中科出席第十届健康中国论坛大会 http://www.bdfzkyy.com/

仿生学看起来可以创造可持续工程的未来

如哲学家，数学家杰夫·高布伦（JeffGoldblum）曾经说过的那样，“生命，呃，找到一条路”。

更科学地说，演化经历了数十亿年的试错，产生了化学和物理适应性很好的物种。许多人类研究者想模仿这种适应，把自然界的教训转化为工程，技术和建筑的实践。整个事业都是以“仿生”命名的。

麻省理工学院媒体实验室的学生ArielEkblaw说：“我认为仿生学真的很漂亮，他创建并领导了媒体实验室的太空探索计划。“这既是一个框架，也是一套从大自然中获得的工具或知识，可以为现代工程和科学研究项目提供信息。”

为了观察仿生研究的范围，我参加了为期三天的研讨会，名为“自然探索航空航天”。研讨会由美国宇航局格伦研究中心，俄亥俄航天研究所和大湖仿生学联合赞助。尽管航空航天的重点，该方案从直接生物学到哲学质疑首先做仿生学的原因。

坚持自然创新

仿生学的典型例子是Velcro。年，瑞士工程师乔治·德·梅斯特拉尔（GeorgedeMestral）从毛茸茸的狗毛皮上汲取灵感，创造出现在熟悉的基于小钩和毛圈的紧固系统。

但与现代仿生学项目相比，魔术贴似乎比较原始。研究人员研究鲸鳍以改善风力涡轮机设计，普通的芦苇（芦苇），以消减机场的声音，并绕开蛇来建造爬上困难斜坡的机器人。其他人则研究生活在极端环境中的有机体-高海拔沙漠，深海火山喷口，南极洲-以帮助了解人类可能如何生活在资源匮乏的地方，无论是地球，月球还是火星。

NASA仿生研讨会的核心目标是把许多学科的人员聚集在一起，希望与NASA就未来的航空航天技术开展合作。许多美国宇航局的研究人员对仿生学感兴趣，因为它承诺纯粹的效率，必须考虑到运输材料到太空的高成本。但也有消除完全运输物品的需求的前景。有机体通过食物（无论如何定义的）和水的环境来源，从环境中可用的原料中建立自己。

例如，如果一个火星栖息地可以用火星本身获得的材料建造，或者用模块化的元件组装起来，那么在从地球发射的过程中可能会节省大量的质量。这又转化为节省燃料，可能允许航天器携带其他重要的货物。

增加食物和营造宜居的环境是火星上的两个工程挑战，与制造燃料一样重要。不幸的是，真实世界的解决方案可能与火星人的描述有所不同。

绿色的概念

“仿生本身并不完全是一个新概念，它实际上是相当古老的，“在亚利桑那州立大学生物模拟中心学习的TeresaMcNulty说。“[古代文明]将记录他们观察到的性质，然后在某些方面使用它来告知更好的设计和新技术。”

现代仿生研究采用了这些古老的思想，并以系统的方式应用它们。这个领域本质上是跨学科的，带来了生物学家，机器人学家，材料科学家和各种口味的工程师。与仿生学研究人员交谈，在看似无关的领域找到具有多个学位的人，例如在南美洲学习飞蛾翅膀或进行田野工作的工程师，并不罕见。

例如，McNulty以前从事冶金和材料科学工作。她对仿生学的兴趣很大程度上源于对可持续性的强烈兴趣。

她说：“自然优雅地使用元素周期表中的一小部分材料，实际上能够制造环境温度的材料。

换句话说，如果不能像人类一样彻底改变环境的温度或化学性质，那么有机体会利用现有的资源和条件来生长，消耗和繁殖。相比之下，工业化国家的人类制造往往依赖于高温，用水效率低下以及难以提取或回收的材料（例如电子所必需的稀土元素）。然而，如果没有能力通过人类的方式彻底改变环境的温度或化学性质，那么有机体会利用现有的资源生长，消耗和繁殖。

这并不一定意味着“自然”（松散地定义）具有最好的或最有效率的方式，或者仿生是改进资源提取和工程的唯一途径。相反，我们可以分析已知的进化成就，并将其用作改进现有实践的模型。这是一个在航天研讨会“自然探索”期间一再出现的主题。

