九大仿生應用：翠鳥嘴巴幫日本新干線降噪

對于設計中的優雅和高效，自然界永遠是我們學習的對象。和我們現有的技術相比，大自然在解決一些關鍵問題時采用的方法常常比我們的更高效，更長久，可自我維持并且一般也更加可靠，更加敏捷，更加輕便。

工程師們希望從大自然的鬼斧神工中尋找啟示，于是仿生學應運而生。這門學科擁有悠久的歷史，至少在15世紀時就已經出現，當時達芬奇曾解剖鳥類，試圖以此為藍本設計一種“飛行機器”。以下列舉一些得益于自然界啟示的工程應用實例：

1.翠鳥和新干線

日本的工程師們成功地制造出了新一代新干線列車，其運行時速超過320公里，但是當列車高速行駛時其產生的噪音超過了環境標準，這是由于列車高速通過狹窄的車道時將產生音爆效應。

這一問題的一部分原因是列車的車頭是子彈型，因此它會“推擠”前方的空氣而非“切穿”過去。為了解決這個問題，工程師們從翠鳥的嘴巴上得到了靈感，這種鳥類在沖向水中捕魚時只會濺起很少的水花。

觀察發現，翠鳥擁有一個流線形的長長鳥嘴，其直徑逐漸增加，以便讓水流順暢向后流動。通過仿生學設計，工程師們對子彈車頭進行重新改造，西日本鐵路公司制造出了500系列列車，并于1997年投入使用。實踐證明這種列車的車速比起原有設計提升了10%，而電力消耗降低了15%，而噪音水平也有了顯著下降。

2.和樹木一樣強健

樹木和骨骼都擁有相對較輕卻高強度的特征。為了使應力均勻分布，樹木會在最重要的受力點增加重量，而骨骼會在不需要的地方去除不必要的物質以便減輕整體重量。工程師們從樹木和骨骼的結構中得到啟發，將靈感運用到軟件設計中，以便實現減重并增加材料表現水平。

梅賽德斯公司推出的一款概念車設計采用了輕質骨架，便是從樹木和骨骼結構中得到了靈感。盡管這款名為“Bionic”的低排量汽車從未投入大批量生產，但是該公司確實將這些理念運用到了之后的多款量產型汽車設計中。

3.可彎折、可自我修復的混凝土

我們的身體如果受傷出血，我們可能需要護創膏，但那已經算是比較嚴重的劃傷了。我們體內的血液循環系統會迅速反應，修復創口。

美國密歇根大學的科學家們從這一點得到靈感 ，設計出了能自我修復劃痕的混凝土。他們采用特殊的微纖維，而不是傳統使用的粗糙砂石來用于水泥的加固。加入了微纖維的混凝土即便在彎折的情況下也只會出現頭發絲粗細的細微裂縫，而不是破壞性的大裂縫。并且更妙的是，一旦出現裂口，其豐富的纖維便會從周遭空氣中吸收水汽，從而使“創口”變得柔軟，并逐漸“愈合”，修復裂隙。與此同時，水泥中的鈣離子也會從空氣中吸收水汽和二氧化碳，生成碳酸鈣，這是貝殼的化學成分。經過這樣一些列自發的修復和再加固過程，彎折后的混凝土結構牢固如初。

盡管現在這種具備自我修復功能的混凝土價格相當于普通混凝土的3倍，但是從建筑壽命和安全性的長遠考慮，仍然是一種更加經濟的選擇。

4.像鯊魚那樣對抗細菌

很多鯨類和海牛的身上會長出藻類甚至藤壺，但是不知道你注意過沒有，鯊魚的身上卻從來不會出現這種情況。這似乎得益于鯊魚身上一種被稱為“盾鱗”的結構。這是一種軟骨魚類特有的，與牙齒結構近似，由表皮和真皮共同形成的鱗片，這也是鯊魚的皮膚摸上去非常粗糙的原因。

科學家們根據鯊魚皮膚的構造啟發，設計了一種被稱為“鯊魚”的表面工程設計。這種表面結構本身不需借助任何其他手段，其本身便可以阻止細菌在其表面生長。一家名為“鯊魚技術”的公司已經將應用這種仿生技術的貼膜銷售給許多需要防菌的用戶，并生產了一些有意義的新型產品，如不會被細菌感染的導尿管等等。

5.自動水流收集系統

這是一只澳洲刺蜥，它能通過自己身體表面進行自動集水。當夜晚溫度下降時，露水會在它身上聚集并通過毛細作用自動流向它的嘴里。

如果我們能設計出類似這種高效的被動集水系統，它將幫助全球數百萬飲水困難的民眾脫離困境。

6.像蚊子那樣扎針

不管過后有多么其癢難耐，你會發現蚊子在咬人時你是不怎么疼的。蚊子的口器接觸人體的方式可以使它觸發盡可能少的皮膚神經，從而減少疼痛反應。

在對這一現象進行的滲入研究中，日本關西大學的工程師們制造出了一種細微的，根據蚊子口器仿生制成的鋸齒形針尖。和傳統的圓柱狀針管不同，在中央針尖的旁邊還設置了兩條細微的外側鋸齒條，極大地降低扎入人體的痛楚。

7.全天然空調系統

白蟻會建造這樣巨大的巢穴系統，但是在炎熱干燥的非洲草原上，這樣一個建筑的內部卻總是能自己保持恒溫和濕潤。不論外界多么潮濕，干旱，高溫或寒冷，對其內部毫無影響。為了做到這一點，白蟻們會視情況在一天中忙著不停的打開或關閉不同方向的通風口。

在設計津巴布韋首都哈拉雷市的東門購物中心和辦公大樓時，設計師麥克·皮爾斯(Mike Pearce)研究了白蟻巢穴的結構。其結果是，東門購物中心只需要傳統設計10%的能量消耗。這樣形成的節約使它得以降低租金，從而吸引更多商戶入駐。

8.制造更好的沖浪板

座頭鯨翅膀前側有一些波紋結構，這幫助這種龐然大物更加優雅流暢地在水流中前行。這種結構能夠幫助減少阻力，并幫助座頭鯨“抓住”水流，從而確保它盡管擁有巨大身軀，仍能敏捷行動。受此啟發，沖浪板生產商“流體地球”(Fluid Earth)生產了擁有波紋狀前端的特質沖浪板。

9.水下遠程識別標簽

這種藍色蝴蝶的翅膀上擁有一種細微的層狀結構，它能以不同角度反射陽光，造成彩虹版炫目的色彩。一家名為Omni-ID的公司受此啟發，制造了一種無線電頻率ID標簽。這種標簽可以透過金屬網眼甚至在水下都可以讀出。他們采用一系列精巧的金屬片來聚集和改變入射的無線電波，并反射回一個清晰的信號，從而可以進行遠程的識別。