演講人 | 胡立德（David Hu）（ 佐治亞理工學院機械工程與生物學系教授）
來源：一席
我的研究並不是從剛開始就是好玩的。我剛開始做助理教授的時候，我想跟着經費走，不是跟着好的想法走，結果並不好。我覺得這樣就變成和其他所有人一樣了，心不在研究上了。後來我找到了自己的路。
其他科學家怎麼看待這樣的研究呢？其實頂尖的期刊也總在尋找不同的東西。科學家也是人，也願意看到好玩的東西。
浪費科學家2020.06.02
美國亞特蘭大
大家好，我是胡立德，英文名字是David Hu。幾個月前一席邀請我來演講，我很期待來中國和大家面對面交流，但沒想到疫情爆發，我沒辦法來中國了，很可惜。所以現在，我在亞特蘭大的家裏給大家錄這一個演講。我的小孩已經睡着了，現在我的太太是我唯一的現場觀眾。
我是佐治亞理工大學的一名機械工程系教授。今天在這裏和大家分享我的一些研究。
2016年5月25號，我正在開會，我大學的媒體中心給我打電話説：你快打開電視看福克斯頻道。當時，主持人正在播報這樣一條新聞：一位參議員發佈了一個名單，叫作“最浪費政府資金的20項科學研究”，上面列出了2016年美國20個最浪費的科學課題。
我驚訝地發現，我的名字在這個名單上出現了3次！我算了算，也就是説，我佔了美國最浪費的科研項目的15%！
點擊大圖看看這20個研究分別是什麼~
最初我十分震驚，但我靜下心來仔細想了想，發現大家其實對這些研究有很多誤解，而這些誤解大多來自於科學家們並沒有和大眾解釋清楚這些研究的意義。後來作為回應，我在《科學美國人》這個擁有160多年曆史的科學期刊上，發表了一篇文章叫作《一個浪費科學家的自白》。
我上榜的3個研究分別是：
大家來猜猜看答案分別是什麼？這三個問題的答案分別是：
好，下面我就跟大家聊聊為什麼我要研究這些問題 。
我第一次見到我太太的時候，她帶着她前男友送的情人節禮物——一隻咖啡色的貴賓犬。
雖然這隻狗和我互不喜歡，但它的甩水能力讓我很驚訝。我們用高速攝像機拍狗甩水的錄像。1秒鐘，狗可以甩水4次。它的加速度幾乎是地球重力加速度的20倍，比賽車轉彎的加速度還要大。
一隻30公斤的狗，它毛髮裏可以藏半公斤的水。在冬天，這些水分會吸收它身體的熱氣，消耗掉它一天進食量中1/5的能量。所以怎麼讓自己身體保持乾燥，對哺乳動物來説非常關鍵。
大家可以猜猜看，越小的動物，甩水越容易還是越困難？其實在自然界，越小的動物甩水越困難。如果老鼠需要甩幹自己，它們一秒鐘要甩30次才行。
為什們老鼠需要更高的甩水頻率？因為貼在毛髮上的水有表面張力，只有足夠大的離心力，才能夠掙脱這個表面張力。半徑越小，離心力就越小，就像你站在旋轉木馬的最外面，你感受到的離心力是最大的，但是站得越靠近中心，離心力就越小。
所以老鼠因為毛髮半徑小，甩水離心力小，它需要甩得更快，來增加離心力。
不同的動物有不同的甩水頻率。那麼有意思的問題就來了：為什麼一隻狗可以在1秒鐘之內甩掉70%的水，但是洗衣機卻需要幾十分鐘才能把衣服甩幹？這不是因為洗衣機不好，這是因為我們沒有設計很容易乾的衣服。狗的毛髮很容易幹，但是我們的衣服，特別是牛仔褲，很不容易幹。如果我們想節省能源，我們需要在大自然中再去尋找設計的靈感。
哺乳動物，昆蟲，都有毛髮。我們先測量了很多動物的毛髮。我們發現，一隻蜜蜂和一隻松鼠都有300萬根毛，而人類大概只有10萬根頭髮（我的更少）。毛越多，表面積越大，就容易有越多的灰塵、水滴、花粉藏在裏面。
