師法自然：仿生學(xué)的奇妙世界

趙洋

火星和深海魚類有關(guān)系嗎？這兩樣看似遠(yuǎn)隔十萬八千里的事物卻通過一門叫“仿生學(xué)”的學(xué)科建立了聯(lián)系。2014年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）公布了下一代宇航服的三種設(shè)計(jì)方案，其中一款宇航服叫作“海洋”，其靈感來自海底世界，宇航服的仿生照明線模仿深海魚類的表皮設(shè)計(jì)而成，電子光使宇航員在微光條件下也能夠被看到。新一代宇航服將在模擬火星的環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，還會(huì)在模擬太空失重環(huán)境的訓(xùn)練水池中考驗(yàn)其密封性能。

1960年，美國(guó)學(xué)者J. E.斯蒂爾首先提出了仿生學(xué)的概念。仿生學(xué)是指人類模仿生物結(jié)構(gòu)與功能，發(fā)明新技術(shù)的科學(xué)。這是一門只有短短半個(gè)世紀(jì)歷史的新興邊緣學(xué)科，但仿生學(xué)的實(shí)踐卻可以追溯到人類的黎明時(shí)期。

臨摹自然

自古以來，大自然就是人類各種發(fā)明的源泉。生物在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過程中，為了求得生存與發(fā)展，逐漸具備了適應(yīng)自然界變化的本領(lǐng)。這些形態(tài)各異、功能萬千的生物不斷吸引著人們?nèi)ビ^察和模仿。

早在中國(guó)古代，就有以技術(shù)模仿生物的事例。相傳在五千多年前，就有人模仿鳥類在樹上營(yíng)巢而建窩棚，以防御猛獸的傷害，并得名“有巢氏”;四千多年前，我們的祖先“見飛蓬轉(zhuǎn)而知為車”，就是說，見到隨風(fēng)旋轉(zhuǎn)的飛蓬草而發(fā)明輪子，并做出了帶輪子的車。

中華先民對(duì)于鳥類飛行的探索可謂史不絕書。兩千多年前，中國(guó)人就發(fā)明了風(fēng)箏，并將其用于軍事通信。東周時(shí)，匠人魯班研制出能飛的木鳥;相傳，他還從草葉的齒形邊緣中“悟”到了鋸的原理，堪稱仿生達(dá)人。西漢時(shí)期，有人用鳥的羽毛做成翅膀，從高臺(tái)上飛下來，希望模仿鳥的飛行。唐朝的韓志和，“善雕木作鸞、鶴、鴉、鵲之狀，飲啄動(dòng)靜與真無異，以關(guān)戾置于腹內(nèi)，發(fā)之則凌云奮飛，可高達(dá)三丈至一二百步外，始卻下。”

在西方，模仿生物的發(fā)明行為與注重觀察和實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)結(jié)合起來，在科技進(jìn)步的過程中大放異彩。達(dá)·芬奇自30歲起用了二十多年時(shí)間研究鳥類的飛行，完成了《論鳥的飛行》手稿，論述鳥的飛行原理。19世紀(jì)初，英國(guó)科學(xué)家凱利深入地研究了飛行動(dòng)物的形態(tài)，尋找最具流線型的結(jié)構(gòu)。他模仿鳥翼設(shè)計(jì)的機(jī)翼曲線，與現(xiàn)代飛機(jī)機(jī)翼截面曲線幾乎完全相同。俄國(guó)科學(xué)家茹可夫斯基在研究鳥類飛行的基礎(chǔ)上，提出了航空動(dòng)力學(xué)理論。美國(guó)的萊特兄弟仔細(xì)觀察和分析鴿子的飛行，于1903年成功地進(jìn)行了第一架有動(dòng)力、可操縱的載人飛機(jī)的飛行試驗(yàn)。正是通過對(duì)鳥類飛行的一系列的模仿與升華，人類終于找到了飛行的關(guān)鍵所在。

1680年，意大利發(fā)明家博列里通過觀察魚類，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)魚能依靠鰾的膨脹與收縮來調(diào)節(jié)身體的比重，自如地在水里下沉或上浮。依照魚鰾的工作原理，博列里制造出了一艘潛水艇，艇內(nèi)裝有一個(gè)由皮革制成的潛水袋，利用從皮革袋中排水或注水來控制潛水艇的沉浮。這是最早的潛水裝置。

