大自然是最好的老师：论启发科技的仿生学应用

北京时间12月15日消息，大自然并不是完美的，而是一直在演化和适应。无论是动物还是植物，在漫长的演化过程中，其有益的部分会保留下来，无用的部分则被丢弃或退化，以适应地球上不断变化的环境。通过不断地修修补补，大自然找到了许多独特的设计方案，从大象的长鼻子到仙人掌的棘刺，甚至白蚁丘在设计上也能让凉爽空气流通进出，为这些小昆虫提供一个舒适的家。因此，世界上最聪明的设计师和工程师都在师法自然，众多人工技术都建立在自然的设计之上。在生物学中，有一个领域便是研究如何模仿自然界的各种生存策略，促进发明和发展人类的科学技术。该领域便是仿生学，字面意义即“生物模拟”。下面，我们就来了解人类从大自然中学到的一些技巧，看看不同生物都有哪些优雅的生存策略。风力涡轮机和鲸鳍座头鲸是一种体型庞大、蔚为壮观的生物。它们的身体如同校车大小，重量可达40吨。但就是这样的庞然大物，在游泳方面却异常灵活。座头鲸划水时展现的敏捷性和精确性，堪称在工程学上天赋异禀。科学家研究发现，它们能做到这一点，主要原因是鲸鳍上遍布着凸起的结节。座头鲸的鳍肢上有明显凸起的结节当座头鲸在海洋中游泳时，水会流过这些结节，形成许多很小的漩涡，这种“结节效应”能够为座头鲸提供更多浮力，也可以减少水的阻力，使其游得更快。座头鲸又名大翅鲸，其鳍肢长度可达体长的三分之一，因此降低水阻力非常重要。受此启发，人类设计出了更加稳定的飞机、风车和潜艇。其中比较令人惊奇的是，一位名叫弗兰克·菲什的博士发现了这些结节的有益效应，后来便创办了“Whalepower”公司，生产更高效的具有类似凸起的风力涡轮机叶片。植物气孔与透气的运动服装面料在锻炼的时候，人们都喜欢穿着由透气材质制成的运动服，以防止捂汗。设计此类运动服的Stomatex公司新开发了一种很有意思的材料，融入了类似植物气孔的结构。正如植物气孔负责植物体内的气体交换一样，这种织物上的气孔也能更好地通风，更具有透气性。气孔存在于植物叶子和茎的表层当我们的汗液蒸发时，气体分子会从这些气孔中逸出，为凉爽干燥的空气进入创造空间。这项技术可以让我们的皮肤远离汗水，并在很长一段时间内保持更舒适的皮肤温度。当然，这并不是大自然第一次参与到人类的时尚中。Speedo公司开发了一款被俗称为“鲨鱼皮”的高科技泳衣“Fastskin”。该泳衣具有类似鲨鱼皮肤上的鳞片状结构，有助于在游泳时减少摩擦，并模仿鲨鱼游动时的流体动力学。这件衣服的一个问题是它真的太紧了！游泳者穿上它大约需要20分钟，有时需要剪开才能把它取下来。气孔的近距离图像尼龙搭扣是由“维克罗”（Velcro，又叫“维可牢”）公司发明的一种常见的纤维紧固物，常用在衣服和钱包上，通常由两条薄薄的织物组成。一条织物上覆有钩状结构，另一条则覆有环状结构，当两条织物用力压紧时，钩与环的结合就会形成暂时紧固的状态。据说发明者乔治·德·梅斯特拉是在注意到植物种子可以钩住狗毛之后，受到启发，才设计出了这种材料。现在，尼龙搭扣大量应用于户外用品，如背包、帐篷、运动服饰、运动鞋等，即使在严峻的环境中，依然能保持强劲的拉力。甚至在1968年的阿波罗登月任务中，阿姆斯特朗和奥尔德林带上月球的套装、样品收集袋和月球车等也都使用了尼龙搭扣。翠鸟和子弹头列车日本的子弹头列车以其速度和设计性而闻名，但一开始并不是这样的。这些列车的最初设计会产生震耳欲聋的轰鸣声，当它以惊人的300公里时速疾驰而过时，周围的居民和野生动物不胜其扰。子弹头列车较尖的一端是模仿翠鸟喙的结构解决方案令人意想不到，那就是翠鸟的喙。参与设计列车的一位工程师，同时也是狂热的观鸟爱好者，有一次看到翠鸟跃入水中的情景，发现溅起的水花很小。翠鸟之所以能做到如此完美的跳水动作，是因为它相对较大的头部和较窄的喙。受到鸟喙的空气动力学形状的启发，工程师们决定将其应用到列车的设计中。于是就有了车头尖尖的子弹头列车，能以极快的速度（每小时300公里）行驶，同时空气阻力极小，不会产生噪音。壁虎的脚在产品设计中，有一项技术被称为“从生物到设计”。具体方法是，首先发现一个技术问题，然后在自然界中寻找解决这一问题的方案。一旦找到了解决方法，科学家和工程师们就会尝试进行人工复制。美国国家航空航天局（NASA）的太空机器人就是一个很好的例子。壁虎具有黏性的四肢使它能在墙壁上平稳爬行这些机器人的脚上有一种特殊材料，上面具有微小的纤毛。借助这种材料，机器人在外太空进行维修时就能够稳稳地附着在飞船外表面。这项发明来自对壁虎的观察，众所周知，壁虎可以在墙壁上行走自如，其秘密就在于其脚趾上近10亿条微小的纤毛。蚊子口器与注射针头蚊子绝对是人们最讨厌的一类动物！这些致病的吸血昆虫能将口器平滑地刺入我们的皮肤，吸出血液，并且常常在我们意识到之前就吸饱了。蚊子的口器其实并不只是一根尖锐的“针管”，而是由6个部分组成。我们很少感到蚊子“咬”我们，这是最妙的部分。它们的口器有两个细长尖锐的上颚和两个锯齿状的下颚，是刺入皮肤的主要工具，可以在皮肉间自由地弯曲游走，寻找合适的毛细血管。蚊子锯齿状的上颚能轻易地刺穿皮肤在一项研究中，科学家演示了一种特制注射针的使用方法。这种针类似蚊子的口器，由几根像下颚一样锯齿状的微针组合而成，能更加容易地刺入皮肤。这些侵入性较低的针头带来的疼痛感也更低，可以用于给药或作为糖尿病患者的常规注射针头。结语仿生学已经在人类生活中发挥了极其重要的作用。38亿年来，地球生命为了适应环境，演化出了无数的精巧设计。这一切都是为了以最少的努力和资源来获得最大的回报。然而，重要的是明白一点：大自然是有耐心的，这些结果并不是强迫而来的。如果人类能找到更多的方法模仿大自然的行为，我们可能就不会有资源短缺和污染的问题。例如，尽管研究者投入了很多精力来开发可用于人工授粉的机器蜜蜂，但它们仍然无法媲美真正的蜜蜂。仿生专家丹尼斯·德卢卡表示，人们应该把自然看作是灵感的来源，而不是原材料的来源。对产品设计师和工程师来说，大自然最大的启示应该是其可持续的环保设计。大自然母亲可能不完美，但她确实造就了许多聪明和优雅的方式，帮助我们以没有资源浪费和污染的方式继续生活下去。