2020年十大可能带来新发明的科学发现

2020年12月31日 11:49 次阅读 稿源:新浪科技 条评论

北京时间12月31日消息,从飞翔的蛇到冲浪的䲟鱼,大自然为人类的发明创造提供了无穷的灵感源泉。许多新发明和新技术都来自对大自然的模仿,由此诞生的一门学科被称为仿生学。珍妮·本尤斯是美国非盈利机构“仿生学研究所”(Biomimicry Institute)的联合创始人,她在1997年出版了《仿生学》一书,使这一术语广为人知。

访问:

2021阿里云上云采购季:采购补贴、充值返券、爆款抢先购……

她写道:“仿生学基本上就是在面对一个设计挑战时,找到已经解决这一挑战的生态系统,然后尝试模仿你了解的东西。”

角高体金眼鲷(Anoplogaster cornuta)是一种超黑的深海鱼类

角高体金眼鲷(Anoplogaster cornuta)是一种超黑的深海鱼类

在研究自然世界的科学家们取得新发现的同时,发明家和工程师们也不断从这些发现中汲取灵感,并将自然的解决方案应用到新技术中。无论是建造更好的机器人,还是更有效地追踪癌细胞,抑或是改进研究太空的望远镜,我们都可以在生物身上找到有用的解决方案。以下就是《史密森尼杂志》公布的2020年十大可能带来新发明的科学发现。

1、䲟鱼在其他海洋生物背上“冲浪”

䲟鱼的“吸盘”实际上并没有紧贴在鲸的皮肤上,而是皮肤上方盘旋,形成一个低压区,从而吸附在鲸的身边

䲟鱼的“吸盘”实际上并没有紧贴在鲸的皮肤上,而是皮肤上方盘旋,形成一个低压区,从而吸附在鲸的身边

䲟鱼是海洋中最擅长搭便车的动物。据报道,这种长度30至110厘米的鱼类也被称为吸盘鱼,头顶具有一个能将自己固定在鲸类或鲨鱼身上的吸盘,就如同“一顶黏性十足的扁平帽子”。但䲟鱼并不只是在搭免费便车。2020年的一项研究发现,当这些鱼与寄主同游的时候,它们实际上可以在寄主的背上“冲浪”。也就是说,䲟鱼会沿着寄主的身体滑行,并往往聚集在鲸的喷水孔和背鳍附近,这些位置的拖曳力较小——它们会在“冲浪”过程中啃食死皮和寄生虫。

Brooke Flammang、Jeremy Goldbogen等研究者发现,鱼选择的位置是它们保持附着的关键。Flammang指出,尤其是蓝鲸的喷水孔和背鳍之间的区域,与往上几厘米的区域相比,那里有着“速度低得多的液体”。事实上,䲟鱼的吸盘也没有紧贴在鲸的皮肤上,大多数情况下,吸盘是在皮肤上方盘旋,形成一个低压区,从而吸附在鲸的身边。

Flammang是新泽西理工学院的生物学家,受到鱼的启发,她已经开始研究一款人工吸盘。她希望这个吸盘能被用来为濒临灭绝的海洋动物(如蓝鲸)安装摄像机和跟踪设备。目前,研究人员使用的普通吸盘虽然可以将相机固定在研究对象身上,但抓力只能维持24到48小时。Flammang的新设备预计能持续使用数周,并能有效减少阻力。目前,她的团队正在柔性表面上测试这款吸盘,并准备为相机设计一个䲟鱼形状的外壳。最终,他们将在活体动物上实地测试该设备,包括鲸、海豚、鲨鱼和蝠鲼。

“Flammang博士的实验室在依恋方面取得的生物启发进展,将彻底改变我们在动物身上植入标签的方式,使其更成功、更有效,”斯坦福大学的海洋生物学家Goldbogen写道,“也许未来的生物标签不仅可以附着,还能像鱼一样在生理取样的理想位置‘冲浪’和‘爬行’。”

