《向大自然借智慧：仿生設計與更美好的未來》

［美］阿米娜·汗 著

梁志堅 譯

北京大學出版社出版

大自然透過優勝略汰使許許多多的物種進化出了令人類歎為觀止的生存智慧：墨魚透過改變身體顏色和圖案就可以完美地融入周圍環境，海豹透過海水的尾跡追蹤獵物，白蟻丘在炎熱的沙漠中無需空調也可以保持涼爽，鳥兒能最大限度地利用複雜的氣流自如飛行……在這本仿生學科普書裡，阿米娜·汗妙趣橫生地講述了大自然物種的無窮奧妙，並透過材料科學、運動機械、系統建築、可持續發展方面豐富而精彩的例項，向我們展示了在不久的將來，人類如何藉助“仿生的智慧”，輕鬆地建立億萬美元的多元化產業，解決過去十幾年中耗費大量人力、物力和財力都勞而無果的事情。本書是前沿科技、焦點話題與深度敘事的絕佳融合，引人入勝地展示了仿生學的魅力、生物學發現對於文明的意義，也有助於我們思考基礎科學與應用科學間的關係、深度研究與廣度研究間的關聯。

>>內文選讀

人類總以為自己是處於創造力金字塔頂端的生物——是地球上各種美麗、強壯、平庸、古老、奇異的生物中的智者。任何令人驚奇的事物都是我們憑空臆造出來的。

但實際上我們在許多方面都滯後了。我們根本就不是大自然的對手。早在40億年前，大自然在發明創造方面就遠遠超過了我們，而且遠遠超乎我們的想象。

在幾年前的一個流體動力學會議上，我就意識到這一巨大的差距。一個貌似無趣的話題結果是一點都不枯燥無味。成千上萬名研究者聚集在加州的長灘，一起來探討金花蛇的空氣動力學以及“牙齒”鋒利的鯊魚皮的奧秘。

從與會者對蜂鳥直升機與螞蟻的爬行模式談論中，我瞭解到科學家們正越來越多地轉向生物界去獲取靈感和教益——試圖通過了解那些顯而易見的不可思議之物以找到一些前所未知的工程奧妙。這完全不是什麼新鮮事。善於觀察的人類在過去確實已經從大自然這本書中抄襲到一兩個竅門。喬治·德·梅斯特拉爾從自己所養的狗的毛皮上拔下幾根附著力很強的芒刺。他驚訝於這幾根芒刺超強的黏著性，透過顯微鏡觀察到它們上面一圈又一圈的鉤子，由此發明了我們當今生活中無處不在的魔術貼。萊特兄弟透過對鳥類的觀察，設計出了具有革命性的翹曲翼，如此一來，他們的飛機可以像地球上天然的飛行者們一樣安全地轉向。

然而在我們的文明中，這些卻被視作寥寥無幾的幾個孤立的亮點。自從19世紀工業時代高歌猛進起，我們人類在很大程度上把大自然視為某種將要馴服、需要加以改造、進行蹂躪、不予理會，甚至予以摧毀的東西。我們透過把東西做得更大，消耗更多的能源和資源，從而解決了大多數技術性問題。無論如何，這給我們帶來了不少的成果。然而經過幾個世紀的肆意消耗，我們在生態和生產上幾乎走進了死衚衕，我們已瀕臨工程學的某種極限，再也沒有唾手可得的果實可摘了。有待解決的問題——在醫學、建築學和計算機資訊處理科學等方面的問題——都非常複雜與棘手。此外，我們在不斷地耗盡各種原材料，不斷地毒害我們的環境。這種粗暴而又野蠻的方式曾經成就了我們，而今卻讓我們難以為繼。

於是研究者們已經開始——至少如此——將注意力投向大自然是如何達到我們迄今仍難以企及的高度的。生物學家們已經開始意識到，他們對自然界的探索可以應用到其他領域。與此同時，工程師們已經注意到，生物學家們可能掌握了物理學上許多十分棘手的問題的答案。這種思維模式近幾十年來已經成為一種主流，它擁有一個名字：仿生設計。

在本書中，我們將遇見來自不同學科的科學家，他們聚集在一起向生物學習，從而突破了人類工程能力的極限。我們將從非常小的尺度（植物細胞光合作用的化學）跨越到非常非常大的尺度（生態系統的原理）。本書將基於材料科學、運動力學、系統建築學和可持續性這四個主題而分成四個部分（編）。每章將探討一個已有了諸多新發現的領域，以及隨著人們詳細檢驗大自然是如何勝過我們現有的各種技術，這一領域將會有什麼樣的其他發現。在這本書裡，我們將思考所有的這些例項，進而探討如何借鑑大自然的這些發明創造來提高我們人類的科技水平，從而使我們人類把更多的東西做得更好而不是做得更大。

當科學家們在實驗室和現場進行突破性的研究時，我將追隨他們。我將和科學家們一起，透過顯微鏡研究墨魚外皮的奈米級特性。我將前往聖蓋博谷，美國國防部高階研究專案署的工程師們在那裡測試下一代的人形機器人。我將與一群生物學家和工程師一起前往奈米比亞，他們每個人都有獨特的理由去研究星羅棋佈於大草原之上的那些高達6英尺的白蟻丘。

“仿生設計”（bioinspired design）這一概念源自“仿生學”（biomimicry）這一術語。珍妮·班亞斯1997年所著的同名書《仿生學》（Biomimicry）將許多研究者的這種跨學科的理念變得清晰而明確。根據2010年聖地亞哥動物園委託撰寫的報告，在15年中，

