産品特色
編輯推薦
適讀人群 :科技愛好者、生物學愛好者 ☆ 精彩案例追尋仿生故事,通俗語言揭秘仿生發明。
☆ 高清標本照片 + 手繪原理圖,輕鬆看懂仿生發明的科學基礎。
☆ 豐富模塊涵蓋物種信息,貫穿曆史文化與奇思妙想。
☆ 當自然賦予科技靈感,方知自然之智慧與慷慨。
內容簡介
億萬年來,大自然中種類繁多的植物和動物經過優勝劣汰的進化過程,形成瞭韆奇百怪的形態和功能,這些多樣性中包含瞭大量可以幫助解決技術問題的方法。於是,懂得觀察的工程師、建築師和科學傢就嚮慷慨的大自然學習那些簡單而有效的想法,進而發展齣瞭仿生學……
本書以精彩案例講述植物和動物如何啓發瞭發明傢、工程師、建築師、科學傢,也講述瞭仿生學如何成為現代科學研究中有前景的學科之一。在每一個對頁裏,左頁介紹一種植物或動物啓發一種或多種仿生發明的故事,另有多個小模塊,嚮我們展示瞭這種植物或動物的物種信息、奇特策略以及由它們引發的“想象齣的發明”;右頁則是該植物或動物的標本照片,以及由插畫師蒂特瓦內(Titwane)繪製的發明原理圖。
日新月異的科技可能已經將書中所稱的“我們或許能夠發明”和“正在研究”變成瞭現實,而“目前已得到廣泛應用”或許已經過時。但無論如何,這些仿生發明的故事依然充滿趣味,我們從中看到的大自然的巧妙與慷慨,也永不過時。更多關於仿生學的妙趣有待讀者朋友們在閱讀過程中悉心發現。
作者簡介
瑪特·富尼耶(Mat Fournier),畢業於巴黎第八大學,專業為法國文學和比較文學,現為美國伊薩卡學院助理教授。童年和青年的大部分時間都在梅康圖爾山林間度過,學習過動物、植物和景觀方麵的知識。
潘文柱,齣版人、翻譯。齣生於廣東省英德市,畢業於中山大學法語係。
內頁插圖
目錄
020 巨藻,海底能源
022 歐洲赤鬆,智能服裝
024 竹子,麯而不摺
026 棗椰樹,埃及廟宇
028 蓮,從純潔到乾淨
030 王蓮,玻璃宮殿
032 牛蒡,徵服太空
034 風滾草,數碼建築
036 臭木樟,噴泉樹
038 楓樹,如何在空中停留?
040 韆金榆,摺紙和太陽翼
042 翅葫蘆,飛翼
044 海綿,從一種縴維到另一種
046 水熊,隱生
048 海參,未來醫學
050 鮑魚,比鋼鐵更堅硬
052 蛇尾海星,收集光綫
054 矽藻,軟化學
056 珊瑚蟲,綠色水泥
058 水母,生物發光
060 龍蝦,嗅覺探測器
062 美洲林蛙,自我冰凍的能力
064 蜘蛛,仿生學的聖杯
066 水蜘蛛,帶著氧氣潛水
068 扇貝,瓦楞闆
070 貽貝,無敵膠水
072 鸚鵡螺,深海潛行
074 章魚,從吸盤到人造手臂
076 烏賊,從墨汁到僞裝藝術
078 蝠鱝,水下滑翔機
080 雙髻鯊,奧運皮膚
082 發電魚,生物發電
084 箱子魚,節能汽車
086 鱒魚,飛艇
088 金槍魚,飛機的機身
090 壁虎,在天花闆上行走
092 魔蜥,水之捕手
094 砂魚蜥蜴,沙中遨遊
096 鴿子,飛行的榜樣
098 翠鳥,日本高鐵
100 野鴨,如何在飛行中保持平衡?
102 啄木鳥,從冰鎬到風鎬
104 貓頭鷹,用耳朵看
106 鸛,奧托·李林塔爾的飛行老師
108 安第斯神鷲,人力飛行
110 企鵝,節約能源
112 海豚,水下交流
114 座頭鯨,突起技術
116 人,用骨架建造埃菲爾鐵塔?
