师法自然：仿生学的奇妙世界

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。

生物学家在研究蝴蝶体表形态结构与功能关系时发现，有一种蝴蝶体表覆盖的细鳞片能随外界温度升降而张合，以保持体温正常。航天专家们注意到了这一生物功能特性，试图以仿生学方法解决一个航天难题。在轨道上运行的人造卫星相对太阳的角度时刻都在变化，卫星上的温度也随之急剧升降。为了不使卫星内部仪器烧坏或冻坏，必须采取温控措施，其中一种控温系统与蝴蝶调节体温有异曲同工之妙。它的外形像百叶窗，每扇叶片正反两面辐射散热能力不同，所采用的特殊装置能使叶片随温度升降而张合。这是仿生学在高技术领域的成功应用案例之一。

或许，最有趣的生物功能模仿非蜕皮衣服莫属。伦敦艺术大学学生凯蒂·莱杰从蛇的蜕皮特性中受到启发，设计出一系列可逐层剥弃的服饰。据统计，平常每洗一次衣服，需要消耗40加仑水和5.5千瓦电力。凯蒂·莱杰考虑如何尽量减少洗涤次数以节约水电时，想起了蛇蜕皮的例子，于是，据此设计出能随着逐层蜕弃而改变颜色或款式的衣服。根据她的设计模型，每套衣服由三到八层天然纤维织物构成，每层织物之间用无毒、可溶于水的高分子聚合胶粘连。只需喷上水，衣服的最外层便能轻松剥离，并且可以作为垃圾自然降解;被剥离出来的局部也可以作为另一件衣服的配件重新组合使用。

由此可见，人类对自然的仿生绝不是简单的临摹，而是依据人类的认知和工程与技术的需要对自然主动的同化和建构，即所谓的“神似”。

机器动物

麻省理工学院的仿生学专家罗德尼·布鲁克斯教授说：“动物身上确实有一些很好的结构，研究动物是为了获得更好的设计灵感。从纯粹的工艺学角度来说，我们可以提出许多更精明的构思。”

可以证明这种研究尤为有用的领域是海洋动物的构造。虽然鱼类在以直线行进时比螺旋桨传动的船只要慢，但鱼类在行进过程中的急转弯以及在从静止到前进时的加速度是无与伦比的。1.5亿年的进化使得鱼类对水下环境适应能力很强，它们能够以高达10G的加速度加速（是航天飞机起飞时加速度的两倍多），并能在不到自身长度一半的距离内全速转弯。而且，鱼类利用能量的方式比任何人造船舶所都有效得多。

通过对鱼类游泳方式的研究，上世纪末，麻省理工学院研制出了世界上第一条能够自由游动的机器鱼。它大部分是由玻璃纤维制成，上覆一层钢丝网，最外面是一层合成弹力纤维。尾部由弹簧状的锥形玻璃纤维线圈制成，从而使这条机器鱼既坚固又灵活。一台伺服电动机为这条机器鱼提供动力。

机器鱼为研究人员解开海洋生物之谜提供了一个新的角度。鱼类似乎没有足够的肌肉力量供它们快速游动，这个谜被称为格雷悖论。但是现在的研究已经发现，即使是机器鱼稍显笨拙地像鱼那样游动也能够游得更快。这表明，格雷悖论的一个解答方案可能会获得证实——鱼类以左右两侧摆动尾部的基本游动方式减少了自身的流体阻力，从而可以获得更快的速度。

动物如何行动以及它们为何具有独特的行为，是科学家们开展仿生学研究的另一个巨大动力。仿生学家强调说，他们并不是不加区别地模仿动物，而是设法找出动物能够发挥巨大作用的某些特定的身体结构，然后再把这些结构融合到现有技术中来。

在未来某一天，当将军站在沙盘前布置作战方案时，一只蚊子可能会在你周围拍动着翅膀发出怪异的嗡嗡声。这时就要当心了，因为它很可能是只“间谍蚊”。目前，美国军方正在利用仿生学原理研制此类微型飞行器，用来刺探敌情、侦察地形以及拍摄照片。

