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本文由公眾號賽先生提供
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)對不利條件的巧妙解決方案,譬如通過粘性來抵抗引力,或利用糖分從長達(dá)一個世紀(jì)的脫水環(huán)境中幸存下來。有時候,生命系統(tǒng)甚至直接賦予人類科學(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)行了無數(shù)次試驗(yàn),十年之后,終于獲得了一種新織物搭扣的專利,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)方案的問世,這些方案解決了垂直面的吸附難題 圖片來源: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,工程師們已經(jīng)成功地使用硅膠模擬出類似的剛毛結(jié)構(gòu),從而推動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,它讓人類可以在陡峭的玻璃墻壁上攀爬,也可以使機(jī)器人推動自身重量數(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
圖片來源:美國宇航局/ JPL-CALTECH
一種被稱之為LEMUR的未來機(jī)器人就帶有類似于壁虎足部的結(jié)構(gòu),它可以檢查和維修國際空間站上的設(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)生類似的效果 圖片來源: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圍有隆起,他以為是藝術(shù)家犯的一個錯誤。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的微小漩渦,同時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 圖片來源:Whalepower Corporation
丹尼斯·康納(Dennis Conner)的美洲杯帆船星條旗號參加了2002年的奧克蘭挑戰(zhàn)賽。船體上的“鯊魚皮”涂層使其占盡了優(yōu)勢 圖片來源:Nick Wilson/Getty Images
受到鯊魚皮膚上微小鱗片的啟發(fā),美國宇航局科學(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(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,并一度禁止運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù),但后來又撤銷了這一決議。
涂層上的這些鱗片也會處于不斷的運(yùn)動狀態(tài),這樣可以阻止微生物粘附在船體上,同時減少對于防污處理劑的依賴性。
翠鳥潛入水中卻不濺起水花,子彈頭列車在設(shè)計(jì)上參考了其鳥喙的構(gòu)型。圖片來源:Getty Images
由于車頭前方積聚的氣壓,高速列車在穿過隧道時會產(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)翠鳥能夠高速潛入水中,卻不濺起水花。于是他仿照翠鳥喙設(shè)計(jì)出了新干線子彈頭列車,這種設(shè)計(jì)不僅降低了火車的噪音,而且更加符合空氣動力學(xué)原理,在降低能耗的同時還能提升車速。
日本中央鐵路的新干線子彈頭列車抵達(dá)東京站,其車頭的形狀很像翠鳥的喙。圖片來源:Tomohiro Ohsumi/Getty Images
打轉(zhuǎn)飛行的楓樹種子啟迪了一種新式無人機(jī)的設(shè)計(jì)。圖片來源:Getty Images
憑借類似轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì),楓樹種子會打著轉(zhuǎn)兒從空中掉落——通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的升力使得它們能夠飛行至距離楓樹更遠(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的單旋翼無人機(jī)。這款設(shè)計(jì)簡單的無人機(jī)僅有兩個活動部件,因此可以輕易地予以小型化。
美國國防部高級研究計(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ψ匀辉煳锖瞳C豹身體結(jié)構(gòu)的研究,美國國防部高級研究計(jì)劃局發(fā)明了一系列的四足機(jī)器人,它們可以在戰(zhàn)場上飛奔著運(yùn)送補(bǔ)給。
與此同時,美國宇航局也在開發(fā)一種名為ATHLETE的六足機(jī)器人。ATHLETE每條腿的末端都有一個輪子,當(dāng)?shù)匦伪憷麜r,它可以滾動行進(jìn)。如果行走過程中遇到障礙,它就可以收起輪子,靈活地抬腿跨過障礙。
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。圖片來源:Getty Images
無需接到任何指令,蜂巢里的蜜蜂本能地知道有哪些工作需要做并付諸行動——這源于它們身處蜂巢的位置和周圍其他蜜蜂正在做的事。
美國雷根能源公司(Regen Energy)就采用了這種“群邏輯”,來改進(jìn)電力網(wǎng)絡(luò)的效率。他們并沒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
緩步類的水熊蟲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。圖片來源:Eye Of Science/Getty Images
緩步類動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,它們會脫水,但與此同時,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——通過將體內(nèi)的分子如DNA和蛋白質(zhì)包裹在一種糖內(nèi)來實(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,都采用了類似的技術(shù)來保存活疫苗,而無需冷凍。這些疫苗通過“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)六個月有效。
十、白蟻與建筑
哈拉雷東門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。圖片來源:東門中心
非洲白天的氣溫可高達(dá)40℃,夜晚又會降至2℃以下。為了讓土丘巢穴保持在相對恒定的溫度,非洲白蟻進(jìn)化出了精巧的筑巢本領(lǐng):通過在頂部和側(cè)面開鑿出一連串的通風(fēng)孔,為自己的土丘打造出了被動冷卻系統(tǒng),風(fēng)可以將地下巢穴的熱空氣通過通風(fēng)孔帶出建筑體。白蟻們甚至還會依靠打開或關(guān)閉通道來控制氣流。
建筑師米克·皮爾斯(Mick Pearce)在設(shè)計(jì)東門中心(Eastgate Centre)時就采用了類似的策略,東門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)
來源:賽先生
編輯:IPRdaily彭瑩
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