仿生学:借用生物学

从自然中寻找灵感的想法可能是与艺术，特别是绘画和诗歌联系在一起的最明显的概念。但大自然并不是艺术家的专属缪斯;她也能激励科学家、工程师和实业家。

借用生物学的概念对我们来说也不新鲜。3000多年前，中国人渴望合成丝绸，最近莱特兄弟以鸟的翅膀为基础设计飞机。乔治·梅斯特拉从他的狗的皮毛上的毛刺中获得了他发明魔术贴的概念，而津巴布韦哈拉雷东门中心独特的、超高效的冷却系统，是模仿白蚁用来保持其土堆温度恒定的管道和通道系统的。正是在这些基础上，这个领域仿生学在过去的15年里，它的发展势头迅猛。

仿生学也被称为仿生学和仿生学，可以被定义为“从自然中抽象出好的设计”，当工程师和医学研究人员意识到他们所寻求的许多答案已经在自然界中可用时，仿生学就出现了。例如，为什么要花费多年时间和巨额资金，从零开始设计一种新的建筑材料，而大自然中很有可能已经有了你想要的大部分功能?更好的是，它很可能在数百万年的进化过程中被提炼到近乎完美的地步。

因此，只要有一点独创性和一些修改，一个曾经具有挑战性的问题就可以优雅地解决。弗莱堡大学的托马斯·斯佩克在设计“技术植物茎”时所做的正是利用自然，避免已经被进化所消除的陷阱。“技术植物茎”是一种结合了巨型芦苇茎(Arundo donax)和荷兰rush (木贼属hyemale）.

这种新材料的灵感来自于观察这些高大的植物，在风中摇曳，但从未出现断裂，这种新材料结合了刚度和弹性，并具有抗断裂性，具有广泛应用于从建筑材料到滑雪板的制造的潜力。

仿生学这个相对较新的科学领域特别有趣，因为它汇集了来自所有学科的研究人员，为大量问题提供解决方案，似乎只受参与者想象力的限制。

壁虎，胶水和胶带

壁虎是一种神奇的生物，它们能够在最光滑的表面上行走，甚至可以在天花板上行走，但这些蜥蜴是如何获得这种粘附性能的，科学家们长期以来一直困惑不解。一种说法是，壁虎就像卡通中的反派一样，把吸盘绑在他们的手脚上，用吸力粘在墙上。当这些黏糊糊的小生物还能在真空中紧紧附着时，这种可能性就被排除了。相反，因为即使是最光滑的表面也有微小的波动，所以有人认为壁虎利用摩擦来爬墙，但这并不能解释为什么它们能在天花板上行走。另一种假设是，它们像蟑螂一样，从脚上分泌出一种胶状物质，但这是不可能的，因为它们的脚很干燥，没有分泌这种物质所需的腺体。

这个难题的答案出现在2000年，当时加州大学伯克利分校的富尔教授和他的同事们更仔细地观察了东卡壁虎(壁虎壁虎）.他们发现壁虎的每一个脚趾上都覆盖着数千根微小的“纳米毛”，被称为刚毛，每根刚毛的厚度都不到人类头发的十分之一。在每组的末端都有数百到数千个微小的蘑菇状结构，称为匙状结构。壁虎具有超强的粘附能力，是因为这些微小的结构使壁虎的脚能够非常接近表面，比如墙壁，从而使刮刀的分子和表面能够相互作用。这产生了微小的力，称为范德华引力，将两个表面锁在一起。尽管单个分子的作用力非常弱，但数十亿个分子相互作用的合力足以让壁虎附着在几乎任何表面上。如果你自己的手也有同样的粘力，它将能够握住大约40公斤的东西。

一旦黏足壁虎的奥秘被解开，这种知识在技术上的应用就迅速实现了。在三年内，一组来自曼彻斯特大学的科学家在海姆教授的带领下，模仿壁虎的脚趾，制作出了一种由聚酰胺微小毛发组成的胶带。这种胶带被认为和真实的胶带一样有效，研究人员也收到了很多蜘蛛侠崇拜者的邀请，他们自愿用胶带把自己挂在实验室的窗户上。不幸的是，这些想要成为蜘蛛的人的梦想从未实现，主要是因为制作胶带的过程漫长而昂贵。

