当科学遇到自然:我们从鸟类和墨鱼身上学到了什么?

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飞机学习了飞鸟这一点人尽皆知,可你知道吗,莲花或穿山甲曾启发了建筑设计,墨西哥盲鱼为机器人制造提供了灵感。

作者:杨建伟

图片来源:视觉中国

希腊神话里有一个关于鸟的故事:雕塑家代达罗斯在流浪之际来到了克里特岛,一段时间后,因离家太久而想回到家乡希腊,却苦于恐惧克里特岛的国王米诺斯的阻挠迟迟未能动身。后来,代达罗斯决定从空中逃走,便用鸟的羽毛造了两对“翅膀”,用麻线在中间捆住,在末端以蜡封牢,带上儿子伊卡洛斯逃离了克里特岛。途中,伊卡洛斯因飞得太高,“翅膀”上的蜡被太阳融化,最终葬身大海。在对代达洛斯这一故事的种种阐释中,人们常常忘记了他的“发明”,以及他实现了人类的飞翔之梦。

在神话故事之外,人类也一直试图征服天空。在“航空之父”乔治·凯利的动物图集里,许多鸟类成了飞行器模型的原型。例如,...

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飞机学习了飞鸟这一点人尽皆知,可你知道吗,莲花或穿山甲曾启发了建筑设计,墨西哥盲鱼为机器人制造提供了灵感。

作者:杨建伟

图片来源:视觉中国

希腊神话里有一个关于鸟的故事:雕塑家代达罗斯在流浪之际来到了克里特岛,一段时间后,因离家太久而想回到家乡希腊,却苦于恐惧克里特岛的国王米诺斯的阻挠迟迟未能动身。后来,代达罗斯决定从空中逃走,便用鸟的羽毛造了两对“翅膀”,用麻线在中间捆住,在末端以蜡封牢,带上儿子伊卡洛斯逃离了克里特岛。途中,伊卡洛斯因飞得太高,“翅膀”上的蜡被太阳融化,最终葬身大海。在对代达洛斯这一故事的种种阐释中,人们常常忘记了他的“发明”,以及他实现了人类的飞翔之梦。

在神话故事之外,人类也一直试图征服天空。在“航空之父”乔治·凯利的动物图集里,许多鸟类成了飞行器模型的原型。例如,1808年,凯利设计了扑翼机的模型,灵感来自于他在自己府邸用猎枪打下的一只苍鹭——乔治的扑翼机复制了苍鹭的外形和比例。此时,距离第一架悬挂式滑翔机的首次飞行,还有83年。而飞机的面世,则要推到20世纪初了。

纵观人类想象或实践飞行的历史,鸟类在其中扮演了不可或缺的角色——1906年,巴西人阿尔贝托·桑托斯·杜蒙将机身前端装有承重的补充部分,这一从野鸭身上得到的灵感使得“14bis”飞机成功飞越了记录性的220米;1909年,航空先驱伊格·艾特里希借鉴了鸽子的滑翔姿态,造出了自己设计的飞机的机身和机翼......鸟类之外,翅葫芦、鳟鱼、飞鼠等动植物也给飞行家们提供了参考和帮助。滑翔机、飞机等飞行器的诞生与改造,不仅仅证明了人类的飞行离不开对自然的研究与模仿,也是对一门“既古老又年轻”的学科——仿生学的肯定、补充与致敬。

仿生学外文名为“Biosnics”,1960年由美国斯蒂尔根据拉丁文“bios”和字尾“nic”创造而来。“仿生学”是新近产生的词语,但这一学科的历史却并不短暂,早在800年前,中国的宏村就曾仿照牛的消化系统修建了一套水利网络。《美国国家地理》撰稿人玛特·富尼耶为“仿生学”赋予了这样的定义:对生命体的模仿、对自然过程的模仿,目的是创造新的技术或改良已有的技术。2011年,玛特出版了法语原版《当自然赋予科技灵感》一书,从飞行、建筑等领域回顾了仿生学的历史,并从当下仿生学的应用及前景出发,从材料、能源及机器人等领域回答了一个耐人寻味的问题——未来,是属于仿生学的吗?

