向大自然學習! 生物仿生:鯊魚皮船與鯨魚鰭風渦輪 | 環境資訊中心

向大自然學習! 生物仿生:鯊魚皮船與鯨魚鰭風渦輪

2013年01月11日
作者:Leila Mulloy;翻譯:李楊

生物仿生不僅僅讓我們瞭解大自然,更是讓我們從大自然中有所學有所用,圖為借助葉片的靈感製造的雨水收集器。圖片來源:drewwith

從孔雀漂亮的羽毛到非洲獵豹那符合空氣動力學的身體構造,自然選擇的改造使動物具備了在特定環境中生存繁衍的高超能力。人類一直以來都試圖在科學、設計和藝術中模仿自然世界的精妙和美麗。

不過在過去的20年中,這一向自然學習並模擬自然的過程已經發展成生物仿生學。生物仿生不僅是一門有著明確定義的科學學科,更催生了一個快速發展的行業。

自然一直以來都是人類的靈感源泉。早在16世紀,李奧納多•達文西就畫出了詳盡的鳥類解剖學結構,以更好地瞭解鳥類飛行的原理,並為他的「飛行器」提供思路。大約400年之後,正是萊特兄弟對鳥類翅膀的研究造就了人類史上首架飛機的誕生。

但「生物仿生(biomimicry)」這個詞1997年才正式出現,而首個將這個概念變成現實的是在商業領域。

「生物仿生」這個詞是美國生物學家 Janine Benyus在她的著作《生物仿生:自然啟迪的創造(Biomimicry: Innovation Inspired by Nature)》書中首次使用。在她的筆下,生物仿生不僅僅是瞭解自然的過程,更是向自然取經的過程。班亞斯將這個過程稱為「對生命奧妙的有意識模仿」。

關於生物仿生我們首先要明確的一點便是,經過38億年進化產生的自然世界到處都是充滿新奇創意的生命形式、系統和過程,它們都經過了時間的檢驗,具有持續生存發展的能力,完全可以供人類模仿借鑒。生物仿生從這些自然原則中吸取靈感,用於解決人類社會面臨的問題。

1997年Benyus出版的作品開啟了在科學界之外應用生物仿生原理的先河,該書自出版以來的15年內吸引了很多人的關注。如今,科學家、工程師、設計師都在有意識地研究那些歷經時間考驗的自然過程,以期從中找到設計創新產品的靈感。

大公司也對生物仿生的研究和開發投入了大量資金。1996年,梅賽德斯-賓士公司在生物仿生項目中的投入終於取得了回報,該公司的工程師在 參觀斯圖加特自然歷史博物館之後根據熱帶箱魨的外形設計出了超級空氣動力學的汽車「箱魨車」。除賓士之外,其他公司也在做著類似的工作。

費爾馬尼安商業與經濟學院2010年11月發佈的一份報告考察了美國生物仿生的發展,並預測到2025年,這個產業將為美國貢獻3000億美元GDP,創造160萬個就業崗位。

但專業人士認為,生物仿生提供給我們的不僅僅是實用的設計解決方案。生物仿生研究院的發起人相信,被廣泛視作設計和創新工具的生物仿生有潛力改變大眾對於生態保護的態度,增強人們對保護自然多樣性的認識。

「生物仿生不僅僅是一種觀察和評價自然的新方式,更是拯救自然的一種途徑,」 Benyus表示。

海洋是地球上生物多樣性最豐富的生態系統,生活著地球上50%到80%的生命。下面就讓我們近距離瞭解一下三個受到海洋啟發而得以實現的可持續設計方案。

案例一:鯊魚皮船

豹紋鯊的頭。帛琉60萬平方公里專屬經濟區中包含約有130種罕見的鯊魚及魟魚,包括大雙髻鯊、污斑白眼鮫及豹紋鯊在內。(照片授權:Upsilon Andromedae/cc by 2.0)每年灰鯨從阿拉斯加遠涉1.2萬英里向墨西哥遷徙的時候,它的皮膚表面都會積累一層由微生物、水藻、甲殼動物和其他物質組成的「海泥(sea gunk)」於灰鯨和其他很多有著同樣經歷的海洋動物來說,海泥不過是自然系統的一部分,不會對他們造成任何傷害。但對於在世界各地航行的上百萬艘船隻來說, 這個被稱為「生物淤積」的過程卻是個大麻煩。

