驚呆！靈感源于自然的十大創(chuàng)新技術

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本文由公眾號賽先生提供

歷經三十五億年的深入“研發(fā)”，大自然“發(fā)明”出了各式各樣應對不利條件的巧妙解決方案，譬如通過粘性來抵抗引力，或利用糖分從長達一個世紀的脫水環(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家和工程師們以靈感，啟發(fā)他們研發(fā)出了各種新技術。

一、牛蒡種子與維可牢

維可牢的掃描電鏡圖片展現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制，是牛蒡遠距離散播種子的方式。

梅斯特拉爾將毛刺放在顯微鏡下進行觀察，發(fā)現正是一些簡單的鉤子結構，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)進行了無數次試驗，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構提高了種子的散播范圍，這種結構在維可牢上也能看得到。

圖片來源：wiki.

二、壁虎足與攀爬技術

斑絨壁虎的足部結構激發(fā)了一系列技術方案的問世，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)勢在于可逆地強力抓握，而且不需要使用任何粘合劑。近年來，工程師們已經成功地使用硅膠模擬出類似的剛毛結構，從而推動了各式各樣壁虎皮膚模擬技術的出現。

在這些技術中，有一項小發(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，也可以使機器人推動自身重量數百倍的物體，或者讓機械手在太空中從事修復工作。

在這幅展現美國宇航局技術的藝術家幻想圖中，受壁虎啟發(fā)而發(fā)明的LEMUR機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的未來機器人就帶有類似于壁虎足部的結構，它可以檢查和維修國際空間站上的設施。

三、鯨鰭與渦輪葉片

座頭鯨鰭上的隆起結構賦予了其異乎尋常的敏捷性，它用在風力渦輪機上也能產生類似的效果        圖片來源：Getty Images

在波士頓的一家禮品店中，生物學家弗蘭克·費什（Frank Fish）注意到一尊座頭鯨雕塑的鰭周圍有隆起，他以為是藝術家犯的一個錯誤。這些隆起不是出現在鰭的后沿，而是順著前沿延伸。不過事實證明，這位藝術家的觀察是正確的。這排疣狀脊線可以產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“結節(jié)效應”之后，費什發(fā)現為渦輪葉片增加成排的隆起結構會降低拖曳和噪音，并提高其效率。鯨不僅啟發(fā)了渦輪葉片新構型的設計，生產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）。

 風力渦輪葉片上呈鋸齒狀的邊緣，這種結構的創(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)，美國宇航局科學家發(fā)明了一種船用減阻涂層。此項技術幫助星條旗號（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為它屬于不公平的優(yōu)勢，并一度禁止運用這項技術，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，子彈頭列車在設計上參考了其鳥喙的構型。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生巨大的轟鳴聲。

上世紀九十年代，日本工程師中津英治（Eiji Nakatsu）發(fā)現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計出了新干線子彈頭列車，這種設計不僅降低了火車的噪音，而且更加符合空氣動力學原理，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

   打轉飛行的楓樹種子啟迪了一種新式無人機的設計。圖片來源：Getty Images

憑借類似轉子的設計，楓樹種子會打著轉兒從空中掉落——通過旋轉產生的升力使得它們能夠飛行至距離楓樹更遠的地方。

洛克希德·馬丁公司采納這種設計，研制出了一款名為Samarai的單旋翼無人機。這款設計簡單的無人機僅有兩個活動部件，因此可以輕易地予以小型化。

美國國防部高級研究計劃局（DARPA）已經承擔了上述小型化任務，他們希望生產出能夠被用于在狹小空間里進行偵查的無人機。

七、多足機器人

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。基于對自然造物和獵豹身體結構的研究，美國國防部高級研究計劃局發(fā)明了一系列的四足機器人，它們可以在戰(zhàn)場上飛奔著運送補給。

與此同時，美國宇航局也在開發(fā)一種名為ATHLETE的六足機器人。ATHLETE每條腿的末端都有一個輪子，當地形便利時，它可以滾動行進。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、蜂巢思維網格

蜂巢智慧正在幫助我們改進跨電網的用電方式。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”，來改進電力網絡的效率。他們并沒有使用可重新定向電力負荷的中央系統(tǒng)，而是采納了可相互進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的八足微小生物。當處于缺水的環(huán)境中，它們會脫水，但與此同時，它們也進化出了可在缺水一百多年之后奇跡復活的神奇能力——通過將體內的分子如DNA和蛋白質包裹在一種糖內來實現。

舊金山Biomatrica公司和英格蘭Nova Laboratories等多家生物技術公司，都采用了類似的技術來保存活疫苗，而無需冷凍。這些疫苗通過“緊縮包裝”技術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)，其設計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，非洲白蟻進化出了精巧的筑巢本領：通過在頂部和側面開鑿出一連串的通風孔，為自己的土丘打造出了被動冷卻系統(tǒng)，風可以將地下巢穴的熱空氣通過通風孔帶出建筑體。白蟻們甚至還會依靠打開或關閉通道來控制氣流。

建筑師米克·皮爾斯（Mick Pearce）在設計東門中心（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向地下。整棟建筑沒有使用空調就能保持涼爽，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作家。

原標題：靈感源于自然的十大創(chuàng)新技術

來源：賽先生

編輯：IPRdaily彭瑩