动物与仿生

动物与仿生 十大人类发明动物仿生技术 从古至今，人类一直在从大自然吸取灵感。维可牢尼龙搭扣即是研究人员受野蓟钩刺启发开发出来的，而第一代道路反射镜也是模仿猫眼结构制造的。今天，模仿大自然的科学(即生体模仿学)已成为一个产值达十亿美元的行业。以下是我们人类从动物王国“偷学”的十大技术。 1. 塑料涂层(偷学对象:鲨鱼) 基于鲨鱼皮开发出的一种塑料涂层，目前正在医院患 者接触频率最高的一些地方进行实验细菌感染恐怕是最 令医院头疼的一件事，无论医生和护士洗手的频率有多 高，他们仍不断将细菌和病毒从一个患者传到另一个患者 身上，尽管不是故意的。事实上，美 国每年有多达10万 人死于他们在医院感染的细菌疾病。但是，鲨鱼却可以让 自己的身体长久保持清洁——长达一亿多年。如今，正是 由于鲨鱼这一特性，细菌感染 可能会重蹈恐龙的覆辙 ——从地球上彻底消失。 与其他大型海洋动物不同，鲨鱼身体不会积聚黏液、水藻和藤壶。这一现象给工程师托尼?布伦南 (Tony Brennan)带来了无穷灵感，在2003年最早了解到鲨鱼的特性以后，他多年来一直在尝试为美国海军舰艇设计更能有效预防藤壶的涂层。在对鲨鱼皮展开 进一步研究以后，他发现鲨鱼整个身体覆盖着一层层凹凸不平的小鳞甲，就像是一层由小牙织成的毯子。黏液、水藻在鲨鱼身上失去了立足之地，而这样一来，大肠 杆菌和金黄色葡萄球菌这样的细菌也就没有了栖身之所。 一家叫Sharklet的公司对布伦南的研究很感兴趣，开始探索如何用鲨鱼皮开发一 种排斥细菌的涂层材料。今天，该公司基于鲨鱼皮开发出一种塑料涂层，目前正在医院患者接触频率最高的一些地方进行实验，比如开关、监控器和把手。迄今为 止，这种技术看上去确实可以赶走细菌。Sharklet公司还有更宏伟的目标:下一步是开发一种可以消除另一个常见感染源——尿液管——的塑料涂层。 2. 音波手杖(偷学对象:蝙蝠) 这听上去就像一个糟糕玩笑的开头:一位大脑专家、一位生 物学家和一位工程师走进了同一家餐厅。然而，这种事情确实发 生在英国利兹大学，几个不同领域的专家的 突发奇想最终导致音 波手杖(Ultracane)的问世:这是一种盲人用的手杖，在靠近物体 时会振动。这种手杖采用了回声定位技术，而蝙蝠就是利用同样 的 感觉系统去感知周围环境。音波手杖能以每秒6万个的速度发 送超声波脉冲，并等待它们返回。 当一些超声波脉冲回来的时间超过别的超声波脉冲时，这表 明附近有物体，引起手杖产生震动。利用这种技术，音波手杖不 仅可以“看到”地面物体，如垃圾桶和消防栓，还能感受到头顶 的事物，比如树杈。由于音 波手杖的信息输出和反馈都不会发出声音，使用者依旧能听到周围发生的事情。尽管音波手杖并未出现顾客排队购买的热卖景象，但美国和新西兰的几家公司目前正 试图利用同样的技术，开发出适销对路的产品。 3. 新干线列车(偷学对象:翠鸟) 日本的高速列车都具有长长的像鸟喙一样的车头，令其相对安静地离开隧道。 日本第一列新干线列车在1964年建造出来的时候，它的速度达到每小时120英里(约合 每小时193公里)。但是，如此快的速度却有一个不利方面，列车驶出 隧道时总会发出震耳欲聋的噪音，乘客抱怨说有一种火车挤到一起的感觉。这时，日本工程师中津英治(Eiji Nakatsu)介入了这件事。中津英治还是一位鸟类爱好者，他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”。 当这堵墙同隧道外面的空气相碰撞时，便产生 了震耳欲聋的响声，这本身对列车施加了巨大的压 力。中津英治在对这个问题仔细分析之后，意识到 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。翠鸟生活在河流湖泊附近高高的枝头 上，经常俯冲入水捕鱼，它们的喙外形像刀 子一样， 瞬间穿越空气，从水面穿过时几乎不产生一点涟漪。 中津英治对不同外形的新干线列车进行了实 验，发现迄今最能穿透那堵风墙的外形几乎同翠鸟 的喙外形一样。现在，日本的高速列车都具有长长 的像鸟喙一样的车头，令其相对安静地离开隧道。 事实上，外形经过改进的新干线列车的速度比以前快10%，能效高出15%。 4. 