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当自然赋予科技灵感

  • 作者[法]玛特·富尼耶
  • 译者潘文柱
  • 出版社江西人民出版社
  • 出版时间2017年10月
  • 定价128.00元
  • 装帧方脊精装
  • 开本1/8
  • 页数160页
  • ISBN9787210096177
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人类的发明创造往往来自自然

  1. 详细信息

《当自然赋予科技灵感》横版海报.jpg

著   者:[法]玛特·富尼耶(Mat Fournier)       

译   者:潘文柱                                     字  数:100千

书   号:978-7-210-09617-7                        页  数:160           

出   版:江西人民出版社                             印  张:20 

尺   寸:235毫米×305毫米                         开  本:1/8

版   次:2017年10月第1版                        装  帧:方脊精装

印   次:2017年10月第1次印刷                    定  价:128.00元

 

编辑推荐

☆ 精彩案例追寻仿生故事,通俗语言揭秘仿生发明。

☆ 高清标本照片 + 手绘原理图,轻松看懂仿生发明的科学基础。

☆ 丰富模块涵盖物种信息,贯穿历史文化与奇思妙想。

☆ 当自然赋予科技灵感,方知自然之智慧与慷慨

著者简介

玛特·富尼耶(Mat Fournier),毕业于巴黎第八大学,专业为法国文学和比较文学,现为美国伊萨卡学院助理教授。童年和青年的大部分时间都在梅康图尔山林间度过,学习过动物、植物和景观方面的知识。

 

译者简介

潘文柱,出版人、翻译。出生于广东省英德市,毕业于中山大学法语系。

 

内容简介

亿万年来,大自然中种类繁多的植物和动物经过优胜劣汰的进化过程,形成了千奇百怪的形态和功能,这些多样性中包含了大量可以帮助解决技术问题的方法。于是,懂得观察的工程师、建筑师和科学家就向慷慨的大自然学习那些简单而有效的想法,进而发展出了仿生学……

本书以精彩案例讲述植物和动物如何启发了发明家、工程师、建筑师、科学家,也讲述了仿生学如何成为现代科学研究中最有前景的学科之一。在每一个对页里,左页介绍一种植物或动物启发一种或多种仿生发明的故事,另有多个小模块,向我们展示了这种植物或动物的物种信息、奇特策略以及由它们引发的“想象出的发明”;右页则是该植物或动物的标本照片,以及由插画师蒂特瓦内(Titwane)绘制的发明原理图。

日新月异的科技可能已经将书中所称的“我们或许能够发明”和“正在研究”变成了现实,而“目前已得到广泛应用”或许已经过时。但无论如何,这些仿生发明的故事依然充满趣味,我们从中看到的大自然的巧妙与慷慨,也永不过时。更多关于仿生学的妙趣有待读者朋友们在阅读过程中悉心发现。

 

简  目

 巨藻,海底能源

 欧洲赤松,智能服装

 竹子,曲而不折

 枣椰树,埃及庙宇

 莲,从纯洁到干净

 王莲,玻璃宫殿

 牛蒡,征服太空

 风滚草,数码建筑

 臭木樟,喷泉树

 枫树,如何在空中停留?

 千金榆,折纸和太阳翼

 翅葫芦,飞翼

 海绵,从一种纤维到另一种

 水熊,隐生

 海参,未来医学

 鲍鱼,比钢铁更坚硬

 蛇尾海星,收集光线

 硅藻,软化学

 珊瑚虫,绿色水泥

 水母,生物发光

 龙虾,嗅觉探测器

 美洲林蛙,自我冰冻的能力

 蜘蛛,仿生学的圣杯

 水蜘蛛,带着氧气潜水

 扇贝,瓦楞板

 贻贝,无敌胶水

 鹦鹉螺,深海潜行

 章鱼,从吸盘到人造手臂

 乌贼,从墨汁到伪装艺术

 蝠鲼,水下滑翔机

 双髻鲨,奥运皮肤

 发电鱼,生物发电

 箱子鱼,节能汽车

 鳟鱼,飞艇

 金枪鱼,飞机的机身

 壁虎,在天花板上行走

 魔蜥,水之捕手

 砂鱼蜥蜴,沙中遨游

 鸽子,飞行的榜样

 翠鸟,日本高铁

 野鸭,如何在飞行中保持平衡?

 啄木鸟,从冰镐到风镐

 猫头鹰,用耳朵看

 鹳,奥托·李林塔尔的飞行老师

 安第斯神鹫,人力飞行

 企鹅,节约能源

 海豚,水下交流

 座头鲸,突起技术

 人,用骨架建造埃菲尔铁塔?

 老鼠,普斯卡尔帕克斯和人造动物

 猫,夜间反射

 穿山甲,给建筑师的鳞片

 斑马,障眼法

 飞鼠,无翅飞行

蝙蝠,夜间狩猎和超声波定位

 蜜蜂,六边形的秘密

 胡蜂,造纸的秘密

 苍蝇,抗反射的眼睛

 蜻蜓,挑战重力

 闪蝶,光的游戏

 天蛾,扑翼飞行之王

 尺蠖,微型引擎

 蟋蟀,歌唱家

 蜣螂,轮子的发明

 纳米布沙漠甲虫,收集水分

 蚂蚁,群体智慧

 白蚁,集体居住地和零能耗空调

 

前  言

仿生学是什么?