1865年，法國(guó)園藝師約瑟夫·莫尼埃發(fā)現(xiàn)植物根系在松軟的土壤里互相交叉、盤根錯(cuò)節(jié)，形成一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將土壤抱成團(tuán)。莫尼埃從植物根系的這個(gè)現(xiàn)象中得到啟示：如果在做水泥花壇時(shí)，在混凝土里先加上一些網(wǎng)狀的鐵絲，就可以使花壇抗拉強(qiáng)度增加，更加結(jié)實(shí)。實(shí)驗(yàn)證明，這個(gè)想法不但可行，而且效果很好。這種花壇的構(gòu)造便是現(xiàn)代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的雛形。

時(shí)間轉(zhuǎn)到20世紀(jì)末，日本的新干線高速列車進(jìn)行升級(jí)之后，時(shí)速提升至320公里，但新問題隨之而來——如此之高的速度導(dǎo)致列車的噪音超出了環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)列車駛出狹窄的隧道時(shí)，粗短的子彈型車頭會(huì)擠壓前方的空氣，產(chǎn)生刺耳的音爆。為解決這個(gè)問題，工程師們從翠鳥的喙上找到了靈感。翠鳥流線型的長(zhǎng)喙從尖端到頭部的直徑是逐漸增大的，入水時(shí)會(huì)讓水流向身后，很少濺起水花。通過將子彈頭列車的車頭部分改造成翠鳥鳥喙的形狀，工程師成功開發(fā)出新型列車，并于1997年投入使用。這種列車不僅噪音較低，而且行駛速度提高了10%，電能消耗減少了15%。

超越形態(tài)模仿

仿生學(xué)的意義并不局限于對(duì)形態(tài)的模仿。它的核心價(jià)值是理解自然界運(yùn)作的模式及背后邏輯，并巧妙地采用它們來解決實(shí)際問題。

現(xiàn)代田徑比賽中的起跑技術(shù)分為站立式和蹲踞式兩種，現(xiàn)代短跑運(yùn)動(dòng)中最好的起跑技術(shù)是蹲踞式。蹲踞式起跑也要?dú)w功于仿生學(xué)。1888年，澳大利亞短跑運(yùn)動(dòng)員舍里爾在觀察黑尾沙袋鼠的奔跑時(shí)發(fā)現(xiàn)，它們?cè)谄鹋芮翱偸窍葟澢眢w，腹部幾乎貼著地面，然后靠其強(qiáng)有力的后腿一蹬，便高速奔跑起來。舍里爾由此受到啟發(fā)，模仿黑尾沙袋鼠的起跑姿勢(shì)，并結(jié)合短跑運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，發(fā)明了蹲踞式起跑，極大地提高了自己的短跑成績(jī)。1896年，美國(guó)運(yùn)動(dòng)員伯克在100米跑決賽中采用了這一戰(zhàn)術(shù)，奪得金牌。此后，蹲踞式起跑技術(shù)風(fēng)靡全球，改變了現(xiàn)代短跑運(yùn)動(dòng)。

不僅田徑運(yùn)動(dòng)受益于仿生學(xué)，自由泳技術(shù)也是人類從魚類那里學(xué)來的。20世紀(jì)初，英國(guó)一位著名游泳家吸取鯖魚游泳只擺尾、不搖頭，魚身只會(huì)側(cè)向擺動(dòng)的特點(diǎn)，把以往兩腿蹬水動(dòng)作改為類似鯖魚尾部運(yùn)動(dòng)的兩腿上下交替打水動(dòng)作，并靠雙臂從體側(cè)輪流劃水，產(chǎn)生了最初的自由泳泳姿。

2000年悉尼奧運(yùn)會(huì)時(shí)，運(yùn)用仿生科技研發(fā)的連體鯊魚皮泳裝改變了世界泳壇的格局，過半的金牌得主都是鯊魚裝的使用者。第一代鯊魚皮泳裝模仿了鯊魚的皮膚，在泳衣上設(shè)計(jì)了一些細(xì)微的粗糙齒狀突起，以有效地引導(dǎo)水流，并收緊身體，避免皮膚和肌肉的顫動(dòng)。第二代鯊魚裝又加入了一種叫作“彈性皮膚”的材料，可使人在水中受到的阻力減少4%。此外，還增加了兩個(gè)附件——附在前臂上由鈦硅樹脂做成的緩沖器能使運(yùn)動(dòng)員游起來更加輕松，附在胸前和肩后的振動(dòng)控制系統(tǒng)能幫助引導(dǎo)水流。體驗(yàn)過鯊魚皮泳衣的運(yùn)動(dòng)員興奮地說：“感覺就像從山頂向下游！”

