与仿生设计相结合的5大科技趋势

仿生设计正在大大小小的科技项目中出现，从从龙虾眼睛激发的望远镜看到更多的空间，到基于具有类似膨胀喙的昆虫提供更安全的皮肤移植的可膨胀的微针阵列。

我最近在班加罗尔的印度理工学院(Indian Institute of Science)的一次演讲中谈到了仿生设计是如何在五种上升的技术趋势中找到自己的位置的。

1.物联网

我们在信息管理方面的成功使自动化成为可能，这已经发展成了一个机器现在可以相互通信和管理。这方面的一个例子是智能计量，在这种计量中，每个家庭抽取的电能都被传达给中央管理者，电力生产和分配是自下而上的，以避免短缺和浪费。

蒙特利尔的Regen Energy是一家生产家用路由器的公司，这种路由器可以在家用电器上做类似的事情。路由器基于蜜蜂等群居昆虫的算法，读取每个设备的能量消耗，并安排其启动，以避免高峰负载和高成本。

日产(Nissan)和沃尔沃(Volvo)等汽车制造商也对类似算法进行了研究，以寻求更安全的汽车。日产汽车长期以来一直积极研究和开发用于安全和缓解拥堵的自动驾驶汽车。2009年，它推出了itsEporo机器人车的概念基于鱼的群居行为避碰基于相对定位，但行为算法采用同心圆区域定义。经过编程，这些机器人可以避免在附近区域发生碰撞，并排前进，在下一个区域匹配速度和距离，并赶上远处区域的任何单位。该公司将这些概念用于改进其安全防护技术，这是一种六阶段的防撞系统。

2.扩大空间前沿

许多著名的仿生学设计创新的例子来自于看到一些新的规模:莲花效应,Velcro是一个粘扣带或魔术贴品牌的商标。Velcro®是Velcro BVBA的注册商标和鲨鱼皮泳衣。

我在这里写了关于加州理工学院的4D显微镜，这象征着在看到非常小的进展。这一研究进展并没有被浪费，因为许多应用科学的人已经利用了能够在纳米和微观水平上看到和操纵材料的优势。麻省理工学院(MIT)和尼尔斯·玻尔研究所(Niels Bohr Institute)测试过，纳米线用于促进太阳能光伏电池的收集就是一个例子。

维斯研究所的实验人员已经能够用荧光染料将DNA链与目标分子上的其他DNA结合，使它们闪烁，更容易被发现。这项技术克服了所谓的“衍射极限”问题，即光线在物体周围弯曲，在人眼中模糊物体(0.2微米)。染色方法将提供一个更便宜的替代目前的显微镜。

我们现在不仅能看得更清楚小的东西，而且能看得更清楚大的东西，比如空间。龙虾是龙虾眼望远镜的灵感来源。龙虾是一种寿命很长的动物，它在夜间黑暗的深海中捕食，依靠的是与我们的照相机眼睛完全不同的视力。它使用一根管中的镜子来收集尽可能多的光线并将其聚焦在视网膜上。龙虾眼x射线望远镜视野开阔，可达1000平方度或更多。

3.生物学范式

生物范式本身是一个主要的技术趋势，特别是在机器人和生物材料领域。

像波士顿动力公司(Boston Dynamics)和费斯托(Festo)这样的公司多年来一直在成功模仿动物运动，分别生产出了地球上最快的陆地机器人和一种令人难以置信的像鸟一样飞行的交通工具。斯坦福大学Mark Cutkosky实验室的粘着性机器人是基于加州大学伯克利分校CIBER实验室对壁虎的研究。哈佛大学的George Whitesides的实验室正在研究软件机器人以及灵活性如何提高性能。机器人蜜蜂是一种类似昆虫的微型飞行器，来自哈佛大学微型机器人实验室，体积小于四分之一。麻省理工学院的“虫”和弗吉尼亚理工学院的“机器人果冻”是详尽列表中的另外两个。

