来源:新浪科技
新浪新闻北京时间12月31日消息，从飞蛇到冲浪鱼，大自然为人类的发明创造提供了无尽的灵感。许多新的发明和技术来自对自然的模仿，由此诞生的一门学科叫做仿生学。珍妮·贝内乌斯是美国非营利组织仿生学研究所的联合创始人。她在1997年出版了《仿生学》一书，使这个术语广为人知。她写道，“仿生学基本上是当面临设计挑战时，找到解决挑战的生态系统，然后试图模仿你所知道的。”
海蜇是一种超黑色的深海鱼。
当研究自然世界的科学家有新发现时，发明家和工程师不断从这些发现中汲取灵感，并将自然解决方案应用到新技术中。无论是建造更好的机器人，更有效地跟踪癌细胞，还是改进研究Tai 空的望远镜，我们都可以在生物中找到有用的解决方案。以下是史密森尼杂志公布的2020年十大可能带来新发明的科学发现。
1.鱼在其他海洋生物的背上“冲浪”。
鱼的“吸盘”其实并不紧贴鲸鱼的皮肤，而是悬停在皮肤上方，形成一个低压区，从而被鲸鱼的侧面吸附。
鱼是海洋中最好的搭便车者。据介绍，这种体长30-110厘米的鱼也被称为吸吮鱼，它的头部有一个吸盘，可以将自己固定在鲸鱼或鲨鱼身上，就像“一顶粘乎乎的扁帽”。但是鱼不仅仅是搭便车。2020年的一项研究发现，当这些鱼与宿主一起游泳时，它们实际上可以在宿主的背上“冲浪”。也就是说，鱼会沿着宿主的身体滑行，倾向于聚集在鲸鱼的喷水孔和背鳍附近，那里的拖曳力较小——它们会在“冲浪”时咀嚼死皮和寄生虫。
布鲁克·弗拉芒、杰里米·戈德堡和其他研究人员发现，鱼选择的位置是它们依恋的关键。弗拉芒指出，特别是在蓝鲸的喷水孔和背鳍之间的区域，与几厘米高的区域相比，存在“速度低得多的液体”。事实上，鱼的吸盘不会粘在鲸鱼的皮肤上。在大多数情况下，吸盘悬浮在皮肤上形成一个低压区，从而附着在鲸鱼的侧面。
Flammang是新泽西理工学院的生物学家。受鱼的启发，她开始研究一种人造吸盘。她希望这个吸盘可以用来为濒临灭绝的海洋动物安装摄像头和跟踪设备。目前研究人员常用的吸盘虽然可以将相机固定在研究对象上，但抓取力只能维持24到48小时。Flammang的新设备预计可持续数周，并有效减少阻力。目前，她的团队正在柔性表面上测试这个吸盘，并准备为相机设计一个鱼形外壳。最终，他们将在活体动物身上测试该设备，包括鲸鱼、海豚、鲨鱼和蝠鲼。
斯坦福大学海洋生物学家戈德伯根写道:“弗拉芒博士的实验室在附着方面取得的生物启发性进展将彻底改变我们在动物体内植入标签的方式，使它们更加成功和有效。”“也许未来的生物标签不仅能附着，还能像鱼一样在生理采样的理想位置‘冲浪’、‘爬行’。”
2.鳍和指尖一样敏感。
芝加哥大学的神经科学家亚当·哈迪(Adam Hardy)发现，鳍不仅可以用于游泳和转向，还可以像灵长类动物的指尖一样灵敏。研究人员通过研究新的黑嘴虾虎鱼得出了这一结论。这种底栖鱼原产于广盐中的黑海和里海，但它已经入侵了欧洲的许多河流，甚至远至北美五大湖。这些小鱼通常栖息在岩石上，它们的腹鳍已经变得越来越像吸盘。
黑嘴新虾虎鱼通常栖息在岩石上，它的鳍“像灵长类动物的手指一样敏感”。
为了确定这种虾虎鱼的鳍有多敏感，研究小组对鱼进行了安乐死，然后注射生理盐水，以确保它们的神经在实验过程中正常工作。然后，他们使用一种特殊的设备来记录鳍扫过固定轮子时神经电脉冲的模式。该研究的合著者、芝加哥大学的神经科学家梅·沈小兰·黑尔(mei manuel Hale)指出，测量结果表明，鳍可以感知“非常微小的细节”。研究人员希望这一发现能够启发机器人感知技术的研究，尤其是在水下机器人领域。
3.坚不可摧的甲虫外骨骼
这种甲虫叫“魔鬼铁锭甲虫”，绝对名副其实。大多数昆虫的寿命只有几周，但这种甲虫的寿命却长达八年，大致相当于人类几千年的寿命。为了实现这样的壮举，他们进化出了非凡的外骨骼“盔甲”。