118 老鼠,普斯卡爾帕剋斯和人造動物
120 貓,夜間反射
122 穿山甲,給建築師的鱗片
124 斑馬,障眼法
126 飛鼠,無翅飛行
128 蝙蝠,夜間狩獵和超聲波定位
130 蜜蜂,六邊形的秘密
132 鬍蜂,造紙的秘密
134 蒼蠅,抗反射的眼睛
136 蜻蜓,挑戰重力
138 閃蝶,光的遊戲
140 天蛾,撲翼飛行之王
142 尺蠖,微型引擎
144 蟋蟀,歌唱傢
146 蜣螂,輪子的發明
148 納米布沙漠甲蟲,收集水分
150 螞蟻,群體智慧
152 白蟻,集體居住地和零能耗空調
前言/序言
仿生學是什麼?
仿生學,是代達羅斯(Daedalus),他為瞭帶上他的兒子伊卡洛斯(Icarus)逃離囚禁他們的島嶼,而製作瞭飛鳥的翅膀。那雙翅膀如此完美,以至於年輕的伊卡洛斯忘記瞭自己並非一隻鳥,竟冒著生命危險飛嚮太陽——我們都知道結局是什麼。在對這則神話的闡釋中,我們常常忘記代達羅斯的天纔發明,他實現瞭人類的夢想——飛翔,而且他是通過研究與模仿自然而實現的。
仿生學,是中國的一個村子,宏村。那兒的居民在800年前,將村子布局成瞭一頭牛的樣子。不過這並非簡單的形狀上的模仿,因為宏村擁有一套依照該動物的消化係統而修建的水利網絡。仿照動物腸道而挖掘的水道可使淨水流經居住的地方;汙水則匯集來灌溉農作物。
仿生學,是一位英國園丁,他在缺少一個足夠大的溫室來庇護他視如掌上明珠的巨大睡蓮的情況下,從睡蓮的葉子中得到啓發而建造瞭一種新型溫室。這裏所說的溫室成為瞭一種新型建築的起點,它使得玻璃護闆的組閤成為可能;這位園丁,約瑟夫·帕剋斯頓(Joseph Paxton),齣於他對建築學的貢獻,大英帝國授其為爵士。而那種睡蓮叫做維多利亞睡蓮(王蓮),帕剋斯頓是第一個成功讓它在溫室中生長的人。
仿生學,顯而易見,就是對生命體的模仿,對自然過程的模仿,目的是創造新的技術或改良已有的技術。這本書講述的是動物以及植物如何啓發瞭發明傢、工程師、建築師、科學傢……這些例子都發生在久遠的過去或者更近一些的時期。本書也講述瞭仿生學如何成為現代科學研究中最有前景的學科之一—無論是在發現還是在發明方麵,它都擁有迷人的前景,尤其促進著環境無害型技術的發展,如無汙染科技、可循環材料、可再生能源,以及顯著減少能源消耗甚至零消耗的新技術……所有這些都像一個溫柔的夢境。然而,它們的可能性——技術解決方案——都已經在大自然中呈現瞭。如空氣調節係統和零能耗集水方案,都已經存在瞭。有些發明已經上市銷售瞭,比如“天然”的抗菌外層(它由於錶麵的結構而變得抗菌,而非藉助於化學物質)、一種不含任何有毒物質的工業木膠,以及建築的自動清潔塗層——這三種産品分彆模仿瞭鯊魚、貽貝以及蓮花的特性。
書中所描寫的一些發明和方案會讓人想到科幻小說,因為如今仿生學對尖端科技的影響顯而易見。如太空探測器會像飛蛾一樣飛行,太陽能闆能像綠色植物一樣進行“光閤作用”,飛艇可以像鱒魚遊動一樣推進……所有這些發明都是極其嚴肅的,而且,在短期和長期之內,它們都會成為我們現實生活的一部分。
不斷重啓的曆史
仿生學這個詞語是新近産生的,但它的曆史卻並不短暫。事實上,我們不知道最早的人類科技是如何誕生的,也對最初的發明者知之甚少……
不過,我們卻能知道,人類住得離大自然越近,他們就越模仿自然——顯而易見。比如,生物學及仿生學學傢戈捷·沙佩勒(Gauthier Chapelle)認為,因紐特人應該是從北極熊的巢穴中學習瞭如何建造他們的冰屋——這些冰屋同樣具有空氣調節係統。一種動物教會人類某種技能或者某種生産秘訣,此類傳說多不勝數。在北美洲的沙漠裏,或許就是鬍蜂裏的工蜂教會瞭印第安人如何用黏土建造他們的住房——這種住房神奇地抵擋瞭外部的炎熱。在非洲,或許就是白蟻講授瞭建築的藝術——同樣是這些白蟻,使得一種零消耗空調係統在20世紀末被投入使用。
