仿生年:甲虫、螳螂、虾和更多创新灵感

是的，又到了每年的这个时候:又到了第三届年度Tommies的时候了，这是我挑选的2011年十大生物灵感创新。

我给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)喝杯爱尔兰咖啡。

以下是由激发它们的生物体排列的发明或发现:

1.银鸥。这种长寿的沿海鸟类在西欧和北欧的整个海岸都很常见。我们虽然熟悉它的外形，却不能掩饰我们对它空中特技的惊奇。这种鸟是一种高超的飞行技巧，激发了人们的灵感费斯托公司仿生学习网络来完成另一个令人印象深刻的生物仿生工程壮举。

SmartBird是一个485克的结构，由泡沫塑料和碳纤维，几个伺服电机，齿轮和连杆，实现了人类尝试了几个世纪却失败了的东西——比空中飞行更重，真正模仿了鸟类的生物力学。

这种装置从柔性的两部分机翼的拍动中获得推力和升力，这是一个航空工程师很久以前就因挫败而放弃的概念。

由马库斯·菲舍尔和沃尔夫冈·森德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保持最佳气流。机翼表面的弯曲与翅膀的拍打精确地协调，从而产生了这个在仿生学和航空学上的里程碑。

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知情转换以及对力的精确集成的理解而获得的，这些都是模拟复杂的传感和运动所必需的，而这种传感和运动需要在活动机翼上保持气流。

2.猪笼草。这种生活在沼泽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满足日常需求——把肉类放在菜单上。它把昆虫困在水碗里，在那里它们被溶解并被植物吸收。唇形碗是一种经过改良的叶子，之所以有效，部分原因是它的表面极其光滑。

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天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”的材料，这种材料排斥一切。

博恩和费德勒在2004年的研究揭示了这种植物的肠口的独特特性，即“碗状”的圆形唇。重叠的湿电池形成各向异性脊，其中水溶液作为薄膜保持表面张力。实际上，边缘形成了一个小小的滑梯，即使是蚂蚁，带着吸盘脚垫，也无法抓住水面，只能滑水走向灭亡。

哈佛大学的研究小组需要制造一种完全被润滑液体浸湿的结构，这种材料必须更倾向于保留这种液体，而不是浇在上面的任何其他液体，而且两种液体必须不可混溶，换句话说，不能混合。他们制作了一个特氟隆纳米纤维的随机矩阵，并填充了3M公司的低张力全氟专有液体(Fluorinet FC-70)。

他们称他们的产品为“滑液渗透多孔表面”(Slippery Liquid浸泡多孔表面)，事实上，它似乎能抵抗一切:血液，石油，甚至冰都不能在它的表面形成。物体以仅仅2度的角度滑落，液体会沾污其他光滑表面完全离开表面。他们赢得的是产品开发的三连胜:新材料不仅具有自洁性，而且具有自愈性和自组织性。当在结构基质中进行切割时，液体会迅速填补缝隙，光滑的表面性能仍保持不变。

首席研究员黄德成(Tak Sing Wong)报告说，这种新的生物材料在低温和高压下表现良好，他认为它比特氟隆(Teflon)更滑，特氟隆是我们工业世界的主要光滑固体。它将用于生物医学、工业和其他领域，如管道涂层、公共表面自清洁和除冰应用。更重要的是，它的透明潜力和自清洁能力使其成为镜头、传感器和太阳能电池的绝佳选择。

大自然激发了创新者将问题彻底解决。如何制作光滑的表面?首先，考虑到并不是所有的表面都是固体。事实上，就性能而言，植物的材料结构对它的空隙比它的固体基质更重要，因为昆虫滑行到等待的碗中是液体。一旦它成为接触材料，液体介质带来了额外的特性:液体通常通过分子键合来组织自己，它们可以自动填充固体中的缝隙，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，设备利用自然的物理、材料或结构特性来工作。

3.智人。在动物世界中，至少有10种不同的眼睛机制，而人类拥有的这种设备是进化工程的一个奇迹。即使在跑步的时候，我们的眼睛也能自动地集中在大范围的距离上。晶状体周围的睫状肌根据需要收缩和放松，以使我们眼睛的晶状体根据需要的不同焦距变形。