这种甲虫不到2厘米长，但它可以被汽车碾过。加州大学欧文分校的工程师大卫·塞卢斯(David Selous)和他的团队曾经驾驶一辆丰田凯美瑞，两次碾压一辆甲壳虫，但它仍然幸存下来。经过多次技术实验，研究小组发现这种甲虫可以承受相当于自身体重39000倍的压力。
这种不到2厘米长的甲虫，即使被汽车碾过两次也能活下来。它被称为“魔鬼铁锭甲虫”
几个因素促成了这一神奇的现象。首先，这种甲虫的外骨骼是扁平的，不像瓢虫那样是圆形的。其次，它们的外骨骼内部是富含蛋白质的层状结构，每一层都可以独立移动，不会破坏整个外骨骼。第三，外骨骼的两半像拼图一样连接在一起，每一层都遵循一条拼图曲线来加固关节最薄的部分。比如头胸关节处的两块外骨骼是相互锁紧的。
研究人员在论文中提出，借鉴“魔鬼铁锭甲虫”，可以设计出一种具有相似特性但层数较少的互锁紧固件，用于固定飞机涡轮等。该团队创建了一个3D打印的“层压”模型。他们预测，这一发现可以帮助开发新的航空空紧固件，这种紧固件可以提高强度，并大大增加韧性。事实上，这种设计可以用于任何需要连接两种不同材料的场合，比如桥梁、建筑、车辆中金属与塑料的连接。
4.解释16种深海鱼的超黑色素。
凯伦·奥斯本是国家自然历史博物馆的海洋生物学家。有一次，她的团队无意中从蟹网里捞出一条深海尖牙鱼。当他们试图给这条黑鱼拍照时，他们发现无论他们怎么努力，都无法获得这条鱼的细节。后来，他们发现这条鱼真的很“上镜”，因为它的组织吸收了相机闪光灯99.5%的光线。
他们的研究包括尖牙和其他15种物种，它们都有超黑色的色素沉着，因此可以融入黑暗的深海环境。虽然光线无法到达海洋的这一部分，但有些鱼确实会发光。对于狡猾的食肉鱼来说，黑色的体色可以尽可能多的吸收光线，是最好的隐身衣。
棘头海鲈也是一种超黑色的深海鱼，吸收光线的能力在研究中排名第二。
许多陆地动物和海洋动物是黑色的，但人类制造的黑色可以反射10%左右的光线，其他大多数黑色鱼类可以反射2%左右的光线。要突破“超黑”门槛，这16个物种需要将反射光的比例降低到0.5%。为了做到这一点，它们进化出了一个巨大的胶囊状黑素体，并且排列得非常紧密。在其他黑色动物中，黑素体的排列更为松散，形状更小更圆。
通过模仿这些超黑深海鱼的黑素体的形状、结构和分布，材料科学家或许可以制造出人造的超级黑色素。这种颜料可以用来覆盖望远镜内部，以获得更好的夜间空视野，或者提高太阳能电池板的光吸收率。凯伦·奥斯本还指出，这一发现甚至可能会引起海军研究人员的兴趣。“如果能制造出带有这种黑素体的盔甲，将非常适合夜间作战”。
5.飞蛇会为了稳定而波动。
蛇不仅能在地上爬行，还能在水里游泳，但这些还不够。世界上有五种“会飞”的蛇。确切地说，它们的飞行更像是高度协调的着陆，看起来也有点像它们在陆地上的扭曲和侧弯，只是借助了重力。或许正如弗吉尼亚理工大学生物力学研究员杰克·索查(Jack Socha)所描述的那样，这些蛇在飞行时就像一条“巨大的扭带”。
这些“飞蛇”属于金蛇属，它们可以将圆形的躯干压缩成扁平的三角形，以获得更多空空气阻力，从一棵树滑行到另一棵树，距离可达数十米。然而，对于科学家来说，他们在空中所做的事情似乎毫无意义。在研究中，杰克·索查(Jack Socha)的团队租用了弗吉尼亚理工大学的四层体育馆，在七条飞蛇身上贴上反光胶带，用高速摄像机记录了它们的跳跃超过150次。
在反光胶带的帮助下，研究团队用3D电脑模型重现了“飞蛇”的飞行过程。
这些蛇的飞行过程非常短暂，因此研究团队使用反光胶带和3D电脑模型来重现它们。他们发现，飞蛇垂直摆动的频率是水平摆动的两倍，尾巴也上下摆动。弗吉尼亚理工大学机械工程师艾萨克·伊顿(Isaac Eaton)说，“其他动物的起伏运动是为了推进，我们已经证明飞蛇这样做是为了保持稳定。”