仿生学,是代达罗斯(Daedalus),他为了带上他的儿子伊卡洛斯(Icarus)逃离囚禁他们的岛屿,而制作了飞鸟的翅膀。那双翅膀如此完美,以至于年轻的伊卡洛斯忘记了自己并非一只鸟,竟冒着生命危险飞向太阳——我们都知道结局是什么。在对这则神话的阐释中,我们常常忘记代达罗斯的天才发明,他实现了人类的梦想——飞翔,而且他是通过研究与模仿自然而实现的。

仿生学,是中国的一个村子,宏村。那儿的居民在800年前,将村子布局成了一头牛的样子。不过这并非简单的形状上的模仿,因为宏村拥有一套依照该动物的消化系统而修建的水利网络。仿照动物肠道而挖掘的水道可使净水流经居住的地方;污水则汇集来灌溉农作物。

仿生学,是一位英国园丁,他在缺少一个足够大的温室来庇护他视如掌上明珠的巨大睡莲的情况下,从睡莲的叶子中得到启发而建造了一种新型温室。这里所说的温室成为了一种新型建筑的起点,它使得玻璃护板的组合成为可能;这位园丁,约瑟夫·帕克斯顿(Joseph Paxton),出于他对建筑学的贡献,大英帝国授其为爵士。而那种睡莲叫做维多利亚睡莲(王莲),帕克斯顿是第一个成功让它在温室中生长的人。

仿生学,显而易见,就是对生命体的模仿,对自然过程的模仿,目的是创造新的技术或改良已有的技术。这本书讲述的是动物以及植物如何启发了发明家、工程师、建筑师、科学家……这些例子都发生在久远的过去或者更近一些的时期。本书也讲述了仿生学如何成为现代科学研究中最有前景的学科之一—无论是在发现还是在发明方面,它都拥有迷人的前景,尤其促进着环境无害型技术的发展,如无污染科技、可循环材料、可再生能源,以及显著减少能源消耗甚至零消耗的新技术……所有这些都像一个温柔的梦境。然而,它们的可能性——技术解决方案——都已经在大自然中呈现了。如空气调节系统和零能耗集水方案,都已经存在了。有些发明已经上市销售了,比如“天然”的抗菌外层(它由于表面的结构而变得抗菌,而非借助于化学物质)、一种不含任何有毒物质的工业木胶,以及建筑的自动清洁涂层——这三种产品分别模仿了鲨鱼、贻贝以及莲花的特性。

书中所描写的一些发明和方案会让人想到科幻小说,因为如今仿生学对尖端科技的影响显而易见。如太空探测器会像飞蛾一样飞行,太阳能板能像绿色植物一样进行“光合作用”,飞艇可以像鳟鱼游动一样推进……所有这些发明都是极其严肃的,而且,在短期和长期之内,它们都会成为我们现实生活的一部分。

 

不断重启的历史

仿生学这个词语是新近产生的,但它的历史却并不短暂。事实上,我们不知道最早的人类科技是如何诞生的,也对最初的发明者知之甚少……

不过,我们却能知道,人类住得离大自然越近,他们就越模仿自然——显而易见。比如,生物学及仿生学学家戈捷·沙佩勒(Gauthier Chapelle)认为,因纽特人应该是从北极熊的巢穴中学习了如何建造他们的冰屋——这些冰屋同样具有空气调节系统。一种动物教会人类某种技能或者某种生产秘诀,此类传说多不胜数。在北美洲的沙漠里,或许就是胡蜂里的工蜂教会了印第安人如何用黏土建造他们的住房——这种住房神奇地抵挡了外部的炎热。在非洲,或许就是白蚁讲授了建筑的艺术——同样是这些白蚁,使得一种零消耗空调系统在20世纪末被投入使用。

仿生学的历史是一段不断重启的历史:在每一个时期,人们都从大自然中探寻解决技术难题的方法。比如,航空技术的先驱们花费数年时间观察鸟类、蝙蝠、昆虫甚至种子的飞行。

这同样也是一段永不完结的学习历史:人类的技术不断发展,我们对自然的认识以及对自然的观察方式也在不断革新。例如,扫描式电子显微镜使生物学家威廉·巴特洛特(Wilhelm Barthlott)通过观察最终发现了莲花效应,这项发现促成了自洁外层的产生。

仿生学的历史同样也是爱好者们创造的历史:自然学家、发明家、工程师、生物学家、建筑师……所有人都以各自的方式,为大自然的精巧和富饶着迷(不过,这并不代表他们是现代意义上的“生态学家”)。

同时,仿生学的历史还是不同学科知识相遇、共同发现和相互碰撞的历史。

 

