有哪些有趣的仿生学黑科技？

中科院半导体所 昨天

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只要能在自然界找到生物原型的发明或设计就是仿生的吗？生活里有很多物品都能找到与生物相似之处，后摆开衩的燕尾服、厨房里的鹅颈水龙头、小猪造型的存钱罐、甚至《龙珠》里龟仙人的龟壳。


实际上这些都只是与生物外形存在一定的相似性，并没有研究后启发的逻辑关系，最多只能算一种模仿设计。真正的仿生学发明反而不一定在外形上有什么相似之处，但内在的原理以及解决问题的思路是一致的。


那么什么样的发明才算得上是真正的仿生呢？当然是要遵从发现、研究、启发、设计这样的逻辑。今天地铁的地下隧道横行整个城市，但是在200年前，泰晤士河的河底隧道却让英国人吃了不少苦头，难题最后被一种仿生设计的机械设备攻克。

当年英国的伦敦港是世界上最繁忙的港口，但货物过河只能通过狭窄的伦敦桥，非常的拥堵于是就有人打起了水下隧道的主意。

1880年伦敦桥的拥堵情况，来往两岸的几乎全是拉货的车

然而泰晤士河的情况非常糟糕，河底有非常厚的透水砂砾、牡蛎壳等，这也就意味着要保证隧道的安全就得往更深处打，可是越深压力也越大，就会有坍塌的危险。此前的工程多半都因为渗水或坍塌宣告终止。

法国人布鲁内尔曾经为皇家海军工作，在造船厂里他仔细观察了船蛆这种神奇的动物。船蛆虽然长得很像一条虫子，但是它是一种双壳纲的软体动物，算是一种贝类。它的两片贝壳在头部，在遇到危险的时候会用来堵住洞口。布鲁内尔发现船蛆不仅仅会挖洞破坏木材，还会分泌出一种物质在木头洞壁上形成钙质的保护壳防治木头膨胀挤压，于是便构思出了盾构机。


盾构机的创新之处在于它能够在向前掘进的同时保护工作面不发生坍塌，大大提高了隧道施工过程中的安全。我们可以把盾构机想象成一个底部开了大孔的杯子，把杯底朝前塞进隧道里，工人就在杯子内部通过那些大孔施工，掘进的同时工人在后方修建永久性的支撑结构，一边挖一边修，几乎跟船蛆一样。直到今天盾构法依然是隧道工程中的主流方法之一。


另一个与隧道相关仿生学设计也非常有趣。

日本新干线技术开发部门的从鸟类身上寻找灵感，解决列车高速行驶的噪音难题。列车在隧道中高速行驶，车头推着前方的空气走，空气积聚的能量在隧道口释放，产生巨大的音爆。

于是工程师模仿翠鸟的喙设计了全新的车头。翠鸟常常从空中高速俯冲入水捕鱼。它们的喙为了尽可能减少入水瞬间溅起的水花，进化成了细长的流线型。全新的仿生设计替换了原来的“子弹头”，不再挤压空气，而是排开空气，减轻了出隧道所产生的音爆。


仿生的设计让新干线列车的空气阻力降低了30%，速度提高了10%，同时能耗还减低了15%，在高速列车第一次以300公里每小时的速度运营。

所以我们可以发现，真正的仿生学设计一定是受到生物启发，探究原理进而提取核心在指导创新发明和改进，发明与原型之间存在很强的内在联系，而并不一定会体现在外形外观上。


当然，有些耳熟能详的技术也是实打实的仿生学发明。

“出淤泥而不染”是专属于荷花的形容，不论中外，人们很早就注意到荷叶滴水不沾的奇特属性，但是无论大家如何赞美歌颂，都没办法知道这是为什么，直到1970年代扫描电子显微镜（SEM）出现，德国植物学家巴特洛特才使用这项技术观察到了荷叶微观结构。


荷叶的表面具有两级微纳米结构，分别是微米级别的乳突和纳米级别的蜡质绒毛。我们可以用自然地貌来形象的理解荷叶的表面结构，大小在5-9微米的乳突就像是地表上一个个小山丘，山丘上又有稍微尖瘦一些的峰峦，所有山丘峰峦上都长满了参天的大树，这些大树就是大小在200纳米左右的蜡质绒毛。

这样的复合结构托起了滴落在荷叶表面的所有液体，等于在荷叶与水之间填充了纳米级的空气。水就会倾向于聚成液滴，而不是散开成一滩，被称为“荷叶效应”。

除此之外，荷叶的这种疏水性还带来了一个很重要的特性——自清洁效应。水滴在重力的作用下滑动，滑动的过程中就会将尘埃一并带走。所以荷叶不仅仅是滴水不沾，也几乎是一尘不染的。


这种优异的特性是各个领域都梦寐以求的，谁不想有一个防水还干净的表面呢？试想一下，一件正常的衣服，不使用特殊的面料也不采用奇特的设计，只是对它的表面做一些处理就能获得防水自清洁的能力，岂不美哉？

曾经最主流的一类是C8防水剂，碳链含有8个碳原子，碳链越长含氟化物就越多，防水性能就越好。这种有机物附着在织物的表面形成类似于荷叶表面蜡质绒毛的结构，让液体难以渗入面料内部。

但是在这种C8防水剂大量应用后，人们发现它存在环保和健康隐患。C8防水剂的生产原料PFOA与PFOS对人体和动物有害，在环境中很难降解，容易在体内堆积危害健康。并且使用了C8防水剂的织物也会在受热、浸泡、暴晒的情况下也会释放出PFOA与PFOS。

氟碳防水剂荷叶效应的原理

于是一场材料革命到来，各大化工企业都在努力研发符合环保要求的防水技术。国内外很多运动户外服装品牌也都承诺努力实现有害化学物质零排放的目标。


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编辑：橘子大人