本文聚焦美国布朗大学与荷兰代尔夫特理工大学的合作成果，详细介绍了他们开发的革命性光帆，阐述了光帆对于星际旅行的重要意义、设计制造过程及优势等内容。
在 4 月 2 日传来一则令人振奋的消息，美国布朗大学与荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft）的最新合作成果，犹如一道明亮的曙光，为人类长久以来的星际旅行梦想带来了实现的可能。通过将超薄、高反射率材料与人工智能优化的纳米级设计巧妙结合，研究团队成功开发出了一种具有革命性的光帆（Lightsail）。这种光帆可不简单，它不仅成本更低，制造速度更快，而且有着广阔的应用前景，有望被应用于像“突破摄星”（Breakthrough Starshot）计划这样的星际任务中。一旦投入使用，它能将抵达附近恒星的时间从原本的数千年大幅缩短至数十年。
回顾历史，自 1977 年发射以来，美国国家航空航天局（NASA）的“旅行者 1 号”探测器已经在太空中深入探索了超过 150 亿英里的距离。这一距离无疑是令人惊叹的，但与浩瀚宇宙相比，它仍未达到距太阳最近的恒星半人马座 α 星距离的 1%。要想在人类有生之年抵达其他恒星，航天器的飞行速度必须有质的飞跃，远远超过目前人类所建造的任何飞行器。
在众多解决方案中，“光帆”是一种极具潜力的途径。光帆是一种薄而反光的薄膜，它利用光的压力推动自身前进，就如同风推动帆船在大海中航行一样。与传统推进系统相比，光帆具有显著的优势，有望将前往附近恒星的旅行时间从数千年缩短至仅几十年。
如今，布朗大学和代尔夫特理工大学的研究人员经过不懈努力，开发出了一种新的设计和制造超薄、高反射率光帆薄膜的方法。在发表于《自然通讯》杂志的研究中，团队展示了一个直径为 60 毫米、厚度仅为 200 纳米（人类头发的数千分之一）的原型光帆。这个光帆的表面覆盖着数十亿个纳米级小孔，这些小孔发挥着重要作用，它们既减轻了光帆的重量，又提高了反射率，使得光帆在光驱动加速方面更加高效。
布朗大学工程学院副教授米格尔・贝萨与代尔夫特理工大学副教授理查德・诺特共同领导了这项研究。米格尔・贝萨表示：“这项工作是布朗大学理论家和代尔夫特理工大学实验家共同努力的结晶，让我们能够设计、制造并测试迄今为止记录的最大纵横比的高反射率光帆。理查德团队的实验突破证明了他们的制造工艺能够扩展到星际旅行所需的尺寸，并且可以以一种成本效益高的方式进行。同时，我的团队也非常高兴看到我们最新的人工智能优化方法在解决这样一个有趣且困难的工程问题中发挥了关键作用。”
这项研究对于实现“突破摄星”计划的目标具有重要意义。该计划由企业家尤里・米尔纳和已故物理学家斯蒂芬・霍金创立，其目的是利用地面激光为携带微型芯片航天器的数百个米级光帆提供动力。研究人员表示，这种新的光帆设计可以相对容易地扩展到米级，并且成本可控。
在光帆的设计过程中，团队采用了单层硅氮化物这种轻质且高强度的材料，它非常适合光帆设计的需求。研究人员随后面临的挑战是，在最大限度提高其反射率的同时，尽可能减轻其重量。因为表面的反射率决定了帆后产生的光压大小，进而决定了其加速速度；而较轻的材料需要更小的力来加速，质量越小，速度就越快。
为了实现这一目标，优化过程包括设计一种纳米级孔洞的图案。在材料表面分布着数十亿个直径小于光波长的孔洞。贝萨的团队，包括布朗大学博士生 Shunyu Yin，运用他们新开发的人工智能方法来优化孔洞的形状和位置，以提高反射率并减轻重量。
一旦确定了优化设计，由诺特领导的代尔夫特理工大学团队便开始在实验室中进行制造。诺特介绍说：“我们开发了一种新的气体蚀刻技术，使我们能够精细地去除帆下的材料，仅留下帆本身。如果帆在制造过程中损坏，那很可能是在制造阶段。一旦帆被悬空，它们实际上相当坚固。这些技术是在代尔夫特理工大学独特开发的。”
研究人员指出，使用传统方法制造这种设计将耗费昂贵且可能需要长达 15 年的时间。但采用诺特的技术，制造过程仅需大约一天时间，且成本降低了数千倍。研究人员认为，这种薄膜具有迄今为止任何光帆设计中最高的纵横比 —— 厘米级长度但纳米级厚度。他们希望这些方法不仅能帮助人类抵达恒星，还能推动纳米级工程的极限发展。
贝萨表示：“我们在研究中使用的新机器学习和优化技术非常通用。我们可以用它们来创造许多不同用途的不同东西。这真的只是一个开始。我们可能正处于解决迄今为止一直无法解决的工程问题的边缘。”
本文介绍了美国布朗大学与荷兰代尔夫特理工大学合作开发的革命性光帆，它结合了超薄高反射率材料与人工智能优化的纳米级设计，成本低、制造快。该光帆有望应用于星际任务，缩短抵达附近恒星的时间。研究团队通过设计纳米级孔洞图案、采用新的气体蚀刻技术等实现了光帆性能的优化，且制造时间和成本大幅降低。这项研究不仅为星际旅行带来希望，还可能推动纳米级工程发展。