早在2007年，在一次反战示威活动上空，盘旋着一群怪诞的飞行物，这招致人们对美国政府涉嫌秘密研发昆虫无人机的指责。官方的否认以及昆虫学家有关它们实际是蜻蜓的说法，都未能平息人们的猜测。2008年，美国空军揭开了昆虫状微型间谍飞机的神秘面纱，声称它们“微小如大黄蜂”，难以被发现，并可飞入建筑物中进行拍照、录音，甚至对恐怖分子进行攻击。

研究表明，基于昆虫结构力学可以设计出微型飞行器，在战场上空盘旋，执行侦察任务。科学家们从那些经过千万年进化具备了完美飞行条件的动物身上获得了启发。长期以来，美国国防部高级研究项目局一直在研发纳米-仿生微型无人机。研究人员现在研发出的仿生无人机，有类似昆虫的复眼、蝙蝠的耳朵、鸟的翅膀，甚至还有蜜蜂的绒毛，以感知生物、化学和核武器的踪迹。

2011年，美国航空环境公司推出一款名为“纳米蜂鸟”的扑翼式无人机，堪称仿生机器人的典范之作。该无人机外形酷似蜂鸟，长仅16厘米，重量不及一节5号电池。“纳米蜂鸟”无人机的翅膀像纸一样纤薄，每秒钟能拍打20-40次。通过改变翅膀的角度和形状对飞行姿态进行调整，它在空中的盘旋时间能超过11分钟。这只小巧的“蜂鸟”身上安装有微型摄像机和遥控装置，可以从窗户或其他小开口飞进飞出，可用于室内外侦察。它在空中十分稳定，即使在强风中也具有良好的操控性。

此外，美国还研制出了一种“纳米蜻蜓”。这种无人机翼展仅有5厘米，最高飞行速度为每秒15米，可以连续飞行15分钟。机上安装有电子元件、电池、摄像机、控制器等。

目前，大多数昆虫无人机的尺寸为10厘米左右，下一步将向毫米量级发展。由于体积小，昆虫无人机有很好的隐蔽性和机动性。它最适于在室内、市区或野外小范围进行侦察;可用于通信中继、生化控测;成千上万的昆虫无人机形成“云团”，可实施极为有效的电子干扰，还可以攻击可载人的飞行器及其他目标。美国军事理论家利比奇甚至认为，此类微型飞行器会改变未来的战争模式。将昆虫无人机用于气象数据收集、环境研究、交通控制等方面，可大大减少开支。微型飞行器和微型水下航行器的发展，在未来国家安全和经济建设等方面将起到至关重要的作用，正在世界范围内引起极大的关注。

仿生学的未来

电脑试图模拟人脑，技术也一直在模拟自然。我们可以通过研究电鳗如何避免电击自己来学习绝缘，也可以学习软体动物如何使用壳里的二氧化碳，将大气中的二氧化碳储存在建筑材料中。纳米比亚的一种甲虫可能会启发我们怎样在干旱的环境中从雾中提取水。生物学家系统地观察并研究植物和动物已有几个世纪，但是，他们很少可以将这些发现传达给其他领域的科学家和发明家。现在，将人类技术与自然创造相结合的需求日益紧迫。

1997年，科学家珍妮·班娜斯出版了一本名为《仿生学：自然启发的创新》的书。在这本书中，她主张仿生学的最主要应用应该是“结束对自然的摧毁”。班娜斯认为仿生有三个层次：形式、过程和生态系统。未来的仿生将是人造技术生态对自然生态系统的模拟。自工业革命以来，传统制造业不仅产生大量有毒物质和垃圾污染了环境，而且还耗费大量能源，对自然造成巨大伤害。班娜斯认为，依靠仿生学进行的工业设计将带来一场新的工业革命，因为自然界里的“设计”一定是环保、低能耗和节约的。

根据一份调查报告，仿生学领域未来将进入一个急剧发展阶段。到2025年，美国每年因仿生学产生的GDP可达3000亿美元，创造160万个工作机会;每年能节约价值500亿美元的能源。从另一个角度讲，我们可以想一想已经有多少生物物种因为人类活动而灭绝，它们中可能蕴含着多少尚未被人类认知的奇妙形态与功能。对仿生学巨大潜力的渴求，最终或许会促使我们下定决心，来保护大自然中不可替代的生物资源。【责任编辑：杨 枫】