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奖励可以改善视觉感知学习——但只有在人们睡觉之后

位于美国罗德岛州普罗维登斯[布朗大学]-过去的研究发现,在视觉感知任务中奖励参与者会导致表现的提高。然而,新的研究表明,只有参与者在完成任务后补充睡眠,他们的表现才会有所提高。

布朗大学(Brown University)认知、语言和心理科学教授、该研究通讯作者佐佐木由香(Yuka Sasaki)说,这些新发现可能会对那些试图牺牲睡眠来进行深夜学习的学生产生特别的影响。

佐佐木说:“大学生学习非常努力,有时还会缩短睡眠时间。”“但他们需要睡眠来保持学习。”

这项研究本月发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上。一些参与者被告知在任务开始前的几个小时内不要进食或饮水,然后给他们几滴水作为对正确反应的奖励。与那些在训练中没有得到奖励的小组相比,得到奖励的参与者表现出了显著的成绩提高——但只有在训练后睡觉的时候。这一发现表明,直到人们睡觉时,奖励才会改善视觉感知学习。

研究人员认为,奖励(或对奖励的预期)强化了大脑奖励区和视觉区之间的神经回路,这些回路更有可能在睡眠期间重新激活,以促进任务学习。的确,在训练后的睡眠中,脑电图(EEG)记录发现,受奖励的参与者的前额叶、奖赏处理区域的活动增强,而未受训练的视觉区域的活动减弱。

这种激活模式可能可以用过去的研究来解释,过去的研究表明,大脑的前额叶和奖赏处理区域发出信号来抑制视觉处理区域的一些神经元。结果,删除了不相关的连接,保留了最有效的连接,提高了任务性能。

该研究还检测了这些激活模式的发生时间。大脑中未经训练的视觉区域在快速眼动睡眠和非快速眼动睡眠时都表现出活动减弱,但前额叶、奖赏处理区域只有在快速眼动睡眠时才变得活跃。快速眼动睡眠对任务学习似乎特别重要——可能是因为在这个睡眠阶段连接被重新组织和优化了——它可能与大脑奖赏处理区域的激活有关。与这一理论相一致的是,与那些在训练中没有得到奖励的参与者相比,得到奖励的参与者表现出更长的快速眼动睡眠时间。

佐佐木补充说,与金钱等奖励相比,食物和水等基于身体的奖励对神经回路的影响可能更大。

“缺水可能是根本原因,”她说。“当你真的很渴的时候,你会得到水作为奖励,这种奖励的影响可能会更大。”

未来的研究可以检验其他类型的学习,如运动和联想学习,是否也受益于奖励和睡眠之间的相互作用。

今后,佐佐木希望这项研究能鼓励睡眠研究人员和研究强化学习的科学家之间的合作。

她说:“强化学习是神经科学的一个热门话题,但它与睡眠研究的相互作用不大。”“所以这可能会导致更多的跨学科工作。”

除佐佐木外,参与这项研究的其他布朗大学(Brown University)作者还包括添木雅子(Masako Tamaki)、亚伦v贝拉德(Aaron V. Berard)、泰勒巴恩斯-戴安娜(Tyler barners – diana)、杰西西格尔(Jesse Siegel)和渡边武男(Takeo Watanabe)。

这项研究由美国国立卫生研究院(R21EY028329, R01EY019466, R01EY027841和T32EY018080)和美国-以色列两国科学基金会(BSF2016058)资助。

这篇新闻报道的作者是特约科学作家凯丽·本森。

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研究发现,并非自然界所有的层状结构都像动物的壳和鹿角那样坚硬

罗德岛普罗维登斯(布朗大学)——珍珠层——软体动物外壳的闪光部分——是生物灵感设计的典型代表。尽管珍珠层由易碎的白垩构成,但其复杂的层状微结构赋予了它非凡的抵抗裂纹扩展的能力,这种材料特性被称为韧性。

工程师们希望设计出更坚固的材料,长期以来一直试图模仿这种自然分层,这种情况也出现在海螺壳、鹿角和其他地方。但布朗大学研究人员的一项新研究提醒人们:并非所有的层状结构都如此坚硬。

