仿生学的启示

大自然是最好的老师

在我们学习了这么多生物知识之后，也许你会发现一个有趣的现象：生物经过漫长的进化，已经发展出了各种各样适应环境的巧妙结构和功能。鸟儿能在空中自由飞翔，蝙蝠在黑暗中准确捕捉猎物，荷叶总能保持清洁，蜘蛛丝细却异常坚韧。这些看似平常的自然现象，其实蕴含着深刻的科学道理。聪明的人类从大自然中获得启发，模仿生物的特殊结构和功能来解决工程技术问题，创造出许多伟大的发明。这种从生物身上学习并应用到技术创新的科学，就叫做仿生学。

仿生学的英文名是Bionics，由“生物”(Biology)和“电子学”(Electronics)两个词组合而成。这门学科诞生于20世纪60年代，但人类向生物学习的历史却可以追溯到几千年前。中国古代的鲁班看到带齿的草叶能割伤手指，受到启发发明了锯子；看到蜻蜓的翅膀，发明了竹蜻蜓。这些都是仿生学思想的早期体现。现代仿生学则运用更加系统的科学方法，深入研究生物的结构、功能和工作原理，将这些原理转化为工程技术，为人类服务。

仿生学的研究范围非常广泛，从机械仿生到材料仿生，从建筑仿生到信息仿生，几乎涉及科学技术的各个领域。通过学习仿生学，我们不仅能了解生物的奇妙特性，还能培养观察自然、从自然中汲取智慧的能力。也许将来某一天，你在观察某种生物时产生的灵感，就会成为改变世界的重大发明。

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从鸟类到飞机

人类渴望飞翔的梦想由来已久。在中国古代神话中，有嫦娥奔月、夸父逐日的传说，这些故事都反映了古人对飞行的向往。但真正让人类实现飞翔梦想的，是对鸟类飞行原理的深入研究。

鸟类为什么能飞？这个问题困扰了人们几千年。早期的飞行尝试者常常失败，有人绑上翅膀从高处跳下，结果摔得很惨。直到人们开始认真研究鸟类的身体结构，才逐渐揭开飞行的奥秘。鸟类的翅膀不是简单的扇动工具，而是一个精巧的空气动力学装置。翅膀的形状呈流线型，上表面凸起，下表面平坦，当空气流过翅膀时，上方的空气流速快、压力小，下方的空气流速慢、压力大，这个压力差就产生了升力，把鸟儿托举到空中。

15世纪的意大利艺术家和科学家达·芬奇仔细观察了鸟类的飞行，画了大量的草图，设计了扑翼机的图纸。虽然当时的技术条件无法制造出真正能飞的机器，但他的研究为后人指明了方向。19世纪末，德国工程师奥托·李林塔尔制造了滑翔机，模仿鸟类的翅膀形状，成功地在空中滑翔了数百次，被称为“滑翔机之父”。

1903年12月17日，美国的莱特兄弟制造的飞机“飞行者一号”成功试飞，人类终于实现了动力飞行的梦想。这架飞机的机翼形状、尾翼设计都借鉴了鸟类的特征。此后，飞机不断改进，从螺旋桨飞机发展到喷气式飞机，速度越来越快，飞得越来越高。但无论飞机如何发展，其基本的空气动力学原理始终来自对鸟类飞行的研究。

中国在航空领域的发展也借鉴了大量的仿生学原理。国产大飞机C919的设计团队研究了多种鸟类的飞行特性，优化了机翼的形状和结构。中国的歼-20战斗机采用了鸭翼布局，这种设计灵感来自某些鸟类在高速飞行时前伸的羽毛，能够提高飞机的机动性。

从图表可以看出，人类的飞机速度早已超过了大多数鸟类，但在设计原理上依然离不开对鸟类的学习。飞行技术的每一次进步，都体现了仿生学的重要作用。

从蝙蝠到雷达

蝙蝠是一种神奇的动物，它们在完全黑暗的洞穴中也能快速飞行，准确捕捉飞虫，从不撞到障碍物。这种超凡的能力引起了科学家的好奇：蝙蝠的眼睛很小，视力很差，它是如何在黑暗中“看清”一切的呢？

18世纪的意大利科学家斯帕兰扎尼做了一系列实验。他把一些蝙蝠的眼睛蒙住，发现它们依然能正常飞行；但当他堵住蝙蝠的耳朵时，蝙蝠立刻失去了方向，到处乱撞。这个实验表明，蝙蝠不是靠眼睛，而是靠耳朵来导航的。但这个结论在当时并没有被人们接受，因为实在太不可思议了。

