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阳光和植物,是自然界的能量之源。动物们无一例外地通过最原始的方式,捕获食物获取能量。
当人类解开火的秘密,能量的释放就获得了一种新的方式:燃烧。燃烧千百年前深埋地底下的植物,释放出储存千百年的太阳的能量,让我们得以摆脱自然界的束缚,并直接推动了工业革命。直到今天,我们利用的大多数能量,仍然源自这种燃烧史前植物的原始过程。然而,它又让我们的地球付出了代价,大气中的二氧化碳逐渐增多,环境遭到严重破坏。
现在,仿生科学家们有了一种全新的思路,如果人类回到最初获取能量的方式——捕食,会不会找到一条全新的无污染的能源之路呢?
任何生物的生存都需要能量。幸运的是,这个世界充满了可再生能源:食物。不过,真正的挑战在于,如何找到自己的食物而不成为其他生物的盘中餐。这种古老的争夺,是能量在动物界中传递的唯一途径,千百万年来,动物们获取能量的唯一方式,就是捕食。
这种寻找能量的方式引起了工程师的关注:如果机器人也能做到会是怎么样呢?一种”食虫机器人”获取能量的方法是吃苍蝇。
不过目前它还不会捕捉苍蝇,还得靠人喂。在特殊的微生物溶液中,苍蝇会被机器人消化掉。但是,即使饱餐一顿苍蝇,它获得的能量也不多。而且它得呆上几分钟消化食物,才能储存足够的能量走上几厘米。但是这个系统的确起作用,在20分钟之内,它就能前进好几米。用生态术语来说,“食虫机器人”属于食肉动物。(图1)
要获取更多的能源,还有一个办法也许就是降低利用能源的门槛。
飞蛾的眼睛能够捕捉最微弱的光线,这是因为它们的眼睛外面有抗反射层。
放大2.5万倍后可以看到,它们的眼睛表面覆盖着间距精确的小突起,这些微小突起的间距完全相同,能够阻止光线反射,从而增加光线的吸收。这是自然界惊人的纳米级构造。德国的科学家研制出了一种同类的纳米结构,它的商标就是飞蛾的眼睛。
在玻璃的表面加工,让其附着上一层纳米结构膜,这层膜和蛾眼一样全是间距相等的微型突起,它们几乎吸收了照射上来的所有阳光。效果非常明显,一个监测器的一半使用常规材料,另一半则覆盖了蛾眼。 直视表面,没有太大的差别,但是从某个角度看去,覆盖蛾眼的表面,看不到一点强光。
在太阳能电池上应用蛾眼技术,被吸收的阳光增加了,电池的效率也提高了。而同样是利用太阳光产生能量,树叶的效率要比太阳能电池低得多,相对成本也非常低廉。自然界的解决之道尽管效率不高,但很廉价,毕竟,树叶无处不在。
白蚁是自然界的建筑大师,它们建造巨大的土城堡。这些“城堡”并不是简单的土堆,而是很复杂的建筑物。一窝白蚁产生的热量与一头奶牛一样多,而且它们又生活在密闭的土堆里,所以,它们必须以某种构造方式使蚁巢通风。(图2)
通过测量科学家们发现,蚁巢内部确实整天都维持着一个非常合适的温度。白蚁调节空气的秘密,就在于蚁巢的建筑细节中。科学家们用JCB(作业控制块)精细挖掘技术把蚁巢切开,试图看清其基本结构。
但是,这个纵切面太粗糙,无法看清蚁巢的建筑细节。
于是,科学家想出了一个新的主意:向巢内注入石膏,让石膏在所有隧道中流通,然后凝固堵住。这件事非常难办,因为浆液不能太稠,要刚好能够流到所有的隧道中;却又不能太稀,太稀会无法凝固。最难的是他们得弄清巢穴何时才能充满,以免灌入过多的水,冲坏了蚁巢的结构。
漫长的等待后,终于可以检验实验的成果了。在高压水流的冲刷下,蚁穴的泥被冲走了,石膏定型的复杂隧道系统留了下来。摆在科学家们面前的,是一尊白蚁穴的雕塑,这个王国的建筑第一次以这样的方式呈现在人们面前。(图3-1、3-2)
但是,科学家们仍不满意。这种办法揭示了较大的隧道如何相连,但同时也毁坏了一层很窄的隧道。科学家们在JCB的挖掘中曾经注意到有这样一层。