这项发表在《自然通讯》杂志上的研究测试了另一种因其物理特性而闻名的层状微观结构——一种被称为Euplectella aspergillum的海绵的锚刺。针状体是层状玻璃的细丝,将海绵固定在海底。研究人员说,针状体的层状结构常被拿来与珍珠层相比较,人们认为针状体的结构同样可以增强韧性。而这项新研究的结果却恰恰相反。

布朗大学最近毕业的博士生、该研究的合著者马克斯·蒙恩(Max Monn)说:“尽管珍珠层和真针状体的结构有相似之处,但我们发现,在增强其韧性方面,真针状体的结构做得相对较少,这与长期以来的假设相反。”

在这项研究中,研究人员比较了Euplectella针状体和另一种海绵物种Tethya aurantia的韧性。特提亚针状体的化学组成与真褶菌针状体相似,但缺乏层状结构。为了测试韧性,研究小组在针状体上开了小口,然后弯曲它们。通过测量裂纹在弯曲应变作用下从缺口扩展时所消耗的能量,研究人员可以量化两种类型针状体的韧性。

研究人员发现,当分层结构被弯曲时,裂缝可以从一层传播到另一层。这否定了通常与刚性生物材料的分层有关的韧性增强。

实验表明,这两种针状体的韧度差别很小,这说明Euplectella的分层并不能提供很大的韧度增强。利用计算机建模,研究人员能够更深入地研究为什么分层增强了某些材料的韧性,而不是其他材料。结果表明,圆柱形针状体的分层曲率对层状结构的韧性增强起着抑制作用。研究人员说,与珍珠层类似的扁平层似乎可以防止裂缝从一层向另一层扩散。但在具有弯曲层的材料中,如真褶菌针状体,裂纹能够从一层跳跃到另一层,而不是在层之间停止。

布朗大学工程学院的助理教授兼该论文的主要作者Haneesh Kesari说,这些发现揭示了一种之前未知的层状材料的弯曲度和韧性之间的关系,并对仿生复合材料的设计具有启示意义。

“具体来说,它表明,如果你采用分层结构来增强材料的韧性,你应该小心那些需要弯曲层的区域,”Kesari说。“我们对针状体的测量和计算模型的结果表明,弯曲层的韧性增强程度不如平面层。”

这些发现并不意味着Euplectella针状体的分层结构不有趣。科萨里实验室之前的研究表明,这种分层结构似乎极大地提高了针状体的弯曲强度——在弯曲失效之前,能够承受较大的弯曲曲率。但是弯曲强度和韧性是非常不同的机械性能,研究人员说,帮助消除分层总是增强韧性的想法是一个有用的见解,一般的仿生设计。

“我们的研究表明,并不是所有的分层结构都能显著提高韧性,”布朗大学的研究生、该研究的合著者Sayaka Kochiyama说。“更好地理解结构-性能关系对于避免幼稚的生物模拟是必要的。”

这项研究得到了海军研究办公室(N000141812494)、国家科学基金会(1562656)、美国机械工程师协会和美国国家航空航天局罗德岛空间资助联盟的支持。

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种族专家和教育家贝弗利·丹尼尔·塔图姆为马丁·路德·金做演讲

普罗维登斯,R.I.(布朗大学)-贝弗利·丹尼尔·塔图姆,斯佩尔曼学院名誉院长,《为什么黑人孩子都坐在自助餐厅里?以及其他有关种族的对话”将于2月11日星期二在布朗大学发表今年的马丁·路德·金演讲。

在一次由机构公平和多样性副总裁Shontay Delalue主持的谈话中,塔图姆将提供关于教育中的种族的见解,这是她几十年来作为学术环境的领导者所得到的启发。

Tatum的作者、教育家和心理学家贝弗利·丹尼尔·塔图姆(Beverly Daniel Tatum)花了几十年时间关注种族身份的发展,尤其是黑人家庭和白人社区的儿童。

