驚呆！靈感源于自然的十大創(chuàng)新技術(shù)

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本文由公眾號(hào)賽先生提供

歷經(jīng)三十五億年的深入“研發(fā)”，大自然“發(fā)明”出了各式各樣應(yīng)對(duì)不利條件的巧妙解決方案，譬如通過(guò)粘性來(lái)抵抗引力，或利用糖分從長(zhǎng)達(dá)一個(gè)世紀(jì)的脫水環(huán)境中幸存下來(lái)。有時(shí)候，生命系統(tǒng)甚至直接賦予人類(lèi)科學(xué)家和工程師們以靈感，啟發(fā)他們研發(fā)出了各種新技術(shù)。

一、牛蒡種子與維可牢

維可牢的掃描電鏡圖片展現(xiàn)了它與牛蒡鉤刺的相似性

圖片來(lái)源：Science Photo Library

1941年，瑞士電氣工程師喬治·德·梅斯特拉爾（George de Mestral）從阿爾卑斯山打獵歸來(lái)后，發(fā)現(xiàn)自己的衣服以及獵犬的皮毛上都粘上了牛蒡毛刺。這種粘附在路過(guò)的生物身上的機(jī)制，是牛蒡遠(yuǎn)距離散播種子的方式。

梅斯特拉爾將毛刺放在顯微鏡下進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)正是一些簡(jiǎn)單的鉤子結(jié)構(gòu)，讓毛刺粘附在自己的襪子和獵犬皮毛上。這賦予了他靈感。梅斯特拉爾用各種材料的鉤子和圓環(huán)進(jìn)行了無(wú)數(shù)次試驗(yàn)，十年之后，終于獲得了一種新織物搭扣的專(zhuān)利，這種織物搭扣就是我們現(xiàn)在所知的維可牢（編注：即日常生活中最常見(jiàn)的尼龍搭扣）。

牛蒡利用微小的鉤型結(jié)構(gòu)提高了種子的散播范圍，這種結(jié)構(gòu)在維可牢上也能看得到。

圖片來(lái)源：wiki.

二、壁虎足與攀爬技術(shù)

斑絨壁虎的足部結(jié)構(gòu)激發(fā)了一系列技術(shù)方案的問(wèn)世，這些方案解決了垂直面的吸附難題   圖片來(lái)源：Henry Cook/Getty Images

壁虎抗地心引力的抓握秘訣在于腳趾上成排的微小剛毛。這些剛毛可以依靠粘性的范德華力依附在任何表面，范德華力只在微觀尺度上發(fā)揮作用。

這種吸附方式的優(yōu)勢(shì)在于可逆地強(qiáng)力抓握，而且不需要使用任何粘合劑。近年來(lái)，工程師們已經(jīng)成功地使用硅膠模擬出類(lèi)似的剛毛結(jié)構(gòu)，從而推動(dòng)了各式各樣壁虎皮膚模擬技術(shù)的出現(xiàn)。

在這些技術(shù)中，有一項(xiàng)小發(fā)明頗為值得一提，它讓人類(lèi)可以在陡峭的玻璃墻壁上攀爬，也可以使機(jī)器人推動(dòng)自身重量數(shù)百倍的物體，或者讓機(jī)械手在太空中從事修復(fù)工作。

在這幅展現(xiàn)美國(guó)宇航局技術(shù)的藝術(shù)家幻想圖中，受壁虎啟發(fā)而發(fā)明的LEMUR機(jī)器人正緊貼在空間站的外壁上

圖片來(lái)源：美國(guó)宇航局/ JPL-CALTECH

一種被稱(chēng)之為L(zhǎng)EMUR的未來(lái)機(jī)器人就帶有類(lèi)似于壁虎足部的結(jié)構(gòu)，它可以檢查和維修國(guó)際空間站上的設(shè)施。

三、鯨鰭與渦輪葉片

座頭鯨鰭上的隆起結(jié)構(gòu)賦予了其異乎尋常的敏捷性，它用在風(fēng)力渦輪機(jī)上也能產(chǎn)生類(lèi)似的效果        圖片來(lái)源：Getty Images

