葉片變木鋸 竹子變樓宇

王麟

意大利文藝復(fù)興時(shí)期著名畫家達(dá)·芬奇曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“人類的靈性將會(huì)創(chuàng)造出多種多樣的發(fā)明，但是他們并不能讓這些發(fā)明更美妙、更簡(jiǎn)潔、更明朗，因?yàn)樽匀坏漠a(chǎn)物都是恰到好處的?！贝搜圆惶?，大自然的鬼斧神工，是我們?nèi)≈槐M、用之不竭的智慧靈感源泉，將這種智慧和靈感用在人類生活中，促進(jìn)科技發(fā)展，推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步，就是“仿生技術(shù)”。我們就從“植物仿生”領(lǐng)域作為切入點(diǎn)，領(lǐng)略一下大自然創(chuàng)造萬(wàn)物的神奇之處吧。

植物形態(tài)仿生不是“東施效顰”

植物仿生研究，是如今的熱門科研領(lǐng)域，那些高聳入云的參天大樹，隨風(fēng)搖曳的綠竹修篁，亭亭玉立的遮天荷葉，觸碰即合的含羞草，美味多汁的西瓜，都給了科學(xué)家和設(shè)計(jì)師們很多啟發(fā)，創(chuàng)造出了功能各異的仿生產(chǎn)品。

·木鋸和車輪·

在春秋時(shí)代，魯班被帶齒的植物葉子割破手指，進(jìn)而迸發(fā)靈感，發(fā)明出了木工使用的鋸子，這是人類很早以前利用植物進(jìn)行仿生的例子，稱之為形態(tài)設(shè)計(jì)仿生。除此之外，還有一種叫“飛蓬草”的草本植物，也給了古人以靈感，發(fā)明了改變?nèi)祟愡\(yùn)輸方式的車輪?！帮w蓬草”是兩年生的草本植物，莖稈挺直，高達(dá)60厘米，夏季開(kāi)花，花朵枯萎之后，從根部斷開(kāi)，遇風(fēng)旋轉(zhuǎn)，酷似哪吒的風(fēng)火輪。史書中有“見(jiàn)飛蓬轉(zhuǎn)而知為車”的記載，說(shuō)明至少在四千多年前，古人受到了飛蓬草的啟發(fā)而發(fā)明了車輪。

·凌霄花微波收集器·

凌霄花外形酷似銅鐘，又像喇叭，花朵端部敞口膨大，而尾部卻很狹長(zhǎng)。這也給了科學(xué)家以深刻啟發(fā)，設(shè)計(jì)出了凌霄花形狀的微波收集器。微波收集器闊口窄尾，有很高的靈敏度，可以最大范圍地搜索目標(biāo)微波，并將微波承載的能量和信息收集起來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)，作為綠色能源，或?qū)⑵滢D(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳播視頻節(jié)目，或者留作科研之用。

除了鋸子、車輪和微波收集器等實(shí)用工具之外，植物形態(tài)仿生絕大多數(shù)用在了日用品、裝飾品和其他藝術(shù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。設(shè)計(jì)師們從多姿多彩的植物外形中獲得靈感，為自己的藝術(shù)殿堂增添了很多美妙的造型。

植物結(jié)構(gòu)功能仿生屬于高科技

如果說(shuō)植物形態(tài)仿生只做“表面文章”，那么結(jié)構(gòu)及功能仿生則是貨真價(jià)實(shí)的高科技?？茖W(xué)家們研究的是植物根莖葉的微米、納米級(jí)微觀結(jié)構(gòu)，從分子層面弄清楚植物具備的特殊本領(lǐng)，并為我們所用，進(jìn)而開(kāi)發(fā)出全新的技術(shù)和材料。

·參天大樹隱藏的秘密·

對(duì)于熟視無(wú)睹的參天大樹，我們很少去關(guān)注一個(gè)問(wèn)題，這些大樹為何不能一直無(wú)限生長(zhǎng)呢？為何樹木不會(huì)被自己的自重壓垮呢？前面一個(gè)問(wèn)題涉及到了樹木的生長(zhǎng)極限，后一個(gè)問(wèn)題則與樹木的特殊構(gòu)造有關(guān)。