直到20世纪，随着超声波技术的发展，科学家才解开了蝙蝠导航的秘密。原来，蝙蝠在飞行时会发出一种人类听不到的高频声波——超声波。这些超声波遇到物体后会反射回来，蝙蝠通过耳朵接收反射回来的声波，根据声波返回的时间和强度，就能判断出物体的位置、大小、形状甚至运动速度。这种定位方法叫做回声定位，就像蝙蝠给自己配备了一套“声纳系统”。

蝙蝠的回声定位能力非常精确，它能够分辨出相距仅几毫米的两个物体，能够在飞行中捕捉到比米粒还小的昆虫。更令人惊奇的是，蝙蝠能够在发出超声波的同时关闭自己的听觉系统，避免自己发出的声音震伤耳朵，然后在接收回声时迅速打开听觉。这种精密的“收发”控制系统让人类的工程师赞叹不已。

受到蝙蝠的启发，科学家发明了雷达。雷达的工作原理与蝙蝠的回声定位完全相同，只不过雷达发射的是电磁波而不是声波。雷达向空中发射电磁波，当电磁波遇到飞机、船只等目标时会反射回来，雷达接收反射波，通过计算就能确定目标的位置和速度。在第二次世界大战期间，雷达技术发挥了重要作用，帮助盟军及时发现敌方飞机，在空战中占据优势。

今天，雷达技术已经广泛应用于民用领域。机场用雷达监控飞机的起降，保证航空安全；气象部门用雷达探测云层和降雨，进行天气预报；汽车上安装的倒车雷达帮助司机避免碰撞；无人驾驶汽车使用多种雷达来感知周围环境。此外，科学家还模仿蝙蝠发明了盲人导航仪，帮助盲人“听”出前方的障碍物，让他们能够更安全地行走。

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从荷叶到防水材料

你一定观察过雨后的荷叶，晶莹的水珠在碧绿的叶面上滚动，像一颗颗珍珠。无论泥水怎样溅到荷叶上，荷叶总能保持清洁，这就是古人常说的“出淤泥而不染”。荷叶为什么有这种自清洁能力呢？这个问题引起了科学家的兴趣。

20世纪90年代，德国波恩大学的植物学家用电子显微镜观察荷叶表面，发现了一个惊人的秘密。荷叶表面并不是光滑的，而是布满了无数微小的乳突，每个乳突高度约5到10微米。这些乳突的表面又覆盖着一层蜡质物质，形成了纳米级的微细结构。正是这种“微米乳突+纳米蜡晶”的双重结构，使荷叶表面与水的接触面积极小，水滴无法在叶面上铺展开，只能聚成球形。当水珠在叶面上滚动时，会把灰尘和污物一起带走，实现自清洁效果。这种现象被称为“荷叶效应”。

荷叶效应的发现给材料科学带来了革命性的启示。科学家们开始研究如何制造具有类似结构的人工材料。通过在材料表面制造微纳米级的粗糙结构，并涂覆低表面能的物质，就能获得超疏水、自清洁的表面。这种仿荷叶材料被称为“超疏水材料”或“自清洁材料”。

超疏水材料的应用非常广泛。在建筑领域，外墙涂料使用了超疏水技术，雨水会自动带走灰尘，墙面长期保持清洁，减少了清洗的费用和人力。在纺织工业，超疏水涂层用于制作防水衣服和鞋子，雨水不能浸湿衣物，人们在雨中行走也能保持干爽。在太阳能领域，太阳能板表面应用超疏水涂层，能够自动清除灰尘，保持高效的光电转换效率。

中国科学家在超疏水材料研究方面也取得了重要成果。中国科学院的研究团队开发出了多种新型超疏水材料，应用于高铁的挡风玻璃、输电线路的绝缘子等领域。高铁运行速度快，挡风玻璃容易沾上昆虫和灰尘，影响司机视线。使用超疏水涂层后，雨水能够自动清洗玻璃，大大提高了行车安全。

除了荷叶，科学家还从其他植物身上获得了类似的启发。水稻叶子、芋头叶子都具有自清洁能力，它们的表面结构各有特点。通过研究不同植物的表面结构，科学家设计出了适用于不同场合的防水材料，有的强调超疏水性，有的兼顾透明度，有的注重耐磨性。这些研究成果正在逐步走向实用化，改变着我们的生活。

从蜘蛛丝到高强度纤维

蜘蛛丝是自然界最令人惊叹的材料之一。一根蜘蛛丝的直径只有几微米，比人的头发细得多，但它的强度却远超过钢铁。如果把蜘蛛丝做得和钢丝一样粗，它的强度是钢铁的5倍以上，韧性更是惊人，可以拉伸到原长度的4到5倍而不断裂。更神奇的是，蜘蛛丝非常轻，密度只有钢铁的六分之一左右。如果用蜘蛛丝做一根足够长的绳子，从地球拉到月球，这根绳子的重量还不到500公斤。