研究小组希望他们的发现有助于开发一种类似于飞蛇的搜救机器人。艾萨克·伊顿(Isaac Eaton)表示，这种机器人的优势在于它们在移动时能够保持稳定并通过狭窄的空空间。在一些非常狭窄的空房间工作可能会导致典型的机器人绊倒或摔倒。他们的目标是有一天开发出一种能够模仿蛇的动作的机器人，将所有的扭曲、弯曲和突然转向动作结合在一起。
“通过组合这些动作，你可以拥有一个可以在复杂环境中移动的平台:机器人可以爬树或建筑，快速滑行到另一个区域，然后滑行或游泳到其他地方，”艾萨克·伊顿说。“这项发明会遇到很多工程上的挑战，但这些真正会飞的蛇所表现出的能力，以及近年来生物设计领域的进展，给了我很多启发。”
6.海鞘制成的过滤系统。
海鞘的形状有点像蝌蚪，只是稍微大一点；它们的体长可以达到10厘米。这些微小的生物自由地生活在海平面以下数百米的地方，那里食物匮乏。
研究人员使用激光扫描工具揭开了这种生物建造的复杂的“鼻涕宫殿”。这就是这项研究的作者，蒙特雷湾水族馆研究所的生物工程师Kakani Katija所说的这种鼻涕状粘液结构。海鞘没有手和脚。它们用自己的分泌物建造了一个复杂的“粘液室”。这是一种由内外过滤器组成的过滤装置，可以大大提高海鞘的摄食效率。
海鞘利用自己的分泌物构建了一个复杂的粘液气球，这是一个可以摄取有机颗粒的过滤系统。
就像蜘蛛的网狩猎一样，尾海鞘也利用这些粘性结构来捕捉经过的小而稀疏的食物颗粒。它们微小的身体位于“黏液室”的中间，尾巴摆动将水从管道迷宫送到入口。在漆黑的深海中，任何一个错误的动作都可能导致死亡，而这个粘液气球也可以为它们提供保护。
Kakani Katija希望从这些小动物中获得灵感，并有一天开发出仿生充气过滤系统。考虑到这些动物可以过滤掉比病毒更小的颗粒，也许医用级或HEPA过滤器可以用这种设备来改进。她说，“这个项目我们还在探索阶段，希望其他研究人员能继续。”
7.发光的蓝色黏液的沙蚕。
生物的发光闪光通常持续不到1秒，最多10秒。然而，海洋中的沙蚕却有些“天赋”。它们可以产生一种亮蓝色的粘性物质，可以在任何地方发光16到72小时。因为粘液在体外一直发光，不会浪费生物的能量，对沙蚕的生存非常有利。这也提出了一个问题:这种粘液是如何长时间保持发光的？
美国加州大学圣地亚哥分校的研究人员Evelien De Meulenaere、Christina Puzzanghera和Dimitri D。Deheyn检查了沙蚕粘液的复杂化学成分，发现它含有能够释放离子或带电原子的铁蛋白。这种形式的铁蛋白可以与蓝光发生反应，引发更多离子的产生，形成反馈回路，持续发光。
多毛类鳞翅目沙蚕的粘液可以在体外发光，所以不会浪费生物的能量。
研究小组希望复制家蚕独特的含铁发光蛋白，在手术过程中照亮癌细胞。Deheyn还表示，他们可以开发一种合成生物电池，可以在停电的紧急情况下使用，类似于在黑暗中发光的贴纸。
“发光贴纸之所以能一直发光，是因为它们在白天积累阳光，然后在晚上释放出来，”Deheyn说。“现在想象一下，你不需要阳光，只需要加入铁。这些贴纸可以在紧急情况下用作便携式生物灯，例如在可能需要照明的直升机或飞机的停机坪上。”
8.大黄蜂可能知道自己有多大。
大黄蜂也叫大黄蜂。与普通的蜜蜂相比，它们庞大而笨拙。但是，这种印象可能并不准确。今年夏天的一天，澳大利亚新南威尔士大学堪培拉校区的工程师sridhar Ravi观察到，大黄蜂可以在树枝和灌木丛中自由穿梭。他感到震惊的是，一个大脑如此小的有机体能够克服这些挑战。
当缝隙小于大黄蜂的翼展时，它们会停下来看一下，然后在不损伤翅膀的情况下，侧身穿过缝隙。
