葉片變木鋸 竹子變樓宇

王麟

意大利文藝復興時期著名畫家達·芬奇曾經說過：“人類的靈性將會創造出多種多樣的發明，但是他們并不能讓這些發明更美妙、更簡潔、更明朗，因為自然的產物都是恰到好處的。”此言不虛，大自然的鬼斧神工，是我們取之不盡、用之不竭的智慧靈感源泉，將這種智慧和靈感用在人類生活中，促進科技發展，推動社會進步，就是“仿生技術”。我們就從“植物仿生”領域作為切入點，領略一下大自然創造萬物的神奇之處吧。

植物形態仿生不是“東施效顰”

植物仿生研究，是如今的熱門科研領域，那些高聳入云的參天大樹，隨風搖曳的綠竹修篁，亭亭玉立的遮天荷葉，觸碰即合的含羞草，美味多汁的西瓜，都給了科學家和設計師們很多啟發，創造出了功能各異的仿生產品。

·木鋸和車輪·

在春秋時代，魯班被帶齒的植物葉子割破手指，進而迸發靈感，發明出了木工使用的鋸子，這是人類很早以前利用植物進行仿生的例子，稱之為形態設計仿生。除此之外，還有一種叫“飛蓬草”的草本植物，也給了古人以靈感，發明了改變人類運輸方式的車輪。“飛蓬草”是兩年生的草本植物，莖稈挺直，高達60厘米，夏季開花，花朵枯萎之后，從根部斷開，遇風旋轉，酷似哪吒的風火輪。史書中有“見飛蓬轉而知為車”的記載，說明至少在四千多年前，古人受到了飛蓬草的啟發而發明了車輪。

·凌霄花微波收集器·

凌霄花外形酷似銅鐘，又像喇叭，花朵端部敞口膨大，而尾部卻很狹長。這也給了科學家以深刻啟發，設計出了凌霄花形狀的微波收集器。微波收集器闊口窄尾，有很高的靈敏度，可以最大范圍地搜索目標微波，并將微波承載的能量和信息收集起來進行存儲，作為綠色能源，或將其轉換成數字信號，傳播視頻節目，或者留作科研之用。

除了鋸子、車輪和微波收集器等實用工具之外，植物形態仿生絕大多數用在了日用品、裝飾品和其他藝術設計領域。設計師們從多姿多彩的植物外形中獲得靈感，為自己的藝術殿堂增添了很多美妙的造型。

植物結構功能仿生屬于高科技

如果說植物形態仿生只做“表面文章”，那么結構及功能仿生則是貨真價實的高科技。科學家們研究的是植物根莖葉的微米、納米級微觀結構，從分子層面弄清楚植物具備的特殊本領，并為我們所用，進而開發出全新的技術和材料。

·參天大樹隱藏的秘密·

對于熟視無睹的參天大樹，我們很少去關注一個問題，這些大樹為何不能一直無限生長呢？為何樹木不會被自己的自重壓垮呢？前面一個問題涉及到了樹木的生長極限，后一個問題則與樹木的特殊構造有關。

由于樹木屬于“地向性”植物，通過克服地球引力向上生長，當樹木的支撐力與自重達成一種平衡的時候，樹木就停止生長。如果樹木在生長過程有變成歪脖樹傾向，那么偏離的位置會產生高應力，生長出額外的組織，迫使樹木回到正常的位置，這說明樹木有自修復功能，為開發仿生材料提供了有益思路。此外，樹木的年輪結構和木纖維具備優異的力學性能，提高了木材的強度。樹木有著龐大的樹冠，卻依舊屹立不倒，除了木材強度高之外，特殊的樹冠狀支撐結構，造型優雅，傳遞應力路徑短，節點部位應力分布均勻，也給建筑師們以借鑒，廣泛用在了大型建筑物設計中，比如德國的斯圖加特機場航站樓就是典型的樹形結構。

·中空竹子有大材·

修竹苗條，進詩入畫，是文人墨客的最愛，實際上，竹子的實用性要比藝術性更受人歡迎。竹子結構很特殊，屬于由根部向上逐漸遞減的圓錐形空心結構。竹竿每隔幾厘米至十幾厘米，便有一個竹節，由節的橫隔壁組成一個縱橫關聯的整體，對竹竿的剛度和穩定性意義重大。實驗結果顯示，同樣重量和長度的空心物體，要比實心物體更加牢固。帶節的竹竿的抗劈開強度和橫紋拉伸強度與不帶節的竹竿相比，分別提高了128.3%和49.1%。而竹竿的拉伸、彎曲、壓縮等力學性能是沿著竹竿徑向分布的——外層高、中間低，符合用最少的材料發揮最大效用的原理。

竹子這種性能應用廣泛，一是用來制造仿生復合材料，強度比普通材料提高81%；二是可將這種薄壁帶節的結構用在高層建筑設計上，能夠實現功能與結構的完美統一。代表建筑有貝聿銘大師設計的香港中國銀行大廈。

·自潔材料學荷葉·

說荷花“出淤泥而不染”并非溢美之詞，而是荷花的自潔能力非常強大，荷葉上面永遠一塵不染，令人驚奇。經過研究發現，荷葉光滑的表面在高倍顯微鏡下其實凹凸不平，有許多納米級的絨毛和蠟質凸起物。荷葉表面不親水，雨水落在上面，還保持液滴形狀，在下落的時候順道給荷葉打掃了衛生。根據荷葉的自潔性質，可以開發很多自潔材料，廣泛用于生產建筑涂料、服裝面料、廚具面板汽車涂層等產品上面。一勞永逸，節省了大量清洗時間和成本。

自然界的生物經過億萬年的優勝劣汰，在適應險惡環境的過程中，進化出了許多令人目不暇接、甚至拍案驚奇的完美結構。精巧的設計，優異的性能，讓人嘆為觀止。要記得多向大自然學習，少向大自然索取！