能源短缺的自然解决方案

生物的能源效率通常意味着将材料和燃料的循环利用与搭便车结合起来。翱翔的鸟儿，漂浮的幼虫，甚至草原土拨鼠，都利用可靠的物理力量以消耗最少的能量生存。

许多免费搭乘都利用了梯度或距离上的差异。梯度在生命系统中无处不在，从细胞中的钠和钾梯度到生态系统中的模式形成因子。无论这种现象在多大的规模上被展示出来，它的基础开始于非常小的。

这里有几个重要的原则:

1.自然需要内在和外在，一个“这个”或一个“那个”。换句话说，无论是在信息代码中(就像计算机代码中的1和0)，还是在细胞结构中，或在能量生产中，差异使事情发生。

2.使物体运动(改变速度)是功的定义。生物生命的很多工作都是通过建立密度或压力上的差异，然后让物理力量接管。例如，除了不耐烦之外，真的没有必要在咖啡中搅拌奶油。一旦你把一种奶油倒进另一种，热力学第二定律就会告诉你，奶油会均匀地分散到咖啡中。分子的扩散将导致平衡。

3.然而，生命不能忍受平衡，因为万物会趋于静止。没有转子转动，流体也不动。细胞会死亡。因此，生物总是在保持平衡的同时维持着这些梯度。

4.当我们说大自然喜欢免费冲浪时，我们通常更准确地说的是这样一种现象:无论是通过自然选择还是个人努力，我们都能够利用永恒的法则。换句话说，能量转换的生物体不断地使用热力学偏好的途径。它发生在许多层面，包括细胞层面。

这种无源传输可以按比例扩大到最令人印象深刻的程度。看看任何一棵大树。它将水抬升到30英尺左右的高度，大气压仅能让水产生吸力，有时甚至超过400英尺，而这一切都不需要专门的能量消耗。相反，它利用一种经过数百万年进化的结构来利用梯度。

水的分子特性是这种传输机制的核心。水是一种所谓的极性分子，它有一个带负电的氧端和一个带正电的氢端。这种极性决定了水的各种特性，甚至水的流动性。“为什么水会溶解盐?”水为什么成滴地结成水珠?为什么水会粘在杯子边上?都可以用一个词来回答:极性。

水分子中相对较弱的离子键将带相反电荷的氢原子和氧原子粘在一起，导致水自身(内聚)和其他材料(粘附)。虽然单个的化学键很弱，但它们有很多，它们结合在一起形成一种强大的力量，称为静电引力。正是这种粘性使得水能够在400英尺高的水柱中不受重力的影响。水柱本身的张力足以抵抗自身重量向下的拉力。附着力使水沿着木质部狭窄的管道向上移动，以取代上面叶子中的水。

蒸腾作用，或水蒸气通过树叶的气孔或气孔的流失，产生了开始这种毛细管作用的梯度。水分从木质部被抽出进入叶肉细胞及其间隙，然后通过太阳的蒸发作用通过气孔。这种拉扯效应一直延伸到树的水柱，直到它的根茎。

加州大学伯克利分校电气工程与计算机科学系(EECS)的迈克尔·马哈比兹(Michael Maharbiz)、密歇根大学的鲁巴·博尔诺(Ruba Borno)和麻省理工学院的乔·斯坦梅耶(Joe Steinmeyer)正在研究一种模拟这种蒸腾梯度的方法，以产生少量电力。他们用玻璃晶片构建了人工叶子，其中包含了与叶脉相似的沟道网络。他们已经能够建立一个类似于树的被动水泵，利用在他们构建的“叶子”边缘的蒸发画。

然后，被动式泵系统被用来从流动的水中获取电力。他们是怎么做到的?这又回到了差异的关键原则。通过将气泡带入水流中，他们能够引入一种与水具有不同电性的材料，这就足以产生微小的电荷。为了捕获电荷，他们将水柱夹在两块金属板之间，这两块金属板被连接到外部电路上。

当你用两种导电材料(金属板)夹住一种绝缘材料，或者更准确地说，一种电介质(水)，你就得到了一个电容器。记住，水本身并不会导电，是水中的“杂质”导致电工避免站在水里。当气泡漂浮时，通过驱动整流电荷泵电路来改变器件的电容，该电路利用每个过渡来增加存储电容中的能量。

当然,这种方式生产的能量很小,只有2到5微伏每次泡沫传递,能量密度的两个毫瓦每立方厘米,但大部分的最令人印象深刻的工作自然是这样做通过聚合微小的努力在一个优化的系统。

由于气泡的使用，这种装置要达到树的大小就会受到阻碍。在我们的树的例子中，是水分子内聚链的未断使400英尺的柱子保持完整。当空气进入时，这条链条就会断裂，水就会受到现在占主导地位的重力的影响:水就会下沉。Maharbiz相信，用原地旋转的固体颗粒代替气泡将会解决这个问题，而且该设备很快就可以扩展。

该装置被描述为一种能量清除装置，用于作为一种补充技术;依靠更强大的能源生产商，如太阳能电池板。然而，在我看来，它的潜力是巨大的，因为它搭乘了一个基本原理，是许多仿生技术之一，让我们可以免费冲浪。

Tom McKeag在加州艺术学院和加州大学伯克利分校教授生物灵感设计。他是BioDreamMachine的创始人和总裁，这是一个非盈利教育机构，为K12学校带来生物灵感设计和科学教育。

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[编者注:这篇博文已经过修改。]