北京時(shí)間 12 月 15 日消息，大自然并不是完美的，而是一直在演化和適應(yīng)。無論是動(dòng)物還是植物，在漫長的演化過程中，其有益的部分會(huì)保留下來，無用的部分則被丟棄或退化，以適應(yīng)地球上不斷變化的環(huán)境。
通過不斷地修修補(bǔ)補(bǔ)，大自然找到了許多獨(dú)特的設(shè)計(jì)方案，從大象的長鼻子到仙人掌的棘刺，甚至白蟻丘在設(shè)計(jì)上也能讓涼爽空氣流通進(jìn)出，為這些小昆蟲提供一個(gè)舒適的家。
因此，世界上最聰明的設(shè)計(jì)師和工程師都在師法自然，眾多人工技術(shù)都建立在自然的設(shè)計(jì)之上。在生物學(xué)中，有一個(gè)領(lǐng)域便是研究如何模仿自然界的各種生存策略，促進(jìn)發(fā)明和發(fā)展人類的科學(xué)技術(shù)。該領(lǐng)域便是仿生學(xué)，字面意義即 “生物模擬”。
下面，我們就來了解人類從大自然中學(xué)到的一些技巧，看看不同生物都有哪些優(yōu)雅的生存策略。
風(fēng)力渦輪機(jī)和鯨鰭
座頭鯨是一種體型龐大、蔚為壯觀的生物。它們的身體如同校車大小，重量可達(dá) 40 噸。但就是這樣的龐然大物，在游泳方面卻異常靈活。座頭鯨劃水時(shí)展現(xiàn)的敏捷性和精確性，堪稱在工程學(xué)上天賦異稟?？茖W(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，它們能做到這一點(diǎn)，主要原因是鯨鰭上遍布著凸起的結(jié)節(jié)。
大自然是最好的老師：論啟發(fā)科技的仿生學(xué)應(yīng)用
座頭鯨的鰭肢上有明顯凸起的結(jié)節(jié)
當(dāng)座頭鯨在海洋中游泳時(shí)，水會(huì)流過這些結(jié)節(jié)，形成許多很小的漩渦，這種 “結(jié)節(jié)效應(yīng)”能夠?yàn)樽^鯨提供更多浮力，也可以減少水的阻力，使其游得更快。座頭鯨又名大翅鯨，其鰭肢長度可達(dá)體長的三分之一，因此降低水阻力非常重要。受此啟發(fā)，人類設(shè)計(jì)出了更加穩(wěn)定的飛機(jī)、風(fēng)車和潛艇。其中比較令人驚奇的是，一位名叫弗蘭克 · 菲什的博士發(fā)現(xiàn)了這些結(jié)節(jié)的有益效應(yīng)，后來便創(chuàng)辦了 “Whalepower”公司，生產(chǎn)更高效的具有類似凸起的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片。
植物氣孔與透氣的運(yùn)動(dòng)服裝面料
在鍛煉的時(shí)候，人們都喜歡穿著由透氣材質(zhì)制成的運(yùn)動(dòng)服，以防止捂汗。設(shè)計(jì)此類運(yùn)動(dòng)服的 Stomatex 公司新開發(fā)了一種很有意思的材料，融入了類似植物氣孔的結(jié)構(gòu)。正如植物氣孔負(fù)責(zé)植物體內(nèi)的氣體交換一樣，這種織物上的氣孔也能更好地通風(fēng)，更具有透氣性。
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氣孔存在于植物葉子和莖的表層
當(dāng)我們的汗液蒸發(fā)時(shí)，氣體分子會(huì)從這些氣孔中逸出，為涼爽干燥的空氣進(jìn)入創(chuàng)造空間。這項(xiàng)技術(shù)可以讓我們的皮膚遠(yuǎn)離汗水，并在很長一段時(shí)間內(nèi)保持更舒適的皮膚溫度。
當(dāng)然，這并不是大自然第一次參與到人類的時(shí)尚中。Speedo 公司開發(fā)了一款被俗稱為 “鯊魚皮”的高科技泳衣 “Fastskin”。該泳衣具有類似鯊魚皮膚上的鱗片狀結(jié)構(gòu)，有助于在游泳時(shí)減少摩擦，并模仿鯊魚游動(dòng)時(shí)的流體動(dòng)力學(xué)。這件衣服的一個(gè)問題是它真的太緊了!游泳者穿上它大約需要 20 分鐘，有時(shí)需要剪開才能把它取下來。
