九大仿生應(yīng)用：翠鳥嘴巴幫日本新干線降噪

對(duì)于設(shè)計(jì)中的優(yōu)雅和高效，自然界永遠(yuǎn)是我們學(xué)習(xí)的對(duì)象。和我們現(xiàn)有的技術(shù)相比，大自然在解決一些關(guān)鍵問題時(shí)采用的方法常常比我們的更高效，更長(zhǎng)久，可自我維持并且一般也更加可靠，更加敏捷，更加輕便。

工程師們希望從大自然的鬼斧神工中尋找啟示，于是仿生學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。這門學(xué)科擁有悠久的歷史，至少在15世紀(jì)時(shí)就已經(jīng)出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)達(dá)芬奇曾解剖鳥類，試圖以此為藍(lán)本設(shè)計(jì)一種“飛行機(jī)器”。以下列舉一些得益于自然界啟示的工程應(yīng)用實(shí)例：

1.翠鳥和新干線

日本的工程師們成功地制造出了新一代新干線列車，其運(yùn)行時(shí)速超過320公里，但是當(dāng)列車高速行駛時(shí)其產(chǎn)生的噪音超過了環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，這是由于列車高速通過狹窄的車道時(shí)將產(chǎn)生音爆效應(yīng)。

這一問題的一部分原因是列車的車頭是子彈型，因此它會(huì)“推擠”前方的空氣而非“切穿”過去。為了解決這個(gè)問題，工程師們從翠鳥的嘴巴上得到了靈感，這種鳥類在沖向水中捕魚時(shí)只會(huì)濺起很少的水花。

觀察發(fā)現(xiàn)，翠鳥擁有一個(gè)流線形的長(zhǎng)長(zhǎng)鳥嘴，其直徑逐漸增加，以便讓水流順暢向后流動(dòng)。通過仿生學(xué)設(shè)計(jì)，工程師們對(duì)子彈車頭進(jìn)行重新改造，西日本鐵路公司制造出了500系列列車，并于1997年投入使用。實(shí)踐證明這種列車的車速比起原有設(shè)計(jì)提升了10%，而電力消耗降低了15%，而噪音水平也有了顯著下降。

2.和樹木一樣強(qiáng)健

樹木和骨骼都擁有相對(duì)較輕卻高強(qiáng)度的特征。為了使應(yīng)力均勻分布，樹木會(huì)在最重要的受力點(diǎn)增加重量，而骨骼會(huì)在不需要的地方去除不必要的物質(zhì)以便減輕整體重量。工程師們從樹木和骨骼的結(jié)構(gòu)中得到啟發(fā)，將靈感運(yùn)用到軟件設(shè)計(jì)中，以便實(shí)現(xiàn)減重并增加材料表現(xiàn)水平。

梅賽德斯公司推出的一款概念車設(shè)計(jì)采用了輕質(zhì)骨架，便是從樹木和骨骼結(jié)構(gòu)中得到了靈感。盡管這款名為“Bionic”的低排量汽車從未投入大批量生產(chǎn)，但是該公司確實(shí)將這些理念運(yùn)用到了之后的多款量產(chǎn)型汽車設(shè)計(jì)中。

3.可彎折、可自我修復(fù)的混凝土

我們的身體如果受傷出血，我們可能需要護(hù)創(chuàng)膏，但那已經(jīng)算是比較嚴(yán)重的劃傷了。我們體內(nèi)的血液循環(huán)系統(tǒng)會(huì)迅速反應(yīng)，修復(fù)創(chuàng)口。

美國(guó)密歇根大學(xué)的科學(xué)家們從這一點(diǎn)得到靈感 ，設(shè)計(jì)出了能自我修復(fù)劃痕的混凝土。他們采用特殊的微纖維，而不是傳統(tǒng)使用的粗糙砂石來用于水泥的加固。加入了微纖維的混凝土即便在彎折的情況下也只會(huì)出現(xiàn)頭發(fā)絲粗細(xì)的細(xì)微裂縫，而不是破壞性的大裂縫。并且更妙的是，一旦出現(xiàn)裂口，其豐富的纖維便會(huì)從周遭空氣中吸收水汽，從而使“創(chuàng)口”變得柔軟，并逐漸“愈合”，修復(fù)裂隙。與此同時(shí)，水泥中的鈣離子也會(huì)從空氣中吸收水汽和二氧化碳，生成碳酸鈣，這是貝殼的化學(xué)成分。經(jīng)過這樣一些列自發(fā)的修復(fù)和再加固過程，彎折后的混凝土結(jié)構(gòu)牢固如初。

盡管現(xiàn)在這種具備自我修復(fù)功能的混凝土價(jià)格相當(dāng)于普通混凝土的3倍，但是從建筑壽命和安全性的長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，仍然是一種更加經(jīng)濟(jì)的選擇。

