航天仿生，誰與爭鋒？

對航天器來說，材料的選擇和結構的設計有舉足輕重的作用。現代航天器變得越來越輕巧、堅固、耐用，這與仿生學在航天領域的應用有密不可分的關系。自然界中，上至飛鳥，下至魚蟲，都是被航天科學家廣泛研究的對象。在經歷了自然環境的變化后，生物的外形和結構進化到最優形態，每個物種都有自己生存的獨門絕技。而這些生物的功能比人造機械更優越、更靈活，為航天器設計帶來了新的思路。現代航天有哪些巧妙的設計與仿生學相關呢？讓我們一起來看看吧！

蜜蜂與蜂巢結構

相信大家對蜜蜂的巢穴都不陌生，它是蜂群生活和繁育后代的住所。但是你知道嗎？蜂巢也是自然中的建筑奇跡。它由六角柱體蜂室緊密、交錯排列組成，蜜蜂的小房子內的所有鈍角都為109°28'，銳角都為70°32'。如此完美的六邊形建筑體，不禁令人贊嘆，難道蜂群中也有數學家？

科學家們研究發現，蜂巢由蜂蠟制成，工蜂需要吸食6～8千克的蜂蜜，才能生產出1 千克的蜂蠟。面對如此巨大的工程量，“打工蜂”選擇了耗材最少、最省力氣的方式——以正六邊形搭建蜂室。而且這樣的搭建方式，使蜂室的每一面都均勻受力，穩定性極強。

在人造衛星、探測器等航天器的設計中，蜂巢狀結構可是個“香餑餑”。比如在詹姆斯· 韋布空間望遠鏡中，主鏡片的設計就采用了蜂巢狀。主鏡片直徑長達6.5 米，要制造這么大的一體式鏡片難度極高，所以科學家采用了蜂巢狀的設計，用18 個六邊形子鏡拼接成主鏡。這不僅能夠均勻分布鏡面的應力和壓力，減少由于溫差和變形帶來的光學誤差，還能夠提升望遠鏡的整體性能。

此外，帶有氣泡的蜂巢材料重量輕，隔音、隔熱性強。人們將這一發現運用到航天器的隔熱材料中。以載人飛船的返回艙為例，返回艙以每秒7.5 千米的速度沖回地球，需要承受高溫、高壓、強沖刷。仔細觀察神舟系列返回艙的“防熱衣”，你可以看到一層蜂窩狀的輕金屬結構，結構內填充了低密度燒蝕材料。這種防熱材料可承受2000°C 的高溫。在高溫作用下，它能產生一系列吸熱反應，帶走熱量，保證航天員及艙內載荷的安全。

蒼蠅與導航儀

缺少定位坐標，在沒有導航的情況下，航天器在宇宙中偏離了航向怎么辦？你可能很難想象，科學家從一只小小蒼蠅的身上找到了問題的答案。

蒼蠅的翅膀后方有一對“小棒槌”，也就是楫（jí）翅，每秒的振動頻率高達300 次。這對“小棒槌”看似不起眼兒，卻賦予了蒼蠅高超的飛行和平衡能力，使它可以快速起飛、下降、調頭和懸停。在飛行時，蒼蠅通過振動楫翅來感知身體的旋轉，一旦身體發生傾斜或偏離航向，大腦接受并分析出“不對”的信號后，便能向身體相關部位發出糾正指令。即使在不飛行的時候，蒼蠅的楫翅也會保持有規律的振動。科學家推測，這是為了蒼蠅保持身體的平衡狀態，當危險來臨時，幫助它們盡快起飛逃走。

科學家從蒼蠅的身體結構和飛行方式中得到了啟發，發明了新型的振動陀螺儀，并把它應用于飛機和航天器的導航系統中。與傳統陀螺儀依靠旋轉元件的慣性來導航有所不同，振動陀螺儀內部的元件像蒼蠅振動楫翅一樣。當航天器偏離航向時，陀螺儀在旋轉運動的作用下產生位移，位移的程度和旋轉角速度成正比。依此可以計算出航天器的飛行狀態，從而實現精確的姿態調整和導航，保障正確的運行軌跡。

振動陀螺儀的元件設計能縮小到微型尺度，除了在高精尖的航天領域，還可以將它輕松集成到手機、無人機等小型便攜設備中，因此振動陀螺儀在消費產品及工業應用中頗受歡迎。

蝴蝶與溫控系統

航天器在太空中飛行時，除了要解決導航定位的問題，還需要克服巨大的溫差——航天器向陽面和向陰面的溫差可高達300°C。為了保證航天員的安全和儀器設備的正常運轉，需要一套精細、智能的系統使艙內保持適宜的溫度。你肯定也沒想到，蝴蝶是溫控系統的“鼻祖”！