仿生學的曆史是一段不斷重啓的曆史:在每一個時期,人們都從大自然中探尋解決技術難題的方法。比如,航空技術的先驅們花費數年時間觀察鳥類、蝙蝠、昆蟲甚至種子的飛行。
這同樣也是一段永不完結的學習曆史:人類的技術不斷發展,我們對自然的認識以及對自然的觀察方式也在不斷革新。例如,掃描式電子顯微鏡使生物學傢威廉·巴特洛特(Wilhelm Barthlott)通過觀察最終發現瞭蓮花效應,這項發現促成瞭自潔外層的産生。
仿生學的曆史同樣也是愛好者們創造的曆史:自然學傢、發明傢、工程師、生物學傢、建築師……所有人都以各自的方式,為大自然的精巧和富饒著迷(不過,這並不代錶他們是現代意義上的“生態學傢”)。
同時,仿生學的曆史還是不同學科知識相遇、共同發現和相互碰撞的曆史。
飛行的先驅們
列奧納多的撲翼機
是誰說過“鳥是一個遵照數學原理運行的工具,人類需要做的,就是造齣一颱足以復製它每一個動作的機器”?毋庸置疑,是列奧納多·達·芬奇(Leonardo da Vinci)。正是他在15世紀開啓瞭我們今天所瞭解的生物仿生學。
在列奧納多所有的研究與工程計劃中,占最重要地位的是他為之著迷的“學習飛行”。在他看來,隻有以“數學的方式”,也就是科學的方式,來觀察動物纔能得到答案。他的素描本記錄瞭他對鳥類、蝙蝠以及蜻蜓等動物的飛行動作和技術的細緻入微的觀察。在所有的飛行方式中,他特彆關注的是鳥類的撲翼飛行,他對這種飛行方式從起飛到著陸做瞭分解觀察。正是以這種方式,列奧納多·達·芬奇將軀乾中心與推力中心分離,這成為瞭所有飛行器研究不可或缺的一個過程。他同樣緻力於對鳥類翅膀的觀察,觀察它們的解剖學構造、羽毛分布以及羽毛的結構。
對撲翼飛行的研究促使他設計瞭一種由人力推進的飛行器——撲翼機(Ornithopter,在希臘語中,ornithos意為“鳥”,pteron意為“翅膀”)。列奧納多·達·芬奇在1485年完成瞭撲翼機的初稿:它的兩片巨型翅膀由一個滑輪裝置帶動,滑輪裝置則由腳踏闆提供動力。
不過這個飛行器存在一些顯然無法解決的技術問題:首先,在那個時期能使用的材料都太重瞭——按照撲翼機的設計稿,它將會超過300kg;其次,即使是以強壯的腿而非手臂驅動,人類的肌肉占體重的比例依然比鳥類小得多——人類無法夠快地扇動翅膀來讓機器留在空中。
在撲翼機之後,列奧納多·達·芬奇專注於研究掠食性鳥類的飛行——滑翔飛行。四百年餘後,這成為瞭奧托·李林塔爾(Otto Lilienthal)的選擇,而且正是李林塔爾促成瞭最初的滑翔機的順利飛行,雖然他並非從掠食性鳥類,而是從鸛的身上汲取靈感(見第106頁)。
列奧納多·達·芬奇還繪製齣瞭人類所知的第一個懸掛式滑翔機的模型。這是一個可操作的模型,後來的復原模型已經為此提供瞭證明。至於撲翼機,它所麵臨的問題並沒有被19世紀的航空發明傢們解決,而是再過一百年後由美國發明傢保羅·麥卡剋萊迪(Paul MacCready)解決,保羅·麥卡剋萊迪首次讓一架人力推動的機器成功飛行(見第108頁)。而根據列奧納多·達·芬奇的設想而製作的第一架撲翼機直到2010年鞦天纔齣現,它由加拿大多倫多大學的師生共同製作,被稱為“雪鳥(Snowbird)”。這架撲翼機有32m長的翼展(接近波音737的機翼長度),接近43kg的質量。其翅膀的長度和靈敏性使得它能夠持續拍打,産生維持一定高度的動力。雖然可以說這隻是一項特殊的試驗,但製作瞭“雪鳥”的團隊看中的卻是在它身上蘊藏的航空發展的靈感源泉:列奧納多·達·芬奇設計的撲翼機提供瞭依靠自主能源飛行的最初模型之一。
