环境与发展

仿生:以可持续方式保护自然进行创新

音频 11:52
法国作家Jean-Philippe Camborde新书《仿生学》
法国作家Jean-Philippe Camborde新书《仿生学》 Editions Quae

仿生学研究在法国起步较晚,而仿生学就是从自然界中汲取灵感,以可持续的方式进行创新。法国自然遗产丰富,保护生物和自然,发展仿生学可减少浪费资源。美国生物专家珍妮 班娜斯可谓是该领域权威, 她的《人类出路:探寻生物模拟的奥秘》等著作为保护环境和持久发展提供借鉴。

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什么是仿生学 ?

地球上的生物丰富多样 ,自然界的环境千变万化。在数亿年的进化过程中,生物们发挥了各自的适应环境的能力,不断尝试和适应,得以生存至今,不同种类的动植物展现着各自应对复杂自然环境的生存技能,正如达芬奇所说向自然学习是人类的未来。

那么什么是仿生学 ? 生物学家兼创新顾问珍妮 班娜斯(Jannine Benyus)是该领域的权威,她著有多部相关著作,指出仿生学是模仿自然界中不同生物的学问,就是在动植物漫长的进化过程中,发展能够适应环境的机制,这也是人类意想不到的 。就是人类可以观察模仿这些动植物,学习自然机制,获得灵感和启发,再把这些灵感和创造转换成造福人类的产品。仿生学的目标是创造更加健康,可持续发展的地球。

大自然的启发带来仿生科技的创新突

其实人类很早以前就开始向大自然学习并从中获得启发。对动物和植物世界的探索,能够帮助人类找到大量有效的、可持续的方案,其中包括净化水和空气、制造润滑剂、生产透气材料和自净材料、从雨滴中收集能量等等。就是人类不仅要认识自然,而且需要向自然学习,需要从向自然学习的视角观察周围,因为自然界的生物是少已经由38亿年的历史,动植物有成千上万适应生存的办法。班娜斯认为人类社会需要解决问题需要在整体环境里思考,需要找出自然中的原则进行设计创新,而不是全盘照抄。

如水将会是人类社会最重大和最严峻的挑战,那么如何解决全球的饮水问题。班娜斯解释发现两种生物能够收集水,一种是那米比亚金龟,它能从雾中收集水分。 另外一个是球潮虫,能从空气中收集水, 它不喝干净的水就能生存。 现在由科学家利用仿生技术思考如何在水气进入建筑物之前,比如从雾中或者潮湿空气中 把水份分离出来,这是很重要的科技 来解决饮用水的问题。生物在演化适应过程中演变出使用环境,生存的办法,同时生物没有破坏生物赖以生存的环境,让子孙继续能在环境中生存下去。

可持续创造支持可持续发展

随着人类社会意识到受到大工业生产排放的温室气体猛增的危害,现在进行改变的方法可能就是从自然中学习生物和系统,设计更有效率、低污染的生产方式。

如鲨鱼的皮肤不仅可以降低摩擦力,表面上还有细微的粗糙结构,可以防止微生物附著,研究人员利用这个特性,开发出类似的材质,应用在医院的牆壁、手术台,防止微生物滋生,可以达到抗菌功能,又能避免因为杀菌产生的超级细菌,同时减少医院使用大量消毒剂和浪费水来冲刷墙壁和地板,节省资源。

仿生学还在很多领域发挥着巨大作用,例如现代飞行器的发展就遵循了鸟类飞行规律,它的机翼曲线模仿了鸟类翅膀的流线型外形,以降低空气动力阻力。还有通过模仿蝙蝠的超声波探路系统,现代飞行器采用的雷达导航系统作等等。

如工程师J.R.韦斯特的 他是研制子弹列车的一员 ,这是因为车头是圆的 但每次驶进山洞时 就会产生一股压力波 驶出山洞时就会发出音爆巨响 于是需要找个法子降降音量。工程师韦斯特正巧也是个鸟类爱好者, 他观察翠鸟入水让他获得灵感,就是翠鸟从一种密度的介质,空气 进入另一种密度的介质,水 却溅不起一丝水花。 因为没有一丝水花,水里的鱼鸟儿看得一清二楚 接着他想到“要不我们也这么办?” 通过这种方法,列车头被改建成尖形,在噪声大大降低 同时速度提升了10%并且节省了15%的电力 。

受到大自然的启示,人类已经实现了许多仿生工程,推出很多与普通人生产生活息息相关的产品或技术。这些仿生学的成功应用都是依据自然对人类的启示,设计出具有既精巧又复杂形状和功能的材料、设施、产品、技术等。

仿生材料成为最近二十多年的研究热点,包括荷叶的疏水性表面,坚硬的贝壳,通过折射产生不同色彩的蝴蝶翅膀等,研究人员都已经成功地在实验室中学习这些功能做了人工材料。就是通过研究某种自然的结构和特性制造出的具有性能的微结构材料,就是我们所说的仿生材料。

向自然学习制造环保材料

其实这些仿生材料都有一个共同点,那就是它们都在自然界中有个一模一样的生物制造过程。研究人员们在自然界中寻找特别有趣的功能,再在实验室做出来具有相同特性的人造产品。贝壳的显微结构就是这样一个典型的例子,科学家在实验室里做出的高韧性陶瓷复合材料跟它非常像的结构,这样通过不同形状、大小、排列方式形成的结构具有非常好的力学性能,断裂韧性达到30,而普通的陶瓷断裂韧性只有5、到10左右。

许多自然界天然的制造过程都非常具有研究价值,可以用来发展新的材料合成,节省能源与原料等生产资源。

光合作用也是仿生学的一项重要课题。大家应该都了解太阳光一照植物就把二氧化碳和水转化成糖和氧气这样的一个过程,光合作用就是太阳一照就出现反应,产生一个合成的过程。这是另外一个重要的概念:以二氧化碳当原料。 康乃尔大学有一位 学者卡斯(Geoff Coates),他想植物与人类不同,我们把二氧化碳当成这世代最严重的毒害 ,而 植物则用二氧化碳合成出长链的淀粉和葡萄糖 ,这位学者发现了一种催化剂, 他找到配方能将二氧化碳变成聚碳酸酯。

寻求与自然和谐相处

自从上个世纪六十年代真正形成“仿生”概念概念以来,在短短的几十年间,仿生学已经在诸多领域成功应用。可以说,仿生学不但是一门学科,更是人类对自然的深刻理解。或许在不久的将来,人类的持久创意设想都能够得以成功,班娜斯表示我们能够通过观察自然学习自然,推动人类社会走出一条更和谐可持续的发展道路。就是改变随着人类生产过程往往需要大量的能量、伴随着付出巨大污染的代价,而生物中有许多构造,却是由普通的蛋白质和矿物质,在常温常压下优雅的形成。

仿生学最早目标是回归自然,维护环境就能孕育出更多元的生命型态,成为人类学习和研究的对象,让人类与社会形成良性的循环,提醒人们把生物视为导师,设法让与自然和谐持久相处,保护人类社会共同赖以生活的环境。

法国近期成立了仿生研究和专业中心,寻找协调相关领域的200多名研究人员的工作,同时与企业合作,需求保护环境的可持续发展。仿生学在思考研究开始前都必须要知道人类的活动和创新将如何有利于环境和生态系统。

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