McNulty说：“我真正对仿生学感兴趣的一件事是，可持续性是内在的核心。这包括消除或减少不可回收废物。毕竟，很少有机体的废物不能被其他有机体使用。“我真的希望，通过在系统层面上利用仿生学，你还可以从摇篮到坟墓获得更可持续的材料系统，在这种情况下，”坟墓“不再存在。

蝾螈，一种能够使失去的四肢恢复活力的蝾螈，是近年来在美国自然历史博物馆展出的极端微生物展览中的生物之一。

极限生活，极端工程

资源利用效率不仅仅是空间探索的绿色设计选择：这是绝对必要的。任何不能回收利用的材料都是浪费空间和质量的;浪费的资源或危险的最终产品对宇航员可能是危险的或致命的。出于这个原因，潜在的火星飞行任务在很多生物模拟研究人员的脑海里。

即使是短暂的火星之旅也是以月为单位。中止时间越长，居住的问题就越难。

为了思考这些问题，仿生研究人员寻找“极端微生物”，这些极端微生物生活在地球上最恶劣的环境中（至少按照人类的标准）。火星同时是一个寒冷，干燥，化学上敌对的高辐射环境。因此，许多面向空间的仿生学研究人员研究沙漠植物如何提取和净化水的使用，真菌如何在高辐射环境中繁殖，蛋白质如何使昆虫在变态期间折叠大型结构如小型蛹内的翅膀，等等多得多。用特里·普拉切特（TerryPratchett）的话来说，“人生无处不在。如果生命不能，这需要更长的时间。“

墨西哥国立自治大学的克劳迪娅·里维拉（ClaudiaRivera）在会议上谈到“地点的天才”，或者生物如何适应某个地点的具体情况。她的例子是智利的阿塔卡马沙漠，虽然海拔很高，也是南极最干燥的沙漠，但它是一个丰富而复杂的生态系统。（阿塔卡马在年到年之间可能还没有收到可测量的降雨;即使在今天，累积的降雨量也是以毫米为单位的。）科学家估计，沙漠可能已经干了万年或更长时间，这意味着生活有足够的时间适应到其条件。

里维拉列举了一种阿塔卡马植物，它耐受极度缺水，强风（包括炎热和寒冷）以及强烈的阳光。从外面看，llareta看起来很像一块长满苔藓的巨石或平坦的苔藓。在里面，这是一个密集的分支纠结。这种结构最大限度地减少风阻力，但它也锁定水分，并限制蒸发。Llareta还生产树脂以帮助植物

由于阿塔卡马土壤充满盐和碱性化学物质，可用水对许多生物体（包括人类）是有毒的。此外，水通常是附着在土壤颗粒上的相对少量分子的形式，而不是湿润的地方更饱和的土壤。沙漠植物从土壤中提取盐分，并将它们排放到叶子上，或者过滤掉对它们有毒的化学物质。

然而，植物仍然提取足够的生活。换句话说，当水资源匮乏的时候，有机体就不能用隐喻的方法把自己的鼻子变成难以获得或味道不好的东西。

正如许多机器人探头所显示的，火星上的地下水很丰富，特别是在高纬度地区。然而，它通常与高氯酸盐，硫酸盐和其他化学物质混在一起，与人类探险家讨厌的物质混合在一起-就像阿塔卡马沙漠中的水是有毒的，难以获得的。

无论是喝它，用它来种植粮食，还是把它加工成燃料组成部分，以便回到地球（一个明显的可能性，因为运输足够多的燃料回家将是非常昂贵的），显然人类将需要使用火星水，不管它有多毒。

其他极端的生物也可以帮助显示出路。许多细菌种类具有允许水但拒绝有毒化学物质的膜。像神圣的莲花植物有不透水的叶子，使他们能够使用重力将水分与污垢分开。正如美国宇航局的安德鲁·特鲁内克（AndrewTrunek）在会议上所说的那样，火星上的宇航员都需要去做水，有机体已经发展到不使用核电站的状态。如果我们能学会这样做，人类将会在“红色星球”上玩得更开心。

