文/张庭好
大自然是最好的设计师，而生物体是最华美的乐章。在亿万年的演化历程中，地球上多样化的生物体发展出令人赞叹的形态结构和精巧功能。纵观历史，万千物种的独特结构，为人类的制造活动带来了诸多的遐想和仿造空间。 昆虫的鞘翅上有凹凸不平的形貌，启示人们开发出高强度、轻质化的复合材料；蜂巢有着极佳的隔音和隔热效果，人们据此设计出高性能的仿生材料；树蛙有着极佳的吸盘，人们据此开发了可以黏结和脱黏的高性能黏合剂。这样的例子不胜枚举，从微观世界的特殊结构，到宏观体系的精妙设计，大自然无处不在地启发着人类的想象力。
高效转化的仿生树叶 能源是人类社会运转的重要基础。近年来人类在太阳能的开发和利用上取得了长足的进展，但植物叶片的光合作用效率仍然远胜于现有光伏、光热产品的能量转化效率，其原因令无数科学家为之着迷。 美国哈佛大学的丹尼尔·诺切拉就是其中之一，他的研究团队致力于研究模拟光合作用，将太阳能转化为可储存的能量。团队分步实施研究，首先着手解决怎样利用太阳能转化成的电能来分解水。对于植物叶片而言，这是个催化的过程，于是团队就试图研发高效的催化剂。最终，团队研究发现：利用钴磷合金催化剂，即便是在光照不好的环境下，也能将水分解成氢气和氧气。团队将这套设计称为“仿生叶片1.0”。 团队接着开展第二步研究，就是利用电解水获得的氢气，与二氧化碳合成有机物。所以，接下来要模拟植物叶片建造一个完整的人工光合系统，团队试图将氢气与收集的二氧化碳置于一起，转化为有机液体燃料，并将其称为“仿生叶片2.0”。 只要研制出“仿生叶片2.0”，今后化工企业或者钢铁企业就可以将原先排放出去的二氧化碳重新收集转化，从而同时实现新能源开发、碳回收利用的双重目标。
仿生的智能机器人 机器人的概念，其实本身就源于仿生的理念。如今，在众多前沿技术开发中，很多零部件的设计仍受益于仿生学。但迄今为止，与生物体相比，人工器件的很多信息处理和控制能力仍难以匹敌，比如哪怕是最为精巧的加速度计、陀螺仪仍然无法比拟昆虫的导航能力。 2008年，哈佛大学的罗伯特·伍德团队着手开发微型机器人——机器蜂（RoboBee），其设想便是模拟昆虫的某些功能。他们一方面模仿蜜蜂的工作原理，另一方面设计比蜜蜂的质量还轻的机器蜂，而且让它扇动翅膀的频率达到每秒上百次。经过五年的开发，第一代机器蜂于2012年问世。该机器蜂不仅可以飞行，还可以在空中追踪特定路径。 当机器蜂掌握了飞行能力后，团队继续尝试借鉴昆虫的能力，让机器蜂具备更为精细的信息处理与控制能力。通过研究自然界中的昆虫可以附着于树木、墙壁或玻璃上，甚至能够从水面起飞的能力，在2016年问世的第二代产品中，团队在机器蜂上增加了电极，从而使机器蜂具备了像昆虫一样自由停留在玻璃表面的能力。而在2017年问世的第三代微型机器蜂，更是实现了从水中飞至空中的能力。 在机器蜂飞行能力和各种场景适应力获得提升之后，团队再将其与自然界的昆虫相比，来寻找改进之处。团队进一步研究认为，原先机器蜂拖着一根充电线，影响了它的精巧度。所以，团队在新一代机器蜂的设计中采用太阳能来做替代电源。在光照的支撑下，机器蜂就可以持续不断地飞行，由此造就了超灵敏和具备超强环境适应能力的机器蜂。
源于自然，高于自然 其实，机器蜂只是仿生机器人的示例之一。从蚂蚁到蜜蜂，从蜘蛛到飞蛾，从壁虎到飞鸟，从虾到鱼，从蛇到猫，从马到豹，自然界多样的虫鱼鸟兽，以其独特的材料、结构和控制能力，为人类在开发各类智能机器人上提供了无限启示。这些启示包括：从翅膀扇动中总结出飞行控制的原理，从鱼类身上学会如何减少水下运动的阻力，从动物的爬行中掌握运动的技巧。正是因为通过仿生掌握了这样的能力，智能机器人才可以上至空中执行任务，下到水下施工，既能在纳米尺度的空间内实施手术，又能在漫漫的太空探索中完成前所未有的任务。 纵观整个仿生学的发展史，我们可以发现大自然无时无刻地不在给予人类启发，促使人类从全新的视角来发现原理、设计物品、创新技术。这种启发可能源于某个生物器官、某种生物分子，也可能源于生物的某种能力、某种生命活动的策略。在这些启迪的基础上，仿生工程的开发已经不再局限于简单的模仿，人们从灵感中总结出新知识，从启示中发展出新理论，从探索中发展出新模型，从应用中建构起新体系，正所谓“青出于蓝而胜于蓝”，如何创造出更精妙物件已然成为科学家和工程师探索的终极梦想。总而言之，仿生的智慧源于自然，也会高于自然，但终将服务于人与自然生命共同体。
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