鯊魚不僅給了人們泳衣的靈感，人類還從鯊魚尾部的動(dòng)作中受到啟發(fā)，設(shè)計(jì)了收集波浪能的機(jī)器。有能源企業(yè)正在考慮如何利用鯊魚的熱電能力，將溫差轉(zhuǎn)變?yōu)殡姴ㄐ盘?hào)。

模仿動(dòng)物微觀結(jié)構(gòu)的服裝不止鯊魚皮泳衣一種。倫敦科學(xué)博物館曾展出過用結(jié)構(gòu)生色纖維材質(zhì)制作的裙子。乍看起來，這條裙子并無特別之處。但看上去微微發(fā)亮的鈷藍(lán)色面料其實(shí)完全沒有經(jīng)過染色，這是光線在多層結(jié)構(gòu)的纖維上折射、反射產(chǎn)生的效果。

這種材質(zhì)的設(shè)計(jì)靈感來源于南美洲藍(lán)閃蝶翅膀上的絢麗光澤。藍(lán)閃蝶的翅膀本身并沒有顏色，其鱗片的細(xì)微結(jié)構(gòu)是由多層立體的柵欄構(gòu)成的，類似百葉窗，但遠(yuǎn)比百葉窗復(fù)雜。當(dāng)光線照到翅膀上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生折射、反射和繞射等光學(xué)現(xiàn)象，在人們眼中便呈現(xiàn)藍(lán)、綠、紫等帶有金屬光澤的色彩。這種模擬蝴蝶翅膀微觀結(jié)構(gòu)的纖維，避免了化學(xué)染料染色對(duì)環(huán)境造成的污染。

生物學(xué)家在研究蝴蝶體表形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，有一種蝴蝶體表覆蓋的細(xì)鱗片能隨外界溫度升降而張合，以保持體溫正常。航天專家們注意到了這一生物功能特性，試圖以仿生學(xué)方法解決一個(gè)航天難題。在軌道上運(yùn)行的人造衛(wèi)星相對(duì)太陽的角度時(shí)刻都在變化，衛(wèi)星上的溫度也隨之急劇升降。為了不使衛(wèi)星內(nèi)部?jī)x器燒壞或凍壞，必須采取溫控措施，其中一種控溫系統(tǒng)與蝴蝶調(diào)節(jié)體溫有異曲同工之妙。它的外形像百葉窗，每扇葉片正反兩面輻射散熱能力不同，所采用的特殊裝置能使葉片隨溫度升降而張合。這是仿生學(xué)在高技術(shù)領(lǐng)域的成功應(yīng)用案例之一。

或許，最有趣的生物功能模仿非蛻皮衣服莫屬。倫敦藝術(shù)大學(xué)學(xué)生凱蒂·萊杰從蛇的蛻皮特性中受到啟發(fā)，設(shè)計(jì)出一系列可逐層剝棄的服飾。據(jù)統(tǒng)計(jì)，平常每洗一次衣服，需要消耗40加侖水和5.5千瓦電力。凱蒂·萊杰考慮如何盡量減少洗滌次數(shù)以節(jié)約水電時(shí)，想起了蛇蛻皮的例子，于是，據(jù)此設(shè)計(jì)出能隨著逐層蛻棄而改變顏色或款式的衣服。根據(jù)她的設(shè)計(jì)模型，每套衣服由三到八層天然纖維織物構(gòu)成，每層織物之間用無毒、可溶于水的高分子聚合膠粘連。只需噴上水，衣服的最外層便能輕松剝離，并且可以作為垃圾自然降解;被剝離出來的局部也可以作為另一件衣服的配件重新組合使用。

由此可見，人類對(duì)自然的仿生絕不是簡(jiǎn)單的臨摹，而是依據(jù)人類的認(rèn)知和工程與技術(shù)的需要對(duì)自然主動(dòng)的同化和建構(gòu)，即所謂的“神似”。

機(jī)器動(dòng)物

麻省理工學(xué)院的仿生學(xué)專家羅德尼·布魯克斯教授說：“動(dòng)物身上確實(shí)有一些很好的結(jié)構(gòu)，研究動(dòng)物是為了獲得更好的設(shè)計(jì)靈感。從純粹的工藝學(xué)角度來說，我們可以提出許多更精明的構(gòu)思。”

