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跟着动物学发明

大自然不仅为人类提供了生存必须的资源,有的时候还是向人类传授设计灵感的超级设计师和发明家。
苍蝇的复眼结构启发了人类,使人类发明了一次能拍摄1000多张高清晰照片的蝇眼照相机。防水自洁产品,来自于莲叶效应,这些莲叶表面具有微米级的突起细胞,细胞上又覆盖着一层纳米级的蜡状结晶,这些结构使得莲叶具有疏水性,出淤泥而不染。事实上,人们取材于生物的结构与功能的发明还有更多。
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子弹头列车与翠鸟

1964年,在东京奥运会开幕前,日本推出了世界第一列子弹头列车,这是当时最快的列车之一,时速能达到210千米,当时欧洲火车的最快速度为每小时160千米,子弹头列车的成功运行,重新推动了世界各国修建高速铁路的兴趣。所以,今天高速铁路系统如此发达,还得感谢日本当年的这一发明。
然而,最初由于这辆列车发出的巨大噪音远超环境标准,招致大量日本居民投诉。当时车头是圆形的子弹头形状,当列车高速驶进狭窄的隧道后,车头周围的空气会“推挤”前方的空气,从而形成压力波。在火车驶出隧道的那一刻,压力波会撞击出口外的空气,发出一声巨大的轰鸣声,在隧道400米开外的地方都能听到这种噪音。
根据日本法律,居住用途区域附近的噪音不能超过75分贝,如果解决不了子弹头列车产生的噪音问题,列车只能在经过居民区时减速行驶,这显然非常不方便。然而,怎么解决呢?一种解决方案是改进隧道,但这项工程十分浩大,成本过于高昂。那么只有一种方法:改进车头。
当时设计子弹头列车的工程师也是鸟类观察员,他想到了翠鸟。翠鸟捕鱼时,会从阻力较小的空气中冲入阻力较大的水中,也会经历阻力的急剧变化,却只溅起很小的水花。奥秘就在于翠鸟拥有一个流线形的长长尖喙,越靠近脸部,喙越宽,这样水流可以顺畅地向后流动。
借鉴翠鸟喙的形状,研究者们重新设计了车头,并于1997年投入使用。实践证明,改进过的列车车速比起原有设计提升了10%,而电力消耗降低了15%,噪音水平也达到了75分贝的标准。
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像鱼群一样“行驶”

在中国的高速路上,车速超过每小时100千米时,同车道的车就得保持100米以上的距离,而低于这一车速时,最小间距要保持在50米以上。然而,在大海中,高速行进的鱼群,可不需要这样。鱼儿们彼此挨得非常近,还会模仿周围鱼的动作,保持集体同步运动,它们怎么就不担心撞车呢?
这是因为鱼能凭借长测线器管察觉出周围水压的微小变化。这种线型的传感器非常灵敏,能够将环境变化信息,迅速传递到中枢神经系统,使鱼迅速反应。鱼的这项高超本领启发了日本科学家们,他们发明了叫做EPORO的机器人。
EPORO机器人用激光和无线电波测量彼此的距离,同时分享彼此之间的位置信息,能在近距离的高速行进过程中,不与其他机器人、环境中的障碍物发生碰撞,非常灵活。在未来,这项技术还有一个更大的用途——自动驾驶汽车。
全球每年死于交通事故的人数是130万,除了造成人员伤亡外,道路养护成本、保险索赔和应急救助服务还会花费数十亿美元,大多数交通事故是由于驾驶人操作不当所引起的。假如将EPORO机器人的这种技术运用到无人驾驶汽车上,红绿灯和路标将没有存在的必要,而交通事故和交通拥堵发生的概率也都将大大降低。
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鲸鱼的鳍能“发电”