自组装空间站

麻省理工学院的Ekblaw确定了生物模拟研究的两种主要方法：问题驱动，往往吸引工程师，好奇心驱动，这是纯科学家的一个借鉴。

她说：“我主要是问题驱动的，因为我是一个航空航天结构研究人员，他们正在寻找一种在零重力环境下组装架构的可扩展，低能耗，高效的方法。“目前国际空间站的模型非常复杂，耗能非常高，而且在人员组装方面非常危险。我们如何看待大自然的自我组装-一种优雅，简单，有效的方式来把碎片拼凑起来？

Ekblaw设想了一个像三维拼图那样组装的空间站模块。组装说明全部编码为拼图的一部分，而不需要机器人或人为干预将模块放在一起。有机体在多个层面上进行这种自组装技巧：蛋白质形成网络;殖民地阿米巴集团一起成为一个sluaggregate样的骨料爬行;蚂蚁集体跨越空白的桥梁。该组件不需要智能-只需简单的化学或电气元件通讯。

以厘米或米为单位测量尺寸的工程自组装更具挑战性。这是因为有很多可能的配置可以组合在一起。（正如Ekblaw所指出的那样，如果从能量的角度来看最合适的配置就是位于对角的棋子，那么就有问题了。）

Ekblaw说：“你怎样才能把最终逻辑的元素嵌入到每个单元中，从而使它们以有效的方式结合在一起？“在我的系统中，我这样做的方式是通过磁铁，斜角的几何形状，以及其他一些建议。”后者包括“偏压”，或使用鼓风机或其他机构来帮助引导零件朝向彼此。

艺术家对巴基球的印象，叠加在行星状星云的斯皮策太空望远镜拍摄的实际图像上（物质由一颗含有巴基球的恒星射出）。

“镶嵌”

“镶嵌”是拼贴的一个奇妙词汇：将几何形状整齐地贴合在一起以填充表面。Ekblaw的方案涉及钓鱼这些形状封闭一个体积，像测地圆顶或老式的3D电脑图形。她说：“描述结果的公平方法是三维镶嵌的形状：一个形状的网格近似，有点像用CAD三维建模系统的方式，使用三角网格来逼近复杂的，数学上定义的形状“。最小化表面与体积比的形状是球体;对于空间站模块来说，这是一个很好的原因。

Ekblaw说：“这些材料的成本就是用来包装特定量的材料。“必须考虑这些材料的重量......在相同数量的表面积下可以包裹的最大体积是一个强有力的驱动原理。”

为了了解如何从平坦的瓷砖中逼近一个球体，她指出病毒衣壳和称为“buckminsterfullerene”或“buckyballs”的非生物分子。buckyball的几何形状可以近似为32个瓷砖（12个五边形和20个六边形），对于许多应用来说，这可能足够球面。

Ekblaw将她的Buckyball胶囊项目命名为“TessellatedElectromagneticSpaceStructuresfortheExplorationofReconfigurableAdaptiveEnvironments”（TESSERAE）-美国宇航局对复杂缩略词的喜爱，一定会过得很好。

Ekblaw不希望这些瓷砖成为被动单位：“我们是否可以将传感器原生嵌入瓷砖的材料中，所以当我们想要（例如）为模块添加一个生命支持系统时它已经组装？其中一些功能是本地嵌入式传感器网络，正如大自然试图在更小的微生物规模上做的那样。“

最后，Ekblaw希望太空探索计划能够合作，使用开源软件和公众宣传。这在仿生学界是一个普遍的特点：仅仅做这个工作并且发表是不够的。它必须是有用的，并以某种方式使世界变得更好。

Snakebots，fishbots，和行星探索没有轮子

分段的机器人看起来不像鱼，但它移动得像一个有点不可思议。它在阿克伦大学工程系学生斯蒂芬·豪（StephenHowe）的指导下围绕着小型的戏水池游泳，扭动着它的身体，就像它的生物灵感，巨大的鱼尾鱼一样。（大约一英尺长，这个机器人大约是它模仿的“巨型”鱼的三倍。）

Howe拥有连接到Arduino单元的长电缆，该单元控制着每个部分弯曲和伸直的舵机。

Howe的主管生物工程师亨利·阿斯特利（HenryAstley）表示：“为了在水生环境中四处移动，鱼类机器人一再被提出和创建，因为鱼类非常擅长。“在水生模型中，它们往往具有低阻力和各种优势。”

