植物仿生学的例子

【专家解说】：1 源于“叶”的灵感   1.1 叶形的启示  相传春秋战国时代(公元前450-500年)的鲁国工匠鲁班，在上山伐木途中，手指被茅草划破，他仔细观察发现，原来茅草叶子两边长着锋利的锯齿，于是受到启发。经反复实践，制成人类史上第一架带有锯齿的木工锯。   1.2 叶脉的启示  浮水植物王莲有“水中花王”之称。一个体重35kg的人坐在上面也不会下沉。原来王莲圆形叶片的直径可达1~2.5m，背面有许多相互交错的叶脉骨架结构，里面还有气室使得叶子稳定地浮在水面。受叶脉支撑作用的启发，英国著名建筑师约瑟，以钢铁和玻璃为建材，设计了一座顶棚跨度很大的展览大厅──“水晶宫”，它既轻巧、雄伟又经济耐用，不仅成就了1851年的第一届世博会，也为近现代功能主义建筑构建了雏形。   1.3 叶序的启示  德国波恩大学的科研人员发现，莲叶上有许多非常微小的绒毛和蜡质凸起物。这种粗糙的叶片是干净的，而表面光滑的叶片反而需要清洗。模仿莲叶的自净原理，人们开发出具有防污功能的自净涂层产品，其表面会形成类似茶叶的凹凸形貌，构筑一层疏水层。这样一来，灰尘颗粒只好在涂层表面“悬空而立”，并最终在风雨冲刷下“一扫而净”。此外，叶面形状也启迪了人们的思维。椰子树很高，叶片巨大，但每遇飓风和暴雨也很少被折断。研究发现，椰子叶面呈“之”字形，可以承受更大的压力。据此，建筑师设计出了结构薄、面积大的楼房顶棚、薄状石棉板等。   2 源于“茎”的灵感   2.1 节与节间的启示  禾本科植物竹子，其竹节处有横隔相连，与竹身构成一个整体，这对中空细长的竹竿的刚度和稳定性，可以协调变形，共同参与抗弯作用，这对于中空细长的竹竿的刚度和稳定性很有意义。受到植物茎节生长的启发，人们发明了“春笋建筑法”，把每一层墙板从高度上分成三四段预制好，然后用液压顶以1m的行程，反复顶升，可以很快“长”成设计的建筑。又如，自行车车架“空心管”的设计灵感正来自于麦秆，借鉴其“空心”结构，却支持比它重几倍的麦穗力学原理，制成的自行车既有足够的强度，又减轻了车身的重量。   2.2 茎形态的启示  云杉生长于高寒湿润之巅，它之所以可以适应山上长年累月的狂风袭击，达到数百余年的树龄，是因为其树干底部直径显著增大，形成一个圆锥形，这样既减轻了自重，又加强了稳定性。人们模仿云杉对大风的适应性特点，把建造在山顶上的电视塔设计成类似圆锥体，就能抵抗住大风袭击。同样，所有的塔或高烟囱，甚至超高层建筑几乎无一例外地采用底大顶小的形状。   2.3 年轮的启示  木本植物的年轮状结构，是生理系统在温和的条件下无粘结的缓慢而渐进形成。科学家们正在研究开发仿年轮结构的壳聚糖棒材。这种材质具有同心筒状层叠结构，具有较高的力学强度，有望作为骨折处的固定材料。   3 源于“花”的灵感   3.1 花序的启示  向日葵又名朝阳花，它的最大特点就是向阳而生，以便吸收到尽可能多的阳光。德国建筑学家从向日葵上获得灵感，建成了一幢能随太阳转动的向日葵旋转房屋。它装有如同雷达一样的红外线跟踪器，只要天一亮，房屋上的马达就开始启动，使房屋迎着太阳缓慢转动，始终与太阳保持最佳角度，使阳光最大限度地照进屋内。夜间，房屋又在不知不觉中慢慢复位。这种建筑能够充分利用太阳能，保证房屋的日常供热和用电。因为在房顶上安置了太阳能电池和聚光镜，所以建筑物能将光能储存起来，供阴雨天和夜晚使用。   3.2 花形的启示  凌霄花，形状似钟，又似喇叭，开口广大，尾部狭长，这个结构可以更充分地吸收大自然的能量。科学家模拟凌霄花的形状制成了微波收集器，阔口窄尾的微波收集器，灵敏度异常高，可以尽可能搜索到目标微波，并把微波承载的能量、信息收集起来，根据实际需要，或存储下来当作绿色能源，或将其转换成数字信号，收看视频节目提供科学研究的样本等。   3.3 花色的启示  17世纪英国著名的化学家罗伯特·波义耳发明的“波义耳”试纸开启了化学中指示剂历史的先河。一次偶然的机会，波义耳将盐酸溅到紫罗兰花上，花色就由紫色变成了红色。他便饶有兴趣地取来各种酸做试验，结果发现，各种酸类都能使紫罗兰变成红色。于是，在紫罗兰开花的季节里收集了大量的紫罗兰花瓣，将花瓣泡出浸液来。需要使用的时候，就往被试的溶液里滴进一滴紫罗兰浸液。就这样他发明的“指示剂”诞生了。后来为了更方便使用，他用石蕊浸液把纸浸透，再把纸烘干。要用时只需将一小块纸片放进被检验的溶液里，根据纸的颜色变化就能知道这种溶液是呈酸性还是碱性，从而成为pH试纸的雏形。   4 源于“果实”的灵感   尼龙搭扣的诞生是从果实中受到启发的经典案例。它的发明者是瑞士工程师乔治·德·梅斯特拉尔。20世纪40年代末，他经常带着自己的爱犬到森林中漫步，每次返回时他都发现裤子和狗身上粘满了苍耳、牛蒡等刺果。受到好奇心的驱使，乔治用显微镜观察刺果，发现无数的小钩子在有毛圈结构的裤料上，不能轻易脱落。经过8年的实验，终于发明了既容易系上又容易解开的尼龙搭扣。再如，古代有一种可以阻止骑兵前进的武器叫铁蒺藜，这种武器的原形就来源于植物中蒺藜科的一种杂草的果实，它的刺非常的坚硬，以至于如果马蹄踏上都会被刺到，所以有人就把铁作成蒺藜果的形状用以御敌。   5 源于“根”的灵感   “钢筋混泥土”的发明源于植物根系的特点。法国园艺师约瑟夫·莫尼哀为了解决养花的大陶盆不结实的问题，他曾先后试用木材和水泥来做花盆，但效果都不理想。他依然经常为园艺场中水泥制成的蓄水池和花坛被撞坏而烦恼。一日，他不慎将花盆再次撞坏，郁闷至极的前去收拾残花时，他下意识地注意到，土壤虽然松散，却能在植物交叉延伸的根须四周黏结聚集到一起。受此启发，他试着用旧铁丝仿造植物的根系织成交叉结构，再用水泥、石子浇铸在一起，砌成花坛、水池牢固度大大加强，这也为钢筋混凝土结构的制作提供了思路。