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          2020年十大可能帶來新發明的科學發現

          新浪科技 2021-01-01

            從飛翔的蛇到沖浪的?魚,大自然為人類的發明創造提供了無窮的靈感源泉。許多新發明和新技術都來自對大自然的模仿,由此誕生的一門學科被稱為仿生學。珍妮·本尤斯是美國非盈利機構“仿生學研究所”(Biomimicry Institute)的聯合創始人,她在1997年出版了《仿生學》一書,使這一術語廣為人知。她寫道:“仿生學基本上就是在面對一個設計挑戰時,找到已經解決這一挑戰的生態系統,然后嘗試模仿你了解的東西?!?/p>

            在研究自然世界的科學家們取得新發現的同時,發明家和工程師們也不斷從這些發現中汲取靈感,并將自然的解決方案應用到新技術中。無論是建造更好的機器人,還是更有效地追蹤癌細胞,抑或是改進研究太空的望遠鏡,我們都可以在生物身上找到有用的解決方案。以下就是《史密森尼雜志》公布的2020年十大可能帶來新發明的科學發現。

            1、?魚在其他海洋生物背上“沖浪”

            ?魚是海洋中最擅長搭便車的動物。據報道,這種長度30至110厘米的魚類也被稱為吸盤魚,頭頂具有一個能將自己固定在鯨類或鯊魚身上的吸盤,就如同“一頂黏性十足的扁平帽子”。但?魚并不只是在搭免費便車。2020年的一項研究發現,當這些魚與寄主同游的時候,它們實際上可以在寄主的背上“沖浪”。也就是說,?魚會沿著寄主的身體滑行,并往往聚集在鯨的噴水孔和背鰭附近,這些位置的拖曳力較小——它們會在“沖浪”過程中啃食死皮和寄生蟲。

            Brooke Flammang、Jeremy Goldbogen等研究者發現,魚選擇的位置是它們保持附著的關鍵。Flammang指出,尤其是藍鯨的噴水孔和背鰭之間的區域,與往上幾厘米的區域相比,那里有著“速度低得多的液體”。事實上,?魚的吸盤也沒有緊貼在鯨的皮膚上,大多數情況下,吸盤是在皮膚上方盤旋,形成一個低壓區,從而吸附在鯨的身邊。

            Flammang是新澤西理工學院的生物學家,受到魚的啟發,她已經開始研究一款人工吸盤。她希望這個吸盤能被用來為瀕臨滅絕的海洋動物(如藍鯨)安裝攝像機和跟蹤設備。目前,研究人員使用的普通吸盤雖然可以將相機固定在研究對象身上,但抓力只能維持24到48小時。Flammang的新設備預計能持續使用數周,并能有效減少阻力。目前,她的團隊正在柔性表面上測試這款吸盤,并準備為相機設計一個?魚形狀的外殼。最終,他們將在活體動物上實地測試該設備,包括鯨、海豚、鯊魚和蝠鲼。

            “Flammang博士的實驗室在依戀方面取得的生物啟發進展,將徹底改變我們在動物身上植入標簽的方式,使其更成功、更有效,”斯坦福大學的海洋生物學家Goldbogen寫道,“也許未來的生物標簽不僅可以附著,還能像魚一樣在生理取樣的理想位置‘沖浪’和‘爬行’?!?/p>

            2、魚鰭就像指尖一樣靈敏

            芝加哥大學神經科學家亞當·哈迪團隊發現,魚鰭不僅僅能用來游泳和操縱方向,還能像靈長類動物的指尖一樣靈敏。研究人員通過對黑口新蝦虎魚(Neogobius melanostomus)的研究得出了這一結論。這是一種廣鹽性的底棲性魚類,原產于黑海和里海,但早已入侵歐洲多條河流,甚至遠至北美洲的五大湖區。這些小魚通常棲息在巖石上,腹鰭已經愈合成吸盤狀。

            為了確定這種蝦虎魚的鰭有多敏感,研究小組將魚安樂死,然后注射鹽水,以保證它們的神經在實驗過程中正常運作。接著,他們使用一個特殊裝置來記錄魚鰭掃過一個固定輪時的神經電脈沖模式。該研究的合著者、芝加哥大學的神經科學家梅琳娜·黑爾指出,測量結果表明魚鰭能夠感知“非常微小的細節”。研究人員希望這一發現能啟發機器人感知技術的研究,尤其是在水下機器人領域。