这种“可调谐”镜头将在消费电子、医疗诊断和光通信领域非常有用。人们对人工晶状体及其驱动器进行了大量研究;由机械、光学、电、热或化学方式触发的智能设备。

丹尼洛·德罗西教授和他的团队比萨大学工程学院的研究人员发明了一种可调谐透镜，利用电活性弹性体作为人造肌肉，很像人眼。一个充满流体的弹性体透镜与一个介电弹性体驱动器环集成。当电激活或关闭时，驱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焦距。潜在的好处在于它的无声运行，低功耗，相对耐用，抗冲击和过热。

生物创新的概念是用信息代替物质或能源。在这种情况下，信息被嵌入到弹性体材料中。它的特性使其一旦被微小的电荷触发，就能保持一致和可预测的性能范围。简单、轻便、耐用的部件和系统可以省钱，在这一点上大自然也教会了我们很多东西。

4.纳米布沙漠甲虫。哦，我的天哪，又是一个冠军!这种动物能够从沙漠的夜间空气中挤出水分来生存。它的做法是直面盛行的海风，让较冷的身体凝结小水滴，这些小水滴顺着渠道流到它等待的嘴巴。液滴的形成是由一系列巧妙的亲水凸起所保证的，这些凸起被外壳的疏水部分所包围。

这种生物激发了另一项发明来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·林纳克澳大利亚墨尔本斯威本大学的教授，设计了空投水收割机作为一个简单的综合系统，为干旱地区的作物提供水。它由集热器、冷凝器、储罐和地下滴灌配网组成，农民安装和维护方便。

就像它的生物导师一样，空投利用地表温差迫使水蒸气凝结，但它是利用地下土壤来做到这一点的。在地下盘绕的铜管迫使空气中的露点通过涡轮机收集，水下降到下面的一个水箱，从那里它被泵到作物。LCD屏幕显示水箱水位，压力强度，太阳能电池寿命，和系统健康。Linacre估计，每立方米空气可以提取11.5毫升水。

这里最明显的创新是对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.毛毛虫这些无脊椎动物中有很多都采用环形运动的策略来躲避捕食塔夫斯大学的生物学家和机械工程师在设计GoQBot时研究了这种行为。GoQBot的设计者林怀倜(Huai-Ti Lin，音译)声称，这种逃逸运动是自然界中最快的自我驱动的车轮行为之一，这激起了他对其研究的兴趣。

结果是一个4英寸长的机器人，由硅橡胶制成，驱动器由嵌入形状记忆合金线圈制成。在实验室的测试中，机器人的起飞时间不到250毫秒，旋转角速度为300转/分。这一创新的有趣之处在于，它表明同一设备可以有多种形式的运动。以前受蛇启发的机器人有着高度的关节和柔韧性，但却是出了名的慢。这一设备表明，有可能创造出一种无人驾驶汽车，可以在狭窄的空间中交替移动，跨越间隙并快速移动。

这是物理研究所发布的一段GoQBot的视频。视频:

大自然并不需要太多的轮子(ATP合酶，以及某些细菌鞭毛的旋转基座)，所以这一创新在生物学方法上是特别新颖的。这种全新的外观使以前没有实现的多种功能成为可能，并代表着朝着越来越强大的“软件机器人”的道路上又迈出了一步。

6.板球。如果你认为蟋蟀的声音是任何浪漫夏日夜晚的重要组成部分，你有充分的理由。雄性蟋蟀试图通过一种特定物种的啁啾来吸引雌性蟋蟀，这种啁啾的频率固定在4.5千赫左右。但一旦雌性听到叫声，它们如何找到它们呢?

雌性蟋蟀的前腿上有特殊的感受器或鼓膜，用来比较动物左右两侧的压力波动。压力通过听气管向上输送到蟋蟀体内。压力波动从身体的另一侧直接或间接地到达每个鼓膜。这两个来源之间的相位转换强烈地调节鼓膜振荡，并允许女性确定潜在浪漫来源的方向。

蟋蟀的腹部也有许多细小的毛发或尾须，用来测量压力波动，科学家认为它们的目的是感知攻击。这些毛发的敏感度和精确度都很惊人，而且启发了特温特大学的一个研究小组在荷兰模仿他们的运作。

该团队是CICADA项目的一部分，该项目是欧盟旨在开发生物灵感感知系统的项目。他们将数百根0.9毫米长的塑料电线连接到硅片片的插座上，形成一个接收器阵列。电线在它们的插座中旋转，当它们被微小的空气压力移动时，最微小的移动被柔性悬浮板记录下来。结果，极板的电容量发生变化，这个测量结果被输入中央计算机。

