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和蜘蛛合作一场音乐演奏是什么样的体验?

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撰文 | Jennifer Ouellette

翻译 | as

将蜘蛛网的横截面图像(以不同颜色显示)组合成这个3D图像,并转化为音乐。

一只蜘蛛正在编织着它那复杂的蜘蛛网,有点像一个人正在作曲,至少从麻省理工学院材料工程师Markus Buehler眼中看来,情况便是如此,这个人研究如何将网络结构转化为音乐旋律。他与合作者一起设计了一种方法,让人类“进入”3D蜘蛛网,并通过虚拟现实设置从视觉和听觉上探索其结构。

这项工作有朝一日可能会带来一种与蜘蛛进行“语言”交流的初步尝试,它们自己的交流方式是通过网的振动,比如在筑网时拉伸丝线,或者当一阵风吹过或被困猎物出现,都会出现这种振动。“蜘蛛生活在一个振动弦的环境中,”Buehler在一次线上新闻发布会中说到,“它们的视力不是很好,所以通过振动来感知它们的世界,这些振动具有不同的频率。”

一种人工蜘蛛丝的分子结构西安较好的癫痫病医院图,它具有结实、连接良好的长纤维,基于这种结构创造的音乐和基于非长纤维结构创造的有明显不同。

几年前,Buehler带领一个MIT科学家小组,将蜘蛛丝中蛋白质的分子结构映射到音乐理论上,产生了丝线的“声音”,他们希望藉此建立一种全新方式来创造设计蛋白。音乐作品的层次结构元素(音高、音域、力度、节奏)与蛋白质结构的层次结构元素类似——音乐中的音符和和弦都数量有限,需要将它们进行不同的组合来创作音乐,而蛋白质的构件也是有限的(20个氨基酸),它们能以多种方式进行组合以创建具有独特特性的新型蛋白质结构。

该项工作激发了2018年在巴黎举行的可听化艺术展“蜘蛛的画布”。艺术家Tomas Saraceno与这群MIT工程师合作,以桔云斑蛛(Cyrtophora citricola)的网为灵感,创作了一种类似竖琴的互动乐器,“网“中的每条线都被调成不同的音符。为了制作这个“竖琴“,团队使用激光扫描了蜘蛛网以捕获二维横截面,然后使用计算机算法重建了三维网络。接下来,他们将特定频率分配给网线,用作音符。把这些音符在网的三维结构中以各种模式组合起来,就可以生成旋律。

“蜘蛛的画布”音乐艺术展被认为是一场跨学科跨物种的合作

对于这种方法创作出来的音乐,Buehler 评价说:“声音非常复杂,听起来不像传统的调音乐器,因为蜘蛛当然不会使用我们在音乐创作中的调音系统。相反,蜘蛛已经把网调成了它们自己的想法,即如何作为最佳传感器,最佳捕食设备。它的声音相当令人难忘——不常见,却非常美。”(想要感受一下的话,请前往“返朴”观看视频)

2019年,Buehler的团队接着开发了一种更为先进的系统,用蛋白质结构制造音乐,然后再将其转换回来,创造出自然界中从未见过的新型蛋白质。他们根据每个氨基酸的天然共振频率为其分配了一个音调为什么会得癜痫病——实际上更类似于一个和弦,因为氨基酸以几个有所重叠的频率进行振动。分子的不同三维结构决定了每个音调的持续时间。

MIT科学家们将蛋白质的分子结构转化为类似音乐段落的可听声音,并将音乐重新转化为新的蛋白质。

由于存在20种氨基酸,这就产生了20种音阶。该团队还开发了一款名为 “氨基酸合成器 “的免费安卓应用,用户可以用氨基酸的声音来创造自己的蛋白质“曲谱”。还记得吗,在去年,Buehler的实验室应用同样方法建立了新型冠状病毒SARS-CoV-2突刺蛋白的振动特性模型,正是这个结构使得它具有如此高的感染率。(as对此曾有介绍,见各位听众注意!下面请欣赏新冠病毒带来的原创单曲)

“氨基酸合成器“的使用界面

Buehler在线上新闻发布会中的演讲侧重于介绍如何在虚拟现实环境中,让用户进入一个蜘蛛网,并在其结构中四处游走。通过将视觉和听觉结合起来,人们或许能发现更多有趣的结构特征,因为这能让用户对蜘蛛网有了更丰富的感官体验。

尽管大多数人都熟悉二维蜘蛛网,但大多数蜘蛛实际上都构建的都是三维蜘蛛网,而他最感兴趣的正是通过声音探索这些结构。他把蜘蛛当作一台“自主3D打印机”,和人工3D打印过程不同的是,它无需任何支撑性脚手架即可构建蜘蛛网。“所以,我们有一种由蜘蛛实时创建或旋转的材料,能耗非常低,可以在三维空间中创建这些非常复杂的结构。”

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Markus Buehler在线上发布会中介绍自己实验室的工作。

他们的一些实验会在构建蜘蛛网时对其进行扫描,然后将每个阶段转换为音乐,这样团队就能以可听形式研究该过程。Buehler说:“我们可以为每种构造状态创建一个竖琴,因此你可以开始了解在建造过程中,蜘蛛竖琴实际上是如何变化的,几乎就像一种活乐器一样。” 研究人员还能在虚拟环境中研究网的声音如何响应不同的机械力而发生变化,例如拉伸特定的股线并增加张力,直到股线断开产生断裂声。

在虚拟环境中调试蜘蛛网音乐

研究的最终目的,是学习如何创建类似的合成蜘蛛网和其他模仿结构。“我们有兴趣改变我们对材料的整体思考模式。蜘蛛能够通过振动感知网的完整性。如果遭到损坏,它们可以去修复。它们和自己建造的结构之间有着完全不一样的关系,它们实际上是其中的一部分。” 他设想未来的人造结构(例如桥梁)将采用类似的内置修复机制进行设计,这样就不会等到它断裂以后再进行修复了。“它将成为一个活的有机体。”

蜘蛛利用它们的网来捕捉猎物,同时还通过网上的股线振动来收集感觉信息、拍打网络产生振动模式。在其他实验中,Buehler等人记录了蜘蛛进行不同活动时的各种网络振动,例如发送求偶信号。他们专门设计一种机器学习算法来区分各种声音,因为这些频率在人耳中听起来几乎都是一样的。

而现在,他们正在尝试产生合成信号,以初步“说”出蜘蛛的语言。“如果我们将它们置于某些节律或振动模式下,我们是否可以影响它们的工作,我们是否可以开始与它们进行交流?这些都是非常令人兴奋的想法。“

本文经授权转载自微信公众号“科学艺术研究中心”。治疗癫痫病药德巴金片原文链接:https://arstechnica.com/science/2021/04/mit-scientists-study-spider-web-structure-by-translating-it-into-music

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