谈话结束后,与会者被鼓励参与与塔图姆的问答环节。

作为一名临床心理学家,塔图姆花了几十年时间关注种族认同的发展,尤其是黑人家庭和白人社区的儿童。塔图姆是高等教育中有影响力的一股力量,她的研究成果被广泛引用,经常是教师和管理人员的必读书目。

13年来,塔图姆一直担任斯佩尔曼学院(Spelman College)的总统,这是美国历史上最古老的黑人女性文理学院,她的领导能力以创新和成长为标志;2013年,她获得了纽约卡内基基金会颁发的学术领袖奖。

塔图姆著有多本书,包括《我们能谈谈种族吗?以及在学校种族隔离时代的其他对话,以及“为什么所有的黑人孩子都坐在餐厅里?”这本书被美国多元文化教育协会选为1998年的畅销书。 

在她数十年的职业生涯中,塔图姆获得了无数的奖项,包括美国心理协会颁发的终身心理学杰出贡献奖——该协会的最高荣誉——以及布罗克国际教育奖。

2月11日在布朗大学举行的活动将于下午6点在所罗门教学中心的德西西奥家庭礼堂举行。它是免费向公众开放的。1月31日开始售票,但必须提前预订。

马丁路德金演讲

20世纪60年代,牧师小马丁·路德·金(Rev. Martin Luther King Jr.)曾多次拜访布朗,其中包括1967年4月他去世前不到一年的一次访问。在那次访问中,他就越南战争和美国民权发表了慷慨激昂的演讲。

由机构公平与多样性办公室组织的马丁·路德·金讲座于1996年在布朗大学成立,由前纽约市长大卫·丁金斯担任演讲嘉宾。过去的讲师包括作家和活动家Cornel West;活动家和教育家安吉拉戴维斯;全国城市联盟主席兼首席执行官休·b·普莱斯;社区治疗师、诗人及电影制作人李文华;埃默里大学名誉教授、斯佩尔曼学院名誉院长Johnetta B. Cole;哈佛大学法学院法学教授兰德尔·肯尼迪;美国黑人学院基金总裁兼首席执行官迈克尔·洛马克斯,芝加哥活动家兼作家伊丽莎白·马丁内斯。

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在400万美元的资助下,布朗和大学合作伙伴扩大了人文学科的种族研究

位于美国罗德岛州普罗维登斯布朗大学[]——一个新的安德鲁·w·梅隆基金会的400万美元的赠款,布朗大学的种族和民族研究中心(CSREA)将在美国耶鲁大学和学术中心合作,芝加哥大学斯坦福大学推出的一系列项目面临重大问题根植于种族不平等、经济不平等和监禁。

新的合作伙伴关系的领导人说,这次合作将在所有四个校区扩大对人文学科种族的研究。除了布朗大学的CSREA,它还将包括耶鲁大学的种族、个体和跨国移民研究中心,芝加哥大学的种族、政治和文化研究中心,以及斯坦福大学的种族和民族比较研究中心。

Tricia Rose and Trevor Noah社区研究中心主任翠西亚·罗斯(Tricia Rose)希望扩大以人文为基础的奖学金,开设有关种族和民族问题的课程。照片:迈克·科海(Mike Cohea) /布朗大学

布朗大学非洲研究教授、CSREA主任崔茜卡·罗斯(Tricia Rose)说:“长期以来,人们一直需要更多以人道主义为基础的奖学金和有关种族和民族问题的课程,因为这是一个经常发现自己资金不足、被边缘化的领域。”梅隆基金会的这项资助是对布朗大学和其他大学种族和民族研究重要性和相关性的认可。扩大这方面的研究和课程,扩大社区参与有关种族问题的讨论,将帮助我们朝着建立一个反思和包容的多种族民主制度迈出重要一步。”

在过去的一年里,这四个中心的领导们召开会议,讨论人文和艺术学科中关于种族的跨学科研究和教学的重要性,分享管理上的挑战和教员的支持。这些讨论引导小组发展了罗斯所说的一种创新和协作的方法,通过一种新的伙伴关系来加强所有的中心,并确认了种族对所有人文学科领域的至关重要性。

