趙洋

火星和深海魚類有關系嗎？這兩樣看似遠隔十萬八千里的事物卻通過一門叫“仿生學”的學科建立了聯(lián)系。2014年，美國國家航空航天局（NASA）公布了下一代宇航服的三種設計方案，其中一款宇航服叫作“海洋”，其靈感來自海底世界，宇航服的仿生照明線模仿深海魚類的表皮設計而成，電子光使宇航員在微光條件下也能夠被看到。新一代宇航服將在模擬火星的環(huán)境中進行測試，還會在模擬太空失重環(huán)境的訓練水池中考驗其密封性能。

1960年，美國學者J. E.斯蒂爾首先提出了仿生學的概念。仿生學是指人類模仿生物結構與功能，發(fā)明新技術的科學。這是一門只有短短半個世紀歷史的新興邊緣學科，但仿生學的實踐卻可以追溯到人類的黎明時期。

臨摹自然

自古以來，大自然就是人類各種發(fā)明的源泉。生物在漫長的進化過程中，為了求得生存與發(fā)展，逐漸具備了適應自然界變化的本領。這些形態(tài)各異、功能萬千的生物不斷吸引著人們去觀察和模仿。

早在中國古代，就有以技術模仿生物的事例。相傳在五千多年前，就有人模仿鳥類在樹上營巢而建窩棚，以防御猛獸的傷害，并得名“有巢氏”;四千多年前，我們的祖先“見飛蓬轉而知為車”，就是說，見到隨風旋轉的飛蓬草而發(fā)明輪子，并做出了帶輪子的車。

中華先民對于鳥類飛行的探索可謂史不絕書。兩千多年前，中國人就發(fā)明了風箏，并將其用于軍事通信。東周時，匠人魯班研制出能飛的木鳥;相傳，他還從草葉的齒形邊緣中“悟”到了鋸的原理，堪稱仿生達人。西漢時期，有人用鳥的羽毛做成翅膀，從高臺上飛下來，希望模仿鳥的飛行。唐朝的韓志和，“善雕木作鸞、鶴、鴉、鵲之狀，飲啄動靜與真無異，以關戾置于腹內，發(fā)之則凌云奮飛，可高達三丈至一二百步外，始卻下?！?/p>

在西方，模仿生物的發(fā)明行為與注重觀察和實驗的傳統(tǒng)結合起來，在科技進步的過程中大放異彩。達·芬奇自30歲起用了二十多年時間研究鳥類的飛行，完成了《論鳥的飛行》手稿，論述鳥的飛行原理。19世紀初，英國科學家凱利深入地研究了飛行動物的形態(tài)，尋找最具流線型的結構。他模仿鳥翼設計的機翼曲線，與現代飛機機翼截面曲線幾乎完全相同。俄國科學家茹可夫斯基在研究鳥類飛行的基礎上，提出了航空動力學理論。美國的萊特兄弟仔細觀察和分析鴿子的飛行，于1903年成功地進行了第一架有動力、可操縱的載人飛機的飛行試驗。正是通過對鳥類飛行的一系列的模仿與升華，人類終于找到了飛行的關鍵所在。

1680年，意大利發(fā)明家博列里通過觀察魚類，發(fā)現大多數魚能依靠鰾的膨脹與收縮來調節(jié)身體的比重，自如地在水里下沉或上浮。依照魚鰾的工作原理，博列里制造出了一艘潛水艇，艇內裝有一個由皮革制成的潛水袋，利用從皮革袋中排水或注水來控制潛水艇的沉浮。這是最早的潛水裝置。

1865年，法國園藝師約瑟夫·莫尼埃發(fā)現植物根系在松軟的土壤里互相交叉、盤根錯節(jié)，形成一種網狀結構，將土壤抱成團。莫尼埃從植物根系的這個現象中得到啟示：如果在做水泥花壇時，在混凝土里先加上一些網狀的鐵絲，就可以使花壇抗拉強度增加，更加結實。實驗證明，這個想法不但可行，而且效果很好。這種花壇的構造便是現代鋼筋混凝土結構的雛形。