一隻蜜蜂毛髮的表面積，等於一片烤麪包。一隻貓毛髮的表面積和一張乒乓球桌一樣大。一隻海狸毛髮的表面積相當於一個溜冰場。毛髮表面積這麼大，這些動物是怎麼做清潔的呢？
我們研究了一下蜜蜂。一隻蜜蜂每天要採的花粉是它自己重量的1/3。在這個過程中，它整個身體都會被花粉覆蓋。但是我們發現，它2分鐘之內就可以把自己弄得乾乾淨淨。它是怎麼做到的呢？
首先， 它的毛之間的距離，跟一顆花粉的直徑是一樣的，這樣花粉會被卡在毛髮的表層，比較容易清潔。
其次，因為蜜蜂身體的毛很硬，就像彈簧一樣，所以每次它用腿刷毛，毛就會把灰塵彈開。如果它每4秒鐘刷一次身體， 2分鐘內就可以把整個身體完全清潔乾淨。
醫療行業的工程師受我們這個研究的啓發，發明了新型的藥貼。原來用於外敷療傷的紗布表面很平，可以容納的藥量不多。這些工程師受到蜜蜂的啓發，設計了新型的“帶毛”的藥貼，這樣就可以放更多的藥在裏面，幫助外傷的恢復。這個發明已經申請到專利。這是蜜蜂體毛研究的一個意想不到的應用。
我從小就覺得自然有一種魔力，尤其是動物。我總是很好奇為什麼它們形形色色，而又各有特長。我的父母都是科學家，他們總是鼓勵我的好奇心。我的爸爸一直告訴我，大自然可以給我很多啓發。夏天，他會帶我們去釣魚、露營。有一次，他在高速路邊撿了一頭被車撞死的鹿，在回家路上的3個小時，我妹妹就跟那頭死鹿坐在一起。回到家我父母一起解剖了那隻鹿。我爸爸的好奇心真的會帶他到很奇怪的地方。
我從小在馬里蘭長大，很幸運考進了天才班。六年級的時候老師就讓我們自己寫書。我十年級開始去實驗室做實驗，研究材料科學。當時我研究的課題是，用實驗測試氣泡對金屬硬度的影響。簡單地説，如果你把金屬熔解，在液態金屬裏充氣泡，然後再讓金屬固化，這樣形成的帶有氣泡的新金屬會比原來的金屬更加堅固。這個項目入圍了西屋科學獎的半決賽。大概也是因為這個獎，我考進了麻省理工。
我的本科導師因為研究“牀單起皺的規律”拿了搞笑諾貝爾獎。
他的導師拿了兩次搞笑諾貝爾獎：第一次是他研究了一下，為什麼茶壺嘴裏倒出來的茶水，有時候會順着茶壺嘴流下來。第二次他研究的是，扎馬尾辮的人跑步的時候頭髮是怎麼甩動的。
他們的研究給了我很多啓發。我的“師傅”和我的“師祖”都拿了搞笑諾貝爾獎，我是第三代獲獎者。從他們那裏我明白了，會問有意思的問題至關重要。他們説，別人對我的看法我管不了。應用數學家大多對世界充滿好奇，他們用應用數學來解答生活中的問題。我就是這麼一個應用數學家。
搞笑諾貝爾獎（Ig Nobel Prize）是對諾貝爾獎的戲仿，與諾貝爾獎得主名單宣佈時間相近，主要表彰10種“乍看之下令人發笑，之後發人深省”的研究。胡立德和他的團隊兩次獲獎的研究分別是，“哺乳動物 21 秒尿尿定律”，以及“袋熊的大便為什麼是方形的”。
我在本科的時候對流體力學最感興趣。後來我的研究生導師就叫我去看看，昆蟲是怎麼在水上行走的。
人們都知道，有的昆蟲可以站在水面上。它們叫水黽，它們可以站在水上其實是得益於水的表面張力，表面張力把水面變成了一張蹦牀。除此以外，水黽腿上有很濃密的毛，這些毛也可以在水面形成足夠的表面張力，來支撐它們自己的體重。
雖然科學家知道它們是怎麼在水面上立住的，但是沒有人知道，它們是如何在水上行走的。我和我的博士生導師發現，它們其實是用腳，在水的表層以下製造旋渦，藉助旋渦的推力前進，就像這樣：