风扇叶片(偷学对象:驼背鲸) 美国宾夕法尼亚大学西切斯特分校流体动力学专家、海洋生物学家弗兰克?费什(Frank Fish)教授表示，他从海洋深处找到了解决当前世界能源危机的办法。费什注意到，驼背鲸的鳍状肢可以从事一些似乎不可能的任务。驼背鲸的鳍状肢前部具有 垒球大小的隆起，它 们在水下可以令鲸鱼轻松在海洋中游动。但是， 根据流体力学原则，这些隆起应该会是鳍的累 赘，但现实中却帮助鲸鱼游动自如。 于是，费什决定对此展开调查。他将一个12 英尺(约合3.65米)长的鳍状肢模型放入风洞， 看它挑战我们对物理学的理解。这些名为结节的 合空气动力学原理。费什隆起使得鳍状肢更符 发现，它们排列的方位可以将从鳍状肢上方经过 的空气分成不同部分，就像是刷毛穿过空气一 样。费什的发现现在叫做“结节效应” (tubercle effect)，不仅能用于各种水下航行器，还应用于风机的叶片和机翼。 根据这项研究，费什为风扇设 计出边缘有隆起 的叶片，令其空气 动力学效率比标准设计提升20%左 右。他还成立了一家公司专门生产 这种叶片，不久将开始申请使用其 节能技术，用以改善全世界工厂和 办公大 楼的风扇性能。费什技术的 更大用途则是用于风能。他认为， 在风力涡轮机的叶片增加一些隆 起，将使风力发电产业发生革命性 变革，令风力的价值比以前任何时候 都重要。 5. 在水面行走的机器人(偷学对象:蛇怪蜥蜴) 蛇怪蜥蜴(basilisk lizard)常常被称为是“耶稣蜥蜴” 蛇怪蜥蜴(basilisk lizard)常常被称为是“耶稣蜥蜴”(Jesus Christ lizard)，这种 称呼还是有一定道理的，因为它能在水上走。很多昆虫具有类似本领，但它们一般身轻如燕，不会打破水面张力的平衡。体形更大的蛇怪蜥蜴 之所以能上演“水上漂”，是因为它能以合适的角度摆动两条腿，令身体向上挺、向前冲。2003年，卡内基梅隆大学的机器人技术教授梅廷?斯蒂(Metin Sitti)正从事这方面的教学工作，重点是研究自然界存在的机械力 学。当他在课堂以蛇怪蜥蜴作为奇特的生物力 学案例时，他深受启发，决定尝试制造一个具 有相同本领的机器人。 这是一项费时费力的工作。发动机的重量 不仅要足够的轻，腿部还必须一次次地与水面 保持完美接触。经过几个月的努力， 斯蒂和 他的学生终于造出第一个能在水面行走的机 器人。尽管如此，斯蒂的设计仍有待进一步完 善。这个机械装置偶尔会翻滚，沉入水中。在 他克服了重重障碍以 后，一种能在陆地和水 面奔跑的机器人便可能见到光明的未来。我们或许可以用它去监测水库中的水质，甚至在洪水期间帮助营救灾民。 6. 太阳能电池板(偷学对象:马勃菌) 橙黄色的马勃菌海绵(puffball sponge)并不多见，它基本上是一种生活在 海底的“碰碰球” 橙黄色的马勃菌海绵(puffball sponge)并不多见，它基本上是一种生活在 海底的“碰碰球”。马勃菌海绵并没有任 何的附肢、器官、消化系统和循环系统， 无时无刻不在过滤水体。然而， 这种并不 招摇的生物或许会是未来技术革命的催化 剂。马勃菌海绵的“骨骼”是由众多格子状的硅钙物质构成，事实上，它类似于我们用以制造太阳能电池板、微芯 片和电池的材料，但有一点不同:我们在制造这些材料时需要大量能量和各种各样的有毒化学物质。 海绵显然在这方面做得更好:它们只要向水中 释放特殊的酶，从中吸收硅钙，就能把这两种化学物质变成需要的外形。美国加州大学圣巴巴拉分校生物技术教授丹尼尔?摩斯(Daniel Morse)研究了马勃菌海绵酶的特性，并在2006年成功进行了复制。他通过清洁、效率很高的海绵技术制出大量电极。当前，多家公司将投资数百万美元创 建一个企业联盟， 太阳能电将类似产品推向市场。几年以后，当 池板忽然出现在美国每家每户的屋顶上，微芯 片只卖几美元的时候，千万不要忘了感谢让这 一切成为现实的不起眼的马勃菌。 7. 多刃锯(偷学对象:树蜂) 不要害怕树蜂屁股上两根像鞭子一样的大大 的针状物。它们不是刺儿，而是“钻头”。树 蜂利用这些针状物(有时比整个身体还长)在 树上钻洞，然后在里面“寄存” 幼仔。多年 来，生物学家一直不清楚树蜂“钻头”的用 法。与需要外力的传统钻洞方法不同，树蜂可以从任何角度毫不费力地钻洞。