自然推进技术启发技术

作者:乔纳森·斯特里克兰

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©IstockPhoto / Alistaircotton

工程师的工作是解决问题。他们的工作就是找到实现某些结果的方法。这个问题可能包括找到一种方法来建造一座能够承受飓风的摩天大楼。或者是找到一种方法,将特定剂量的药物输送到人体的单个细胞中。

工程师们经常观察大自然,看看他们目前面临的问题是否已经有了解决方案。他们不仅必须认识到解决方案,而且还必须能够研究、复制和改进该解决方案,以便我们能够利用它。这种方法有一个特别的词:仿生学.最终,工程师的创造物模仿了一个生物实体的结构或功能。

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结果可能令人敬畏,或者人们通常认为理所当然。但是,如果工程师们没有密切关注自然界事物的工作方式,即使是最基本的发明也不可能实现。我们将看一看大自然激发我们所依赖的技术的五种方式,没有特别的顺序。

5:发展人工智能

大脑太复杂,即使是最快的超级计算机也无法实时模拟它。“width=
大脑太复杂,即使是最快的超级计算机也无法实时模拟它。
©Istockphoto./亨利克5000

人工智能是一个已经流传了几十年的术语。在过去,计算机只是一种强大的机器,可以处理大量的数字——它们不能独立思考。计算机只能遵循明确的指令。

如今,工程师和计算机科学家正试图从计算到思考来实现飞跃。他们遇到了一些进展。2008年,科学家们使用了蓝色的L超级计算机来模拟鼠标的大脑。这可能听起来很简单,但大脑 - 甚至一个属于虚拟鼠标 - 非常复杂。事实上,这么复杂,强大的计算机只能在10秒的爆发中运行模拟[来源:英国广播公司的新闻]。

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2009年,康奈尔大学的研究人员开发了一个计算机程序,能够通过分析钟摆的运动推导出运动的基本规律。该计划进行了一系列测量,并使用遗传算法来推断物理学的基本定律。

将来,我们可能会看到能够解决复杂工程问题的机器。我们甚至可能达到计算机设计更强大机器的地步。这对深入思考有什么好处?

4:侵袭癌细胞

纳米技术科学家研究病毒,以期开发癌症等疾病的新疗法。“width=
纳米技术科学家研究病毒,以期开发癌症等疾病的新疗法。
©Istockphoto./亨利克5000

有工程师,计算机科学家和医生正在致力于治疗癌症和逐细胞的其他疾病的方法。他们正在努力的一个解决方案涉及在纳米级上设计送货技术。它们正在构建医疗纳米颗粒 - 直径小于100纳米的物体。纳米是米的十亿分之一。事实上,纳米尺度非常小,即使借助于光显微镜,也不可能观看纳米颗粒。

这个想法很优雅:创造一种药物输送粒子,它可以寻找癌细胞,渗透癌细胞,并将药物精确地输送到需要的地方。医生们希望通过仅仅针对癌细胞来消除这种疾病,同时尽量减少任何副作用。健康细胞不会受到影响。

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这比听起来要复杂。但这些团队有一个可以用来研究纳米颗粒的自然模型:病毒。病毒的长度只有几纳米,并且能够在复制前以某种方式找到特定种类的细胞。医生们希望制造出能模仿这种能力的纳米颗粒。

3:坚持墙壁

这个壁虎可能会教我们如何走在墙上。“width=
壁虎也许能教我们如何在墙上行走。
©Istockphoto./瑞士地区

自古以来,人类就一直在寻找一种理想的方式,将某种东西粘在另一种东西上。在古代,这可能需要在猛犸象的兽皮上钉一根大钉子,以减少洞穴的通风。如今,工程师们从有毛刺的植物或壁虎之类的生物中寻找灵感。

回到1941年,瑞士工程师Georges De Mestral正在挑选出夹在他的衣服和狗的皮毛上的毛刺。他在显微镜下放置了一个毛刺,注意到它具有微小的倒钩,允许它附加到通过的生物。工程师提出了一个辉煌的计划 - 创造一种使用这些微小倒钩作为紧固装置的材料。这种材料是我们现在呼叫的魔术费[来源:stephens]。

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还有壁虎胶带,一种使用纳米级毛发附着在透明表面的材料。这些毛发模仿你在壁虎脚上发现的毛发。有一天,科学家们可能会用这种材料制作出一套完整的西装。这套衣服可以让穿着者攀爬墙壁,甚至可以穿过天花板。不久,我们可能会打电话给我们友好的邻居蜘蛛侠。