图1a: 1cm的扫描电镜图像2壁虎胶带的一部分。	图1b:蜘蛛侠玩具挂在玻璃板上，用胶带固定，接触面积约0.5cm2．	图1c:发束是降低胶带粘合性能的一个问题。

2006年，BAE系统公司宣布，他们能够利用一种改良版的光刻技术生产出一种壁虎状的粘合剂。光刻技术是制造硅芯片的一种方法，在经济上是可行的，而且易于扩大规模。这种超级粘合剂是由聚酰胺制成的，就像尼龙一样，就像曼彻斯特的设计一样，由蘑菇形状的结构组成。虽然不像壁虎的脚那么粘，但它可以很舒服地把一头大象粘在天花板上，如果你有任何需要的话!然而，与传统粘合剂不同的是，这种以壁虎为灵感的物质可以重复使用，很容易从粘着的表面剥落，这意味着蜘蛛侠套装现在是可能的，毫无疑问，它很可能出现在许多儿童(和成人)的愿望清单上。另一个优点是，它不会留下任何粘性残留物，所以不会在曾经被粘住的地方留下蓝色的绒毛。但仍有进步要做，参与研究的科学家希望使这种粘合剂更粘，所以现在我们只能等待，坚持使用梯子来清洁窗户。

叶子、叶子和荷花效应

尽管喜欢在泥泞的河流和湖泊中生长，但荷花的叶子(莲属椰子)保持干净，没有污染物，即使从浑浊的水中浮出水面。这种自我清洁能力被认为是为什么这种植物在许多亚洲宗教中被视为纯洁的象征，并成为许多仿生发明的灵感来源。

你可能会本能地认为光滑的表面是最干净的，因为沟槽和脊只会用来捕获污垢。然而，两位德国科学家，巴思洛特教授和内因惠斯教授在仔细观察后发现，荷叶的光滑表面一点也不光滑。扫描电子显微镜图像显示，叶子非常粗糙，覆盖着突出的表皮(最外层)细胞的微块状和凸起，这些细胞依次覆盖着直径约为一纳米(百万分之一毫米)的蜡晶体。蜡晶体是疏水的(憎水)，所以它们排斥水滴，有助于防止叶片表面湿润。这些微观和纳米尺度特征的结合大大减少了表面和水分子之间的接触面积，这是清洁过程的关键，也解释了为什么即使是小雨也足以把叶子洗干净。

图2:莲花效应。水在表皮的尖端形成水滴 当它从叶子上滚下来时，它会突出并收集污染物、污垢和小昆虫。

水不是沿着叶子的表面平躺着，而是只与叶子的顶部接触(图2)，这迫使它变成球形液滴。然后，即使有最轻微的角度，水珠也不会从叶子表面滑落，而是开始滚动，从叶子上滚下来，带走了泥土颗粒和小昆虫。这个过程被称为“莲花效应”，它非常有效，即使是蜂蜜和水基胶也会直接从叶子上滚下来，不留痕迹。

进化使这个系统变得如此完善，以至于即使是通常会排斥水的疏水性污垢颗粒，也会被滚动的水滴捕获并冲走。这是因为叶子上的颗粒只在蜡晶体的尖端接触，所以不能很好地粘附。这意味着，水把它们吸起来所需的能量要比把它们粘在叶子上所需的能量少得多，这样它们就被洗掉了。

但这种有效的自我净化方法并不局限于这种神圣的植物。它也在卷心菜、芦苇、蝴蝶和蜻蜓的翅膀中自然发挥作用，现在已经被工业应用于生产几种技术，包括巴斯夫开发的一种防水喷雾。这种药剂使用纳米粒子和防水聚合物，如聚丙烯、聚乙烯和蜡，可以自我组装成微小的结构，可以模仿莲花效应。这种喷雾可以有效地应用于广泛的表面，从砖石到纺织品和皮革。其他类似的产品包括Lotusan，一种结合了这种效果和防水涂料的其他特性的房屋涂料，以及一种更节水的小便池，它只需要普通设施所需的一小部分水就能自我清洁。

我无法想象很多人会不被这样的技术所吸引:每次阵雨都会自动清洁房屋和窗户，不再需要抛光的鞋子，不脏的衣服。这项技术也可以对环境产生积极的影响，例如，大大减少冲厕所所需的水。

