借鉴大自然杰作仿生技术研究正当时

2005.07.01

上世纪40年代初，瑞士发明家乔治·麦斯特拉尔一次带小狗散步，在路上，他对粘在自己衣服以及小狗皮毛上的芒刺产生了好奇。于是，他在显微镜下仔细地观察了芒刺这种自然演化而来的、通过“钩住并缠绕”在途经动物身上来帮助授粉的特点，并从中受到启发，发明了维可牢尼龙搭扣。这也许是生物模仿最著名也是最成功的例子。

经过数十亿年的不断试验和改进，自然已经创造出针对现实世界各种复杂问题的有效的解决机制。从机器人制造到材料科学，技术专家们不断借鉴经历了时间考验的大自然杰作。以潜水器为例，利用推进设备很难达到理想的前进效果，但是北卡罗莱纳州的自游生物研究公司研制出一种仿生机器鱼，它借助“鳍”在水中游来游去。

在美国朗讯科技公司贝尔实验室的乔安娜·艾森伯格看来，工程师花费数十年开发并完善某项新技术，到头来往往却发现大自然早已领先一步。“维纳斯花篮”就是最好的明证。这种深海海绵体动物的骨骼根部为束状玻璃纤维，无论从外形还是从光学特性而言，都与商业通信光纤惊人的相似，能够按照与通信光纤相同的原理充分地传导光线。研究人员表示，与人类生产的光纤产品相比，“维纳斯花篮”的玻璃纤维在技术方面可能高明得多。由于其柔性极高，最大的优点是折弯以后也能使用，而通信光纤一般来讲不耐弯，折弯的光纤只能耗费财力和人力进行更换。此外，通信光纤生产要求有极高的温度和昂贵的设备，而海绵体光纤则具有在海水温度下即可生成的优点。如果能够模拟出这种自然的生产过程，将可以削减光纤的生产成本，实现性能更好的光纤材料和网络。

另一种令科学家叹服的大自然杰作是海尾蛇。它的骨骼中有几千个细小的“水晶体”，集合在一起就构成一只单独的、分布式的眼睛。依靠这样的眼睛，海尾蛇就能够从容区分白天和黑夜，并顺利逃脱猎食者的追捕。这些拥有不同寻常光学特性的水晶体非常小，直径仅1/20毫米。虽然它们的外形是固定的，但它们相互之间通过一条条通道连接成一个网络，通道中充满的液体含有可以吸收光线的色素。海尾蛇就是借助控制这些液体来改变水晶体的屈光度。艾森伯格认为，可以借鉴海尾蛇的流体系统，研制具有同样弹性的仿生镜头。

美国加州大学伯克利分校的科学家罗伯特·福尔等人发现，壁虎能够在垂直的光滑表面上来去自如，依靠的是其脚底部数百万根极细的刚毛所产生的极其微弱的分子引力。英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·盖姆及其同事受此启发，研制出了一种名为“壁虎带”的干燥、非粘性黏合剂，借助两个物体接触时表面产生的分子引力，它可以使人在光滑的天花板上疾步如飞，成为名副其实的“蜘蛛侠”。但目前这一技术还不成熟。首先成本太高，已研制出的“壁虎带”费用超过50万美元，大小相当于一张邮票，如果要悬吊起一个“蜘蛛人”需要有巴掌大的“壁虎带”，费用可能要超过100万美元。此外，现有的“壁虎带”还不够耐用，能把人粘在墙上走两三步就算不错了。不过“壁虎带”的潜在用途很多，包括外科手术用的夹子和缝线、登山使用的安全装置、尼龙搭扣，甚至还有足球守门员使用的黏性超强的手套。这些产品有望在3至5年内面世。

虽然“蜘蛛人”目前听起来还有些科幻，但各类仿生机器人的出现确实不容置疑的事实。美国国家航空航天局（NASA）正在研发的下一代星际探测器将用名副其实的“脚”来取代轮子，这是因为轮子只能在平坦的路面上正常工作，而有了脚，机器人“跨”沟“越”坎儿就都不在话下了。NASA艾姆斯研究中心模仿蝎子开发出八脚可行走机器人，美国国防部下属的高级研究计划局（DARPA）也在资助可用于军事的四脚机器狗的研制。而由美国东北大学神经心理学家约瑟夫·阿亚斯负责研发的机器龙虾虽然看起来没有一点龙虾样，但它借助了龙虾的神经系统工作机制，因此走起路来完全是“虾”步。芬兰的Plustech技术公司则研制了一款用于森林采伐的六脚机器人，充分弥补了轮式拖拉机不便行走山路的缺陷。

类似的仿生技术还有很多。Autotype材料公司模仿飞蛾眼睛复杂的微观结构开发的一种塑料膜，能够尽可能地吸收光线而不发生反射。如果将其应用于手机屏幕，能够增进眼睛阅读的舒适度，同时延长电池待机时间。佛罗里达大学的研究人员从粗糙并且刚毛丛生的鲨鱼皮得到灵感，设计出一种新型环保船体涂层材料，可避免海藻和贝类依附在轮船或者潜水艇船体上。宾西法尼亚州立大学的工程师制造的飞机能够像鸟的翅膀一样在不同的飞行状态下改变机翼的形状。英国巴斯大学仿生和自然技术中心的技术人员则根据松果在大气湿度发生变化时自动开合的特性研制出聪明布料，做成的衣服可以随着人体体温的变化进行调节，使人感觉凉爽。

尽管有这些成功的例子，但仿生技术的开发更多的还是依赖运气。英国巴斯大学仿生和自然技术中心负责人朱利安·文森特说，工程师往往需要依靠生物学家首先发现某一个有趣的自然机制，然后才可能对这一机制作进一步开发和利用。据他估计，生物机制和技术机制只有10%%是交叉的。换句话说，自然界仍然存在大量有用的机制有待开发。因此，他和同事正在积极筹建一个“生物专利”数据库，帮助工程师们“越过”生物学家，直接从数据库所提供的众多生物机制中搜索到针对某一技术问题的自然解决方法。比如，在数据库搜索中输入关键词“推进力”，将会检索出水母、青蛙以及贝类动物所使用的一系列不同的推进机制。不过这里所说的并非通常意义上的“专利”，因为大自然才是这些“生物专利”的拥有者，科学家完全可以免费使用。

虽然文森特博士的数据库不能够像运算法则那样提供一个精确的结果，但它可以帮助识别对工程师们有用的自然规律和行为。到目前为止，这个数据库还处于早期开发阶段，仅仅拥有2500项“专利”。文森特计划寻求网络团体的帮助，将其数据规模扩大10倍。他希望，通过建立这样储存库，最终能够帮助工程师们更方便更简捷地借鉴并再利用大自然的各种精巧设计。

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