北京时间9月9日消息,据美国《心理绒毛》杂志报道,从古至今,人类一直在从大自然吸取灵感。维可牢尼龙搭扣即是研究人员受野蓟钩刺启发开发出来的,而第一代道路反射镜也是模仿猫眼结构制造的。今天,模仿大自然的科学(即生体模仿学)已成为一个产值达十亿美元的行业。以下是我们人类从动物王国“偷学”的十大技术。

1. 塑料涂层(偷学对象:鲨鱼)




   

    基于鲨鱼皮开发出的一种塑料涂层,目前正在医院患者接触频率最高的一些地方进行实验

细菌感染恐怕是最令医院头疼的一件事,无论医生和护士洗手的频率有多高,他们仍不断将细菌和病毒从一个患者传到另一个患者身上,尽管不是故意的。事实上,美国每年有多达10万人死于他们在医院感染的细菌疾病。但是,鲨鱼却可以让自己的身体长久保持清洁——长达一亿多年。如今,正是由于鲨鱼这一特性,细菌感染可能会重蹈恐龙的覆辙——从地球上彻底消失。

与其他大型海洋动物不同,鲨鱼身体不会积聚黏液、水藻和藤壶。这一现象给工程师托尼·布伦南(Tony Brennan)带来了无穷灵感,在2003年最早了解到鲨鱼的特性以后,他多年来一直在尝试为美国海军舰艇设计更能有效预防藤壶的涂层。在对鲨鱼皮展开进一步研究以后,他发现鲨鱼整个身体覆盖着一层层凹凸不平的小鳞甲,就像是一层由小牙织成的毯子。黏液、水藻在鲨鱼身上失去了立足之地,而这样一来,大肠杆菌和金黄色葡萄球菌这样的细菌也就没有了栖身之所。

一家叫Sharklet的公司对布伦南的研究很感兴趣,开始探索如何用鲨鱼皮开发一种排斥细菌的涂层材料。今天,该公司基于鲨鱼皮开发出一种塑料涂层,目前正在医院患者接触频率最高的一些地方进行实验,比如开关、监控器和把手。迄今为止,这种技术看上去确实可以赶走细菌。Sharklet公司还有更宏伟的目标:下一步是开发一种可以消除另一个常见感染源——尿液管——的塑料涂层。[NextPage]

2. 音波手杖(偷学对象:蝙蝠)










   

    音波手杖

这听上去就像一个糟糕玩笑的开头:一位大脑专家、一位生物学家和一位工程师走进了同一家餐厅。然而,这种事情确实发生在英国利兹大学,几个不同领域的专家的突发奇想最终导致音波手杖(Ultracane)的问世:这是一种盲人用的手杖,在靠近物体时会振动。这种手杖采用了回声定位技术,而蝙蝠就是利用同样的感觉系统去感知周围环境。音波手杖能以每秒6万个的速度发送超声波脉冲,并等待它们返回。

当一些超声波脉冲回来的时间超过别的超声波脉冲时,这表明附近有物体,引起手杖产生震动。利用这种技术,音波手杖不仅可以“看到”地面物体,如垃圾桶和消防栓,还能感受到头顶的事物,比如树杈。由于音波手杖的信息输出和反馈都不会发出声音,使用者依旧能听到周围发生的事情。尽管音波手杖并未出现顾客排队购买的热卖景象,但美国和新西兰的几家公司目前正试图利用同样的技术,开发出适销对路的产品。[NextPage]

3. 新干线列车(偷学对象:翠鸟)










   

    日本的高速列车都具有长长的像鸟喙一样的车头,令其相对安静地离开隧道。

日本第一列新干线列车在1964年建造出来的时候,它的速度达到每小时120英里(约合每小时193公里)。但是,如此快的速度却有一个不利方面,列车驶出隧道时总会发出震耳欲聋的噪音,乘客抱怨说有一种火车挤到一起的感觉。这时,日本工程师中津英治(Eiji Nakatsu)介入了这件事。中津英治还是一位鸟类爱好者,他发现新干线列车总在不断推挤前面的空气,形成了一堵“风墙”。

当这堵墙同隧道外面的空气相碰撞时,便产生了震耳欲聋的响声,这本身对列车施加了巨大的压力。中津英治在对这个问题仔细分析之后,意识到新干线必须要像跳水运动员入水一样“穿透”隧道。为了获取灵感,他开始研究善于俯冲的鸟类——翠鸟的行为。翠鸟生活在河流湖泊附近高高的枝头上,经常俯冲入水捕鱼,它们的喙外形像刀子一样,瞬间穿越空气,从水面穿过时几乎不产生一点涟漪。

