夏季最疯狂科幻电影背后的现实科学

机械化服装、外星猿猴、恐龙机器人——今年夏天的大片充斥着听起来很科学的奇思妙想。但这些奇思妙想有真正的科学依据吗？观看时，这里有点东西可以咀嚼（除了爆米花）。

数字效果：外星人爆炸的外骨骼

在《明日边缘》中，外骨骼在人类对抗外星入侵者的最后决战中发挥了关键作用。人们很容易认为这些未来系统是数字幻象，映射到演员的动作上，但它们实际上是精心制作的道具。建模师皮埃尔·博汉纳 (Pierre Bohanna) 用 350 到 400 个独立部件制作了每套服装，这些部件共同构成了一个完全铰接的装置。材料包括标准尼龙、高级铝和专为电影制作的轻质聚合物。“这不是服装，”博汉纳说，“这是一台机器。”

不幸的是，对于演员来说，是人类为服装提供动力，而不是相反。他们不得不拖着 72 到 132 磅的额外重量冲刺完成战斗场景。“这些衣服非常辛苦，所有演员和特技演员都必须穿着它们进行训练营，”博汉娜说。汤姆·克鲁斯额头上的汗水？也是真实的。

先进而聪明的外星人与我们长得相似吗？

答案：好莱坞对类人外星人的热爱并没有什么神秘之处。给演员装上假肢和面部彩绘比编造（或制作）一群非人类角色要容易得多。但如果我们将人类进化的经验应用到其他世界，那么电影制作人可能就不会那么离谱了。

加州州立大学圣贝纳迪诺分校生物学家斯图亚特·苏米达曾担任《银河护卫队》的顾问，他认为，一个足够先进、能够掌握太空旅行的外星人需要有一个大脑。“如果你有一个大脑，你就需要一种方法来保护它，”苏米达说。这意味着一个头骨，这就排除了蠕虫、蛞蝓和其他潜在无脊椎动物的整个分类。而且，由于外骨骼在体积增大后会变得难以支撑，在除最低重力以外的所有情况下都会因重量而坍塌，因此可以合理地排除昆虫。再加上操纵工具的能力，我们的外星同伴开始看起来相当熟悉。

但即使拥有杰出的大脑、骨骼和灵巧的肢体，也没有理由认为遥远的物种会与我们略有不同。“我们拥有四个肢体，这是进化的偶然，”加州山景城 SETI 研究所高级天文学家 Seth Shostak 说。“地球上的大多数生物都有六个。”自然选择可以产生具有更高效生理布局的外星人：例如，外星人可能用四条或更多下肢行走，速度更快、更稳定，而不是用两条腿行走，这让人类能够在移动时抱着婴儿和工具。他们可能有更多手臂来操纵工具，贴地姿势可以更好地躲避捕食者，或者任何与伍基人、克林贡人和其他类人种不相符的特征，而这些类人种构成了科幻小说中的跨物种大熔炉。

灵感来自《银河护卫队》

剧情：一群罪犯从坏人（一个一心想统治银河系的外星人）手中偷走了一颗神秘的球体，然后成为了意想不到的英雄。虽然这部科幻冒险电影是漫威电影宇宙的一部分（与《复仇者联盟》一起），但其中大多数栩栩如生的角色都不是超人，而是类人外星人。

科幻处女作：赫伯特·乔治·威尔斯 1901 年的小说《月球上的第一批人》中的人物是体型矮小、类似昆虫的月球人，他们穿着衣服，使用工具，并且不欢迎地球人的来访。

数字效果：超逼真的猿猴

七月中旬的新奥尔良不适合黑猩猩居住。 《猩球崛起》的拍摄场地闷热难耐、蚊虫肆虐，堪称工程学上的一个小奇迹。三层楼高的栖息地，树干交错，房间和通道凹陷，一条流动的渡槽将地面变成了积水和吸泥的沼泽。制片人称之为“猿人村”，它看起来确实像是超级聪明、专横的猿猴建造的东西。直到你注意到建筑上散布着数十台动作捕捉摄像机，还有穿着灰色全身服的人，他们在无情的阳光和潮湿的空气中炙烤着。他们是你能想象到的最汗流浃背、最悲惨的虚构黑猩猩。