“很少看到四所大学为了一个共同的目标而走到一起,”耶鲁大学的RITM主任、梅隆基金会(Mellon Foundation)的首席研究员斯蒂芬·皮蒂(Stephen Pitti)说。“但我们的中心都致力于使用人文学科的方法来探索种族如何塑造了现代世界,我们相信,通过合作,我们能够最好地推进学术和教学,最好地改造我们的大学和更广泛的学术机构。”

该奖项将平均分配给四所大学,其中100万美元将在四年内拨给CSREA。罗斯表示,初步计划包括开发多个项目,包括:

  • 一项教员研究员计划,该计划将把布朗大学和访问人文学者带到CSREA,以获得新的以种族为重点的研究机会;
  • 人文实验室,在那里,学生和教师将在表演、社区合作或研究项目上进行合作,重点关注特定的主题或社会问题;
  • 透过伙伴关系内的两所或以上大学合办有关种族和族裔的课程;
  • 还有一系列免费的公共活动,包括当代作家关于美国种族的对话、社会正义主题的艺术展览和会议。

罗斯说,每一项举措不仅将把种族和民族问题置于人文学科研究的前沿,而且还将强调人文学科在帮助克服和解决根深蒂固和似乎难以解决的问题方面的转型作用。

罗斯说:“我们面临的许多重大危机,都是根据大数据所提供的力量和洞察力而重新考虑的。”“虽然我们需要所有能找到的工具,但数据是否拥有我们生活所需的所有答案?”数据收集没有偏见吗?我们的探索不仅应该包括数据分析,还应该包括更深入、更深入的人文问题。我们需要人文学科来解答一些至关重要的指导性问题,比如我们正在做的事情的性质,我们为什么要做这件事,以及我们最终追求的结果。”

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研究人员将测试可穿戴设备的减肥效果

罗德岛普罗维登斯(布朗大学)——一种监测你饮食的可穿戴设备能帮助你减肥吗?

米瑞安医院(Miriam Hospital)和布朗大学(Brown University)的研究人员将与美国其他几所大学合作,在一项由美国国立卫生研究院(National Institute of Health)提供的250万美元资助的临床试验中,寻求这个问题的答案。

Graham Thomas是布朗大学精神病学和人类行为(研究)的副教授,同时也是Miriam体重控制和糖尿病研究中心的行为科学家,是该项目的联合首席研究员。他将使用一个与阿拉巴马大学的研究人员合作开发的巧妙装置,在超重或肥胖的成年人身上测试这项技术。

托马斯说:“这项技术有望为人们提供一种新的、更轻松的方式来监控和控制他们的饮食。”

该设备夹在处方或非处方眼镜上,包括一个用于拍摄食物的微型高清摄像头,以及监控咀嚼的传感器。传感器准确地检测食物的摄入量,并触发相机记录下吃了什么,以及测量穿戴者什么时候、吃了多少、吃了多快。

阿拉巴马大学(University of Alabama)电气与计算机工程学教授、联合首席研究员爱德华·萨佐诺夫(Edward Sazonov)设计了这款正在申请专利的装置,他把它称为“自动摄食监测器”(Automatic Ingestion Monitor,简称AIM)。

Sazonov说:“想要通过改变饮食习惯来达到并维持长期的减肥效果是很困难的。”“我们正在研究一种适应个人饮食习惯的设备是否能改变这种情况。”

托马斯说,萨佐诺夫希望测试他的设备,并向他寻求合作,因为他在健康行为科学方面的专业知识。

托马斯说:“我的工作重点是利用科技来了解和促进健康行为,尤其是那些与肥胖有关的行为。”“所以这正是我的拿手好戏。”

这项由美国国立卫生研究院下属的国家糖尿病、消化和肾脏疾病研究所(National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases)向阿拉巴马大学(University of Alabama)提供的资助,将使研究人员能够在四年多的临床试验中测试这种设备。今年秋天获得了第一轮融资。参与这项研究的患者中,约有一半将由托马斯在罗德岛招募。    