如果你抓過蝴蝶，就會知道抓它手上會沾上一層細細的粉末。這些粉末其實是蝴蝶的“鱗片”，成千上萬的細小鱗片就像屋頂上的瓦片一樣，整齊排列在蝴蝶的翅膀上。但你知道嗎？鱗片不僅能給蝴蝶翅膀帶來特別的色彩和光澤，還充當了“智能溫控系統”的角色。當蝴蝶感知到外界氣溫上升時，細小的鱗片就會自動張開，減小陽光的輻射角度，降低翅膀對陽光熱能的吸收；而當周圍的氣溫下降時，鱗片會閉合起來，使陽光能夠直射體表，從而增強翅膀對熱能的吸收。

在發現了蝴蝶調節自身溫度的秘密之后，科學家依據這個原理發明了“百葉窗溫控系統”，并將其運用到了衛星上。在百葉窗的轉動部位安裝一種對溫度極為敏感的金屬絲，利用金屬熱脹冷縮的特性，帶動葉片翻轉，控制輻射散熱量。衛星在陽光面飛行溫度過高時，金屬絲受熱膨脹，葉片就會打開到一定角度排散熱量，降低衛星溫度；溫度過低時，葉片就會閉合，抑制衛星散熱，從而有效為設備保溫。這相當于給衛星安上了“智能空調”。靠著這種自動調節溫度的自我保護裝置，衛星的使用壽命就可以大大增加了。

龍蝦眼與探測儀器

天文望遠鏡是觀測天體、捕捉天體信息的主要工具。天文學家一直注重研究宇宙中的X 射線，它揭示了宇宙中的極端物理現象，對于理解宇宙的形成和演進起到了關鍵作用。但是X 射線的發生難以預測、轉瞬即逝，傳統的望遠鏡起不了作用。如何才能更及時、有效地捕捉到X 射線的跡象呢？科學家從龍蝦身上找到了靈感。

你知道龍蝦的眼睛跟其他動物有什么不同嗎？龍蝦的眼睛由很多個方形管道組成，乍一看，像是有無數只小眼睛緊密排列在一起。在成像原理方面，大部分動物的眼睛與人眼相似，通過晶狀體折射光線成像，而龍蝦是通過反射光線來感知環境，不同方向的光線經過方形小眼的管道壁內反射，最終匯聚到龍蝦眼的視網膜上。這種結構使得龍蝦從多個角度收集光線聚焦成單個圖像，大大擴展了龍蝦的視野范圍。

我國科研人員從中受到啟發，鉆研“龍蝦眼”X 射線成像技術多年，最終打造出了廣角X 射線望遠鏡，并將它應用于愛因斯坦探針衛星上。據研發團隊介紹，常規的X射線聚焦望遠鏡視野范圍大概是從地球上看一個月亮那么大的天區，而愛因斯坦探針衛星的視場能覆蓋約一萬個月亮那么大的天區。有了“龍蝦眼”望遠技術的加持，愛因斯坦探針衛星可以對軟X 射線波段進行大視場、高靈敏度、快速的時域巡天監測。

在科技的助力下，人類能夠上天下海，生產的機械裝備看起來無所不能，但和大自然的智慧相比還是“小巫見大巫”。尤其是在系統的集成度和智能化程度上，人造的機械系統還是遠遠低于生物系統。如何利用簡單有限的材料，形成高效、自修復的復雜生命個體，我們還需要不斷向大自然虛心求教。從航天服和航天器的材料、設計到控制系統，仿生學不僅在造型和硬件研發方面為人們提供新的思路，在如何調動設備與外界交互上也帶來啟發。隨著仿生學在航天各領域的應用創新，相信我們在未來能夠研發出既實用又節能環保的可持續仿生系統。

知識鏈接

仿生學是一門既古老又年輕的科學。古時候，人們就參照動植物的模樣，打造各式各樣的器皿和物件。據記載，西漢時期，王莽手下就有一位“特種兵”，曾仿照鳥翼制作飛行工具。雖說飛行效果并不理想，但也算是仿生飛行技術的實踐者了。古代科學還不發達，古人僅僅模仿了生物的外觀，并沒有很好地從它們的運動規律中提煉出科學原理并加以利用。現代“ 仿生學”的概念是由美國學者斯蒂爾在1960 年正式提出的，仿生學更注重研究生物的結構、功能和行為，并運用到工程建設中，更多的是解決系統的信息感知、信息傳遞、自動控制等方面的難題。

愛因斯坦探針衛星是中國科學院牽頭研制的一顆空間科學衛星， 于2024 年1 月發射升空，主要用于觀測宇宙中的劇烈爆發現象，捕捉轉瞬即逝的宇宙“焰火”。因為主要科學目標涉及黑洞、引力波等愛因斯坦相對論的重要科學預言，所以取名為“愛因斯坦探針”。