船體上海泥的集聚最多可使船隻的重量增加15%。這會降低船隻的動力效率和航行速度,增加燃料消耗量和污染排放量。美國海軍每年都要花費5000萬到10億美元清理船體,降低生物淤積的影響。

在應對生物淤積的環境和財政成本的過程中,生物仿生發揮了重要的作用。弗羅里達大學的Tony Brennan博士將目光轉向大自然,希望從那些不受生物淤積的動物身上尋找靈感。他發現,無論鯊魚遊動速度是快是慢,它們的皮膚上都不會沉積任何海洋物質。

Brennan博士仿照鯊魚滿是魚鱗的表皮構造,用塑膠材料製造了一種船體貼膜。他的發明取得了成功,他製造的貼膜被應用到美國海軍的所有艦船,以及許多商業船隻上。在每年全球海運貿易總額接近80億噸的背景下,即便不考慮這一發明在溫室氣體減排方面的貢獻,它的環境影響也是十分巨大的。

儘管如此,鯊魚皮塑膠貼膜的好處不僅限於船隻。該材料還被使用在鞋底上起到防滑的效果,而在奧運會運動員泳衣上的應用讓游泳選手游得更快。

案例二:鯨鰭風渦輪

破水而出的鯨魚。圖片來源:Greenland Tourism and Business Council

美國賈斯特大學生物學教授Frank Fish一次度假時買了一隻座頭鯨的小模型留念。他發現模型上的鯨魚鰭的一側有很多小隆起(學名叫 「結節(ubercles)」)。作為生物力學領域的知名專家,Fish當時以為這些隆起是畫蛇添足。但仔細研究之後Fish發現,出錯的不是模型,而是空氣動力學的傳統「真理」。

傳統的空氣動力學理論認為,具有筆直尖銳邊緣的扇葉效率最高。但Fish受意外發現的啟發,決定將座頭鯨鰭的形狀應用到風車扇葉的設計上,以檢驗一下這種設計的效率如何。結果令人驚訝。渦輪機在加裝了帶隆起的扇葉之後,效率增加了20%。

研究人員目前正在進行進一步的研究,以找出其他應用鯨魚鰭構造的方案,包括在飛機機翼上增加結節或者在潛水艇設計中模仿海豚的鰭。如果能夠成功,這些研究將大大增進交通系統的效率,減少污染排放。

案例三:從珊瑚到水泥

生態完整的墾丁珊瑚礁(陳昭倫提供)珊瑚礁被稱為「海洋中的熱帶雨林」,是地球上生物多樣性最豐富的海洋生態系統之一,全球約有1/4的海洋生物以珊瑚礁為家。一般人想不到的是,珊瑚礁還是清潔水泥製造技術的靈感來源。

在珊瑚礁形成的過程中,珊瑚不斷吸入礦物質而二氧化碳,並分泌出碳化鈣。珊瑚礁的產生可以在很大規模內進行。例如,大堡礁就是世界上規模最大的生物結構,其覆蓋的地域比中國的長城還要大。

受到珊瑚「超過其他任何生物的礦物質創造能力」的啟發,也出於對傳統水泥制法污染問題的擔憂,史丹佛大學教授Brent Constantz開始研究珊瑚的自然形成過程。他希望找到一種方法,使科學家得以模仿珊瑚形成的過程,用更環保的方式製造水泥。

Constantz在加利福尼亞的蒙特利海灣建立了一座示範工廠。在這裏,它可以捕捉並在海水中溶解二氧化碳,並以此製造碳化鈣。製成的碳化鈣已成功地用於製造水泥。

這一發現對於環境來說無疑是一大喜訊。用Constantz的方法製造水泥不僅沒有任何二氧化碳污染,而且可以吸收並使用二氧化碳。這一發現在應對全球二氧化碳排放量上升和氣候變化問題方面有著巨大的潛力。

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※本文轉載自中外對話網站,發表日期2013年1月3日。

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