可以證明這種研究尤為有用的領(lǐng)域是海洋動(dòng)物的構(gòu)造。雖然魚類在以直線行進(jìn)時(shí)比螺旋槳傳動(dòng)的船只要慢，但魚類在行進(jìn)過程中的急轉(zhuǎn)彎以及在從靜止到前進(jìn)時(shí)的加速度是無與倫比的。1.5億年的進(jìn)化使得魚類對(duì)水下環(huán)境適應(yīng)能力很強(qiáng)，它們能夠以高達(dá)10G的加速度加速（是航天飛機(jī)起飛時(shí)加速度的兩倍多），并能在不到自身長(zhǎng)度一半的距離內(nèi)全速轉(zhuǎn)彎。而且，魚類利用能量的方式比任何人造船舶所都有效得多。

通過對(duì)魚類游泳方式的研究，上世紀(jì)末，麻省理工學(xué)院研制出了世界上第一條能夠自由游動(dòng)的機(jī)器魚。它大部分是由玻璃纖維制成，上覆一層鋼絲網(wǎng)，最外面是一層合成彈力纖維。尾部由彈簧狀的錐形玻璃纖維線圈制成，從而使這條機(jī)器魚既堅(jiān)固又靈活。一臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)為這條機(jī)器魚提供動(dòng)力。

機(jī)器魚為研究人員解開海洋生物之謎提供了一個(gè)新的角度。魚類似乎沒有足夠的肌肉力量供它們快速游動(dòng)，這個(gè)謎被稱為格雷悖論。但是現(xiàn)在的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，即使是機(jī)器魚稍顯笨拙地像魚那樣游動(dòng)也能夠游得更快。這表明，格雷悖論的一個(gè)解答方案可能會(huì)獲得證實(shí)——魚類以左右兩側(cè)擺動(dòng)尾部的基本游動(dòng)方式減少了自身的流體阻力，從而可以獲得更快的速度。

動(dòng)物如何行動(dòng)以及它們?yōu)楹尉哂歇?dú)特的行為，是科學(xué)家們開展仿生學(xué)研究的另一個(gè)巨大動(dòng)力。仿生學(xué)家強(qiáng)調(diào)說，他們并不是不加區(qū)別地模仿動(dòng)物，而是設(shè)法找出動(dòng)物能夠發(fā)揮巨大作用的某些特定的身體結(jié)構(gòu)，然后再把這些結(jié)構(gòu)融合到現(xiàn)有技術(shù)中來。

在未來某一天，當(dāng)將軍站在沙盤前布置作戰(zhàn)方案時(shí)，一只蚊子可能會(huì)在你周圍拍動(dòng)著翅膀發(fā)出怪異的嗡嗡聲。這時(shí)就要當(dāng)心了，因?yàn)樗芸赡苁侵弧伴g諜蚊”。目前，美國(guó)軍方正在利用仿生學(xué)原理研制此類微型飛行器，用來刺探敵情、偵察地形以及拍攝照片。

早在2007年，在一次反戰(zhàn)示威活動(dòng)上空，盤旋著一群怪誕的飛行物，這招致人們對(duì)美國(guó)政府涉嫌秘密研發(fā)昆蟲無人機(jī)的指責(zé)。官方的否認(rèn)以及昆蟲學(xué)家有關(guān)它們實(shí)際是蜻蜓的說法，都未能平息人們的猜測(cè)。2008年，美國(guó)空軍揭開了昆蟲狀微型間諜飛機(jī)的神秘面紗，聲稱它們“微小如大黃蜂”，難以被發(fā)現(xiàn)，并可飛入建筑物中進(jìn)行拍照、錄音，甚至對(duì)恐怖分子進(jìn)行攻擊。

研究表明，基于昆蟲結(jié)構(gòu)力學(xué)可以設(shè)計(jì)出微型飛行器，在戰(zhàn)場(chǎng)上空盤旋，執(zhí)行偵察任務(wù)。科學(xué)家們從那些經(jīng)過千萬年進(jìn)化具備了完美飛行條件的動(dòng)物身上獲得了啟發(fā)。長(zhǎng)期以來，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究項(xiàng)目局一直在研發(fā)納米-仿生微型無人機(jī)。研究人員現(xiàn)在研發(fā)出的仿生無人機(jī)，有類似昆蟲的復(fù)眼、蝙蝠的耳朵、鳥的翅膀，甚至還有蜜蜂的絨毛，以感知生物、化學(xué)和核武器的蹤跡。

2011年，美國(guó)航空環(huán)境公司推出一款名為“納米蜂鳥”的撲翼式無人機(jī)，堪稱仿生機(jī)器人的典范之作。該無人機(jī)外形酷似蜂鳥，長(zhǎng)僅16厘米，重量不及一節(jié)5號(hào)電池。“納米蜂鳥”無人機(jī)的翅膀像紙一樣纖薄，每秒鐘能拍打20-40次。通過改變翅膀的角度和形狀對(duì)飛行姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，它在空中的盤旋時(shí)間能超過11分鐘。這只小巧的“蜂鳥”身上安裝有微型攝像機(jī)和遙控裝置，可以從窗戶或其他小開口飛進(jìn)飛出，可用于室內(nèi)外偵察。它在空中十分穩(wěn)定，即使在強(qiáng)風(fēng)中也具有良好的操控性。

