北京時間9月9日消息,據美國《心理絨毛》雜志報道,從古至今,人類一直在從大自然吸取靈感。維可牢尼龍搭扣即是研究人員受野薊鉤刺啟發開發出來的,而第一代道路反射鏡也是模仿貓眼結構制造的。今天,模仿大自然的科學(即生體模仿學)已成為一個產值達十億美元的行業。以下是我們人類從動物王國“偷學”的十大技術。

1. 塑料涂層(偷學對象:鯊魚)




   

    基于鯊魚皮開發出的一種塑料涂層,目前正在醫院患者接觸頻率最高的一些地方進行實驗

細菌感染恐怕是最令醫院頭疼的一件事,無論醫生和護士洗手的頻率有多高,他們仍不斷將細菌和病毒從一個患者傳到另一個患者身上,盡管不是故意的。事實上,美國每年有多達10萬人死于他們在醫院感染的細菌疾病。但是,鯊魚卻可以讓自己的身體長久保持清潔——長達一億多年。如今,正是由于鯊魚這一特性,細菌感染可能會重蹈恐龍的覆轍——從地球上徹底消失。

與其他大型海洋動物不同,鯊魚身體不會積聚黏液、水藻和藤壺。這一現象給工程師托尼·布倫南(Tony Brennan)帶來了無窮靈感,在2003年最早了解到鯊魚的特性以后,他多年來一直在嘗試為美國海軍艦艇設計更能有效預防藤壺的涂層。在對鯊魚皮展開進一步研究以后,他發現鯊魚整個身體覆蓋著一層層凹凸不平的小鱗甲,就像是一層由小牙織成的毯子。黏液、水藻在鯊魚身上失去了立足之地,而這樣一來,大腸桿菌和金黃色葡萄球菌這樣的細菌也就沒有了棲身之所。

一家叫Sharklet的公司對布倫南的研究很感興趣,開始探索如何用鯊魚皮開發一種排斥細菌的涂層材料。今天,該公司基于鯊魚皮開發出一種塑料涂層,目前正在醫院患者接觸頻率最高的一些地方進行實驗,比如開關、監控器和把手。迄今為止,這種技術看上去確實可以趕走細菌。Sharklet公司還有更宏偉的目標:下一步是開發一種可以消除另一個常見感染源——尿液管——的塑料涂層。[NextPage]

2. 音波手杖(偷學對象:蝙蝠)










   

    音波手杖

這聽上去就像一個糟糕玩笑的開頭:一位大腦專家、一位生物學家和一位工程師走進了同一家餐廳。然而,這種事情確實發生在英國利茲大學,幾個不同領域的專家的突發奇想最終導致音波手杖(Ultracane)的問世:這是一種盲人用的手杖,在靠近物體時會振動。這種手杖采用了回聲定位技術,而蝙蝠就是利用同樣的感覺系統去感知周圍環境。音波手杖能以每秒6萬個的速度發送超聲波脈沖,并等待它們返回。

當一些超聲波脈沖回來的時間超過別的超聲波脈沖時,這表明附近有物體,引起手杖產生震動。利用這種技術,音波手杖不僅可以“看到”地面物體,如垃圾桶和消防栓,還能感受到頭頂的事物,比如樹杈。由于音波手杖的信息輸出和反饋都不會發出聲音,使用者依舊能聽到周圍發生的事情。盡管音波手杖并未出現顧客排隊購買的熱賣景象,但美國和新西蘭的幾家公司目前正試圖利用同樣的技術,開發出適銷對路的產品。[NextPage]

3. 新干線列車(偷學對象:翠鳥)










   

    日本的高速列車都具有長長的像鳥喙一樣的車頭,令其相對安靜地離開隧道。

日本第一列新干線列車在1964年建造出來的時候,它的速度達到每小時120英里(約合每小時193公里)。但是,如此快的速度卻有一個不利方面,列車駛出隧道時總會發出震耳欲聾的噪音,乘客抱怨說有一種火車擠到一起的感覺。這時,日本工程師中津英治(Eiji Nakatsu)介入了這件事。中津英治還是一位鳥類愛好者,他發現新干線列車總在不斷推擠前面的空氣,形成了一堵“風墻”。

當這堵墻同隧道外面的空氣相碰撞時,便產生了震耳欲聾的響聲,這本身對列車施加了巨大的壓力。中津英治在對這個問題仔細分析之后,意識到新干線必須要像跳水運動員入水一樣“穿透”隧道。為了獲取靈感,他開始研究善于俯沖的鳥類——翠鳥的行為。翠鳥生活在河流湖泊附近高高的枝頭上,經常俯沖入水捕魚,它們的喙外形像刀子一樣,瞬間穿越空氣,從水面穿過時幾乎不產生一點漣漪。