但它們的腿那麼小，是怎麼製造出那麼大的漩渦的呢？原來，它們可以通過腿讓水面變形，水面變形形成的凹面會把周圍的水向後推，就像船槳一樣。
一個很棒的設計師Brian Chan對我的研究很感興趣。他設計了一個類似水黽的機器人，重量只有0.3公克。
還有些機器人，有些用太陽能，有些可以在水上跳，如果將來人們要測量水中的化學物質，可以考慮使用這些便宜的機器人。
我從讀博士開始，就很好奇動物的行為和身體形狀背後的科學道理。自然界許多看似最簡單的問題還沒有答案，比如，為什麼機器狗還不能像一隻普通的狗那樣自然地走路。狗的身體有很多傳感器，骨頭、肌肉、肌腱，所有這些零件配合起來，讓狗可以走路，就像是魔法一樣。 我們身邊有很多司空見慣的東西，但不等於我們懂它們的機制。我在本科的時候，很幼稚地認為，幾乎所有的科學問題都已經有了答案。讀博士的時候才發現，人類只是解答了很小一部分自然的奧秘，而看似最簡單的問題，往往最難解答。
研究完昆蟲如何在水上行走後，我到紐約大學，開始研究蛇的運動。我不只研究蛇，我還在我紐約的公寓裏養了很多條蛇。我發現蛇身上的鱗片，是幫助它們在地上滑行的關鍵。2008年起我開始當教授，我做的研究大多數都像這樣受到動物的啓發。
我所研究的這門學科，是生物學底下的一個分支學科，叫作生物力學。這個學科的歷史很悠久，15世紀末意大利的達·芬奇就開始了生物力學方面的研究。在1950年代，伴隨着電腦的使用以及高速攝像機的發明，生物力學才逐漸成為了一個專業。高速攝像機非常重要，因為動物的運動太快了，人眼看不到。 現在大多數的生物學家都在研究細胞和基因，真正研究動物的人越來越少了，研究經費也大部分給了細胞和基因的研究。我覺得這很可惜，因為研究動物真的很有意思。接下來再和大家分享一些我這幾年做的研究。
9年前我兒子出生，初為人父，我每天要換很多尿布，很累，我都悶悶不樂。有一天，我才剛開始換尿布，我兒子就突然開始尿了，那時候我就會有些生氣。我老婆發現我沒有耐心的時候，她就會叫我數數。我一邊數數，我的兒子一邊繼續尿。隨着我換尿布的次數越多，我開始覺得，他尿的時間挺長啊！我數了下，差不多21秒。我換完尿布，自己去洗手間看看自己的排尿時間，居然也差不多是21秒。我當時就覺得這個事情很奇怪。我的兒子是一個嬰兒，這麼小，不過5公斤，而我是60多公斤，我的重量是他的十倍多，我膀胱的容量也應該是他的十倍多才對。但是為什麼我們倆排尿的時間是一樣的呢？ 第二天我就派我的學生去亞特蘭大動物園，去記錄各種動物的排尿時間。我給了他們一個秒錶和一個水桶。他們去了一整天，回來時髒兮兮的，衣服跟照相機上都有尿液的味道。
這次在一席，這個視頻是第一次展示，大家可以感受一下排尿系統的進化。
我們發現，哺乳動物按照尿尿時間可以分成2類：體重小於3千克的哺乳動物的尿尿時間很快，不到1秒。比如老鼠排尿的速度是百分之一秒，所以我們需要用到高速攝像機。體重大於3千克的哺乳動物，從吉娃娃到大象，排尿時間很相似，平均21秒。一隻狗的膀胱容積差不多一個杯子這麼大，但是一頭大象的膀胱容積，幾乎和廚房垃圾桶一樣大。它們的排尿時間為什麼會一樣呢？
我們查了50多位醫生和獸醫的文章，發現泌尿系統是一個很簡單的系統。大家都有一個膀胱裝尿液，底下有一條管子，長度和直徑的比例大概都是18比1。
