跟著動(dòng)物學(xué)發(fā)明

董陽(yáng)陽(yáng)

大自然不僅為人類提供了生存必須的資源，有的時(shí)候還是向人類傳授設(shè)計(jì)靈感的超級(jí)設(shè)計(jì)師和發(fā)明家。

蒼蠅的復(fù)眼結(jié)構(gòu)啟發(fā)了人類，使人類發(fā)明了一次能拍攝1000多張高清晰照片的蠅眼照相機(jī)。防水自潔產(chǎn)品，來(lái)自于蓮葉效應(yīng)，這些蓮葉表面具有微米級(jí)的突起細(xì)胞，細(xì)胞上又覆蓋著一層納米級(jí)的蠟狀結(jié)晶，這些結(jié)構(gòu)使得蓮葉具有疏水性，出淤泥而不染。事實(shí)上，人們?nèi)〔挠谏锏慕Y(jié)構(gòu)與功能的發(fā)明還有更多。

子彈頭列車與翠鳥(niǎo)

1964年，在東京奧運(yùn)會(huì)開(kāi)幕前，日本推出了世界第一列子彈頭列車，這是當(dāng)時(shí)最快的列車之一，時(shí)速能達(dá)到210千米，當(dāng)時(shí)歐洲火車的最快速度為每小時(shí)160千米，子彈頭列車的成功運(yùn)行，重新推動(dòng)了世界各國(guó)修建高速鐵路的興趣。所以，今天高速鐵路系統(tǒng)如此發(fā)達(dá)，還得感謝日本當(dāng)年的這一發(fā)明。

然而，最初由于這輛列車發(fā)出的巨大噪音遠(yuǎn)超環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，招致大量日本居民投訴。當(dāng)時(shí)車頭是圓形的子彈頭形狀，當(dāng)列車高速駛進(jìn)狹窄的隧道后，車頭周圍的空氣會(huì)“推擠”前方的空氣，從而形成壓力波。在火車駛出隧道的那一刻，壓力波會(huì)撞擊出口外的空氣，發(fā)出一聲巨大的轟鳴聲，在隧道400米開(kāi)外的地方都能聽(tīng)到這種噪音。

根據(jù)日本法律，居住用途區(qū)域附近的噪音不能超過(guò)75分貝，如果解決不了子彈頭列車產(chǎn)生的噪音問(wèn)題，列車只能在經(jīng)過(guò)居民區(qū)時(shí)減速行駛，這顯然非常不方便。然而，怎么解決呢？一種解決方案是改進(jìn)隧道，但這項(xiàng)工程十分浩大，成本過(guò)于高昂。那么只有一種方法：改進(jìn)車頭。

當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)子彈頭列車的工程師也是鳥(niǎo)類觀察員，他想到了翠鳥(niǎo)。翠鳥(niǎo)捕魚(yú)時(shí)，會(huì)從阻力較小的空氣中沖入阻力較大的水中，也會(huì)經(jīng)歷阻力的急劇變化，卻只濺起很小的水花。奧秘就在于翠鳥(niǎo)擁有一個(gè)流線形的長(zhǎng)長(zhǎng)尖喙，越靠近臉部，喙越寬，這樣水流可以順暢地向后流動(dòng)。

借鑒翠鳥(niǎo)喙的形狀，研究者們重新設(shè)計(jì)了車頭，并于1997年投入使用。實(shí)踐證明，改進(jìn)過(guò)的列車車速比起原有設(shè)計(jì)提升了10%，而電力消耗降低了15%，噪音水平也達(dá)到了75分貝的標(biāo)準(zhǔn)。

像魚(yú)群一樣“行駛”

在中國(guó)的高速路上，車速超過(guò)每小時(shí)100千米時(shí)，同車道的車就得保持100米以上的距離，而低于這一車速時(shí)，最小間距要保持在50米以上。然而，在大海中，高速行進(jìn)的魚(yú)群，可不需要這樣。魚(yú)兒們彼此挨得非常近，還會(huì)模仿周圍魚(yú)的動(dòng)作，保持集體同步運(yùn)動(dòng)，它們?cè)趺淳筒粨?dān)心撞車呢？

