大自然是最好的老師:論啟發科技的仿生學應用

北京時間 12 月 15 日消息，大自然並不是完美的，而是一直在演化和適應。無論是動物還是植物，在漫長的演化過程中，其有益的部分會保留下來，無用的部分則被丟棄或退化，以適應地球上不斷變化的環境。

通過不斷地修修補補，大自然找到了許多獨特的設計方案，從大象的長鼻子到仙人掌的棘刺，甚至白蟻丘在設計上也能讓涼爽空氣流通進出，為這些小昆蟲提供一個舒適的家。

因此，世界上最聰明的設計師和工程師都在師法自然，眾多人工技術都建立在自然的設計之上。在生物學中，有一個領域便是研究如何模仿自然界的各種生存策略，促進發明和發展人類的科學技術。該領域便是仿生學，字面意義即 「生物模擬」。

下面，我們就來了解人類從大自然中學到的一些技巧，看看不同生物都有哪些優雅的生存策略。

風力渦輪機和鯨鰭

座頭鯨是一種體型龐大、蔚為壯觀的生物。它們的身體如同校車大小，重量可達 40 噸。但就是這樣的龐然大物，在遊泳方面卻異常靈活。座頭鯨划水時展現的敏捷性和精確性，堪稱在工程學上天賦異稟。科學家研究發現，它們能做到這一點，主要原因是鯨鰭上遍布著凸起的結節。

座頭鯨的鰭肢上有明顯凸起的結節

當座頭鯨在海洋中遊泳時，水會流過這些結節，形成許多很小的漩渦，這種 「結節效應」能夠為座頭鯨提供更多浮力，也可以減少水的阻力，使其遊得更快。座頭鯨又名大翅鯨，其鰭肢長度可達體長的三分之一，因此降低水阻力非常重要。受此啟發，人類設計出了更加穩定的飛機、風車和潛艇。其中比較令人驚奇的是，一位名叫弗蘭克 · 菲什的博士發現了這些結節的有益效應，後來便創辦了 「Whalepower」公司，生產更高效的具有類似凸起的風力渦輪機葉片。

植物氣孔與透氣的運動服裝面料

在鍛鍊的時候，人們都喜歡穿著由透氣材質製成的運動服，以防止捂汗。設計此類運動服的 Stomatex 公司新開發了一種很有意思的材料，融入了類似植物氣孔的結構。正如植物氣孔負責植物體內的氣體交換一樣，這種織物上的氣孔也能更好地通風，更具有透氣性。

氣孔存在於植物葉子和莖的表層

當我們的汗液蒸發時，氣體分子會從這些氣孔中逸出，為涼爽乾燥的空氣進入創造空間。這項技術可以讓我們的皮膚遠離汗水，並在很長一段時間內保持更舒適的皮膚溫度。

當然，這並不是大自然第一次參與到人類的時尚中。Speedo 公司開發了一款被俗稱為 「鯊魚皮」的高科技泳衣 「Fastskin」。該泳衣具有類似鯊魚皮膚上的鱗片狀結構，有助於在遊泳時減少摩擦，並模仿鯊魚遊動時的流體動力學。這件衣服的一個問題是它真的太緊了！遊泳者穿上它大約需要 20 分鐘，有時需要剪開才能把它取下來。

氣孔的近距離圖像

尼龍搭扣是由 「維克羅」（Velcro，又叫 「維可牢」）公司發明的一種常見的纖維緊固物，常用在衣服和錢包上，通常由兩條薄薄的織物組成。一條織物上覆有鉤狀結構，另一條則覆有環狀結構，當兩條織物用力壓緊時，鉤與環的結合就會形成暫時緊固的狀態。據說發明者喬治 · 德 · 梅斯特拉是在注意到植物種子可以鉤住狗毛之後，受到啟發，才設計出了這種材料。現在，尼龍搭扣大量應用於戶外用品，如背包、帳篷、運動服飾、運動鞋等，即使在嚴峻的環境中，依然能保持強勁的拉力。甚至在 1968 年的阿波羅登月任務中，阿姆斯特朗和奧爾德林帶上月球的套裝、樣品收集袋和月球車等也都使用了尼龍搭扣。