2、鱼鳍就像指尖一样灵敏

芝加哥大学神经科学家亚当•哈迪团队发现,鱼鳍不仅仅能用来游泳和操纵方向,还能像灵长类动物的指尖一样灵敏。研究人员通过对黑口新虾虎鱼(Neogobius melanostomus)的研究得出了这一结论。这是一种广盐性的底栖性鱼类,原产于黑海和里海,但早已入侵欧洲多条河流,甚至远至北美洲的五大湖区。这些小鱼通常栖息在岩石上,腹鳍已经愈合成吸盘状。

黑口新虾虎鱼(Neogobius melanostomus)通常栖息在岩石上,其鱼鳍“像灵长类动物的手指一样灵敏”

黑口新虾虎鱼(Neogobius melanostomus)通常栖息在岩石上,其鱼鳍“像灵长类动物的手指一样灵敏”

为了确定这种虾虎鱼的鳍有多敏感,研究小组将鱼安乐死,然后注射盐水,以保证它们的神经在实验过程中正常运作。接着,他们使用一个特殊装置来记录鱼鳍扫过一个固定轮时的神经电脉冲模式。该研究的合著者、芝加哥大学的神经科学家梅琳娜·黑尔指出,测量结果表明鱼鳍能够感知“非常微小的细节”。研究人员希望这一发现能启发机器人感知技术的研究,尤其是在水下机器人领域。

3、坚不可摧的甲虫外骨骼

这种甲虫被称为“恶魔铁锭甲虫”,绝对名副其实。大多数昆虫的寿命只有几周,但这种甲虫的寿命却长达8年,大致相当于人类活上好几千年。为了达到如此壮举,它们演化出了非凡的外骨骼“盔甲”。

这种甲虫不到2厘米长,却可以在被汽车碾过的情况下存活下来——美国加州大学欧文分校的工程师大卫·基塞卢斯和他的团队就曾开着一辆丰田凯美瑞,对一只甲虫碾压了两次,但它仍然活了下来。在进行了几次技术实验后,研究小组发现这种甲虫可以承受的压力相当于自身体重的3.9万倍。

这种不到2厘米长的甲虫即使被汽车碾过两次也能存活下来,被称为“恶魔铁锭甲虫”

这种不到2厘米长的甲虫即使被汽车碾过两次也能存活下来,被称为“恶魔铁锭甲虫”

有若干因素促成了这一神奇的现象。首先,这种甲虫的外骨骼是扁平的,而不是像瓢虫那样是圆形的。其次,它们的外骨骼内部是富含蛋白质的层状结构,各层可以单独移动而不会破坏整个外骨骼。第三,外骨骼的两半像拼图一样连在一起,各层都循着拼图般的曲线,对接合处最薄的部分进行加固,比如头胸连接处的两块外骨骼是相互锁住的。

研究人员在论文中提出,通过借鉴“恶魔铁锭甲虫”,可以设计一种类似性状,但层次较少的联锁紧固件,用于固定飞机涡轮机等。该团队创建了一个3D打印的“层压”模型。他们预测,这一发现可以帮助开发出新的航空紧固件,能提高强度并大幅增加韧性。事实上,这种设计可以用于任何需要连接两种不同材料的情况,比如在桥梁、建筑和车辆中连接金属和塑料。

4、解释了16种深海鱼类的超黑色素

凯伦·奥斯本是美国国立自然历史博物馆的海洋生物学家,有一次,她的团队无意中从捕蟹网中捞出了一条深海尖牙鱼。当他们试图给这条乌黑的鱼拍照时,发现不管怎么努力,就是拍不到鱼体的细节。他们后来发现,这种鱼确实“不上相”,因为其组织吸收了照相机闪光灯99.5%的光。

他们的研究中包括了尖牙鱼(角高体金眼鲷)和其他15个物种,它们都具有超黑的色素沉着,因而能融入漆黑的深海环境。尽管光线不能到达海洋的这一区域,但有些鱼是会发光的。对于狡猾的掠食性鱼类来说,乌黑的体色能够尽可能多地吸收光线,堪称最好不过的隐形斗篷。

