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以昆虫为灵感的4种仿生技术 沙漠甲虫寻水秘籍

http://www.kexue.com 2013-05-14 11:27:23 科技日报  发表评论

从跳蚤身上得到灵感制造出超级高弹橡胶

  你大概想不到谁才是当今工程师们的新缪斯女神——蝴蝶、蜘蛛、跳蚤……不、不,这可不是中世纪巫师在搜集炼制汤剂的配方,而是如今方兴未艾的昆虫仿生学技术——昆虫们在身体结构、器官属性等方面所表现出的精巧与实用,已经吸引了越来越多研究者的关注与投入。日前,美国《发现》杂志在线版一篇文章列举出4种新技术,并意图向人们展示:无论是不需要光源也能清晰成像的技术,还是在沙漠戈壁中寻找水源的方法,一场由虫子们引发的仿生学革命,正在进行中。

  晶状体呈色的蝴蝶翅膀

  应用:无需光源的节能显示屏

  大部分蝴蝶的翅膀以及孔雀等一些鸟类的翅膀,都拥有绚丽鲜亮的色彩。不过,这种美丽的外表,并不是源自它们的身体上自带怎样的颜料物质,而是得益于如棱镜一样的晶状体表面结构。简单地说,就是这种独特的结构,能够将阳光色散为多种单色光,然后被人类等观察者的眼睛所捕获。其原理与雨后经常会出现的彩虹一样。

  蝴蝶之翼的神奇,给著名的移动通讯技术研发公司高通带来了灵感。他们将这种巧妙结构应用到向日葵、IMOD等旗下电子产品之上。借助一组微观显示结构的技术,高通的电子阅读器能够在阳光下产生出与蝴蝶翅膀一样的绚丽光彩。

  而更为重要的是,这种被称作干涉仪调节器显示的技术,仅需借助周遭环境内的光源,不需要产品本身再加装任何额外的背景光源。这不仅彻底解决了传统显示屏一遇到强烈日光就“见光死”的尴尬问题,更能够节约90%的电源消耗。这种价值无疑是巨大而具有深远影响的——当前一台等离子电视的能耗一般为400瓦,使用该技术之后则只需原来的十分之一。可以想象,一旦该技术被推广到手机等所有的电子产品领域,将会产生多大的绿色效益。

  反射紫外线的蜘蛛网

  应用:减少鸟类撞击事件的玻璃

  很少有人会想到,玻璃竟然是一名“恶贯满盈”的鸟类杀手。据统计,每年大约有1亿多只鸟死于与摩天大楼等高层建筑玻璃窗户或外墙的碰撞。

  不过令科学家感兴趣的是,虽然躲不过人类制造的无形杀手,但鸟类几乎从未在蜘蛛网这种动物界的陷阱中吃过亏。原因就在于它们能够感知到蜘蛛网反射出的紫外线。蜘蛛为什么要主动警示鸟类?答案显然不是无心之错。科学家们猜测网的主人之所以拒绝看似丰厚的猎物,一来在于鸟类的体积显然大大超过了自己胃口的承受能力,二是它们对于网的破坏实在太大,修补起来不是轻松的事情。

  人类希望与蜘蛛的智慧相比,自己能更高一筹(但在织网这事上还真说不定)。鸟类学家和工程师就在蜘蛛网中获得了灵感,并将它运用到一种建筑玻璃中来。德国格拉斯维克·阿诺德公司是一家大型跨国企业,专业生产真空隔热玻璃、阳光控膜玻璃和建筑玻璃表面等产品。在自己的最新产品中,阿诺德公司加入了一层类似蜘蛛网的紫外线反射结构,可以帮助鸟类在飞行中识别出玻璃这种不可穿越的障碍,从而及时做出规避。

  设计师与鸟类学机构在鸟类经常飞行的地方所进行的实验,充分地证明这款玻璃在保护鸟类方面的有效性。应用结果显示,鸟类撞击事件因为新型玻璃的使用而下降了75%。

  沙漠甲虫的寻水秘籍

  应用:干旱区集水储水设备

  对于沙漠地区的生命来说,寻找水源是生存的第一法则。生活在纳米比亚沙漠中的拟步甲虫就是其中的高手之一。

  作为地球上最炎热、最干燥的地区之一,纳米比亚沙漠从不下雨,但是一年之中有6个月的时间,从大西洋偶发的强风阵阵,会为该地带来雾气,这些雾气就成为拟步甲虫赖以生存的水源。

  这种虫子的外壳上有一层仅有人类头发一半厚度的凸起物,并且覆盖着一种蜡状的憎水物质。每天清晨,拟步甲虫都会将自己的屁股高高撅起,数分钟之后露珠便会在上面形成,随后流经背部的憎水层,落入它的口中。对于这种体型只有2毫米到35毫米大小的虫子来说,这些水分足以满足需要。

  拟步甲虫的故事给予人们的启示在于:再恶劣的环境,总还是为生命保留了一丝希望;人类要改善自身的生活环境,应当多向大自然学习。这种极地生存的技巧,就被设计师基塔·帕克所看中。

  他借此发明了一种成功的仿生设备。该设备由不锈钢制成,有着甲虫外壳般的造型,能够高效地收集清晨露水,并将其储存到下方的圆形储水盒中。这些水完全能够保证沙漠地区人们的生存所需。

  跳蚤的弹跳天赋

  应用:超级高弹橡胶

  早在1920年代,英语国家的人们就已经开始使用“蜜蜂的膝盖”来形容某种事物的出色。如今,澳大利亚联邦科学与工业研究组织通过研究证明,与蜜蜂相比,跳蚤的膝盖同样优秀,甚至远超前者。

  目前,该组织已经生产出一种弹性高达98%的完美橡胶。而其中的秘诀就来源于对跳蚤,或者确切地说,跳蚤关节中节肢弹性蛋白的研究。节肢弹性蛋白的作用很像一种弹簧。当遭受外来力量的时候,它先将其吸收,然后再把储存的力道在受力消失时释放。

  据报道,该组织的生物化学家为了人工合成节肢弹性蛋白,首先从果蝇体内分离出控制节肢弹性蛋白产生的一个基因片段,然后将其插入大肠杆菌中,经过处理的大肠杆菌能够产生一种节肢弹性蛋白的前体。随后,他们将这种蛋白和钌催化剂混合在一起,并用强烈的白光照射,促使节肢弹性蛋白前体中的氨基酸分子以特定形式紧密结合在一起,成功使混合物变成了固体。这种人工合成的材料和节肢弹性蛋白一样具有超强弹性。

  而与节肢弹性蛋白的这种效用相比,无论是人工橡胶还是天然橡胶,都无法与之相提并论。跳蚤就是最好的例证。借助关节中节肢弹性蛋白组成的衬垫,跳蚤可以轻松一跃,到达身体长度100倍的高度(换作人类,这个数字将是600倍!)。

  节肢弹性蛋白是目前最高效的弹性蛋白已经毫无疑问。问题在于人类怎样才能更好地实现它那广阔的应用前景。从提高心脏瓣膜的响应速率,到优化运动鞋的弹性度,这种神奇材料所能做的事情,还有太多太多。

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