我們做了一個實驗，三個容器分別是代表一隻狗，一個人，和一頭犀牛的膀胱容積。在底下放了三根管子，代表這些動物的尿道。你看，體積不同，但是都有一樣的清空時間。
為什麼不同的動物會有一樣的排尿時間？有兩個原因。我們用大象舉一個例子。第一個原因，想像一條尿道就是一條高速公路，尿液分子就是汽車。更寬的尿道，就可以通過更多的尿液分子。大象的尿道直徑有3釐米，跟我的手腕一樣粗，流量更大。
第二個原因比較複雜。更長的尿道，受地球引力的影響就會越大。大象的尿道長1米，尿液分子順着落下，壓力會更大，速度會更快。雖然大象的膀胱容積大，但是流量也大，就像同時開五個水龍頭一樣，所以不管膀胱的體積大小如何，它們的排尿時間很相近。我們發現的這個機制有什麼用呢？工程上，有時候我們需要很快地排空液體，比如消防車或者水塔裏的水，也許我們可以參考泌尿系統的設計方式，把10升、100升、甚至10000升的水都在21秒內倒光。這是自然的流體力學。
文章發表後，也有個意外收穫。有人看到文章後留言説，我很驚訝，因為我的平均排尿時間是60秒，而我最長的排尿時間是150秒，我以為這對於喝了很多飲料的人來説，很普通，直到我看這個研究。我是不是需要看醫生了？
確實如此。如果排尿時間過長，有可能是前列腺增大或是腫瘤的徵兆，尿道被壓迫後，就會減緩尿的流速。日本有一個泌尿科醫生找了2000多個日本人，調查他們尿尿的時間，發現年輕人尿尿是21秒，但80歲以上的老人就需要30秒以上。這是一個檢測膀胱健康程度的方法。
因為我有兩個小孩，所以我每天都在做清潔。我就想，為什麼動物不需要洗澡？我每個研究都會去找在這方面最厲害的動物，那清潔方面最厲害的就是貓了。貓每天醒來9個小時，3個小時都在舔自己。我們進行了測量，人洗一次澡需要10升水，而貓把自己舔乾淨只需要3勺唾液。你知道貓是如何清理自己的毛髮的嗎？如果你摸貓的舌頭，順着摸會感覺很光滑，逆着摸就會感覺很粗糙，有被砂紙刮到的感覺，這是因為貓舌頭上有290個突起。
實際上，世界上有36種貓科動物都有舌突起。對貓科動物來説，舌突起是很重要的，因為野生的貓科動物會面臨蜱蟲、跳蚤的危害。所以在1100萬年的進化過程中，貓逐漸形成了舌突起，可以從毛髮裏清除這些寄生蟲。
這是我們用高速攝像機拍下的，貓使用舌頭的過程。貓舌頭每舔一次，大概需要1秒鐘。貓的舌頭伸出去，然後像一個氣球一樣脹開，舌頭上的290個突起會立起來。所以貓舔毛，就像我們用梳子梳頭髮。
為了有更大的實驗樣本， 我們聯繫了一個叫“老虎天堂”的動物保護組織。這個組織收養了很多貓科動物，包括山貓、美洲獅、雪豹、老虎和獅子。他們也蒐集了很多貓科動物的舌頭標本。當時負責標本的學生，每天都要揹着一大包舌頭上學。貓舌頭很小，但獅子的舌頭差不多有人的頭那麼大。
我們用一把刀，很小心地把每一個舌頭的突起挖出來。清潔過後，用MRI掃描，做了這個視頻。我們發現，每一根突起，實際上是一根小吸管。
這讓我們想起蜂鳥的嘴，也是一根細小的吸管，蜂鳥通過表面張力的作用，可以用這根“吸管”喝到花蜜。
同樣的原理，當貓的舌頭在嘴裏的時候，唾液也會這樣自然地進入每一個舌突起裏面。當貓在舔毛的時候，突起跟毛髮接觸，唾液就會被帶出來。
貓舔毛不僅有清潔的作用，還可以維持體温。通過舔毛，舌頭上的突起把唾液帶到皮毛上，唾液蒸發的時候，可以幫助貓降低體温，防止過熱。貓本身沒有汗腺，這個降温過程對貓來説至關重要。