以2010年不變價美元來計算，仿生學每年為美國貢獻了高達3000億美元的GDP，給全世界帶來了1萬億美元的效益。

它也可以減少各種各樣的自然資源的消耗並減少二氧化碳的汙染，從而為我們大家節省了5000億美元的開銷。“仿生學可能會成為重大的經濟遊戲規則改變者。”該報告的作者寫道，“其商業用途在未來的歲月中將極大地改變不同產業所佔的比例，並最終影響到經濟的各個方面。”

而今，我們意識到，大多數的新發現並不來自對大自然不分青紅皂白地盲目仿效，而是來自對它的研究，從而一清二楚地獲悉其至為隱秘的奧秘。自然界的不同領域都有著許多無法解釋的神秘現象，而科學家們對這些現象的理解充其量也只是模模糊糊的，最糟糕的是甚至有可能錯得十分離譜。傑弗裡·斯佩丁是南加州大學的一名工程學教授，他說：“你若不研究自然的秘密，你就會徹底地錯過一個奇蹟，並且完全將它弄錯，而不是隻錯了一點點。”

經過密切的關注，研究者們一路走來，獲得了舉世矚目的深刻見解。壁虎的腳牢牢地貼在牆壁上，根本就不需要任何的黏合劑，而只是靠微弱的範德華力相互作用。蛇類只需改變自身繩狀的身體就能飛行。芸扁豆不讓臭蟲在葉子上面爬行，根本就無須使用任何殺蟲劑——其葉子上面密密麻麻地佈滿尖利的鉤刺，這種鉤刺迄今尚無法透過人工合成材料來複制。

這些發現似乎顯得不可思議與神奇，它們對於我們這個資源日漸耗竭的世界愈發來得重要，我們需要學會可持續地生活，減少使用刺激性的化學物質，減少廢物的產生。第一步是瞭解其他生物數十億年來是如何極其成功地做到這一點的。

一些研究者已在以各種革命性的方式進行研究——他們打破生物學與工程學之間的壁壘，發現他們之間可以互相學習。這是一個前沿性的研究，正在產生一些舉世矚目、可能改變世界的研究結果。

（圖源：視覺中國）

在那次改變思想的物理學會議之後的幾年中，我曾寫過科學家們是如何借鑑座頭鯨的多節鰭以製造更好的風力渦輪機，以及如何將水母作為人類心臟的模型進行研究。也有研究者借鑑蟻群來進行交通管理，透過研究生物體來更好地進行城市的規劃。

所有這些都需要研究者打破自身所從事的學科領域固有的思維禁錮，與本領域之外的研究者進行溝通。這也適用於不同的領域，從奈米技術到城市規劃，而且它還影響了從醫學到建築學等無數項研究與應用領域。正是因為所涉及的學科和規模的巨大跨度，要找到一些可供研究者和發明者們遵循的指導原則，以便他們能探究出仿生的解決方案並加以應用，始終是一項挑戰。

效率是大自然多種形式與功能的強大驅動力，也是仿生工程學的主要優點。演化過程中有些最驚人的創新之所以出現，是因為生物需要處理有限的資源，或試圖在惡劣的環境下求生，或賦予現有的生理“怪癖”以全新的功能。（鳥類就是這樣開始起飛的——它們的羽毛曾經不過是恐龍的裝飾與保暖材料。）

這就是生物似乎比我們更瞭解流體動力學的奧秘，以及在奈米尺度上更像一名技術嫻熟的建築師的原因。所有這些以及其他領域的大自然的專長將繼續在本書中不斷地出現，貫穿始終。

如果需求當真是發明之母的話，那麼大自然便是所有的發明者之母。

雖然大自然沒有造出輪子，但它可以造出一顆相當不錯的螺絲釘來。仿生工程學的愛好者們說，竅門就在於採取在大自然中所見到的策略並加以借鑑——也許甚至還可以在它們的基礎上加以改進。

如果你留心的話，你能從自然界學到的東西是驚人的。我無數次閱讀《銀河系漫遊指南》，由於我做衝浪運動，因此海洋的魅力對我來說有時似乎是司空見慣的。但我最近才知道，我原來並沒有真正意識到海豚的智商到底有多高。

一天早晨，在佛羅里達，當我和其他的一些衝浪者奮力衝過撲面而來的激流，我看見兩隻海豚在一剎那間躍出水面。我想，我們只是看到它們的身體躍出水面，卻根本不去關注它們為什麼躍出海面。隨後一陣巨浪向我們打了過來——是任何短板衝浪者都不敢衝的巨浪。

海豚們面朝著海灘排成一行，隨著浪峰將它們的身體托起，它們鼻子朝下傾斜，任由浪潮馱著它們不斷前進。我驚訝得嘴巴張得大大的。它們是在衝浪——就像是一群極其老練、經驗豐富的職業衝浪運動員一般。而且它們一點也不費勁，連一根手指頭都不用動——要是它們像我們人類一樣有十根手指頭的話。

就在兩隻海豚躍起時，另一隻海豚從它們的上方躍過。它們做出這樣的動作，只是為了揭示點什麼。

或許它們正試圖發出一個資訊。不過我非常確定它們所發出的應該不會是有關災難的警訊，而是大致如下的資訊：“我們見過海草衝浪，它們的衝浪技術可是比你們這些菜鳥來得強。”

但要是我們關注到海豚、鳥類以及大自然中其他的生物正在告訴我們的資訊，我們也許能夠及時地找到拯救大自然以及我們自己的方法。

作者：

阿米娜·汗

編輯：金久超