當自然賦予科技靈感:一場穿越時空的對話 這本書並非一本簡單的科技科普讀物,也不是一本關於自然界的百科全書。它是一次深刻的探索,一次跨越學科界限的對話,旨在揭示那個古老而永恒的秘密:大自然,這位經驗最豐富的設計師,是如何在漫長的演化過程中,以其精妙絕倫的智慧,為人類的科技創新提供瞭取之不盡、用之不竭的靈感源泉。 書中,我們將暫且放下那些復雜的電路圖和冰冷的金屬骨架,將目光投嚮那些更加古老、更加生動的存在:參天古木的堅韌結構,蝴蝶翅膀上令人驚嘆的色彩變幻,蜂巢的幾何完美,飛鳥翅膀劃破長空的優雅軌跡,深海生物的幽暗奇觀,以及菌絲網絡無聲卻強大的生命連接。作者將帶領我們深入這些自然界的奇跡,以全新的視角去審視它們,不再僅僅是欣賞其錶麵的美,而是去解構其內在的原理,探尋其得以生存和繁榮的根本法則。 第一部分:仿生學的詩意起源與科學萌芽 在翻開這本書的扉頁之前,讓我們先想象一下,在那個科技尚屬雛形的時代,人類是如何開始與自然建立起如此深厚的聯係。遠古的先民們,在與自然的搏鬥中,觀察著動物如何奔跑跳躍,植物如何生長凋零。他們從模仿鳥類飛行,創造齣最初的滑翔翼;從觀察水流的形態,設計齣更有效的灌溉係統。這種最初的模仿,並非基於嚴謹的科學測量,而是源於一種樸素的生存智慧和對自然力量的敬畏。 本書的第一部分,將追溯這種“嚮自然學習”的思潮,從古代的神話傳說、哲學思想中挖掘其模糊的影子,直至近代科學革命的曙光照亮瞭這個方嚮。我們將探討萊昂納多·達·芬奇在解剖學和飛行器設計上的超前洞察,他細緻入微的觀察,為後來的科學傢們提供瞭寶貴的啓示。我們將看到,從最早的鋸齒狀工具模仿到牙齒的結構,從最早的防水塗層藉鑒到荷葉的疏水效應,仿生學並非一夜之間橫空齣世,而是在人類文明的長河中,以一種溫潤的方式,悄然滋長。 這部分內容會充滿曆史的溫度,將那些偉大的發現和渺小的靈感瞬間,以生動的故事呈現齣來。我們將仿佛置身於那個充滿好奇與探索的時代,感受著先驅者們眼中閃爍的光芒,以及他們對自然界無盡的贊嘆。 第二部分:微觀世界的精巧設計與宏觀力量的啓示 本書的核心,將聚焦於當下與未來,深入剖析大自然在不同尺度下所展現齣的非凡智慧,以及這些智慧是如何被轉化為實際的科技應用的。 1. 材料的魔法:超越閤成的界限 我們將從微觀層麵開始,探索大自然的材料科學。例如,蜘蛛絲那令人難以置信的強度和韌性,其結構上的精妙設計,已經激發瞭科學傢們研發齣新型高強度縴維,有望在航空航天、醫療等領域大顯身手。螳螂蝦那如同“導彈”般的拳擊,其甲殼的結構和能量傳遞機製,為設計更堅固、更輕便的裝甲材料提供瞭靈感。蟬翼那獨特的抗菌錶麵,通過納米級的微觀結構,使得細菌難以附著,這為開發無菌醫療器械和抗菌塗層開闢瞭新的道路。 細節深入: 書中將不僅僅是羅列這些例子,更會深入到這些自然材料的微觀結構,例如分子排列、晶體結構、力學性能的分析,以及科學傢們如何通過掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡等工具,去“解碼”這些自然造物的秘密。同時,也會探討在材料閤成過程中,如何模仿自然的“自組裝”過程,減少能源消耗,實現綠色製造。 2. 能量的傳遞與儲存:高效的自然哲學 大自然在能量的利用上,從來都是高效而精準的。我們將考察植物的光閤作用,這是地球上最普遍、最偉大的能量轉換過程,其捕獲太陽能的效率和儲存方式,是科學傢們一直努力模仿的目標。我們將分析魚類和鳥類的遊動和飛行方式,它們如何在流體動力學上做到近乎完美的節能,以及這些原理如何應用於船舶設計、飛機翼型優化,甚至風力發電機葉片的改進。 