然后他们开始移动。两个身穿灰色套装的人爬上栖息地的两侧，抓住伪装的扶手，没有安全带或垫子。他们像训练有素的杂技演员一样在布景元素之间跳跃，事实上，他们就是训练有素的杂技演员。虽然《猩球崛起》 （2011 年上映）依靠特技演员，但这部科幻重启的续集启用了太阳马戏团的演员。制片人迪伦·克拉克说：“现在，我们不再需要视觉特效人员来想象黑猩猩在肢体间飞来飞去会是什么样子，而是需要真正能跳 20 英尺的人。”

从视觉特效的角度来看， 《猩球崛起：黎明之战》并不是一次大胆尝试，而是一系列尝试。第一部电影重新定义了动作捕捉的可能性，将安迪·瑟金斯饰演的猩猩凯撒变成了一个可信的全计算机生成 (CG) 角色。《猩球崛起：黎明之战》中的猿猴阵容要大得多，而且它们出场时间的增加也带来了更大的挑战。动作捕捉的标准程序是将演员限制在室内绿幕环境中，仅依靠头戴式摄像机拍摄他们的动作。对于《猩球崛起：黎明之战》，视觉特效总监乔·莱特里决定在室外场景中收集数据，方法是在演员周围放置一组小型动作捕捉摄像机。

摄像机跟踪用魔术贴固定在演员服装上的 LED 发光球和贴在他们脸上的反光标记。“然后我们使用学习算法来猜测脸部所有点在三维空间中的表现，”莱特里说。结果是表演捕捉非常详细和灵活，因为多台摄像机可以捕捉演员之间表情和化学反应的细微差别，否则这些细微差别可能会被忽略。有了更多的数据，动画师就可以为整个 3D 建模灵长类动物配角注入同样不可思议的智慧，正是这种智慧让凯撒一夜之间成为 CG 明星。

正是这种现实与数字、人性与非人的混合，决定了《黎明》的成败。因为与科幻电影中的怪物、变异体和其他视觉特效增强的奇幻场景不同，猿类（即使是聪明的猿类）并不是虚构的。“我们希望黑猩猩的行为和外表都像照片一样逼真，”克拉克说。“我们希望这部电影让人感觉真实。如果我们能做到这一点，那将非常酷。”

将人类和动物的 DNA 结合起来会创造出超能力生物吗？

答案： 《木星上行》的制片人将动物基因植入人类角色，使其体格更加强壮。事实上，人兽杂交从来都不是具有动物特征的人，而是经过改造以拥有或受益于人类生物学的动物。第一个有记录的例子发生在 2004 年，当时梅奥诊所将人类干细胞注入猪胎，创造出带有人类血液的猪，以研究病毒如何在物种之间传播。去年，斯坦福大学的神经科学家利用人类脑细胞提高了小鼠的智力。在这两个案例中，研究人员都避开了任何实际的基因工程，只需引入外来组织并让其生根即可。

理论上，类似的人体实验可以产生令人难以置信的结果，例如修改光感受器以实现像猫一样的夜视能力，或借用蝾螈的能力重新长出断肢。但即使轻率地将猫科动物或两栖动物细胞注射到人类胎儿中并不是道德黑洞（而它绝对是），这种蛮力方法很容易适得其反：人体的免疫系统通常会攻击外来组织。斯坦福大学的研究小组通过永久抑制受试者的免疫系统来避免排斥，
这一解决方案将使人类容易遭受灾难性的疾病和感染。

犹他州立大学生物学家兰迪·刘易斯认为，嵌合增强技术的问题在于其复杂性。改变一种蛋白质是一回事，就像他创造的转基因山羊在牛奶中产生蜘蛛丝蛋白一样。但要增加力量或再生等复杂性状呢？“要做到这一点需要大量的基因工程，”刘易斯说。在科学家对人类和动物基因组有深刻理解之前，超人杂交种将不过是电影里的美梦而已。