在临床试验期间,该设备的内置电脑将与佩戴者的智能手机进行通信,在必要时,触发手机发送精心设计的信息,建议修改佩戴者的饮食行为。

其他研究人员的研究表明,跟踪自己的饮食是控制体重最有效的方法之一,但这可能是一项繁重、乏味且容易出错的工作。事实证明,电子健身追踪器很受欢迎,因此,对于那些愿意接受一种高科技可穿戴方法来帮助改变自己行为的人来说,这种设备可能是有效的。

Sazonov说:“这项技术的关键是学习个体的饮食行为,然后尝试提供个性化的反馈来改变这些行为。”

之前的研究表明,这项技术可以准确地测量食物摄入量,这一点非常重要。但这只是故事的一部分。

“吃的方式和吃的东西一样重要,”萨佐诺夫说。他说:“我们还在研究食物的摄取量。我们想要慢下来,更注意我们的饮食。每个人在什么时候吃,吃什么,吃多少和吃多长时间各不相同。我们使用机器学习来创建这些个人饮食模式的模型。在我们了解了每个人的饮食模式后,我们看到了如何通过建议小的改变来减少总能量消耗来控制饮食。”

该项目的其他研究人员包括波士顿大学的梅根·麦克罗里、科罗拉多大学的珍妮·希金斯以及阿拉巴马大学的克里斯·克劳福德和杰森·帕顿。

这个故事改编自Miriam医院的Richard Salit撰写的一篇新闻报道。

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在克罗地亚,布朗考古学家追溯了几代人以前的难民路线

普罗维登斯,罗德岛(布朗大学)——在克罗地亚迪纳里克阿尔卑斯山脉的山麓小山脚,离游客众多的亚得里亚海海岸只有十几英里远,二战造成的破坏的证据仍然存在。

藤蔓长在一座石头教堂的地基上,很久以前被风吹得粉碎。一架美国飞机的部件在坠机地点的地面上徘徊。在整个小镇被炸弹夷为平地的地方,有一个爆炸装置没有引爆。

在最近一次对该国Drežnica地区,考古学家鲁伊·戈梅斯科埃略不遇到这些工件,鉴于克罗地亚-前南斯拉夫的一部分是一个痛苦的分裂和无情的种族清洗中心在1940年代。

1943年,美国和英国的飞机向当时的南斯拉夫的解放区运送了医疗和食品。这个美国红十字会的板条箱,现在用作狗窝,仍然在难民通道附近。

他说,更令人惊讶的是材料的残余团结、信任和支持Drežnica的居民和难民之间通过逃避炸弹和迫害的地区:美国红十字会的木箱,一旦充满了救灾物资;仍含药物的药瓶;有些人躲在洞穴里的火坑里,接受镇上人的物资。

科埃略说:“当我们想到第二次世界大战时,我们脑海中就会浮现出大战的画面,将军们在战场上作战。“但在战斗进行期间,难民们躲在山里,当地的男男女女冒着生命危险为他们提供医疗照顾,并把蔬菜运到营地。”

科埃略是布朗大学儒科夫斯基考古与古代世界研究所的博士后研究员。他所在的研究小组正在巴尔干半岛中部追踪一条鲜为人知的路线。这些难民中的许多人是为了逃离轴心国和控制巴尔干半岛大部分地区的其他法西斯组织的迫害、监禁和死亡。一些人被送往附近被南斯拉夫抵抗运动解放的地区;其他人前往意大利、叙利亚和埃及的盟军难民营。

居民Filip Maravic菲利普MaravićDrežnica,提出了在自己的画像,并在他面前二战抵抗制服,左,和他的穿制服的弟弟。他是该地区仅存的游击队战士。

科埃略说:“第二次世界大战期间,来自不同种族和宗教团体的人参加了抵抗运动,建立了一个由营地和医院组成的网络。“他们并不是单纯地考虑当前的战争时刻。他们也在考虑如何保护那些没有家、没有食物、没有照顾的人。他们在思考如何为未来建立一个共同的社会。”