血凝块，动脉和自我修复的太空船

然而，尽管自然可能是鼓舞人心的，但并非所有的仿生创新都是对其自然世界对应物的直接复制。相反，有时候这个概念为更先进的技术解决方案提供了线索。以血液凝固系统为例。当你割伤自己时，不久你的血液就会凝结，以防止进一步出血和结痂出现。在痂的隐藏和保护下，你的身体会修复下面的损伤，短时间后，它就像新的一样好。

图3a:用于容纳树脂和固化剂的微玻璃管。

那么，是否可以采用类似的方法来修复航天器表面的伤口呢?是也不是。一方面，自我修复系统将使宇航员不必尝试在太空中进行危险的修复，但在人体凝血系统所使用的相对较慢的时间尺度上进行的修复几乎没有实际好处，因此需要加快修复速度。

考虑到这一点，布里斯托尔大学的邦德博士和特拉斯克博士着手开发一种用于航天器结构的复合材料，这种材料在受到损伤时可以自愈。就像血液通过细小的毛细血管流过组织一样，布里斯托尔团队将玻璃管(图3一)，每个直径只有60微米(六万分之一毫米)，整个材料(图3 b）.这些管子要么含有一种树脂，要么含有一种化学定形剂，这种定形剂可以促使树脂聚合并凝固。

这种安排意味着，如果材料受到压力或破裂，管道将破裂，使两种“凝血”成分逸出并混合。由此产生的硬塞将堵塞裂缝，恢复材料的强度和完整性。事实上，通过在管子中加入荧光染料，可以看到新硬化的树脂沉积在材料损坏的地方(图3 c）.

图3b:玻璃管分层设置在复合材料中。

虽然玻璃“血管”的加入使材料的强度降低了16%，愈合部分的强度仅为原来的87%，但这项研究表明，自愈材料的概念是可行的，现在研究正在进行中，以生产更强的“治愈剂”。此外，与哺乳动物的血管系统不同，在哺乳动物的血管系统中，血液循环并在血液流失时补充，而目前的系统只工作一次。因此，该团队现在正在寻找允许血管循环和重新填充的方法。就像我们自己的循环系统在人体的运输和温度调节中起着关键作用一样，宇宙飞船的容器也可以用于类似的目的，帮助减轻重量和节省空间。

哺乳动物对受伤反应的另一个特征是瘀伤，这在航天器的血管系统中是有用的，这可以表明表面以下的损伤。断裂通常发生在复合材料内部，不会留下外部损伤的迹象。但是，如果可以在贴药的同时产生一个暴露的“瘀伤”，它就可以用来更快地识别问题区域。

图3b:使用荧光染料观察到的损伤区域局部修复。

拥有完整血管系统的自我修复航天器的想法可能看起来有点奇怪，甚至比许多科幻电影更先进，但以这些发展的速度来看，它可能很快就会成为现实。

这只是冰山一角……

有时，灵感可以从最奇怪的地方收集到，比如蠕虫启发了机器人的发展，机器人可以用来把摄像头带到你的肠道里，模仿蚂蚁行为的交通系统，以及臭鼬卷心菜揭示了如何在冬天保暖的秘密。

也许引发一些研究的最奇怪的现象是对防弹野鸡的观察。偶尔，野鸡也会被猎枪的子弹击中而毫发无损，这可能是因为它的羽毛吸收了子弹的能量。这激发了人们对了解羽毛蛋白角蛋白的特性及其在高速撞击防护(如防弹背心)中的潜在用途的兴趣。

其他以生物为灵感的发明还包括鲨鱼皮泳衣，2000年悉尼奥运会游泳项目的33名金牌得主中有28人穿着鲨鱼皮泳衣。这种泳衣的设计目的是像鲨鱼的皮肤一样引导水流过身体，减少阻力。研究人员也一直在研究不起眼的松果，寻找其他服装创意，比如防汗通风襟翼，当衣服有点出汗时，它会根据湿度打开或关闭。企鹅还帮助极地探险者保暖，这要归功于它们的羽毛制成的合成绝缘体;这里的突破在于，与羽绒不同，它们在变湿时不会失去绝缘能力。

下一个发明或灵感从何而来实际上是无法预测的，但大自然似乎有取之不尽的答案。我们需要的只是一点聪明才智和开放的思想。