時間轉到20世紀末，日本的新干線高速列車進行升級之后，時速提升至320公里，但新問題隨之而來——如此之高的速度導致列車的噪音超出了環(huán)保標準。當列車駛出狹窄的隧道時，粗短的子彈型車頭會擠壓前方的空氣，產生刺耳的音爆。為解決這個問題，工程師們從翠鳥的喙上找到了靈感。翠鳥流線型的長喙從尖端到頭部的直徑是逐漸增大的，入水時會讓水流向身后，很少濺起水花。通過將子彈頭列車的車頭部分改造成翠鳥鳥喙的形狀，工程師成功開發(fā)出新型列車，并于1997年投入使用。這種列車不僅噪音較低，而且行駛速度提高了10%，電能消耗減少了15%。

超越形態(tài)模仿

仿生學的意義并不局限于對形態(tài)的模仿。它的核心價值是理解自然界運作的模式及背后邏輯，并巧妙地采用它們來解決實際問題。

現代田徑比賽中的起跑技術分為站立式和蹲踞式兩種，現代短跑運動中最好的起跑技術是蹲踞式。蹲踞式起跑也要歸功于仿生學。1888年，澳大利亞短跑運動員舍里爾在觀察黑尾沙袋鼠的奔跑時發(fā)現，它們在起跑前總是先彎曲身體，腹部幾乎貼著地面，然后靠其強有力的后腿一蹬，便高速奔跑起來。舍里爾由此受到啟發(fā)，模仿黑尾沙袋鼠的起跑姿勢，并結合短跑運動的特點，發(fā)明了蹲踞式起跑，極大地提高了自己的短跑成績。1896年，美國運動員伯克在100米跑決賽中采用了這一戰(zhàn)術，奪得金牌。此后，蹲踞式起跑技術風靡全球，改變了現代短跑運動。

不僅田徑運動受益于仿生學，自由泳技術也是人類從魚類那里學來的。20世紀初，英國一位著名游泳家吸取鯖魚游泳只擺尾、不搖頭，魚身只會側向擺動的特點，把以往兩腿蹬水動作改為類似鯖魚尾部運動的兩腿上下交替打水動作，并靠雙臂從體側輪流劃水，產生了最初的自由泳泳姿。

2000年悉尼奧運會時，運用仿生科技研發(fā)的連體鯊魚皮泳裝改變了世界泳壇的格局，過半的金牌得主都是鯊魚裝的使用者。第一代鯊魚皮泳裝模仿了鯊魚的皮膚，在泳衣上設計了一些細微的粗糙齒狀突起，以有效地引導水流，并收緊身體，避免皮膚和肌肉的顫動。第二代鯊魚裝又加入了一種叫作“彈性皮膚”的材料，可使人在水中受到的阻力減少4%。此外，還增加了兩個附件——附在前臂上由鈦硅樹脂做成的緩沖器能使運動員游起來更加輕松，附在胸前和肩后的振動控制系統(tǒng)能幫助引導水流。體驗過鯊魚皮泳衣的運動員興奮地說：“感覺就像從山頂向下游！”

鯊魚不僅給了人們泳衣的靈感，人類還從鯊魚尾部的動作中受到啟發(fā)，設計了收集波浪能的機器。有能源企業(yè)正在考慮如何利用鯊魚的熱電能力，將溫差轉變?yōu)殡姴ㄐ盘枴?/p>

模仿動物微觀結構的服裝不止鯊魚皮泳衣一種。倫敦科學博物館曾展出過用結構生色纖維材質制作的裙子。乍看起來，這條裙子并無特別之處。但看上去微微發(fā)亮的鈷藍色面料其實完全沒有經過染色，這是光線在多層結構的纖維上折射、反射產生的效果。

這種材質的設計靈感來源于南美洲藍閃蝶翅膀上的絢麗光澤。藍閃蝶的翅膀本身并沒有顏色，其鱗片的細微結構是由多層立體的柵欄構成的，類似百葉窗，但遠比百葉窗復雜。當光線照到翅膀上時，會產生折射、反射和繞射等光學現象，在人們眼中便呈現藍、綠、紫等帶有金屬光澤的色彩。這種模擬蝴蝶翅膀微觀結構的纖維，避免了化學染料染色對環(huán)境造成的污染。

生物學家在研究蝴蝶體表形態(tài)結構與功能關系時發(fā)現，有一種蝴蝶體表覆蓋的細鱗片能隨外界溫度升降而張合，以保持體溫正常。航天專家們注意到了這一生物功能特性，試圖以仿生學方法解決一個航天難題。在軌道上運行的人造衛(wèi)星相對太陽的角度時刻都在變化，衛(wèi)星上的溫度也隨之急劇升降。為了不使衛(wèi)星內部儀器燒壞或凍壞，必須采取溫控措施，其中一種控溫系統(tǒng)與蝴蝶調節(jié)體溫有異曲同工之妙。它的外形像百葉窗，每扇葉片正反兩面輻射散熱能力不同，所采用的特殊裝置能使葉片隨溫度升降而張合。這是仿生學在高技術領域的成功應用案例之一。