飞行的先驱们

列奥纳多的扑翼机

是谁说过“鸟是一个遵照数学原理运行的工具,人类需要做的,就是造出一台足以复制它每一个动作的机器”?毋庸置疑,是列奥纳多·达·芬奇(Leonardo da Vinci)。正是他在15世纪开启了我们今天所了解的生物仿生学。

在列奥纳多所有的研究与工程计划中,占最重要地位的是他为之着迷的“学习飞行”。在他看来,只有以“数学的方式”,也就是科学的方式,来观察动物才能得到答案。他的素描本记录了他对鸟类、蝙蝠以及蜻蜓等动物的飞行动作和技术的细致入微的观察。在所有的飞行方式中,他特别关注的是鸟类的扑翼飞行,他对这种飞行方式从起飞到着陆做了分解观察。正是以这种方式,列奥纳多·达·芬奇将躯干中心与推力中心分离,这成为了所有飞行器研究不可或缺的一个过程。他同样致力于对鸟类翅膀的观察,观察它们的解剖学构造、羽毛分布以及羽毛的结构。

对扑翼飞行的研究促使他设计了一种由人力推进的飞行器——扑翼机(Ornithopter,在希腊语中,ornithos意为“鸟”,pteron意为“翅膀”)。列奥纳多·达·芬奇在1485年完成了扑翼机的初稿:它的两片巨型翅膀由一个滑轮装置带动,滑轮装置则由脚踏板提供动力。

不过这个飞行器存在一些显然无法解决的技术问题:首先,在那个时期能使用的材料都太重了——按照扑翼机的设计稿,它将会超过300kg;其次,即使是以强壮的腿而非手臂驱动,人类的肌肉占体重的比例依然比鸟类小得多——人类无法够快地扇动翅膀来让机器留在空中。

在扑翼机之后,列奥纳多·达·芬奇专注于研究掠食性鸟类的飞行——滑翔飞行。四百年余后,这成为了奥托·李林塔尔(Otto Lilienthal)的选择,而且正是李林塔尔促成了最初的滑翔机的顺利飞行,虽然他并非从掠食性鸟类,而是从鹳的身上汲取灵感(见第106页)。

列奥纳多·达·芬奇还绘制出了人类所知的第一个悬挂式滑翔机的模型。这是一个可操作的模型,后来的复原模型已经为此提供了证明。至于扑翼机,它所面临的问题并没有被19世纪的航空发明家们解决,而是再过一百年后由美国发明家保罗·麦卡克莱迪(Paul MacCready)解决,保罗·麦卡克莱迪首次让一架人力推动的机器成功飞行(见第108页)。而根据列奥纳多·达·芬奇的设想而制作的第一架扑翼机直到2010年秋天才出现,它由加拿大多伦多大学的师生共同制作,被称为“雪鸟(Snowbird)”。这架扑翼机有32m长的翼展(接近波音737的机翼长度),接近43kg的质量。其翅膀的长度和灵敏性使得它能够持续拍打,产生维持一定高度的动力。虽然可以说这只是一项特殊的试验,但制作了“雪鸟”的团队看中的却是在它身上蕴藏的航空发展的灵感源泉:列奥纳多·达·芬奇设计的扑翼机提供了依靠自主能源飞行的最初模型之一。

 

乔治·凯利的动物图集

“航空之父”——英国人这样称呼乔治·凯利(George Cayley)。在19世纪,这位天才的工程师研发了数不清的飞行器。更重要的是,正是他建立了关于飞行原理的科学基础,其中就包括用尾翼来平衡飞行器的必要性。我们还得留意到,凯利同列奥纳多·达·芬奇一样,从来没有亲自制作过在他所处时代的技术条件下具备起飞可能性的机器。

与列奥纳多·达·芬奇一样,凯利也专注于大自然提供的模型。在1808年,他确定了他自己的扑翼机模型,设计灵感来自苍鹭——为了更近距离地观察这种动物,他在自己的府邸内用猎枪打下了一只……他的扑翼机复制了受害动物的外形和比例。然而,凯利并没有仅靠观察鸟类来设计他的模型。在飞艇发明二十五年后,这位英国工程师改善了自己的飞艇模型,而灵感来自鳟鱼(见第86页)……植物,尤其是植物的种子,也向他提供了更富有成效的模型:枫树的翅果(见第38页)让他构想出了螺旋桨的基础结构;而蒲公英则让他设计出了锥形降落伞。

作为严谨的工程师,凯利并不满足于复制或者发明新的机器外形,他同样借助系统化的计算;他知道,一架机器如果不是从推动系统到外形都完美无缺,那它就不能飞行。出于这样的理由,他开始设计一种他宣称的“最少阻力的坚固外形”——这契合后来人们所熟知的

流线型。根据乔治·凯利的计算,这种“最少阻力的坚固外形”正好对应海豚的身形。20世纪70年代,即一个多世纪以后,关于层流的研究证实了凯利的直觉:与金枪鱼一样,海豚也是这一领域的学习榜样。

1857年凯利去世后,还要经过好几代人的时间,才等到第一架悬挂式滑翔机在1891年的首次飞行。随后是最初的飞机在20世纪初面世。航空历史上最初几十年里的这些先驱们的灵感大多来自动物:阿代尔(Ader)的蝙蝠、埃特里希(Etrich)的鸽子、李林塔尔的鹳……

