科学探索：仿生学——寻找大自然的解决方案

在建立配电网方面，研究人员长期以来一直在研究树叶的纹理以寻求指导。洛克菲勒大学的生物物理学家推荐那些有相互连接的回路，如果网络中的某个地方出现断裂，这种回路可以继续分布。这些新的网络建设成本可能更高，但它们更强大也更有弹性。图片来源：https://www.treehugger.com/examples-biomimicry-4859154

如果我们一直在寻求的可持续解决方案一直就在我们面前呢? 根据仿生学的有关研究，情况正是如此。在我们周围的环境和系统中，在植物、动物和昆虫中，我们看到了可操作的方案、可持续的设计、建筑、规划和工程。

想象一下，“自愈混凝土”不仅节省了数以百万计的维修费用，而且还能隔离二氧化碳……或灯会对环境温度或湿度的变化做出反应。这些只是一些仿生的潜在应用，或者生物过程在设计创新中的应用。早在列奥纳多·达·芬奇(Leonardo da Vinci)为了研究人类飞行的兴趣而研究鸟类翅膀的时候，设计师和建筑师就越来越多地从动植物中寻找灵感，尝试用活的材料来人性化并与自然和谐相处。

图片来源：https://www.interiordesign.net/articles/11109-3-trends-in-biomimicry/

仿生学是一种创新方法，利用自然中经受了时间考验的设计和过程，以解决人类规模的问题。数十亿年来，地球上的生物已经学会了适应和生存，就像我们今天需要做的一样。通过应用这些生物的经验教训，我们可以创造出与我们周围的生态系统无缝契合的解决方案，使我们的产品、过程、建筑甚至整个城市更节能、更环保并更具有弹性。

仿生学不仅仅是简单地创造一些看起来像自然的东西(生物形态)或在设计中使用自然材料(生物利用)。然而，仿生学是模仿生物体在整个系统中如何运作。正是这种方法——从生物学中寻找我们的设计如何能为更健康的地球做出贡献的线索，这为解决普遍存在的可持续发展问题提供了一种全新的方法，并创造了突破性的解决方案。

最重要的是，将自然界视为研究和开发的无尽源泉，也使仿生学具有深厚的保护伦理。随着物种因人为原因而灭绝，成千上万的潜在解决方案也会随之消亡。仿生学提醒我们，我们还有很多东西要向自然世界学习，必须努力保护它。

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受丰富自然世界所启发的仿生例子

图片来源： @yimhafiz, laszlo-photo

翠鸟从空中飞入水中不会引起水花，这主要归功于它高效形状的喙。工程师兼鸟类爱好者Eiji Nakatsu灵机一动，发现同样的形状可以解决日本超快子弹头列车所面临的一个麻烦问题。超快子弹头列车一出隧道就会发出一声雷鸣般的巨响。一般火车的车头在高速推动空气，形成了一堵风墙，不仅发出巨大的声音，还使火车减速。受翠鸟启发的列车车头消除了这个问题，使列车的燃油效率提高了20%。

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灵感来自沙漠甲虫 （Stenocara Beetle）。图片来源：https://stillunfold.com/science/10-biomimicry-examples-inspired-by-nature

沙漠甲虫（Stenocara Beetle）是一种集水的生物。它被发现在恶劣的沙漠环境中，但也能在这些条件下生存。甲虫的外壳上布满了小疙瘩，这些小疙瘩可以作为甲虫的收集点。甲虫的壳上覆盖着一层浮油，这使得清晨的雾气可以直接进入甲虫的口中。研究人员受这类甲虫的启发，开发了一种可以从空气中收集水分的材料。

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受鲸鱼启发的风力涡轮机。图片来源：https://stillunfold.com/science/10-biomimicry-examples-inspired-by-nature

鲸鱼自出生以来就一直在海水中游泳。它们能潜到水下几百英尺，并能在那里呆上几个小时。它们的鳍帮助它们从一个地方移动到另一个地方。科学家们发现，鲸鱼前端的凸起可以帮助他们提高效率，减少32%的阻力，增加8%的升力。许多公司将这一想法应用到风力涡轮机和螺旋桨上。

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受植物毛刺启发的维可牢尼龙搭扣。图片来源：Stocksnapper

维可牢尼龙搭扣如今从太空服到童鞋随处可见。这种粘性材料实际上是受到了植物毛刺粘在狗毛上的启发。1941年，瑞士工程师乔治·德·梅斯特拉(George de Mestral)在显微镜下观察这些毛刺，注意到它们含有数百个小挂钩，钩针与毛皮相连，可以钩住头发或衣服的环。他经过几年实验，在此基础上开发了一种材料，并将其命名为维可牢（Velcro）。

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通风系统的灵感来自白蚁巢。图片来源：https://stillunfold.com/science/10-biomimicry-examples-inspired-by-nature

你是否注意到白蚁巢穴的通风结构，我们可以用这些来让建筑的内部变凉。即使在最热的天气，这些系统仍然保持异常凉爽。白蚁利用一些有意识的口袋网络来创造空气通风系统。一家名为“Arnab”的工程公司利用这个概念建造了整个购物中心。该建筑比其他建筑节能10%。

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蝴蝶翅膀鳞片上的几丁质纳米结构。。图片来源：@Radislav A. Potyrailo

大闪蝶（Morpho （Linnaeus, 1758），鳞翅目蛱蝶科闪蝶亚科的一属。）的翅膀在光线与翅膀的微尺度和纳米尺度结构相互作用时，会产生明亮、充满活力和彩虹色。每个翅膀鳞片都由几丁质(一种含量丰富的生物聚合物)组成，支撑着一系列平行的脊线。在横截面上，每个单独的山脊显示了周期性的纳米尺度结构，由垂直和水平支柱组成，类似于树的形状。闪蝶翅膀的彩虹色是由水平部分的光干涉和垂直部分的光衍射产生的。

通用电气全球研究中心对大闪蝶翅膀颜色的最新研究表明，大闪蝶的鳞片对热能的变化也有光学反应。甲壳素吸收红外(IR)辐射并随后转化为热能，导致纳米结构的膨胀;这种形态上的变化产生了可以观察到的翅膀彩虹色的变化。

层状机翼尺度对红外光子反应的速度和灵敏度是以前在人造传感器中无法达到的。科学家们正在开发基于大闪蝶翅膀纳米结构的热传感器，不仅提高响应速度和热灵敏度，而且还减少像素大小。对大闪蝶翅膀纳米结构的气体反应选择性的研究也在进行中。对大闪蝶翅膀的持续研究可能会推动新一代传感器技术的发展。

除了以上几种，相信你还能列举出其他更多的仿生例子，例如仿生鱼、仿生水黾、仿生机器手等等。

仿生机器鱼。图片来源：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1661416352182550938&wfr=spider&for=pc

视频：向大自然学设计 Janine Benyus(中文) TED

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