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法师大自然:启发科技的仿生学应用

   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。

 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。(任天)

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作者: admin

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