4.像鯊魚那樣對(duì)抗細(xì)菌

很多鯨類和海牛的身上會(huì)長(zhǎng)出藻類甚至藤壺，但是不知道你注意過沒有，鯊魚的身上卻從來不會(huì)出現(xiàn)這種情況。這似乎得益于鯊魚身上一種被稱為“盾鱗”的結(jié)構(gòu)。這是一種軟骨魚類特有的，與牙齒結(jié)構(gòu)近似，由表皮和真皮共同形成的鱗片，這也是鯊魚的皮膚摸上去非常粗糙的原因。

科學(xué)家們根據(jù)鯊魚皮膚的構(gòu)造啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種被稱為“鯊魚”的表面工程設(shè)計(jì)。這種表面結(jié)構(gòu)本身不需借助任何其他手段，其本身便可以阻止細(xì)菌在其表面生長(zhǎng)。一家名為“鯊魚技術(shù)”的公司已經(jīng)將應(yīng)用這種仿生技術(shù)的貼膜銷售給許多需要防菌的用戶，并生產(chǎn)了一些有意義的新型產(chǎn)品，如不會(huì)被細(xì)菌感染的導(dǎo)尿管等等。

5.自動(dòng)水流收集系統(tǒng)

這是一只澳洲刺蜥，它能通過自己身體表面進(jìn)行自動(dòng)集水。當(dāng)夜晚溫度下降時(shí)，露水會(huì)在它身上聚集并通過毛細(xì)作用自動(dòng)流向它的嘴里。

如果我們能設(shè)計(jì)出類似這種高效的被動(dòng)集水系統(tǒng)，它將幫助全球數(shù)百萬飲水困難的民眾脫離困境。

6.像蚊子那樣扎針

不管過后有多么其癢難耐，你會(huì)發(fā)現(xiàn)蚊子在咬人時(shí)你是不怎么疼的。蚊子的口器接觸人體的方式可以使它觸發(fā)盡可能少的皮膚神經(jīng)，從而減少疼痛反應(yīng)。

在對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行的滲入研究中，日本關(guān)西大學(xué)的工程師們制造出了一種細(xì)微的，根據(jù)蚊子口器仿生制成的鋸齒形針尖。和傳統(tǒng)的圓柱狀針管不同，在中央針尖的旁邊還設(shè)置了兩條細(xì)微的外側(cè)鋸齒條，極大地降低扎入人體的痛楚。

7.全天然空調(diào)系統(tǒng)

白蟻會(huì)建造這樣巨大的巢穴系統(tǒng)，但是在炎熱干燥的非洲草原上，這樣一個(gè)建筑的內(nèi)部卻總是能自己保持恒溫和濕潤(rùn)。不論外界多么潮濕，干旱，高溫或寒冷，對(duì)其內(nèi)部毫無影響。為了做到這一點(diǎn)，白蟻們會(huì)視情況在一天中忙著不停的打開或關(guān)閉不同方向的通風(fēng)口。

在設(shè)計(jì)津巴布韋首都哈拉雷市的東門購(gòu)物中心和辦公大樓時(shí)，設(shè)計(jì)師麥克·皮爾斯(Mike Pearce)研究了白蟻巢穴的結(jié)構(gòu)。其結(jié)果是，東門購(gòu)物中心只需要傳統(tǒng)設(shè)計(jì)10%的能量消耗。這樣形成的節(jié)約使它得以降低租金，從而吸引更多商戶入駐。

8.制造更好的沖浪板

座頭鯨翅膀前側(cè)有一些波紋結(jié)構(gòu)，這幫助這種龐然大物更加優(yōu)雅流暢地在水流中前行。這種結(jié)構(gòu)能夠幫助減少阻力，并幫助座頭鯨“抓住”水流，從而確保它盡管擁有巨大身軀，仍能敏捷行動(dòng)。受此啟發(fā)，沖浪板生產(chǎn)商“流體地球”(Fluid Earth)生產(chǎn)了擁有波紋狀前端的特質(zhì)沖浪板。

9.水下遠(yuǎn)程識(shí)別標(biāo)簽

這種藍(lán)色蝴蝶的翅膀上擁有一種細(xì)微的層狀結(jié)構(gòu)，它能以不同角度反射陽(yáng)光，造成彩虹版炫目的色彩。一家名為Omni-ID的公司受此啟發(fā)，制造了一種無線電頻率ID標(biāo)簽。這種標(biāo)簽可以透過金屬網(wǎng)眼甚至在水下都可以讀出。他們采用一系列精巧的金屬片來聚集和改變?nèi)肷涞臒o線電波，并反射回一個(gè)清晰的信號(hào)，從而可以進(jìn)行遠(yuǎn)程的識(shí)別。