然而这只是一个开始。在整个20世纪,航空历史上写满了由细致观察自然而得出的发现。猛禽强有力的飞羽启发人们修改机翼的外形以避免颠簸;海豚的皮肤使得开发一种减少空气阻力的涂层成为可能;群飞的候鸟为共同飞行的飞机给出节省燃油的提示……

 

机器仿生学:当机器模仿自然和人类

如果我们模仿的动物是人类,这还算是仿生学吗?在20世纪中期,就像一百年前的航空科学那样,机器人科学吸引了研究者和大众的兴致。随之而来的,是创造出人造的人类复制品的美梦(或者噩梦)。几十年后,这种痴迷和它所引发的恐惧已有一些消退。不过,在这种背景下产生的科学——机器仿生学(bionics,可译为“仿生学”。一般认为bionics这个词和这门学科是在1960年由斯蒂尔首先提出。但在法语环境中,该词对应bionique,通常指从动植物身上获取灵感来创造新的科技,可以说是狭义的仿生学。——译注),取得了令人赞叹的进步。

20世纪60年代初,“机器仿生学”一词通过美国代顿的一场会议而得到传播,这场会议聚集了来自世界各地的科学家。

这场会议的倡导者是杰克·斯蒂尔(Jack Steele),美国军方的研究者和军官。当时冷战正酣,杰克·斯蒂尔意识到一些或许能为生物学打开前进大门的可能——如果它们是在武器领域得到开发的话。从间谍机器人到水陆两栖的越野运载工具,从超强机器人到变异动物……这是一个世界的开端,它会为科幻小说提供素材——但不止于此。

代顿的会议标志着杰克·斯蒂尔所称的“机器仿生学”的研究者的第一次聚集。他将这门学科定义为“模仿生物原理来建造技术系统,或使人造技术系统具有生物系统特征或类似于生物系统的科学”。这样的定义不仅包括模仿人类的发明,而且还与仿生学定义有部分相交。

不过,机器仿生学这一术语如今更多地关联着机器人科学和修复学——就是模仿生命体,以及研发能够“移植”到生命体中的人造肢体和器官。

我们还记得20世纪60年代70年代在漫画和电视连续剧中出现的人物的“仿生”四肢。几十年过后,它们几乎成为了现实。这种肢体尤其得益于人造肌肉的发明,它能够遵从电流刺激反应。

人造肌肉由一种新型材料——电活性聚合物制成,在20世纪的最后几年里研发成功。不足之处是它在力量方面还有待提高。在最后的实验中,它在力量方面还是比人类肌肉差了许多……

另一方面,凭借目前神经学上的知识已经足以造出一种既模仿人类肢体外形,又遵照主人的神经命令的假体。而且,在不远的将来,它能够向大脑传导信息,让它的穿戴者能够“感受”到它在触碰某些东西。

 

争夺空间的动物-机器

一只甲壳虫与一台计算机有哪些相似之处呢?答案远远多于我们能想到的。在科幻作家们的想象中,机器人就如同人类的复制品。

事实上,今天的机器人研究将希望寄于动物身上。动物们——甚至在某些情况下,还有植物们——能够教给机器人的,首先就是它们的移动方式。动物的移动方式多样且绝妙,挑战着人类运载工具的原则。某些动物能在水面上或天花板上行走,或者比任何直升机都能更稳定地悬停,或者能从一道裂缝潜入物体内部,或者能在地底下穿行……动物们掌握了无数工程学问题的答案,只要我们能成功地模仿它们。

如果说动物们的移动方式极其高效,那首先是因为它们能够适应它们的生存环境。请想象一个必须在海底走动的机器人:还有比能抵抗着水流在礁石中行动的甲壳类动物更好的学习榜样吗?这就是机器龙虾,一个机器人-龙虾的结合体(见第60页),它专门用于探索海岸边的水下部分。同它的模仿对象一样,这个机器龙虾也具有一个能够抵抗外界压力的甲壳;除此以外,它的外形也使得它能够在重力小于地面的水中依然保持紧贴海底。机器龙虾只不过是数十种忠实模仿动物的外形和移动方式的机器人之一。机器蜗牛(RoboSnail,名字来源于一种水生蜗牛)——一种能征服空间的机器——同样能在水下移动,不过需要黏附在载体上。机器七鳃鳗的发明能让人更深入地理解爬行动作和“感受器”,即将神经冲动从身体的一部分传导到下一部分的接收器。另外,还存在机器蛇、机器鱼、“仿生企鹅”(见第110页)、用苍蝇或者胡蜂的方式飞行的机器人、像水母一样移动的机器人……

一种移动方式如果已经完美地适应了一种环境,并不意味着它应该就此却步。在本书的例子中,一种动物和一种植物成为了探索火星的榜样。动物正是天蛾(见第140页),它启发了人们发明多模态电子昆虫——达·芬奇扑翼机的一种变形后代,这种器械能够在火星的地面上飞行,并且能在地面上停留和采集样品。植物则是风滚草(见第34页),西部片里的神圣植物,它能在地面上滚动行走。