他说,科埃略不仅仅是为了历史而追踪难民路线。他从事的是他所在领域的许多人所称的批判性考古学:“这种研究过去的想法是为了回答我们今天提出的问题,把过去的经验应用到今天重要的问题上。”他是布朗大学无数致力于教学和研究的新人文主义者之一,他们利用历史记录来解决当前具有广泛意义的智力和社会问题——这是大学里一个日益关注的领域。

他说,现在是研究历史上的难民路线的最佳时机。经过几十年的沉寂,徒步旅行又开始活跃起来。这一次,难民们正从相反的方向逃离,逃离中东、中亚和非洲那些饱受战争蹂躏或贫困的国家。许多人计划在德国和奥地利等欧洲国家定居。难民在巴尔干地区的存在,对欧洲在向那些在自己国家面临冲突的人提供援助和庇护方面的作用提出了新的疑问。

科埃略说:“我们不想绘制这条路线,把这些难民置于危险之中。“但我们想让它的存在可见,我们想比较过去和现在。我们在欧洲正面临日益严重的分裂,仇外的威胁再次出现;我们认为,第二次世界大战期间的抵抗斗争是一个很好的例子,说明人们如何能够跨越种族和宗教的界线,在危机时期共同对抗不公正。”

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研究生院院长领导研究生院理事会

普罗维登斯,R.I.[布朗大学]——研究生院理事会,代表北美约500所从事研究生教育和研究的学院和大学,已选定布朗大学研究生院院长安德鲁·坎贝尔为其未来的董事会主席。

坎贝尔从2016年开始领导布朗大学的研究生院,他将在2020年成为当选主席,然后在2021年成为主席。在2019年12月的研究生院理事会(CGS)年会上,他的入选被正式公布。

“培养未来的领导者在教学、研究和跨学科知识进步方面做出重大贡献,这是我们布朗大学严肃对待的责任,而在董事会层面将研究生院与研究生理事会联系起来的机会是非常令人兴奋的,”坎贝尔说。“这一任命为我们带来了向众多不同机构学习的机会,因为我们不仅在我们的校园,而且在全国范围内继续改善研究生教育。”

在布朗大学,坎贝尔负责在40多个系、中心和研究所(包括工程学院、公共卫生学院和专业研究学院)招收和支持2600多名攻读博士和硕士学位的学生。

除了担任研究生院院长外,坎贝尔还是一名医学教授,主要研究微生物疾病。自1994年他来到布朗大学担任助理教授以来,他一直为布朗大学的本科生和研究生提供教学和咨询服务。

他目前是两项联邦国家卫生研究院(NIH)拨款的首席研究员,并领导NIH资助的最大化学生发展计划,该计划在布朗大学显著改善了招生和学生的表现,这些学生来自各个学科的博士项目中历来代表性不足的群体。

在过去的25年里,坎贝尔作为一名教师、研究员和导师获得了多项荣誉,包括国家科学基金会终身成就奖、美国艾滋病研究基金会研究员奖,以及布朗大学教师治理卓越奖。

理事会由12名成员组成,成员均来自会员机构。它是一个致力于促进研究生教育和研究的国家组织,其重点是政策领域的宣传、创新研究以及发展和传播最佳做法。坎贝尔将接替南加州大学负责研究生项目的副教务长普拉特(Sally Pratt),后者将在2020年担任董事会主席。

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故事中的一年——2019年

普罗维登斯(普罗维登斯),罗德岛(罗德岛)(布朗大学)——2019年是布朗大学忙碌而充实的一年,学生、教师和员工推进和庆祝的项目和举措,使布朗大学在通过研究、教学和创新解决世界上最棘手的挑战方面真正与众不同。