美国生物学家克·费什在波士顿的一家礼品店中,看到了一座座头鲸雕塑,让这位生物学家吃惊的是座头鲸雕塑的胸鳍。胸鳍是鱼鳍的一种,是鱼的游泳器官,相当于高等脊椎动物的前肢。大部分鲸鱼和其他鲸目动物的鳍肢,前缘都是平滑的,这种结构更符合空气动力学设计,因为物体表面越光滑,粒子摩擦会越小,越好通过。
然而,座头鲸的胸鳍却非常不同,其胸鳍长度达到6米,相当于身体长度的三分之一,在行进过程中发挥着至关重要的作用。在座头鲸的胸鳍上长着一些叫做结节的特殊凸块,并不光滑,这是为什么呢?
研究者通过反复测试,发现座头鲸凹凸不平的胸鳍其实可以有效减小阻力,帮助水分子快速通过。原因就在于鱼鳍前缘的结节创造了低压区域,导致水或者空气流过这个低压区域时,形成许多小漩涡,这种小漩涡既能减小阻力,也能给座头鲸提供更多浮力。
受此启发,研究者们发明了鲸鱼鳍叶片,运用于风力发动机。现在,虽然风力涡旋机遍布世界,为人类提供源源不断的风能,但问题也不少。首先其生产效率并不高,而且还会制造噪音污染,鸟类也会成为旋转叶片的受害者。而新型的风力涡轮机,涡旋叶片被改造成像座头鲸胸鳍一样隆起的结构,既能增加气流的流动效率,又能在强大的气流中更好地保持稳定性,减少噪音污染。
现在,费什还建造了一个“鲸鱼动力”工厂,正运用这个原理制造效能更高的船用方向舵、水轮机和直升机的旋翼。
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蝴蝶启发了电子阅读

电子阅读器改变了大家的阅读方式。这些设备电力持久,存储量大,方便携带,人们不需要去图书馆,就能阅读海量书籍。然而,目前为止,大多数的电子阅读器还需要内嵌LCD灯发光,屏幕文字色彩单调,而且在耀眼的阳光下,往往没法阅读。
不过,现在这些问题已经迎刃而解。高通推出了一款显示屏,它不仅可以让你在阳光下阅读显示屏,并且屏幕色彩缤纷,能够充分还原画面的颜色。而研究者们的灵感来源正是蝴蝶。
我们知道蝴蝶的翅膀往往颜色绚烂,但这并不是因为它们翅膀上有色素,而是来自“结构色”。蝴蝶的翅膀鳞片中隐藏着一组纳米级的板状结构组合,这些板状结构互相之间严格按照一定间距有序排列,能改变光的波长,反射出不同颜色的光。高通这款显示屏的显示技术与蝴蝶翅膀上的鳞片结构相同,有两片相距非常近的反射薄膜,中间有很小的空隙。当光线入射后,两片薄膜间的反射会随着空隙大小不同,对不同波长的光线产生干涉。最后,只有特定波长的光才能被反射出,被人眼看到。比如,距离远的两片薄膜会产生红色,近一点会产生绿色,再远一点会产生蓝色,更近的话会是紫外线,对人眼来说是黑色。
由于能反射自然光,高通这款显示屏屏幕不仅颜色绚丽,而且不需要经常充电,能将液晶屏占整体设备耗电的比例从50%以上降为仅有6%左右。
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壁虎的脚与胶粘剂

1968年,在美国3M公司工作的工程师史宾塞·席佛试图研发一种强力粘剂,最终他发明了一种粘性非常弱的粘合剂,这种粘合剂能重复粘贴,还不会留下痕迹。随后,另一位3M公司的工程师将这种粘合剂与纸条结合,第一个便利贴诞生。
然而,自此之后,粘合剂的技术并没有根本性的进步,如何将两件物品长久地黏在一起,对于人类来说依旧是个难以解答的谜题。不过,壁虎显然不会为这件事头疼,它们轻松地飞檐走壁,即便物体表面多么光滑,它们也能牢牢黏住。而奥秘就在于它们的脚底有几百万根次纳米级的细毛,能操纵负电子和正质子之间的引力,利用分子间作用力粘贴在物体表面。所以壁虎不用用力抓物体表面,并且脚一挪开,就能去除粘性。
现在,工程师们利用类似的工作原理,发明了一个可控的粘合剂。这个粘合剂由垂直排列的微小纳米管组成,末端还有无数弯曲交织在一起的纤维,能起到与壁虎刚毛相似的功能。其粘附性甚至超越了壁虎的脚,每平方厘米达到100牛顿,是壁虎足部粘性强度的10倍之多,而且也能轻易地从物体表面去除,能够重复使用。
现在这一技术主要用于小型零部件的粘贴,可以在没有人在场的情况下,实现由机器人进行的全自动化拼接,工厂将能因此降低成本。
在未来,还会有更多的类似发明,比如反重力靴子,能使人们像蜘蛛侠一样飞檐走壁。

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