灵感源于自然的十大创新技术:抗引力抓握模拟壁虎足部结构

2016年06月22日 09:54 新浪科技 微博
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  文章来源:赛先生微信公众号

  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。

  1. 牛蒡种子与维可牢

维可牢的扫描电镜图片展现了它与牛蒡钩刺的相似性。图片来源:Science Photo Library维可牢的扫描电镜图片展现了它与牛蒡钩刺的相似性。图片来源:Science Photo Library

  1941年,瑞士电气工程师乔治·德·梅斯特拉尔(George de Mestral)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(编注:即日常生活中最常见的尼龙搭扣)。

牛蒡利用微小的钩型结构提高了种子的散播范围,这种结构在维可牢上也能看得到。图片来源:wiki.牛蒡利用微小的钩型结构提高了种子的散播范围,这种结构在维可牢上也能看得到。图片来源:wiki。

  2. 壁虎足与攀爬技术

斑绒壁虎的足部结构激发了一系列技术方案的问世,这些方案解决了垂直面的吸附难题。图片来源:Henry Cook/Getty Images  斑绒壁虎的足部结构激发了一系列技术方案的问世,这些方案解决了垂直面的吸附难题。图片来源:Henry Cook/Getty Images

  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。

  在这些技术中,有一项小发明颇为值得一提,它让人类可以在陡峭的玻璃墙壁上攀爬,也可以使机器人推动自身重量数百倍的物体,或者让机械手在太空中从事修复工作。

在这幅展现美国宇航局技术的艺术家幻想图中,受壁虎启发而发明的LEMUR机器人正紧贴在空间站的外壁上。图片来源:美国宇航局/ JPL-CALTECH  在这幅展现美国宇航局技术的艺术家幻想图中,受壁虎启发而发明的LEMUR机器人正紧贴在空间站的外壁上。图片来源:美国宇航局/ JPL-CALTECH

  一种被称之为LEMUR的未来机器人就带有类似于壁虎足部的结构,它可以检查和维修国际空间站上的设施。

  3. 鲸鳍与涡轮叶片

座头鲸鳍上的隆起结构赋予了其异乎寻常的敏捷性,它用在风力涡轮机上也能产生类似的效果。图片来源:Getty Images  座头鲸鳍上的隆起结构赋予了其异乎寻常的敏捷性,它用在风力涡轮机上也能产生类似的效果。图片来源:Getty Images

  在波士顿的一家礼品店中,生物学家弗兰克·费什(Frank Fish)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。

  在研究了这种“结节效应”之后,费什发现为涡轮叶片增加成排的隆起结构会降低拖曳和噪音,并提高其效率。鲸不仅启发了涡轮叶片新构型的设计,生产这种涡轮叶片的位于加拿大的企业也因此命名为鲸能公司(Whalepower Corporation)。

风力涡轮叶片上呈锯齿状的边缘,这种结构的创意源自座头鲸。图片来源:Whalepower Corporation风力涡轮叶片上呈锯齿状的边缘,这种结构的创意源自座头鲸。图片来源:Whalepower Corporation

  4. 鲨鱼皮与减阻涂层

丹尼斯·康纳(Dennis Conner)的美洲杯帆船星条旗号参加了2002年的奥克兰挑战赛。船体上的“鲨鱼皮”涂层使其占尽了优势。图片来源:Nick Wilson/Getty Images  丹尼斯·康纳(Dennis Conner)的美洲杯帆船星条旗号参加了2002年的奥克兰挑战赛。船体上的“鲨鱼皮”涂层使其占尽了优势。图片来源:Nick Wilson/Getty Images

  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(Stars and Stripes)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。

涂层上的这些鳞片也会处于不断的运动状态,这样可以阻止微生物粘附在船体上,同时减少对于防污处理剂的依赖性。  涂层上的这些鳞片也会处于不断的运动状态,这样可以阻止微生物粘附在船体上,同时减少对于防污处理剂的依赖性。

  5. 翠鸟与子弹头列车

翠鸟潜入水中却不溅起水花,子弹头列车在设计上参考了其鸟喙的构型。图片来源:Getty Images翠鸟潜入水中却不溅起水花,子弹头列车在设计上参考了其鸟喙的构型。图片来源:Getty Images

  由于车头前方积聚的气压,高速列车在穿过隧道时会产生巨大的轰鸣声。

  上世纪九十年代,日本工程师中津英治(Eiji Nakatsu)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。

日本中央铁路的新干线子弹头列车抵达东京站,其车头的形状很像翠鸟的喙。图片来源:Tomohiro Ohsumi/Getty Images  日本中央铁路的新干线子弹头列车抵达东京站,其车头的形状很像翠鸟的喙。图片来源:Tomohiro Ohsumi/Getty Images

  6. 枫树种子与无人机

打转飞行的枫树种子启迪了一种新式无人机的设计。图片来源:Getty Images打转飞行的枫树种子启迪了一种新式无人机的设计。图片来源:Getty Images

  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。

  美国国防部高级研究计划局(DARPA)已经承担了上述小型化任务,他们希望生产出能够被用于在狭小空间里进行侦查的无人机。

  7. 多足机器人

  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。ATHLETE每条腿的末端都有一个轮子,当地形便利时,它可以滚动行进。如果行走过程中遇到障碍,它就可以收起轮子,灵活地抬腿跨过障碍。

  8. 蜂巢思维网格

蜂巢智慧正在帮助我们改进跨电网的用电方式。图片来源:Getty Images蜂巢智慧正在帮助我们改进跨电网的用电方式。图片来源:Getty Images

  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(Regen Energy)就采用了这种“群逻辑”,来改进电力网络的效率。他们并没有使用可重新定向电力负荷的中央系统,而是采纳了可相互进行无线通讯的本地控制器系统,能自主判断电能需要被输往的目的地。

  9. “糖衣”疫苗

缓步类的水熊虫能够在恶劣条件下生存多年,这种能力启迪了一种新颖的活疫苗保存技术的诞生。图片来源:Eye Of Science/Getty Images  缓步类的水熊虫能够在恶劣条件下生存多年,这种能力启迪了一种新颖的活疫苗保存技术的诞生。图片来源:Eye Of Science/Getty Images

  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。这些疫苗通过“紧缩包装”技术被保存在一层透明的糖膜中,它们可在非冷冻条件下持续六个月有效。

  10. 白蚁与建筑

哈拉雷东门中心有着精巧的烟囱冷却系统,其设计灵感源自白蚁的土丘巢穴。图片来源:东门中心哈拉雷东门中心有着精巧的烟囱冷却系统,其设计灵感源自白蚁的土丘巢穴。图片来源:东门中心

  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。

肯尼亚马赛马拉野生动物保护区中的一处白蚁土丘正沐浴在夕照之中。图片来源:Dan Kitwood/Getty Images  肯尼亚马赛马拉野生动物保护区中的一处白蚁土丘正沐浴在夕照之中。图片来源:Dan Kitwood/Getty Images

  建筑师米克·皮尔斯(Mick Pearce)在设计东门中心(Eastgate Centre)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。(作者 Cathal O'Connell*  翻译 Lineker 校对 李娟)

  *作者Cathal O'Connell是一位住在墨尔本的科学作家。

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