灵感来自《木星上行》

剧情：宇宙中充满了人兽混血儿，由星际君主统治（地球人的新消息）。当一名不起眼的看门人成为暗杀目标时，一名半人半犬的雇佣兵前来营救她。

科幻处女作：赫伯特·乔治·威尔斯 (HG Wells) 1896 年的小说《莫罗医生岛》中的野兽人物是通过可怕的外科手术实验创造出来的。

数字效果：反重力动作

《木星上行》中最具技术挑战性的场景是电影中的男主角（查宁·塔图姆饰）穿着反重力靴穿越城市，逃离一艘追赶货物（米拉·库尼斯饰）的宇宙飞船。“大多数人可能会认为这是数字的，但事实并非如此，”视觉特效总监丹·格拉斯说。相反，这个场景中，特技替身演员悬挂在直升机上，在芝加哥的城市峡谷中穿梭。

格拉斯的团队每天只有 15 分钟的时间来拍摄这个场景——黎明前的微弱光线——因此他们发明了一台能够在每次拍摄中拍摄更多照片的相机。这套六台相机的装置（称为 Panocam）安装在直升机机头上，可以拍摄近 180 度的镜头。
通过将多个重叠角度拼接在一起，电影制作者可以在后期制作中有效地旋转和摆动动作，而不管直升机的实际飞行路径如何。毫不奇怪，这项创新很快引起了其他导演的注意。“现在，在我们之后的大多数电影中都使用了这种装置，”格拉斯说。

与简单的复制相比，机器人是否会从生物启发式繁殖中受益？

答案：迈克尔·贝的《变形金刚》系列电影中的巨型外星机器人不是在工厂里制造的。它们是在蛋状的豆荚中长大的，被称为幼崽，它们表现出一种身体和行为的多样性，这意味着更接近生物繁殖而不是大规模装配。就像没有两个人是完全相同的（双胞胎除外），每个汽车人和霸天虎的性格和形态都是独一无二的，无论是没有幽默感的拖拉机拖车还是脾气暴躁的霸王龙。

换句话说，变形金刚似乎是进化机器人的产物，这是一个新兴的研究领域，将生物学原理应用于机器人的创造和行为。研究人员不是简单地设计一个机器人来执行给定的任务，比如朝着光的方向移动，而是可以将这个目标插入计算机程序，让遗传算法自动培育出各种各样的设计。由于这些算法模仿自然，模拟突变、选择和其他生物过程的影响，它们产生的设计往往令人惊讶。佛蒙特大学的进化机器人专家乔希·邦加德说：“计算机将为我们进化出我们从未想过的形状的机器。”即使只有很少的零件和马达，由算法产生的机器人也能从波浪形的鱼和混乱的金字塔等各种形状中勉强实现高效的运动。

换句话说，无论是通过卵子还是通过遗传算法进化的机器人，都可以从多样性和便利的突变中受益，正是这些多样性和便利的突变使得一些生物物种具有如此强的适应力。但是，正如不受控制的变形金刚繁殖对陷入不可避免的交火中的任何人类来说都是坏消息一样，邦加德警告说，如果机器在没有严格指导的情况下进化，它们也可能是危险的。“从定义上讲，自我繁殖的机器人将是一个失控的过程，”他说。“它们可能会以不愉快的方式让我们感到惊讶。”

灵感来自《变形金刚：绝迹重生》

剧情：变形金刚系列的第四部继续讲述机器人种族之间相互争斗的故事。参加这场战斗的是该物种迄今为止最奇特的样本——恐龙机器人。

**科幻处女作：**卡雷尔·恰佩克 1920 年的戏剧《RUR 》以一对工厂制造的恋人似乎注定成为新的、遍布世界的亚当和夏娃的结局。

变异真的能产生怪物、超能力或者其他可以征服地球的东西吗？

答案：科幻小说长期以来都依赖突变作为进化的捷径。有时是外力的作用，比如 1954 年原版电影中诞生的哥斯拉的原子试验，以及将普通乌龟变成人形武术家的发光“软泥”。有时是自然发生的突发事件，比如让超人能够操纵脑电波或磁场的“X 基因”。共同点是速度：在一代人的时间里，主角就发生了转变。