蜘蛛丝为什么如此强韧？科学家用高倍显微镜和X射线衍射技术研究蜘蛛丝的结构，发现了其中的奥秘。蜘蛛丝主要由蛋白质组成，这些蛋白质分子排列成独特的晶体结构和非晶体结构交替的模式。晶体区域坚硬，提供强度；非晶区域柔软，提供韧性。这种“刚柔并济”的结构使蜘蛛丝既能承受巨大的拉力，又能吸收冲击能量，不易断裂。

蜘蛛丝的另一个优点是可生物降解且环境友好。蜘蛛在常温常压下，用水作为溶剂，就能在体内合成蜘蛛丝蛋白并吐出丝来。而人类制造高强度纤维如凯夫拉纤维，需要高温高压和有毒的化学溶剂，既耗能又污染环境。如果能够人工制造出蜘蛛丝，将会是材料科学的重大突破。

科学家们正在尝试用多种方法制造人工蜘蛛丝。一种方法是从蜘蛛体内提取蜘蛛丝蛋白基因，转入细菌、酵母或植物细胞中，让它们大量生产蜘蛛丝蛋白，然后纺成丝。另一种方法是用化学合成方法制造类似蜘蛛丝结构的聚合物。虽然目前人工蜘蛛丝的性能还无法完全达到天然蜘蛛丝的水平，但已经取得了重要进展。

人工蜘蛛丝的应用前景非常广阔。在军事领域，可以用来制造轻便而防弹性能更好的防弹衣和头盔；在医疗领域，可以用作手术缝合线，因为蜘蛛丝蛋白可以被人体吸收，不需要拆线；在航空航天领域，可以用来制造降落伞和太空绳索；在建筑领域，可以用作高强度的加固材料。有科学家甚至设想，未来可以用人工蜘蛛丝建造太空电梯，连接地球和太空站。

这张图表展示了不同材料的强度对比。虽然碳纳米管的强度最高，但制造成本极高。蜘蛛丝在强度、韧性、环保性和成本之间达到了很好的平衡，因此成为科学家研究的重点。

从变色龙到智能材料

变色龙是一种神奇的爬行动物，它能根据环境的颜色改变自己皮肤的颜色，与周围环境融为一体，从而躲避天敌或接近猎物。这种变色能力给人类的伪装技术带来了重要启示。

很长时间以来，人们认为变色龙是通过改变皮肤细胞中的色素来变色的。但2015年，瑞士科学家的研究发现，变色龙变色的主要原因不是色素的改变，而是皮肤细胞中一种特殊的纳米晶体结构的变化。变色龙皮肤中有一层虹光细胞，细胞内含有纳米级的鸟嘌呤晶体。当变色龙放松时，这些晶体排列紧密，反射蓝光；当变色龙兴奋或受到刺激时，晶体之间的距离增大，反射的光波长变长，皮肤颜色就从蓝绿色变成黄色或红色。这种变色机制比单纯改变色素更快速、更节能。

人类很早就懂得利用伪装来隐藏自己。军队的迷彩服就是一个典型的例子。迷彩服上的斑点和线条模仿了树林、草地、沙漠等环境的色彩和纹理，使士兵在战场上不容易被发现。不同地形需要不同的迷彩图案：森林迷彩以绿色和褐色为主，沙漠迷彩以黄色和褐色为主，雪地迷彩以白色和灰色为主。中国解放军的07式迷彩服在设计时，就参考了中国主要地形地貌的特点，采用了数码迷彩技术，伪装效果更好。

受变色龙的启发，科学家正在研究能够主动改变颜色的智能材料。美国的一个研究团队开发出了一种类似变色龙皮肤结构的柔性材料，材料表面嵌有微小的光敏传感器和彩色显示单元。传感器探测周围环境的颜色，然后驱动显示单元改变颜色，使材料与环境融为一体。这种“智能迷彩”还处于实验室阶段，但已经展现出巨大的应用潜力。

智能变色材料的应用不仅限于军事伪装。在建筑领域，智能窗户可以根据光照强度自动调节透光率和颜色，节约空调能耗；在服装领域，智能面料可以根据温度和环境变色，既美观又实用；在医疗领域，变色绷带可以通过颜色变化指示伤口的感染程度。这些应用都体现了仿生学的创新思维。

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高铁与建筑中的仿生学

中国在仿生学应用方面也取得了许多令人瞩目的成就，特别是在高速铁路和建筑设计领域。

中国的高铁以速度快、噪音低、能耗少而闻名于世。这些优异的性能离不开仿生学的应用。高铁列车的车头设计借鉴了翠鸟的喙部形状。翠鸟是一种捕鱼的鸟类，它从空中高速俯冲入水捕鱼时，几乎不溅起水花，这是因为它的喙部呈流线型，能够有效减少阻力。日本新干线最早应用了这个仿生设计，大大降低了列车穿过隧道时产生的音爆现象。中国的复兴号高铁在此基础上进一步优化，车头采用了多种仿生元素的组合，既像翠鸟的喙，又参考了海豚的头部形状，使列车在高速运行时阻力最小、噪音最低。

