大自然会用什么办法解决这个问题呢?

来源:彭博商业周刊 | 发布: | 发布时间:2016-01-26,星期二 | 阅读:2,043

撰文:Amelia Hennighausen; Eric Roston

翻译:葛仲君

拜纽什说,生物仿生学是“大自然启发下的创新”

在拜纽什眼中,几乎每种人类发明都能在自然界找到对应的东西,所以她发起成立了一个被她看作是新学科的东西——生物仿生学

生物学家、“创新顾问”兼作家雅尼娜·拜纽什说,生物仿生学是“大自然启发下的创新”。她在2009年TED演讲中说,生物仿生学者都是“大自然的学徒”。他们的动力都源于同一个问题:“要是每次开始发明一个什么东西的时候,我都能问一下‘大自然会用什么办法来解决这个问题’,情况会如何呢?”在拜纽什眼中,几乎每一种人类发明都能在自然界找到对应的东西。所以她发起成立了一个被她看作是新学科的东西——生物仿生学。

雅尼娜·拜纽什在TED演讲上说她的生物仿生学

1941年,在结束了一次到阿尔卑斯山的狩猎之旅后,瑞士工程师乔治·德·梅斯特拉尔的猎犬身上粘满了带刺的牛蒡草果实。梅斯特拉尔把一颗果实放到显微镜下观察,发现了一种简单的、可以灵巧地附着在皮毛和袜子上的钩刺设计。经过多年的试验之后,他发明了维克罗尼龙搭扣,并在1955年9月获得了专利。拜纽什说,这很可能是生物仿生学最为人所知、商业上最成功的时刻。

水 立 方

摄影:Henrik Sorenson;Tony Law/Redux

中国在2008年举办奥运会时,“水立方”的游泳中心在一系列奥运建筑中惊艳了世界。水立方的外形是基于肥皂泡设计的,它不仅给人一种自然的感觉,而且还能防震。这座长方形建筑的外墙由很大的泡泡组成,它不仅有泡泡的外形,也有泡泡的功能。每个泡泡都是一个用坚固的塑料做成的气枕,泡泡只有约0.2毫米厚,它可以封住来自太阳的热量,然后把它用于加热泳池。这种塑料可以抵挡来自太阳、天气甚至尘土的破坏,而且易于清洁。当下雨的时候,因为北京浓雾而沾染上的污垢就会被冲走。对于那些纯粹主义者来说,水立方并不属于生物仿生学——由气体和液体经过适当的互动而形成泡泡是一种物理现象,而不是生物学现象。
新干线子弹列车

摄影:Hiromi Okano/Corbis;由彭博社提供的西日本铁路公司图片

高速铁路从隧道里驶出的时候,产生的噪音非常之大。因为当列车穿过隧道时,气压会形成空气波,产生的像猎枪发射一样的响声,400多米以外都能听得到。翠鸟是一种吃鱼的鸟,当它钻入水中觅食的时候,几乎不会在水面形成什么波纹。上世纪90年代,观鸟爱好者、西日本铁路公司的工程师中津英治从翠鸟入水的过程中受到启发,因此,被重新设计之后的列车车头就像是一只长约15.24米的翠鸟喙——它不仅解决了噪音的问题,而且减少了所耗费的电力,还让列车实现了更高的速度。

给黄蜂做的纸房子

摄影:Steve Irvine; Atlantide Phototravel/Corbis

黄蜂筑巢时所用的薄层结构看起来很像“精制的意大利扉页纸”。拜纽什告诉TED的听众说,有一次她让黄蜂在自己的房子上筑了一个巢,她说:“那个巢造得好漂亮,非常符合建筑规范,还很精确。”拜纽什成立的顾问机构Biomimicry 3.8从中得到灵感并做出深度报告为企业提供相关的自然式设计原则。

