是的，又到了一年中的这个时候了:第三届年度Tommies，我选出的2011年十大仿生创新。

我对所有创新者的奖励仍然有效:和我一起在旧金山的布埃纳维斯塔(Buena Vista)喝一杯爱尔兰咖啡。

以下是由启发它们的生物体安排的发明或发现:

1.银鸥。这种长寿的沿海鸟类在整个西欧和北欧海岸都很常见。然而，我们对它的外观的熟悉，并不能掩盖我们对它的空中杂技的惊奇。鸟是一个完美的飞行者，并启发了volken在费斯托公司的仿生学习网络。德国完成了另一项令人印象深刻的生物工程壮举。

SmartBird是一款485克重的泡沫塑料和碳纤维结构，几个伺服马达、齿轮和连杆，实现了人类几个世纪以来一直在尝试但失败的事情——比真正模仿鸟类生物力学的空中飞行还要重。

该器件的灵活的两部分组成的翅膀，一个概念，航空工程师们在挫折早就放弃了扑获得推力和升力。

由马库斯·菲舍尔和沃尔夫冈·森特领导的设计团队声称，该设备实现了80%的空气动力学效率，并能够通过其复杂的软件控制系统和机翼表面的主动扭转来保持最佳气流。其机翼表面的弯曲与机翼的拍动精确协调，从而在仿生学和航空学上都产生了这一里程碑。

这一突破是通过对鸟类飞行力学的深入研究、对可获得的最佳材料的充分理解和对力的精确整合来模拟复杂的感知和运动来维持活跃机翼上的气流。

2.猪笼草。这种生活在沼泽里的植物生活在营养贫乏的土壤条件下，并通过进化以另一种方式获取日常所需——把肉放在菜单上。它通过将昆虫捕获在它的水碗中，在那里昆虫被植物溶解和吸收。唇形碗是一种改良过的叶子，之所以有效，部分原因在于它的表面非常光滑。

哈佛大学威斯生物工程研究所艾森伯格实验室的科学家们正在寻找一种光滑的自然表面材料猪笼草成为了他们的首选进行研究。他们最初的目标是合成一种“无所畏惧”、排斥一切的材料。

Bohn和Federle在2004年的研究揭示了这种植物的独特的特性，即“碗状”的圆形边缘。Overlapping wet cells formed anisotropic ridges in which an aqueous solution was held in surface tension as a thin film. The edge formed, in effect, a tiny Slip'N Slide, and even ants, with their suction-cup footpads, could not get a grip on the surface and would aquaplane to their doom.

哈佛团队以产生被充分润滑液润湿的结构需要的话，这种材料必须更喜欢任何其它倒在它保留此液体，和两种液体必须是不混溶的，换句话说，不能够被混合。他们制造它们填充有低张力特氟隆纳米纤维的随机矩阵全氟化专有液体自3M（Fluorinet FC-70）。

他们把他们的产品称为“滑动”(注入多孔表面的湿滑液体)，它确实似乎排斥一切东西:血液、油、甚至冰都不能在它的表面形成。物体仅仅以2度的角度滑落，会污染其他光滑表面的液体会完全离开表面。他们所赢得的是产品开发三重奏:新材料不仅具有自洁性，而且具有自愈性和自组织性。当在结构基体上进行切割时，液体迅速填补了缺口，光滑的表面性能继续不减。

首席研究员王德声报告说，这种新的生物材料在低温和高压下表现良好，他认为它比特富龙更光滑，特富龙是当今工业世界的光滑固体。它将用于生物医学、工业和其他应用领域，如管道涂料、自清洁公共表面和除冰应用。更重要的是，它的透明性和自清洁能力使它成为透镜、传感器和太阳能电池的最佳选择。

大自然激发的创新者彻底解决了这个问题。如何使表面光滑?首先，考虑不是所有的表面都是固体。事实上，就性能而言，植物的物质结构对它的空隙比它的固体基质更重要，因为它是液体做的工作，滑动昆虫到等待的碗。一旦这种材料成为接触材料，液体介质就带来了额外的特性:液体通常通过分子键来组织自己，它们可以自动填补固体中的空白，从而增加了自组织和自愈合的好处。这是一个很好的“免费冲浪”的例子，设备利用自然物理、材料或结构特性来工作。

3.智人。在动物世界里，至少有10种不同类型的眼睛机制，而人类拥有的这种设备是进化工程的一个奇迹。即使在跑步时，我们的眼睛也能自动聚焦到很宽的距离上。晶状体周围的腋肌根据需要收缩和放松，以使我们眼睛的晶状体变形，以适应所需的不同焦距。

