許多新發明和新技術都來自對大自然的模仿，由此誕生的一門學科被稱為(wei) 仿生學。珍妮·本尤斯是美國非盈利機構“仿生學研究所”（Biomimicry Institute）的聯合創始人，她在1997年出版了《仿生學》一書(shu) ，使這一術語廣為(wei) 人知。她寫(xie) 道：“仿生學基本上就是在麵對一個(ge) 設計挑戰時，找到已經解決(jue) 這一挑戰的生態係統，然後嚐試模仿你了解的東(dong) 西。”

角高體(ti) 金眼鯛（Anoplogaster cornuta）是一種超黑的深海魚類

　　在研究自然世界的科學家們(men) 取得新發現的同時，發明家和工程師們(men) 也不斷從(cong) 這些發現中汲取靈感，並將自然的解決(jue) 方案應用到新技術中。無論是建造更好的機器人，還是更有效地追蹤癌細胞，抑或是改進研究太空的望遠鏡，我們(men) 都可以在生物身上找到有用的解決(jue) 方案。以下就是《史密森尼雜誌》公布的2020年十大可能帶來新發明的科學發現。

　　1、䲟魚在其他海洋生物背上“衝(chong) 浪”

䲟魚的“吸盤”實際上並沒有緊貼在鯨的皮膚上，而是皮膚上方盤旋，形成一個(ge) 低壓區，從(cong) 而吸附在鯨的身邊

　　䲟魚是海洋中最擅長搭便車的動物。據報道，這種長度30至110厘米的魚類也被稱為(wei) 吸盤魚，頭頂具有一個(ge) 能將自己固定在鯨類或鯊魚身上的吸盤，就如同“一頂黏性十足的扁平帽子”。但䲟魚並不隻是在搭免費便車。2020年的一項研究發現，當這些魚與(yu) 寄主同遊的時候，它們(men) 實際上可以在寄主的背上“衝(chong) 浪”。也就是說，䲟魚會(hui) 沿著寄主的身體(ti) 滑行，並往往聚集在鯨的噴水孔和背鰭附近，這些位置的拖曳力較小——它們(men) 會(hui) 在“衝(chong) 浪”過程中啃食死皮和寄生蟲。

　　Brooke Flammang、Jeremy Goldbogen等研究者發現，魚選擇的位置是它們(men) 保持附著的關(guan) 鍵。Flammang指出，尤其是藍鯨的噴水孔和背鰭之間的區域，與(yu) 往上幾厘米的區域相比，那裏有著“速度低得多的液體(ti) ”。事實上，䲟魚的吸盤也沒有緊貼在鯨的皮膚上，大多數情況下，吸盤是在皮膚上方盤旋，形成一個(ge) 低壓區，從(cong) 而吸附在鯨的身邊。

　　Flammang是新澤西理工學院的生物學家，受到魚的啟發，她已經開始研究一款人工吸盤。她希望這個(ge) 吸盤能被用來為(wei) 瀕臨(lin) 滅絕的海洋動物（如藍鯨）安裝攝像機和跟蹤設備。目前，研究人員使用的普通吸盤雖然可以將相機固定在研究對象身上，但抓力隻能維持24到48小時。Flammang的新設備預計能持續使用數周，並能有效減少阻力。目前，她的團隊正在柔性表麵上測試這款吸盤，並準備為(wei) 相機設計一個(ge) 䲟魚形狀的外殼。最終，他們(men) 將在活體(ti) 動物上實地測試該設備，包括鯨、海豚、鯊魚和蝠鱝。

　　“Flammang博士的實驗室在依戀方麵取得的生物啟發進展，將徹底改變我們(men) 在動物身上植入標簽的方式，使其更成功、更有效，”斯坦福大學的海洋生物學家Goldbogen寫(xie) 道，“也許未來的生物標簽不僅(jin) 可以附著，還能像魚一樣在生理取樣的理想位置‘衝(chong) 浪’和‘爬行’。”

