仿生学：偷师大自然

对于设计中的优雅和高效，自然界永远是我们学习的对象，在漫长的进化历史中，为了解决问题，大自然进化出了一些高效、稳定、持久、可靠、灵敏且可持续的方法，这些都是我们偷师的蓝本。

下一个巨大技术突破的秘密或许就潜伏在我们周围，隐藏于那些在我们身边滑行、匍匐潜行或飞行的生物身上。科学家和设计师们一直在向足智多谋、巧夺天工的自然界偷师，希望取得真经，作出更大的技术突破，他们将这种技术称为“生物模拟或仿生学（biomimicry）”。他们表示，大自然是最好的设计灵感来源，仿生是设计的捷径，因为仿生设计具有最低的设计熵。

仿生学拥有悠久的历史，至少在15世纪时就已出现，当时意大利著名画家达·芬奇就曾解剖鸟类，试图以此为蓝本设计一种“飞行机器”。美国有线电视新闻网（CNN）最近为我们列举出一些受生物学启示而研发的新技术。

“维克罗”尼龙搭扣

“维克罗”尼龙搭扣

最广为人所知的仿生学设计无疑是“维克罗（velcro）”尼龙搭扣（由两条尼龙带组成，按压而粘合在一起），于20世纪中期诞生于瑞士。

上世纪40年代初的一天，瑞士发明家乔治·德·米斯特劳带着他的爱犬到森林中漫步，返回时发现裤子和狗身上粘满了带刺的苍耳。这一现象引发了他的好奇心。在显微镜下进一步观察后，他发现了其中的奥秘：原来苍耳每个刺的顶端结构都是一个小钩子，就是这种结构使它可以轻易地钩在有毛圈结构的裤料上。这一发现促成米斯特劳发明了由钩和毛两种结构组成的搭扣带。其中的钩就像苍耳上的小钩子，而毛就像裤料上的毛圈一样。

能显示色彩的Mirasol智能手表显示屏

“壁虎皮肤”胶带

你能想象一块索引卡大小的透明胶带能承受300多公斤的重量吗？的确如此。据媒体报道，美国马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究人员已经研制出了“壁虎皮肤（Geckskin）”胶带，这种类似壁虎皮肤的胶带，不仅可以重复使用，而且吸力很大，据称可将300公斤的东西粘在墙上，一旦实现商用，很多东西都可以像壁虎那样飞檐走壁了，所谓的“蜘蛛侠”也就从电影走向了现实。

这种“壁虎皮肤”胶带正是根据仿生学原理设计而来。壁虎皮肤表面有无数的细毛，这些细毛可以从分子级别上吸附在物体表面，从而产生巨大的吸力，但这种吸力和普通胶带的吸力截然不同。壁虎松开爪子之后，不会在物体上留下任何痕迹。科学家正是根据壁虎爪的肌肉、骨头和皮肤的原理，将特制的胶水和软垫编织到坚硬的布料上，让软垫可以像壁虎爪子那样吸附在其他物体表面。

“人造树叶”

这只是一个小小的仿生学例子。在4亿年漫长的进化过程中，自然界摸索出了制造清洁、便宜、碳排放为负值的能源的办法，人类或许可以站在自然界这个巨人的肩膀上，利用这些智慧并将其发扬光大。

美国化学家、麻省理工学院（MIT）教授丹尼尔·诺塞拉研制的“人造树叶”正是其中的设计翘楚。这种廉价高效的“叶子”只需使用太阳光，就能将水分解成氢气和氧气，就像无数个世纪以来植物一直在做的那样。这种如扑克牌大小的片状材料的使用方法也非常简单：将它放在水中，暴露在太阳光下，即可将水有效地分解为氧气和氢气，这些气体再被输送到一个分离的燃料电池中储存并发出电力。

诺塞拉在报告中说：“将一加仑水和人造树叶放置在阳光下，可以提供发展中国家一个家庭一天的基本用电。”诺塞拉有一个野心勃勃的计划，他希望在未来的某一天，每个家庭都能拥有这样一款氢电池发电站。

“发光纤维”

有些颜色，比如油在水面上泛出的光亮，要归因于其奇异的物理性质。在对光进行反射时，这种物质表面内微小的缝隙制造出了一个干涉，因此会发射出各种颜色。电子工程制造商高通公司利用这种现象，研制出了Mirasol智能手表显示屏。这种显示屏可以在阳光下阅读，显示彩色。

另外，摩尔佛（Morphotex）纤维不含颜料、通过光学干涉可以获得闪亮的蓝色，其灵感来源是蝴蝶羽翼利用光折射发出色彩的特性。

袋鼠机器人

“袋鼠机器人”

就科技发展而言，大自然就是开发机器人最佳的灵感源泉，除了我们最熟悉的昆虫和鸟类之外，袋鼠也跃升为我们模拟的对象。这不，德国Festo公司就模拟袋鼠的跳跃，研制出了一款仿生袋鼠机器人“BionicKangaroo”。

这款仿生设备拥有发达的后肢、前倾的身躯和一条用以平衡身体的长尾，神似一只在草原奔跑的袋鼠。其重量约为7千克，站立起来的高度为1米。它最高能跳至40厘米，活动半径最远为80厘米。

为了实现连续跳跃，设计师为BionicKangaroo加入了能量填充系统，其能从上一次的跳跃中收集能量，从而为下一次的跳跃做好准备。

官方表示，对于仿生领域的深入研究能对诸如汽车或计算机等工业自动化系统的研发提供帮助。仿生袋鼠是Festo公司仿生学习网络最新的实验作品，其目的是为现有的自动化机械系统寻找新的改进方案。而且，仿生技术不止局限于机器人领域，它也被用在模拟神经元的计算机芯片、模拟母亲子宫为早产儿设计的智能床垫等设备中。

