9個源於自然的靈感

2021-01-09 騰訊網

或許可以這麼說,經過長久的自然選擇的累積,自然為幾乎所有事情都找到了解決方案。對科學家和工程師而言,自然同樣是最好的老師。從自然中,人們也學會了許多解決現代人類問題的答案。

牛蒡與魔術貼

1941年,瑞士電氣工程師George de Mestral前往阿爾卑斯山狩獵。回來之後,他發現自己的衣服和寵物狗的身上都掛滿了帶著毛刺的牛蒡(burdock)。牛蒡會附著在路過的生物身上,用這種方式將自己的種子傳播到更遠的地方。Mestral用顯微鏡仔細觀察了這種植物,發現上面長著看似非常簡單的小鉤子,正是它們讓果實能掛在衣物或動物皮毛的纖維環中。這一發現激發了Mestral的靈感,從而創造出了一種尼龍搭扣(velcro),也就是我們常說的魔術貼。1955年,魔術貼獲得專利。如今,這種看似簡單的日常用品給我們的生活帶來了極大的便利。

壁虎與機械手爪

壁虎「對抗引力」的秘密在它們的腳趾上。壁虎的腳趾上長著一排特殊的細毛,被稱為剛毛。利用範德華力,也就是一種只在微觀尺度下起作用的力,剛毛能夠黏附在許多表面上,並支撐起壁虎的體重。這種機制有許多優點,比如它是可逆的,能夠提供強勁的抓力,且不需要額外的黏合劑。近年來,工程師已經成功地利用矽膠復刻出了類似的剛毛,帶來了「壁虎皮膚技術」的無數應用。其中最具代表性的發明包括可以讓人類攀爬陡峭的玻璃牆的工具、有能力拉動數百倍於自身重量的搬運機器人,以及NASA用於太空修復的機械手爪。

座頭鯨與渦輪葉片

在波士頓的一家禮品店裡,生物學家Frank Fish注意到了一個座頭鯨的雕塑紀念品,它的鰭上雕刻出了一些隆起的部分。起初,Fish認為是製作雕像的藝術家犯了錯,這些隆起應當沿著前部,而不是在鰭的後緣上。但事實上藝術家是對的。帶有一排突起的脊能夠形成微小的渦流,幫助鰭穿過水麵,這也解釋了座頭鯨所擁有的驚人的敏捷性。在研究了這種「結節效應」後,Fish發現,在渦輪葉片上增加一排突起,同樣可以減少阻力並降低噪音,提高機械的效率。

鯊魚皮與船舶塗層

在顯微鏡下,你會發現鯊魚皮上有一層緊密的微型鱗片。受到鯊魚皮的啟發,NASA的科學家開發了一種能夠降低阻力的船舶塗層。這種塗層非常成功,效果明顯,它曾幫助美國星條旗隊(Stars and Stripes)贏得了1987年美洲杯帆船賽的冠軍。正是因為這種不可忽略的優勢,競爭對手認為它讓比賽變得不公平,這種技術曾一度在比賽中被禁止使用。

翠鳥與新幹線列車

在交通工具速度突破的歷程中,人們需要克服一系列問題。例如,當一列高速列車從隧道中駛出時,由於頭部前方積聚的氣壓,會產生巨大的聲響。上世紀90年代,日本工程師Eiji Nakatsu注意到,翠鳥能以極高的速度潛入水中,而幾乎不會產生任何飛濺的水花。他設計的新幹線高速列車借鑑了翠鳥的喙的結構,這不僅降低了列車行駛的噪音,而且更符合空氣動力學,從而使用更少的動力實現了更高的速度。