　　2、魚鰭就像指尖一樣靈敏

　　芝加哥大學神經科學家亞(ya) 當•哈迪團隊發現，魚鰭不僅(jin) 僅(jin) 能用來遊泳和操縱方向，還能像靈長類動物的指尖一樣靈敏。研究人員通過對黑口新蝦虎魚（Neogobius melanostomus）的研究得出了這一結論。這是一種廣鹽性的底棲性魚類，原產(chan) 於(yu) 黑海和裏海，但早已入侵歐洲多條河流，甚至遠至北美洲的五大湖區。這些小魚通常棲息在岩石上，腹鰭已經愈合成吸盤狀。

黑口新蝦虎魚（Neogobius melanostomus）通常棲息在岩石上，其魚鰭“像靈長類動物的手指一樣靈敏”

　　為(wei) 了確定這種蝦虎魚的鰭有多敏感，研究小組將魚安樂(le) 死，然後注射鹽水，以保證它們(men) 的神經在實驗過程中正常運作。接著，他們(men) 使用一個(ge) 特殊裝置來記錄魚鰭掃過一個(ge) 固定輪時的神經電脈衝(chong) 模式。該研究的合著者、芝加哥大學的神經科學家梅琳娜·黑爾指出，測量結果表明魚鰭能夠感知“非常微小的細節”。研究人員希望這一發現能啟發機器人感知技術的研究，尤其是在水下機器人領域。

　　3、堅不可摧的甲蟲外骨骼

　　這種甲蟲被稱為(wei) “惡魔鐵錠甲蟲”，絕對名副其實。大多數昆蟲的壽命隻有幾周，但這種甲蟲的壽命卻長達8年，大致相當於(yu) 人類活上好幾千年。為(wei) 了達到如此壯舉(ju) ，它們(men) 演化出了非凡的外骨骼“盔甲”。

　　這種甲蟲不到2厘米長，卻可以在被汽車碾過的情況下存活下來——美國加州大學歐文分校的工程師大衛·基塞盧斯和他的團隊就曾開著一輛豐(feng) 田凱美瑞，對一隻甲蟲碾壓了兩(liang) 次，但它仍然活了下來。在進行了幾次技術實驗後，研究小組發現這種甲蟲可以承受的壓力相當於(yu) 自身體(ti) 重的3.9萬(wan) 倍。

這種不到2厘米長的甲蟲即使被汽車碾過兩(liang) 次也能存活下來，被稱為(wei) “惡魔鐵錠甲蟲”

　　有若幹因素促成了這一神奇的現象。首先，這種甲蟲的外骨骼是扁平的，而不是像瓢蟲那樣是圓形的。其次，它們(men) 的外骨骼內(nei) 部是富含蛋白質的層狀結構，各層可以單獨移動而不會(hui) 破壞整個(ge) 外骨骼。第三，外骨骼的兩(liang) 半像拚圖一樣連在一起，各層都循著拚圖般的曲線，對接合處最薄的部分進行加固，比如頭胸連接處的兩(liang) 塊外骨骼是相互鎖住的。

　　研究人員在論文中提出，通過借鑒“惡魔鐵錠甲蟲”，可以設計一種類似性狀，但層次較少的聯鎖緊固件，用於(yu) 固定飛機渦輪機等。該團隊創建了一個(ge) 3D打印的“層壓”模型。他們(men) 預測，這一發現可以幫助開發出新的航空緊固件，能提高強度並大幅增加韌性。事實上，這種設計可以用於(yu) 任何需要連接兩(liang) 種不同材料的情況，比如在橋梁、建築和車輛中連接金屬和塑料。

　　4、解釋了16種深海魚類的超黑色素

　　凱倫(lun) ·奧斯本是美國國立自然曆史博物館的海洋生物學家，有一次，她的團隊無意中從(cong) 捕蟹網中撈出了一條深海尖牙魚。當他們(men) 試圖給這條烏(wu) 黑的魚拍照時，發現不管怎麽(me) 努力，就是拍不到魚體(ti) 的細節。他們(men) 後來發現，這種魚確實“不上相”，因為(wei) 其組織吸收了照相機閃光燈99.5%的光。