在波士頓的一家禮品店中，生物學(xué)家弗蘭克·費(fèi)什（Frank Fish）注意到一尊座頭鯨雕塑的鰭周?chē)新∑?，他以為是藝術(shù)家犯的一個(gè)錯(cuò)誤。這些隆起不是出現(xiàn)在鰭的后沿，而是順著前沿延伸。不過(guò)事實(shí)證明，這位藝術(shù)家的觀察是正確的。這排疣狀脊線可以產(chǎn)生幫助鰭在水中劃動(dòng)的微小漩渦，同時(shí)也解釋了座頭鯨在水中令人驚奇的敏捷性。

在研究了這種“結(jié)節(jié)效應(yīng)”之后，費(fèi)什發(fā)現(xiàn)為渦輪葉片增加成排的隆起結(jié)構(gòu)會(huì)降低拖曳和噪音，并提高其效率。鯨不僅啟發(fā)了渦輪葉片新構(gòu)型的設(shè)計(jì)，生產(chǎn)這種渦輪葉片的位于加拿大的企業(yè)也因此命名為鯨能公司（Whalepower Corporation）。

 風(fēng)力渦輪葉片上呈鋸齒狀的邊緣，這種結(jié)構(gòu)的創(chuàng)意源自座頭鯨    圖片來(lái)源：Whalepower Corporation

丹尼斯·康納（Dennis Conner）的美洲杯帆船星條旗號(hào)參加了2002年的奧克蘭挑戰(zhàn)賽。船體上的“鯊魚(yú)皮”涂層使其占盡了優(yōu)勢(shì)    圖片來(lái)源：Nick Wilson/Getty Images

受到鯊魚(yú)皮膚上微小鱗片的啟發(fā)，美國(guó)宇航局科學(xué)家發(fā)明了一種船用減阻涂層。此項(xiàng)技術(shù)幫助星條旗號(hào)（Stars and Stripes）贏得了1987年美洲杯帆船賽的冠軍。

這種涂層的減阻效果是如此成功，以致于比賽主辦方認(rèn)為它屬于不公平的優(yōu)勢(shì)，并一度禁止運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)，但后來(lái)又撤銷(xiāo)了這一決議。

涂層上的這些鱗片也會(huì)處于不斷的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這樣可以阻止微生物粘附在船體上，同時(shí)減少對(duì)于防污處理劑的依賴性。

翠鳥(niǎo)潛入水中卻不濺起水花，子彈頭列車(chē)在設(shè)計(jì)上參考了其鳥(niǎo)喙的構(gòu)型。圖片來(lái)源：Getty Images

由于車(chē)頭前方積聚的氣壓，高速列車(chē)在穿過(guò)隧道時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的轟鳴聲。

上世紀(jì)九十年代，日本工程師中津英治（Eiji Nakatsu）發(fā)現(xiàn)翠鳥(niǎo)能夠高速潛入水中，卻不濺起水花。于是他仿照翠鳥(niǎo)喙設(shè)計(jì)出了新干線子彈頭列車(chē)，這種設(shè)計(jì)不僅降低了火車(chē)的噪音，而且更加符合空氣動(dòng)力學(xué)原理，在降低能耗的同時(shí)還能提升車(chē)速。

日本中央鐵路的新干線子彈頭列車(chē)抵達(dá)東京站，其車(chē)頭的形狀很像翠鳥(niǎo)的喙。圖片來(lái)源：Tomohiro Ohsumi/Getty Images

   打轉(zhuǎn)飛行的楓樹(shù)種子啟迪了一種新式無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)。圖片來(lái)源：Getty Images

憑借類(lèi)似轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)，楓樹(shù)種子會(huì)打著轉(zhuǎn)兒從空中掉落——通過(guò)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的升力使得它們能夠飛行至距離楓樹(shù)更遠(yuǎn)的地方。

洛克希德·馬丁公司采納這種設(shè)計(jì)，研制出了一款名為Samarai的單旋翼無(wú)人機(jī)。這款設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的無(wú)人機(jī)僅有兩個(gè)活動(dòng)部件，因此可以輕易地予以小型化。

美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）已經(jīng)承擔(dān)了上述小型化任務(wù)，他們希望生產(chǎn)出能夠被用于在狹小空間里進(jìn)行偵查的無(wú)人機(jī)。

七、多足機(jī)器人

在荒野山坡不平坦的地面或火星的崎嶇地貌上，“腿”能夠“走”到輪子去不了的地方?；趯?duì)自然造物和獵豹身體結(jié)構(gòu)的研究，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局發(fā)明了一系列的四足機(jī)器人，它們可以在戰(zhàn)場(chǎng)上飛奔著運(yùn)送補(bǔ)給。

