门户首页 » 灵感日志 » 文章内容

向大自然汲取创新灵感

发布作者:纵意花丛 发布时间:2010-03-28 浏览次数:2015 文章评论:0
    蔚蓝的印度洋在2004年岁末爆发的地震,引发了一次世所罕见的海啸,十几米高的巨浪以排山倒海之势,疯狂而凶狠地扑向海岛、扑向大陆。肆虐之地,一片狼藉。海啸的巨大威力,也触发了很多军事学家的“另类”思维:未来战争中,能否仿造海啸武器?
    这并不是异想天开。美国空军的一份秘密研究报告透露,美军正密谋研制天气武器,呼风唤雨,将天气变化产生的雨水、冰雹、冰雪作为空袭“杀手锏”,赢得“无伤亡”战争的胜利。
    变天气为武器,让“雷公”、“电母”下凡参战,只是仿生学应用于军事的一个尝试。事实上,大自然经数十亿年的进化,已形成了最优化的形态结构、最有效的物质代谢和再循环系统、最精确的控制和协调过程,因此,“师从自然”,正日益成为科技创新和发展高新技术产业的准则。仿生科研和仿生产业,在提高国家综合竞争力的天平上,砝码越来越重。
    仿生科研造福生活
    莲叶效应-自洁涂料   “出淤泥而不染”,是人们对莲花的赞美。它为何能保持高洁呢?谜底是由德国波恩大学的科研人员揭开的。以往科研人员在显微镜下观察植物叶片结构,总要先把叶片洗干净。有一天,他们突然发现:表面光滑的叶片反而需要清洗,粗糙的叶片却是干净的,而莲花叶子甚至可以完全不沾水。经仔细观察发现,莲叶面上有许多非常微小的茸毛和腊质凸起物,雨水落在上面,铺不开、渗不进,只化作粒粒水珠滚落下来,顺道儿带走了荷叶表面的灰尘,从而使叶面始终一尘不染。
    灵光一闪。科研人员模仿莲叶的自净原理,开展防污产品的研究。美国已经开始研究如何将这种自净原理用于汽车制造,使驾车族不必再日日洗车。可喜的是,上海也已研制出具有自洁效应的纳米涂料,其干燥成膜过程中,涂层表面会形成类似荷叶的凹凸形貌,构筑一层疏水层。这样一来,灰尘颗粒只好在涂层表面“悬空而立”,并最终在风雨冲刷下“纵身跃下”。和田路小学教学大楼外墙已率先采用这种纳米涂料,10年无需清洗也能光洁如新。
    据上海纳米中心高级工程师闵国全介绍,除纳米涂料外,上海还研制成功纳米瓷砖、纳米服装等,去年,纳米自净防污产品创造的效益达1亿元。
    雌蛾求爱-防治害虫   昆虫是怎样寻找配偶的?昆虫学家对此早就怀有浓厚的兴趣。他们把雌蛾关在一个小铁丝笼里,置于农田中,晚上就有许多雄蛾飞来围着小笼盘旋。昆虫学家再把雌蛾研碎,将残体涂抹在纸片上,但雄蛾依然不改痴心。最后,昆虫学家发现,在寂静的夜晚,雌蛾会抬起腹部,伸出腹部的腺体,释放求爱气味,而随意飞行的雄蛾则摆动着头部的触角,一旦嗅到雌蛾的求爱气味,就循味飞来。
    我国科学家破译了雌蛾的这种化学语言后,研制出“仿生诱芯”,即人工合成这种化学气味,然后将其加入一种硅橡皮塞中,置于诱捕器中,使其缓缓释放,引诱大量的雄蛾自投罗网,既杀虫,又可根据诱捕量预测害虫的发生期。迄今为止,我国科学家已研制成功60多种“仿生诱芯”,对我国主要农林害虫的测报和防治起了重要作用。
    鲨鱼皮肤-泳衣   一件泳衣,在悉尼奥运会上改变了世界泳坛的格局。几乎大半金牌得主都穿上一种特殊的泳衣———连体鲨鱼装。这种鲨鱼装仿造了海中霸王鲨鱼的皮肤结构,泳衣上设计了一些粗糙的齿状凸起,能有效地引导水流,并收紧身体,避免皮肤和肌肉的颤动。
    此后,仿生泳衣越仿越精。第二代鲨鱼装又增加了一些新的亮点,加入了一种叫做“弹性皮肤”的材料,可使人在水中受到的阻力减少4%。此外,还增加了两个附件,附在前臂上由钛硅树脂做成的缓冲器能使运动员游起来更加轻松;附在胸前和肩后的振动控制系统能帮助引导水流。
    海蜇-水母耳   每当风暴来临前,最古老的腔肠生物海蜇仿佛能未卜先知,早早就离岸游向大海避灾。原来,海蜇有个“顺风耳”,其“耳”(细柄上的小球)中有小小的听石,上面布满神经感受器,能听到风暴产生时发出的次声波(由空气和波浪摩擦而产生,频率为8赫兹-13赫兹,传播比风暴、波浪的速度快)。
    模拟海蜇感受次声波的器官,科技人员设计出一种“水母耳”仪器,可提前15小时左右预报风暴。它由喇叭、接受次声波的共振器和把这种振动转变为电脉冲的转换器以及指示器组成。将这种仪器安装在船的前甲板上,喇叭做360°旋转。当它接收到8赫兹-13赫兹的次声波时,旋转自动停止,喇叭所指示的方向,就是风暴将要来临的方向。指示器还可以告诉人们风暴的强度。
    仿生成果走向产业
