周期。
图 3. 性质π和TPT定理
这种方法令人惊讶，并表明应该有一个精确的数学陈述来准确说明两周期轨迹何时存在。作者提供了一条不起作用的示例曲线，但也表明对该曲线进行微小修改即可使其起作用。他们推测，行不通的道路极其罕见。因此，任何想要在现实应用程序中使用轨迹的设计人员似乎都不会在构建轨迹时遇到问题。然而，未来对这个问题进行更精确的数学理解将有助于将这项工作与应用联系起来，并开辟更纯粹的数学研究脉络。
即使缺乏严格的证据，本文的算法似乎也能在机器人技术中得到应用。遵循简单弯曲轨迹的球形微型机器人已被证明是稳定的，并且能够在任意表面上移动。可变形机器人可以实现轨迹几何形状来导航复杂的景观和障碍物。
图 4. 实验验证
除了机器人技术之外，这项研究在量子计算和医学成像等广泛领域也有着广阔的应用前景。在物理学中，许多系统都由球体上的点表示。例如，电子的固有角动量（或自旋）可以指向任何方向，因此轨迹的弯曲“桌面”轨迹可以将自旋方向表示为时间的函数。在量子计算中，这种表示可用于控制量子比特的演化——量子信息的基本单位，可以在自旋中进行编码。
类似的技术可用于帮助减轻磁共振成像机中不需要的信号的影响。设计用于控制这些设备中的自旋动力学（从而控制磁场）的轨迹可用于帮助将有用信号与噪声分离。无论这些应用是否实现，本文的算法都为如何仅使用物体的形状对其轨迹进行编码的问题提供了富有洞察力的答案。
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