穴口奇棘鱼(Idiacanthus antrostomus)也是一种超黑的深海鱼类,其吸收光线的能力在研究中的位列第二

穴口奇棘鱼(Idiacanthus antrostomus)也是一种超黑的深海鱼类,其吸收光线的能力在研究中的位列第二

许多陆地动物和海洋动物都是黑色的,但是人类制造的黑色能反射大约10%的光,其他大多数黑色鱼类会反射约2%的光。要突破“超黑”阈值,这16个物种需要将反射光的比例降到0.5%。为了做到这一点,它们演化出了巨大的胶囊状黑素体(含有黑色素的细胞),并且排列得十分紧密。在其他黑色(但不是超黑)的动物中,黑素体的排列更为松散,形状也更小、更圆。

通过模仿这些超黑深海鱼的黑素体的形状、结构和分布,材料科学家们或许能制造出人工超黑色素。这种色素可以用于覆盖望远镜内部,以获得更好的夜空视野,或者提高太阳能板的光吸收率。凯伦·奥斯本还指出,该发现甚至会引起海军研究人员的兴趣,“如果能制造出具有这种黑素体的铠甲,那将非常适合进行夜间行动”。

5、飞蛇会为了稳定而产生波动

蛇不仅会在地面爬行,还会在水里游泳,但这些还不够,世界上还有5种“会飞”的蛇。确切地说,它们的飞行更像是高度协调的降落,并且看起来还有点像它们在陆地上的扭动和侧弯,只不过有了重力的帮助。或许正如弗吉尼亚理工大学生物力学研究者杰克·索查所描述的那样,这些蛇在飞行时就像一个“巨大的扭动带状物”。

这些“飞蛇”属于金花蛇属(Chrysopelea),能将自己圆圆的躯干压缩成扁平的三角形,以获得更多的空气阻力,从一棵树上滑翔到另一棵树上,距离可达数十米。不过,对科学家来说,它们在空中所做的左右摆动似乎没有什么意义。在研究中,杰克·索查的团队租下了弗吉尼亚理工大学四层楼高的体育馆,并给7条飞蛇贴上了反射带,用高速摄像机上记录了它们超过150次的跳跃(不用担心这些蛇的安全,研究团队必须通过安全规程,并在场馆内配备泡沫地板和假树)。

研究小组借助反光胶带,利用3D计算机模型重现了“飞蛇”的飞行过程

研究小组借助反光胶带,利用3D计算机模型重现了“飞蛇”的飞行过程

这些蛇的飞行过程非常短暂,因此研究小组借助反光胶带,利用3D计算机模型进行了重现。他们发现,飞蛇垂直摆动的频率是水平摆动的两倍,它们的尾巴也上下摆动。弗吉尼亚理工大学的机械工程师艾萨克·伊顿说:“其他动物的波状起伏运动是为了推进,而我们证明了飞蛇这么做是为了保持稳定。”

研究小组希望他们的发现能有助于开发一种类似飞蛇的搜救机器人。艾萨克·伊顿表示,这种机器人的优势在于它们运动时保持稳定和穿过狭小空间的能力。在一些非常狭窄的空间里作业,可能会使典型的机器人绊倒或摔倒。他们的目标是有朝一日开发出能够模仿蛇类运动的机器人,将所有扭动、弯折和突然转向的动作集于一身。

“将这些动作结合在一起,你就能拥有一个可以在复杂环境中移动的平台:机器人可以爬上一棵树或某个建筑物,快速滑翔到另一个区域,然后滑行或游到其他地方,”艾萨克·伊顿说,“这项发明将遇到很多工程上的挑战,但这些真正会飞的蛇所表现出来的能力,以及近年来生物设计领域的进展都让我很受启发。”

6、尾海鞘制造的过滤系统

尾海鞘纲动物的形状有点像蝌蚪,只有体型稍大一些;它们的体长可达10厘米。这些微小的生物自由地生活在海面下数百米的地方,那里的食物十分稀少。

研究人员使用激光扫描工具揭开了由这种生物建造的复杂的“鼻涕宫殿”(snot palaces),这是研究作者、蒙特雷湾水族馆研究所的生物工程师Kakani Katija对这种鼻涕状黏液结构的称呼。尾海鞘没有手也没有脚,它们是用自己的分泌物建造了复杂的“黏液房”,这是一个由内、外过滤器组成的过滤装置,可以大大提高尾海鞘的摄食效率。