高铁的受电弓（从接触网取电的装置）也采用了仿生设计。早期的受电弓在高速运行时会产生很大的噪音，影响乘客的舒适度。工程师研究了猫头鹰的羽毛结构，发现猫头鹰飞行时几乎没有声音，秘密在于其羽毛边缘有特殊的锯齿状结构，能够打散气流，减少噪声。借鉴这个原理，工程师在受电弓的边缘设计了类似的结构，成功降低了噪音。

在建筑领域，中国的许多现代建筑也体现了仿生学思想。北京的“鸟巢”体育场模仿了鸟类的巢穴结构，用钢梁编织出网状的外形，既美观又稳固。上海的东方明珠电视塔采用了竹子的节段结构，使建筑既高耸又稳定。杭州的G20峰会主会场采用了荷叶的形态设计，屋顶像一片片漂浮的荷叶，既有诗意又符合力学原理。

广州的珠江新城西塔在设计时参考了竹笋的形态，建筑外形向上逐渐收窄，这种设计不仅美观，还能有效减少风的侧压力，提高建筑的抗风能力。深圳的平安国际金融中心借鉴了DNA双螺旋结构，内部的支撑柱呈螺旋上升，使建筑在保证强度的同时节省了材料。

这张图表显示了中国在不同领域的仿生技术专利数量。可以看出，材料科学、建筑设计和交通运输是仿生学应用最多的领域，这些技术正在推动中国科技进步和产业升级。

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观察自然，激发创造力

仿生学的成功案例告诉我们，大自然是一座取之不尽的知识宝库。生物经过亿万年的进化，发展出了高效、节能、环保的生存策略。人类虽然拥有高度发达的科技，但在很多方面仍然不如自然界的“设计”。通过向生物学习，我们能够找到解决技术难题的新思路，创造出更加先进的产品。

作为初中生，我们虽然还不能立刻设计出伟大的发明，但可以从现在开始培养观察自然的习惯。当你看到蜻蜓在空中盘旋，可以想一想它的翅膀是如何控制飞行方向的；当你看到荷叶上的水珠，可以想一想为什么水不会浸湿荷叶；当你看到壁虎在墙上爬行，可以想一想它的脚掌有什么特殊结构。这些观察和思考会激发你的好奇心和创造力。

中国古代的许多发明都来自对自然的观察和模仿。鲁班看到草叶能割手，发明了锯子；看到蜻蜓的翅膀，发明了竹蜻蜓；受到鱼鳍的启发，发明了船桨。这些例子说明，只要用心观察，每个人都能从自然中获得启示。现代仿生学虽然更加复杂，需要先进的科学仪器和理论支持，但观察自然、向自然学习的精神是一样的。

也许你会问，生物学的知识与实际发明有什么关系？学习细胞、遗传、生态系统这些内容，能帮助我们发明创造吗？答案是肯定的。只有深入了解生物的结构和功能，理解生物解决问题的机制，才能真正将生物学知识转化为工程技术。仿生学是一门跨学科的科学，它需要生物学、物理学、化学、工程学等多学科的知识。我们在初中阶段学习的生物学基础知识，为将来从事仿生学研究打下了基础。

未来的仿生学将向着更加微观、更加智能的方向发展。科学家正在研究如何模仿神经系统制造智能机器人，如何模仿免疫系统开发新型药物，如何模仿光合作用制造清洁能源。这些前沿研究将为人类带来更多惊喜。而你们这一代人，正是未来科技创新的主力军。从今天开始，用好奇的眼光观察身边的生物，用科学的方法探索生命的奥秘，也许有一天，你的发现就会改变世界。

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本节练习

1. 飞机的发明是如何受到鸟类飞行的启发的？请说明鸟类翅膀产生升力的原理，以及现代飞机从鸟类身上还学习了哪些特征。

2. 蝙蝠在黑暗中如何导航？雷达是如何模仿蝙蝠的这种能力的？请说明回声定位原理和雷达的应用领域。

3. 荷叶为什么能够“出淤泥而不染”？超疏水材料是如何模仿荷叶制造的？请举例说明超疏水材料的应用。

4. 蜘蛛丝有哪些优异的性能？科学家如何尝试制造人工蜘蛛丝？人工蜘蛛丝有哪些潜在应用？

5. 请举例说明中国在仿生学应用方面的成就，特别是在高铁和建筑设计领域。仿生学对我们青少年有什么启示？