论如何自制哪吒

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今年暑假一部被称为“国漫之光”的电影——《哪吒之魔童转世》，广受热议。从故事情节到后期制作，处处体现着幕后人员的良苦用心。“坏小孩”哪吒因颠覆传统的形象，深受观众的喜爱；一句“我命由我不由天”更是“燃”爆整个夏天！

强大的哪吒背后，离不开一系列“黑科技”支持。今天，我们就带你科学“拆解”哪吒，带你探索哪吒身上的黑科技，教你如何做自己的哪吒。

来源/电影海报

1.“拆解”哪吒

1. 1 哪吒的骨架

天地灵气孕育出一颗能量巨大的混元珠，元始天尊将混元珠提炼成灵珠和魔丸。哪吒即是魔丸的化身。这是影片开头讲述的哪吒的诞生过程。

由于哪吒诞生的画面和光纤拉制过程极为相似，我们推测，哪吒原材料为二氧化硅的玻璃球，即一种独特的多芯光纤预制棒。首先，多芯光纤预制棒在拉丝塔上拉制成为裸露的多芯光纤，再经过特殊涂覆材料涂覆，制备完成。

魔丸即光纤预制棒 来源/电影宣传片

由于有多芯光纤作为哪吒身体的骨架，哪吒便具有了抗电磁干扰、耐高温的特性。在与申公豹的搏斗中，哪吒没有被申公豹发出的电磁波所伤。而常规材料制成的太乙仙人却不堪一击。由此可见，光纤材料优异的抗电磁干扰特性。此外，哪吒可以周身被烈火包围而安然无恙，说明这种骨架极耐高温。

来源/电影宣传海报

实际上，多芯光纤不仅构成了哪吒的骨架，同时也构成了敏感单元。敏感单元与身体其他构造一起形成分布式光纤传感器。这种光纤传感器可以认为是一种弯曲传感器，可以测出同一位置的多个应变值，然后通过超强的大脑内核算出这个位置的曲率和挠率，重构出光纤的三维形状，从而较为精准的感知三维形状路径。由于涂覆层的增敏作用，这种传感器具有极高的灵敏度和精度，可以助力哪吒迅速且精准感知外界环境变化。

多芯光纤弯曲传感示意图

来源/ Lally E M , Reaves M , Horrell E , et al

1. 2 哪吒的皮肤

光纤既是哪吒的骨架又是他的传感探头，为了进一步提高哪吒的性能和扩展其功能，我们需要对光纤骨架进行封装。

使用柔性材料进行封装是很好的选择.这种材料结构轻巧、弹性好且防水。光纤骨架的封装材料可以看成是哪吒的“皮肤”。“皮肤”加上骨架构成了哪吒的“三头六臂”的“六臂”。

来源/电影宣传海报

此外，哪吒的皮肤的表面的气孔，可以作为喷气口，实现“喷火”。哪吒“喷火”原理可以类比于川剧中的喷火原理。管内有易燃物，如松香。需要喷火时，由火尖枪点燃，喷气口喷气，从而火花喷出，出现哪吒周身被火包围而安然无恙的画面。

哪吒周身被火包围的场景 来源/电影宣传片

1. 3 哪吒的大脑

无论是上述的分布式光纤传感器，还是抓持机械臂，都需要强大的大脑内核提供运算支持，也就是说，哪吒有一个极为强大的中央处理器（CPU）。这种CPU芯片应该是一种全光学的类脑计算芯片。全光芯片通过光传输信号，相比传统电传输芯片,具备更快的传输速率，为哪吒进行高速信号处理提供了保证。在这种芯片上有全光人工神经元网络，可以模仿人脑神经元和突触的行为。

此外，该芯片还具备高度可重构的功能性核，可同时支持机器学习，自然语言处理和类脑计算等算法。在这种芯片的支持下，不满3岁的哪吒在不到一天时间里，不仅学会了初级幻形术，还自己领悟了可以幻化活人的高阶幻形术。与此形成对比的是，他的师父太乙仙人掌握初级幻形术都用了一年时间，并还未掌握高阶幻形术。在训练样本缺失的情况下，哪吒可以通过机器学习算法，加速了掌握法术的进度。例如，在与申公豹的短暂接触中，哪吒便可以很快变幻成申公豹的模样，这是AI换脸技术的应用实例。此外哪吒很快也掌握了申公豹“独特”的语言体系，这是由于有自然语言处理算法的强力支持。

全光学脉冲神经元网络示意图

来源/ Feldmann, J等

1. 4 哪吒的存储器

这种高性能的CPU对数据存储能力也有极高的要求，“顽皮”的哪吒也对存储器环境耐受度提出了极高的要求。

哪吒常常一飞冲天。我们知道地外空间存在着强烈的宇宙射线辐射。常规的存储的电子器件是没法进行正常工作的。由此，我们猜测哪吒使用的是基于自旋电子技术的磁存储器，这种存储器不仅抗辐照，还具备大容量的特性，非常适合哪吒这样的系统。