蟻丘與辦公樓

非洲白蟻生活的環境並不算舒適,在一些地方,白天的環境溫度能夠達到40℃,而晚上則會直接降到接近零度。但非洲白蟻進化出了一些精巧的設計。白蟻巧妙地利用了沿著頂部和側面的一系列通風口,讓蟻丘擁有了一個被動的冷卻系統,其內部可以保持近乎恆定的溫度。建築師Mick Pearce在設計辛巴威哈拉雷一座大型辦公綜合體——東門中心(Eastgate centre)時學習並採用了相似的策略。東門中心擁有一套精心設計的煙囪冷卻系統,熱空氣會通過建築頂部的煙囪排出,而冷空氣則會從地下吸入,形成了良好的空氣循環。

蜂巢與能源網

在自然中,蜂巢裡的一切井然有序地進行著,從來不會有蜜蜂告訴其他蜜蜂應該做什麼,但它們仍然能本能地感覺到有什麼工作需要進行並著手開始做。蜜蜂的這種判斷主要來自它們在蜂巢中的位置,以及周圍其他蜜蜂的行為活動。美國一家能源公司採用了這種「群體邏輯」來提高能源網的效率。新型的能源網放棄了利用中央系統定向電力負荷的模式,而是設置了能夠進行無線通訊的本地控制器,讓它們確定電力需要流向何處。

蜘蛛網與玻璃

隨著城市摩天大廈和玻璃幕牆的崛起,據估計,每年有約一億隻鳥會與玻璃相撞。原因顯而易見,鳥不會意識到玻璃這種透明結構是一種物理屏障。為了解決這個問題,一家公司開發了仿生的鳥類安全玻璃Ornilux,這種產品的靈感來自蜘蛛網中反射紫外線的絲線。在自然中,鳥類因此能看到蜘蛛網的存在,而避免撞上,這對兩類生物來說是明顯的「雙贏」。Ornilux玻璃復刻了這一點,利用縱橫交錯的紫外線玻璃,在不影響人類視野的同時,讓鳥類也能意識到玻璃的存在。

箱魨魚與概念汽車

儘管箱魨魚(boxfish)外表看起來十分笨重,但這種魚在水中遊動的阻力非常小,它們在水中的阻力係數只有0.06。(在水中遊泳的企鵝的阻力係數為0.19。)2005年,受到箱魨魚高結構強度和低質量特點的啟發,奔馳公司開發出了一款仿生概念車Bionic。據最初報導,這款汽車可以減少阻力,具有很強的剛性,且重量更輕,油耗比傳統汽車要低得多。當然,有些設計在自然界中看起來是完美的,但並不一定意味著它在工業設計中也是這樣。這款概念車尚未投入量產,或許是因為2015年的一項研究發現,這種箱魨魚的外形並沒有減少阻力,反而可能讓汽車變得更不穩定。對於一類有著數千萬年進化歷史的魚來說,這是完美的「設計」,但對交通工具來說,它也可能沒那麼完美。

#創作團隊:

選題策劃:杭州小張

選題來源:

Cathal O』Connell, Technologies inspired by nature,

Gertie Goddard, Biomimetic design: 10 examples of nature inspiring technology

文字:Takeko

動畫視覺:雯雯子

#參考來源:

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/

#圖片來源

蜂巢:Pixabay

電網:https://isen.northwestern.edu/visualizing-the-grid

牛蒡:Zephyris/Wikimedia Commons

魔術貼:Natural Philo/Wikimedia Commons

壁虎腳趾:Wikimedia Commons via https://www.nasa.gov/jpl/gecko-grippers-moving-on-up

空間站:NASA/JPL-Caltech

座頭鯨:Pixabay

葉片:Whalepower Corporation

鯊魚皮:Pixabay

船舶:https://www.americas-cup-history.at/english/us55%20%201987.htm

翠鳥:Pixabay

新幹線:Pixabay

蟻丘:Pixabay

東門中心:Mandy Patterson/Wikimedia Commons

蜘蛛網:Pexel

玻璃:Orniluxs

箱魨魚:Norbert Potensky/Wikimedia Common

奔馳概念車:NatiSythen/Wikimedia Commons

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