穿着鲨鱼皮的船只

摄影:Edward Kinsman/Photo Researchers;Nick Wilson/Getty Images

你有没有想过在海里穿来穿去的鲨鱼身上为什么从来没有水藻和其他附着物呢?其实呀,这是因为它们的皮肤被一种称作“微坑”的细小纹路所覆盖,这种纹路能帮助鲨鱼减小阻力、防止微生物免费“搭车”。美国国家航空航天局的科学家们复制了这种纹路,创造出了被他们称为沟槽的降阻纹路。他们和3M合作,在一张用于覆盖“星条旗号”帆船船体的薄膜上采用了这种纹路。这艘船曾经赢得过奥运会奖牌,并夺得过美洲杯帆船赛的冠军。这种结构还被应用到飞机、船只和风力发电机,它可以减小阻力、节约能源。位于美国科罗拉多州奥罗拉市的Sharklet Technologies是一家专门制造表面材料的公司,它的产品应用在医院、餐厅厨房、公共浴室等一些需要抗菌的地方,这些产品上面像微坑一样的表面微结构可以防止小虫子生根滋长。

收集沙漠雾气里的水分

摄影:Michael and Patricia Fogden/Minden Pictures;供图:Pak Kitae

当纳米比亚甲虫在沙漠中的栖息地雾气翻滚时,它会把尾部抬起来指向空中。它甲壳上的突起可以收集水滴,然后水就会顺着甲壳上的凹槽流进它的嘴里。2001年一篇论文写道:“这种从雾气中收集水分的结构可以用很低的成本实现大规模商用,而且还可以应用在集水帐篷和建造覆盖层上。”发明家和设计师注意到了这一点。由国立首尔科学技术大学的Pak Kitae设计的晨露收集器模仿的就是纳米比亚甲虫的水分收集系统。晨露会在它上面凝结,并被导入一个带饮水口的瓶子里。

大自然的水过滤器

摄影:Andew Geiger;供图:Aquaporin A/S

约翰·霍普金斯大学的彼得·阿格雷在1990年前后发现了一种可以让水分穿透细胞壁的膜蛋白,他也因此一举获得2003年诺贝尔奖。这种水通道蛋白的发现解决了生物化学界长久以来的一个问题。丹麦公司Aquaporin已经研究出了一种给海水脱盐的新方法,它可以避免在传统工业薄膜中使用聚合物层,从而让工业薄膜像生物膜一样简约而且高效。

鱼形实验汽车

摄影:Secret Sea Visions/Peter Arnold;供图:梅塞德斯-奔驰/戴姆勒股份公司

箱鲀是一种热带鱼,它身体具有超一流的空气动力学特性。梅塞德斯-奔驰则受它的受启发,设计出了一种车体(而不是车轮)类似箱鲀鱼的汽车。这样的外型带来非常高的空气动力学效率。而且你要是看看这种鱼,会发现其实它本身长得就有点儿像一辆双门紧凑型轿车。

运用蜂群思维管理电网

摄影:Temmuz Cam Arsiray;Krisztian Bocsi/彭博社

看起来很忙碌的蜜蜂可不是瞎忙活,它们还很灵活。尽管它们的智力有限,但每只蜜蜂都能感觉到蜂群需要完成什么工作,并根据本能去完成它。像电网这样复杂的人造基础设施有一个问题,那就是它的不同组件无法实现彼此之间的沟通。Regen Energy则把一家公司里彼此没有交流的耗电电器和机械连成了一个网络,使它能在电价较贵的用电高峰、或者在电力供应不稳定时平衡用电负载。该公司提供的控制器可以实现彼此之间的无线通讯,以实现效率最大化,保证“蜂群”中的每只“蜜蜂”彼此同步。

风中的鱼鳍

摄影:Doug Cheesman/Peter Arnold;图片来源:Envira-North Systems LTD.

座头鲸虽然重约36吨,但它在海里游起来却十分敏捷。它高超的游泳技艺,部分原因是它鱼鳍前部有个被称为“结节”的瘤状隆起。弗兰克·菲什是美国宾州西彻斯特大学的生物学教授,他发现,通过为涡轮机叶片增加几排类似的隆起,可以减少阻力和噪音、提高不断变化方向的风的流速,同时把利用到的风能提高20%。菲什是在波士顿一家礼品商店里注意到一只鲸鱼雕塑之后想出的这个主意。他当时错误地认为是艺术家搞错了,觉得隆起不应该在鱼鳍的前部边缘,因为一般情况下,鱼鳍的前部边缘曲线都是笔直而清晰的。现在,这些隆起已经被加在了Envira-North Systems出售的工业用风扇和Fluid Earth出品的冲浪板上。

壁虎脚黏合剂

摄影:Mark Moffett/Minden Pictures;图片来源:Michael Bartlett and Alfred J. Crosby/麻省大学艾默斯特校区

