自潔技術(shù)的研發(fā)靈感：從動物的毛發(fā)得來

可以觀察到當(dāng)一只蒼蠅落在餐桌上，它做的第一件事居然是清潔自己，而且是非常非常地小心。雖然我們看不見覆蓋在動物的表面上灰塵、花粉以及隱藏著那些如果不及時處理就會進(jìn)入其身體的螨蟲。

保持清潔是一個至關(guān)重要的。所有的動物，包括我們?nèi)祟?，都非常重視清潔。每年，我們都會花一整天的時間來沐浴，此外我們也會花上兩周時間打掃房子。清潔已成為生活必需，就如同飲食、呼吸和繁衍一樣。

然而，對于清潔的研究卻很少被關(guān)注。

最近，《實驗生物學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇論文，研究人員討論了在自然中動物的清潔是如何進(jìn)行的，以及動物是否遵循越來越干凈的規(guī)律。觀察來自數(shù)以百計動物的毛發(fā)顯微圖像來統(tǒng)計其數(shù)量和尺寸，并且閱讀近百篇關(guān)于自然界清潔的文章，以試圖梳理清潔的過程。

推理是科學(xué)研究的重要的一步，對于工程技術(shù)而言也是很有必要的。研究更好的清潔途徑將不僅讓我們了解那些不起眼的蒼蠅的習(xí)性，也是為了能打造新型的清潔設(shè)備，以更長久地保持清潔。

毛發(fā)大大增加了體表面積

為了研究動物是如何清潔的，首先必須了解他們是如何弄臟的。臟東西積聚在動物外表就像其真實生活的情形。測量動物的表面積不會像測量紙箱尺寸那樣容易。大多數(shù)動物，從蚊子到大象都有毛發(fā)覆蓋。除了生物體皮膚外，毛發(fā)進(jìn)一步擴(kuò)大了污垢積累的表面積。

我們發(fā)現(xiàn)，通常情況下，毛發(fā)會明顯增加動物表面積百倍，最終導(dǎo)致貓會有一個乒乓球桌大小的表面積，南美洲栗鼠有一輛SUV大小的表面積，海獺具有曲棍球場大小的表面積，我們?nèi)祟愵^上有100000根頭發(fā)。其他動物的毛發(fā)的數(shù)量是也相當(dāng)驚人的：一只蝴蝶有1000億根毛發(fā)，是海貍的10倍以上，一只蜜蜂絨毛的數(shù)量相當(dāng)于300萬個松鼠的。

此外，在動物身上有許多同我們?nèi)祟愊嗨频念^發(fā)的同時。動物還具刺、剛毛、鱗片，可以明確的是，毛發(fā)增加了身體的表面積使清潔更為糟糕。試想一下，你是喜歡干凈、油漆地板還是粗毛地毯呢？

毛發(fā)又可視作一種清洗裝置

為了清潔身體，幾乎所有的昆蟲都長有毛腿，毛腿如同一款羽毛除塵器。觀察腿與體毛之間的運(yùn)動，我們發(fā)現(xiàn)了體毛具有令人吃驚的功能。我們用高速攝像機(jī)觀察到果蠅用腿清潔它的頭部，讓附著在體毛上的微粒產(chǎn)生有近1000倍重力加速度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于果蠅四肢移動速度。果蠅的絨毛從最初作為灰塵的著陸墊，通過與毛腿之間的移動而觸發(fā)變成一個個拋射器。

有效的清潔不只是像設(shè)計好用的清潔工具那樣簡單，比如清潔刷。也能夠設(shè)計出有利于清理的表面。通常這些表面就本質(zhì)而言是對想象力挑戰(zhàn)。

我們定義了兩個主要的清潔原則。第一種是不可再生清洗策略——它使用動物自身的動力源。比如說，這類似于吸地毯需要動力驅(qū)動刷子。

另一種例子并沒有使用清潔工具，例如一只濕狗的抖動，而是利用身體自身的慣性。濕狗在高速旋轉(zhuǎn)它的身體時，就像一臺具有旋轉(zhuǎn)周期洗衣機(jī)。微粒和水滴被甩出，這一過程消耗的是狗的體能。

另外，還有一種再生清潔策略——那些不需要消耗動物的體能的。比如說睫毛，它環(huán)繞在眼睛周圍，當(dāng)我們朝前走，與裸露的眼睛相比，由睫毛所產(chǎn)生的氣流會減少微粒積累的兩倍。所以簡單地通過長睫毛，利用經(jīng)常半眨眼，就可以節(jié)約能量為他用。另一個例子是蟬翼上的納米柱狀結(jié)構(gòu)，水滴會連同微粒從動物的皮毛滾落，讓它像荷葉一樣干凈。

表面+能量+行為=潔凈

動物如何實現(xiàn)清潔其實是它的表面，它的行為，以及環(huán)境所提供的能量之間相互作用。如果有合適的表面，動物得到不用費(fèi)力地清潔。如果我們有這樣的想法，也許我們可以設(shè)計出新設(shè)備，也達(dá)到這樣的清潔。

太陽能電池板就像眼睛一樣必須讓陽光射入。但太陽能電池板每年由于灰塵積累會損失7%的電能。最高科技解決方案是橡膠清潔器。很難想象，計算機(jī)時代使我們能夠與數(shù)光年前的先祖交流，但我們的清潔方法仍停留在過去。

設(shè)想將太陽能電池板設(shè)計成昆蟲的眼睛。放置的微絲可以阻止面板上的塵埃，但光線仍可以穿過。使用這種刷子，清潔面板將會變得簡單。就像昆蟲那樣，面板可以不使用純水或化學(xué)物質(zhì)就清洗干凈。同樣，像機(jī)器人的眼睛一般的攝像機(jī)可以通過在邊緣鑲嵌睫毛來減少灰塵沉積。工程昆蟲眼項目，主要研究合成毛發(fā)系統(tǒng)已成為了美國國家科學(xué)基金會資助課題。

我們通常會設(shè)想未來機(jī)器人會有光滑而閃亮的外表，像一部金屬戰(zhàn)車。但事實上，光滑的表面設(shè)計并非常態(tài)。未來的桌面可以是納米級柱狀材料的延伸，可以直接殺死接觸的細(xì)菌。機(jī)器人感知環(huán)境的探測器可能會覆蓋著毛發(fā)，可以阻止灰塵便于清理。相信未來可以看到相當(dāng)多不同種類的毛發(fā)。