第1章 科学(1)

师法自然：仿生学的奇妙世界

文/赵洋

火星和深海鱼类有关系吗？这两样看似远隔十万八千里的事物却通过一门叫“仿生学”的学科建立了联系。2014年，美国国家航空航天局（NASA）公布了下一代宇航服的三种设计方案，其中一款宇航服叫作“海洋”，其灵感来自海底世界，宇航服的仿生照明线模仿深海鱼类的表皮设计而成，电子光使宇航员在微光条件下也能够被看到。新一代宇航服将在模拟火星的环境中进行测试，还会在模拟太空失重环境的训练水池中考验其密封性能。

1960年，美国学者J.E.斯蒂尔首先提出了仿生学的概念。仿生学是指人类模仿生物结构与功能，发明新技术的科学。这是一门只有短短半个世纪历史的新兴边缘学科，但仿生学的实践却可以追溯到人类的黎明时期。

临摹自然

自古以来，大自然就是人类各种发明的源泉。生物在漫长的进化过程中，为了求得生存与发展，逐渐具备了适应自然界变化的本领。这些形态各异、功能万千的生物不断吸引着人们去观察和模仿。

早在中国古代，就有以技术模仿生物的事例。相传在五千多年前，就有人模仿鸟类在树上营巢而建窝棚，以防御猛兽的伤害，并得名“有巢氏”；四千多年前，我们的祖先“见飞蓬转而知为车”，就是说，见到随风旋转的飞蓬草而发明轮子，并做出了带轮子的车。

中华先民对于鸟类飞行的探索可谓史不绝书。两千多年前，中国人就发明了风筝，并将其用于军事通信。东周时，匠人鲁班研制出能飞的木鸟；相传，他还从草叶的齿形边缘中“悟”到了锯的原理，堪称仿生达人。西汉时期，有人用鸟的羽毛做成翅膀，从高台上飞下来，希望模仿鸟的飞行。唐朝的韩志和，“善雕木作鸾、鹤、鸦、鹊之状，饮啄动静与真无异，以关戾置于腹内，发之则凌云奋飞，可高达三丈至一二百步外，始却下。”

在西方，模仿生物的发明行为与注重观察和实验的传统结合起来，在科技进步的过程中大放异彩。达·芬奇自30岁起用了二十多年时间研究鸟类的飞行，完成了《论鸟的飞行》手稿，论述鸟的飞行原理。19世纪初，英国科学家凯利深入地研究了飞行动物的形态，寻找最具流线型的结构。他模仿鸟翼设计的机翼曲线，与现代飞机机翼截面曲线几乎完全相同。俄国科学家茹可夫斯基在研究鸟类飞行的基础上，提出了航空动力学理论。美国的莱特兄弟仔细观察和分析鸽子的飞行，于1903年成功地进行了第一架有动力、可操纵的载人飞机的飞行试验。正是通过对鸟类飞行的一系列的模仿与升华，人类终于找到了飞行的关键所在。

1680年，意大利发明家博列里通过观察鱼类，发现大多数鱼能依靠鳔的膨胀与收缩来调节身体的比重，自如地在水里下沉或上浮。依照鱼鳔的工作原理，博列里制造出了一艘潜水艇，艇内装有一个由皮革制成的潜水袋，利用从皮革袋中排水或注水来控制潜水艇的沉浮。这是最早的潜水装置。

1865年，法国园艺师约瑟夫·莫尼埃发现植物根系在松软的土壤里互相交叉、盘根错节，形成一种网状结构，将土壤抱成团。莫尼埃从植物根系的这个现象中得到启示：如果在做水泥花坛时，在混凝土里先加上一些网状的铁丝，就可以使花坛抗拉强度增加，更加结实。实验证明，这个想法不但可行，而且效果很好。这种花坛的构造便是现代钢筋混凝土结构的雏形。

