仿生原理

由生物学家创造 珍妮·贝尼斯（Janine Benyus） 在1990年代后期，仿生不仅仅是美学模仿。这是一种方法，旨在深入了解自然如何解决问题并将这些课程应用于人类挑战。它邀请工程师，设计师和科学家提出其他类型的问题 - 不仅仅是“我们可以从大自然中获得什么？”但是“我们可以从中学到什么？” 有 三个级别的仿生 ，每个人都提供有关设计的不同思维方式： 模仿形式或形状： 大自然的形式，以提高效率，力量和弹性，优化生活系统中的能源使用和物质资源。例如，座头鲸鳍的颠簸领先边缘启发了风力涡轮机叶片的设计，使操作更安静，更高的稳定性以及在较低风速下的能量捕获改善。 模仿行为或过程： 自然界的过程通过最少的资源实现了显着的结果，总是可持续和再生。例如，通过研究叶子如何通过光合作用捕获阳光，工程师正在设计太阳能电池板，以最大程度地吸收能量并创建可以补充而不是耗尽资源的系统。 模仿生态系统： 生态系统对一个复杂而平衡的网络进行建模，其中每个输出成为一个新的输入，从而确保连续续订。例如，通过观察森林如何将废物作为资源重用，行业正在采用循环经济模型，以最大程度地减少废物，优化资源流量并培养互连系统之间的弹性。 每个级别的仿生型挑战都挑战从业者超越传统的线性设计模型，并朝着整体，可持续的创新迈进。

生物仿生的创新

大自然的创造力不仅激发了灵感 - 它为当今一些最艰巨的工程挑战提供了实用的解决方案。以下是生物仿制的一些非凡方法正在塑造各个行业的创新： 运输与空气动力学 翠鸟风格的火车设计： 日本的Shinkansen子弹列车最初在退出隧道时经历了声音繁荣。工程师Eiji Nakatsu，敏锐的观鸟者， 观察到 翠鸟的精简喙 ，这使其可以用最小的飞溅潜入水中。火车的鼻子模仿了它的形状，重新设计了鼻子，导致更安静，更快，节能效率的旅行方式更高。 鲨鱼表面技术： 鲨鱼毫不费力地通过水上滑行，凭借其皮肤上的微观肋骨结构称为 真皮牙齿 。工程师在飞机表面和泳衣上复制了这种质地，以减少阻力，从而大大降低了飞机的燃油消耗和竞争性游泳的破纪录速度。 蝴蝶翼微型运动动力学： Butterflies manipulate airflow using the microstructures on their wings, granting them remarkable flight control.科学家研究了这些改编，以开发用于无人机和飞机的较轻，更稳定的表面，从而提高了效率和可操作性。 建筑与基础架构 白蚁启发的冷却系统： 在津巴布韦，建筑师米克·皮尔斯（Mick Pearce）从白蚁丘中汲取了灵感，尽管温度极高，但尽管温度极高，但仍保持稳定的内部气候。他的设计 Eastgate中心 采用被动冷却和自然通风系统，比传统空调建筑物消耗的能量少90％。 荷叶疏水涂层： 莲花叶自然会驱除水和污垢，这要归功于其表面上的微观凸起。这种现象启发了现在在玻璃，织物和建筑立面上使用的疏水涂料，从而使结构保持更长的清洁，从而减少了化学清洁，从而降低了维护成本和环境影响。 蜂巢结构效率： 蜜蜂的六角蜂窝结构可提供最大的强度，并使用最少的材料使用。建筑师和工程师正在采用类似的六角形和模块化设计，以创建适合各种建筑应用的轻质，耐用和节能的结构。 材料科学 蜘蛛丝合合成纤维： 蜘蛛丝比钢质强，但重量却非常弹性。研究人员正在发展 合成版本 创建轻巧的身体装甲，柔性手术缝合线和可生物降解的钓鱼线，提供卓越的强度，而无需环境成本。 壁虎启发的粘合剂系统： 壁虎粘贴在没有液体或吸力的情况下，这要归功于它们的脚上的微型头发状结构。工程师模仿了这种自然机制，以开发出可以牢固地粘附并干净地剥离的干胶，并在机器人和医疗绷带中使用了有希望的应用。 Mollusc壳启发的冲击材料： 软体动物壳的分层，弹性结构，尤其是鲍鱼的壳体，启发了超阻形复合材料的设计。这些用于头盔和防弹衣的材料会更有效地吸收影响，同时保持轻巧和柔韧性。 能源技术 模拟叶子的太阳能电池板： 叶子中的复杂静脉结构最大化阳光捕获。工程师正在复制这些模式 太阳能电池板的设计 ，即使在扩散的光条件下，也可以提高吸收能量并保持面板的效率。 纳米布沙漠甲虫收集： 纳米布沙漠甲虫在干旱环境中幸存下来，通过从雾状的壳上收集水分。这种适应性灵感 水收获面料 能够从空气中提取饮用水，从而为受干旱影响的社区提供改变生活的潜力。 海带森林波能量收割机： 海洋电流下海带森林的流体，摇摆的运动启发了波能转化器的设计。这些以海带生物力学建模的设备为产生可再生海洋能量提供了一种有希望的低影响方法。