與此同時(shí)，美國(guó)宇航局也在開(kāi)發(fā)一種名為ATHLETE的六足機(jī)器人。ATHLETE每條腿的末端都有一個(gè)輪子，當(dāng)?shù)匦伪憷麜r(shí)，它可以滾動(dòng)行進(jìn)。如果行走過(guò)程中遇到障礙，它就可以收起輪子，靈活地抬腿跨過(guò)障礙。

八、蜂巢思維網(wǎng)格

蜂巢智慧正在幫助我們改進(jìn)跨電網(wǎng)的用電方式。圖片來(lái)源：Getty Images

無(wú)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諸行動(dòng)——這源于它們身處蜂巢的位置和周?chē)渌鄯湔谧龅氖隆?/span>

美國(guó)雷根能源公司（Regen Energy）就采用了這種“群邏輯”，來(lái)改進(jìn)電力網(wǎng)絡(luò)的效率。他們并沒(méi)有使用可重新定向電力負(fù)荷的中央系統(tǒng)，而是采納了可相互進(jìn)行無(wú)線通訊的本地控制器系統(tǒng)，能自主判斷電能需要被輸往的目的地。

九、“糖衣”疫苗

緩步類(lèi)的水熊蟲(chóng)能夠在惡劣條件下生存多年，這種能力啟迪了一種新穎的活疫苗保存技術(shù)的誕生。圖片來(lái)源：Eye Of Science/Getty Images

緩步類(lèi)動(dòng)物是一種生活在水中且生命力極強(qiáng)的八足微小生物。當(dāng)處于缺水的環(huán)境中，它們會(huì)脫水，但與此同時(shí)，它們也進(jìn)化出了可在缺水一百多年之后奇跡復(fù)活的神奇能力——通過(guò)將體內(nèi)的分子如DNA和蛋白質(zhì)包裹在一種糖內(nèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

舊金山Biomatrica公司和英格蘭Nova Laboratories等多家生物技術(shù)公司，都采用了類(lèi)似的技術(shù)來(lái)保存活疫苗，而無(wú)需冷凍。這些疫苗通過(guò)“緊縮包裝”技術(shù)被保存在一層透明的糖膜中，它們可在非冷凍條件下持續(xù)六個(gè)月有效。

十、白蟻與建筑

哈拉雷東門(mén)中心有著精巧的煙囪冷卻系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)靈感源自白蟻的土丘巢穴。圖片來(lái)源：東門(mén)中心

非洲白天的氣溫可高達(dá)40℃，夜晚又會(huì)降至2℃以下。為了讓土丘巢穴保持在相對(duì)恒定的溫度，非洲白蟻進(jìn)化出了精巧的筑巢本領(lǐng)：通過(guò)在頂部和側(cè)面開(kāi)鑿出一連串的通風(fēng)孔，為自己的土丘打造出了被動(dòng)冷卻系統(tǒng)，風(fēng)可以將地下巢穴的熱空氣通過(guò)通風(fēng)孔帶出建筑體。白蟻們甚至還會(huì)依靠打開(kāi)或關(guān)閉通道來(lái)控制氣流。

建筑師米克·皮爾斯（Mick Pearce）在設(shè)計(jì)東門(mén)中心（Eastgate Centre）時(shí)就采用了類(lèi)似的策略，東門(mén)中心是一棟位于津巴布韋首都哈拉雷的辦公綜合建筑。借鑒白蟻的解決方案，熱空氣可從建筑物頂端成排的煙囪中排出，而較冷的空氣則被導(dǎo)向地下。整棟建筑沒(méi)有使用空調(diào)就能保持涼爽，相比同等規(guī)模的傳統(tǒng)建筑，它只需要使用十分之一的電能。

肯尼亞馬賽馬拉野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)中的一處白蟻土丘正沐浴在夕照之中。圖片來(lái)源：Dan Kitwood/Getty Images

*作者Cathal O'Connell是一位住在墨爾本的科學(xué)作家。

原標(biāo)題：靈感源于自然的十大創(chuàng)新技術(shù)

來(lái)源：賽先生

編輯：IPRdaily彭瑩