纵观历史，人们一直以舞蹈、绘画、歌曲和武术等各种形式模仿自然，这凸显了自然世界与人类文化之间的相互联系。除了文化，自然也影响着科技。生物仿生的概念最初由达芬奇于 15 世纪中叶提出，是指从大自然中汲取灵感来开发技术和解决问题。这篇博客，让我们来看看 5 个独特的生物仿生实例，探索大自然的奥秘！
1. 新干线列车
说高速新干线列车（也称子弹头列车）是日本基础设施的革命性成果并非没有道理。这条铁路带来了诸多益处，如减少城市拥堵、每年带来 5000 亿日元（约 33 亿美元）的经济贡献、提高日本国民的住房支付能力，以及大大减少日本城市的二氧化碳排放量。然而，这并不是说这条近 3000 公里的线路没有遇到过挑战。
JR 东日本新干线上的 7 种不同列车，每一种列车的设计都各具特色。采用 CC BY-SA 3.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。
其中一个挑战是噪声污染。列车速度不断提高，随之也产生更多的噪声，尤其是在进入隧道时。在隧道中，高速行驶的列车会将空气推向车头，压缩空气。当列车和气浪到达隧道尽头时，就会产生巨大的音爆，干扰居民区。为了减少这种影响，这些列车的受电弓被减小，并安装了隔音屏障，但这还不够。
然而，当工程师 Eiji Nakatsu 从一个不太可能的来源——翠鸟身上找到灵感时，这一切都改变了。在观察到翠鸟如何优雅地潜入水中而不会 对水面造成太大破坏之后，Nakatsu决定模仿翠鸟的特性设计一种新的列车。通过重新设计新干线列车的前部，使其看起来像翠鸟的喙，他的团队能够降低列车的噪声水平，降低能耗，并提高列车的整体速度。
普通翠鸟，又名欧亚翠鸟。请注意它细长锥形喙。采用 CC BY-SA 3.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。
2. 荷叶效应涂料
虽然高压冲洗混凝土石板或建筑物墙壁上的污垢和灰尘能让人感到满足，但如果我们不需要这样做就能清洗污垢，那肯定会很神奇。如果有办法让这些表面能够自我清洁就好了。幸运的是，工程师们正是从荷花及其有趣的叶子中获得了灵感。
展示出超疏水特性的荷花。采用 CC BY 3.0 许可，通过 Wikimedia Commons 分享。
人们观察到荷花的超疏水特性由来已久，但其独特的特性是 Wilhelm Barthlott 博士于 20 世纪 70 年代首次发现的。荷花的超疏水特性被称为“荷叶效应”，是指落在荷叶上的水滴只有 0.6% 会附着在荷叶表面。这是由于叶片上的微小粗糙纹理将空气吸附在叶片表面的微小空腔中 ，导致水直接滑落，并在水落下时将叶片上的污垢或灰尘颗粒拖走。这种自清洁和超疏水效果立即吸引了多个领域的工程师关注。
荷叶表面的水滴，突出显示了接触角。通过 Wikimedia Commons 共享，在公有领域获得许可。
发现这种效应后，Barthlott开始研究如何在工业环境中模仿这些特性，最终他开发出一种涂层，用于欧洲各地的建筑物，减少灰尘和污垢的积聚。一些科学家模仿这种效应，制造出了疏水性纺织品和自清洁金属。此外，美国国家航空航天局（NASA）还利用这种效应设计了自清洁太空服、科学仪器和太阳能电池板。
3. 风力涡轮机
在帆船出现的时候，人们就开始利用风的力量。事实上，第一台风车在 9 世纪就已问世。风车的使用遍及世界各地，第一台风力涡轮机最终于 19 世纪 80 年代末在苏格兰建成，这使我们能够将风能转化为电能。随着气候问题日益严重，风力发电越来越受欢迎。风力发电领域的一项重要创新不是来自天空，而是来自海洋，因为研究人员希望通过座头鲸来提高风力涡轮机的效率。
中国新疆的一座风电场。采用 CC BY-SA 2.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。
研究人员发现，座头鲸虽然体型庞大，却能做出令人惊奇的如翻滚、急转弯和冲撞等杂技动作，这部分是由于其鳍上有被称为“结节”的独特凸起。这些小结节长在座头鲸鳍的前缘（即最先接触空气或水的部分），并被证明能将空气导入沿鳍的狭窄气流中，从而减少阻力，增加升力。这就是所谓的“结节效应”。
