拾贝赢科学家开发冰中气泡编码技术，为极地通讯提供新思路

在上世纪 70 年代，美国贝尔实验室曾推出过一种颇具革命性的存储技术——磁泡存储器（bubble memory）。它的原理是在一种特殊的磁性材料上，利用微小的、可以移动的磁畴（就像一个个“磁性气泡”）来记录二进制数据中的“1”和“0”。这种存储器的一大优点是断电后数据也不会丢失，一时间被视作可能取代磁盘和磁带的关键技术。然而拾贝赢，随着半导体内存和硬盘技术的飞速发展和成本的急剧下降，磁泡存储器的梦想最终未能照进现实，逐渐淡出了人们的视野。

图丨英特尔 7110 磁泡存储器模块（来源：WikiPedia）

但谁能想到，在几十年后的今天，“气泡存储”这个概念，竟被一群科学家以一种意想不到的方式“复活”了，而这一次的载体，不再是磁性薄膜，而是我们生活中最常见的物质——冰。

近日，一篇发表于Cell Reports Physical Science的研究介绍了一项非常新奇的技术：通过精确控制冰层中空气气泡的形成，来实现信息的编码、存储和读取。

这项由北京理工大学宋孟杰教授团队主导的研究，其灵感来源正是地球上最古老的“天然硬盘”——冰川。我们知道，冰川在形成过程中，会将远古时代的大气封存在微小的气泡里，为今天的科学家留下了一部研究地球气候变迁的活历史。既然大自然能无意中用冰来记录信息，那么我们是否也能主动地让冰为我们传递信息呢？

研究团队给出的答案是肯定的。宋孟杰教授对媒体表示，在自然严寒地区，使用被困气泡作为信息传递和存储手段比电信通讯消耗更少的能量，比纸质文档更加隐蔽，这些冰制信息可以长期保存，所携带的信息易于可视化和读取。

这项技术的关键在于，对水结冰过程中气泡形成机制的理解。当水开始结冰时，一个有趣的物理现象发生了：溶解在水中的气体会因为固体和液体中溶解度的不同而被挤出，就像被无形的手推到冰冻前沿附近。当这些气体的浓度积累到临界值时，微小的气泡胚胎开始在特定位置成核，随后在浓度梯度的驱动下不断增长，最终被推进的冰冻前沿牢牢封闭，形成了被困在冰中的气泡。

通过大量实验观察，研究团队发现被困气泡主要呈现两种截然不同的形状：蛋形气泡（ESB, Egg-Shaped Bubbles）和针形气泡（NSB, Needle-Shaped Bubbles）。团队以气泡高度与宽度的长宽比等于 5 作为分界线，建立了气泡分类标准。蛋形气泡通常在较快的冰冻速率下形成，而针形气泡则在相对缓慢的冰冻过程中出现。

更重要的是，这些气泡的形状、大小和分布严格依赖于冰冻速率。这一规律为人工控制气泡特征提供了可能。研究团队意识到，如果能够精确控制冰冻过程，有可能在冰中创造出预设的气泡图案。

为了验证这一设想，研究人员设计了一套实验装置。他们使用了一种名为 Hele-Shaw 细胞的装置，将水膜夹在两块透明的丙烯酸板之间，底部放置铜板作为可控的冷却表面。这个装置是一个精密的温度控制系统，能够以微秒级的精度调节冷却板的温度，进而操控水膜的冰冻速率。

实验结果验证了团队的设想。随着冰冻速率的变化拾贝赢，冰中会依次出现四个截然不同的区域。首先是蛋形气泡冰区（ESBI，Egg-Shaped Bubbles Ice），里面充满了圆润的蛋形气泡；接着是蛋形和针形混合气泡冰区（E&NSBI，Egg- and Needle-Shaped Ice），两种形状的气泡共存；然后是针形气泡冰区（NSBI，Needle-Shaped Bubble Ice），细长的针形气泡占据主导；最后是无气泡的清澈冰区（CI，Clear Ice）。

经过反复实验和数据分析，他们确定了三个关键的临界冰冻速率：ESBI 到 E&NSBI 的转换点为 20.05±0.91 微米每秒，E&NSBI 到 NSBI 的转换点为 9.90±0.47 微米每秒，而 NSBI 到 CI 的转换点为 2.87±0.28 微米每秒。掌握了这些数值，就能够在冰中精确地控制每一个气泡的位置。

在进一步的探索中，研究人员发现了一个重要现象：当通过急剧降低冷却板温度来突然增加冰冻速率时，会在冰中形成一个清晰的气泡层。这个气泡层的位置和厚度都可以通过温度控制来精确调节。