    京沪两地科学界级别最高的“香山科学会议”和“东方科技论坛”最近联合就仿生学召开学术研讨会,此举在科学界引起不小震动:为何给予仿生学如此高规格?
    缘自国际科研和高新技术产业的竞争态势。越来越多的科学家认识到:模仿自然更有无限的潜力和机会,更有可能提升原始创新的能力。
    人类进化只有500万年的历史,而生命进化已经历了约35亿年。大自然的奥秘不胜枚举。每当我们发现一种生物奥秘,就有可能成为我们一种新的设计可能性,也可能带给我们新的生存方式,仿生思维就是在大自然中寻找解决问题的方程式。10年前,许多国家就开始通过仿生学,提升科技创新活力和产业能级。在美国,有一项长期研究计划与仿生科技紧密相关,其优先发展的先进制造、先进材料和先进军事装备等,不少是从模拟与仿真入手;德国研究与技术部已就“21世纪的技术”为题,从仿生学出发,在电子技术、纳米技术、富勒碳材料、光子学、材料、生物传感器等领域投入了相当大的财力和人力;英国、日本、俄罗斯以及韩国等国都有相应的仿生科技和仿生产业中长期计划,在先进制造、材料、生物技术、高性能计算与通信计划等领域开展基础性研究。
    仿生成果已不断涌现,并开始从基础研究发展到商业化竞争阶段。中科院上海生命科学研究院植物生理生态研究所研究员杜家纬介绍,这些仿生学成果应用于经济、军事和人类卫生事业后,在全球经济中所创造的份额会越来越大。如德国轮胎设计专家根据跑行中的猫前爪垫的功能和蜘蛛网的柔顺结构及其稳定性,设计出一种AMC垫型轮胎,其表面的柔软性和硬性网状结构设计,具有较大的抓地性和运行精度,增加了轮胎与地面的摩擦力,使刹车距离从现在的19米缩短为9米,大大提高了安全性。这种轮胎已完成了实地试验,一旦投产,对世界轮胎业产生的冲击可想而知。又如,德国米勒公司新设计的一款洗衣机内桶表面结构仿造蜂巢和龟背壳形状,所洗的衣服非常干净,但洗涤过程却非常柔顺,不伤衣料。据统计,我国每年洗衣机更新量为500万台,有关专家已经担忧,一旦这种仿生洗衣机进入市场,将大大挤压我国的洗衣机市场。
    将仿生研究纳入国家战略
    机器人、纳米自洁涂料、生物农药……仿生科研在本市和全国其它城市的不少领域已有开展,但始终难以形成规模产业,缘于仿生学缺乏系统的研究规划和研究体系,因此源头创新性研究还远远不够。为此有关专家认为,科研主管部门、科技界和产业界都应转变观念和视角,从模仿国外转变为模仿自然,向大自然汲取科技创新的灵感。
    据了解,我国当前优先发展的高技术产业化重点领域共有141个方面,其中将近有30个领域与仿生学相关。例如:光传输系统,生物医学材料及体内植入物和人造器官,生物反应器及分离技术与成套设备,医药新剂型,新型医用精密诊断及治疗仪器,新型材料-纳米材料,膜工程技术,子午线轮胎生产技术及关键设备和原材料,新型传感器,工业机器人及机器人自动化生产线,环境与污染源监测仪器及自动监测系统,高效、安全新农药、兽药及生物防治技术,新型墙体材料等。由此可见,加强仿生科研和仿生成果的转化,将使我国的高新技术产业的质与量都产生飞跃。
    杜家纬介绍,21世纪的仿生学,正朝着微观、系统、智能、精细、洁净方向发展,更多地表现为将生物系统构造和生命活动过程融合到技术创新的设计思想中去。当前仿生结构和力学的研究在国际上受到高度关注,研制微型飞行器,机器昆虫和机器鱼等正形成热潮。在新材料研究方面,世界各国也都将目标放在模仿生物界的结构,如海洋壳类构造、蜘蛛丝、植物表面超微结构、动物角趾皮肤等等。
    仿生学是多学科的交叉,需要多学科的专家,尤其是生命科学家和工程技术专家的共同关注与参与。专家呼吁:要将仿生学的发展放在国家重要战略地位加以考虑,把握 21世纪国际仿生学的发展方向和前沿,加强原始创新研究,从仿生结构与力学,仿生材料与微纳系统,仿生功能器件及控制,分子仿生,神经和信息科学等五大 “仿生科学与技术”系统性基础研究方向,建立复杂生物体系的研究与发现体系。在仿生材料,仿生工艺,仿生机械,仿生功能器件,微纳米仿生技术,仿生传感器,基因仿生工程,组织仿生工程,生物膜仿生工程和人工智能等10个前沿领域,加强仿生研究和产业孕育。
    【链接】仿生学(Bionics)是研究生物系统的结构、性状、原理、行为以及相互作用,从而为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学,是生命科学、物质科学、信息科学、脑与认知科学、工程技术、数学与力学以及系统科学等学科的交叉学科。
分享到QQ空间  
评论[0] 收藏[0] 喜欢[0] 标签:创新 灵感

纵意花丛的其他灵感日志

随机推荐

文章评论