于是,他们想出了一种非同寻常的方法,可以看清土堆的最细微处。
他们在白蚁穴上方安装了世界上最大的平板扫描仪。削去巢穴顶部很薄的一层,就拍摄一张照片,在接下来的两周里,土堆被昼夜不停地一毫米一毫米地削去,每削去一层都会拍摄一张照片。
科学家们将大量的连续照片输入计算机,利用专门的软件合成,最后生成出一个从来没有人见过的蚁巢结构三维图。
这几乎就是一个蚁巢的复制品,我们可以完全看清白蚁是如何修建它的王国的。蚁巢调节温度的秘密就在于风的流通。科学家们发现,蚁巢复杂的隧道网络控制着风速和风力的变化,风从中心管道进入蚁巢,然后在巢穴内部各个细小的隧道中形成稳定的气流,如果循环的气流不够强,白蚁就会把土堆加高些,多建些隧道来予以补充。
而这样环保节能却复杂的设计,我们目前恐怕连想都不敢想。
在信息社会,掌握大量的信息是立于不败之地的关键。这一点我们也能在自然界中找到高手——蟑螂。蟑螂能够非常敏感地获得信息,比如在哪里找到食物,在哪里能够藏身,它们还能敏锐地侦察到危险。
这一切都是因为蟑螂的两根尾毛,尾毛上覆盖的细毛能够对细微的空气流动作出反应。由于有成百上千根向不同方向弯曲的毛发,蟑螂就能够准确地定位气流来自何处,而且还能确定产生气流的物体有多大。
蟑螂尾毛的神经纤维一直通向腿部的控制中心,因而,蟑螂在逃跑时连想都不用想。
这种一流而经济的结构,引起了空间科学家的注意。火星表面有很强的旋风,足以摧毁目前的火星探测器,然而,如果探测器能像蟑螂那样有探测风力强度和方向的能力,就能够避开麻烦。
空间探测器的另一个研究方向是团队协作。设想如果它们每一个都能与其他探测器进行对话,像蚂蚁那样协调自己的行为,那么我们在外太空搜索生命的效率会高得多。
说到蚂蚁,它们最擅长的就是团队合作。但是,并没有哪只蚂蚁的头脑里有总体的规划设计,没有哪只蚂蚁能够全面了解整个蚁群试图达到什么目标。蚂蚁社会的密切合作源于每一个个体都只遵循着一些简单的规则。这种完成复杂任务的简单程序,激发了机器人设计师的灵感,他们试图设计出能够以类似方式合作的机器人。
西英格兰大学的机器人就是模仿蚂蚁的规则设计的,它们只会几个动作,捡起光盘,放下和转身。但设计师们对它们输入了一些简单的规则程序。
第一,如果碰到光盘,就捡起来。
第二,如果碰到墙壁或另一个机器人,就转身。
第三,如果已经拿到一个光盘,又碰到了另一个,就把手里的放下。将12个输入这些规则的机器人放在一个随意放着光盘的区域,奇怪的事情发生了:
大约过了一小时,这队机器人齐心协力拾起了所有散放的光盘,并整齐地将它们码成一堆。这或许就是我们向制造出人工蚁群迈出的第一步。
仿生学可以开创新材料的未来,可以找到人类用之不尽的新能源,而所有的这些潜力还仅仅来自目前对几百个物种的研究。自然界有千百万个物种,每一种都有我们尚未解开的秘密。
地球上生命的多样性,40亿年的生物大繁荣,是人类最大的资源。然而,这种资源正在消失,其速度与史前几次毁灭性的自然灾难不分伯仲,就像是烧掉地球上最伟大的图书馆,而这些问题的发生,都是由我们人类造成的。
也许仿生学能够改变这一切。只要仿生学确实能给人类带来巨大益处,那么这种新的学科就会成为我们更好地管理地球的指南。人类要生存下去,就必须爱护一切蕴藏着自然秘密的生命。
当人类解开火的秘密,能量的释放就获得了一种新的方式:燃烧。燃烧千百年前深埋地底下的植物,释放出储存千百年的太阳的能量,让我们得以摆脱自然界的束缚,并直接推动了工业革命。直到今天,我们利用的大多数能量,仍然源自这种燃烧史前植物的原始过程。然而,它又让我们的地球付出了代价,大气中的二氧化碳逐渐增多,环境遭到严重破坏。
现在,仿生科学家们有了一种全新的思路,如果人类回到最初获取能量的方式——捕食,会不会找到一条全新的无污染的能源之路呢?