            3、堅不可摧的甲蟲外骨骼

            這種甲蟲被稱為“惡魔鐵錠甲蟲”,絕對名副其實。大多數昆蟲的壽命只有幾周,但這種甲蟲的壽命卻長達8年,大致相當于人類活上好幾千年。為了達到如此壯舉,它們演化出了非凡的外骨骼“盔甲”。

            有若干因素促成了這一神奇的現象。首先,這種甲蟲的外骨骼是扁平的,而不是像瓢蟲那樣是圓形的。其次,它們的外骨骼內部是富含蛋白質的層狀結構,各層可以單獨移動而不會破壞整個外骨骼。第三,外骨骼的兩半像拼圖一樣連在一起,各層都循著拼圖般的曲線,對接合處最薄的部分進行加固,比如頭胸連接處的兩塊外骨骼是相互鎖住的。

            研究人員在論文中提出,通過借鑒“惡魔鐵錠甲蟲”,可以設計一種類似性狀,但層次較少的聯鎖緊固件,用于固定飛機渦輪機等。該團隊創建了一個3D打印的“層壓”模型。他們預測,這一發現可以幫助開發出新的航空緊固件,能提高強度并大幅增加韌性。事實上,這種設計可以用于任何需要連接兩種不同材料的情況,比如在橋梁、建筑和車輛中連接金屬和塑料。

            4、解釋了16種深海魚類的超黑色素

            凱倫·奧斯本是美國國立自然歷史博物館的海洋生物學家,有一次,她的團隊無意中從捕蟹網中撈出了一條深海尖牙魚。當他們試圖給這條烏黑的魚拍照時,發現不管怎么努力,就是拍不到魚體的細節。他們后來發現,這種魚確實“不上相”,因為其組織吸收了照相機閃光燈99.5%的光。

            他們的研究中包括了尖牙魚(角高體金眼鯛)和其他15個物種,它們都具有超黑的色素沉著,因而能融入漆黑的深海環境。盡管光線不能到達海洋的這一區域,但有些魚是會發光的。對于狡猾的掠食性魚類來說,烏黑的體色能夠盡可能多地吸收光線,堪稱最好不過的隱形斗篷。

            許多陸地動物和海洋動物都是黑色的,但是人類制造的黑色能反射大約10%的光,其他大多數黑色魚類會反射約2%的光。要突破“超黑”閾值,這16個物種需要將反射光的比例降到0.5%。為了做到這一點,它們演化出了巨大的膠囊狀黑素體(含有黑色素的細胞),并且排列得十分緊密。在其他黑色(但不是超黑)的動物中,黑素體的排列更為松散,形狀也更小、更圓。

            通過模仿這些超黑深海魚的黑素體的形狀、結構和分布,材料科學家們或許能制造出人工超黑色素。這種色素可以用于覆蓋望遠鏡內部,以獲得更好的夜空視野,或者提高太陽能板的光吸收率。凱倫·奧斯本還指出,該發現甚至會引起海軍研究人員的興趣,“如果能制造出具有這種黑素體的鎧甲,那將非常適合進行夜間行動”。

            5、飛蛇會為了穩定而產生波動

            蛇不僅會在地面爬行,還會在水里游泳,但這些還不夠,世界上還有5種“會飛”的蛇。確切地說,它們的飛行更像是高度協調的降落,并且看起來還有點像它們在陸地上的扭動和側彎,只不過有了重力的幫助?;蛟S正如弗吉尼亞理工大學生物力學研究者杰克·索查所描述的那樣,這些蛇在飛行時就像一個“巨大的扭動帶狀物”。

            這些“飛蛇”屬于金花蛇屬(Chrysopelea),能將自己圓圓的軀干壓縮成扁平的三角形,以獲得更多的空氣阻力,從一棵樹上滑翔到另一棵樹上,距離可達數十米。不過,對科學家來說,它們在空中所做的左右擺動似乎沒有什么意義。在研究中,杰克·索查的團隊租下了弗吉尼亞理工大學四層樓高的體育館,并給7條飛蛇貼上了反射帶,用高速攝像機上記錄了它們超過150次的跳躍(不用擔心這些蛇的安全,研究團隊必須通過安全規程,并在場館內配備泡沫地板和假樹)。

            這些蛇的飛行過程非常短暫,因此研究小組借助反光膠帶,利用3D計算機模型進行了重現。他們發現,飛蛇垂直擺動的頻率是水平擺動的兩倍,它們的尾巴也上下擺動。弗吉尼亞理工大學的機械工程師艾薩克·伊頓說:“其他動物的波狀起伏運動是為了推進,而我們證明了飛蛇這么做是為了保持穩定?!?/p>

