雾姥甲虫仿生设计研究初探

李勇平　白玉　赵妍　王伟　刘博文　李树林

摘要：大自然就是人类最好的老师，人类通过观察、思维和设计，对身边的事务进行研究和模仿，通过自己创造性的劳动，制造出不同的工具。本文通过对仿生学历史发展及日常生活中的应用，进行仿生设计举例，雾姥甲虫生水器，总结出人类在大自然中寻找新的思路，仿生学将会为我们的研究搭起桥梁。

关键词：仿生设计;雾姥甲虫;生水器

1前言

模仿是人类与生俱来的本事。鲁班发明锯子，人们根据鱼儿游动发明了船只，还有雷达、电子蛙眼等等。这些都是人们在生产生活中发现、模仿、制造出来的一系列方便生活的工具。人们越来越重视生活中的细节和观察大自然中的一切，也掀起了一股模仿热潮，于是便有了仿生学。仿生设计活跃在各个领域，让人类的生活更加便捷和丰富多彩，提高了人类在自然界中的的地位，解决了人类发展中一系列的问题，促进了社会的发展。

2仿生历史发展及日常生活中的应用

从古至今，大自然就是人类最好的老师。各种科学技术、原理及重大发明都是人们从自然中学习的。自然界中万物进化演变，最终适者生存，不适者淘汰。无论是动物还是植物，在悠久的进化过程中，保留和进化出最优越的生存本领。人类生活在自然界中，从周围的生物的身上，学习到了各种各样的奇异本领，人类通过观察、思维和设计，对身边的事务进行研究和模仿，总结出生物最独特的本领，并通过我们自己创造性的劳动制造出简单的工具，更增强了人们与自然界斗争的本领和能力。

在我国的历史发展中，有很多模仿生物的例子。祖先们为了防御猛兽的伤害，他们模仿鸟类在树上营巢。有史书记载，两千多年前，我国人民就发明了风筝，并且应用于军事联络和娱乐休闲。还有鲁国的匠人鲁班，他从一种能划破皮肤的带齿的草叶上得到启示而发明了锯子，给当时的劳动人民带来了方便。当人们看见生活在水中的鱼类，于是古人伐木凿船，仿照鱼的胸鳍和尾鳍制成双桨和单橹，从此，人们获得了水上活动的自由。

在国外，瓦特在一次烧水的经历中发现，烧开的水可以把水壶盖推起来，于是，他在不断的改进和实验中发明了蒸汽机，从此之后，各种款式的机器被發明创造出来，应用于各种生产，把人类从繁重的工作中解脱出来。随着技术的进步，机器人被发明出来，模仿大脑的角色，一个控制中心设计出来，处理着成百上千的数字信息，就像人的大脑支配其他器官劳动一样。

蝙蝠眼睛退化，在夜晚飞行时会发出超声波，这种声波传播很快，当它碰到物体时就会反弹回来，再一次让蝙蝠接收到以确定物体的位置，从而避免与物体相撞，所以它也能在夜晚中任意飞行。人类就模仿蝙蝠这一本领发明了雷达，现在雷达的用途非常广泛，比如飞机、航空等领域。

3仿生设计举例—雾姥甲虫生水器

水是人们赖以生存的资源，例如沙漠是水资源匮乏的地方，有的地方水质遭到严重的污染，无法供人饮用，所以水资源已经成为人类的严重问题之一。自然界中存在许多的昆虫，它们大多体型较小，但是各自都有独特的生存本领，有些本领的巧妙连人类也自叹不如。雾姥甲虫生活在纳米比亚沙漠中，它们为了解决自己的饮水问题，适应沙漠环境，进化出了一套完美制水设备。它们利用沙漠昼夜巨大的温差，在夜晚降低自己外壳的温度，到了白天如果它们想喝水了就爬上小沙丘，将身体转向风的方向低下头，用自己的后腿收集空气中的小水珠，小水珠遇到低温的外壳就会凝结成水，不一会儿水就会流入它的嘴里。究其原理，甲虫是利用温差将空气中的水分先凝结成水滴，再由自己外壳上的突起的小丘，将水滴聚集在一起顺势流下，于是，我们有了仿照甲虫这一特性设计出了仿甲虫生水器。

雾姥甲虫仿生生水器，是由太阳能电池板、涡轮机，还有过滤芯，储水箱四部分组成，本产品操作简单，只需要将它埋入约两米的地下中。它首先由太阳能供电带动涡轮，将周围空气吸入机器内部。并且将空气过滤后进入地下带有超轻水纹理和超疏水凹槽的铜管内部，地表与地下自然产生的温度差，空气中的水蒸气遇冷液化，变成的水的小水珠沿管道顺流而下。最后小水珠通过过滤装置进入储水器中。在使用时通过管子将水压出来。这样就可以直接饮用。依靠此生水器，在每立方米的沙漠空气中可以带来11.5毫升水，而且跟耗能制冷的水分收集装置不同，它只靠温差，涡轮机还是太阳能供电，价格低廉，设计靠生物模拟，收集水分靠温差，供电靠太阳能，利用大自然就可以解决我们平时或在沙漠中特殊情况的生水问题。

4雾姥甲虫生水器的前瞻性

大自然中的一切生存至今，无一不是因为自身的特殊性，超强的适应力，这本身就是具有的优越性。人类为了适应自然一边进化一边模仿。我们虽然不能像鱼儿一样在水中游来游去，但是我们可以模仿它制造出船，承载我们畅游汪洋。并且方便了我们的交通。我们虽然不能像雄鹰一样翱翔天空，但是我们可以模仿它制造出飞机，带我们俯瞰世界，如今的飞机，已经应用于交通运输、货物转移、军事和农业等领域。人类经过模仿，研究制造出的每一种工具，都具有其优越性，因为它们都是进化的结晶，智慧的常产物。

仿甲虫自动生水机也同样具有其优越性和前瞻性。目前，世界水资源十分匮乏，人类跨流域调水、海水淡化、兴修水利、控制人口、提高水价等方法，以满足人类对水的应用。小型设施，其主要应用的原理有将水蒸气压缩至液化、降温使水蒸气液化的方法，实现生水功能。而我们的自动生水机，是将空气中的水蒸气液化收集成水，其中是将太阳能转化为机械能，用来吸收空气中的水蒸气，再利用地表上下的温差将水蒸气进行液化，再收集到储水器中进行应用，这其实是一系列的循环转化，重复利用。其成本低廉，绿色环保，产水效率高，有着很好的发展前景。

5总结

仿生产品也层出不穷，大到人造卫星，小到斑马线，这些都是人类经过观察各种生物的功能所研究发明的，现如今，它已经涉及到生活中的方方面面。仿生学的意义在于，自然界中生物进化的结果为我们的发明创造提供参考，演化出生物多样性为我们的技术方案提供素材。大自然和时间，是最好的设计师，新的创造不会凭空而来，我们只能在大自然中寻找新的思路，仿生学也将会为我们研究生物搭起桥梁，为了祖国经济和社会的不断发展，我们将仿生设计发挥到极致，迎接任何的竞争与挑战。

基金项目：本文是2020年辽宁科技大学大学生创新创业训练计划项目的阶段性成果，项目编号：202010146383。