自潔技術的研發靈感：從動物的毛發得來

可以觀察到當一只蒼蠅落在餐桌上，它做的第一件事居然是清潔自己，而且是非常非常地小心。雖然我們看不見覆蓋在動物的表面上灰塵、花粉以及隱藏著那些如果不及時處理就會進入其身體的螨蟲。

保持清潔是一個至關重要的。所有的動物，包括我們人類，都非常重視清潔。每年，我們都會花一整天的時間來沐浴，此外我們也會花上兩周時間打掃房子。清潔已成為生活必需，就如同飲食、呼吸和繁衍一樣。

然而，對于清潔的研究卻很少被關注。

最近，《實驗生物學》雜志上發表了一篇論文，研究人員討論了在自然中動物的清潔是如何進行的，以及動物是否遵循越來越干凈的規律。觀察來自數以百計動物的毛發顯微圖像來統計其數量和尺寸，并且閱讀近百篇關于自然界清潔的文章，以試圖梳理清潔的過程。

推理是科學研究的重要的一步，對于工程技術而言也是很有必要的。研究更好的清潔途徑將不僅讓我們了解那些不起眼的蒼蠅的習性，也是為了能打造新型的清潔設備，以更長久地保持清潔。

毛發大大增加了體表面積

為了研究動物是如何清潔的，首先必須了解他們是如何弄臟的。臟東西積聚在動物外表就像其真實生活的情形。測量動物的表面積不會像測量紙箱尺寸那樣容易。大多數動物，從蚊子到大象都有毛發覆蓋。除了生物體皮膚外，毛發進一步擴大了污垢積累的表面積。

我們發現，通常情況下，毛發會明顯增加動物表面積百倍，最終導致貓會有一個乒乓球桌大小的表面積，南美洲栗鼠有一輛SUV大小的表面積，海獺具有曲棍球場大小的表面積，我們人類頭上有100000根頭發。其他動物的毛發的數量是也相當驚人的：一只蝴蝶有1000億根毛發，是海貍的10倍以上，一只蜜蜂絨毛的數量相當于300萬個松鼠的。

此外，在動物身上有許多同我們人類相似的頭發的同時。動物還具刺、剛毛、鱗片，可以明確的是，毛發增加了身體的表面積使清潔更為糟糕。試想一下，你是喜歡干凈、油漆地板還是粗毛地毯呢？

毛發又可視作一種清洗裝置

為了清潔身體，幾乎所有的昆蟲都長有毛腿，毛腿如同一款羽毛除塵器。觀察腿與體毛之間的運動，我們發現了體毛具有令人吃驚的功能。我們用高速攝像機觀察到果蠅用腿清潔它的頭部，讓附著在體毛上的微粒產生有近1000倍重力加速度，遠遠快于果蠅四肢移動速度。果蠅的絨毛從最初作為灰塵的著陸墊，通過與毛腿之間的移動而觸發變成一個個拋射器。

有效的清潔不只是像設計好用的清潔工具那樣簡單，比如清潔刷。也能夠設計出有利于清理的表面。通常這些表面就本質而言是對想象力挑戰。

我們定義了兩個主要的清潔原則。第一種是不可再生清洗策略——它使用動物自身的動力源。比如說，這類似于吸地毯需要動力驅動刷子。

另一種例子并沒有使用清潔工具，例如一只濕狗的抖動，而是利用身體自身的慣性。濕狗在高速旋轉它的身體時，就像一臺具有旋轉周期洗衣機。微粒和水滴被甩出，這一過程消耗的是狗的體能。

另外，還有一種再生清潔策略——那些不需要消耗動物的體能的。比如說睫毛，它環繞在眼睛周圍，當我們朝前走，與裸露的眼睛相比，由睫毛所產生的氣流會減少微粒積累的兩倍。所以簡單地通過長睫毛，利用經常半眨眼，就可以節約能量為他用。另一個例子是蟬翼上的納米柱狀結構，水滴會連同微粒從動物的皮毛滾落，讓它像荷葉一樣干凈。

表面+能量+行為=潔凈

動物如何實現清潔其實是它的表面，它的行為，以及環境所提供的能量之間相互作用。如果有合適的表面，動物得到不用費力地清潔。如果我們有這樣的想法，也許我們可以設計出新設備，也達到這樣的清潔。

太陽能電池板就像眼睛一樣必須讓陽光射入。但太陽能電池板每年由于灰塵積累會損失7%的電能。最高科技解決方案是橡膠清潔器。很難想象，計算機時代使我們能夠與數光年前的先祖交流，但我們的清潔方法仍停留在過去。

設想將太陽能電池板設計成昆蟲的眼睛。放置的微絲可以阻止面板上的塵埃，但光線仍可以穿過。使用這種刷子，清潔面板將會變得簡單。就像昆蟲那樣，面板可以不使用純水或化學物質就清洗干凈。同樣，像機器人的眼睛一般的攝像機可以通過在邊緣鑲嵌睫毛來減少灰塵沉積。工程昆蟲眼項目，主要研究合成毛發系統已成為了美國國家科學基金會資助課題。

我們通常會設想未來機器人會有光滑而閃亮的外表，像一部金屬戰車。但事實上，光滑的表面設計并非常態。未來的桌面可以是納米級柱狀材料的延伸，可以直接殺死接觸的細菌。機器人感知環境的探測器可能會覆蓋著毛發，可以阻止灰塵便于清理。相信未來可以看到相當多不同種類的毛發。