科技日?qǐng)?bào)記者?劉霞
隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多科學(xué)家和工程師開始向自然界尋求靈感，利用自然界的奇妙設(shè)計(jì)來進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)新。
英國愛丁堡大學(xué)研究員葉夫里皮迪斯·格卡尼阿斯指出，人類的創(chuàng)造力或許很優(yōu)秀，但它無法像大自然那樣奇妙，渾然天成。大自然提供的解決方案已經(jīng)進(jìn)化了數(shù)十億年，而且每天都在接受測試，值得人類借鑒。
從模仿昆蟲眼睛的羅盤，到行為像藤蔓的消防機(jī)器人，物理學(xué)家組織網(wǎng)在近期的報(bào)道中向人們介紹了從自然界獲取靈感而衍生的五大創(chuàng)新設(shè)計(jì)。
受昆蟲啟發(fā)的羅盤
螞蟻和蜜蜂等昆蟲會(huì)以太陽的位置作為指南針，根據(jù)陽光的強(qiáng)度和偏振進(jìn)行視覺導(dǎo)航。
一些昆蟲，如螞蟻和蜜蜂，會(huì)根據(jù)陽光的強(qiáng)度和偏振進(jìn)行視覺導(dǎo)航。
圖片來源：物理學(xué)家組織網(wǎng)
格卡尼阿斯團(tuán)隊(duì)復(fù)制了昆蟲的眼睛結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建出一款新型羅盤。該羅盤模仿了昆蟲眼睛的基本方面，尤其是偏振光感受器在其背緣區(qū)域的扇狀排列。這款傳感器由8對(duì)光電二極管組成，這些二極管會(huì)分析來自不同方向的太陽光。由于傳感器的布局與天空中的偏振光的模式一致，因此即使陰天也能估計(jì)太陽在天空中的位置。
格卡尼阿斯解釋說，普通指南針依靠地球微弱的磁場導(dǎo)航，但磁場很容易受到電子設(shè)備的干擾。他們最新研制的這款羅盤原型“表現(xiàn)非常出色”。
受蛛絲啟發(fā)的集水網(wǎng)
在自然界，蜘蛛網(wǎng)具有獨(dú)一無二的懸索結(jié)構(gòu)，而且有著極佳的彈性與韌性。
中國北京航空航天大學(xué)鄭詠梅教授發(fā)現(xiàn)，蜘蛛絲就像一串“珍珠項(xiàng)鏈”。在這條“項(xiàng)鏈”上，由細(xì)微的納米纖絲隨機(jī)糾纏在一起構(gòu)成“珍珠”。“珍珠”有著粗糙的表面，而由兩根纖維組成的“鏈繩”是光滑的。兩根纖維外包裹著一種能吸引水分子的材料，這就是蜘蛛絲捕獲水的“秘密武器”。這個(gè)發(fā)現(xiàn)揭開了蜘蛛網(wǎng)上見到的明亮水珠之謎，可用于設(shè)計(jì)大規(guī)模人造纖維，收集空氣或霧氣中的水，以滿足缺水地區(qū)人們的需求。
在此基礎(chǔ)上，鄭詠梅課題組受天然蜘蛛絲集水結(jié)構(gòu)啟發(fā)，并結(jié)合自然界生物的螺旋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用涂層方法及有機(jī)無機(jī)復(fù)合界面裂紋效應(yīng)調(diào)控，制備出了具有連續(xù)仿生螺旋槽紡錘節(jié)結(jié)構(gòu)的微纖維。研究結(jié)果顯示，這種超細(xì)纖維具有可修復(fù)的潤濕性、長期的耐用性、優(yōu)異的機(jī)械性能和柔韌性，在大規(guī)模集水應(yīng)用領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。
受藤蔓啟發(fā)的消防機(jī)器人
雖然很多機(jī)器都是從動(dòng)物中汲取靈感，但美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校查爾斯·肖團(tuán)隊(duì)卻另辟蹊徑，從植物中獲得創(chuàng)新的靈感，研制出一款藤蔓機(jī)器人。該機(jī)器人模仿了藤蔓和樹根利用局部感應(yīng)向水源生長的方式，可朝著光或熱的方向“生長”，就像藤蔓爬上墻壁或穿過森林地面一樣。
藤蔓會(huì)朝光的方向生長。
圖片來源：物理學(xué)家組織網(wǎng)
這款大約兩米長的管狀機(jī)器人可使用充滿流體的袋子，而非昂貴的電子設(shè)備來控制自己。研究團(tuán)隊(duì)指出，盡管藤蔓機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度很慢，但其擁有的“向熱”和“向光”性，使其能在沒有傳感器、電池或電機(jī)的情況下，將自身轉(zhuǎn)向熱源并將水或惰性氣體輸送到熱源，撲滅火災(zāi)。
以藤蔓為靈感的卷曲式設(shè)計(jì)，讓這款機(jī)器人可以輕松穿越各種障礙。而且部署這種藤曼機(jī)器人，每3米的成本僅為1美元。
受康普茶啟發(fā)的電路
康普茶在歐美已成為一種“網(wǎng)紅”飲品，這種流行飲料在滿足人們口腹之欲的同時(shí)，也成為科學(xué)家靈感的來源。
英國西英格蘭大學(xué)非傳統(tǒng)計(jì)算實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種方法，可使用黏糊糊的康普茶墊制造“康普茶電路板”。這種茶墊由酵母和細(xì)菌在康普茶發(fā)酵過程中產(chǎn)生。研究人員將電路印制在干燥的墊子上，能夠點(diǎn)亮小型LED燈。
干燥的康普茶墊具有紡織品甚至皮革的特性，但它們是可持續(xù)且可生物降解的，在水中浸泡數(shù)天也“毫發(fā)無傷”。這種康普茶墊也比塑料更輕、更便宜、更靈活。將康普茶可穿戴設(shè)備與傳感器和電子設(shè)備結(jié)合，還可用作心臟監(jiān)測儀或步數(shù)跟蹤器。
受穿山甲啟發(fā)的機(jī)器人
穿山甲這種軟體哺乳動(dòng)物全身覆蓋著鱗片，不僅使其在“穿山打洞”時(shí)減少泥土黏附，而且能蜷縮成一團(tuán)，保護(hù)自己免受捕食者的攻擊。
穿山甲全身覆蓋著鱗片，在“穿山打洞”時(shí)能減少泥土黏附。
圖片來源：物理學(xué)家組織網(wǎng)
德國馬克斯·普朗克智能系統(tǒng)研究所與上海同濟(jì)大學(xué)的科學(xué)家合作，開發(fā)出了一款柔軟、靈活的微型金屬機(jī)器人。這款微型機(jī)器人不鉆地也不挖洞，而是可進(jìn)入人體內(nèi)治病。它可像穿山甲一樣卷曲起來，在人體內(nèi)部“航行”，治療內(nèi)出血、清除腫瘤組織、治療血栓等，具有重大的醫(yī)學(xué)價(jià)值和應(yīng)用前景。