　　他們(men) 的研究中包括了尖牙魚（角高體(ti) 金眼鯛）和其他15個(ge) 物種，它們(men) 都具有超黑的色素沉著，因而能融入漆黑的深海環境。盡管光線不能到達海洋的這一區域，但有些魚是會(hui) 發光的。對於(yu) 狡猾的掠食性魚類來說，烏(wu) 黑的體(ti) 色能夠盡可能多地吸收光線，堪稱最好不過的隱形鬥篷。

穴口奇棘魚（Idiacanthus antrostomus）也是一種超黑的深海魚類，其吸收光線的能力在研究中的位列第二

　　許多陸地動物和海洋動物都是黑色的，但是人類製造的黑色能反射大約10%的光，其他大多數黑色魚類會(hui) 反射約2%的光。要突破“超黑”閾值，這16個(ge) 物種需要將反射光的比例降到0.5%。為(wei) 了做到這一點，它們(men) 演化出了巨大的膠囊狀黑素體(ti) （含有黑色素的細胞），並且排列得十分緊密。在其他黑色（但不是超黑）的動物中，黑素體(ti) 的排列更為(wei) 鬆散，形狀也更小、更圓。

　　通過模仿這些超黑深海魚的黑素體(ti) 的形狀、結構和分布，材料科學家們(men) 或許能製造出人工超黑色素。這種色素可以用於(yu) 覆蓋望遠鏡內(nei) 部，以獲得更好的夜空視野，或者提高太陽能板的光吸收率。凱倫(lun) ·奧斯本還指出，該發現甚至會(hui) 引起海軍(jun) 研究人員的興(xing) 趣，“如果能製造出具有這種黑素體(ti) 的鎧甲，那將非常適合進行夜間行動”。

　　5、飛蛇會(hui) 為(wei) 了穩定而產(chan) 生波動

　　蛇不僅(jin) 會(hui) 在地麵爬行，還會(hui) 在水裏遊泳，但這些還不夠，世界上還有5種“會(hui) 飛”的蛇。確切地說，它們(men) 的飛行更像是高度協調的降落，並且看起來還有點像它們(men) 在陸地上的扭動和側(ce) 彎，隻不過有了重力的幫助。或許正如弗吉尼亞(ya) 理工大學生物力學研究者傑克·索查所描述的那樣，這些蛇在飛行時就像一個(ge) “巨大的扭動帶狀物”。

　　這些“飛蛇”屬於(yu) 金花蛇屬（Chrysopelea），能將自己圓圓的軀幹壓縮成扁平的三角形，以獲得更多的空氣阻力，從(cong) 一棵樹上滑翔到另一棵樹上，距離可達數十米。不過，對科學家來說，它們(men) 在空中所做的左右擺動似乎沒有什麽(me) 意義(yi) 。在研究中，傑克·索查的團隊租下了弗吉尼亞(ya) 理工大學四層樓高的體(ti) 育館，並給7條飛蛇貼上了反射帶，用高速攝像機上記錄了它們(men) 超過150次的跳躍（不用擔心這些蛇的安全，研究團隊必須通過安全規程，並在場館內(nei) 配備泡沫地板和假樹）。

研究小組借助反光膠帶，利用3D計算機模型重現了“飛蛇”的飛行過程

　　這些蛇的飛行過程非常短暫，因此研究小組借助反光膠帶，利用3D計算機模型進行了重現。他們(men) 發現，飛蛇垂直擺動的頻率是水平擺動的兩(liang) 倍，它們(men) 的尾巴也上下擺動。弗吉尼亞(ya) 理工大學的機械工程師艾薩克·伊頓說：“其他動物的波狀起伏運動是為(wei) 了推進，而我們(men) 證明了飛蛇這麽(me) 做是為(wei) 了保持穩定。”