《当自然赋予科技灵感》[法]玛特·富尼耶 著 潘文柱 译后浪出版公司 · 江西人民出版社 2017年10月

达·芬奇:从鸟身上发现飞行的答案

在意大利艺术家列奥纳多·达·芬奇15世纪的研究与工程计划里,“学习飞行”占据了重要地位。他说:“鸟是一个遵照数学原理运行的工具,人类需要做的,就是造出一台足以复制它每一个动作的机器。”只有以“数学的方式”,即科学的方式来观察动物,才能得到人类飞行的答案。达·芬奇记录下蝙蝠等动物的飞行方式和数据,并致力于扑翼飞行中鸟类翅膀的研究,观察其解剖学构造、羽毛分布及结构。与此同时,对扑翼飞行的好奇还促使他设计了一种由人力推进的飞行器——扑翼机。1485年,达·芬奇完成了扑翼机的初稿:两片巨型翅膀由一个滑轮装置带动,后者则由人力脚踏板提供动力。但问题在于,由于当时过重的材料(超过300kg)及人类肌肉力量所限,扑翼机的飞行只能是“纸上谈兵”。

此后,达·芬奇将精力用于研究掠食性鸟类的飞行上——滑翔飞行。他绘制了人类所知的第一个悬挂式滑翔机的模型,经后世证明具有可操作性。四百余年后,奥托·李林塔尔接过了达·芬奇的交接棒,促成了最初的滑翔机的顺利飞行,但与达·芬奇不同,李林塔尔是从鹳的身上汲取了灵感。自童年起,他便每天花上几个小时观察鹳鸟。鹳在飞行时并不拍打翅膀,这让李林塔尔认识到:最重要的不是懂得飞行,而是懂得滑翔。只要能够像鸟一样精准地操控翅膀的角度,就应该能在飞行中控制方向。为此,他将一块棉布固定在一个由竹子和藤条制成的骨架上,发明了最早的悬挂式滑翔机,并取得了成功——李林塔尔是第一个在飞行中被拍摄下来的人,也是第一个飞得比起飞高度更高的人。结果正如他所说:“飞行的艺术不能也不应该永远拒绝人类。”

从理念到实践,达·芬奇和李林塔尔都贯彻了对生命体和自然过程的模仿,也正符合玛特·富尼耶对“仿生学”所下的定义。

空中的奥托·李林塔尔

埃菲尔铁塔:模仿人类骨骼而建

在人类的建筑史上,1851年伦敦世界博览会的水晶宫、伦敦新滑铁卢火车站和埃菲尔铁塔都是值得一书。人们惊叹于它们精巧复杂的外表和构造,殊不知在设计之初,这些建筑就已与仿生学产生了关联:水晶宫玻璃板的分布的灵感来自于植物王莲,新滑铁卢火车站的设计受到了穿山甲鳞片的启发,而埃菲尔铁塔的巨型骨架设计的实现,则得益于对人类骨架的模仿。

1837年,英国园丁约瑟夫·帕克斯顿培育了一株王莲,帕克斯顿发现,在短短3个月内,这株植物叶子的直径就已超过3.5米,而它的枝干不仅能承受这般巨大的叶片,更能让帕克斯顿4岁的女儿安然无恙地站于其上。根据观察,帕克斯顿发现,王莲的坚实得益于叶脉的密集分布:叶脉从中心散开,从侧面互相连接,由此将叶子分出许多格子,而覆盖这些叶脉的组织并未绷紧,反而是有褶皱的。受此启发,帕克斯顿将玻璃板组合在模仿王莲叶脉的木和铁的架构中,并将玻璃板按睡莲的褶皱放置,一块斜靠着另一块。这样,帕克斯顿成功建立了光线充足、结构坚实的温室“睡莲馆”,也按同样的原理绘出了水晶宫的设计图并得以采纳,水晶宫于是出现在了1851年的世博会上。

