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9个源于自然的灵感

9个源于自然的灵感 科学出版社
2021-01-13
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导读:蚁丘一样的建筑,翠鸟一样的高速列车……


或许可以这么说,经过长久的自然选择的累积,自然为几乎所有事情都找到了解决方案。对科学家和工程师而言,自然同样是最好的老师。从自然中,人们也学会了许多解决现代人类问题的答案。


 牛蒡与魔术贴 


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1941年,瑞士电气工程师George de Mestral前往阿尔卑斯山狩猎。回来之后,他发现自己的衣服和宠物狗的身上都挂满了带着毛刺的牛蒡(burdock)。牛蒡会附着在路过的生物身上,用这种方式将自己的种子传播到更远的地方。Mestral用显微镜仔细观察了这种植物,发现上面长着看似非常简单的小钩子,正是它们让果实能挂在衣物或动物皮毛的纤维环中。这一发现激发了Mestral的灵感,从而创造出了一种尼龙搭扣(velcro),也就是我们常说的魔术贴。1955年,魔术贴获得专利。如今,这种看似简单的日常用品给我们的生活带来了极大的便利。

 壁虎与机械手爪 


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壁虎“对抗引力”的秘密在它们的脚趾上。壁虎的脚趾上长着一排特殊的细毛,被称为刚毛。利用范德华力,也就是一种只在微观尺度下起作用的力,刚毛能够黏附在许多表面上,并支撑起壁虎的体重。这种机制有许多优点,比如它是可逆的,能够提供强劲的抓力,且不需要额外的黏合剂。近年来,工程师已经成功地利用硅胶复刻出了类似的刚毛,带来了“壁虎皮肤技术”的无数应用。其中最具代表性的发明包括可以让人类攀爬陡峭的玻璃墙的工具、有能力拉动数百倍于自身重量的搬运机器人,以及NASA用于太空修复的机械手爪。


 座头鲸与涡轮叶片 



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在波士顿的一家礼品店里,生物学家Frank Fish注意到了一个座头鲸的雕塑纪念品,它的鳍上雕刻出了一些隆起的部分。起初,Fish认为是制作雕像的艺术家犯了错,这些隆起应当沿着前部,而不是在鳍的后缘上。但事实上艺术家是对的。带有一排突起的脊能够形成微小的涡流,帮助鳍穿过水面,这也解释了座头鲸所拥有的惊人的敏捷性。在研究了这种“结节效应”后,Fish发现,在涡轮叶片上增加一排突起,同样可以减少阻力并降低噪音,提高机械的效率。


 鲨鱼皮与船舶涂层 



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在显微镜下,你会发现鲨鱼皮上有一层紧密的微型鳞片。受到鲨鱼皮的启发,NASA的科学家开发了一种能够降低阻力的船舶涂层。这种涂层非常成功,效果明显,它曾帮助美国星条旗队(Stars and Stripes)赢得了1987年美洲杯帆船赛的冠军。正是因为这种不可忽略的优势,竞争对手认为它让比赛变得不公平,这种技术曾一度在比赛中被禁止使用。


 翠鸟与新干线列车 



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在交通工具速度突破的历程中,人们需要克服一系列问题。例如,当一列高速列车从隧道中驶出时,由于头部前方积聚的气压,会产生巨大的声响。上世纪90年代,日本工程师Eiji Nakatsu注意到,翠鸟能以极高的速度潜入水中,而几乎不会产生任何飞溅的水花。他设计的新干线高速列车借鉴了翠鸟的喙的结构,这不仅降低了列车行驶的噪音,而且更符合空气动力学,从而使用更少的动力实现了更高的速度。


 蚁丘与办公楼 



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非洲白蚁生活的环境并不算舒适,在一些地方,白天的环境温度能够达到40℃,而晚上则会直接降到接近零度。但非洲白蚁进化出了一些精巧的设计。白蚁巧妙地利用了沿着顶部和侧面的一系列通风口,让蚁丘拥有了一个被动的冷却系统,其内部可以保持近乎恒定的温度。建筑师Mick Pearce在设计津巴布韦哈拉雷一座大型办公综合体——东门中心(Eastgate centre)时学习并采用了相似的策略。东门中心拥有一套精心设计的烟囱冷却系统,热空气会通过建筑顶部的烟囱排出,而冷空气则会从地下吸入,形成了良好的空气循环。