这种“可调”透镜在消费电子、医疗诊断和光通信领域非常有用。关于人工晶状体及其执行器的研究已经做了很多;由机械、光学、电子、热力或化学方法触发的智能装置。

丹尼洛·德罗西教授和他的团队比萨大学工程学院已经设计出一种可调镜头，使用一种电活性弹性体作为人造肌肉，就像人的眼睛一样。流体填充弹性体透镜与介电弹性体致动器环集成。在电激活或失活时，致动器放松或拉伸镜头，改变焦距。德罗西团队已经能够使用这种合成设备复制人眼的聚焦范围。潜在的好处在于它的静音操作、低功耗、相对耐用、抗冲击和过热。

这里的生物创新概念是用信息代替材料或能源。在这种情况下，信息被嵌入到弹性材料中。它的性能允许一个一致的和可预测的范围内的性能，一旦触发一个微小的电荷。简单、轻便、耐用的部件和系统可以省钱，大自然在这方面可以教给我们很多东西。

4.纳米布沙漠甲虫。哦，我的天，一个重复的赢家!为了生存，这种动物能够从沙漠的夜间空气中挤出水分。它通过迎向盛行的海风，让较冷的身体凝结小水滴，这些水滴顺着渠道流到它等待的嘴里。液滴的形成是由一系列巧妙的亲水凸点围绕在其外壳的疏水部分来保证的。

这种生物激发了另一项发明，旨在解决我们日益严重的饮用水短缺问题。詹姆斯戴森奖得主爱德华利纳克位于澳大利亚墨尔本的斯文本大学设计了这个空投水收割机作为一个简单的综合系统，为干旱地区的农作物提供水。它由集热器、冷凝器、储水箱和地下滴灌配电网组成，农民可以方便地安装和维护。

和它的生物导师一样，Airdrop利用地表温度的差异来迫使水蒸气凝结，但它利用地下的土壤来完成。地下的铜管将空气中的露点通过涡轮机收集起来，然后将水滴入一个容器中，再从容器中将露点抽到农作物中。液晶显示屏显示水箱水位、压力强度、太阳能电池寿命和系统健康状况。Linacre估计，从每立方米空气中可以提取出11.5毫升的水。

这里的创新之处在于对一个生物利用的物理原理的深思熟虑的应用，即温度激活水的相变。为什么我们不能呢?

5.毛虫。这些无脊椎动物中有很多都采用了一种环状移动的策略来躲避捕食塔夫茨大学的生物学家和机械工程师在GoQBot的设计中研究了这一行为。GoQBot的设计者林怀蒂(音)称，这种逃跑动作是自然界中速度最快的自推式转体动作之一，这激发了他对这项研究的兴趣。

结果是一个由硅橡胶制成的4英寸长的机器人，它的执行器是由嵌入的形状记忆合金线圈制成的。在实验室的测试中，该机器人的启动时间不到250毫秒，旋转角速度为300转/分钟。这项创新的有趣之处在于，它提出了从同一设备出发的多种形式。以前的机器人受蛇的启发，具有高度的铰接性和灵活性，但以速度慢而著称。这个装置暗示了创造一种无人驾驶车辆的可能性，它可以在狭窄的空间中交替移动，跨越间隙，并以速度移动。

这是张贴物理研究所的GoQBot的视频。视频：

自然不会使用太多的轮子(ATP合酶，以及某些细菌鞭毛的旋转基础)，所以这项创新在生物学方法上特别新颖。这个全新的外观启用了以前没有实现的多个功能，并且代表了迈向越来越强大的“软机器人”道路上的又一步。

6.板球。如果你认为在任何一个浪漫的夏日夜晚，蟋蟀的声音都是必不可少的一部分，那么你有很好的理由。雄性蟋蟀试图通过一种特定的啁啾来吸引雌性，这种啁啾的频率固定在4.5千赫左右。但是雌性如何在听到叫声后找到它们呢?

雌性蟋蟀的前腿上有特殊的感受器或鼓膜，用来比较左右两侧的压力波动。压力通过听觉气管被传送到蟋蟀体内。压力波动从身体的另一侧直接或间接地到达每个鼓膜。这两个声源之间的相位变化强烈地调节了鼓膜振荡，并允许女性决定潜在浪漫的来源的方向。

蟋蟀的腹部也有很多细小的毛发，科学家认为它们的目的是感知攻击。这些毛发的灵敏度和精确度是非常高的启发了特温特大学的一个研究小组在荷兰模仿他们的操作。

该小组是蝉，欧盟项目，旨在开发一种仿生感知系统的一部分。它们附数百0.9毫米长的塑料丝接到插座在硅晶片片材以形成受体阵列。导线在各自的插槽旋转，因为它们是由微小空气压力移动，并且最小的运动由柔性悬板注册。板的电容量的变化结果和这一措施被送入一台中央计算机。