中津英治对不同外形的新干线列车进行了实验,发现迄今最能穿透那堵风墙的外形几乎同翠鸟的喙外形一样。现在,日本的高速列车都具有长长的像鸟喙一样的车头,令其相对安静地离开隧道。事实上,外形经过改进的新干线列车的速度比以前快10%,能效高出15%。[NextPage]

4. 风扇叶片(偷学对象:驼背鲸)

美国宾夕法尼亚大学西切斯特分校流体动力学专家、海洋生物学家弗兰克·费什(Frank Fish)教授表示,他从海洋深处找到了解决当前世界能源危机的办法。费什注意到,驼背鲸的鳍状肢可以从事一些似乎不可能的任务。驼背鲸的鳍状肢前部具有垒球大小的隆起,它们在水下可以令鲸鱼轻松在海洋中游动。但是,根据流体力学原则,这些隆起应该会是鳍的累赘,但现实中却帮助鲸鱼游动自如。

于是,费什决定对此展开调查。他将一个12英尺(约合3.65米)长的鳍状肢模型放入风洞,看它挑战我们对物理学的理解。这些名为结节的隆起使得鳍状肢更符合空气动力学原理。费什发现,它们排列的方位可以将从鳍状肢上方经过的空气分成不同部分,就像是刷毛穿过空气一样。费什的发现现在叫做“结节效应”(tubercle effect),不仅能用于各种水下航行器,还应用于风机的叶片和机翼。

根据这项研究,费什为风扇设计出边缘有隆起的叶片,令其空气动力学效率比标准设计提升20%左右。他还成立了一家公司专门生产这种叶片,不久将开始申请使用其节能技术,用以改善全世界工厂和办公大楼的风扇性能。费什技术的更大用途则是用于风能。他认为,在风力涡轮机的叶片增加一些隆起,将使风力发电产业发生革命性变革,令风力的价值比以前任何时候都重要。[NextPage]

5. 在水面行走的机器人(偷学对象:蛇怪蜥蜴)











   

    蛇怪蜥蜴(basilisk lizard)常常被称为是“耶稣蜥蜴”

蛇怪蜥蜴(basilisk lizard)常常被称为是“耶稣蜥蜴”(Jesus Christ lizard),这种称呼还是有一定道理的,因为它能在水上走。很多昆虫具有类似本领,但它们一般身轻如燕,不会打破水面张力的平衡。体形更大的蛇怪蜥蜴之所以能上演“水上漂”,是因为它能以合适的角度摆动两条腿,令身体向上挺、向前冲。2003年,卡内基梅隆大学的机器人技术教授梅廷·斯蒂(Metin Sitti)正从事这方面的教学工作,重点是研究自然界存在的机械力学。当他在课堂以蛇怪蜥蜴作为奇特的生物力学案例时,他深受启发,决定尝试制造一个具有相同本领的机器人。

这是一项费时费力的工作。发动机的重量不仅要足够的轻,腿部还必须一次次地与水面保持完美接触。经过几个月的努力,斯蒂和他的学生终于造出第一个能在水面行走的机器人。尽管如此,斯蒂的设计仍有待进一步完善。这个机械装置偶尔会翻滚,沉入水中。在他克服了重重障碍以后,一种能在陆地和水面奔跑的机器人便可能见到光明的未来。我们或许可以用它去监测水库中的水质,甚至在洪水期间帮助营救灾民。[NextPage]

6. 太阳能电池板(偷学对象:马勃菌)

   

    橙黄色的马勃菌海绵(puffball sponge)并不多见,它基本上是一种生活在海底的“碰碰球”

橙黄色的马勃菌海绵(puffball sponge)并不多见,它基本上是一种生活在海底的“碰碰球”。马勃菌海绵并没有任何的附肢、器官、消化系统和循环系统,无时无刻不在过滤水体。然而,这种并不招摇的生物或许会是未来技术革命的催化剂。马勃菌海绵的“骨骼”是由众多格子状的硅钙物质构成,事实上,它类似于我们用以制造太阳能电池板、微芯片和电池的材料,但有一点不同:我们在制造这些材料时需要大量能量和各种各样的有毒化学物质。

海绵显然在这方面做得更好:它们只要向水中释放特殊的酶,从中吸收硅钙,就能把这两种化学物质变成需要的外形。美国加州大学圣巴巴拉分校生物技术教授丹尼尔·摩斯(Daniel Morse)研究了马勃菌海绵酶的特性,并在2006年成功进行了复制。他通过清洁、效率很高的海绵技术制出大量电极。当前,多家公司将投资数百万美元创建一个企业联盟,将类似产品推向市场。几年以后,当太阳能电池板忽然出现在美国每家每户的屋顶上,微芯片只卖几美元的时候,千万不要忘了感谢让这一切成为现实的不起眼的马勃菌。