任何生物的生存都需要能量。幸运的是,这个世界充满了可再生能源:食物。不过,真正的挑战在于,如何找到自己的食物而不成为其他生物的盘中餐。这种古老的争夺,是能量在动物界中传递的唯一途径,千百万年来,动物们获取能量的唯一方式,就是捕食。
这种寻找能量的方式引起了工程师的关注:如果机器人也能做到会是怎么样呢?一种”食虫机器人”获取能量的方法是吃苍蝇。
不过目前它还不会捕捉苍蝇,还得靠人喂。在特殊的微生物溶液中,苍蝇会被机器人消化掉。但是,即使饱餐一顿苍蝇,它获得的能量也不多。而且它得呆上几分钟消化食物,才能储存足够的能量走上几厘米。但是这个系统的确起作用,在20分钟之内,它就能前进好几米。用生态术语来说,“食虫机器人”属于食肉动物。(图1)
要获取更多的能源,还有一个办法也许就是降低利用能源的门槛。
飞蛾的眼睛能够捕捉最微弱的光线,这是因为它们的眼睛外面有抗反射层。
放大2.5万倍后可以看到,它们的眼睛表面覆盖着间距精确的小突起,这些微小突起的间距完全相同,能够阻止光线反射,从而增加光线的吸收。这是自然界惊人的纳米级构造。德国的科学家研制出了一种同类的纳米结构,它的商标就是飞蛾的眼睛。
在玻璃的表面加工,让其附着上一层纳米结构膜,这层膜和蛾眼一样全是间距相等的微型突起,它们几乎吸收了照射上来的所有阳光。效果非常明显,一个监测器的一半使用常规材料,另一半则覆盖了蛾眼。 直视表面,没有太大的差别,但是从某个角度看去,覆盖蛾眼的表面,看不到一点强光。
在太阳能电池上应用蛾眼技术,被吸收的阳光增加了,电池的效率也提高了。而同样是利用太阳光产生能量,树叶的效率要比太阳能电池低得多,相对成本也非常低廉。自然界的解决之道尽管效率不高,但很廉价,毕竟,树叶无处不在。
白蚁是自然界的建筑大师,它们建造巨大的土城堡。这些“城堡”并不是简单的土堆,而是很复杂的建筑物。一窝白蚁产生的热量与一头奶牛一样多,而且它们又生活在密闭的土堆里,所以,它们必须以某种构造方式使蚁巢通风。(图2)
通过测量科学家们发现,蚁巢内部确实整天都维持着一个非常合适的温度。白蚁调节空气的秘密,就在于蚁巢的建筑细节中。科学家们用JCB(作业控制块)精细挖掘技术把蚁巢切开,试图看清其基本结构。
但是,这个纵切面太粗糙,无法看清蚁巢的建筑细节。
于是,科学家想出了一个新的主意:向巢内注入石膏,让石膏在所有隧道中流通,然后凝固堵住。这件事非常难办,因为浆液不能太稠,要刚好能够流到所有的隧道中;却又不能太稀,太稀会无法凝固。最难的是他们得弄清巢穴何时才能充满,以免灌入过多的水,冲坏了蚁巢的结构。
漫长的等待后,终于可以检验实验的成果了。在高压水流的冲刷下,蚁穴的泥被冲走了,石膏定型的复杂隧道系统留了下来。摆在科学家们面前的,是一尊白蚁穴的雕塑,这个王国的建筑第一次以这样的方式呈现在人们面前。(图3-1、3-2)
但是,科学家们仍不满意。这种办法揭示了较大的隧道如何相连,但同时也毁坏了一层很窄的隧道。科学家们在JCB的挖掘中曾经注意到有这样一层。
于是,他们想出了一种非同寻常的方法,可以看清土堆的最细微处。
