9个源于自然的灵感

作者: Takeko

来源: 原理

发布日期: 2021-01-08

本文介绍了9个源于自然的灵感,展示了自然界如何为科学家和工程师提供了解决现代人类问题的答案。从牛蒡与魔术贴的发明,到壁虎脚趾的仿生技术,再到翠鸟喙结构对新干线列车的影响,这些例子都证明了自然界是人类最好的老师。

或许可以这么说,经过长久的自然选择的累积,自然为几乎所有事情都找到了解决方案。对科学家和工程师而言,自然同样是最好的老师。从自然中,人们也学会了许多解决现代人类问题的答案。1941年,瑞士电气工程师George de Mestral前往阿尔卑斯山狩猎。回来之后,他发现自己的衣服和宠物狗的身上都挂满了带着毛刺的牛蒡。牛蒡会附着在路过的生物身上,用这种方式将自己的种子传播到更远的地方。

Mestral用显微镜仔细观察了这种植物,发现上面长着看似非常简单的小钩子,正是它们让果实能挂在衣物或动物皮毛的纤维环中。这一发现激发了Mestral的灵感,从而创造出了一种尼龙搭扣,也就是我们常说的魔术贴。1955年,魔术贴获得专利。如今,这种看似简单的日常用品给我们的生活带来了极大的便利。壁虎“对抗引力”的秘密在它们的脚趾上。壁虎的脚趾上长着一排特殊的细毛,被称为刚毛。

利用范德华力,也就是一种只在微观尺度下起作用的力,刚毛能够黏附在许多表面上,并支撑起壁虎的体重。这种机制有许多优点,比如它是可逆的,能够提供强劲的抓力,且不需要额外的黏合剂。近年来,工程师已经成功地利用硅胶复刻出了类似的刚毛,带来了“壁虎皮肤技术”的无数应用。其中最具代表性的发明包括可以让人类攀爬陡峭的玻璃墙的工具、有能力拉动数百倍于自身重量的搬运机器人,以及NASA用于太空修复的机械手爪。

在波士顿的一家礼品店里,生物学家Frank Fish注意到了一个座头鲸的雕塑纪念品,它的鳍上雕刻出了一些隆起的部分。起初,Fish认为是制作雕像的艺术家犯了错,这些隆起应当沿着前部,而不是在鳍的后缘上。但事实上艺术家是对的。带有一排突起的脊能够形成微小的涡流,帮助鳍穿过水面,这也解释了座头鲸所拥有的惊人的敏捷性。

在研究了这种“结节效应”后,Fish发现,在涡轮叶片上增加一排突起,同样可以减少阻力并降低噪音,提高机械的效率。

在显微镜下,你会发现鲨鱼皮上有一层紧密的微型鳞片。受到鲨鱼皮的启发,NASA的科学家开发了一种能够降低阻力的船舶涂层。这种涂层非常成功,效果明显,它曾帮助美国星条旗队赢得了1987年美洲杯帆船赛的冠军。正是因为这种不可忽略的优势,竞争对手认为它让比赛变得不公平,这种技术曾一度在比赛中被禁止使用。

在交通工具速度突破的历程中,人们需要克服一系列问题。例如,当一列高速列车从隧道中驶出时,由于头部前方积聚的气压,会产生巨大的声响。上世纪90年代,日本工程师Eiji Nakatsu注意到,翠鸟能以极高的速度潜入水中,而几乎不会产生任何飞溅的水花。他设计的新干线高速列车借鉴了翠鸟的喙的结构,这不仅降低了列车行驶的噪音,而且更符合空气动力学,从而使用更少的动力实现了更高的速度。

非洲白蚁生活的环境并不算舒适,在一些地方,白天的环境温度能够达到40℃,而晚上则会直接降到接近零度。但非洲白蚁进化出了一些精巧的设计。白蚁巧妙地利用了沿着顶部和侧面的一系列通风口,让蚁丘拥有了一个被动的冷却系统,其内部可以保持近乎恒定的温度。建筑师Mick Pearce在设计津巴布韦哈拉雷一座大型办公综合体——东门中心时学习并采用了相似的策略。

东门中心拥有一套精心设计的烟囱冷却系统,热空气会通过建筑顶部的烟囱排出,而冷空气则会从地下吸入,形成了良好的空气循环。

在自然中,蜂巢里的一切井然有序地进行着,从来不会有蜜蜂告诉其他蜜蜂应该做什么,但它们仍然能本能地感觉到有什么工作需要进行并着手开始做。蜜蜂的这种判断主要来自它们在蜂巢中的位置,以及周围其他蜜蜂的行为活动。美国一家能源公司采用了这种“群体逻辑”来提高能源网的效率。新型的能源网放弃了利用中央系统定向电力负荷的模式,而是设置了能够进行无线通讯的本地控制器,让它们确定电力需要流向何处。

随着城市摩天大厦和玻璃幕墙的崛起,据估计,每年有约一亿只鸟会与玻璃相撞。原因显而易见,鸟不会意识到玻璃这种透明结构是一种物理屏障。为了解决这个问题,一家公司开发了仿生的鸟类安全玻璃Ornilux,这种产品的灵感来自蜘蛛网中反射紫外线的丝线。在自然中,鸟类因此能看到蜘蛛网的存在,而避免撞上,这对两类生物来说是明显的“双赢”。

Ornilux玻璃复刻了这一点,利用纵横交错的紫外线玻璃,在不影响人类视野的同时,让鸟类也能意识到玻璃的存在。尽管箱鲀鱼外表看起来十分笨重,但这种鱼在水中游动的阻力非常小,它们在水中的阻力系数只有0.06。2005年,受到箱鲀鱼高结构强度和低质量特点的启发,奔驰公司开发出一款仿生概念车Bionic。据最初报道,这款汽车可以减少阻力,具有很强的刚性,且重量更轻,油耗比传统汽车要低得多。

当然,有些设计在自然界中看起来是完美的,但并不一定意味着它在工业设计中也是这样。这款概念车尚未投入量产,或许是因为2015年的一项研究发现,这种箱鲀鱼的外形并没有减少阻力,反而可能让汽车变得更不稳定。对于一类有着数千万年进化历史的鱼来说,这是完美的“设计”,但对交通工具来说,它也可能没那么完美。

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