　　研究小組希望他們(men) 的發現能有助於(yu) 開發一種類似飛蛇的搜救機器人。艾薩克·伊頓表示，這種機器人的優(you) 勢在於(yu) 它們(men) 運動時保持穩定和穿過狹小空間的能力。在一些非常狹窄的空間裏作業(ye) ，可能會(hui) 使典型的機器人絆倒或摔倒。他們(men) 的目標是有朝一日開發出能夠模仿蛇類運動的機器人，將所有扭動、彎折和突然轉向的動作集於(yu) 一身。

　　“將這些動作結合在一起，你就能擁有一個(ge) 可以在複雜環境中移動的平台：機器人可以爬上一棵樹或某個(ge) 建築物，快速滑翔到另一個(ge) 區域，然後滑行或遊到其他地方，”艾薩克·伊頓說，“這項發明將遇到很多工程上的挑戰，但這些真正會(hui) 飛的蛇所表現出來的能力，以及近年來生物設計領域的進展都讓我很受啟發。”

　　6、尾海鞘製造的過濾係統

　　尾海鞘綱動物的形狀有點像蝌蚪，隻有體(ti) 型稍大一些；它們(men) 的體(ti) 長可達10厘米。這些微小的生物自由地生活在海麵下數百米的地方，那裏的食物十分稀少。

　　研究人員使用激光掃描工具揭開了由這種生物建造的複雜的“鼻涕宮殿”（snot palaces），這是研究作者、蒙特雷灣水族館研究所的生物工程師Kakani Katija對這種鼻涕狀黏液結構的稱呼。尾海鞘沒有手也沒有腳，它們(men) 是用自己的分泌物建造了複雜的“黏液房”，這是一個(ge) 由內(nei) 、外過濾器組成的過濾裝置，可以大大提高尾海鞘的攝食效率。

尾海鞘用自己的分泌物建造出了複雜的黏液球囊，這是一個(ge) 能攝食有機顆粒的過濾係統

　　就像蜘蛛結網捕獵一樣，尾海鞘也利用這些黏性結構來捕捉經過的細小而稀疏的食物顆粒。它們(men) 的微小身體(ti) 就位於(yu) “黏液房”中央，通過尾部擺動將水流從(cong) 迷宮般的管道送入口中。在黑暗的深海，任何錯誤的舉(ju) 動可能都會(hui) 導致死亡，而這個(ge) 黏液球囊還可以為(wei) 它們(men) 提供保護。

　　Kakani Katija希望從(cong) 這些小動物身上汲取靈感，有朝一日開發出一種仿生可充氣過濾係統。考慮到這些動物可以過濾出比病毒更小的顆粒，也許醫用級或HEPA過濾器可以采用這種設備加以改進。她說：“我們(men) 仍處於(yu) 這個(ge) 項目的探索階段，我希望其他研究人員能接著走下去。”

　　7、鱗沙蠶的發光藍色黏液

　　發光生物（如螢火蟲）的閃光通常持續不到1秒，最多10秒。但海洋中的磷沙蠶（Chaetopterus sp。）卻有些“天賦異稟”，它們(men) 能產(chan) 生一種亮藍色的黏性物質，可以在任何地方發光16到72小時。由於(yu) 黏液在體(ti) 外一直發光，因此不會(hui) 浪費生物體(ti) 的能量，這對磷沙蠶的生存很有好處。這也引出了一個(ge) 問題：這種黏液是如何在這麽(me) 長時間內(nei) 一直發光的？

　　美國加州大學聖地亞(ya) 哥分校的研究人員Evelien De Meulenaere、Christina Puzzanghera和Dimitri D。 Deheyn檢查了磷沙蠶黏液的複雜化學成分，發現其中含有一種能夠釋放離子或帶電原子的鐵蛋白（ferritin）。這種形式的鐵蛋白能與(yu) 藍光發生反應，觸發產(chan) 生更多的離子，這就形成了一個(ge) 不斷發光的反饋回路。

