材料:有比鋼鐵更堅硬的物質(zhì);有強(qiáng)風(fēng)摧不毀的高大又柔韌的材料;有天然的排水表皮;也有天然的集水裝置。它們比人類的材料更溫暖,更 強(qiáng)壯,更敏捷,更環(huán)保,結(jié)構(gòu)也更科學(xué)。

泥土是建造房屋最好的材料,白蟻用泥土建造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的蟻穴,有些蟻穴甚至高達(dá)3米,內(nèi)部有錯綜復(fù)雜的通道。白蟻會在不同的地方使用不同的泥土。蟻穴的外墻用混入了唾液和蟻糞的泥土建造,其堅硬程度堪比混凝土。

幾百年來人類也一直在使用泥土,也像白蟻那樣往泥土中加入其他物質(zhì),從而產(chǎn)生各種性能不同的建筑材料。人類已經(jīng)用泥土建成了一些難以置信的建筑。

馬里的占內(nèi)泥塑清真寺就是世界上用泥磚建成的最大建筑。其主體是曬干的泥磚,而粘合完全依靠泥漿,最外面一層光滑的泥灰則起到防水的作用。占內(nèi)清真寺已經(jīng)有100多年歷史了,如果保存完好,還可以屹立幾個世紀(jì)不倒。(圖1)

當(dāng)然,自然界中還有一種比泥土用途更多的建筑材料——木頭。幾千年來,人類一直在使用木頭建造房屋、橋梁、馬車、 船只,我們消耗掉的木頭數(shù)量肯定是個驚人的數(shù)字。

自然界有一種動物和我們一樣用木頭建筑房屋,它就是黃蜂。通過咀嚼,再加上唾液,木頭就變成了一種硬板,這種材料很硬,而且非常絕緣,是一種完美的建筑材料。

松球是一種更為神奇的木頭,它是由樹脂狀物質(zhì)包裹起來的堅硬纖維組成的。這些纖維在松球底部和頂部排列的方向不同,受力的大小也不均勻。當(dāng)松球被曬干后,位于底部的纖維收縮的力度比頂部的要大,松球就會裂開,種子就是通過這種方式被釋放出來。

已有設(shè)計師設(shè)計了一種模仿松球的衣料。當(dāng)這種衣料吸收汗水變得潮濕時,衣料中的纖維就會升高,從而達(dá)到通風(fēng)排汗。

這就是真正的仿生研究,它并非簡單地使用大自然的材料,而是深刻理解了材料的結(jié)構(gòu)。

但是像這樣領(lǐng)悟到自然精髓的,它并不是第一例,維多利亞時代最偉大的建筑就是人類對水蓮的一次成功模仿。

植物學(xué)家約瑟夫·帕克斯頓對他溫室里的睡蓮深深地著迷,他發(fā)現(xiàn)睡蓮的葉子有著復(fù)雜的支架,這是一種非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),有強(qiáng)大的支撐力,它甚至可以輕易地托起一個嬰兒。如果是一片成熟的大葉子甚至可以支撐起一個成年人。植物學(xué)家從這種生物中獲得靈感,根據(jù)其中的原理建成了他的溫室,后來,他成功地建成了更大的建筑——規(guī)模恢宏的水晶宮。建于1851年倫敦世界博覽會的水晶宮是玻璃和鋼鐵的科技奇跡,它高達(dá)33米,面積達(dá)到7公頃,這都要感謝帕克斯頓的睡蓮。(圖2)

當(dāng)北美洲的落基山脈進(jìn)入秋季,麋鹿進(jìn)入了交配期,雄鹿首先要打敗競爭對手,才能取得交配權(quán)。

為了更有效地戰(zhàn)斗,大自然賦予了它們堅硬的武器——鹿角。鹿角承受猛烈的撞擊,也不會輕易斷裂。鹿角的骨頭中部是空心的,但呈網(wǎng)狀分布的結(jié)構(gòu),能夠承受巨大的壓力。所以它不會太重,又足夠堅固,大自然就是這樣盡量節(jié)約成本。

其實人類的骨架也構(gòu)造巧妙,尤其是股骨。股骨的頂端向一側(cè)傾斜,這樣人體的重量就先分散到了兩側(cè),而不是把所有壓力都垂直施加在腿上。這種類型的支架,有效又經(jīng)濟(jì)地轉(zhuǎn)移了身體的重量。

建筑師們意識到在建造很高的房子的時候,他們也可以利用這種原理。最著名的例子就是埃菲爾鐵塔。居斯塔夫·艾菲爾在建造高達(dá)300米的埃菲爾鐵塔時利用了人類股骨的原理,這是20世紀(jì)30年代世界上最高的建筑。