磁随机存储器器件（STT-MRAM）原理图

（2017年我国成功制备国内首个80纳米自旋转移矩-磁随机存储器器件）

来源/中国科学院

综上所述，哪吒系统构成总结如下。

哪吒系统构成小结

2. 哪吒的装备

通过上面的分析可以看出，哪吒本身是一个较为完备的系统。而在这个系统之外，如果还有 “外挂”加持，哪吒的战斗属性就能更上一层楼。

2. 1 乾坤圈——托卡马克环

哪吒降生之时，太乙真人将乾坤圈“赠予”哪吒，以限制住其魔性。乾坤圈可看作一个实现了可控核聚变的托卡马克环。乾坤圈中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。通电时，乾坤圈内部会产生巨大的螺旋磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。

来源/电影宣传片

2. 2 风火轮——集成核聚变发动机

风火轮也是由太乙真人所传授的，是一对双重法宝。二轮蕴藏风火之势，可踏在双脚下作为飞行工具。也就是说，哪吒的一对风火轮是两个极为精巧的小型核聚变燃气涡轮发动机。风火轮集进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管于一体。

风火轮示意图

风火轮的内圈和叶片构成压气机。在内圈和外圈上均分布有气孔，内圈气孔为燃烧室进气口，外圈气孔为尾喷管喷口，内外连通的部分为气体通道。气体通道类似于航空发动机的燃烧室，内有微型核聚变装置和涡轮。核聚变反应发生时，释放大量的热能，以此加热通过压气机吸入的气体。高温高速的燃气推动涡轮做功，为压气机提供能量。涡轮之后的通道为尾喷管，高温燃气在尾喷管内被压缩，其热能转化为动能，燃气的温度降低，速度增加。喷管的外端装有“矢量”喷口，通过控制器调整各个喷口的方向，可以产生各个方向的推力。“矢量”喷口，配合混天绫，加上身体略微前倾的姿势，哪吒可以保持平衡，从而实现哪吒的姿态控制。

“矢量”喷管决定了风火轮喷火方向 来源/电影宣传片

值得一提的是，由核聚变供能的风火轮，具备超强的续航能力。哪吒宣称的“我命由我不由天”，其底气正是源自于此。据估计，1L 海水里的氘占总质量的0.03%，但它们的聚变能相当400L石油燃烧时所产生的能量。核聚变能产生这么大的能量，自然也能轻松驱动风火轮。

来源/央视《开讲了》

综上所述，哪吒装备可以总结如下。

哪吒装备构成小结

3. 升级哪吒

哪吒虽是一个较为精细的系统。但也存在一定的不足，仍需要“升级”。在影片的最后，哪吒在天雷考验中失去了身体结构，即上文所述的多芯光纤和柔性材料遭到了破坏。而魂魄得以保存，即上文所述的CPU和磁存储完好无损。说明哪吒的骨架是其短板。

哪吒在天雷考验中 来源/电影宣传片

根据《封神演义》，太乙真人用两朵莲花和三片荷叶，包裹一枚存有哪吒魂魄的金丹，创造了哪吒起死回生复活的宿体，完成了对哪吒系统的“升级”和“换代”。

夏日荷花 摄影/杨苏凡

我们推测，这种金丹实际上是一种镀金的光子晶体光纤预制棒。 基于光子晶体光纤骨架的结构具有较好的抗辐照特性。并且镀金的光子晶体光纤可以利用等离子共振效应，实现更为优异的传感特性，使得灵敏度等性能进一步的提高。

“升级”后的哪吒与众多妖道邪人大战，战场上出尽风头，屡立大功。不得不说，哪吒性能的提升与使用光子晶体光纤骨架有比较大的关系。

4. 结论

从“九天揽月，五洋捉鳖”的畅想，到“北斗”升空、“神舟”问天、“嫦娥”奔月，再到“蛟龙号”载人深潜，我们恍如昨日；从五行学说提出，到国内磁存储器件问世，再到“悟空号”与“墨子号”遨游太空，我们不断探索；从古老的神话故事，到《哪吒之魔童转世》中映射的的“黑科技”，我们见微知著，追本溯源。

从过去到未来，带着先辈们的梦想和期待，我们共同见证了科技进步给生活带来的改变。我们一路追寻前辈们的足迹，追寻曾经的自己，追寻未来的福祉。壮丽70年，奋斗新时代！在科学探究的路上，我们勇敢前行，永远在路上！

参考资料:

1.电影《哪吒之魔童降世》宣传片

2.Lally E M , Reaves M , Horrell E , et al. Fiber optic shape sensing for monitoring of flexible structures[C]. Sensors and Smart Structures Technologies for Civil, Mechanical, and Aerospace Systems 2012. International Society for Optics and Photonics, 2012.

3. Xuan H , Jin W , Ju J , et al. Low-contrast photonic bandgap fibers and their potential applications in liquid-base sensors[J]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2007, 6619.

4. Feldmann, J., Youngblood, N., Wright, C. D., Bhaskaran, H., & Pernice, W. H. P. (2019). All-optical spiking neurosynaptic networks with self-learning capabilities. Nature, 569(7755), 208–214. doi:10.1038/s41586-019-1157-8

5. 新华社新闻

6. 卢希庭. 原子核物理. 原子能出版社 2000年第二版

7.《开讲了》20190413. http://tv.cctv.com/2019/04/14/VIDE8vj0k25qRuYRaSdMVbYg190414.shtml

8. Deuterium-Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Deuterium

9. 中国科学院.http://www.cas.cn/syky/201705/t20170505_4599327.shtml

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