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灵感源于自然的十大创新技术

Eedu.org.cn 作者:佚名    资讯来源:赛先生微信公众号    点击数:    更新时间:2016/6/23

  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

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