埃菲爾鐵塔是由不同形狀的金屬格子和鋼梁支撐的,這些結(jié)構(gòu)像骨頭內(nèi)部的精密構(gòu)造一樣,將鐵塔的重量轉(zhuǎn)移到地面。

昆蟲的外殼是微觀工程中的奇跡,其中的奧妙幾乎無窮無盡。它可以變成類似樹葉的形狀,可以是鮮嫩的樹葉,也可以是枯葉。

藏在蘭花中的蘭花螳螂的身體和腿都已經(jīng)變成了花瓣的形狀和顏色,它基本上就是隱形的了,吃它的和被它吃的都看不見它。這是典型的靠長相吃飯。(圖3)

靠外表生存的不只是螳螂,還有一種生活在寒冷北極的大型動物——北極熊。

在熱成像攝像機(jī)鏡頭里,發(fā)亮的部位意味著有熱量釋放,而在北極熊身上可以看到除了腳趾和眼睛鼻子之外,幾乎沒有其他發(fā)亮的地方,這說明北極熊身體隔熱性能非常好。

北極熊能在寒冷地區(qū)生存全靠它的皮毛。它的每一根毛發(fā)都是透明中空的,它的皮是黑色的,黑色的皮可以吸收太陽的熱量,而透明中空的毛發(fā)則很好地保存了熱量。德國紡織品研究所的科學(xué)家們研制出了一種人造北極熊皮,這種材料甚至可以僅僅通過吸收太陽的熱量就可以加熱水,它的性能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了它在自然界中的模仿對象。

越是細(xì)致地研究大自然的微觀結(jié)構(gòu),就越能發(fā)現(xiàn)其中有能為我們所用的地方。

所有植物都要經(jīng)受大雨乃至暴雨的洗禮。但是,有一些植物的葉子似乎永遠(yuǎn)都不濕,不論雨下得多大。其中最讓人驚嘆的就是荷葉。

把播放速度放慢幾百倍,就能清楚地看到,水絲毫沒有滲透到葉面中去。水滴在荷葉上運(yùn)動時,始終保持著完整的形狀。

通過微觀觀察,荷葉的表面有很多細(xì)小的突起,這些突起的間隔小于水分子,所以水分子只能停留在突起的上方,而無法到達(dá)葉子的表皮。

更為神奇的是,水滴所經(jīng)過的地方,葉面上的所有灰塵也都被帶走了。荷葉的葉面總是干干凈凈,所以它們在東方宗教中也被當(dāng)作純潔的象征。(圖4)

仔細(xì)想想,荷葉這個特性也能給我們帶來好處。有人造出了一種具有與荷葉一樣抗水能力的纖維。在密度很高的布上涂上一層特殊的物質(zhì),這種物質(zhì)的成分仍然被嚴(yán)格保密。干燥后,這種物質(zhì)會在布料的表面形成數(shù)百萬個細(xì)小的突起物。一切都完全模仿荷葉表面的結(jié)構(gòu),所以這種材料不僅可以防水,而且可以自我清潔。

已經(jīng)有企業(yè)研制出了一種具有自我清潔功能的涂料。實驗中,涂有普通涂料的一半板材很容易被弄臟了,而另一半,臟水從涂有新型涂料的表層滾落,這種新型涂料被稱為“荷花王”。

如果用這種涂料給勺子的表面做處理,清潔就變成了一件非常容易的事情。

要想尋求更好的防水材料,我們還可以在一種少見的動物身上發(fā)現(xiàn)秘訣。一種藏身于南美洲河流中的奇怪蜘蛛,它們之所以能防水,是因為身體表面有一層銀色的氣體保護(hù)膜。

更為神奇的是,一旦它們離開水,身上會瞬間變干。德國波恩大學(xué)的研究人員一直試圖揭開蜘蛛防水的秘密。他們發(fā)現(xiàn)蜘蛛的周身布滿了細(xì)小的毛發(fā),毛發(fā)的三維排列非常特別,這種特殊的結(jié)構(gòu)就是蜘蛛密不透風(fēng)的防水外衣。

模仿蜘蛛的表皮,研究人員開發(fā)出了一種超級防水材料。這種在水下同樣銀光閃閃的材料即使浸泡4天也不會變濕。

大自然就是這樣,由各種各樣神奇的物質(zhì)組成,通過模仿自然界中的樣本,我們已經(jīng)創(chuàng)造出了各種不同的新型材料,但是總有一些是我們無法模仿的,比如蛛絲。這也是本世紀(jì)仿生學(xué)材料課題最艱難的任務(wù)之一。

到目前為止,我們還無法復(fù)制蜘蛛的吐絲技能。蛛絲是一種蛋白質(zhì),具有超常的結(jié)構(gòu),在相同的比例下,蛛絲要比鋼鐵強(qiáng)硬得多,而且還具有很強(qiáng)的彈性。

人造蛛絲對于仿生材料學(xué)而言依然如圣杯一樣無法企及,然而蜘蛛四億年前就能織出這樣美麗的結(jié)構(gòu)了,要想趕上這種經(jīng)過了四億年進(jìn)化的成果,人類還需要刻苦地學(xué)習(xí)和研究,這就是仿生學(xué)的未來。

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