一头座头鲸在 Massachusetts Stellwagen Bank 国家海洋保护区破浪前行。注意鲸鳍前缘的凸起。采用 CC BY 3.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。
工程师们已经开始测试结节效应在飞机和风力涡轮机等各种不同应用中的益处。研究发现，小结节可以使飞机更难失速，从而有效增加飞机叶片的工作角度。在风力涡轮机叶片应用中加入小结节可使涡轮机在更低的风速下工作，减少叶片旋转产生的噪声，并改善其工作角度，这使涡轮机在不可预测的天气条件下能够保持运行。
4. 纳米胶带
自人类出现以来，人们就需要把东西粘在一起，有证据表明，焦油黏合剂用于早期石器中的证据可追溯到旧石器时代中期。从那时起，黏合剂就已经有了长足的发展。黏合剂有多种形式和强度，无论是用超级胶水连接破损的塑料，还是在会议室的墙上贴便条作为提醒。然而有一种形式根本不需要黏性：完全非化学性的胶带，其灵感来自于壁虎和它们攀爬峭壁的独特能力。
黏在玻璃墙上的壁虎脚底特写。采用 CC BY 3.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。
壁虎利用一种被称为“范德华力”的现象来黏附表面，这种现象描述了原子之间的吸引力和排斥力。与离子键或共价键不同，范德华力的存在不是因为化学键。这种力通常很微弱，但许多其他动物（例如昆虫和蜘蛛）也利用这种力进行攀爬。与壁虎一样，这些动物的腿上都有大量被称为“刚毛”的细小绒毛，这 使得它们能够黏在玻璃等峭壁上。通过模仿壁虎身上的细小绒毛，科学家们利用这种力开发出了一种胶带，无需任何化学黏合剂就能将物体悬挂起来。
纳米胶带在显微镜下的视图。采用 CC BY 3.0 许可，通过 Wikipedia 共享。
这种胶带（通常被称为纳米胶带）使用碳纳米管模仿壁虎脚垫上的刚毛，这样就能利用与壁虎相同的范德华力将表面黏在一起。该技术最初开发于21世纪初，现在已经取得了进步，可以使胶带的黏性更强，更容易移除，甚至可用于机器人技术。(提示：如果您想进一步了解壁虎是如何利用范德华力攀爬，请查看我们的壁虎足模型！）。
5. 合成蜘蛛丝
虽然大多数人认为蜘蛛是噩梦的杰作，但众所周知，蜘蛛有很多好处。它们捕食昆虫，可以控制害虫数量，减少疾病传播；它们的毒液正被研究用于治疗慢性疼痛； 可通过研究它们的膨胀行为进一步了解种群动态。蜘蛛丝是其中的一个好处，它经久耐用、极富弹性，而且质量极轻。
用蛛丝包裹猎物的蜘蛛。采用 CC BY-SA 4.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。
那么，既然蜘蛛丝如此神奇，我们为什么不使用它呢？第一个问题是它极难生产。与蚕不同，蜘蛛既是捕食性动物，又是独居动物，这使它们很难 通过传统方法养殖。此外，蜘蛛纺织品的采集需要很长时间，艺术家需要花费五年时间和一百万只蜘蛛才能生产出一条披肩。鉴于这些挑战，工程师们转而采用人工方法来尝试制造蜘蛛丝。
当蜘蛛产丝时，它们首先会在体内的丝腺中制造一种复杂且富含蛋白质的液体。当这种液体在蜘蛛体内流动时，会进入使其酸化并变成固体丝线的导管。然后，蛛丝通过喷丝头被拉出，用于捕捉猎物或筑巢等多种用途。工程师在尝试重现这一过程时，面临着各种挑战。首先，蜘蛛体内变为丝的液体由于分子结构长且复杂，很难再现。其次，必须将液体变成固体丝，这可能需要大量能源或有害化学物质，如甲醇和丙酮。第三，必须小心地拉伸（或纺丝），以生产出可用的纤维。无论采用哪种方法，生产可用的合成丝都是成本高昂且效率低效的。
实验室开发的合成蜘蛛丝。采用 CC BY 3.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。
然而，希望并未破灭，因为研究人员通过生物工程和生物合成技术，在生产人合成丝方面取得了长足进步。在不增加成本或对环境造成有害影响的情况下，人们正在逐步生产这种纤维。谁知道呢，也许有一天我们会穿着蜘蛛丝纺制的衬衫走来走去，用蜘蛛网制成的绳子攀爬，或者用蜘蛛丝制成的缝合线缝合伤口。
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