貓舔毛的過程，是不是也讓大家聯想到我們每天梳頭。在過去200年裏，梳子的設計一直都是硬的齒，梳子齒上面總是纏着很多頭髮，很難清理。受到貓舌頭突起的啓發，我們發明了一把貓舌頭仿生梳子。我們用3D打印機，打印了40根類似於貓舌突起一樣的齒，放在柔軟的硅膠上。這把梳子不會被頭髮卡住，並且非常好清潔。
有一天，我和3個月大的兒子安靜地坐在門口看雨，突然我兒子哭了起來，原來是有一隻蚊子叮了他一下。我覺得很奇怪。下雨的時候，雨滴掉落的速度是蚊子的10倍，雨滴比蚊子重50倍。一滴雨滴砸蚊子，就像一輛汽車砸人，蚊子怎麼不會被雨滴砸死呢？ 為了做這個實驗，我們在實驗室裏餵了幾個月的蚊子。蚊子是從疾控中心帶回來的。後來我們聽到了很多抱怨，因為這些蚊子不停地逃跑。我們實驗室是整座樓裏，唯一研究活動物的，所以跑了動物他們都知道是我們這裏的。不過大家沒有被白咬。這是我在實驗室拍的照片。看，令人討厭的蚊子竟然那麼漂亮！它們的眼睛是綠色的，身體是金色的，翅膀和腳看起來是那麼地柔軟，像羽毛一樣 。
我用高速攝像機拍下了雨滴砸蚊子的過程。
原來，如果砸中的是翅膀，蚊子就會向那一側傾斜50度，讓水滴順着翅膀滑走。
如果砸中身體，蚊子則不會抵抗，而且迅速隨着水滴一起下落，在下落過程中，它會很快和雨滴側向分離，恢復正常飛行。
因為蚊子那麼輕，雨滴砸到它們，雨滴不會破。蚊子像打太極拳一樣，不去抵抗雨滴，所以它們受到的力並不大。所以不好意思，雨滴不能幫你砸死蚊子了，最直接的辦法還是用手把蚊子拍死。
後來證明，我們關於蚊子的研究，對微型飛行器的製作比較有幫助。藉助這項研究，工程師可以改良設計，讓微型飛行器不易被雨滴或大風弄壞。有時候輕的東西，反倒更安全。
這就是今天我想給大家分享的幾個研究。我的研究並不是從剛開始就是好玩的。我剛開始做助理教授的時候，我想跟着經費走，不是跟着好的想法走，結果並不好。我覺得這樣就變成和其他所有人一樣了，心不在研究上了。後來我找到了自己的路。其他科學家怎麼看待這樣的研究呢？其實頂尖的期刊也總在尋找不同的東西。科學家也是人，也願意看到好玩的東西，所以我得到的評論意見一直都很好。
不過最關鍵的是，我們確實有新的發現。一個領域再怎麼好玩，如果你做不出新發現就沒法發表。這就是應用數學可以一顯身手的地方了：良好的實驗設計，加上計算，是好的研究的基礎，沒有這些是不行的。也許再回答最開始的問題。科學研究是否應該因為暫時的“無用”就被指責為“浪費”呢？我覺得，一段路從A到B，如果目的地明確，我們當然可以討論如何到達更加省油。但是當我們根本還不知道B在哪裏的時候，探索的過程又何來浪費一説？我現在既是一個科學家，也是兩個小孩的爸爸。我的小孩都對科學感興趣。我看到很多學生來美國讀研究所，他們當中有人接受了最好的科學教育，而且很聰明，但很可惜他們並沒有愛上科學，後來也都不再追求科學了。我覺得我們應該把科學當做一個愛好。
我也想呼籲科學家，更多地參與科學普及，讓人們更瞭解他們的研究。科學不應該是“高冷”的，而是需要和大家分享的。為了普及我自己熱愛的仿生學研究，我花了兩年時間寫了我的第一本書 How to Walk on Water and Climb up Walls （《如何在水上漂，在壁上爬：動物運動和未來機器人》）。這本書已經於今年3月正式出版發行，大家現在在大陸就可以買到。 最後，再次謝謝大家來聽我的演講。拜拜。
本文經授權轉載自微信公眾號“一席”。