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当自然赋予科技灵感

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本书作者:玛特·富尼耶 (作者), 潘文柱 (译者)

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发电鱼
Electrophorus electricus(电鳗),裸背电鳗科 Torpedo(电鳐属),电鳐科●电鳗:体型庞大的淡水鱼(平均长度为 2m),体长,呈圆柱形。●背部呈灰褐色,腹部为黄色或橙色。●电鳗有鳃,不过也需要到水面上吸取氧气;因此,电鳗有时候会在陆地上移动。●电鳗拥有 3 个产生电流的器官。
生物发电


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生物电是由生物产生的电流。

电鳗就像从科幻小说中直接跳出来的一个噩梦:这种鱼让同样生活在亚马孙河流中的食人鱼显得微不足道,因为除了巨大的体型之外,它还拥有一个致命的武器——它能发出高达 500V 的电压。这足以吓跑任何对手,更何况这种动物甚至不需要与受害者直接接触,因为水能将电流导向受害者……

同样可怕的是,它在死后的几个小时内还会产生电流,这使得任何想要尝一尝电鳗肉的动物都会望而却步。电鳗没有鳗鱼的任何特点,而且与鳗鱼并不属同一种类——事实上,它是鲶鱼的近亲。它的 3 个发电器官均位于腹部,占据了身体长度的 4/5,能够按需放电。

当自然赋予科技灵感因此,电鳗对于研究者来说就是一座金矿。虽说它并不是唯一掌握生物电流的动物,但它显然是这方面的顶尖高手。以至于,一家日本的水族馆在 2007 年设立了一个装置,让一条电鳗为圣诞节彩灯提供电流……更严肃的话题其实是,许多实验室并不致力于研究如何使用由动物产生的生物电流,而是计划研发一个能以电鳗的方式产生电流的发电器。它是如何运作的呢?电鳗的发电器官是由发电细胞组成,这些处于身体两侧的盘状细胞里储存着正离子和负离子。在通常情况下,这些细胞是相互分离的——不会产生电流。不过,当动物的大脑给出信号时,就会传递像神经递质那样流动的蛋白质,电路就被打开了,离子就在发电细胞间移动,正是这种移动产生了电流。

某些研究者通过在人造细胞中创造电子的流动,已经可以生产出类似的电流。这种装置还处于实验阶段,不过已经是可行的方法了。生物发电器不再是科幻小说中才有的了。

想象仿生学 想象中的鱼?

电鳗并不是唯一能产生电流的鱼。在古代,希腊人已经知道了电鳐,它的拉丁名为Torpedo(鱼雷的名字也是它)。这种鳐鱼能产生电流来将猎物或敌人电僵,它们中体型最大的能释放高达 200V 的电压。古希腊人因为不懂得电流,所以认为这种鳐鱼具有魔力;在中世纪,人们甚至认为那是一种恶魔生物:一种能不接触身体就将渔夫电晕过去的鱼应该是具有恶魔的力量……即使今天人们已经不相信它们的“魔力”了,电鳐依然是一个重点研究对象,尤其是在神经系统科学方面:电鳐储存电流的方式与大脑突触间的传导方式相近。它甚至启发人们研发出了一种海底机器人(“RayBot”),这种机器人已经被美国军方投入使用。

避免产生波浪

电鳗的一种非洲近亲,裸臀鱼(Gymnarchus niloticus),或许能启发人们发明节能的水下运载工具。同“真正的”电鳗一样,裸臀鱼以波浪式游泳前进;而且它为此拥有一种完美的体形——也就是说产生的紊流最少,需要的能量也最少。这种节能特征或许得益于裸臀鱼的两侧对称而垂直不对称的结构,后面这种特点能帮助它在移动过程中保持重心的平衡。

下一页图片 Torpedosp.(一种电鳐)