这两项发明的相同点,在于它们揭示了仿生学怎样让研究者通过借鉴已经存在(通常是存在了上千年)的方式来跳出思维局限。

 

传递感受,处理信息

机器人从动物身上学到的,还有接收信息和处理信息的方式——也就是说,它们的感官和它们如何使用感官。在视觉、听觉、味觉方面,昆虫和软体动物与哺乳动物有极大的差异;前者更为简单,更有可能被分解成一台机器能够利用的机制。如今的机器人研究的重点在于信息的处理,这里的信息指的并非是由机器人的“操控者”向它们传递的信息,而是由机器人所处环境反馈给它们的信息。为一台机器人安装摄像机并且处理由摄像机所传递的图像是更简单的(相对而言),但教会一个机器人自主处理它“所见”的图像,则更加困难,哪怕只是绕过一个障碍物。而正是在这方面,机器人能够获得更大的自主性。

举个例子,一条鱼感知到一个障碍物并调整前进方向的方式可以被分解成不同的步骤,而且这些步骤与人类的眼睛和大脑之间传递信息的方式有极大的差异。更何况眼睛并不一定都承担主要的功能:许多种类的鱼都有一种特殊的感觉器官——体侧线(这个名字源于该器官穿过身体侧部),这个器官使得动物能够探测水流的颤动,然后立即改变方向。

由此产生了斯路奇(Snookie),一个拥有接收器的机器人,而它的接收器模仿了一种淡水鱼——墨西哥盲鱼(Astyanax mexicanus)的体侧线。斯路奇能够自主移动,并且避开障碍物。尽管斯路奇目前只处于实验阶段,但这类机器人在将来或许能够产生实用价值,比如检查以及清理管道,或者进行水下探索。

引导斯路奇移动的装置不过是机器人感官探测器的一种可能的应用实例。龙虾的触须(见第60页)上有能够探测气味的化学接收器,加利福尼亚的研究者已经能够模仿这一机制,并且正在据此研发能够探测水底污染、石油泄露等问题的机器人。有一些动物,比如电鳗(见第82页),确定自身位置时靠的是电磁定位——通过释放像雷达波段那样传输的电流,模仿这一定位方式的机器人也正处于研究阶段。

更宽泛地说,动物能够教会机器人如何反应、如何传递反应,以及如何学习。这方面最好的例子是机器老鼠普斯卡尔帕克斯(Psikharpax,见第118页)。它的设计者们并没有费力复制人类的智力,反而致力于模仿一种更为简单的智力——老鼠的智力。普斯卡尔帕克斯的“大脑”是一块能够处理信息的芯片,信息则来自摄像机和感觉接收器。这块芯片能够学习如何处理数据,以便让这只老鼠能(例如)获得食物(也就是成功地接上安置在实验室不同角落的电源插头)。普斯卡尔帕克斯使得它的发明者们能够直接观察它的学习过程——比一个真正的动物要慢了许多!这种已经在全世界开展的、与普斯卡尔帕克斯同类型的“动物机器”实验,对机器人研究和生物学研究有同样的价值,因为在这样的实验中我们可以获得一种新的视角去分析动物行为。

 

群体活动:当昆虫启发计算机

动物还是团体协作的良好榜样。颇具戏剧性的是,我们通常将组织、交流和团体凝聚力看作人类的特性。然而,动物社会也被证明极具教育意义。

对它们的模仿是当今仿生学最重要的路线之一。一群鸟如何保持方向一致地飞行?它们当中的成员怎样做到互不干扰、互不相撞,也不掉队?这是计算机科学家克雷格·雷诺兹(Craig Reynolds)在设计一种虚拟生命程序时向自己提出的问题。在1986年,他成功地对鸟的群体移动建模,也就是说,他用计算机能识别的语言翻译了这种群体移动的规则。

雷诺兹得出了三个主要原则:分离原则(与邻居保持一定的距离);对齐原则(保持与邻居一致的前进方向);凝聚原则(根据邻居间的平均距离保持自我的位置)。雷诺兹的虚拟生命程序曾经(如今也在)被用于动画电影和电子游戏的制作,然而,它实际上大大地超越了这一个范畴。

在机器人研究中,雷诺兹发现的规律能够协调数个自主机械的工作,并且使其保持团体队形。更重要的是,上述的三条原则中还能增加新的命令,比如去往一个目的地、躲避障碍物、对区域实行分区控制等。

同样,昆虫的团体协作也是一个绝佳的榜样——不是对于人类而言,而是对于计算机。不同于人们所认为的那样,成群的蜜蜂、蚂蚁或者白蚁的智慧,并非集中在一个王后的绝对权力上。一个动物种群不仅能够拥有数个王后,而且后者绝对不知道在另一个巢穴中发生的事情。比起同一种群中的其他角色,王后拥有下达命令或者指示的权力。群体的智慧并不在于对一个中央大脑的服从,而在于一种由许多简单互动相连的沟通方式——与雷诺兹得出的领航原则同样简单。这样的方式会让人想到计算机的运作:通过大量的二进制符号得出合适的答案。