            研究小組希望他們的發現能有助于開發一種類似飛蛇的搜救機器人。艾薩克·伊頓表示,這種機器人的優勢在于它們運動時保持穩定和穿過狹小空間的能力。在一些非常狹窄的空間里作業,可能會使典型的機器人絆倒或摔倒。他們的目標是有朝一日開發出能夠模仿蛇類運動的機器人,將所有扭動、彎折和突然轉向的動作集于一身。

            “將這些動作結合在一起,你就能擁有一個可以在復雜環境中移動的平臺:機器人可以爬上一棵樹或某個建筑物,快速滑翔到另一個區域,然后滑行或游到其他地方,”艾薩克·伊頓說,“這項發明將遇到很多工程上的挑戰,但這些真正會飛的蛇所表現出來的能力,以及近年來生物設計領域的進展都讓我很受啟發?!?/p>

            6、尾海鞘制造的過濾系統

            尾海鞘綱動物的形狀有點像蝌蚪,只有體型稍大一些;它們的體長可達10厘米。這些微小的生物自由地生活在海面下數百米的地方,那里的食物十分稀少。

            研究人員使用激光掃描工具揭開了由這種生物建造的復雜的“鼻涕宮殿”(snot palaces),這是研究作者、蒙特雷灣水族館研究所的生物工程師Kakani Katija對這種鼻涕狀黏液結構的稱呼。尾海鞘沒有手也沒有腳,它們是用自己的分泌物建造了復雜的“黏液房”,這是一個由內、外過濾器組成的過濾裝置,可以大大提高尾海鞘的攝食效率。

            就像蜘蛛結網捕獵一樣,尾海鞘也利用這些黏性結構來捕捉經過的細小而稀疏的食物顆粒。它們的微小身體就位于“黏液房”中央,通過尾部擺動將水流從迷宮般的管道送入口中。在黑暗的深海,任何錯誤的舉動可能都會導致死亡,而這個黏液球囊還可以為它們提供保護。

            Kakani Katija希望從這些小動物身上汲取靈感,有朝一日開發出一種仿生可充氣過濾系統??紤]到這些動物可以過濾出比病毒更小的顆粒,也許醫用級或HEPA過濾器可以采用這種設備加以改進。她說:“我們仍處于這個項目的探索階段,我希望其他研究人員能接著走下去?!?/p>

            7、鱗沙蠶的發光藍色黏液

            發光生物(如螢火蟲)的閃光通常持續不到1秒,最多10秒。但海洋中的磷沙蠶(Chaetopterus sp。)卻有些“天賦異稟”,它們能產生一種亮藍色的黏性物質,可以在任何地方發光16到72小時。由于黏液在體外一直發光,因此不會浪費生物體的能量,這對磷沙蠶的生存很有好處。這也引出了一個問題:這種黏液是如何在這么長時間內一直發光的?

            美國加州大學圣地亞哥分校的研究人員Evelien De Meulenaere、Christina Puzzanghera和Dimitri D。 Deheyn檢查了磷沙蠶黏液的復雜化學成分,發現其中含有一種能夠釋放離子或帶電原子的鐵蛋白(ferritin)。這種形式的鐵蛋白能與藍光發生反應,觸發產生更多的離子,這就形成了一個不斷發光的反饋回路。

            研究小組希望復制鱗沙蠶這種獨特的含鐵光蛋白(與生物熒光有關的蛋白),在手術中照亮癌細胞。Deheyn還表示,他們可以開發一種可以在停電的緊急狀況下使用的合成生物電池,就類似于在黑暗中發光的貼紙。

            “發光貼紙之所以能一直發光,是因為它們在白天積累陽光,晚上再釋放出來,”Deheyn說,“現在想象一下,你不需要陽光,只需要添加鐵元素,這些貼紙就可以作為便攜式生物燈,在緊急情況下使用,比如在可能需要照明的直升機或飛機停機坪上?!?/p>

            8、熊蜂可能知道自己有多大

            熊蜂又被稱為大黃蜂,相比常見的蜜蜂,它們身軀碩大,顯得十分笨手笨腳。不過,這種印象可能并不準確。今年夏季的一天,澳大利亞新南威爾士大學堪培拉校區的工程師斯里達爾·拉維觀察到,熊蜂在樹枝和灌木叢中可以自如地穿梭。他感到十分震驚,一個大腦如此之小的有機體居然能夠克服這些挑戰。