进一步的细化允许测量在一个更精细的精度水平。Harmen Droogendijk发现，可以通过电子方式调整导线的弹簧刚度。他研究了在需要的时刻放松每根导线所需要的交流电压，使它对相关的频率格外敏感。这种影响是显著的，灵敏度在调整频率后提高了10倍。

物理学家吉js Krijnen和他的同事Remco Wiegerink领导了这个项目，他相信他们的设备将会是一个有用的技术原型，比如助听器和传感器，以及在航空学中测量气流的设备。事实上，据Krijnen说，该设备在测量气压和粒子速度方面已经达到了以前无法匹敌的精度水平。

这里的创新是一个成功的规模变化和使用模块化来改进现有技术的例子。在微观尺度上对自然的探索为这种改进提供了信息，它有可能为几种不同技术的传感创造一种新的范式。

7.濑尿虾。此甲壳动物具有复眼可以左，右圆偏振光之间进行区分。

偏振是光线振荡方向的改变。所有的光线都是电磁辐射的例子，因此，辐射从波传播方向的“侧面”向四面八方发射。偏光太阳镜可以阻挡某些平面上的辐射，从而减少眩光。

许多动物可以看到偏振光，包括蚂蚁，蜜蜂，果蝇和一些鱼。人类，通常情况下，不能。它不知道为什么虾蛄已经演变这个非同寻常的能力，但秘密信令和更好的水下视觉的可能性。

虾的每个小孔的感光细胞内都有一排微小的毛发状褶皱或微绒毛，其功能相当于四分之一的波板。波板使光发生折射并改变发射波长的频率。四分之一波板产生四分之一波长的相移。

感光细胞中每个微绒毛的膜都是由双折射材料制成的。这意味着光被这种材料双重折射，因为微绒毛排列成平行的行列，直径比在光中发现的波长要小，最终发出的光线不会倾向于一种或另一种颜色。这种能力使螳螂虾能够将线偏振光转化为圆偏振光，反之亦然。

这种所谓的“消色差的相位延迟，”或波长无关的相移，在广泛的可见光谱可以实现的，是光学技术扇区内的非常大的交易;在显示技术，通信系统，以及光拾取系统。人造四分之一波片的CD和DVD播放机和圆偏光滤镜执行这一基本功能的相机为例。然而，他们是有限的，以具有窄波长范围（某些颜色），这就是为什么模仿虾蛄是有用的。因为发现这种天然波片由一个团队从英国布里斯托尔大学在2009年，许多人致力于完善它的合成版本。

一支这样的队伍，来自国立台北工业大学，和宾夕法尼亚州立大学在美国，报告了这一综合的令人鼓舞的结果。他们已经构建了一个由不同折射率的薄膜交替组成的垂直纳米棒阵列。这个阵列模拟了螳螂虾眼睛中发现的两种双折射。薄膜的铺设采用了一种众所周知的方法，即倾斜角度沉积法(OAD)。他们声称他们的方法可以应用于设计任意波长范围的波板。

这里的创新之一是利用自然模型扩展现有技术的能力(扩大光学器件的波长范围)，并完善更有效制造所需的方法和材料(薄膜沉积)。虽然虾的光学能力的原因仍然是一个谜，他们的用途不是，这是一个很好的例子，使鼓舞人心的实践。

8.植物王国。维管植物通过它们的根、芽和叶子运输水分，通过一个被动的抽水系统，这是由植物叶片的气孔蒸腾水驱动的。

在蒸腾，水蒸汽从叶子内部向下延伸到外部空气水势梯度绘制，多为干毛巾会从你的皮肤吸走水分。

这种作用为水的输送提供了动力，但是水本身的内聚力和它与植物木质部侧面的粘附力帮助100多米高的水柱克服重力。在这个机制中，从根到最上面的叶子有一个完整的氢键水分子链。

的研究人员中国大连理工大学他们开发了一种基于气孔蒸腾原理的微泵。由于基于微孔蒸腾的流速远远超过简单蒸发的流速，研究小组利用这一“直径定律”制作了一层微孔可控的膜。

微泵的工作原理是扩散，因此不需要外部能量。它包括三层:表层是93μm-thick PVC(聚氯乙烯)电影和一群slit-like作用;第二层为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)片材，用粘合剂将另外两层连接在一起;第三层是微孔膜。流量由部分微孔的开闭控制，流量高且可调。其结构简单，制造成本低，独立于电源，使其广泛适用于医疗和制造场合，需要快速，现场流体泵送。

这是另一个“免费冲浪”的好例子。Investigators have abstracted the principles of transpiration in order to construct a pump that is powered by the physical forces inherent in the material being manipulated. in this case, the tendency of fluids to flow from areas of high concentration to low.