在这一年,布朗大学庆祝了其创新的、以学生为中心的开放课程的50周年纪念,达到了其10年卓越战略计划建设的中点,并纪念了奴隶制和司法研究中心的5周年纪念。

这所大学实施了一些新举措,包括取消24个博士学位项目的研究生入学考试要求,以使布朗大学的教育更加普及。连续第三年,布朗大学都是富布赖特奖学金获得者最多的大学。

布朗大学的学者们继续在从脑科学、公共卫生到工程学、经济学和数字人文学科等各个领域进行前沿研究,他们的研究成果影响深远,并获得了新的重大资助,进一步拓展了发现的边界。

随着2019年接近尾声,以下是布朗今年最值得关注和阅读最多的21个故事,按时间倒序排列。

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本科生梅克在工程研究实验室找到了归宿

普罗维登斯,R.I.(布朗大学)——丹尼尔·哈里斯总是在布朗工程学院的流体动力学实验室里寻找特定类型的学生。

助理教授哈里斯(Harris)说:“我寻找有创造力的人,他们能建造东西,能重复设计,能想出点子。”“他们不需要马上知道所有的流体力学——我们可以教他们。但我想要的是能做出东西的人。“Junior engineering student Ian Ho

哈里斯找到了这样一个学生——伊恩·何(Ian Ho),他是布朗大学大三工程专业的学生,一年级时加入了实验室。哈里斯说,在过去的两年里,何让自己成为了实验室不可或缺的一部分。最近,何超琼制造了一种装置,使测量以前从未测量过的力成为可能。她是一篇描述这项工作的期刊文章的主要作者。 

“大一新生在实验室从事研究工作的情况并不常见,”哈里斯说。“但伊恩在这里扮演着关键的角色。他真的带头制造了使这篇最新论文成为可能的装置。”

何说,实验室的工作是他布朗大学经历的基石。

“在设计和实施定制实验室实验的过程中,我学到了很多东西,”何说。“除了哈里斯教授的指导,我发现这些经历真的非常宝贵,是我通常不会从课程作业中得到的东西。”

何与人合著的论文探讨了许多人每天早上在早餐桌上看到的一种现象——“麦圈效应”。“据观察,碗里最后几块麦片往往会聚集在牛奶表面,而不是随机分散。科学家们对这种现象产生的原因有一个很好的理论解释,但是没有人实际测量过这种规模的力。了解这些力可能对微型机械的自组装或小型水上机器人的设计有用。

但是当时还没有能够进行测量的仪器,所以何不得不自己建造一台。

他制造的装置由一个小水缸组成,周围环绕着线圈。两个切脸大小的塑料圆盘,其中一个装有磁铁,放在水面上。电流通过线圈产生磁场,磁场将磁化的磁盘抽离,另一个则固定在原地。通过测量磁盘开始相互远离时的磁场强度,研究人员可以确定它们之间的吸引力大小。

由于实验的性质,大部分设备需要定制制造,何说。

“你可以买到一些预制的部件,但我们自己制造所有东西的原因是,它必须是非铁磁性的,”何说。“铁磁材料会扭曲磁场,所以我们不能使用它们。”

利用哈里斯实验室和布朗设计工作室(面向所有学生开放的创客空间)提供的3D打印机、激光切割机和其他工具,何得以设计出原型机。经过反复试验,他终于有了一个可以进行测量的成品。

Image of a cereal bowl

研究人员首次直接测量了“麦圈效应”的力量

伊恩·霍发明的装置使测量这些微小的力成为可能。阅读更多…

一路上遇到了不少挑战。该设备测量的力大约是一只蚊子的重量,所以Ho必须注意设备本身不会干扰测量。Ho说,一个特别让人沮丧的地方是,在测量完成之前,有两根微小的杆支撑着圆盘。

“一开始,我们的燃料棒表面有些粗糙,”何说。“我没有正确地打磨它们,它们影响了我们的力量测量。所以我必须回去,去掉任何瑕疵。”

哈里斯说,何大一的制作工作是整个项目的一部分。

“我们有一个模糊的概念,用磁铁来测量,”哈里斯说。“但实际上必须有人来建造这个东西,伊恩就是这么做的。”