壁虎生来就有神一般的能力,它可以在光滑的墙壁上爬行,还能倒着在天花板上爬行。它们抓握力的来源,就是它们脚趾下面数百万根极细的绒毛。每一根绒毛的吸力很小,但合起来的效果却是非常强大的。科学家预计,一只壁虎细小脚趾上的刚毛,理论上可以抓握约113.4千克重的东西。真正神奇的地方在于,改变刚毛的方向之后,它的抓握力立即就消失了:没有任何黏性残留、没有拉力,也没有必要的压力。麻省大学艾默斯特校区一个团队的研究人员已经研究出了一种叫Geckskin(壁虎皮)的黏合剂,它的强度非常高,一块索引卡片大小的壁虎皮的抓握力最高能达到317.5千克。一种壁虎胶带也将取代医院里的缝线和缝合器。戴上一副壁虎胶带手套、让人能像蜘蛛侠一样在墙上游走的日子,也许已经不远了。

蛛 网 玻 璃

摄影:Monica Murphy;插图:Arnold Glass

某些蜘蛛会用一种特殊的丝线来保护它们精心织就的蛛网。这种丝线可以反射紫外线,而鸟类可以看到紫外线,并把蛛网辨认成应该避开的障碍物。如果工程师们可以复制这种效果的话,就可能会拯救那些因为偶尔撞上玻璃幕墙建筑而意外死掉的鸟儿了。德国Arnold Glas公司的工程师学习了蜘蛛的技能,在他们的Ornilux牌玻璃上镀了一层膜,它有着像蛛网一样可以反射紫外线的纹路,以防止鸟儿因为高速飞行而撞上玻璃的麻烦。

像鱼群一样排列的风力发电厂

摄影:Chris Newbert/Minden Pictures;供图:约翰·达比利/加州理工学院

风力发电机是现代陆上风景中的庞然大物,它们叶片的直径扫掠的面积比一个足球场还大。批评者说它们很难看,还说旋转的叶片会打到毫无戒心的鸟儿。而且它们还有效率方面的问题。越大功率的涡轮发电机尺寸越大大,这就要求它们必须彼此隔得很远,于是风力发电场通常需要占据很大一片土地。加州理工学院的约翰·达比利在水中发现了解决这个问题的方案。他建造了一个实验性的风力发电场——加州理工优化风能现场实验室——在那里,彼此联系的涡轮发电机会利用它们之间形成的空气流。叶片利用的是风的流动来发电,正如鱼群利用水的流动来获得向前运动的力量一样。达比利通过研究鱼群形成的尾部涡流确定涡轮发电机的位置。

“糖衣疫苗”

摄影:Jan Van Arkel/Corbis;供图:Nova Laboratories LTD.

大自然不能让死去的生物复活,但它能让休眠的生物重新活过来。缓步动物是节肢动物的近亲,只有几毫米长,它能让自己在变干之后休眠120年,再次接触水就会重新活过来。这种被称为“低湿休眠”的过程可以保护动物的化学机理(DNA、RNA和蛋白质)。位于圣迭戈的Biomatrica公司把这种过程做成了一款产品,它可以保护有活性的疫苗,从而免去冷藏保存的环节,因为在冷藏运输和治疗的过程中,有一半的疫苗会失去活性。Biomatrica公司研发的化学壁垒会“像收缩薄膜一样把疫苗包起来”,直到用水让它重新恢复活性。位于英国莱斯特的制药公司Nova Laboratories研发了一种技术,它能“拿一层用糖做的、像玻璃一样的薄膜”把疫苗包起来,2010年发表的一篇期刊论文把这种技术称为“糖衣疫苗”。这层糖衣能让病毒的活性在最高达113华氏度(45摄氏度)的环境中保持半年,这为热带国家的弱势群体接种疫苗带来了福音。

萤火虫灯泡

摄影:Gail Shumway/Getty Images;图片来源:Nicolas Aandre

根据来自比利时、法国和加拿大的科学家在1月发表的研究成果,当美国一种萤火虫属昆虫的肚子亮起来的时候,它们尖尖而锯齿状的翅瓣会把亮光增强。基于他们的观察结果,科学家们随后在一只LED灯泡上打造并排布出了类似的结构,并以此把灯泡的亮度提高了55%。



 

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