自然对能源短缺的解决方案

生物的能源效率通常意味着将材料和燃料的回收与搭便车结合起来。飞翔的鸟类、漂浮的幼虫甚至草原土拨鼠都利用可靠的体力，以最少的能量生存。

这些免费乘车中的许多都利用了梯度或距离差异。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。无论这种现象的规模如何，它的基础都从非常小的地方开始。

这里有几个重要的原则：

1.自然需要一个内部和一个外部，一个“这个”或“那个”。换句话说，差异使事情发生，无论是在信息代码中（很像计算机代码中的1和0），还是在细胞结构中，还是在能量生产中。

2.使事情移动（更改速度）是工作的定义。通过建立这些差异，密度或者说，压力，然后让物理力接管，生物生物生物生物生物生物生物生命做了很多工作。例如，除了不耐烦之外，真的无需将奶油搅拌。一旦你倒入另一个，热力学的第二律将决定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，生活不能保持平衡，因为一切都会停止。转子不会转动，液体也不会移动。细胞会死亡。因此，生物体总是在不平衡的状态下工作，并保持着这些梯度。

4.当我们说自然喜欢免费冲浪时，我们常常更准确地谈到这种现象：在一个持续法律中，是否通过自然选择或个人努力利用持续的法律。换句话说，能量转化的生物不断使用热力学优惠的途径。它发生在许多尺度上，包括蜂窝。

这种被动运输可以缩放最令人印象深刻。看看任何大树。它升起远远超过30英尺左右的水，或者大气压力允许自由吸入，有时以超过400英尺，所有没有专用的能源支出。相反，它使用了数百万年的结构来利用梯度。

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，具有带负电的氧端和带正电的氢端。这种极性解释了我们与水有关的各种特性，甚至是它的流动性。“为什么水会溶解盐？为什么水会滴落？为什么水会粘在玻璃杯的边缘？”这些问题都可以用一个词来回答：极性。

将相对电荷的氢原子粘在一个水中的相对较弱的离子键，另一种氧原子是造成的是水附着于自身（内聚力）和其他材料（粘附）。虽然个人债券很弱，但他们有很多，他们在一起是一种称为静电吸引力的强大力量。它是含有水留在400英尺的柱子中的凝聚力，而不会屈服于重力。水柱本身的张力足以抵抗其自身重量的向下拉动。粘合允许水向上移动木耳的窄管以更换上面的叶子中使用的内容。

蒸腾作用，或通过树叶的气孔或气孔损失的水蒸气，创造了开始这种毛细作用的梯度。水分从木质部被抽出进入叶肉细胞及其间隙，然后在太阳的蒸发作用下通过气孔。拉拔效应一直延伸到树的水柱，直至其根部。

密歇根大学电气工程与计算机科学系（ECES）的Michael Maharbiz，密歇根大学的Ruba Borno和麻省理工学院的Joe Steinmeyer，正在研究一种模拟这种蒸腾梯度以产生少量电能的方法。他们已经用玻璃晶圆制造出人造叶子，玻璃晶圆中含有叶脉后形成的通道网络。他们已经能够建立一个被动式水泵，类似于一棵树的水泵，利用其构造的“叶子”边缘的蒸发作用

然后，被动泵系统用于从流动的水中获取电能。他们是怎么做到的？再次回到差异的关键原则。通过将气泡引入水流中，它们能够引入一种与水具有不同电性能的材料，这足以产生微小的电荷。为了捕获电荷，它们将水柱夹在两块金属板之间，这两块金属板与外部电路相连。

当你用两种导电材料（金属板）把一种绝缘材料，或者更准确地说，一种电介质（水）装在支架上时，你就制成了一个电容器。记住，水本身的导电性能很差，正是水中的“杂质”导致电工避免站在水中。当气泡漂浮时，装置的电容变化通过驱动整流电荷泵电路来实现，该电路利用每次转换来增加存储电容中的能量。

授予，这种方式产生的能量量小，每次泡沫通过2到5微伏，每立方厘米的两个微瓦的能量密度，但大部分最令人印象深刻的自然工作是通过聚集微小的方式完成的优化系统内的努力。

使用气泡会阻碍这种设备按树的大小进行缩放。在我们的树示例中，正是水分子内聚力的不间断链使400英尺的柱子保持完整。当空气被引入时，它打破了这条链条，水受到了现在占主导地位的重力：水往下流。马哈尔比兹认为，用旋转的固体颗粒代替气泡可以解决这个问题，而且该设备的可扩展性很快。

该装置已被描述为能量清除装置用作互补技术;捎带更强大的能源生产商，如太阳能电池板。在我看来，它的潜力是很大的，因为它已经搭载了基本原理，并且是众多仿生技术之一，可以让我们自由冲浪。

Tom Mckeage在伯克利加州艺术大学和加利福尼亚大学的加州学院教授生物启发设计。他是Biodraeammachine的创始人和总裁，这是一个非营利性教育研究所，将生物启发设计和科学教育带到K12学校。

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[编者注意：此博客文章已修改。]