Fishbots可能对野生动物生物学有用-例如尽可能不显眼地进入珊瑚礁-但它们也被认为是探索欧罗巴或恩克拉多斯卫星表面下的海洋的一种方式。

Astley的真爱，是为了另一组动物。

他说：“蛇在处理传统轮式车辆或腿式机器人所面临的环境挑战等问题上非常出色。“这个想法是，你可以使用蛇机器人探索难以进入其他方式的区域，比如在自然灾害之后倒塌的建筑物下面，或者可能在火星上的地方：在岩石下面徘徊;看看火星人玛文是否弹出。

年Astley合着的一篇基本的“蛇”。

和其他许多人一样，Astley的讲话明确提到了进化论，但是他强调了一般原理而不是具体的适应。他指出，有多条腿的动物系统已经发展或保留了跛脚：不仅是蛇，还有一些鱼类，两栖动物和其他爬行动物。缺乏腿部明显赋予优点，包括分配重量和通过狭窄的开口容易安装。

特别是，蛇能很好地移动沙子和其他有腿动物有问题的表面。响尾蛇可以爬上那么陡峭的沙丘，以至于濒临崩溃。蛇可以达到顶部而不滑倒，这使得它们比大多数有腿的生物体拥有巨大的优势。蛇也可以在崎岖不平的岩石地面滑行;轮式车辆甚至不能开始竞争。

火星有丰富的沙子和岩石。Astley和志趣相投的机器人专家设想未来的未完成的任务，在这个任务中，蛇鳄同时探索沙丘和岩石混乱的地形，这两个地方都不适合汽车大小的好奇心。

与此同时，Astley的实验室已经建立了一个优雅的响尾蛇机器人，可以穿过平坦的地毯表面和沙质斜坡，达到28度的“雪崩角”，在重力作用下砂开始滑动。这条蛇的机器不像鱼饵那么鱼似的表面蛇皮，但它像一个活泼的响尾蛇一样神秘地移动。

Astley说：“如果你长时间学习，你会发疯的。”“我一直在研究旁观三年，所以请自行判断。”

但是还有很多工作要做。回卷机器人直线运动性好，但缺乏运动方式（侧绕，滑行，缩腿蛇行走）的能力。此外，它仍然无法悬空其身体来弥合大多数蛇可以通过的方式。（Astley的友好的玉米蛇便利地或者毫无用处地证明了这一点，当我们说话的时候，缩小了三英尺的差距来调查我）。挑战来自于舵机和其他人造装置与肌肉和其他生物体相比的差异机车机构。

Astley说：“肌肉可以起到马达的作用，但也可以起制动作用。“当您坐下，站立或走路时，肌肉可以像撑杆一样起作用，以帮助您将双腿转化为四连杆。或者，他们可以通过非常特殊的方式变形来发挥弹簧的作用。所有这一切都可以在完全相同的肌肉上发生，只是基于它如何被激活。“虽然各种材料一次能够完成这些功能之一，但是没有什么能够击败大自然。他说：“获得像肌肉一样好的东西实际上是非常困难的。”

除了运动之外，有用的蛇形机器人或任何半自主的探测机器人都需要有传感器。这些对于科学研究或搜索救援来说是必要的，但也只是通过未被发现的和可能变化的环境来找到他们的方式。阿斯特利认为仿生学提供了情景传感器的例子，但他指出，我们有很多要了解动物的感觉器官和神经系统。

Astley的机器人比研讨会上提供的其他研究更加明确地模仿生物，部分原因是他使用机器人相互了解了他学习的蛇，鱼，青蛙和其他动物。但是他对驱动其他研究者的仿生学的更大的哲学吸引力并不陌生。

他说：“仿生学基于这样一种观点，即进化一直在以千百万年的时间大规模并行地进行，无情地达到效果-不一定是完美的。”“它经常以奇怪的和不寻常的方式做到这一点，你永远不会想到从严格的工程角度来处理它。有时候，动物的限制可能导致他们进行新的奇怪的创新，实际上使他们变得更好。“

最后，仿生学是关于什么：寻找可以提供下一代创新的最古老的教训。在火星上可能不会有蜘蛛或者任何生命，但是学习进化如何塑造有机体可能会帮助人类幸存像它一样的环境-本质上敌视我们。仿生学可能只是让我们生活在地球上更好。

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