箱子鱼 Ostracion(箱鲀属),箱鲀科

  • 体型中等(长 45cm),躯干外形为立方体,骨骼坚固。●幼年的箱子鱼为光亮的黄色;成年后颜色渐淡,有些甚至是灰蓝色。●箱子鱼生活在太平洋和印度洋的珊瑚礁中。

节能汽车

节能、坚固、操控性好、容量大:梅赛德斯-奔驰的仿生概念车从箱子鱼身上学到了所有优点。

箱子鱼,空气动力学的榜样?这是最让人意外的了,因为我们通常认为这是一种笨手笨脚的海鱼,尤其是将它与金枪鱼和鲨鱼这些“高速车”相比时。更客观地说,箱子鱼的突出之处就在于它缓慢的动作和有限的速度。不过,梅赛德斯-奔驰的汽车工程师们选择的正是箱子鱼,他们要研发一款新型的汽车模型,要求操控性好、快速且节能。在从自然界中寻找一种能颠覆传统的模型的过程中,他们意外地发现箱子鱼的立方体外形蕴含了流体力学的宝贵经验。

尽管这显得怪异,但专家们发现,在珊瑚礁里,箱子鱼也要应对现代汽车面临的挑战,也就是需要:节能(它的移动方式非常节能);坚固(为了抵抗可能的冲击,箱子鱼拥有坚硬的外骨架,以鳞片状环绕在身体上);易操作(因为箱子鱼是在十分受限的空间中移动)。它的龙骨状的脊与“壳”所成的角度造就了它的稳定性,使它能够进行与它笨拙外形不相符的精确移动。

此处,箱子鱼的立方体外形很好地符合了汽车工业的需求:汽车要像它那样细长,以便有足够的空间来装载它的客人……以箱子鱼为设计模型的仿生汽车,借鉴了这种小热带鱼的特征:一是它的外壳,箱子鱼能够通过调整鳞片来平衡轻盈性和坚固性;二是它的比例,它的扁平“鼻子”和它的立方体外形能提供最佳的风阻系数。这成功了:与同等汽车相比,除了 100km 只消耗 4.3L 油(节约了 20%)的节油能力之外,它还拥有同等的空间和同样的安全性。其他大牌汽车制造商只好在一旁默不作声了。

想象仿生学 涡旋与未来的车辆

涡旋可不仅仅属于科幻小说:这是一种真实的科学现象。涡旋是由一次移动所产生的能量,而人类的运载工具几乎都丢弃了这种能量。相反,某些鱼类能回收它们产生的能量,以此更省力地移动——这就是箱子鱼的情况:它的外形和它游泳的频率让它能在它游动所产生的涡旋中“无忧”前行。工程师和研究者们通过模仿箱子鱼的外形,也成功地复制了这样的能力,由此才有了仿生汽车的节能性。不过,尽管这项研究吸引了越来越多的研究者,但人类运载工具使用自身产生的涡旋的能力依然十分有限。如果说,未来的运输方式也像在这个领域中的动物那么高效,那燃油和污染问题就会成为过去时了。

动物策略
划桨式游动

箱子鱼生活在珊瑚礁中,主要食物为藻类,同时还有海绵、软体动物和甲壳类动物。它以幅度有限的动作在短距离内移动。不同于大部分鱼类,箱子鱼并非波浪式游动(也就是以整个身体游动),而是划桨式游动,箱子鱼及其近亲都是如此。为了前进,它用胸鳍作桨,尾鳍作舵,而身体保持僵硬。这种推进方式更节能,即便它达不到波浪式游动的速度顶峰。

下一页图片 Ostracionsp.(一种箱子鱼)

鳟鱼
Salmo trutta,鲑科

  • 中型鱼类,身体呈梭形,长度一般为 26~60cm。●背部为灰褐色,腹部颜色浅,侧面有彩色斑点。●脑袋尖,口中有细牙。●大部分的鳟鱼是淡水鱼;不过某些种类会到海里繁殖。
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