9.真核生物。我们生活的世界可以分为两种基本类型的细胞，原核生物（“原始”细菌）和真核生物（一切）。

纤毛，或微小的毛发，在真核生物世界中以多种形式存在，包括在我们自己的气管中，它们帮助清除我们肺部的碎片，以及在女性的输卵管中，它们帮助将卵子转移到子宫。这些毛发的横截面，不管是在原生动物的膜上还是在我们的气管里，都是非常相似的。

纤毛很容易获得。它们来回地扫来扫去，或者像船桨一样推动某物通过液体，或者沿着其表面移动松散的物质。它们还能过滤，当然，还能感知事物;这在很大程度上要归功于它们的高宽比。就像自然界中所有的模块部件一样，它们通过数字的力量完成很多工作，任何一根头发的损坏都不会妨碍一般的操作。

威斯生物工程研究所的Philseok Kim说在哈佛大学，已经设计了一种仿生系统，其中人工纤毛嵌入水凝胶中。

水凝胶是具有高的收缩 - 膨胀容量的聚合物和水的喜水的混合物。所述水凝胶可以响应被制成多种不同的外部刺激，并作为一个可调节的底物的纤毛，使它们伸出或平放。

事实上，通过控制凝胶的体积和构象，水凝胶可以被设定成复杂的地形模式，比如打开和关闭微小花。合成纤毛是典型的硅纳米结构，由博世蚀刻法创造，这些，也有许多模式和特征可能。

Kim提出，这些结构可以作为智能建筑的膜，通过温度激活来提高能源效率。当建筑表面达到温度阈值时，透明的水凝胶会将毛发展开。每根头发都有一个可以变形的微型镜子，可以将自己的脸呈现给外部。就像足球比赛中的观众用马赛克拼出信息一样，镜子将形成一个连续的平面。这个表面现在可以调节来控制进入建筑的光和热。

这项技术还有许多其他潜在的应用，只要动态响应表面能够改善我们的生活。这些包括根据内部液体的化学成分调整流动特性的内部管道表面，可以逆转其润湿性的织物，或者根据施加在其上的机械应力改变颜色的结构构件。以环境活化水凝胶为引擎，纳米结构阵列为能量转化为机械功的转换器(两者都是可单独编程的)，在这个系统中有许多自由度。

这里的生物创新很多。两种来自不同研究领域的材料的开创性结合，以解决问题的矛盾就是其中之一。该混合系统在水凝胶的可调性、响应性和可逆性方面做得最好，在纳米线的机械性能方面做得最好。此外，对制造的研究使柔性(水凝胶)更结构化，刚性(纳米结构)更动态。这个系统还展示了其他几个生物灵感设计的原则:小事情倍增(涌现)，免费冲浪，以及使用等级尺度来解决问题。

10.动物王国。动物的血液循环系统做很多事情——分配营养和酶，交换氧气和二氧化碳，调节温度，等等。

这些循环系统还将修复材料运送到伤口。当你割伤自己时，血液中的血小板和凝血蛋白纤维蛋白原形成一个网状结构，将红细胞困住。形成组织的成纤维细胞聚集在这个区域，称为中性粒细胞的白细胞吞噬细胞碎片和异物，如灰尘和细菌。当下面的组织愈合时，血块逐渐变硬成为痂。

自愈材料是生物启发研究的一个主要领域，并有许多不同的方法来挑战，在分子，微观和宏观层面。一个宏观的做法已在伊利诺伊大学厄本那 - 香槟分校已率先由南希Sottos教授和她的团队。它涉及的塑料具有通道的精细网络中，每个小于百万分之100的直径一米的，可被填充有液态树脂的浸渍。这些“微细血管”网络渗透材料，如动物的循环系统，提供愈合剂到各个领域，准备释放无论何时何地出现裂纹。

在通道中的树脂被置于压力下和当裂缝跨越信道的液体被吸入到空隙，并通过硬化剂，随后。加压的系统是对上在裂缝开始时被突发该树脂的嵌入式微胶囊依靠以前的工作的改进。修复材料的供应量太小，对扩散的依赖单独太慢。该泵系统现在允许裂缝长达跨越，增加了十倍毫米的修复。

应用包括车辆和结构，以及进一步改进的自我修复将包括泵送系统到材料本身和增加这个人造血管系统的多功能一体化，说使它做额外的工作作为液压结构支撑系统。

祝贺我们所有获胜的生物!愿我们有智慧好好利用你的教训。

cc许可的照片在顶部的页螳螂虾通过维基共享。