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生物仿生:鲨鱼皮船与鲸鱼鳍风涡轮

穆洛伊 蕾拉

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生物仿生的广阔潜力不仅创造了一个价值数十亿美元的产业,更能帮助我们加深对生态保护重要性的认识。

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生物仿生不仅仅让我们了解大自然,更是让我们从大自然中有所学有所用,图为借助叶片的灵感制造的雨水收集器。图片来源:drewwith

 

从孔雀漂亮的羽毛到非洲猎豹那符合空气动力学的身体构造,自然选择的改造使动物具备了在特定环境中生存繁衍的高超能力。人类一直以来都试图在科学、设计和艺术中模仿自然世界的精妙和美丽。

不过在过去的20年中,这一向自然学习并模拟自然的过程已经发展成生物仿生学。生物仿生不仅是一门有着明确定义的科学学科,更催生了一个快速发展的行业。

自然一直以来都是人类的灵感源泉。早在16世纪,列奥纳多·达芬奇就画出了详尽的鸟类解剖学结构,以更好地了解鸟类飞行的原理,并为他的“飞翔机器”提供思路。大约四百年之后,正是莱特兄弟对鸟类翅膀的研究造就了人类史上首架飞机的诞生。

但“生物仿生”这个词1997年才正式出现,而首个将这个概念变成现实的是在商业领域。

“生物仿生”这个词是美国生物学家珍妮·班亚斯在她的著作《生物仿生:自然启迪的创造》一书中首次使用。在她的笔下,生物仿生不仅仅是了解自然的过程,更是向自然取经的过程。班亚斯将这个过程称为“对生命奥妙的有意识模仿”。

关于生物仿生我们首先要明确的一点便是,经过38亿年进化产生的自然世界到处都是充满新奇创意的生命形式、系统和过程,它们都经过了时间的检验,具有持续生存发展的能力,完全可以供人类模仿借鉴。生物仿生从这些自然原则中吸取灵感,用于解决人类社会面临的问题。

班亚斯1997年出版的作品开启了在科学界之外应用生物仿生原理的先河,该书自出版以来的15年内吸引了很多人的关注。如今,科学家、工程师、设计师都在有意识地研究那些历经时间考验的自然过程,以期从中找到设计创新产品的灵感。

大公司也对生物仿生的研究和开发投入了大量资金。1996年,梅赛德斯-奔驰公司在生物仿生项目中的投入终于取得了回报,该公司的工程师在 参观斯图加特自然历史博物馆之后根据热带箱鲀的外形设计出了超级空气动力学的汽车“箱鲀车”。除奔驰之外,其他公司也在做着类似的工作。

费尔马尼安商业与经济学院2010年11月发布的一份报告考察了美国生物仿生的发展,并预测到2025年,这个产业将为美国贡献3000亿美元GDP,创造160万个就业岗位。

但专业人士认为,生物仿生提供给我们的不仅仅是实用的设计解决方案。生物仿生研究院的发起人相信,被广泛视作设计和创新工具的生物仿生有潜力改变大众对于生态保护的态度,增强人们对保护自然多样性的认识。

“生物仿生不仅仅是一种观察和评价自然的新方式,更是拯救自然的一种途径,” 班亚斯表示。

海洋是地球上生物多样性最丰富的生态系统,生活着地球上50%到80%的生命。下面就让我们近距离了解一下三个受到海洋启发而得以实现的可持续设计方案。

案例一:鲨鱼皮船

每年灰鲸从阿拉斯加远涉1.2万英里向墨西哥迁徙的时候,它的皮肤表面都会积累一层由微生物、水藻、甲壳动物和其他物质组成的“海 泥”。对于灰鲸和其他很多有着同样经历的海洋动物来说,海泥不过是自然系统的一部分,不会对他们造成任何伤害。但对于在世界各地航行的上百万艘船只来说, 这个被称为“生物淤积”的过程却是个大麻烦。

船体上海泥的集聚最多可使船只的重量增加15%。这会降低船只的动力效率和航行速度,增加燃料消耗量和污染排放量。美国海军每年都要花费5000万到10亿美元清理船体,降低生物淤积的影响。

在应对生物淤积的环境和财政成本的过程中,生物仿生发挥了重要的作用。弗罗里达大学的托尼·布伦南博士将目光转向大自然,希望从那些不受生物淤积的动物身上寻找灵感。他发现,无论鲨鱼游动速度是快是慢,它们的皮肤上都不会沉积任何海洋物质。

布伦南博士仿照鲨鱼满是鱼鳞的表皮构造,用塑料材料制造了一种船体贴膜。他的发明取得了成功,他制造的贴膜被应用到美国海军的所有舰船,以 及许多商业船只上。在每年全球海运贸易总额接近80亿吨的背景下,即便不考虑这一发明在温室气体减排方面的贡献,它的环境影响也是十分巨大的。

尽管如此,鲨鱼皮塑料贴膜的好处不仅限于船只。该材料还被使用在鞋底上起到防滑的效果,而在奥运会运动员泳衣上的应用让游泳选手游得更快。

案例二:鲸鳍风涡轮

美国切斯特大学生物学教授弗兰克·费什一次度假时买了一只座头鲸的小模型留念。他发现模型上的鲸鱼鳍的一侧有很多小隆起(学名叫 “结节”)。作为生物力学领域的知名专家,费什当时以为这些隆起是画蛇添足。但仔细研究之后费什发现,出错的不是模型,而是空气动力学的传统“真理”。

传统的空气动力学理论认为,具有笔直尖锐边缘的扇叶效率最高。但费什受意外发现的启发,决定将座头鲸鳍的形状应用到风车扇叶的设计上,以检验一下这种设计的效率如何。结果令人惊讶。涡轮机在加装了带隆起的扇叶之后,效率增加了20%。

研究人员目前正在进行进一步的研究,以找出其他应用鲸鱼鳍构造的方案,包括在飞机机翼上增加结节或者在潜水艇设计中模仿海豚的鳍。如果能够成功,这些研究将大大增进交通系统的效率,减少污染排放。

案例三:从珊瑚到水泥

珊瑚礁被称为“海洋中的热带雨林”,是地球上生物多样性最丰富的海洋生态系统之一,全球约有四分之一的海洋生物以珊瑚礁为家。一般人想不到的是,珊瑚礁还是清洁水泥制造技术的灵感来源。

在珊瑚礁形成的过程中,珊瑚不断吸入矿物质而二氧化碳,并分泌出碳化钙。珊瑚礁的产生可以在很大规模内进行。例如,大堡礁就是世界上规模最大的生物结构,其覆盖的地域比中国的长城还要大。

受到珊瑚“超过其他任何生物的矿物质创造能力”的启发,也出于对传统水泥制法污染问题的担忧,斯坦福大学教授布伦特·康斯坦茨开始研究珊瑚的自然形成过程。他希望找到一种方法,使科学家得以模仿珊瑚形成的过程,用更环保的方式制造水泥。

康斯坦茨在加利福尼亚的蒙特利海湾建立了一座示范工厂。在这里,它可以捕捉并在海水中溶解二氧化碳,并以此制造碳化钙。制成的碳化钙已成功地用于制造水泥。

这一发现对于环境来说无疑是一大喜讯。用康斯坦茨的方法制造水泥不仅没有任何二氧化碳污染,而且可以吸收并使用二氧化碳。这一发现在应对全球二氧化碳排放量上升和气候变化问题方面有着巨大的潜力。

译者:李杨

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