多毛類動物鱗沙蠶的黏液能在體(ti) 外發光，因此不會(hui) 浪費生物體(ti) 的能量

　　研究小組希望複製鱗沙蠶這種獨特的含鐵光蛋白（與(yu) 生物熒光有關(guan) 的蛋白），在手術中照亮癌細胞。Deheyn還表示，他們(men) 可以開發一種可以在停電的緊急狀況下使用的合成生物電池，就類似於(yu) 在黑暗中發光的貼紙。

　　“發光貼紙之所以能一直發光，是因為(wei) 它們(men) 在白天積累陽光，晚上再釋放出來，”Deheyn說，“現在想象一下，你不需要陽光，隻需要添加鐵元素，這些貼紙就可以作為(wei) 便攜式生物燈，在緊急情況下使用，比如在可能需要照明的直升機或飛機停機坪上。”

　　8、熊蜂可能知道自己有多大

　　熊蜂又被稱為(wei) 大黃蜂，相比常見的蜜蜂，它們(men) 身軀碩大，顯得十分笨手笨腳。不過，這種印象可能並不準確。今年夏季的一天，澳大利亞(ya) 新南威爾士大學堪培拉校區的工程師斯裏達爾·拉維觀察到，熊蜂在樹枝和灌木叢(cong) 中可以自如地穿梭。他感到十分震驚，一個(ge) 大腦如此之小的有機體(ti) 居然能夠克服這些挑戰。

當缺口小於(yu) 熊蜂的翼展時，它們(men) 會(hui) 停下來打量一番，然後側(ce) 身穿過缺口而不損傷(shang) 翅膀

　　為(wei) 了對熊蜂進行測試，拉維的團隊在實驗室裏設置了一條隧道和一個(ge) 蜂箱。他們(men) 在隧道裏放置了一個(ge) 狹窄的缺口，作為(wei) 障礙物，隨著時間的推移，這個(ge) 缺口越來越小。他們(men) 發現，當缺口小於(yu) 熊蜂的翼展時，它們(men) 會(hui) 停下來打量一番，然後側(ce) 身穿過缺口而不損傷(shang) 翅膀。對熊蜂來說，它們(men) 需要從(cong) 不同角度了解自身有多大，才能完成這種看似微不足道的行為(wei) ，而這是許多昆蟲都不具備的能力。

　　斯裏達爾·拉維表示，如果大腦體(ti) 積很小的熊蜂都能處理這種問題，那麽(me) 機器人可能不需要太過複雜的處理器就能更好地進行導航。他說：“複雜的感知並不一定需要大而精細的大腦，也可以用更少的神經元在小尺度上實現。”通過借鑒熊蜂大腦的工作模式，研究人員或許能開發出更加靈巧的機器人，甚至具有更高的飛行或遊泳能力，而不是像現在看上去的那麽(me) 笨拙。“從(cong) 被動探測到主動感知，這種提升將帶來機器人領域的新紀元，”拉維說道。

　　9、切葉蟻外骨骼的礦物質“盔甲”

　　寧波大學植物病毒學領域研究員李鴻傑與(yu) 美國威斯康辛大學麥迪遜分校的研究者合作，發現一種中美洲切葉蟻的外骨骼具有一層薄薄的礦物質“盔甲”。

　　為(wei) 了進一步研究切葉蟻的外骨骼，需要將這一類似盔甲的塗層除去，但如何除去呢？李鴻傑在接受《科學新聞》采訪時表示，他在刷牙時頓悟了。漱口水可以在不損傷(shang) 臉頰、牙齦和舌頭的情況下清除牙齒上的物質。他的預感是對的，漱口水溶解了這一礦物塗層，但沒有損傷(shang) 切葉蟻的外骨骼。通過更傳(chuan) 統的實驗室實驗，研究小組確定了該礦物塗層由鎂含量很高的方解石構成。在海膽中，這種由方解石和鎂組成的混合物使它們(men) 的牙齒能夠磨穿堅硬的石灰質。