基于这一发现，研究团队设计了三种不同的编码方案：在摩斯码（Morse Code）编码中，气泡层代表“嘀”（dit），清澈冰层代表“嗒”（dah）；在二进制编码中，气泡层和清澈冰层分别代表数字 1 和 0；而在三进制编码中，针形气泡层、蛋形气泡层和清澈冰层分别代表数字 2、1 和 0。

整个信息处理流程包含七个步骤。首先，待编码的信息通过外部设备输入系统，这些信息可以是文字、数字或其他符号。接下来，系统将这些信息转换为精确的温度控制信号，每个信号都对应着特定的温度变化曲线。在编码阶段，系统根据这些控制信号实时调节冷却板温度，在 Hele-Shaw 细胞中生成包含特定气泡层序列的冰片。

编码完成后，使用高分辨率相机获取冰片的光学图像。由于气泡和冰的光学特性不同，在图像中会呈现出明显的灰度差异——气泡区域呈现接近白色的高灰度值，而清澈冰区域则显示为较深的灰度值。系统随后自动计算图像沿冰层高度方向的归一化平均灰度值，通过分析这些数值的变化模式来识别气泡层的位置和数量。

在解码操作中，程序将灰度值曲线上的信号转换为对应的数字序列，再根据预设的编码规则（摩斯码、二进制或三进制）将这些数字序列翻译成可读的信息。

实际测试中，研究团队成功编码了各种类型的信息。在摩斯码测试中，他们编码了完整的英文字母表，例如字母 A 的摩斯码“·-”在冰中表现为一个清澈冰层紧接着一个气泡层的序列。在二进制编码测试中，阿拉伯数字 11 的二进制表示 1011 被转换为气泡层-清澈冰层-气泡层-气泡层的排列。三进制编码能够利用不同形状的气泡来承载更大的信息量。

为了评估不同编码方法的性能，研究团队建立了一套评价体系，包含四个关键指标：温度曲线可控性（衡量实验过程中温度控制的精确度和稳定性）、气泡层可控性（评估生成预期气泡层的成功率）、灰度值可识别性（量化解码过程中信号识别的准确性）和编码时间（从输入到输出完成所需的总时间）。

通过对 10 个阿拉伯数字和 26 个英文字母在摩斯码中的表现，以及 32 个阿拉伯数字在二进制码中的表现进行统计分析，研究团队得出了一些结论。在摩斯码编码中，字母 E 和 I 因其简单的编码结构（E 为单个“嘀”，I 为两个“嘀”）表现出最佳的综合性能。而在二进制编码中，数字 5、12、17 和 21 成为了效率最高的选择。

在消息容量的比较中，不同编码方式展现出了明显差异。引入终止符概念后，三进制编码的消息容量达到了摩斯编码的 10.1 倍，二进制编码也有 1.7 倍的提升。也就是说，在相同的冰层体积内，二进制和三进制编码能够存储更多的信息。综合考虑所有性能指标，研究团队最终推荐二进制编码作为最实用的信息传递方法。

尽管目前离真正落地还有很长一段路要走，但这项技术或许可以实际应用中发挥许多特殊作用。例如在南极科考站或北极研究基地，传统的通讯设备面临严峻挑战：极低的温度会导致电池性能急剧下降，复杂的电子设备容易出现故障，而卫星通讯的费用又极其昂贵。相比之下，基于冰的信息存储系统利用的正是极地环境中最丰富的两种资源：水和低温。

这种存储方式具有良好的长期稳定性。在温度梯度较小的极地环境中，冰中的信息可以保存相当长的时间。即使在非极地环境中，只要能够维持冰的固态，存储的信息就能够保持完整。这种特性使其特别适合于需要长期归档的重要信息。

除了信息存储和传递，这项技术还有其他应用潜力。研究团队发现，由于气泡会显著降低冰的机械强度，通过控制气泡的排列方式，可以在冰中创建预定的断裂线。这种技术可以使冰片沿着特定的路径整齐地断裂。

目前，研究团队正在多个方向上深化这项技术。他们计划系统研究不同类型气体（如二氧化碳、氮气、氩气等）对气泡特性的影响，探索是否能够通过气体类型的选择来进一步扩展编码的可能性。同时，团队也在开发适用于三维空间的气泡控制技术，这将大大增加单位体积内可存储的信息量。

相关论文以《利用冰层中捕获的气泡在寒冷地区实现信息存储》（Manipulating trapped air bubbles in ice for message storage in cold regions）为题发表在Cell Reports Physical Science上。