或許，最有趣的生物功能模仿非蛻皮衣服莫屬。倫敦藝術大學學生凱蒂·萊杰從蛇的蛻皮特性中受到啟發(fā)，設計出一系列可逐層剝棄的服飾。據統(tǒng)計，平常每洗一次衣服，需要消耗40加侖水和5.5千瓦電力。凱蒂·萊杰考慮如何盡量減少洗滌次數以節(jié)約水電時，想起了蛇蛻皮的例子，于是，據此設計出能隨著逐層蛻棄而改變顏色或款式的衣服。根據她的設計模型，每套衣服由三到八層天然纖維織物構成，每層織物之間用無毒、可溶于水的高分子聚合膠粘連。只需噴上水，衣服的最外層便能輕松剝離，并且可以作為垃圾自然降解;被剝離出來的局部也可以作為另一件衣服的配件重新組合使用。

由此可見，人類對自然的仿生絕不是簡單的臨摹，而是依據人類的認知和工程與技術的需要對自然主動的同化和建構，即所謂的“神似”。

機器動物

麻省理工學院的仿生學專家羅德尼·布魯克斯教授說：“動物身上確實有一些很好的結構，研究動物是為了獲得更好的設計靈感。從純粹的工藝學角度來說，我們可以提出許多更精明的構思。”

可以證明這種研究尤為有用的領域是海洋動物的構造。雖然魚類在以直線行進時比螺旋槳傳動的船只要慢，但魚類在行進過程中的急轉彎以及在從靜止到前進時的加速度是無與倫比的。1.5億年的進化使得魚類對水下環(huán)境適應能力很強，它們能夠以高達10G的加速度加速（是航天飛機起飛時加速度的兩倍多），并能在不到自身長度一半的距離內全速轉彎。而且，魚類利用能量的方式比任何人造船舶所都有效得多。

通過對魚類游泳方式的研究，上世紀末，麻省理工學院研制出了世界上第一條能夠自由游動的機器魚。它大部分是由玻璃纖維制成，上覆一層鋼絲網，最外面是一層合成彈力纖維。尾部由彈簧狀的錐形玻璃纖維線圈制成，從而使這條機器魚既堅固又靈活。一臺伺服電動機為這條機器魚提供動力。

機器魚為研究人員解開海洋生物之謎提供了一個新的角度。魚類似乎沒有足夠的肌肉力量供它們快速游動，這個謎被稱為格雷悖論。但是現在的研究已經發(fā)現，即使是機器魚稍顯笨拙地像魚那樣游動也能夠游得更快。這表明，格雷悖論的一個解答方案可能會獲得證實——魚類以左右兩側擺動尾部的基本游動方式減少了自身的流體阻力，從而可以獲得更快的速度。

動物如何行動以及它們?yōu)楹尉哂歇毺氐男袨椋强茖W家們開展仿生學研究的另一個巨大動力。仿生學家強調說，他們并不是不加區(qū)別地模仿動物，而是設法找出動物能夠發(fā)揮巨大作用的某些特定的身體結構，然后再把這些結構融合到現有技術中來。

在未來某一天，當將軍站在沙盤前布置作戰(zhàn)方案時，一只蚊子可能會在你周圍拍動著翅膀發(fā)出怪異的嗡嗡聲。這時就要當心了，因為它很可能是只“間諜蚊”。目前，美國軍方正在利用仿生學原理研制此類微型飛行器，用來刺探敵情、偵察地形以及拍攝照片。

早在2007年，在一次反戰(zhàn)示威活動上空，盤旋著一群怪誕的飛行物，這招致人們對美國政府涉嫌秘密研發(fā)昆蟲無人機的指責。官方的否認以及昆蟲學家有關它們實際是蜻蜓的說法，都未能平息人們的猜測。2008年，美國空軍揭開了昆蟲狀微型間諜飛機的神秘面紗，聲稱它們“微小如大黃蜂”，難以被發(fā)現，并可飛入建筑物中進行拍照、錄音，甚至對恐怖分子進行攻擊。