由于樹木屬于“地向性”植物，通過(guò)克服地球引力向上生長(zhǎng)，當(dāng)樹木的支撐力與自重達(dá)成一種平衡的時(shí)候，樹木就停止生長(zhǎng)。如果樹木在生長(zhǎng)過(guò)程有變成歪脖樹傾向，那么偏離的位置會(huì)產(chǎn)生高應(yīng)力，生長(zhǎng)出額外的組織，迫使樹木回到正常的位置，這說(shuō)明樹木有自修復(fù)功能，為開(kāi)發(fā)仿生材料提供了有益思路。此外，樹木的年輪結(jié)構(gòu)和木纖維具備優(yōu)異的力學(xué)性能，提高了木材的強(qiáng)度。樹木有著龐大的樹冠，卻依舊屹立不倒，除了木材強(qiáng)度高之外，特殊的樹冠狀支撐結(jié)構(gòu)，造型優(yōu)雅，傳遞應(yīng)力路徑短，節(jié)點(diǎn)部位應(yīng)力分布均勻，也給建筑師們以借鑒，廣泛用在了大型建筑物設(shè)計(jì)中，比如德國(guó)的斯圖加特機(jī)場(chǎng)航站樓就是典型的樹形結(jié)構(gòu)。

·中空竹子有大材·

修竹苗條，進(jìn)詩(shī)入畫，是文人墨客的最愛(ài)，實(shí)際上，竹子的實(shí)用性要比藝術(shù)性更受人歡迎。竹子結(jié)構(gòu)很特殊，屬于由根部向上逐漸遞減的圓錐形空心結(jié)構(gòu)。竹竿每隔幾厘米至十幾厘米，便有一個(gè)竹節(jié)，由節(jié)的橫隔壁組成一個(gè)縱橫關(guān)聯(lián)的整體，對(duì)竹竿的剛度和穩(wěn)定性意義重大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，同樣重量和長(zhǎng)度的空心物體，要比實(shí)心物體更加牢固。帶節(jié)的竹竿的抗劈開(kāi)強(qiáng)度和橫紋拉伸強(qiáng)度與不帶節(jié)的竹竿相比，分別提高了128.3%和49.1%。而竹竿的拉伸、彎曲、壓縮等力學(xué)性能是沿著竹竿徑向分布的——外層高、中間低，符合用最少的材料發(fā)揮最大效用的原理。

竹子這種性能應(yīng)用廣泛，一是用來(lái)制造仿生復(fù)合材料，強(qiáng)度比普通材料提高81%；二是可將這種薄壁帶節(jié)的結(jié)構(gòu)用在高層建筑設(shè)計(jì)上，能夠?qū)崿F(xiàn)功能與結(jié)構(gòu)的完美統(tǒng)一。代表建筑有貝聿銘大師設(shè)計(jì)的香港中國(guó)銀行大廈。

·自潔材料學(xué)荷葉·

說(shuō)荷花“出淤泥而不染”并非溢美之詞，而是荷花的自潔能力非常強(qiáng)大，荷葉上面永遠(yuǎn)一塵不染，令人驚奇。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，荷葉光滑的表面在高倍顯微鏡下其實(shí)凹凸不平，有許多納米級(jí)的絨毛和蠟質(zhì)凸起物。荷葉表面不親水，雨水落在上面，還保持液滴形狀，在下落的時(shí)候順道給荷葉打掃了衛(wèi)生。根據(jù)荷葉的自潔性質(zhì)，可以開(kāi)發(fā)很多自潔材料，廣泛用于生產(chǎn)建筑涂料、服裝面料、廚具面板汽車涂層等產(chǎn)品上面。一勞永逸，節(jié)省了大量清洗時(shí)間和成本。

自然界的生物經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的優(yōu)勝劣汰，在適應(yīng)險(xiǎn)惡環(huán)境的過(guò)程中，進(jìn)化出了許多令人目不暇接、甚至拍案驚奇的完美結(jié)構(gòu)。精巧的設(shè)計(jì)，優(yōu)異的性能，讓人嘆為觀止。要記得多向大自然學(xué)習(xí)，少向大自然索??！