2:自主导航

蚂蚁能帮助我们设计机器人的导航系统吗?“width=
蚂蚁能帮助我们设计机器人的导航系统吗?
©IstockPhoto / Arlindo71

在未来,会有机器人。是满足我们的所有需求还是成群结队地追杀我们。这还有待观察。无论如何,机器人实现其真正潜力的一个特征是自主导航。

大多数机器人需要预先编程的路线,或者每当遇到障碍时都会对环境做出反应。很少有人可以从一个点到另一个点找到他们的方式。一些工程师正在努力通过研究蚂蚁来克服这个问题。

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凸鹅卵石是在撒哈拉沙漠中发现的蚂蚁。与其他蚂蚁不同,凸鹅卵面不依赖于信息素轨迹来浏览其环境。科学家认为,蚂蚁使用视觉试验,路径集成和系统搜索的组合[来源:Möller等人。]。工程师希望通过获得更深入地了解植物平仓导航的生物,他们可以构建具有相似能力的机器人。

1:乘飞机

座头鲸不会飞,但它的鳍可以帮助我们飞上天空。“width=
座头鲸不会飞,但它的鳍可以帮助我们飞上天空。
©IstockPhoto / Adwalsh

2000年,沃尔特迪斯尼图片发布了“幻想”的新编辑。更新的电影包含了几种新序列,其中一个是由Ottorino Respighi乘坐飞行飞行的驼背鲸的豆荚。虽然我们不太可能看到驼背鲸来到天空,但幻想序列假设了实际的科学发现。

2004年5月,一群科学家和工程师在《流体物理学杂志》上发表了一篇科学论文。研究小组在座头鲸身上制作了胸鳍的模型。其中包括一个模型结节- 您在实际鲸鱼的鳍状肢找到的颠簸。在另一个模型上,它们使用光滑的表面。

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他们在美国海军学院的风洞中测试了两种模型。他们的测试表明,带有结节的鳍状肢在升力中看到了8%的改善。此外,鳍状体不太可能在陡峭的风角体现摊位,并产生高达32%的阻力。

我们能很快看到机翼凹凸不平的飞机吗?这完全有可能。研究小组的发现表明,大自然创造了一种在流体环境中移动的有效装置。不利用这些发现可能是愚蠢的。

在人类历史上,大自然如何引导技术发展的例子还有数百个。所以下次你需要解决一个复杂的技术问题时,你可能只想先看看你自己的后院。

在下一页了解更多关于技术和自然的信息。

更多信息

相关作品

  • BBC新闻。“电脑模拟的老鼠大脑。”2007年4月27日。(2009年4月10日)http://news.bbc.co.uk/2/hi/technology/6600965.stm
  • 巴特勒,瑞德。“仿生学,模仿自然的技术。”Mongabay.com。2005年7月11日。(2009年4月8日)http://news.mongabay.com/2005/0711-rhett_butler.html
  • Garcia,M.A.Porta等人,“使用蚁群优化和模糊代价函数评估的自主移动机器人导航最优路径规划”,《使用软计算技术的智能系统分析和设计》。柏林斯普林格/海德堡。2007年第41卷。
  • 山丘,黛博拉。“模仿驼背鲸脚蹼可能会改善飞机翼设计。”生物医学。2004年5月11日。(2009年4月9日)http://news.bio -medicine.org/biology-news-2/mimicking-humpback-hwhale-鳍式 - 可改进 - 飞机 - 翼设计-1527-3/
  • ju,安妮。“自然启发技术会产生工程抗体以对抗特定疾病。”体验。2009年3月25日。(2009年4月8日)http://www.physorg.com/news157222416.html
  • Keim,Brandon。“计算机程序自我发现物理法则。”有线。2009年4月2日。(2009年4月10日)http://blog.wired.com/wiredscience/2009/04/newtonai.html
  • 骑士,将。“壁虎磁带将粘贴到天花板上。”新闻中心。2003年6月。(2009年4月10日)http://www.newscientist.com/article/dn3785
  • Möller,Ralf等。“用自治代理建模蚂蚁导航。”第五届国际会议关于从动物到动物的自适应行为的国际会议的诉讼程序。瑞士苏黎世大学。1998.第185 - 194年。
  • 斯蒂芬斯,托马斯。“瑞士人如何迷恋世界。”swissinfo.ch。2007年1月4日。(2009年4月9日)http://www.swissinfo.org/eng / search/detail/how_a_swiss_invention_hooked _the_world.html?sastesect = 881&sid = 7402384

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