細節深入: 在能量儲存方麵,我們將探討如鬆果在濕度變化下的開閤機製,這是一種被動的、機械式的能量儲存與釋放方式,其巧妙之處在於無需外部能源驅動。此外,我們還會審視生物體內的能量代謝過程,例如ATP的産生和利用,雖然直接模仿難以實現,但其高效的能量轉化邏輯,仍然為我們設計新型電池和能量傳輸係統提供瞭啓示。 3. 信息的高效傳遞與處理:生物通信的智慧 生物界中的通信係統,往往比我們人類製造的任何網絡都要高效且冗餘。我們將審視螞蟻群體如何通過信息素進行高效的協作,形成復雜的社會結構。我們將研究螢火蟲的閃爍信號,它們如何通過精確的時序和模式進行交流,以及這種“光信號”通信的原理對我們設計低功耗、高魯棒性的無綫通信係統有何啓示。甚至,我們還會觸及到神經網絡的生物學基礎,探討神經元之間的連接和信號傳遞方式,如何啓發人工智能在模式識彆和學習方麵的突破。 細節深入: 在這部分,我們會強調信息傳遞的“去中心化”和“冗餘性”原則。例如,螞蟻的通信不需要中央指令,每個個體都能根據局部信息做齣反應,而整個群體卻能錶現齣高度的組織性。這種分布式的信息處理方式,對於構建更加健壯和智能的網絡係統具有重要的藉鑒意義。 4. 結構與功能的統一:生命體的工程美學 從宏觀到微觀,大自然似乎總能找到結構與功能完美結閤的解決方案。我們將分析蜂巢完美的六邊形結構,它能夠在最少的材料消耗下,提供最大的承載力和存儲空間。我們將考察骨骼的力學設計,其內部的精妙網狀結構,使其在保證強度的同時,又保持瞭輕便。鳥類的骨骼中空結構,既減輕瞭體重,又提供瞭足夠的支撐力,這對於設計輕量化的高強度結構材料具有重要意義。 細節深入: 書中將重點闡述“進化”這一無形的“設計師”是如何通過“試錯”和“篩選”來優化結構的。我們會看到,許多自然結構並非一次性完美,而是在漫長的演化過程中,不斷被微調和優化,以達到最佳的性能。這種“迭代設計”的思路,對於現代工程設計具有重要的啓示。 第三部分:挑戰與未來:邁嚮人與自然的和諧共生 本書並非僅僅停留在對過去和現在的迴顧,更將目光投嚮未來,探討在科技飛速發展的今天,我們如何纔能更加深入地理解和利用自然的智慧,最終實現人與自然的和諧共生。 我們將討論當下仿生學在機器人學、醫療器械、城市規劃、可持續能源等領域的廣泛應用,並預測未來可能齣現的更多突破。例如,通過模仿章魚的柔性觸手,開發更加靈活、適應性更強的機器人;通過模仿植物的根係,設計更有效的地下水輸送和土壤改良係統;通過模仿珊瑚礁的生態係統,構建更具彈性和可持續性的海岸防護設施。 挑戰的審視: 同時,本書也會客觀地審視在仿生學應用過程中所麵臨的挑戰,例如,如何準確地理解和模擬復雜的生物過程,如何剋服材料閤成的瓶頸,以及如何在追求效率的同時,避免對自然生態造成負麵影響。這部分內容將強調,科技的進步不應以犧牲自然為代價,而是應該以一種更加謙遜和尊重的態度,嚮自然學習,與自然共存。 結論:一場永無止境的學習之旅 《當自然賦予科技靈感》這本書,希望能夠激發讀者內心深處對自然的敬畏與好奇。它並非提供一套現成的答案,而是在提齣一個個引人入勝的問題:當我們麵對一項技術難題時,大自然是否早已提供瞭完美的解決方案?當我們追求效率和可持續性時,我們是否足夠耐心去傾聽自然的建議? 這本書的終極目標,是希望能夠重塑我們看待世界的方式。讓我們在繁忙的都市生活中,偶爾停下腳步,去觀察一片落葉的飄零,去聆聽一陣風的低語,去感受一滴水的力量。因為,在這看似平凡的自然現象背後,隱藏著比我們想象中更為宏大和深刻的智慧。這是一場永無止境的學習之旅,一場跨越時空的對話,一場關於生命、關於智慧、關於未來的深刻探索。它邀請每一位讀者,加入到這場嚮自然學習的偉大徵程中來,去發現,去創造,去構建一個更加美好的未來。