进一步的改进使测量精度达到更高的水平。哈曼·德罗根迪克发现，可以通过电子手段调整电线的弹簧刚度。他研究了在需要的时刻放松每根电线所需的交流电压，使其对相关频率格外敏感。效果是显著的，在调整的频率上增加了十倍的灵敏度。

物理学家Gijs Krijnen和他的同事Remco Wiegerink共同领导了这个项目，他们相信他们的设备将会是一个有用的原型，用于助听器、传感器以及航空气流测量设备等技术。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确度。

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已经告知了这种改进，它有可能在几种不同的技术中创造一种新的感知范式。

7.螳螂虾。这种甲壳类动物有复眼，可以分辨左圆和右圆偏振光。

偏振是光线振荡方向的改变。所有的光线都是电磁辐射，因此，辐射从波的传播方向向四面八方发射。偏光太阳镜阻挡了某些在特定飞机上传播的辐射，从而减少了眩光。

许多动物都能看到偏振光，包括蚂蚁、蜜蜂、果蝇和一些鱼。通常,人类却不能。目前尚不清楚为什么螳螂虾会进化出这种非凡的能力，但秘密信号和更好的水下视觉是可能的。

这种虾在每个眼孔的感光细胞中有一排微小的毛发状褶皱，或称微绒毛，其功能相当于四分之一波片。波片使光折射并改变发射波长的频率。四分之一波片产生四分之一波长相移。

光敏细胞中每个微绒毛的膜是由双折射材料制成的。这意味着光被这种材料双重折射，而且由于微绒毛的直径比光的波长小，所以最终发出的光线不会倾向于一种颜色或另一种颜色。这种能力使螳螂虾可以将线偏振光转换为圆偏振光，反之亦然。

这种所谓的“消色差相位延迟”，或波长无关的相移，可以在广阔的可见光谱上实现，是光学技术领域的一个非常大的问题;在显示技术、通信系统和光学拾取系统中。例如，人造的四分之一波片在CD和DVD播放机以及相机的圆形偏振光滤光片中执行这一基本功能。然而，它们的波长范围很窄(特定的颜色)，这就是为什么模仿螳螂虾是有用的。自从发现了这种天然波片之后英国布里斯托尔大学2009年，许多人都在致力于完善它的合成版本。

一个这样的团队，来自台湾国立台北工业大学，和宾夕法尼亚州立大学在美国，报告了令人鼓舞的结果。他们用具有不同折射率的交替薄膜构建了一组垂直纳米棒。这种阵列模拟了螳螂虾眼睛中发现的两种双折射。薄膜是用一种众所周知的方法，斜角沉积法(OAD)制备的。他们声称他们的方法可以用于设计任何波长范围的波片。

这里的创新之一是利用自然模型(扩大光学器件的波长范围)扩大现有技术的能力，并完善更高效制造(薄膜沉积)所需的方法和材料。虽然虾的光学能力的原因仍然是一个有点神秘的，他们的用途并不是，这是一个很好的例子，使鼓舞人心的实际。

8.植物王国。维管植物通过根部、嫩枝和叶片的被动抽运系统来输送水分，这种抽运系统是由植物叶片气孔的蒸腾作用驱动的。

在蒸腾过程中，水蒸气从叶子内部沿着水势梯度向外部空气抽走，就像干毛巾会从你的皮肤吸走水分一样。

这个作用为水的运输提供了动力，但是水本身的凝聚力以及它在植物木质部侧面的粘附帮助超过100米高的水柱抵抗重力。在这个机制中，从根到最上面的叶子之间存在着一条完整的氢键水分子链。

的研究人员中国大连理工大学研究了一种基于气孔蒸腾原理的微型泵。由于基于微孔蒸腾的流速远远超过简单蒸发的流速，该团队使用“直径定律”来制作具有可控微孔的层状膜。

微泵是基于上述扩散原理工作的，因此不需要外部能量来运行。它包括三层:最上层为93 μm厚的带有一组裂隙状微孔的PVC(聚氯乙烯)薄膜;第二层为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)片材，用胶粘剂将其他两层粘合在一起;第三层是微孔膜。流速由一些微孔的开启和关闭控制，既高又可调节。其结构简单，制造成本低，不依赖电源，广泛适用于需要快速现场流体泵送的医疗和制造场合。