“鲨鱼皮”泳衣

“鲨鱼皮”泳衣

在2000年悉尼奥运会上，身着速比涛（Speedo）公司研制的连体泳衣“快皮（Fastskin）”的澳大利亚运动员伊恩·索普一鸣惊人，获得3枚金牌，这种模仿鲨鱼皮肤制作的高科技泳衣瞬时亮瞎了全世界人们的眼睛，从此，“鲨鱼皮”成为各国选手的参战利器。2008年，美国“神童”菲尔普斯身着最新款式的第四代“鲨鱼皮”在北京奥运会上独揽8金，将这款神奇的泳衣推向了神坛。

生物学家发现，鲨鱼皮肤表面粗糙的V形皱褶可以大大减少水流的摩擦力，使身体周围的水流更高效地流过，从而使鲨鱼快速游动，“快皮”的超伸展纤维表面便是完全仿造鲨鱼皮肤表面制成的。此外，此类泳衣还充分融合了仿生学原理：在接缝处模仿人类的肌腱，为运动员向后划水时提供动力；在布料上模仿人类的皮肤，富有弹性。实验表明，“快皮”的纤维可以将水的阻力减少3%，这在0.01秒就能决定胜负的游泳比赛中意义非凡。

新干线列车

“子弹列车”

日本第一列新干线列车于1964年横空问世时，速度高达193公里/小时，但也有一个重大的缺陷，那就是，列车驶出隧道时总会发出震耳欲聋的噪音。日本工程师中津英治通过调查发现，新干线列车总在不断推挤前面的空气，形成了一堵“风墙”，当这堵“风墙”同隧道外的空气碰撞时，便产生了震耳欲聋的响声。

中津英治认识到，为了解决这个问题，新干线必须要像跳水运动员入水一样“穿透”隧道。为了获取灵感，他开始研究善于俯冲的鸟类——翠鸟的行为。他发现，翠鸟拥有一个流线形的长长鸟嘴，其直径逐渐增加，以便让水流顺畅向后流动，这样，翠鸟从水面穿过时几乎不会产生一点涟漪。

在此基础上，工程师们对子弹车头进行重新改造，西日本铁路公司制造出了500系列列车，并于1997年投入使用。实践证明，这种列车的车速提升了10%，而电力消耗则降低了15%，噪音水平也有了显著下降。

“莲花”油漆

自古以来，莲花因其出污泥而不染的高洁品格而备受人们的喜爱，然而很少有人知道，莲花之所以清纯洁净，蕴含着植物学秘密。德国波恩大学教授威廉·巴斯洛特经过研究发现，每次有雨滴落在莲花上，莲花上微小的表面结构会促使水流下叶子并带走灰尘，据此，他们研制出了“莲花（Lotusan）”油漆，它能够像莲花一样，自己去除表面的污物颗粒，使建筑物外表保持干净。

“超级变形机械球”机器人

“超级变形机械球”机器人

美国国家航空航天局（NASA）最伟大的行星探测设备的“缪斯女神”或许是地球上最蠢笨的微生物——风滚草。“风滚草”是戈壁上的一种常见植物，当干旱来临时，它会从土里将根收起来，团成一团随风四处滚动。

NASA借用风滚草随风滚动的特点，研制出了一款名为“超级变形机械球（Super Ball Bot）”的装置，这款行星登陆和探测机器人透过结构中弹性线材的拉力协调改变就可以做出“滚动”的动作。它的另一个潜能是可以在不配备反推力装置之下降落星球，因为它具有弹性的结构可以吸收撞击地面时的冲力，降落高度可达99.7公里。另外，因其结构灵活，利于收纳，所以宇宙飞船一次可携带多只上太空。

聚集式太阳能发电站

聚集式太阳能发电站

成排成列的镜子将太阳光辐射反射进中央发电站，就像向日葵一样，随着太阳在天空上漫步，这些发光的镜子也会跟着太阳旋转。但美国麻省理工学院（MIT）的研究人员发现，这种聚集式发电站可以提供更多电力，秘密就是位于中央的“太阳花（sunflower）”。他们经过研究后发现，将这些镜子排列成奇怪的螺旋形，能与“太阳花”最匹配，让整个系统发挥最大功效。

从蚁穴获得灵感的节能建筑

带烟囱的节能建筑

当然，人类并非只向单个的植物、动物偷师，也会从动植物的群体行为获得灵感。比如，当仿生建筑师米克·皮尔斯被授命设计津巴布韦首都哈拉唯的伊斯特盖特大厦时，就从白蚁搭建蚁丘获得灵感。

蚁丘内部必须维持恒温，保持华氏87度（约30.6摄氏度），这样，白蚁才能培养一种维持其生命所需要的真菌，但做到这一点并不容易，因为非洲平原上白天的温度可能超过华氏100度（38摄氏度），晚上却可能低到华氏40度（5摄氏度）以下。然而，白蚁却巧妙地把微风从蚁丘底部引进由凉爽湿泥构成的蚁室，再把经过冷却的空气送到顶端。白蚁正是通过不断建造新通风口，关闭旧通风口，来精确地调节蚁丘内部的温度。

皮尔斯从中获得灵感，他将白蚁巢穴的建筑理念用于33.3万平方英尺的伊斯特盖特大厦上，使该建筑比一般建筑更凉爽且节能90%。建筑物上巨大的烟囱犹如白蚁巢穴一样，可以在夜晚吸收凉爽的空气用以降低楼板的温度。而在白天，楼板也可以保持凉爽，从而减少了空调的使用时间。