研究人員發現，這種切葉蟻外骨骼上的礦物塗層是由鎂含量很高的方解石構成的

　　研究作者卡梅倫(lun) ·柯裏和普帕·吉爾伯特解釋道：“將鎂融入方解石對任何涉及方解石的納米技術領域，比如塑料、粘合劑、建築砂漿和牙科材料等，都能帶來很多的好處。”此外，這種礦物塗層並不是切葉蟻生來就有的，而是它們(men) 在需要時可以迅速製造出來的東(dong) 西，並且會(hui) 隨著切葉蟻的成熟而增加硬度，幾乎覆蓋全身。

　　“令人難以置信的是，這種切葉蟻能夠通過快速形成一層薄而輕的納米晶體(ti) 塗層來大幅改善外骨骼的強度，”卡梅倫(lun) ·柯裏說，“這凸顯了這種納米材料塗層在改善防彈衣方麵的應用潛力。”

　　10、聽覺不佳的飛蛾卻有“隔音鬥篷”

　　對一隻飛蛾來說，想要躲開靠聲音搜尋獵物的捕食者並不容易。不過，有些飛蛾卻演化出了令人稱奇的特征，來保護自己免受蝙蝠的攻擊。

　　2020年早些時候，研究人員發現，兩(liang) 種聽不見聲音的飛蛾除了具有能夠柔化聲音的絨毛，其翅膀上還具有非常薄的叉狀鱗片層，可以吸收蝙蝠的超聲。每隻飛蛾的翅膀上都覆蓋著成千上萬(wan) 個(ge) 這樣的小鱗片，其長度不足1毫米，厚度隻有數百微米。每一個(ge) 鱗片都會(hui) 扭曲翅膀發出的聲音，降低聲能，從(cong) 而減少反射回蝙蝠的聲音。這些鱗片似乎會(hui) 以不同的頻率產(chan) 生共鳴，並且作為(wei) 整體(ti) ，它們(men) “至少可以吸收3個(ge) 八度的聲音”。

飛蛾的翅膀上覆蓋著成千上萬(wan) 個(ge) 這樣的小鱗片，每一個(ge) 都不到1毫米長，厚度隻有幾百微米

　　研究報告的作者、布裏斯托大學的馬克·霍爾德裏德說：“這些鱗片在納米尺度上高度結構化，頂部和底部有多孔的波紋層，由微小的柱狀網絡相互連接。”據他估計，在這種結構的啟發下，未來我們(men) 或許能開發出“吸聲效率提高10倍”的隔音材料。他設想的是一種塗有納米尺度結構的吸音牆紙，可以貼在住宅和辦公室裏的牆壁上，取代現在常用的巨大麵板。

　　霍爾德裏德還認為(wei) ，這一發現在許多行業(ye) 也會(hui) 有廣泛的應用。“我們(men) 確實對這種材料的廣泛應用前景感到非常興(xing) 奮，”他說，“從(cong) 建築到機械，再到交通聲學設計等眾(zhong) 多領域，都可以借鑒這些飛蛾的解決(jue) 方案，開發出更薄的吸聲材料。”


關(guan) 注【深圳科普】微信公眾(zhong) 號，在對話框：
回複【最新活動】，了解近期科普活動
回複【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回複【研學營】，了解最新科普研學營
回複【科普課堂】，了解最新科普課堂
回複【科普書(shu) 籍】，了解最新科普書(shu) 籍
回複【團體(ti) 定製】，了解最新團體(ti) 定製活動
回複【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回複【觀鳥星空体育官网入口网站】，學習(xi) 觀鳥相關(guan) 科普星空体育官网入口网站
回複【人工智能】，了解更多人工智能活動詳情