因此,目前许多已运行和在计划中的软件都尽量模仿一群而非一只蜜蜂的思维方式(见第130页),这并非是一个巧合。蚂蚁和蜜蜂拥有许多对计算机而言极有价值的方式,尤其是它们构成网络的方式:寻找离源头(食物源头,或者信息源头)最短的路径;持续按需分配工作而不浪费劳动力;使得由个体组成的群体(或者信息)得以运转而不停滞;或者在尝试过多种方式后选择最佳解决方案。

 

丝、甲壳和叶子:有机材料,最理想的材料

一只蜘蛛,一动不动地栖息在窗台的边缘。当一个阴影靠近时,它已经下落了——沿着一条它自己刚刚生产出来的丝,一条以极快的速度按需生产的丝,一条能够承受巨大重量的丝……哪一种人造物能达到这样的要求?

这并非只是在赞叹大自然,而是我们留意到,现如今,大自然所生产的材料比所有靠人类科技生产的材料都更坚固。蜘蛛丝比钢铁和凯夫拉纤维都更坚固,正如尼龙在过去的几十年间所起的作用一样,蜘蛛丝也会成为未来重要的人造材料。根据蜘蛛丝设计出来的纤维,除去巨大的市场不说,它还是生物可降解的……这些都将成为现实;而这应归功于生物化学——对细胞内部的化学反应的研究。

蜘蛛丝由蛋白质组成,大多数的自然材料也是如此,包括组成人的身体的材料。胶原蛋白——骨头、皮肤和结缔组织的重要组成部分,是一种蛋白质。角蛋白——组成头发、指甲、兽角和羽毛的成分,它也是一种蛋白质。事实上,几乎所有的生命形式都包含蛋白质——它有着难以想象的宽泛用途。从分子成分上说,蛋白质是由氨基酸链组成;不过,虽然存在着上百种氨基酸,却只有二十几种能够参与天然蛋白质的合成。种类有限的原料,却产出几乎数不尽的材料:对于生物技术来说,这是前景,也是谜团。

对蛋白质的赞叹同样适用于碳水化合物。多聚糖(糖类)组成了生命世界的大部分。植物纤维、昆虫甲壳、脊椎动物的软骨……所有这些材料都应该将它们的结构、坚固性、弹性、强度或者柔韧性归功于多聚糖的特性。多聚糖还可以作为一种储备能量,比如葡萄糖——这就是某些植物生产淀粉时的情况。多聚糖还可以作为结构材料(换句话说,它是一种天然的建筑材料),比如木材的纤维素和昆虫甲壳的几丁质。纤维素——构成大部分植物的材料——是十分值得(但也很难)模仿的。纤维素极其坚固(谁在切断一根花茎的时候没有感到困难?),不管是坚固还是柔软、纤细还是厚实的材料,它都可以组成——正如植物世界的多样性所展现的那样。例如,我们能够想象以植物生产纤维素的方式生产的布料,这种布料将拥有如今的人造纤维不可能拥有的特质:生物可降解性、适应环境气候的自我调节能力……

而这都不是科幻小说:这些新型的布料即便还不能大规模生产,但也已经处于研发当中,某些甚至已经出现。以此类推,如果我们能够像植物那样按需合成纤维素,我们就能拥有更轻盈、更有效和更节省的建筑材料(比如坚硬的架构、不透水的表面材料)。

 

当化学变得温和:生物矿化作用

动物不仅仅生产有机材质(凭借大大超越任何人类技术的方式),同样也生产矿物质——陶瓷材料。贝壳里的珍珠质、牙齿的牙釉质、鸡蛋的壳等,都是动物利用从食物、海水、土壤等中获取的矿物质合成而来。我们将这个过程称作生物矿化作用,它在动物世界中是极其普遍的,而且它也存在于某些植物身上:硅藻等微型藻类(见第54页),它们利用水中的矿物质生产自身的骨骼,这种骨骼由二氧化硅(也就是玻璃的组成成分)组成。

同有机材质一样,由动物和植物生产的矿物质也是按需生产的:它们能自我更新、生长;它们能组成一种密闭的保护壳,(几乎)无法从外部破坏而内部又极其脆弱(如鸡蛋);它们可以非常锋利,而且能自我锐化(比如海胆的棘和老鼠的牙齿);它们能承受对自身比例来说十分巨大的重量(比如我们的骨头,见第116页)。与有机材质一样,它们也让工程师们浮想联翩。

它们最出色的品质或许是它们的坚固。牡蛎的珍珠和鲍鱼的珍珠(见第50页)比凯夫拉纤维和钢铁更坚硬,原因在于它们的结构,而研究人员已经能够模仿它们的结构,创造出类似的材料,这些材料几乎能对抗任何冲击,即便它们还只是停留在实验阶段。除了坚固,珍珠质还有轻盈和美观的优点。在几十年后,我们或许能拥有一种摔不碎的陶瓷,而且这种陶瓷还能与最漂亮的贝壳媲美,并且绝对可循环——如同所有自然生产的矿物质那样。