这种解释在精神上是正确的：基因可以自发突变，也可以在实验室中被操纵以产生新的特征。例如，大多数成年人能够处理乳制品中的乳糖。研究人员认为，这种突变是一种胃肠道超能力，大约在 7,500 年前在欧洲开始出现。这种突然的变化为我们物种带来了显著的长期益处，使我们能够增加一系列营养选择。虽然人类应该感谢那个神秘的突变体，但与 X 战警爆发的激光束和爪子相比，吃奶酪的能力微不足道。

纽约州立大学石溪分校的生物化学家布鲁斯·丹普尔列举了更具戏剧性的单一突变例子——“编剧可能会想到的那种东西，”他说。“但你大多是在实验环境中看到这些事情。”利用有针对性的化学诱变剂，遗传学家取得了令人印象深刻的成就，例如将猕猴大腿肌肉的周长增加 15%，以及完全令人不安的成就，例如让果蝇的头上长出腿。研究人员还利用辐射来增加随机突变。

但这些实验室培育的突变生物与好莱坞电影中的角色之间的区别在于运气。电影中的角色并非只是中了一次突变彩票，获得了一项令人难以置信的能力，而没有受到化学物质或辐射对其 DNA 的致命破坏。他们一次又一次地获胜，积累了良好的特性，避开了不良特性，并变成了通常需要多代和无数次失败尝试才能变成的生物。事实上，通往怪物成功的道路将由几乎是哥斯拉和近乎忍者神龟的尸体铺就。

灵感来自《哥斯拉》、《忍者神龟》、《X战警：逆转未来》

剧情：哥斯拉与更凶残的巨人展开冲突，忍者神龟在纽约市（及地下）打击犯罪，X战警将金刚狼送回过去阻止机器人起义。在这三部电影中，变异释放了生物体内的凶猛本性。

科幻处女作：辐射暴露将杰克·威廉姆森 1928 年同名短篇小说《金属人》转变为当今虚构突变体的先驱。

思维实验：人类与外星人，真人版

让我们假设最坏的情况：外星人存在，他们正在入侵我们简陋的家园。绝望的人类会用什么样的高科技武器冲出实验室投入战斗？我们问了 Suveen Mathaudhu，
美国陆军研究办公室的一名项目经理和材料科学家，我们可以合理地预测这种世界末日的情景。

外骨骼

Mathaudhu 表示，像《明日边缘》中那样的战斗外骨骼可以让步兵携带更多火力。枪支通常会产生人体无法承受的后坐力，而这些枪支可以安装在外骨骼上，将后坐力分散到整个框架上。如今的外骨骼耗电量太大，无法有效部署，但使用钛、镁和其他超强、超轻合金可以降低其能耗。“由于你不再随身携带钢制外骨骼，燃料消耗会减少，”Mathaudhu 说道。

生物武器

如果普通感冒可以在《世界大战》中击退火星占领者，那么为什么不向敌人投掷更具毒性的武器化细菌呢？尽管生物武器库存短缺（这是有充分理由的），但 Mathaudhu 相信遗传学家可以合成任何看起来有用的新瘟疫。“如果我们假设生命在宇宙的其他地方以类似的方式进化，无论这些生物来自哪里，我们的工具可能对它们起作用，”他说。这项技术彻底改变了基因分析，使人类 DNA 的全基因组测序成为可能，也可能使精准病原体成为最后的手段。

地面无人机

到了紧要关头，我们会把机器人推上前线。“如果我们被一场大规模战争逼入某种阿波罗时刻，大部分努力将投入无人地面车辆和机器人，”马萨杜说。机器人军队可能不如活体军队灵活，但机器人在冲突初期可以作为炮灰，在被炸成碎片之前提供有关外星武器和战术的情报。“机器人技术可以消除士兵在战场上对抗未知威胁时的犹豫，”马萨杜说。当你的士兵都是钢铁般的意志时，谁还需要钢铁般的意志呢？

本文最初刊登于《大众科学》杂志 2014 年 7 月刊。