经过几年的研究，科学家最终发 现，树蜂的两根针状物可以深入木头，然后像拉链一样锁起来锯东西。 英国巴斯大学的天文学家认为，树蜂的“钻头”在太空大有用武之地。长久 以来，科学家为了在火星上寻找生命，他们必须在火星表面凿洞。但是，在几乎没有重力的火星环境下，他们不清楚是否能找到可以在坚硬表面凿洞的压力。受树蜂 的启发，研究人员设计出一种一侧有多余刀刃的锯子，让它们像树蜂的“钻头”一样互相推。从理论上讲，这套装置可以用于在无任何重力的流星的表面凿洞。 8. X光透视机(偷学对象:龙虾) 研究员借鉴龙虾的视觉系统研发新型X射线技术。 X 光透视机大而笨重是有原因的，与可见光不同，X光不喜欢弯曲，所以难以操作。我们对机场包裹以及医院患者进行扫描的唯一途径是，用一连串放射物同时轰击他 们——这便需要仪器的个头很大。但是，生活在水下300英尺(约合90米)处的龙虾却具有“X光视线”，而且性能远远超过我们的X光透视机。与人眼(必须 由大脑解读所折射的图像)不同，龙虾可以直接看到反射的图像，将其聚焦于某一个点，全部在此聚集以后形成图像。 科学家多年来就试图找到“偷学”龙虾这 种技巧的方法，用于制造新型的X光透视机。“龙虾眼X光成像仪”(LEXID)是一种便携式“手电筒”，可以看穿3英寸(约合8厘米)厚的钢板。这套仪器 可以射出一串细细的低功耗X光穿透物体，无论碰到什么东西，都会在另一端恢复原状。正如在龙虾的眼睛一样，返回的信号通过小管中转生成图像。美国国土安全 部已投资100万美元用于“龙虾眼X光成像仪”的研发，希望用它去探测违禁物品。 9. 保存疫苗(偷学对象:还魂植物和水熊虫) 当事情不妙的时候，装死显然是不错的选择。这是大自然两种最具耐力的生物——还魂植物和水熊虫——的座右铭。科学家或许会利用这两种生物的惊人生物化学特 性，用于拯救发展中国家的数百万条生命。还魂植物 (Resurrection plan)是指在干旱时节枯萎， 看上去枯死一样的沙漠苔藓。可一旦下雨， 它们会再次生机勃发，好像一切都没有发生 似的。水熊虫具有类似的装死本领，这种只 能在显微镜下看到的动物会在某一段时间 内停止一切活动，承受对人类来说最为残酷 的环境。 它们可以在接近绝对零度和300华氏度 以上的极端 温度下存活，一滴水不喝也能活上十年，承受辐射的能力是地球上其他动物的1000倍，甚至还能在真空状态下存活。在正常条件下，水熊虫看上去就像是四肢胖 乎乎的睡袋，可一旦遭遇极端条件，它们便像霜打的茄子一样枯萎。如果环境重新回归正常，小家伙只要一点儿水就又能焕发生机。还魂植物和水熊虫生存之道在于 冬眠。在此期间，它们会用一种糖(最终变得如玻璃般坚硬)替代体内所有水分，结果令其陷入一种假死状态。 尽管这种方法不适于人类——用糖 取代血液中的水分会令我们一命呜呼，但的确可以用于保存疫苗。据世界卫生组织估计，全世界每年有200万儿童死于疫苗本身可以阻止的疾病，如白喉、破伤 风、百日咳。因为疫苗具有一些活物质，一旦遭遇温度过高的环境会立即死去，所以，将疫苗安全送达需要它们的地方极为困难。这也是英国一家公司从还魂植物和 水熊虫的生活习性吸取经验的原因。他们开发出一种特殊的防腐剂，可以将疫苗内的活物质变成盖玻片水珠，令疫苗在酷暑中也能存活一周多的时间。 10. 汽车车板(偷学对象:巨嘴鸟) “巨嘴鸟山姆”(果脆圈品牌的吉祥物) 巨嘴鸟的喙大而厚重，本应该让这种鸟儿不堪重负。但是，正如果脆圈(一种谷类早餐)爱好者告诉你的一样，“巨嘴鸟山姆”(果脆圈品牌的吉祥物) 只会因此感到幸运。这是因为巨嘴鸟的喙简直是工程学上的奇迹。它十分坚实耐用，可以啄穿最硬的水果外壳，还是对付其他鸟类的有力武器，而它们的密度却与保 丽龙杯(Styrofoam cup)一样。 美国加州大学圣迭戈分校工程学教授马克?梅耶斯(Marc Meyers)为揭开巨嘴鸟的喙特性之谜花费了大量心血。乍看上去，它好像是包了一层硬壳的泡沫，如摩托车头盔。然而，梅耶斯发现，所谓的“泡沫”其实是 由小脚手架和细细薄膜构成的复杂网络。脚手架本身由厚重的骨骼构成，但它们的间隔十分有序，使得整个喙的密度只有水的十分之一。梅耶斯认为，通过模仿巨嘴 鸟喙的特性，我们可以开发出更坚实、更轻便、更安全的汽车车板。今天的汽车已经广泛采用了这项技术。