灵感源于自然的十大创新技术

作者: Cathal O'Connell

来源: https://cosmosmagazine.com/technology/10-technologies-inspired-nature

发布日期: 2016-06-20 07:28:24

本文介绍了十种受自然启发而创新的技术,包括维可牢、壁虎足与攀爬技术、鲸鳍与涡轮叶片、鲨鱼皮与减阻涂层、翠鸟与子弹头列车、枫树种子与无人机、多足机器人、蜂巢思维网格、“糖衣”疫苗以及白蚁与建筑。这些技术展示了自然界如何通过数十亿年的进化提供了解决复杂问题的灵感。

历经三十五亿年的深入“研发”,大自然“发明”出了各式各样应对不利条件的巧妙解决方案,譬如通过粘性来抵抗引力,或利用糖分从长达一个世纪的脱水环境中幸存下来。有时候,生命系统甚至直接赋予人类科学家和工程师们以灵感,启发他们研发出了各种新技术。

1941年,瑞士电气工程师乔治·德·梅斯特拉尔从阿尔卑斯山打猎归来后,发现自己的衣服以及猎犬的皮毛上都粘上了牛蒡毛刺。

这种粘附在路过的生物身上的机制,是牛蒡远距离散播种子的方式。梅斯特拉尔将毛刺放在显微镜下进行观察,发现正是一些简单的钩子结构,让毛刺粘附在自己的袜子和猎犬皮毛上。这赋予了他灵感。梅斯特拉尔用各种材料的钩子和圆环进行了无数次试验,十年之后,终于获得了一种新织物搭扣的专利,这种织物搭扣就是我们现在所知的维可牢。

壁虎抗地心引力的抓握秘诀在于脚趾上成排的微小刚毛。这些刚毛可以依靠粘性的范德华力依附在任何表面,范德华力只在微观尺度上发挥作用。这种吸附方式的优势在于可逆地强力抓握,而且不需要使用任何粘合剂。近年来,工程师们已经成功地使用硅胶模拟出类似的刚毛结构,从而推动了各式各样壁虎皮肤模拟技术的出现。

在波士顿的一家礼品店中,生物学家弗兰克·费什注意到一尊座头鲸雕塑的鳍周围有隆起,他以为是艺术家犯的一个错误。这些隆起不是出现在鳍的后沿,而是顺着前沿延伸。不过事实证明,这位艺术家的观察是正确的。这排疣状脊线可以产生帮助鳍在水中划动的微小漩涡,同时也解释了座头鲸在水中令人惊奇的敏捷性。

受到鲨鱼皮肤上微小鳞片的启发,美国宇航局科学家发明了一种船用减阻涂层。此项技术帮助星条旗号赢得了1987年美洲杯帆船赛的冠军。这种涂层的减阻效果是如此成功,以致于比赛主办方认为它属于不公平的优势,并一度禁止运用这项技术,但后来又撤销了这一决议。

上世纪九十年代,日本工程师中津英治发现翠鸟能够高速潜入水中,却不溅起水花。于是他仿照翠鸟喙设计出了新干线子弹头列车,这种设计不仅降低了火车的噪音,而且更加符合空气动力学原理,在降低能耗的同时还能提升车速。

凭借类似转子的设计,枫树种子会打着转儿从空中掉落——通过旋转产生的升力使得它们能够飞行至距离枫树更远的地方。洛克希德·马丁公司采纳这种设计,研制出了一款名为Samarai的单旋翼无人机。这款设计简单的无人机仅有两个活动部件,因此可以轻易地予以小型化。

在荒野山坡不平坦的地面或火星的崎岖地貌上,“腿”能够“走”到轮子去不了的地方。基于对自然造物和猎豹身体结构的研究,美国国防部高级研究计划局发明了一系列的四足机器人,它们可以在战场上飞奔着运送补给。与此同时,美国宇航局也在开发一种名为ATHLETE的六足机器人。

无需接到任何指令,蜂巢里的蜜蜂本能地知道有哪些工作需要做并付诸行动——这源于它们身处蜂巢的位置和周围其他蜜蜂正在做的事。美国雷根能源公司就采用了这种“群逻辑”,来改进电力网络的效率。

缓步类动物是一种生活在水中且生命力极强的八足微小生物。当处于缺水的环境中,它们会脱水,但与此同时,它们也进化出了可在缺水一百多年之后奇迹复活的神奇能力——通过将体内的分子如DNA和蛋白质包裹在一种糖内来实现。旧金山Biomatrica公司和英格兰Nova Laboratories等多家生物技术公司,都采用了类似的技术来保存活疫苗,而无需冷冻。

非洲白天的气温可高达40℃,夜晚又会降至2℃以下。

为了让土丘巢穴保持在相对恒定的温度,非洲白蚁进化出了精巧的筑巢本领:通过在顶部和侧面开凿出一连串的通风孔,为自己的土丘打造出了被动冷却系统,风可以将地下巢穴的热空气通过通风孔带出建筑体。白蚁们甚至还会依靠打开或关闭通道来控制气流。建筑师米克·皮尔斯在设计东门中心时就采用了类似的策略,东门中心是一栋位于津巴布韦首都哈拉雷的办公综合建筑。

借鉴白蚁的解决方案,热空气可从建筑物顶端成排的烟囱中排出,而较冷的空气则被导向地下。整栋建筑没有使用空调就能保持凉爽,相比同等规模的传统建筑,它只需要使用十分之一的电能。

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