生物材料领域的三个例子说明了这一学科的应用范围。

西班牙格拉纳达生物医学研究中心的研究人员最近报道了一项成功的技术，即利用干细胞和活性炭载体制作体外人工骨。这是首次在体外利用细胞分化制造出如此复杂的组织。

哈佛大学的一个跨学科研究团队灵感来源于昆虫的长喙，他们设计了一个可膨胀的微针阵列。体内寄生虫的Pomphorhynchus光滑的该团队开发了一种双相微针阵列，通过可膨胀的微针尖端机械地与组织互锁，与固定皮肤移植物的钉子相比，粘附强度增加了3.5倍。这些微锥的膨胀尖端环绕着聚苯乙烯核心，膨胀时具有很高的附着力。这种设计提供了通用的软组织粘附，损伤小，创伤小，减少感染的风险，并提供生物活性疗法。

生物材料的储存和运送是圣地亚哥生物学会最后一个例子的重点。基于缓步虫能够失去体内98%的水分而仍然存活的能力，该系统提供了一种无需冷藏就能储存和运送实验室样品的方法。缓步虫是一种多极生物，一种普通的小型无脊椎动物，可以在干燥状态下生存10年，能承受1000倍于人类的辐射，还能在真空中生存。它的部分作用是用海藻糖代替失去的水，海藻糖是一种糖，在这种脱水状态下为宝贵的膜提供支撑。干燥后，样品在室温下保存，需要时用水进行复苏。

4.人类/机接口

谷歌、诺基亚(Nokia)和苹果(Apple)都拥有移动增强现实设备的专利，这些设备可以缩小思维和感官扩展之间的差距。例如，谷歌Glass改变了输入数据流入我们意识的方式:连续地，而不是通过离散选择。

生物力学领域在这个领域已经有很长一段时间了，在外骨骼的发展方面取得了进展，例如日本的Cyberdyne发明的HAL 5(混合辅助肢体)。例如，这个全尺寸的半机械人太空服可以在皮肤上接收大脑信号，从而激活它的人造肌肉。

这些都是机械设备如何融入人体运作的例子，但我相信有机和人工之间的界限将以另一种更革命性的方式继续模糊。我们的机器将变得更加有机，而在我看来，推动这一切的将是生物医学研究。

在牛津大学，研究人员用精确的3D打印机打印出了微型点打印出的活干细胞和营养物质，并能够形成磷脂层，还能表达特定的蛋白质。膜和导电性现在是可能的，尽管活组织还需要很多年。这意味着这种生产方式可以生产出可以工作的有机材料——换句话说，就是一台机器。虽然目前的研究重点主要集中在原位手术和组织修复上，但人类/机器界面功能的扩展仍有潜力。

同样，在麻省理工学院的医学工程与科学研究所，生物工程师已经能够利用3D打印和其他微电子工业技术的分层来制造心肌组织。这项工作的重要之处在于，它开始实现科学家们所知道的复制自然系统的关键:建立一个层次的尺度，所有的尺度一起工作来执行一个或多个功能。

5.大规模定制

信息、通信和制造领域的革命已经改变了设计师和制造商之间的关系，实际上也改变了消费者和产品之间的关系。对一个物体的扫描，在CAD中绘制，以及随后的添加制造的生产现在是司空见惯的，尽管范围有限。这个序列允许根据需要进行精确测量，及时制造和操作文件以生成定制版本。斯科特峰会的定制创新，现在是3D系统的一部分，在此基础上定制假肢设备。

的Kor Ecologic设计的Urbee原型车是加拿大温尼伯的第一个采用添加剂技术制造的车身，是一个具有指导意义的例子。设计者想要一个非常符合空气动力学的形状，阻力系数为0.15，但是用传统的玻璃纤维模具来制作车身部件是费时费力的。取而代之的是，他们用3d打印出了10个ABS塑料零件，只用了一半的时间，而且成本也低得多。这就是如何使用这种相对新的技术来解决其他技术无法解决的问题的一个例子。

技术继续发展,人如Behrokh Khoshnevis,工业与系统工程教授的南加州大学维特比工程学院的大学(University of Southern California),推动规模的边界,从大的发射和混凝土喷嘴,建造房屋,荷兰约Laarman实验室开发了中耳炎或反重力对象建模技术。在这里，一个热固性塑料被挤压出喷嘴和设置在半空中的两个热枪。

这些趋势在我看来是不言而喻的。仿生设计对他们的贡献才刚刚开始。

龙虾图像理查德·格里芬通过Shutterstock.com