翠鳥和子彈頭列車

日本的子彈頭列車以其速度和設計性而聞名，但一開始並不是這樣的。這些列車的最初設計會產生震耳欲聾的轟鳴聲，當它以驚人的 300 公裡時速疾馳而過時，周圍的居民和野生動物不勝其擾。

子彈頭列車較尖的一端是模仿翠鳥喙的結構

解決方案令人意想不到，那就是翠鳥的喙。參與設計列車的一位工程師，同時也是狂熱的觀鳥愛好者，有一次看到翠鳥躍入水中的情景，發現濺起的水花很小。翠鳥之所以能做到如此完美的跳水動作，是因為它相對較大的頭部和較窄的喙。受到鳥喙的空氣動力學形狀的啟發，工程師們決定將其應用到列車的設計中。於是就有了車頭尖尖的子彈頭列車，能以極快的速度（每小時 300 公裡）行駛，同時空氣阻力極小，不會產生噪音。

壁虎的腳

在產品設計中，有一項技術被稱為 「從生物到設計」。具體方法是，首先發現一個技術問題，然後在自然界中尋找解決這一問題的方案。一旦找到了解決方法，科學家和工程師們就會嘗試進行人工複製。美國國家航空航天局（NASA）的太空機器人就是一個很好的例子。

壁虎具有黏性的四肢使它能在牆壁上平穩爬行

這些機器人的腳上有一種特殊材料，上面具有微小的纖毛。藉助這種材料，機器人在外太空進行維修時就能夠穩穩地附著在飛船外表面。這項發明來自對壁虎的觀察，眾所周知，壁虎可以在牆壁上行走自如，其秘密就在於其腳趾上近 10 億條微小的纖毛。

蚊子口器與注射針頭

蚊子絕對是人們最討厭的一類動物！這些致病的吸血昆蟲能將口器平滑地刺入我們的皮膚，吸出血液，並且常常在我們意識到之前就吸飽了。蚊子的口器其實並不只是一根尖銳的 「針管」，而是由 6 個部分組成。我們很少感到蚊子 「咬」我們，這是最妙的部分。它們的口器有兩個細長尖銳的上顎和兩個鋸齒狀的下顎，是刺入皮膚的主要工具，可以在皮肉間自由地彎曲遊走，尋找合適的毛細血管。

蚊子鋸齒狀的上顎能輕易地刺穿皮膚

在一項研究中，科學家演示了一種特製注射針的使用方法。這種針類似蚊子的口器，由幾根像下顎一樣鋸齒狀的微針組合而成，能更加容易地刺入皮膚。這些侵入性較低的針頭帶來的疼痛感也更低，可以用於給藥或作為糖尿病患者的常規注射針頭。

結語

仿生學已經在人類生活中發揮了極其重要的作用。38 億年來，地球生命為了適應環境，演化出了無數的精巧設計。這一切都是為了以最少的努力和資源來獲得最大的回報。

然而，重要的是明白一點：大自然是有耐心的，這些結果並不是強迫而來的。如果人類能找到更多的方法模仿大自然的行為，我們可能就不會有資源短缺和汙染的問題。例如，儘管研究者投入了很多精力來開發可用於人工授粉的機器蜜蜂，但它們仍然無法媲美真正的蜜蜂。

仿生專家丹尼斯 · 德盧卡表示，人們應該把自然看作是靈感的來源，而不是原材料的來源。對產品設計師和工程師來說，大自然最大的啟示應該是其可持續的環保設計。大自然母親可能不完美，但她確實造就了許多聰明和優雅的方式，幫助我們以沒有資源浪費和汙染的方式繼續生活下去。