这是另一个“免费冲浪”的好例子。研究人员已经抽象出了蒸腾的原理，以便建造一个由被操纵的材料所固有的物理力提供动力的泵。在这种情况下，流体从高浓度区域流向低浓度区域的趋势。

9.真核生物。我们生活的世界可以分为两种基本的细胞类型，原核生物(“原始”细菌)和真核生物(其他一切)。

纤毛，或者说是细小的毛发，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，它们帮助我们将肺部的碎片清除出去，以及在女性的输卵管中，它们帮助将卵子移动到子宫。这些毛发的横截面，无论是在原生动物的细胞膜上还是在我们的气管里，都非常相似。

纤毛非常方便。它们来回摆动，或者推动某种东西，像桨一样，通过流体，或者沿着它们的表面移动松散的物质。它们还可以过滤，当然，也可以感知事物;这在很大程度上要归功于它们的高纵横比。就像自然界中的所有模块化部件一样，它们通过数量的力量完成了很多工作，对任何一根头发的损伤都不会妨碍一般的操作。

Wyss生物工程研究所的Philseok Kim说他在哈佛大学设计了一种仿生系统，将人造纤毛嵌入水凝胶中。

水凝胶是聚合物和水的亲水混合物，具有很高的收缩-膨胀能力。水凝胶可以对几种不同的外部刺激做出反应，并作为纤毛的可调节基质，使纤毛投射或平躺。

事实上，通过控制凝胶的体积和构造，水凝胶可以被编程成复杂的地形模式，如微小花的开闭。合成纤毛通常是由博世蚀刻方法创建的硅纳米结构，这些，也有可能有多种模式和特征。

金教授提出，为了提高能源效率，可以将这些结构用作智能建筑膜，通过温度激活。当建筑表面达到温度阈值时，透明水凝胶会将毛发竖立起来。每根头发都有一个微小的可变形的微镜，可以把它的脸呈现给外部。就像观看足球比赛的人群用马赛克拼出信息一样，这些镜子会形成一个连续的平面。这个表面现在可以调整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，无论在什么地方，动态的、反应灵敏的表面可以改善我们的生活。这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，可以逆转其润湿特性的织物，或根据施加在其上的机械应力而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(两者都可单独编程)，该系统有许多自由度。

这里的生物创新有很多。为了解决问题的矛盾，将来自不同研究领域的两种材料突破性地结合在一起是其一。混合系统从水凝胶中获得了最佳的可调性、响应性和可逆性，以及纳米线的力学行为范围。此外，对制造的研究使柔性(水凝胶)更有结构，刚性(纳米结构)更有动态。这个系统还展示了生物灵感设计的其他几个原则:小事情倍增(涌现)，免费冲浪，以及使用等级结构来解决问题。

10.动物王国。动物的血液循环系统有很多功能，比如分配营养物质和酶，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网状结构，捕获红细胞。组织形成的成纤维细胞聚集在该区域，白细胞(中性粒细胞)吞噬细胞碎片和异物，如灰尘和细菌。随着下面组织的愈合，血块逐渐变硬成为结痂。

自愈材料是仿生研究的一个主要领域在分子、微观和宏观层面上，有许多不同的方法来应对这一挑战。伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois Urbana-Champaign)的南希·索托斯(Nancy Sottos)教授和她的团队率先采用了一种宏观方法。它涉及到在塑料中浸渍一个精细的通道网络，每个通道的直径小于一米的百万分之一，可以填充液体树脂。这些“微血管”网络像动物的循环系统一样渗透到材料中，为所有区域提供愈合剂，随时准备在裂缝出现时释放出来。

通道中的树脂被置于压力下，当裂缝穿过通道时，液体被吸进空隙，随后是固化剂。这种加压系统是对以前工作的改进，以前的工作依赖于嵌入的树脂微胶囊，这些树脂胶囊在裂缝开始时就会破裂。修复材料的供应太少，仅依靠扩散太慢。抽水系统现在可以修复直径达一毫米的裂缝，这是原来的十倍。

应用包括车辆和结构的自我修复，进一步的改进将包括将泵系统集成到材料本身，并增加这种合成血管系统的多功能性，比如使它作为一个液压结构支撑系统做额外的工作。

祝贺所有获胜的生物!愿我们有智慧好好利用你的教训。

cc许可的照片在页顶的螳螂虾通过维基共享．