尼龍搭扣是由 “維克羅”(Velcro，又叫 “維可牢”)公司發(fā)明的一種常見的纖維緊固物，常用在衣服和錢包上，通常由兩條薄薄的織物組成。一條織物上覆有鉤狀結(jié)構(gòu)，另一條則覆有環(huán)狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩條織物用力壓緊時(shí)，鉤與環(huán)的結(jié)合就會(huì)形成暫時(shí)緊固的狀態(tài)。據(jù)說發(fā)明者喬治 · 德 · 梅斯特拉是在注意到植物種子可以鉤住狗毛之后，受到啟發(fā)，才設(shè)計(jì)出了這種材料?，F(xiàn)在，尼龍搭扣大量應(yīng)用于戶外用品，如背包、帳篷、運(yùn)動(dòng)服飾、運(yùn)動(dòng)鞋等，即使在嚴(yán)峻的環(huán)境中，依然能保持強(qiáng)勁的拉力。甚至在 1968 年的阿波羅登月任務(wù)中，阿姆斯特朗和奧爾德林帶上月球的套裝、樣品收集袋和月球車等也都使用了尼龍搭扣。
翠鳥和子彈頭列車
日本的子彈頭列車以其速度和設(shè)計(jì)性而聞名，但一開始并不是這樣的。這些列車的最初設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生震耳欲聾的轟鳴聲，當(dāng)它以驚人的 300 公里時(shí)速疾馳而過時(shí)，周圍的居民和野生動(dòng)物不勝其擾。
解決方案令人意想不到，那就是翠鳥的喙。參與設(shè)計(jì)列車的一位工程師，同時(shí)也是狂熱的觀鳥愛好者，有一次看到翠鳥躍入水中的情景，發(fā)現(xiàn)濺起的水花很小。翠鳥之所以能做到如此完美的跳水動(dòng)作，是因?yàn)樗鄬^大的頭部和較窄的喙。受到鳥喙的空氣動(dòng)力學(xué)形狀的啟發(fā)，工程師們決定將其應(yīng)用到列車的設(shè)計(jì)中。于是就有了車頭尖尖的子彈頭列車，能以極快的速度(每小時(shí) 300 公里)行駛，同時(shí)空氣阻力極小，不會(huì)產(chǎn)生噪音。
壁虎的腳
在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，有一項(xiàng)技術(shù)被稱為 “從生物到設(shè)計(jì)”。具體方法是，首先發(fā)現(xiàn)一個(gè)技術(shù)問題，然后在自然界中尋找解決這一問題的方案。一旦找到了解決方法，科學(xué)家和工程師們就會(huì)嘗試進(jìn)行人工復(fù)制。美國國家航空航天局(NASA)的太空機(jī)器人就是一個(gè)很好的例子。
這些機(jī)器人的腳上有一種特殊材料，上面具有微小的纖毛。借助這種材料，機(jī)器人在外太空進(jìn)行維修時(shí)就能夠穩(wěn)穩(wěn)地附著在飛船外表面。這項(xiàng)發(fā)明來自對壁虎的觀察，眾所周知，壁虎可以在墻壁上行走自如，其秘密就在于其腳趾上近 10 億條微小的纖毛。
蚊子口器與注射針頭
蚊子絕對是人們最討厭的一類動(dòng)物!這些致病的吸血昆蟲能將口器平滑地刺入我們的皮膚，吸出血液，并且常常在我們意識到之前就吸飽了。蚊子的口器其實(shí)并不只是一根尖銳的 “針管”，而是由 6 個(gè)部分組成。我們很少感到蚊子 “咬”我們，這是最妙的部分。它們的口器有兩個(gè)細(xì)長尖銳的上顎和兩個(gè)鋸齒狀的下顎，是刺入皮膚的主要工具，可以在皮肉間自由地彎曲游走，尋找合適的毛細(xì)血管。
在一項(xiàng)研究中，科學(xué)家演示了一種特制注射針的使用方法。這種針類似蚊子的口器，由幾根像下顎一樣鋸齒狀的微針組合而成，能更加容易地刺入皮膚。這些侵入性較低的針頭帶來的疼痛感也更低，可以用于給藥或作為糖尿病患者的常規(guī)注射針頭。
結(jié)語
仿生學(xué)已經(jīng)在人類生活中發(fā)揮了極其重要的作用。38 億年來，地球生命為了適應(yīng)環(huán)境，演化出了無數(shù)的精巧設(shè)計(jì)。這一切都是為了以最少的努力和資源來獲得最大的回報(bào)。
然而，重要的是明白一點(diǎn)：大自然是有耐心的，這些結(jié)果并不是強(qiáng)迫而來的。如果人類能找到更多的方法模仿大自然的行為，我們可能就不會(huì)有資源短缺和污染的問題。例如，盡管研究者投入了很多精力來開發(fā)可用于人工授粉的機(jī)器蜜蜂，但它們?nèi)匀粺o法媲美真正的蜜蜂。
仿生專家丹尼斯 · 德盧卡表示，人們應(yīng)該把自然看作是靈感的來源，而不是原材料的來源。對產(chǎn)品設(shè)計(jì)師和工程師來說，大自然最大的啟示應(yīng)該是其可持續(xù)的環(huán)保設(shè)計(jì)。大自然母親可能不完美，但她確實(shí)造就了許多聰明和優(yōu)雅的方式，幫助我們以沒有資源浪費(fèi)和污染的方式繼續(xù)生活下去。
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