研究表明，基于昆蟲結構力學可以設計出微型飛行器，在戰(zhàn)場上空盤旋，執(zhí)行偵察任務?？茖W家們從那些經過千萬年進化具備了完美飛行條件的動物身上獲得了啟發(fā)。長期以來，美國國防部高級研究項目局一直在研發(fā)納米-仿生微型無人機。研究人員現在研發(fā)出的仿生無人機，有類似昆蟲的復眼、蝙蝠的耳朵、鳥的翅膀，甚至還有蜜蜂的絨毛，以感知生物、化學和核武器的蹤跡。

2011年，美國航空環(huán)境公司推出一款名為“納米蜂鳥”的撲翼式無人機，堪稱仿生機器人的典范之作。該無人機外形酷似蜂鳥，長僅16厘米，重量不及一節(jié)5號電池。“納米蜂鳥”無人機的翅膀像紙一樣纖薄，每秒鐘能拍打20-40次。通過改變翅膀的角度和形狀對飛行姿態(tài)進行調整，它在空中的盤旋時間能超過11分鐘。這只小巧的“蜂鳥”身上安裝有微型攝像機和遙控裝置，可以從窗戶或其他小開口飛進飛出，可用于室內外偵察。它在空中十分穩(wěn)定，即使在強風中也具有良好的操控性。

此外，美國還研制出了一種“納米蜻蜓”。這種無人機翼展僅有5厘米，最高飛行速度為每秒15米，可以連續(xù)飛行15分鐘。機上安裝有電子元件、電池、攝像機、控制器等。

目前，大多數昆蟲無人機的尺寸為10厘米左右，下一步將向毫米量級發(fā)展。由于體積小，昆蟲無人機有很好的隱蔽性和機動性。它最適于在室內、市區(qū)或野外小范圍進行偵察;可用于通信中繼、生化控測;成千上萬的昆蟲無人機形成“云團”，可實施極為有效的電子干擾，還可以攻擊可載人的飛行器及其他目標。美國軍事理論家利比奇甚至認為，此類微型飛行器會改變未來的戰(zhàn)爭模式。將昆蟲無人機用于氣象數據收集、環(huán)境研究、交通控制等方面，可大大減少開支。微型飛行器和微型水下航行器的發(fā)展，在未來國家安全和經濟建設等方面將起到至關重要的作用，正在世界范圍內引起極大的關注。

仿生學的未來

電腦試圖模擬人腦，技術也一直在模擬自然。我們可以通過研究電鰻如何避免電擊自己來學習絕緣，也可以學習軟體動物如何使用殼里的二氧化碳，將大氣中的二氧化碳儲存在建筑材料中。納米比亞的一種甲蟲可能會啟發(fā)我們怎樣在干旱的環(huán)境中從霧中提取水。生物學家系統(tǒng)地觀察并研究植物和動物已有幾個世紀，但是，他們很少可以將這些發(fā)現傳達給其他領域的科學家和發(fā)明家。現在，將人類技術與自然創(chuàng)造相結合的需求日益緊迫。

1997年，科學家珍妮·班娜斯出版了一本名為《仿生學：自然啟發(fā)的創(chuàng)新》的書。在這本書中，她主張仿生學的最主要應用應該是“結束對自然的摧毀”。班娜斯認為仿生有三個層次：形式、過程和生態(tài)系統(tǒng)。未來的仿生將是人造技術生態(tài)對自然生態(tài)系統(tǒng)的模擬。自工業(yè)革命以來，傳統(tǒng)制造業(yè)不僅產生大量有毒物質和垃圾污染了環(huán)境，而且還耗費大量能源，對自然造成巨大傷害。班娜斯認為，依靠仿生學進行的工業(yè)設計將帶來一場新的工業(yè)革命，因為自然界里的“設計”一定是環(huán)保、低能耗和節(jié)約的。

根據一份調查報告，仿生學領域未來將進入一個急劇發(fā)展階段。到2025年，美國每年因仿生學產生的GDP可達3000億美元，創(chuàng)造160萬個工作機會;每年能節(jié)約價值500億美元的能源。從另一個角度講，我們可以想一想已經有多少生物物種因為人類活動而滅絕，它們中可能蘊含著多少尚未被人類認知的奇妙形態(tài)與功能。對仿生學巨大潛力的渴求，最終或許會促使我們下定決心，來保護大自然中不可替代的生物資源?！矩熑尉庉嫞簵?楓】