他们在白蚁穴上方安装了世界上最大的平板扫描仪。削去巢穴顶部很薄的一层,就拍摄一张照片,在接下来的两周里,土堆被昼夜不停地一毫米一毫米地削去,每削去一层都会拍摄一张照片。
科学家们将大量的连续照片输入计算机,利用专门的软件合成,最后生成出一个从来没有人见过的蚁巢结构三维图。
这几乎就是一个蚁巢的复制品,我们可以完全看清白蚁是如何修建它的王国的。蚁巢调节温度的秘密就在于风的流通。科学家们发现,蚁巢复杂的隧道网络控制着风速和风力的变化,风从中心管道进入蚁巢,然后在巢穴内部各个细小的隧道中形成稳定的气流,如果循环的气流不够强,白蚁就会把土堆加高些,多建些隧道来予以补充。
而这样环保节能却复杂的设计,我们目前恐怕连想都不敢想。
在信息社会,掌握大量的信息是立于不败之地的关键。这一点我们也能在自然界中找到高手——蟑螂。蟑螂能够非常敏感地获得信息,比如在哪里找到食物,在哪里能够藏身,它们还能敏锐地侦察到危险。
这一切都是因为蟑螂的两根尾毛,尾毛上覆盖的细毛能够对细微的空气流动作出反应。由于有成百上千根向不同方向弯曲的毛发,蟑螂就能够准确地定位气流来自何处,而且还能确定产生气流的物体有多大。
蟑螂尾毛的神经纤维一直通向腿部的控制中心,因而,蟑螂在逃跑时连想都不用想。
这种一流而经济的结构,引起了空间科学家的注意。火星表面有很强的旋风,足以摧毁目前的火星探测器,然而,如果探测器能像蟑螂那样有探测风力强度和方向的能力,就能够避开麻烦。
空间探测器的另一个研究方向是团队协作。设想如果它们每一个都能与其他探测器进行对话,像蚂蚁那样协调自己的行为,那么我们在外太空搜索生命的效率会高得多。
说到蚂蚁,它们最擅长的就是团队合作。但是,并没有哪只蚂蚁的头脑里有总体的规划设计,没有哪只蚂蚁能够全面了解整个蚁群试图达到什么目标。蚂蚁社会的密切合作源于每一个个体都只遵循着一些简单的规则。这种完成复杂任务的简单程序,激发了机器人设计师的灵感,他们试图设计出能够以类似方式合作的机器人。
西英格兰大学的机器人就是模仿蚂蚁的规则设计的,它们只会几个动作,捡起光盘,放下和转身。但设计师们对它们输入了一些简单的规则程序。
第一,如果碰到光盘,就捡起来。
第二,如果碰到墙壁或另一个机器人,就转身。
第三,如果已经拿到一个光盘,又碰到了另一个,就把手里的放下。将12个输入这些规则的机器人放在一个随意放着光盘的区域,奇怪的事情发生了:
大约过了一小时,这队机器人齐心协力拾起了所有散放的光盘,并整齐地将它们码成一堆。这或许就是我们向制造出人工蚁群迈出的第一步。
仿生学可以开创新材料的未来,可以找到人类用之不尽的新能源,而所有的这些潜力还仅仅来自目前对几百个物种的研究。自然界有千百万个物种,每一种都有我们尚未解开的秘密。
地球上生命的多样性,40亿年的生物大繁荣,是人类最大的资源。然而,这种资源正在消失,其速度与史前几次毁灭性的自然灾难不分伯仲,就像是烧掉地球上最伟大的图书馆,而这些问题的发生,都是由我们人类造成的。
也许仿生学能够改变这一切。只要仿生学确实能给人类带来巨大益处,那么这种新的学科就会成为我们更好地管理地球的指南。人类要生存下去,就必须爱护一切蕴藏着自然秘密的生命。