尾海鞘用自己的分泌物建造出了复杂的黏液球囊,这是一个能摄食有机颗粒的过滤系统

就像蜘蛛结网捕猎一样,尾海鞘也利用这些黏性结构来捕捉经过的细小而稀疏的食物颗粒。它们的微小身体就位于“黏液房”中央,通过尾部摆动将水流从迷宫般的管道送入口中。在黑暗的深海,任何错误的举动可能都会导致死亡,而这个黏液球囊还可以为它们提供保护。

Kakani Katija希望从这些小动物身上汲取灵感,有朝一日开发出一种仿生可充气过滤系统。考虑到这些动物可以过滤出比病毒更小的颗粒,也许医用级或HEPA过滤器可以采用这种设备加以改进。她说:“我们仍处于这个项目的探索阶段,我希望其他研究人员能接着走下去。”

7、鳞沙蚕的发光蓝色黏液

发光生物(如萤火虫)的闪光通常持续不到1秒,最多10秒。但海洋中的磷沙蚕(Chaetopterus sp。)却有些“天赋异禀”,它们能产生一种亮蓝色的黏性物质,可以在任何地方发光16到72小时。由于黏液在体外一直发光,因此不会浪费生物体的能量,这对磷沙蚕的生存很有好处。这也引出了一个问题:这种黏液是如何在这么长时间内一直发光的?

美国加州大学圣地亚哥分校的研究人员Evelien De Meulenaere、Christina Puzzanghera和Dimitri D。 Deheyn检查了磷沙蚕黏液的复杂化学成分,发现其中含有一种能够释放离子或带电原子的铁蛋白(ferritin)。这种形式的铁蛋白能与蓝光发生反应,触发产生更多的离子,这就形成了一个不断发光的反馈回路。

多毛类动物鳞沙蚕的黏液能在体外发光,因此不会浪费生物体的能量

多毛类动物鳞沙蚕的黏液能在体外发光,因此不会浪费生物体的能量

研究小组希望复制鳞沙蚕这种独特的含铁光蛋白(与生物荧光有关的蛋白),在手术中照亮癌细胞。Deheyn还表示,他们可以开发一种可以在停电的紧急状况下使用的合成生物电池,就类似于在黑暗中发光的贴纸。

“发光贴纸之所以能一直发光,是因为它们在白天积累阳光,晚上再释放出来,”Deheyn说,“现在想象一下,你不需要阳光,只需要添加铁元素,这些贴纸就可以作为便携式生物灯,在紧急情况下使用,比如在可能需要照明的直升机或飞机停机坪上。”

8、熊蜂可能知道自己有多大

熊蜂又被称为大黄蜂,相比常见的蜜蜂,它们身躯硕大,显得十分笨手笨脚。不过,这种印象可能并不准确。今年夏季的一天,澳大利亚新南威尔士大学堪培拉校区的工程师斯里达尔·拉维观察到,熊蜂在树枝和灌木丛中可以自如地穿梭。他感到十分震惊,一个大脑如此之小的有机体居然能够克服这些挑战。

当缺口小于熊蜂的翼展时,它们会停下来打量一番,然后侧身穿过缺口而不损伤翅膀

当缺口小于熊蜂的翼展时,它们会停下来打量一番,然后侧身穿过缺口而不损伤翅膀

为了对熊蜂进行测试,拉维的团队在实验室里设置了一条隧道和一个蜂箱。他们在隧道里放置了一个狭窄的缺口,作为障碍物,随着时间的推移,这个缺口越来越小。他们发现,当缺口小于熊蜂的翼展时,它们会停下来打量一番,然后侧身穿过缺口而不损伤翅膀。对熊蜂来说,它们需要从不同角度了解自身有多大,才能完成这种看似微不足道的行为,而这是许多昆虫都不具备的能力。

斯里达尔·拉维表示,如果大脑体积很小的熊蜂都能处理这种问题,那么机器人可能不需要太过复杂的处理器就能更好地进行导航。他说:“复杂的感知并不一定需要大而精细的大脑,也可以用更少的神经元在小尺度上实现。”通过借鉴熊蜂大脑的工作模式,研究人员或许能开发出更加灵巧的机器人,甚至具有更高的飞行或游泳能力,而不是像现在看上去的那么笨拙。“从被动探测到主动感知,这种提升将带来机器人领域的新纪元,”拉维说道。

