仿生年:贻贝、大象、水熊等……

又是一年中的那个时候了；是时候举办第二届年度Tommies了，这是我2010年对最近最令人印象深刻的生物灵感设计或发现的赞誉。一如既往，我会安排灵感的生物，创新的灵感，并邀请任何发现者有一个爱尔兰爱尔咖啡在旧金山布埃纳维斯塔。

1.这只缓步动物，或者说是水熊，是这项研究的灵感来源Biomatrica's不需冷藏的保存方法。这种微小的、常见的无脊椎动物可以在你家草坪的土壤或北冰洋的海水中找到，它是我们世界中最迷人的动物之一。它依赖于周围的水膜进行气体交换和避免干燥。它能承受从-80摄氏度到+80摄氏度的极端温度，承受6000倍于最深海沟或太空真空的压力，承受500倍于能杀死我们的辐射。

如果缓步动物干枯了，它可以陷入一种低温生物状态，或休眠，长达120年，并在加入水后完全活了下来。

Biomatrica总裁和创始人Rolf Muller研究了脱水过程，即无水生命，并将其应用于实验室样品的保存。该公司声称，组织、细胞和活组织切片可以在不受损的情况下储存，并且不会产生长期风险和冷藏成本。每个样品都包裹在一层热稳定的合成薄膜中，模拟缓步动物的化学特性。当需要时，样品可以在不丧失活力（组织、细胞或DNA损伤）的情况下再水化。

这一创新的意义远远超出了实验室样本储存的范围，并可能对全球公共卫生工作产生巨大帮助，因为在全球公共卫生工作中，疫苗、样本和用品往往因缺乏冷藏而无法送达患者。

2.多年来，贻贝一直是等待仿生设计社区的海报儿童，而这种双壳类动物似乎将在不久的将来脱壳而出。贝索斯贻贝以其在动荡的潮间带中粘附岩石的能力而闻名，许多科学家团队一直在研究构成这些锚线的蛋白质。为什么？这是因为贻贝能够在水下，在环境温度下产生这种强力粘合剂，并且没有有毒副产品。此外，该生物可以微调该粘合剂，以获得一系列性能和相对持久性。

现在，科学家们芝加哥大学已经申请了一种合成版贻贝胶的专利，这是一种自愈合胶。潜力仍然令人兴奋;生物医学移植和修复以及水下机械工程仍然是这种材料将产生重大影响的主要领域。这项创新说明了多年研究中的跨领域合作是多么重要。

他们取得突破的关键是使用金属离子进行分子键合，而不是大多数合成聚合物中典型的永久共价键合。过去，其他合成聚合物在强度和延展性方面表现不佳：紧密结合的材料在强化时变得太脆。正如任何结构工程师都知道的那样，桥梁的某一部分过于坚固会削弱整个结构，就像削弱薄弱部分一样。改变材料的pH值也能改变其性质。

这里的生物创新概念是什么？强度来自形状，在这种情况下是在分子尺度上，解决矛盾，在这种情况下是通过改变问题的主要参数。

3.海胆也是一种来自潮间带的神奇生物，它靠啃岩石为生，在岩石表面吃草，挖出浅浅的坑来固定自己。帕·吉尔伯特，来自威斯康星大学麦迪逊分校发现,令人惊讶的是,牙齿断裂使他们的牙列变得如此有效.

它的牙齿材料是由方解石晶体组成的生物矿物镶嵌体，有两种形式-板和纤维-横向排列，并与超硬方解石纳米胶结在一起。在晶体之间是有机材料层。由于有机层比晶体更软，它们首先破裂，并在保证最佳清晰度的平面上破裂。这有点像把你的剃刀上的划痕折断，因为它们变钝了，但在一个更小和更完整的规模上。基于这种材料逻辑的自锐工具将确实是一个福音。这里的生物设计概念是使用复合材料来解决性能矛盾，控制部件的失效以获得系统的最佳成功(是否想到了秋叶?)，以及由几个基本部件组成的功能梯度材料。

4.大象是地球上最大的陆生动物，在各种各样的地形上艰难跋涉。与它笨重的身躯几乎滑稽地相对应的是它的超灵巧和精致的躯干。费斯托这家自动化公司将大象加入了他们的动物灵感清单，这次是为了机器人手臂。躯干、尾巴和圆柱形身体的运动自由度几乎是无限的，数百万年来，它们都被成功地用于伸手、抓握和抓握。随着机器人研究设施的性能和专业知识的增长，该产品可能代表了更多“软机器人”的市场趋势。