时间转到20世纪末，日本的新干线高速列车进行升级之后，时速提升至320公里，但新问题随之而来——如此之高的速度导致列车的噪音超出了环保标准。当列车驶出狭窄的隧道时，粗短的子弹型车头会挤压前方的空气，产生刺耳的音爆。为解决这个问题，工程师们从翠鸟的喙上找到了灵感。翠鸟流线型的长喙从尖端到头部的直径是逐渐增大的，入水时会让水流向身后，很少溅起水花。通过将子弹头列车的车头部分改造成翠鸟鸟喙的形状，工程师成功开发出新型列车，并于1997年投入使用。这种列车不仅噪音较低，而且行驶速度提高了10%，电能消耗减少了15%。

超越形态模仿

仿生学的意义并不局限于对形态的模仿。它的核心价值是理解自然界运作的模式及背后逻辑，并巧妙地采用它们来解决实际问题。

现代田径比赛中的起跑技术分为站立式和蹲踞式两种，现代短跑运动中最好的起跑技术是蹲踞式。蹲踞式起跑也要归功于仿生学。1888年，澳大利亚短跑运动员舍里尔在观察黑尾沙袋鼠的奔跑时发现，它们在起跑前总是先弯曲身体，腹部几乎贴着地面，然后靠其强有力的后腿一蹬，便高速奔跑起来。舍里尔由此受到启发，模仿黑尾沙袋鼠的起跑姿势，并结合短跑运动的特点，发明了蹲踞式起跑，极大地提高了自己的短跑成绩。1896年，美国运动员伯克在100米跑决赛中采用了这一战术，夺得金牌。此后，蹲踞式起跑技术风靡全球，改变了现代短跑运动。

不仅田径运动受益于仿生学，自由泳技术也是人类从鱼类那里学来的。20世纪初，英国一位著名游泳家吸取鲭鱼游泳只摆尾、不摇头，鱼身只会侧向摆动的特点，把以往两腿蹬水动作改为类似鲭鱼尾部运动的两腿上下交替打水动作，并靠双臂从体侧轮流划水，产生了最初的自由泳泳姿。

2000年悉尼奥运会时，运用仿生科技研发的连体鲨鱼皮泳装改变了世界泳坛的格局，过半的金牌得主都是鲨鱼装的使用者。第一代鲨鱼皮泳装模仿了鲨鱼的皮肤，在泳衣上设计了一些细微的粗糙齿状突起，以有效地引导水流，并收紧身体，避免皮肤和肌肉的颤动。第二代鲨鱼装又加入了一种叫作“弹性皮肤”的材料，可使人在水中受到的阻力减少4%。此外，还增加了两个附件——附在前臂上由钛硅树脂做成的缓冲器能使运动员游起来更加轻松，附在胸前和肩后的振动控制系统能帮助引导水流。体验过鲨鱼皮泳衣的运动员兴奋地说：“感觉就像从山顶向下游！”

鲨鱼不仅给了人们泳衣的灵感，人类还从鲨鱼尾部的动作中受到启发，设计了收集波浪能的机器。有能源企业正在考虑如何利用鲨鱼的热电能力，将温差转变为电波信号。

模仿动物微观结构的服装不止鲨鱼皮泳衣一种。伦敦科学博物馆曾展出过用结构生色纤维材质制作的裙子。乍看起来，这条裙子并无特别之处。但看上去微微发亮的钴蓝色面料其实完全没有经过染色，这是光线在多层结构的纤维上折射、反射产生的效果。

这种材质的设计灵感来源于南美洲蓝闪蝶翅膀上的绚丽光泽。蓝闪蝶的翅膀本身并没有颜色，其鳞片的细微结构是由多层立体的栅栏构成的，类似百叶窗，但远比百叶窗复杂。当光线照到翅膀上时，会产生折射、反射和绕射等光学现象，在人们眼中便呈现蓝、绿、紫等带有金属光泽的色彩。这种模拟蝴蝶翅膀微观结构的纤维，避免了化学染料染色对环境造成的污染。