可这还不是全部。生物矿化作用还有一个比上面提到的所有品质都更出色的优点:它是在常温下完成的。这似乎没什么大不了,但这其实是解决环境污染和能源消耗难题的办法。直到目前,获取玻璃、陶瓷、瓷器等材料的化学转化过程都是通过将原料置于极高温的环境下来完成的。对硅藻(见第54页)或者海绵(见第44页)的模仿让人们能够设想一种不一样的方式:将原料集中在“温和化学”的条件下,在常温下合成材料。虽然这种方式还不普遍,不过它让人得以窥见一个新的时代,在这个时代里,工业能够不产生污染和能源浪费,产出的材料能够真正地与自然相容。

 

流线型外形和节能

正如化学在初步发展阶段没有考虑到能源的成本,20世纪的科技发展(比如在运输行业)也是在忽视能耗的情况下进行的。当一架飞机能够完成长距离飞行或者打破飞行距离的纪录时,它消耗了多少燃料是无关紧要的。我们现在已经超出那个阶段了,但在节能领域,如同在空气动力学领域,大自然仍能教给我们许多知识。

几十年来,工程师们都从动物(或植物)的外形或身体比例上获取灵感,以改善风阻系数、减少阻力和颠簸等。在20世纪70年代,正是大型鱼类和海洋哺乳动物引导了德国人海因里希·赫特尔(Heinrich Hertel)的研究。对海洋动物的体形和身体比例的研究使他完善了流线型外形的计算,并研制出了更节能的飞机。最近,另一种鱼,箱子鱼(见第84页)启发了一种新型汽车的设计:这种新型汽车并非赛车,而是一种能减少三分之一燃料消耗的运载工具。

除了能够教会人类节约能源,动物还掌握着工程师们的许多问题的答案(对一些仿生学家来说则是所有问题的答案)。猫头鹰的静音飞行的方法被模仿用于战斗机,但同时也能让某些高速列车更加安静和舒适。更令人意外的是,翠鸟(见第98页)以其潜水技巧,启发日本高速列车建造者解决了一个难题:如何让列车不颠簸地进入隧道?

在节能方面,仿生学的潜力超乎人们的想象。证据就是格雷(Gray)提出的疑问。在20世纪30年代,这位生物学家明确说到,像金枪鱼和海豚这一类游速极高的海洋生物,它们的肌肉组织并不足以解释它们的移动速度。这对于水母也是成立的:水母为何在高水压下,依然能如此快速地移动呢?今天我们知道格雷的计算是错误的,这一疑问的真正答案在于涡旋。这个词语再次让人想到了科幻小说……而事实的确很奇妙。涡旋,是指在水中(或者空气中)由于一个大体积硬物(比如鱼或飞机)的移动而产生的旋转。金枪鱼和海豚的秘密,在于利用这一个涡旋的能量来作为它们肌肉力量的补充。这一切都在完美的节奏中完成:金枪鱼尾部的拍打节奏让它能够在最大程度上利用上一次身体摆动所产生的力;水母收缩肌肉的节奏,让它正好能够借助它制造的前后两个涡旋相撞产生的推力……

这些动物的策略不仅启发了某些机器人的移动方式,而且在新运输工具的发明中扮演着越来越重要的角色。涡旋的利用还为新能源的发展打开了一扇门:比如已有的模仿金枪鱼的鳍的海底水力发电系统(见第88页),以及能够将高速路上车辆经过所产生的涡旋转化成电流的计划。

 

像一棵树那样建造:建筑师与仿生学

是否存在一种平衡的、在比例上对应了树的高度与结实度的建筑物,一种全部由可循环材料建造的建筑物,一种能够汲水并且获取维持其稳定运行所需能量的建筑物?答案当然是:否。然而,建筑师不仅常常从自然中寻找美学上的灵感,而且他们当中的许多人同样也在其中寻找实际问题的解决方案——或者生态问题的解决方案。

除了被当作一种建筑材料,树木还是一种被模仿的榜样——而且一直以来都是:我们知道棕榈树(见第26页)启发埃及人建造了埃及庙宇中的支柱。在18世纪,正是橡树给英国工程师约翰·斯密顿(John Smeaton)提供了新型灯塔的模型。红白相间的埃迪斯顿灯塔——今天以“斯密顿塔”之名为人所知,就是以橡树为模型修建的一系列灯塔中的第一座,它的高度和坚固程度都是当时前所未有的。为了能将花岗岩石块堆积起来,斯密顿模仿了橡树的树干比例:底部加粗,垂直上升时收缩,顶部再次加粗,以抵抗风力。

20世纪末,给了建筑师们新想法的已经不仅仅是树的外形,还有它们的内部构造。竹子(见第24页)和松树(见第22页)就是其中一个例子,它们的生长方式直接启发人类开发了一款能够最好地分配压力的设计软件。换句话说,在今天,从理论上说,已经有一些汽车是以松树的生长方式生产的了。

