霧姥甲蟲仿生設計研究初探

李勇平　白玉　趙妍　王偉　劉博文　李樹林

摘要：大自然就是人類最好的老師，人類通過觀察、思維和設計，對身邊的事務進行研究和模仿，通過自己創造性的勞動，制造出不同的工具。本文通過對仿生學歷史發展及日常生活中的應用，進行仿生設計舉例，霧姥甲蟲生水器，總結出人類在大自然中尋找新的思路，仿生學將會為我們的研究搭起橋梁。

關鍵詞：仿生設計;霧姥甲蟲;生水器

1前言

模仿是人類與生俱來的本事。魯班發明鋸子，人們根據魚兒游動發明了船只，還有雷達、電子蛙眼等等。這些都是人們在生產生活中發現、模仿、制造出來的一系列方便生活的工具。人們越來越重視生活中的細節和觀察大自然中的一切，也掀起了一股模仿熱潮，于是便有了仿生學。仿生設計活躍在各個領域，讓人類的生活更加便捷和豐富多彩，提高了人類在自然界中的的地位，解決了人類發展中一系列的問題，促進了社會的發展。

2仿生歷史發展及日常生活中的應用

從古至今，大自然就是人類最好的老師。各種科學技術、原理及重大發明都是人們從自然中學習的。自然界中萬物進化演變，最終適者生存，不適者淘汰。無論是動物還是植物，在悠久的進化過程中，保留和進化出最優越的生存本領。人類生活在自然界中，從周圍的生物的身上，學習到了各種各樣的奇異本領，人類通過觀察、思維和設計，對身邊的事務進行研究和模仿，總結出生物最獨特的本領，并通過我們自己創造性的勞動制造出簡單的工具，更增強了人們與自然界斗爭的本領和能力。

在我國的歷史發展中，有很多模仿生物的例子。祖先們為了防御猛獸的傷害，他們模仿鳥類在樹上營巢。有史書記載，兩千多年前，我國人民就發明了風箏，并且應用于軍事聯絡和娛樂休閑。還有魯國的匠人魯班，他從一種能劃破皮膚的帶齒的草葉上得到啟示而發明了鋸子，給當時的勞動人民帶來了方便。當人們看見生活在水中的魚類，于是古人伐木鑿船，仿照魚的胸鰭和尾鰭制成雙槳和單櫓，從此，人們獲得了水上活動的自由。

在國外，瓦特在一次燒水的經歷中發現，燒開的水可以把水壺蓋推起來，于是，他在不斷的改進和實驗中發明了蒸汽機，從此之后，各種款式的機器被發明創造出來，應用于各種生產，把人類從繁重的工作中解脫出來。隨著技術的進步，機器人被發明出來，模仿大腦的角色，一個控制中心設計出來，處理著成百上千的數字信息，就像人的大腦支配其他器官勞動一樣。

蝙蝠眼睛退化，在夜晚飛行時會發出超聲波，這種聲波傳播很快，當它碰到物體時就會反彈回來，再一次讓蝙蝠接收到以確定物體的位置，從而避免與物體相撞，所以它也能在夜晚中任意飛行。人類就模仿蝙蝠這一本領發明了雷達，現在雷達的用途非常廣泛，比如飛機、航空等領域。

3仿生設計舉例—霧姥甲蟲生水器

水是人們賴以生存的資源，例如沙漠是水資源匱乏的地方，有的地方水質遭到嚴重的污染，無法供人飲用，所以水資源已經成為人類的嚴重問題之一。自然界中存在許多的昆蟲，它們大多體型較小，但是各自都有獨特的生存本領，有些本領的巧妙連人類也自嘆不如。霧姥甲蟲生活在納米比亞沙漠中，它們為了解決自己的飲水問題，適應沙漠環境，進化出了一套完美制水設備。它們利用沙漠晝夜巨大的溫差，在夜晚降低自己外殼的溫度，到了白天如果它們想喝水了就爬上小沙丘，將身體轉向風的方向低下頭，用自己的后腿收集空氣中的小水珠，小水珠遇到低溫的外殼就會凝結成水，不一會兒水就會流入它的嘴里。究其原理，甲蟲是利用溫差將空氣中的水分先凝結成水滴，再由自己外殼上的突起的小丘，將水滴聚集在一起順勢流下，于是，我們有了仿照甲蟲這一特性設計出了仿甲蟲生水器。

霧姥甲蟲仿生生水器，是由太陽能電池板、渦輪機，還有過濾芯，儲水箱四部分組成，本產品操作簡單，只需要將它埋入約兩米的地下中。它首先由太陽能供電帶動渦輪，將周圍空氣吸入機器內部。并且將空氣過濾后進入地下帶有超輕水紋理和超疏水凹槽的銅管內部，地表與地下自然產生的溫度差，空氣中的水蒸氣遇冷液化，變成的水的小水珠沿管道順流而下。最后小水珠通過過濾裝置進入儲水器中。在使用時通過管子將水壓出來。這樣就可以直接飲用。依靠此生水器，在每立方米的沙漠空氣中可以帶來11.5毫升水，而且跟耗能制冷的水分收集裝置不同，它只靠溫差，渦輪機還是太陽能供電，價格低廉，設計靠生物模擬，收集水分靠溫差，供電靠太陽能，利用大自然就可以解決我們平時或在沙漠中特殊情況的生水問題。

4霧姥甲蟲生水器的前瞻性

大自然中的一切生存至今，無一不是因為自身的特殊性，超強的適應力，這本身就是具有的優越性。人類為了適應自然一邊進化一邊模仿。我們雖然不能像魚兒一樣在水中游來游去，但是我們可以模仿它制造出船，承載我們暢游汪洋。并且方便了我們的交通。我們雖然不能像雄鷹一樣翱翔天空，但是我們可以模仿它制造出飛機，帶我們俯瞰世界，如今的飛機，已經應用于交通運輸、貨物轉移、軍事和農業等領域。人類經過模仿，研究制造出的每一種工具，都具有其優越性，因為它們都是進化的結晶，智慧的常產物。

仿甲蟲自動生水機也同樣具有其優越性和前瞻性。目前，世界水資源十分匱乏，人類跨流域調水、海水淡化、興修水利、控制人口、提高水價等方法，以滿足人類對水的應用。小型設施，其主要應用的原理有將水蒸氣壓縮至液化、降溫使水蒸氣液化的方法，實現生水功能。而我們的自動生水機，是將空氣中的水蒸氣液化收集成水，其中是將太陽能轉化為機械能，用來吸收空氣中的水蒸氣，再利用地表上下的溫差將水蒸氣進行液化，再收集到儲水器中進行應用，這其實是一系列的循環轉化，重復利用。其成本低廉，綠色環保，產水效率高，有著很好的發展前景。

5總結

仿生產品也層出不窮，大到人造衛星，小到斑馬線，這些都是人類經過觀察各種生物的功能所研究發明的，現如今，它已經涉及到生活中的方方面面。仿生學的意義在于，自然界中生物進化的結果為我們的發明創造提供參考，演化出生物多樣性為我們的技術方案提供素材。大自然和時間，是最好的設計師，新的創造不會憑空而來，我們只能在大自然中尋找新的思路，仿生學也將會為我們研究生物搭起橋梁，為了祖國經濟和社會的不斷發展，我們將仿生設計發揮到極致，迎接任何的競爭與挑戰。

基金項目：本文是2020年遼寧科技大學大學生創新創業訓練計劃項目的階段性成果，項目編號：202010146383。