中津英治對不同外形的新干線列車進行了實驗,發現迄今最能穿透那堵風墻的外形幾乎同翠鳥的喙外形一樣。現在,日本的高速列車都具有長長的像鳥喙一樣的車頭,令其相對安靜地離開隧道。事實上,外形經過改進的新干線列車的速度比以前快10%,能效高出15%。[NextPage]

4. 風扇葉片(偷學對象:駝背鯨)

美國賓夕法尼亞大學西切斯特分校流體動力學專家、海洋生物學家弗蘭克·費什(Frank Fish)教授表示,他從海洋深處找到了解決當前世界能源危機的辦法。費什注意到,駝背鯨的鰭狀肢可以從事一些似乎不可能的任務。駝背鯨的鰭狀肢前部具有壘球大小的隆起,它們在水下可以令鯨魚輕松在海洋中游動。但是,根據流體力學原則,這些隆起應該會是鰭的累贅,但現實中卻幫助鯨魚游動自如。

于是,費什決定對此展開調查。他將一個12英尺(約合3.65米)長的鰭狀肢模型放入風洞,看它挑戰我們對物理學的理解。這些名為結節的隆起使得鰭狀肢更符合空氣動力學原理。費什發現,它們排列的方位可以將從鰭狀肢上方經過的空氣分成不同部分,就像是刷毛穿過空氣一樣。費什的發現現在叫做“結節效應”(tubercle effect),不僅能用于各種水下航行器,還應用于風機的葉片和機翼。

根據這項研究,費什為風扇設計出邊緣有隆起的葉片,令其空氣動力學效率比標準設計提升20%左右。他還成立了一家公司專門生產這種葉片,不久將開始申請使用其節能技術,用以改善全世界工廠和辦公大樓的風扇性能。費什技術的更大用途則是用于風能。他認為,在風力渦輪機的葉片增加一些隆起,將使風力發電產業發生革命性變革,令風力的價值比以前任何時候都重要。[NextPage]

5. 在水面行走的機器人(偷學對象:蛇怪蜥蜴)











   

    蛇怪蜥蜴(basilisk lizard)常常被稱為是“耶穌蜥蜴”

蛇怪蜥蜴(basilisk lizard)常常被稱為是“耶穌蜥蜴”(Jesus Christ lizard),這種稱呼還是有一定道理的,因為它能在水上走。很多昆蟲具有類似本領,但它們一般身輕如燕,不會打破水面張力的平衡。體形更大的蛇怪蜥蜴之所以能上演“水上漂”,是因為它能以合適的角度擺動兩條腿,令身體向上挺、向前沖。2003年,卡內基梅隆大學的機器人技術教授梅廷·斯蒂(Metin Sitti)正從事這方面的教學工作,重點是研究自然界存在的機械力學。當他在課堂以蛇怪蜥蜴作為奇特的生物力學案例時,他深受啟發,決定嘗試制造一個具有相同本領的機器人。

這是一項費時費力的工作。發動機的重量不僅要足夠的輕,腿部還必須一次次地與水面保持完美接觸。經過幾個月的努力,斯蒂和他的學生終于造出第一個能在水面行走的機器人。盡管如此,斯蒂的設計仍有待進一步完善。這個機械裝置偶爾會翻滾,沉入水中。在他克服了重重障礙以后,一種能在陸地和水面奔跑的機器人便可能見到光明的未來。我們或許可以用它去監測水庫中的水質,甚至在洪水期間幫助營救災民。[NextPage]

6. 太陽能電池板(偷學對象:馬勃菌)

   

    橙黃色的馬勃菌海綿(puffball sponge)并不多見,它基本上是一種生活在海底的“碰碰球”

橙黃色的馬勃菌海綿(puffball sponge)并不多見,它基本上是一種生活在海底的“碰碰球”。馬勃菌海綿并沒有任何的附肢、器官、消化系統和循環系統,無時無刻不在過濾水體。然而,這種并不招搖的生物或許會是未來技術革命的催化劑。馬勃菌海綿的“骨骼”是由眾多格子狀的硅鈣物質構成,事實上,它類似于我們用以制造太陽能電池板、微芯片和電池的材料,但有一點不同:我們在制造這些材料時需要大量能量和各種各樣的有毒化學物質。

海綿顯然在這方面做得更好:它們只要向水中釋放特殊的酶,從中吸收硅鈣,就能把這兩種化學物質變成需要的外形。美國加州大學圣巴巴拉分校生物技術教授丹尼爾·摩斯(Daniel Morse)研究了馬勃菌海綿酶的特性,并在2006年成功進行了復制。他通過清潔、效率很高的海綿技術制出大量電極。當前,多家公司將投資數百萬美元創建一個企業聯盟,將類似產品推向市場。幾年以后,當太陽能電池板忽然出現在美國每家每戶的屋頂上,微芯片只賣幾美元的時候,千萬不要忘了感謝讓這一切成為現實的不起眼的馬勃菌。