仿生中的挑战

尽管有巨大的承诺，但生物剂的实际应用既不简单，也不是直接的。将自然系统转化为人类技术提出了一系列挑战： 自然系统的复杂性： 大自然的设计是复杂的，高度特定的。简化或缩放这些复杂的人类使用系统可能令人生畏，许多技术（例如人造光合作用）仍然难以匹配自然效率。 道德和生物安全问题： 随着仿生技术的发展，它们提出了重要的道德问题。模仿在哪里进行操纵？特别是随着合成生物学的兴起，需要明确的道德框架来指导负责任的创新。 需要跨学科合作： 生物剂要求生物学家，工程师，物质科学家和设计师之间的无缝合作。但是，传统的学术和专业孤岛通常会减慢自然策略为可行技术的转化。 高研发成本高： 仿生创新通常需要在研究，原型制作和测试上进行大量投资。成本障碍可能会延迟商业化，如大量生产壁虎启发的粘合剂所见。

仿生的未来

尽管应用仿生的挑战是真实而复杂的，但它们远非无法克服。现在通过快速的技术进步解决了许多曾经限制其增长的障碍，例如自然设计的复杂性和测试仿生概念的困难。 高级材料，纳米技术和人工智能（AI）等新兴领域正在以前所未有的精度进行建模，模拟和完善自然风格的设计。工程师和设计师现在可以以数字方式探索生物学策略，预测性能并在建立物理原型之前就可以改善概念。这加速了创新，降低成本，并鼓励一种更大胆，更具实验性的方法来解决工程挑战。 教育机构正在认识到仿生的变革潜力。领先的大学和研究中心将其编织到工程，设计和可持续性计划中，从一开始就培育了一代经过培训的创新者，从一开始就经过生物学思考。像由 仿生学院 （推进仿生学的教育和现实世界创新），例如 螺栓 （开创性合成蜘蛛丝）和研究项目 平淡的 （开发可折叠植物启发的结构）表明，仿生型正在稳步转移到主流应用中。 随着气候变化，生物多样性损失和资源耗竭等全球危机的加剧，对再生，弹性解决方案的需求从未如此紧迫。仿生型提供了一种罕见的组合：它既是科学严格又具有深刻的希望，这是一种设计技术，不仅满足人类需求，而且还与自然世界和谐相处。

结论

大自然的38亿年研究和发展为人类提供了无与伦比的可持续，弹性和优雅解决方案的储藏。每个有机体，生态系统和过程都教会我们如何在不耗尽维持生命的资源的情况下壮成长，这是真正的可持续性的蓝图。 正如Janine Benyus恰当地说：“我们的世界看起来越多，我们就越有可能在其中壮成长。” 工程的未来不仅在于人类的创造力，还在于我们的谦卑和愿意仰望自然的意愿 - 不仅仅是为了灵感，而是为了指导。通过遵循大自然的蓝图，工程师可以设计与地球和谐相处的重生，适应和忍受的系统，并希望在人类与我们称之为家的星球之间建立更共生的关系。