这项工作最终得到了所有相关人员的回报。科学界首次获得了一种力的测量方法,这种方法将在微尺度机器的开发中非常有用。何获得了大量的设计和研究经验,并在一本著名杂志上发表了第一篇论文。他说,他在实验室的经历对他思考获得学士学位后的职业方向起到了关键作用。 

他说:“我在哈里斯实验室的经历告诉我,我真的很喜欢研究,我希望毕业后通过攻读博士学位,继续学习和积累过去的经验。”

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研究人员首次直接测量了“麦圈效应”的力量

普罗维登斯,R.I.(布朗大学)——每天早晨,在数百万个麦片碗中都会出现一种有趣的流体动力学现象。当牛奶上面只剩下几片麦片时,它们往往会聚集在碗的中间或边缘,而不是分散在表面上。

现在,布朗大学的一组研究人员已经开发出一种方法来测量这种类型的聚集所涉及的力量。研究人员说,这是第一次在实验中以毫米/厘米的尺度测量这些力。这项工作的意义远远超出了谷物碗——其结果可能在指导微型机器的自组装或设计在水中或水中周围操作的微型机器人方面很有用。

“有很多模型描述了这种Cheerios效应,但都是理论性的,”布朗大学本科生伊恩·何(Ian Ho)说。“尽管这是我们每天都能看到的东西,而且这对自我组装等事情很重要,但还没有人做过任何这种规模的实验测量来验证这些模型。”这就是我们在这里能够做到的。”

Image of an experiment是一种定制的装置,用来测量人造麦片之间的吸引力。

这项研究发表在《物理评论快报》上。何的合著者是布朗大学的访问学者Giuseppe Pucci和布朗大学工程学院的助理教授Daniel Harris。

麦圈效应源于重力和表面张力的相互作用——液体表面的分子倾向于粘在一起,在表面形成一层薄膜。像Cheerios这样的小物体的重量不足以打破牛奶的表面张力,所以它们会漂浮。然而,它们的重量确实在表面薄膜上造成了一个小凹痕。当一个Cheerio凹痕足够靠近另一个凹痕时,它们就会相互融合,最终在牛奶表面形成集群。

为了测试麦圈——以及其他麦圈大小和重量范围内的物体——相互吸引的强度,研究人员使用了一种定制的设备,该设备使用磁力来测量力。这个实验包括两个麦片大小的塑料圆盘,其中一个包含一个小磁铁,漂浮在一个小浴缸里。浴缸周围的线圈会产生磁场,当另一个被固定住时,磁场会把磁化的磁盘拉走。通过测量磁盘开始相互远离时的磁场强度,研究人员可以确定吸引力的大小。

“磁场给了我们一种非机械的方式来施加力到这些物体上,”哈里斯说。“这很重要,因为我们测量的力类似于蚊子的重量,所以如果我们身体接触这些身体,我们会干扰它们的移动方式。”

Image of junior engineering student Ian Ho

本科生梅克在工程研究实验室找到了归宿

伊恩·何已经成为丹尼尔·哈里斯流体动力学实验室的常驻工程师。

实验表明,传统的相互作用数学模型实际上低估了磁碟非常靠近时的引力强度。起初,研究人员并不确定发生了什么,直到他们注意到,当两个圆盘靠近时,它们开始相互倾斜。这种倾斜使圆盘对液体表面产生更大的推力,从而增加了液体的反作用力。这额外的推动导致了磁盘之间的吸引力略有增加。

哈里斯说:“我们意识到,我们的模型有一个额外的条件不令人满意,那就是倾斜。”“当我们在模型中加入这一要素时,我们达成了更好的一致。这就是在理论和实验之间来回转换的价值所在。”

研究人员说,这些发现可能对微型机器和机器人的设计有用。例如,人们对使用小型的像蜘蛛一样的机器人进行环境监测很感兴趣。这项工作揭示了这些机器人将会遇到的各种力。

“如果你有多个小机器在移动,或者一个机器人有两条或更多的腿,你需要知道它们相互之间施加了什么力,”哈里斯说。“这是一个有趣的研究领域,我们能为它贡献一些新东西,这令人兴奋。”

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