這是因?yàn)轸~(yú)能憑借長(zhǎng)測(cè)線器管察覺(jué)出周圍水壓的微小變化。這種線型的傳感器非常靈敏，能夠?qū)h(huán)境變化信息，迅速傳遞到中樞神經(jīng)系統(tǒng)，使魚(yú)迅速反應(yīng)。魚(yú)的這項(xiàng)高超本領(lǐng)啟發(fā)了日本科學(xué)家們，他們發(fā)明了叫做EPORO的機(jī)器人。

EPORO機(jī)器人用激光和無(wú)線電波測(cè)量彼此的距離，同時(shí)分享彼此之間的位置信息，能在近距離的高速行進(jìn)過(guò)程中，不與其他機(jī)器人、環(huán)境中的障礙物發(fā)生碰撞，非常靈活。在未來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)還有一個(gè)更大的用途——自動(dòng)駕駛汽車。

全球每年死于交通事故的人數(shù)是130萬(wàn)，除了造成人員傷亡外，道路養(yǎng)護(hù)成本、保險(xiǎn)索賠和應(yīng)急救助服務(wù)還會(huì)花費(fèi)數(shù)十億美元，大多數(shù)交通事故是由于駕駛?cè)瞬僮鞑划?dāng)所引起的。假如將EPORO機(jī)器人的這種技術(shù)運(yùn)用到無(wú)人駕駛汽車上，紅綠燈和路標(biāo)將沒(méi)有存在的必要，而交通事故和交通擁堵發(fā)生的概率也都將大大降低。

鯨魚(yú)的鰭能“發(fā)電”

美國(guó)生物學(xué)家克·費(fèi)什在波士頓的一家禮品店中，看到了一座座頭鯨雕塑，讓這位生物學(xué)家吃驚的是座頭鯨雕塑的胸鰭。胸鰭是魚(yú)鰭的一種，是魚(yú)的游泳器官，相當(dāng)于高等脊椎動(dòng)物的前肢。大部分鯨魚(yú)和其他鯨目動(dòng)物的鰭肢，前緣都是平滑的，這種結(jié)構(gòu)更符合空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，因?yàn)槲矬w表面越光滑，粒子摩擦?xí)叫?，越好通過(guò)。

然而，座頭鯨的胸鰭卻非常不同，其胸鰭長(zhǎng)度達(dá)到6米，相當(dāng)于身體長(zhǎng)度的三分之一，在行進(jìn)過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在座頭鯨的胸鰭上長(zhǎng)著一些叫做結(jié)節(jié)的特殊凸塊，并不光滑，這是為什么呢？

研究者通過(guò)反復(fù)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)座頭鯨凹凸不平的胸鰭其實(shí)可以有效減小阻力，幫助水分子快速通過(guò)。原因就在于魚(yú)鰭前緣的結(jié)節(jié)創(chuàng)造了低壓區(qū)域，導(dǎo)致水或者空氣流過(guò)這個(gè)低壓區(qū)域時(shí)，形成許多小漩渦，這種小漩渦既能減小阻力，也能給座頭鯨提供更多浮力。

受此啟發(fā)，研究者們發(fā)明了鯨魚(yú)鰭葉片，運(yùn)用于風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)?，F(xiàn)在，雖然風(fēng)力渦旋機(jī)遍布世界，為人類提供源源不斷的風(fēng)能，但問(wèn)題也不少。首先其生產(chǎn)效率并不高，而且還會(huì)制造噪音污染，鳥(niǎo)類也會(huì)成為旋轉(zhuǎn)葉片的受害者。而新型的風(fēng)力渦輪機(jī)，渦旋葉片被改造成像座頭鯨胸鰭一樣隆起的結(jié)構(gòu)，既能增加氣流的流動(dòng)效率，又能在強(qiáng)大的氣流中更好地保持穩(wěn)定性，減少噪音污染。

現(xiàn)在，費(fèi)什還建造了一個(gè)“鯨魚(yú)動(dòng)力”工廠，正運(yùn)用這個(gè)原理制造效能更高的船用方向舵、水輪機(jī)和直升機(jī)的旋翼。

