问自然:你如何制造能量?

以下是仿生学研究所Ask Nature收集的策略和产品，灵感来自大自然，以解决21世纪最大的设计挑战。找到全部在这里集合。

人类正变得越来越依赖我们通过技术连接的能力，并容易地访问能源网。实际上，我们生活的方方面面不知何故都插上了电源。然而，随着我们对能源需求的增加，我们获取和使用能源的创新和生活友好的方式也必须增加。

这是一个电灯泡的想法:大自然是如何制造能源的?对于存在于地球上的数十亿物种来说，人类是唯一给予不可持续和非本地能源如此高价值的物种。那么，大自然是如何在产生相对较少的能源浪费的同时平衡它的能量书的呢?

本集探讨了大自然已经发现了聪明的方法就是这样。大自然是如何有效地利用太阳能满足自身需要的呢?生命系统是如何用很少的能量消耗来装下巨大的冲击力的?大自然是否应用有效的化学过程来产生能源和产生惰性废物?下一个合乎逻辑的步骤是依靠大自然来解决一些我们最紧迫的能源问题。

树叶形状最适合阳光照射:橄榄树

在一些落叶树中，树冠外部的叶子和树冠内部的叶子是不同的。外部的叶子被称为“太阳叶”，而内部的叶子被称为“遮荫叶”。These leaves have differences in shape, internal anatomy and chemistry that translate into specialized abilities to use different kinds of solar radiation effectively.

太阳叶通常比遮荫叶更小、更长、更厚，有更多层含有叶绿素的组织和更广泛的内部维管系统。人们认为，太阳叶子更适合捕捉和利用太阳的直接辐射(当它不是太强烈，导致热量和其他压力相关的损害)。它们细长的形状也与到达遮荫叶所在的内冠层的更高水平的太阳辐射有关。

遮荫的叶子似乎有效地利用了漫反射的太阳辐射，这些辐射在被其他物体散射后到达了内部的树冠层，比如外部的太阳叶子，在光线直射的路径上。遮荫的叶子也可以在外部遮荫的一边，面对盛行的太阳。

“弹簧负重运动”已经被用于弹簧单高跷和一些假肢的设计。

表面的太阳叶特征似乎会随着环境条件的变化而变化(表现出可塑性)，其形状尤其会影响遮荫叶片所处的冠层内部环境。太阳叶片的可塑性似乎有助于稳定内部冠层条件，缓冲非生物胁迫。遗传变异和树的大小也会影响树叶的特性，但似乎整棵树的光合作用可以通过让阳光和阴影的叶子对环境做出不同的反应而得到优化。其他物种也有遮阳叶和遮阴叶。在橡树，外部叶的裂片较窄，而遮荫叶的裂片较宽。

生物创意产品和应用理念

应用理念:设计结构以响应变化的光照条件和可用性。改变太阳能收集表面的形状，以利用不同类型的辐射。优化而不是最大化光线进入建筑的方式。

对该战略感兴趣的工业部门:建设、能源

肌腱储存和返回能量:塔马尔沙比

虽然大多数陆地动物在地面上奔跑、跳跃或小跑需要消耗更多的代谢能量才能跑得更快，但跳起来的塔马尔沙袋鼠可以跑得更快，而不需要增加一点点或根本不需要增加能量消耗。此外，雌性塔玛尔沙袋鼠可以在不增加移动成本的情况下，把幼崽“小袋鼠”装在育儿袋里。

这些非凡的成就可能是由于袋鼠后腿上巨大的有弹性的肌腱储存和恢复弹性能量。在跳跃阶段，跳跃周期的空中阶段，袋鼠的向前运动代表动能，而返回地面的引力是势能的一种形式。当脚着地时，这些能量转化为拉伸肌腱的弹性应变能。这些能量可以通过肌腱的弹性反冲来恢复，帮助袋鼠离开地面。

虹鳟鱼可以采用一种特殊的游泳行为，这可能使它们能够通过从附近的水漩涡中吸取能量来节省自己的能量。

多达90%的储存在肌腱中的能量可以被重新利用。这种能量恢复的关键在于附着在肌腱上的肌肉足够僵硬，因此在产生力量时，它们的长度几乎没有变化。如果肌肉的长度发生了很大变化，它们可能会吸收并驱散肌腱的弹性能量，使之无法为下一跳提供动力。袋鼠跑得越快，负荷越重，弹性能量就越能被储存和恢复，因此，在一个正常的速度范围内，移动的成本可以与速度或负荷保持不变。

肌腱和弹性能量在许多其他奔跑的大型动物(如马和火鸡)中也有使用，但在节省能量方面不如在袋鼠和袋鼠中观察到的那么引人注目。目前还不清楚为什么这些大型动物能够节省如此多的能量，作为提高运动效率的一种手段。从乌贼到海豚，许多游泳的动物也观察到了这种现象。

在各种运动结构的人体设计中可以考虑弹性储能的使用提高能源效率。弹簧运动在弹簧单高跷和部分假肢的设计中得到了应用。

生物创意产品和应用理念

应用程序的想法:汽车动能储存产品。假肢。能捕获能量用于其他用途的机器。重新获得输入能量的泵。

对该战略感兴趣的工业部门:制造、运输好用的买球外围app网站

身体利用漩涡来节省能量:虹鳟鱼

许多鱼通过身体的波动运动来游泳。在稳定、持续的游泳过程中，使身体弯曲并产生这些运动的肌肉活动会消耗大量的能量。但是有些鱼，比如虹鳟鱼，可以采取一种特殊的游泳行为，这可能使它们能够通过从附近的水漩涡中吸取能量来节省自己的能量。

在流体环境中，涡是由静止物体或其他物体释放出来的水或空气形成的漩涡包括其他鱼类在内的生物在迎面而来的水流路径上。鳟鱼利用来自上游的水漩涡，通过调整它们的典型游泳行为，在漩涡之间产生“回转式”运动。身体弯曲的振幅和曲率增加，而尾巴的节拍频率与上游流涡的频率相匹配。身体肌肉活动的模式也发生了变化，只有靠近头部的肌肉是活跃的。

这与典型的波浪运动不同，在波浪运动中，全身肌肉收缩，从头部开始，向尾部移动，产生移动的身体波，推动鱼向前移动。研究人员假设，这些肌肉活动和身体运动的变化有助于鳟鱼定位自己的身体，以便它能以特定的方式与漩涡相互作用。

这种相互作用的确切性质仍在研究中，但一种解释是，这种鱼控制着自己身体的角度，这样来自漩涡的局部水流就会对身体产生持续的上游力。科学家詹姆斯·廖(James Liao)打了个比方:“我们假设鳟鱼会把自己的身体当作船帆，向上游航行。”

利用其他物体后面变化的液体流动来减少运动时的能量消耗的一般概念也存在于人类行为中，例如，自行车手们为了节省能量而互相拖在后面。

生物创意产品和应用理念

应用程序的想法:利用大型建筑或其他大型结构周围的涡流工作的风力涡轮机。利用涡流产生能量的海洋能源装置。

对该战略感兴趣的工业部门:建筑，能源，建筑，交通好用的买球外围app网站