更宽泛地说,建筑师们不仅从树木中获取灵感,而且还从整个大自然中学会构造以及和谐的道理。在1917年,苏格兰生物学家达西·汤普森(D’Arcy Thompson)发表了一本划时代的著作:《生长与形态》(On Growth and Form)。在这个题目下,汤普森探索了物理规则对于生物的外形的影响:为什么一种动物,比如一条鱼,要依据其生长环境“构建”自身——是为了应对水的压力,还是为了能在捕食者面前逃离?在《生长与形态》一书所罗列的规则中,答案依然是——节约。大自然总是以尽可能少的物质来构建自身,生物体必须“发明”适应这种需求的外形:蜜蜂的蜂房、硅藻的骨架、鸡蛋的外壳……

与作者的预想相反,《生长与形态》并没有给生物学带来巨变,反而成了建筑师和工程师的参考资料。达西·汤普森的计算尤其为自承重建筑带来了宝贵的帮助,自承重建筑是指稳定性和坚固性依赖于自身外形的建筑物,如穹顶建筑——巴黎的球幕影院La Géode就是一个代表。穹顶建筑在20世纪中期由建筑师理查德·巴克敏斯特·富勒(Richard Buckminster Fuller)改进,它并非“真正”的球形,而是由相互交错的三角形、六角形和五角形组成。这是一种加入了大自然现存模型的建造方式:为了使用最少的材料建造出最坚固的球形,最好是求助于三角形或者六角形单位——这正是硅藻的选择。

21世纪初,建筑师们前所未有地把目光投向了对生物的模仿。关注点在于:外形的优雅和材料的节约,以及环保和零能耗。再引述一个例子:建筑师丹尼斯·道伦斯(Dennis Dollens)的工程,旨在推广他称作“数码建筑”或者“基因建筑”的建筑方式。

道伦斯的观点是信息技术使我们可以像大自然那样建造,也就是说,模仿植物生长的方式,即树叶或枝丫在一条茎上的分布方式——与它们给我们的无规律的印象不同,这种分布并非是随意的。道伦斯设计出的建筑中,房间就像植物的“果实”一样分布在一条“茎”上。这种设计有两个好处:一方面,每一颗“果实”都拥有最大的向阳面积,也就是有更大的被动采暖的可能性;另一方面,这种方法能够在节省材料和空间的同时,安置下尽可能多的房间。

 

如果我们模仿大自然本身?

这正是如今众多仿生学家所呼吁的,在他们当中有美国人雅尼娜·拜纽什(Janine Benyus),生物模仿运动(Biomimicry)的发起人。这个新名词让拜纽什能够为仿生学贴上不一样的标签,这样的标签有别于不以创造与环境和谐的科技为特定目的的仿生学。正相反,生物模仿运动希望能够从大自然中学习,进而开发一种环境无害型的工业、农业、建筑业或者生活模式——它们如同大自然本身那样,是可循环且能源自给的。

例如草原和森林,它们是持久的生态系统,能够在不使土壤退化的情况下生产水果和种子。我们能够想象一座以同样模式运作的花园吗?答案是肯定的。生物模仿运动组织中的一些成员从北美的草原模式中得到灵感,成功地开发了一种与目前通行的粗放式农业具有同等产出的农业系统,不过这种新型农业系统是可持续的。方法在于:放弃单一作物种植,让至少五六种作物共存,将土壤好的地块让给扎根很深的多年生植物和豆科植物,优先培育生长期相错的作物。

另一个例子是循环利用。大自然能将一切循环利用;而且与人类不同,大自然的循环不求助于不可循环的有害化学品……我们也能这么做吗?同样,答案是肯定的。现在已经出现了多种从大自然中学来的用微生物处理污水的方法:这些方法通过复制河岸或者森林土壤的环境使污水中的有机物转化成腐殖土——这种腐殖土又再担任过滤的角色。这一切都比我们现在常用的处理方式节省90%甚至100%的能源。当然,自然的循环方式不能处理有害物质,不过仿生学还能使工业生产避免使用大多数的有害材料。

最后一个例子,也许是最炫目的一个,即光合作用。植物每年能转换多达人类能源需求十倍的光能,受此启发,人类才发明了用于太阳能板的光生伏打电池——但这比植物还差很多。它们的不足之处在于效率低下,并且无法长时间储存它们获取的能量。目前的解决方案是,越来越高效、能储存更多能量的电池正在有规律地更新换代。在短期和长期内,对植物的观察或许能让我们更有效地模仿光合作用——从而利用一种不仅可再生而且免费的能源。

如果说仿生学(尤其是生物模仿运动)吸引了越来越多的研究者和工业家的兴趣,那么这是因为大自然部分地解答了——或者能够解答——目前最为关键的两个问题:环境保护和能源短缺。如果大自然与科学技术是不可分离的;如果它们并不是不可兼容甚至敌对的;如果它们在最好的情况下,并不是要互相消灭的话;如果……那么许多事情就有可能成功。因此,我们就能够瞥见一个不全然是玫瑰色,而是绿色的未来。未来是属于仿生学的吗?很难不这么期盼。

《当自然赋予科技灵感》竖版海报.jpg