5.智人，或者更准确地说，他的头骨解剖结构，是一种创新头盔设计的灵感来源激光冲，比利时头盔制造商。下次你接受头皮按摩时，你可能会欣赏这个创新的关键概念。当然，你的头皮会穿过你的颅骨，这种能力是你大脑损伤控制系统的一部分。在一次短暂的跌落中，这种灵活的皮肤吸收了施加在头部的剪切力，减少了对珍贵内容物的冲击。头部创伤是摩托车事故死亡的主要原因，其中大多数是由于头部在撞击时迅速转动，然后大脑松散地漂浮在里面，撕裂血管和神经纤维。

新设计，命名为SuperSkin，采用了一种人造皮肤，漂浮在硬衬外面的凝胶垫上。这种皮肤可以伸展8倍，该公司声称这种技术可以减少50%的旋转冲击，减少67%的可能的大脑损伤。

6.东方大黄蜂可能掌握着未来更高效太阳能电池的关键。研究人员特拉维夫大学有研究了昆虫的条纹状表皮以及它引导阳光并将其转化为电能的能力。外层的棕色角质层吸收阳光，并将其输送到下面的黄色角质层，后者布满了许多杆状结构。在这里，光子四处反弹，并通过黄色色素黄蝶呤转换成电能。实验人员用这种颜料代替了通常在染料敏化光伏电池中发现的硅，并证明了这种材料的工作原理与理论相符。

7.众所周知，细菌对根除具有抗药性，细菌生物膜或黏液在需要清洁的环境中是一个持续存在的问题。乔安娜·艾森伯格实验室的研究人员怀斯生物灵感工程研究所哈佛大学找到了一个原因。它们很难弄湿。液体在黏液表面串珠，很像另一种熟悉的生物灵感生物莲花。

然而，与莲花效应不同的是，这一发现是在物质层面上的，在仅由简单的基本和天然成分——蛋白质和多糖——制成的天然基质的制造方面具有广泛的前景。黏液是一种弹性网格，组装成一个多尺度层次结构，它的合成孪生体将在医疗保健、制造业和科学领域有无数用途。

8.蚂蚁是一种勤劳的生物，启发了澳大利亚年轻的设计师布莱恩·李(Bryan Lee)，提出了一种独特而创新的救灾车辆，命名为援助必需品运输车(A.N.T.). 这种多功能概念车能够通过独特的独立六轮系统穿越崎岖的地形，并变形为陆上快车或集装箱运输卡车，随货物一起提供临时庇护所。这一救援系统依赖于运载工具快速返回基地，以便运送必要的大量补给，就像蚂蚁从巢穴来回移动一样。

9纳米比亚沙漠甲虫能够从夜间空气中获取雾气，以便在地球上最干燥的气候之一生存。它面对着盛行的海风，让它凉爽的身体凝结成小水滴，顺着水道流到它等待的嘴上。液滴的形成是由一系列巧妙的亲水凸起保证的，这些凸起被其外壳的疏水部分包围。设计师Pak Kitae设计了一个名为露水银行瓶它使用同样的原理。瓶子由快速冷却的不锈钢制成，而不是散热的角质层，它的形状是一个圆顶，圆顶底部有沟槽，可以将水收集到沟槽中。

10.通过使用一种被称为侧线的复杂传感器系统，鱼在水下游动时不会相互碰撞。这是一种被称为神经母细胞的毛细胞传感器基质，它们排列在鱼的全身，要么在表面，要么在表皮下的管中。侧线也使鱼能够定位猎物，躲避捕食者，在鱼群中导航，并利用水本身作为感知的一部分与其他鱼交流。

来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(University of Illinois at urbana - champae)的道格拉斯·琼斯(Douglas Jones)，以及西北大学(Northwestern University)的杨颖晨(Yingchen Yang)等人都参与了这项研究形成了一条人工侧线由缠绕在圆柱体上的仿生神经母细胞(BNs)组成的三维系统。工程师们将他们的MEMS阵列连接到一个波束形成算法程序，以便在三维水环境中成像真实的事件。他们的原型可以准确地定位水中的扰动源，并在各种条件下成像小龙虾的自然尾巴抖动。这是为水下交通工具和机器人制造更复杂的导航、通信和控制系统的决定性贡献。

祝贺所有的获奖者:祝你们的物种繁荣昌盛!这些创新，虽然范围很广，但在目前专注于仿生材料、结构和工艺的研究和发展中只占很小的一部分。可以预见，随着发现带来更多发现，我们的世界越来越多地向大自然寻求解决方案，这种趋势将继续下去。

_{大象绘画-CC许可证acaben（Flickr），}贻贝- CC许可证由JoelDeluxe（Flickr），海胆-抄送许可证府绸(Flickr)