为了测试大黄蜂，拉维的团队在实验室里搭建了一个隧道和一个蜂箱。他们在隧道里放置了一个狭窄的缝隙作为障碍，随着时间的推移，这个缝隙变得越来越小。他们发现，当缝隙小于大黄蜂的翼展时，它们会停下来看一下，然后在不损伤翅膀的情况下侧身穿过缝隙。对于大黄蜂来说，它们需要从不同的角度知道自己有多大才能完成这种看似微不足道的行为，而这是很多昆虫都不具备的。
斯里达尔·拉维说，如果大脑较小的大黄蜂可以处理这个问题，机器人可能会在没有太复杂的处理器的情况下更好地导航。他说，“复杂的感知不一定需要大而精的大脑，也可以用较少的神经元在小范围内实现。”通过学习大黄蜂大脑的工作模式，研究人员或许可以开发出更灵巧的机器人，甚至拥有更高的飞行或游泳能力，而不是像现在看起来那样笨拙。“从被动检测到主动感知，这一提升将为机器人领域带来一个新时代，”拉维说。
9.切叶蚁外骨骼的矿物“盔甲”
宁波大学植物病毒学领域的研究人员李小龙与美国威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员合作，发现一种中美洲切叶蚁的外骨骼有一层薄薄的矿物“盔甲”。
为了进一步研究切叶蚁的外骨骼，需要去除这种类似盔甲的涂层，但如何去除呢？李小龙在接受《科学新闻》采访时表示，他在刷牙时顿悟了。漱口水可以清除牙齿上的物质，而不会伤害脸颊、牙龈和舌头。他的预感是对的。漱口水溶解了这种矿物质涂层，但没有破坏切叶蚁的外骨骼。通过更传统的实验室实验，研究小组确定矿物涂层由高镁含量的方解石组成。在海胆中，这种方解石和镁的混合物使它们的牙齿能够磨碎坚硬的钙质。
研究人员发现，这种切叶蚁外骨骼上的矿物涂层由高镁含量的方解石组成。
研究作者卡梅伦·库里(Cameron Curry)和普帕·吉尔伯特(Pupa Gilbert)解释说:“将镁结合到方解石中可以为任何涉及方解石的纳米技术领域带来许多好处，例如塑料、粘合剂、建筑砂浆和牙科材料。”另外，这种矿物涂层并不是切叶蚁与生俱来的，而是它们在需要的时候可以快速制造出来的，而且会随着切叶蚁的成熟而增加硬度，几乎覆盖全身。
“令人难以置信的是，这种切叶蚁可以通过快速形成薄而轻的纳米晶体涂层来大大提高外骨骼的强度，”卡梅伦·库里说。“这凸显了这种纳米材料涂层在改善防弹背心方面的应用潜力。”
10.听力不好的飞蛾有“隔音斗篷”
飞蛾不容易躲避靠声音寻找猎物的捕食者。然而，一些蛾子进化出惊人的特征来保护自己免受蝙蝠的攻击。
2020年早些时候，研究人员发现两种听不到声音的飞蛾翅膀上有非常薄的分叉鳞片，可以吸收蝙蝠的超声波，此外还有可以软化声音的绒毛。每只蛾子的翅膀上都覆盖着成千上万个这样的小鳞片，它们的长度不到1毫米，厚度只有几百微米。每一个音阶都会扭曲翅膀发出的声音，降低声能，从而减少反射回蝙蝠的声音。这些音阶似乎在不同的频率下共振，作为一个整体，它们“可以吸收至少3个八度的声音”。
飞蛾的翅膀上覆盖着成千上万个这样的小鳞片，每一个都不到1毫米长，只有几百微米厚。
这项研究的作者，布里斯托尔大学的马克·霍尔德雷德(Mark Holdred)说:“这些尺度在纳米尺度上高度结构化，顶部和底部有多孔波纹层，这些波纹层由微小的柱状网络连接起来。”据他估计，受这种结构的启发，未来我们或许可以开发出“吸声效率提高10倍”的隔音材料。他的想法是一种涂有纳米级结构的吸音壁纸，可以粘贴在住宅和办公室的墙上，而不是现在常用的巨大面板。
霍尔德雷德还认为，这一发现将被广泛应用于许多行业。“我们对这种材料的广泛应用前景感到非常兴奋，”他说。“从建筑到机械，再到交通声学设计等许多领域，我们都可以借鉴这些moth解决方案，开发更薄的吸声材料。”