9、切叶蚁外骨骼的矿物质“盔甲”

宁波大学植物病毒学领域研究员李鸿杰与美国威斯康辛大学麦迪逊分校的研究者合作,发现一种中美洲切叶蚁的外骨骼具有一层薄薄的矿物质“盔甲”。

为了进一步研究切叶蚁的外骨骼,需要将这一类似盔甲的涂层除去,但如何除去呢?李鸿杰在接受《科学新闻》采访时表示,他在刷牙时顿悟了。漱口水可以在不损伤脸颊、牙龈和舌头的情况下清除牙齿上的物质。他的预感是对的,漱口水溶解了这一矿物涂层,但没有损伤切叶蚁的外骨骼。通过更传统的实验室实验,研究小组确定了该矿物涂层由镁含量很高的方解石构成。在海胆中,这种由方解石和镁组成的混合物使它们的牙齿能够磨穿坚硬的石灰质。

研究人员发现,这种切叶蚁外骨骼上的矿物涂层是由镁含量很高的方解石构成的

研究人员发现,这种切叶蚁外骨骼上的矿物涂层是由镁含量很高的方解石构成的

研究作者卡梅伦·柯里和普帕·吉尔伯特解释道:“将镁融入方解石对任何涉及方解石的纳米技术领域,比如塑料、粘合剂、建筑砂浆和牙科材料等,都能带来很多的好处。”此外,这种矿物涂层并不是切叶蚁生来就有的,而是它们在需要时可以迅速制造出来的东西,并且会随着切叶蚁的成熟而增加硬度,几乎覆盖全身。

“令人难以置信的是,这种切叶蚁能够通过快速形成一层薄而轻的纳米晶体涂层来大幅改善外骨骼的强度,”卡梅伦·柯里说,“这凸显了这种纳米材料涂层在改善防弹衣方面的应用潜力。”

10、听觉不佳的飞蛾却有“隔音斗篷”

对一只飞蛾来说,想要躲开靠声音搜寻猎物的捕食者并不容易。不过,有些飞蛾却演化出了令人称奇的特征,来保护自己免受蝙蝠的攻击。

2020年早些时候,研究人员发现,两种听不见声音的飞蛾除了具有能够柔化声音的绒毛,其翅膀上还具有非常薄的叉状鳞片层,可以吸收蝙蝠的超声。每只飞蛾的翅膀上都覆盖着成千上万个这样的小鳞片,其长度不足1毫米,厚度只有数百微米。每一个鳞片都会扭曲翅膀发出的声音,降低声能,从而减少反射回蝙蝠的声音。这些鳞片似乎会以不同的频率产生共鸣,并且作为整体,它们“至少可以吸收3个八度的声音”。

飞蛾的翅膀上覆盖着成千上万个这样的小鳞片,每一个都不到1毫米长,厚度只有几百微米

飞蛾的翅膀上覆盖着成千上万个这样的小鳞片,每一个都不到1毫米长,厚度只有几百微米

研究报告的作者、布里斯托大学的马克·霍尔德里德说:“这些鳞片在纳米尺度上高度结构化,顶部和底部有多孔的波纹层,由微小的柱状网络相互连接。”据他估计,在这种结构的启发下,未来我们或许能开发出“吸声效率提高10倍”的隔音材料。他设想的是一种涂有纳米尺度结构的吸音墙纸,可以贴在住宅和办公室里的墙壁上,取代现在常用的巨大面板。

霍尔德里德还认为,这一发现在许多行业也会有广泛的应用。“我们确实对这种材料的广泛应用前景感到非常兴奋,”他说,“从建筑到机械,再到交通声学设计等众多领域,都可以借鉴这些飞蛾的解决方案,开发出更薄的吸声材料。”

对文章打分

2020年十大可能带来新发明的科学发现

1 (6%)
已有 条意见

    最新资讯

    加载中...

    今日最热

    加载中...

    热门评论

      Top 10

      招聘


      Advertisment ad adsense googles cpro.baidu.com
      created by ceallan