 蜂巢与能源网 


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在自然中,蜂巢里的一切井然有序地进行着,从来不会有蜜蜂告诉其他蜜蜂应该做什么,但它们仍然能本能地感觉到有什么工作需要进行并着手开始做。蜜蜂的这种判断主要来自它们在蜂巢中的位置,以及周围其他蜜蜂的行为活动。美国一家能源公司采用了这种“群体逻辑”来提高能源网的效率。新型的能源网放弃了利用中央系统定向电力负荷的模式,而是设置了能够进行无线通讯的本地控制器,让它们确定电力需要流向何处。


 蜘蛛网与玻璃 



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随着城市摩天大厦和玻璃幕墙的崛起,据估计,每年有约一亿只鸟会与玻璃相撞。原因显而易见,鸟不会意识到玻璃这种透明结构是一种物理屏障。为了解决这个问题,一家公司开发了仿生的鸟类安全玻璃Ornilux,这种产品的灵感来自蜘蛛网中反射紫外线的丝线。在自然中,鸟类因此能看到蜘蛛网的存在,而避免撞上,这对两类生物来说是明显的“双赢”。Ornilux玻璃复刻了这一点,利用纵横交错的紫外线玻璃,在不影响人类视野的同时,让鸟类也能意识到玻璃的存在。


 箱鲀鱼与概念汽车 



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尽管箱鲀鱼(boxfish)外表看起来十分笨重,但这种鱼在水中游动的阻力非常小,它们在水中的阻力系数只有0.06。(在水中游泳的企鹅的阻力系数为0.19。)2005年,受到箱鲀鱼高结构强度和低质量特点的启发,奔驰公司开发出了一款仿生概念车Bionic。据最初报道,这款汽车可以减少阻力,具有很强的刚性,且重量更轻,油耗比传统汽车要低得多。当然,有些设计在自然界中看起来是完美的,但并不一定意味着它在工业设计中也是这样。这款概念车尚未投入量产,或许是因为2015年的一项研究发现,这种箱鲀鱼的外形并没有减少阻力,反而可能让汽车变得更不稳定。对于一类有着数千万年进化历史的鱼来说,这是完美的“设计”,但对交通工具来说,它也可能没那么完美。


#创作团队:

选题策划:杭州小张
选题来源:
Cathal O’Connell, Technologies inspired by nature, 
Gertie Goddard, Biomimetic design: 10 examples of nature inspiring technology
文字:Takeko
动画视觉:雯雯子

#参考来源:

https://cosmosmagazine.com/technology/technologies-inspired-by-nature/
https://www.sciencefocus.com/future-technology/biomimetic-design-10-examples-of-nature-inspiring-technology
https://albinorhinoblog.wordpress.com/2016/03/19/biomimetic-architecture/
https://asknature.org/idea/eastgate-centre/

#图片来源

蜂巢:Pixabay
电网:https://isen.northwestern.edu/visualizing-the-grid
牛蒡:Zephyris/Wikimedia Commons
魔术贴:Natural Philo/Wikimedia Commons
壁虎脚趾:Wikimedia Commons via https://www.nasa.gov/jpl/gecko-grippers-moving-on-up
空间站:NASA/JPL-Caltech
座头鲸:Pixabay
叶片:Whalepower Corporation
鲨鱼皮:Pixabay
船舶:https://www.americas-cup-history.at/english/us55%20%201987.htm
翠鸟:Pixabay
新干线:Pixabay
蚁丘:Pixabay
东门中心:Mandy Patterson/Wikimedia Commons
蜘蛛网:Pexel
玻璃:Orniluxs
箱鲀鱼:Norbert Potensky/Wikimedia Common
奔驰概念车:NatiSythen/Wikimedia Commons


本文经授权转载自微信公众号「原理」(ID:principia1687)版权归原作者所有。文章只为信息的传播,不代表本号所持观点。具体信息请参考原文。


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内容简介

本书围绕动物行为学的重要科学问题,对开展整合研究所涉及的研究方法进行了比较全而的总结和分析。全书包括4篇,19章。第一篇包括野生动物行为生态研究所涉及的遥感、自动摄影/像等跟踪和记录技术.以及利用动物行为学原理改善动物福利的途径;第二篇包括实验行为学有关的神经递质分析、遗传工程、脑的光电及成像技术,以及学习记忆行为的实验设计和技术;第三篇包括动物利用的多种物理信号(人类可听声、超声、地磁、红外等)以及动物运动的记录和分析及其仿牛;第四篇包括高等动物(包括人类)、昆虫等化学信号的化学分析技术和解码的思路。


本期编辑丨王芳



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