蝴蝶啟發(fā)了電子閱讀

電子閱讀器改變了大家的閱讀方式。這些設(shè)備電力持久，存儲(chǔ)量大，方便攜帶，人們不需要去圖書(shū)館，就能閱讀海量書(shū)籍。然而，目前為止，大多數(shù)的電子閱讀器還需要內(nèi)嵌LCD燈發(fā)光，屏幕文字色彩單調(diào)，而且在耀眼的陽(yáng)光下，往往沒(méi)法閱讀。

不過(guò)，現(xiàn)在這些問(wèn)題已經(jīng)迎刃而解。高通推出了一款顯示屏，它不僅可以讓你在陽(yáng)光下閱讀顯示屏，并且屏幕色彩繽紛，能夠充分還原畫(huà)面的顏色。而研究者們的靈感來(lái)源正是蝴蝶。

我們知道蝴蝶的翅膀往往顏色絢爛，但這并不是因?yàn)樗鼈兂岚蛏嫌猩?，而是?lái)自“結(jié)構(gòu)色”。蝴蝶的翅膀鱗片中隱藏著一組納米級(jí)的板狀結(jié)構(gòu)組合，這些板狀結(jié)構(gòu)互相之間嚴(yán)格按照一定間距有序排列，能改變光的波長(zhǎng)，反射出不同顏色的光。高通這款顯示屏的顯示技術(shù)與蝴蝶翅膀上的鱗片結(jié)構(gòu)相同，有兩片相距非常近的反射薄膜，中間有很小的空隙。當(dāng)光線入射后，兩片薄膜間的反射會(huì)隨著空隙大小不同，對(duì)不同波長(zhǎng)的光線產(chǎn)生干涉。最后，只有特定波長(zhǎng)的光才能被反射出，被人眼看到。比如，距離遠(yuǎn)的兩片薄膜會(huì)產(chǎn)生紅色，近一點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生綠色，再遠(yuǎn)一點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生藍(lán)色，更近的話會(huì)是紫外線，對(duì)人眼來(lái)說(shuō)是黑色。

由于能反射自然光，高通這款顯示屏屏幕不僅顏色絢麗，而且不需要經(jīng)常充電，能將液晶屏占整體設(shè)備耗電的比例從50%以上降為僅有6%左右。

壁虎的腳與膠粘劑

1968年，在美國(guó)3M公司工作的工程師史賓塞·席佛試圖研發(fā)一種強(qiáng)力粘劑，最終他發(fā)明了一種粘性非常弱的粘合劑，這種粘合劑能重復(fù)粘貼，還不會(huì)留下痕跡。隨后，另一位3M公司的工程師將這種粘合劑與紙條結(jié)合，第一個(gè)便利貼誕生。

然而，自此之后，粘合劑的技術(shù)并沒(méi)有根本性的進(jìn)步，如何將兩件物品長(zhǎng)久地黏在一起，對(duì)于人類來(lái)說(shuō)依舊是個(gè)難以解答的謎題。不過(guò)，壁虎顯然不會(huì)為這件事頭疼，它們輕松地飛檐走壁，即便物體表面多么光滑，它們也能牢牢黏住。而奧秘就在于它們的腳底有幾百萬(wàn)根次納米級(jí)的細(xì)毛，能操縱負(fù)電子和正質(zhì)子之間的引力，利用分子間作用力粘貼在物體表面。所以壁虎不用用力抓物體表面，并且腳一挪開(kāi)，就能去除粘性。

現(xiàn)在，工程師們利用類似的工作原理，發(fā)明了一個(gè)可控的粘合劑。這個(gè)粘合劑由垂直排列的微小納米管組成，末端還有無(wú)數(shù)彎曲交織在一起的纖維，能起到與壁虎剛毛相似的功能。其粘附性甚至超越了壁虎的腳，每平方厘米達(dá)到100牛頓，是壁虎足部粘性強(qiáng)度的10倍之多，而且也能輕易地從物體表面去除，能夠重復(fù)使用。

現(xiàn)在這一技術(shù)主要用于小型零部件的粘貼，可以在沒(méi)有人在場(chǎng)的情況下，實(shí)現(xiàn)由機(jī)器人進(jìn)行的全自動(dòng)化拼接，工廠將能因此降低成本。

在未來(lái)，還會(huì)有更多的類似發(fā)明，比如反重力靴子，能使人們像蜘蛛俠一樣飛檐走壁。