此外，美國(guó)還研制出了一種“納米蜻蜓”。這種無人機(jī)翼展僅有5厘米，最高飛行速度為每秒15米，可以連續(xù)飛行15分鐘。機(jī)上安裝有電子元件、電池、攝像機(jī)、控制器等。

目前，大多數(shù)昆蟲無人機(jī)的尺寸為10厘米左右，下一步將向毫米量級(jí)發(fā)展。由于體積小，昆蟲無人機(jī)有很好的隱蔽性和機(jī)動(dòng)性。它最適于在室內(nèi)、市區(qū)或野外小范圍進(jìn)行偵察;可用于通信中繼、生化控測(cè);成千上萬的昆蟲無人機(jī)形成“云團(tuán)”，可實(shí)施極為有效的電子干擾，還可以攻擊可載人的飛行器及其他目標(biāo)。美國(guó)軍事理論家利比奇甚至認(rèn)為，此類微型飛行器會(huì)改變未來的戰(zhàn)爭(zhēng)模式。將昆蟲無人機(jī)用于氣象數(shù)據(jù)收集、環(huán)境研究、交通控制等方面，可大大減少開支。微型飛行器和微型水下航行器的發(fā)展，在未來國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)建設(shè)等方面將起到至關(guān)重要的作用，正在世界范圍內(nèi)引起極大的關(guān)注。

仿生學(xué)的未來

電腦試圖模擬人腦，技術(shù)也一直在模擬自然。我們可以通過研究電鰻如何避免電擊自己來學(xué)習(xí)絕緣，也可以學(xué)習(xí)軟體動(dòng)物如何使用殼里的二氧化碳，將大氣中的二氧化碳儲(chǔ)存在建筑材料中。納米比亞的一種甲蟲可能會(huì)啟發(fā)我們?cè)鯓釉诟珊档沫h(huán)境中從霧中提取水。生物學(xué)家系統(tǒng)地觀察并研究植物和動(dòng)物已有幾個(gè)世紀(jì)，但是，他們很少可以將這些發(fā)現(xiàn)傳達(dá)給其他領(lǐng)域的科學(xué)家和發(fā)明家。現(xiàn)在，將人類技術(shù)與自然創(chuàng)造相結(jié)合的需求日益緊迫。

1997年，科學(xué)家珍妮·班娜斯出版了一本名為《仿生學(xué)：自然啟發(fā)的創(chuàng)新》的書。在這本書中，她主張仿生學(xué)的最主要應(yīng)用應(yīng)該是“結(jié)束對(duì)自然的摧毀”。班娜斯認(rèn)為仿生有三個(gè)層次：形式、過程和生態(tài)系統(tǒng)。未來的仿生將是人造技術(shù)生態(tài)對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的模擬。自工業(yè)革命以來，傳統(tǒng)制造業(yè)不僅產(chǎn)生大量有毒物質(zhì)和垃圾污染了環(huán)境，而且還耗費(fèi)大量能源，對(duì)自然造成巨大傷害。班娜斯認(rèn)為，依靠仿生學(xué)進(jìn)行的工業(yè)設(shè)計(jì)將帶來一場(chǎng)新的工業(yè)革命，因?yàn)樽匀唤缋锏摹霸O(shè)計(jì)”一定是環(huán)保、低能耗和節(jié)約的。

根據(jù)一份調(diào)查報(bào)告，仿生學(xué)領(lǐng)域未來將進(jìn)入一個(gè)急劇發(fā)展階段。到2025年，美國(guó)每年因仿生學(xué)產(chǎn)生的GDP可達(dá)3000億美元，創(chuàng)造160萬個(gè)工作機(jī)會(huì);每年能節(jié)約價(jià)值500億美元的能源。從另一個(gè)角度講，我們可以想一想已經(jīng)有多少生物物種因?yàn)槿祟惢顒?dòng)而滅絕，它們中可能蘊(yùn)含著多少尚未被人類認(rèn)知的奇妙形態(tài)與功能。對(duì)仿生學(xué)巨大潛力的渴求，最終或許會(huì)促使我們下定決心，來保護(hù)大自然中不可替代的生物資源。【責(zé)任編輯：楊 楓】