            為了對熊蜂進行測試,拉維的團隊在實驗室里設置了一條隧道和一個蜂箱。他們在隧道里放置了一個狹窄的缺口,作為障礙物,隨著時間的推移,這個缺口越來越小。他們發現,當缺口小于熊蜂的翼展時,它們會停下來打量一番,然后側身穿過缺口而不損傷翅膀。對熊蜂來說,它們需要從不同角度了解自身有多大,才能完成這種看似微不足道的行為,而這是許多昆蟲都不具備的能力。

            斯里達爾·拉維表示,如果大腦體積很小的熊蜂都能處理這種問題,那么機器人可能不需要太過復雜的處理器就能更好地進行導航。他說:“復雜的感知并不一定需要大而精細的大腦,也可以用更少的神經元在小尺度上實現?!蓖ㄟ^借鑒熊蜂大腦的工作模式,研究人員或許能開發出更加靈巧的機器人,甚至具有更高的飛行或游泳能力,而不是像現在看上去的那么笨拙?!皬谋粍犹綔y到主動感知,這種提升將帶來機器人領域的新紀元,”拉維說道。

            9、切葉蟻外骨骼的礦物質“盔甲”

            寧波大學植物病毒學領域研究員李鴻杰與美國威斯康辛大學麥迪遜分校的研究者合作,發現一種中美洲切葉蟻的外骨骼具有一層薄薄的礦物質“盔甲”。

            為了進一步研究切葉蟻的外骨骼,需要將這一類似盔甲的涂層除去,但如何除去呢?李鴻杰在接受《科學新聞》采訪時表示,他在刷牙時頓悟了。漱口水可以在不損傷臉頰、牙齦和舌頭的情況下清除牙齒上的物質。他的預感是對的,漱口水溶解了這一礦物涂層,但沒有損傷切葉蟻的外骨骼。通過更傳統的實驗室實驗,研究小組確定了該礦物涂層由鎂含量很高的方解石構成。在海膽中,這種由方解石和鎂組成的混合物使它們的牙齒能夠磨穿堅硬的石灰質。

            研究作者卡梅倫·柯里和普帕·吉爾伯特解釋道:“將鎂融入方解石對任何涉及方解石的納米技術領域,比如塑料、粘合劑、建筑砂漿和牙科材料等,都能帶來很多的好處?!贝送?,這種礦物涂層并不是切葉蟻生來就有的,而是它們在需要時可以迅速制造出來的東西,并且會隨著切葉蟻的成熟而增加硬度,幾乎覆蓋全身。

            “令人難以置信的是,這種切葉蟻能夠通過快速形成一層薄而輕的納米晶體涂層來大幅改善外骨骼的強度,”卡梅倫·柯里說,“這凸顯了這種納米材料涂層在改善防彈衣方面的應用潛力?!?/p>

            10、聽覺不佳的飛蛾卻有“隔音斗篷”

            對一只飛蛾來說,想要躲開靠聲音搜尋獵物的捕食者并不容易。不過,有些飛蛾卻演化出了令人稱奇的特征,來保護自己免受蝙蝠的攻擊。

            2020年早些時候,研究人員發現,兩種聽不見聲音的飛蛾除了具有能夠柔化聲音的絨毛,其翅膀上還具有非常薄的叉狀鱗片層,可以吸收蝙蝠的超聲。每只飛蛾的翅膀上都覆蓋著成千上萬個這樣的小鱗片,其長度不足1毫米,厚度只有數百微米。每一個鱗片都會扭曲翅膀發出的聲音,降低聲能,從而減少反射回蝙蝠的聲音。這些鱗片似乎會以不同的頻率產生共鳴,并且作為整體,它們“至少可以吸收3個八度的聲音”。

            研究報告的作者、布里斯托大學的馬克·霍爾德里德說:“這些鱗片在納米尺度上高度結構化,頂部和底部有多孔的波紋層,由微小的柱狀網絡相互連接?!睋烙?,在這種結構的啟發下,未來我們或許能開發出“吸聲效率提高10倍”的隔音材料。他設想的是一種涂有納米尺度結構的吸音墻紙,可以貼在住宅和辦公室里的墻壁上,取代現在常用的巨大面板。

            霍爾德里德還認為,這一發現在許多行業也會有廣泛的應用?!拔覀兇_實對這種材料的廣泛應用前景感到非常興奮,”他說,“從建筑到機械,再到交通聲學設計等眾多領域,都可以借鑒這些飛蛾的解決方案,開發出更薄的吸聲材料?!保ㄈ翁欤?/p>

          責任編輯:王超

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