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科学家从大自然汲取了好多灵感!

发表时间:2019/07/11 18:40:34  浏览次数:1337  
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经过35亿年的进化,许多动植物在适应环境的过程中,“智计百出”。

从用粘性“刚毛”对抗地球重力,到利用奇妙的“恒温系统”保持凉爽和维持良好生存状态等,大自然的“奇思妙想”令人惊叹!

那么,科学家和发明家又是如何从大自然的精妙设计中获得灵感和启发,创造了许多仿生学奇迹的呢?

植物毛刺与维可牢搭扣(尼龙搭扣)

科学家从大自然汲取了好多灵感,妙!

牛蒡用带小钩的毛刺将植物种子散布到更远的地方

科学家从大自然汲取了好多灵感,妙!

维可牢尼龙搭扣的特写镜头,展示了它与牛蒡毛刺钩子结构上的相似之处

1941年,瑞士电气工程师乔治•梅斯特拉(George de Mestral)去阿尔卑斯山打猎,回去后注意到自己的衣服和狗的皮毛上都挂满了牛蒡植物的毛刺,这是植物生存的一种依附机制,通过过往生物将牛蒡种子播撒到更远的地方去。

梅斯特拉将其中一个毛刺放在显微镜下,发现了一些简单的钩子结构,可以让毛刺附着在他的袜子上和狗毛上,受这种毛刺结构的启发,梅斯特拉发明了有名的维可牢搭扣(velcro),并于1955年申请了专利。

壁虎“刚毛”与仿生机器人

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壁虎脚趾上的神奇“刚毛”激发的灵感导致产生了一系列克服地球引力在垂直表面驻留的新技术发明

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受壁虎启发的LEMUR仿生机器人像壁虎一样紧紧依附在物体表面

壁虎能够克服重力在垂直平面上抓牢物体的秘密是它脚趾上一排细小的毫毛,叫做刚毛。

这种毫毛拥有的粘附力是微观尺度上起作用的分子间作用力,又称范德瓦尔斯力(van der Waals force),是存在于中性分子或原子之间的一种弱碱性的电性吸引力,这种粘附力让壁虎可依附在任何表面。

其最大优点是不需要粘合剂,就可产生可逆的强有力的抓力。

近年来,工程师们成功地从硅树脂中复制出类似的“刚毛”,由此产生了多种多样的新技术产品,包括可以让人类攀爬在透明玻璃墙上的小发明,让机器人能够拉动比自身重量重数百倍物体的器械,以及方便宇航员用于空间修复的钳子等。

鲸鱼鳍与改进型风力涡轮机

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座头鲸鳍上的凸起让它们在水中拥有惊人的灵活性,激发的灵感提高了风力涡轮机的效率

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风力涡轮机叶片不平整边缘的设计,是在鲸鱼鳍凸起启发下进行的仿生学改进

在波士顿的一家礼品店里,生物学家弗兰克•菲什(Frank Fish)注意到座头鲸雕像鳍上的凸起有些不同寻常,他认为一定是艺术家弄错了,因为这些凸起在鳍的前部,而不是后部。

但事实上,艺术家并没有弄错,鳍上这一排结节状凸起可帮助鳍在水中灵活地破浪穿行,这也解释了座头鲸在水中有着惊人速度的原因。

通过这一启发,菲什在涡轮叶片上增加了几排凸起,减少了阻力和噪音,提高了风力涡轮机的效率。

鲨鱼皮肤小鳞片与帆船减阻涂层

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鲨鱼身上覆盖着的一层鳞片,可以减少阻力,并使它们在水中的运动更灵活

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参赛帆船外壳的仿鲨鱼鳞片涂层,让星条旗队在2002年的帆船杯挑战赛中占尽优势

受鲨鱼皮肤上微小鳞片的启发,美国宇航局的科学家开发了一种船只减阻涂层

这项技术帮助星条旗队赢得了1987年美洲杯帆船赛的冠军。这种涂层非常成功,但竞争对手认为这是一种不公平的优势,导致这种技术被禁,后来才恢复使用。

翠鸟与子弹头列车

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翠鸟扎入水中,几乎不发出一点溅水声

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日本中部新干线子弹头列车抵达东京站。列车前部造型与翠鸟相似

高速列车从隧道中驶出时会产生巨大的雷爆声,这是由于车头前积聚的气压造成的,也称为“活塞效应”。

20世纪90年代,日本工程师中津英治注意到,翠鸟几乎可以不发出一点溅水声就能跃入水中。

这为中津英治带来了灵感,他为新干线子弹头列车设计了仿翠鸟嘴的原型。不仅降低了列车的噪音,而且更符合空气动力学原理,能耗更低,速度更快。

白蚁丘与现代建筑冷却系统

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肯尼亚马赛马拉野生动物保护区里的一个白蚁丘的“恒温系统”正在吸收傍晚阳光的热量

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哈拉雷东门办公楼中心精心设计的烟囱冷却系统,其灵感来自于白蚁丘

非洲白蚁进化出了一些精巧的设计,它们的蚁丘可以保持一个几乎恒定温度的环境(你要知道,环境温度白天可达到40°C,晚上却不到2°C)。

白蚁如何做到恒温的?原来它们的蚁丘有一个自然恒温系统,由蚁丘顶部和两侧的一系列通风口组成。

建筑师米克•皮尔斯(Mick Pearce)在设计津巴布韦首都哈拉雷的东门办公楼中心时,采用了白蚁的策略,暖空气通过建筑物顶部的烟囱排出,同时从地下吸入冷空气。

蜂群思维与提高电网效率

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蜂群思维帮助合理分配和使用整个电网中的电力

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控制电力流向的是本地节点,而不是中央系统

虽然从来没有人告诉蜜蜂该做什么,但每一个蜜蜂个体都会根据自己在蜂箱里的位置,以及周围同伴的行为,本能地知道自己该做什么——这就是蜂群思维,一种集体思维。

这引起了美国再生能源公司的关注,随后该公司采用了仿“蜂群思维逻辑”来提高能源网效率

该公司不是通过中央控制系统来调度分配电网负荷,而是通过本地控制器在彼此之间进行无线通信,并自行确定电力流向。

从古至今,人类一直有向大自然学习的传统,这也为人类带来一笔宝贵的财富,可以说“仿生”推动人类的不断进步。

资料来源:

Technologies inspired by nature

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