伦敦新滑铁卢火车站的设计建造则要感谢穿山甲。当时,该火车站必须要有一个足够大的结构,来迎接陆续抵达的欧洲之星列车,该结构同时还要适应有限的城市空间和原有的车站空间。为此,设计师尼古拉斯·格雷姆肖为火车站设计了长长的拱桥外形,由一个钢铁框做支撑,上覆玻璃板。为了减少成本,所有建造材料都须以同样的模型制造。在这种情况下,穿山甲“大展身手”:它的鳞片形状相同,重叠时组成了不断重复的图案——恰好满足了新滑铁卢火车站的建造条件。格雷姆肖将建筑材料设计成穿山甲鳞片的模样,使其可以适应建筑的弯曲弧度。

伦敦新滑铁卢火车站

人类的骨架也成了建筑的模仿原型,由此诞生了举世闻名的巴黎埃菲尔铁塔,作家莫泊桑甚至因此曾以“不雅的骨架”来形容这一建筑。为了解决棘手的重量分配问题,建筑师古斯塔夫·埃菲尔手下的工程师莫里斯·克什兰从一项当时最新的研究中寻找到了答案,卡尔·库尔曼教授提出了一种模仿人类骨骼(更准确来说是股骨)的建筑方式。依照这种建筑方式,埃菲尔铁塔的骨架便能将垂直的重力分到水平方向了。

未来属于仿生学吗?

以上只是宽广的仿生学领域中的简单两例。如今,仿生学正吸引着越来越多研究者的兴趣。究其原因,除了仿生学现有成就惊人之外,更在于其不可估量的前景。未来是属于仿生学的吗?《当自然赋予科技灵感》一书作者玛特·富尼耶对此持乐观态度,尤其是在材料、能源和机器人三大领域,仿生学将大有突破。

对比大自然生产的材料与人类生产的材料,前者似乎更胜一筹。一些由蛋白质组成的自然材料不仅有着更为坚固的特性,还能实现可降解和循环利用。以蜘蛛丝为例,从能承受自身比例的重量的角度来看,它其实比钢铁更为牢固,又是可降解的无污染物质。如果人类能设计出一种与蛛丝相仿的纤维,富尼耶预言它将成为未来最重要的人造材料。动植物生产的矿物质也有着极大的研究价值,例如牡蛎和鲍鱼两者的珍珠不仅坚固、轻盈和美观,更重要的是,它们在常温环境下即可生成。富尼耶由此展开设想:几十年后,人类将研发出一种模仿珍珠等生物矿物质的材料,造出既摔不破而且美观,在常温环境下便可获得的玻璃、陶瓷和瓷器。

能源也是未来仿生学可以发挥作用的领域,对植物光合作用的模仿也许是其中“最炫目”的一例。植物每年能转换多达人类能源需求十倍的光能,人类受此启发发明了用于太阳能板的光生伏打电池,但后者的功能比植物差了许多。人们目前只能对其更新换代,以求越来越高效并储存更多能量。如果对植物的观察能够有所突破,从而更有效地模仿光合作用的话,光能将迎来更大的应用前景。更令人遐想的还有仿生学在循环利用领域的发展。如今,研究者们已开始实验多种利用微生物来处理污水的方法:复制河岸或者森林土壤的环境,使污水中的有机物转化成腐殖土发挥过滤作用——这种模仿大自然的做法,比我们现在常用的处理方式节约了90%-100%的能源。

富尼耶在书中写到,事实上,今天的机器人研究早已将希望寄于动物身上:后者能在机器人的移动方式、接收和处理信息等方面带来启发,机器和龙虾的结合体——机器龙虾便是一则例证。机器龙虾被用来探索海岸边的水下部分,有着龙虾般抗压的甲壳,类似的外形使其能保持紧贴海底的状态。这种模仿动物移动方式的机器人,还有机器蛇和放生企鹅等。机器人斯路奇则学习了动物接收和处理信息的能力,它的接收器模仿了墨西哥盲鱼的体侧线,这使得它能自主移动并避开障碍物。斯路奇目前仍处于实验阶段,在不远的将来将体现出水下检索等实用价值。正像富尼耶所写道的那样:“只要我们能够成功模仿动物,就能掌握无数工程学的答案。”

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