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大自然经过 3.8 亿年的进化，完善了生存过程——从鸟翅膀的设计到花朵授粉的方法。相比之下，人类只存在了地球寿命的一小部分，但我们不断从大自然中寻求灵感。在此期间，大自然为人类提供了一种可以遵循的蓝图。
大自然以其独特、高效、资源节约和自我维持而完美。它开发的设计和流程已经过数百万年的测试，证明了它们在不同环境中的有效性。
例如，蜜蜂用来建造蜂巢的六边形结构。几何形状的高强度和稳定性使其成为蜜蜂的理想选择，同时有效地使用最少量的材料。如今，人类将这种结构应用于各个领域，从飞机和航天器到建筑和包装。仿生学是指研究和模仿自然设计和过程以供实际使用。在本文中，我们将探讨大自然提供的一些设计和流程，以及如何利用它们来创造更可持续的人造结构。
飞机
仿生学最著名和最古老的例子是飞机。据信，鸽子的飞行激发了莱特兄弟创造出第一架飞机，并于 1903 年推出。从鸟的形状和翅膀的工作方式，到鸟如何在空中滑翔，所有这些元素都发挥了作用作为现代飞机的蓝图。这些特征经过仔细研究，科学家们努力复制它们。
飞机设计师将机翼的形状模仿鸟翼的曲面，在机翼上方和下方产生气压差以产生升力。飞机尾部的方向舵模仿鸟类的尾羽，以提供平衡和方向控制。通过应用自然设计原理，科学家们创造了一种比空气重、可以在天空中飞行的机器。除了商用飞机之外，鸟类（例如鹅）的 V 形编队也得到了研究。
V 形结构通过捕获前面的鸟儿的上升气流来帮助节省能量，从而减少后面的鸟儿保持空中所需的能量。军事中队应用这一原则来最大限度地提高能源效率。
尼龙搭扣
1941 年，瑞士工程师乔治·德·梅斯特拉 (George de Mestral) 从森林中散步回来，发现衣服和狗的毛皮上粘着牛蒡植物的毛刺，于是发明了尼龙搭扣。在显微镜下检查它们后，德梅斯特拉尔发现毛刺的种子上有小钩，这使得它们可以粘在衣服和毛皮上。
受钩子设计的启发，德·梅斯特拉尔创造了 Velcro——一个由两部分组成的系统。一侧有小钩，另一侧有小环。当两侧压在一起时，钩子会卡在环上，形成牢固的结合。然而，该连接设计得足够坚固，可以固定，但用足够的力就可以轻松分离。
如今，尼龙搭扣广泛用于各种物品，从衣服和包袋到医用绷带和理线器。实际上， NASA 还使用尼龙搭扣在零重力条件下固定物体。受简单而有效的种子传播设计的启发，魔术贴已成为日常生活中无处不在的元素。它可作为纽扣和拉链的替代品，具有易于使用、可重复使用和高效等优点。
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白蚁
白蚁丘是白蚁创造的一种非凡的结构，为白蚁群提供庇护和调节生活环境。这些土丘由土壤、咀嚼过的木材、泥土和唾液制成，具有一个与地下隧道和房间相连的中央烟雾状通风结构。这种设计有助于维持地下区域的最佳环境。
热空气通过中央结构上升，使冷空气通过较低的开口进入。这确保了无论外部条件如何，土丘内的环境都能得到维持。该设计还有助于通风和气体交换。这些结构的高度可达 9 米，可以屹立数十年，展现出其耐用性。
受白蚁丘的启发，建筑师设计了模仿这种结构的建筑。最著名的例子之一是津巴布韦的东门中心。东门中心由迈克·皮尔斯 (Mike Pearce) 设计，旨在在炎热气候下为居住者保持可控的气候，同时减少冷却能耗。
自清洁表面
尽管存在于浑水中，但由于其叶子的超疏水性，莲花仍然保持干净。荷叶表面覆盖着微小的、覆盖着蜡的凸起，导致水滴滚落，并带走污垢和碎片。叶子表面的纳米结构（这些微小的凸起）减少了水滴的粘附力，使它们能够吸附灰尘颗粒。这种现象被称为“莲花效应”，该术语由 Barthlott 和 Ehler 于 1977 年首次提出，描述了荷叶的自清洁特性。
从那时起，科学家们就以荷叶为灵感，探索了具有自清洁功能的涂层。美国公司 Sto Corp. 开发了一种受莲花效应启发的涂料，可以驱除污垢和污垢。
除了自清洁油漆、织物和涂料外，这种方法还用于开发太阳能集热器、交通控制传感器和遮阳篷的材料。
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日本高速列车
翠鸟是一种极其敏捷和快速的鸟类，它们会猛扑到猎物上将其捕获。它们会悄悄靠近，尤其是在水体附近，以避免惊动捕获的鱼。翠鸟喙的独特设计赋予了它这一优势。它的特点是有一个窄、长、尖的喙，直径从尖端到基部逐渐增大。这种设计有助于分散撞击水面时产生的压力，减少溅水噪音，确保高效、安静、稳定的潜水。
开发新干线高速列车的日本工程师最初面临着由列车前部产生的大气压力引起的隧道轰鸣声的问题。
为了解决这个问题，工程师们研究了翠鸟喙的设计。他们重新设计了火车的前部，模仿喙的形状，消除了隧道吊杆。这种设计还使火车的行驶速度提高了 10%，耗电量减少了 15%。
受鲨鱼皮启发的创新
鲨鱼以其速度和水下游泳技能而闻名。毫不奇怪，科学家们尝试复制鲨鱼皮用于各种应用，包括制作泳衣和抗菌涂层。鲨鱼皮肤由称为真皮小齿的微小齿状结构组成，这些结构在一个方向上感觉光滑，在另一个方向上呈锯齿状。这些真皮小齿有两个功能：它们充当防护甲并增强在水中的运动。
期限 真皮细齿 已被证明是鲨鱼的有力工具。通过用锯齿状边缘扰乱水流，真皮小齿减少了鲨鱼在水中移动时所受到的阻力，使其能够快速、高效、安静地游动。这些结构还可以防止微生物附着在鲨鱼的皮肤上。皮肤表面的微小脊可以阻止不受欢迎的搭便车者搭便车。
受这种独特表面的启发，科学家们将其复制到泳衣上以提高其性能。这些泳衣在奥运会上大获成功，其中一款 Speedo LZR Racer 泳衣被国际游泳联合会禁止使用。
然而，一些研究人员认为，鲨鱼皮泳衣实际上会增加而不是减少阻力。鲨鱼的身体比人类的身体灵活得多，这就是为什么真皮小齿有助于减少阻力。虽然泳衣是通过观察鲨鱼皮肤开发的，但它们的成功可能是反复试验过程的副产品，而不是直接复制鲨鱼的流体动力学优势。
鲨鱼皮也被研究用于医疗技术的发展，例如应用于医院墙壁的塑料板。这些床单有助于防止细菌和其他有害微生物的传播，因为它们无法粘附在墙壁上。
蜂窝结构
正如引言中提到的，蜜蜂使用的蜂窝结构是一种高效的几何形式。自查尔斯·达尔文时代以来，蜜蜂选择六边形形状的原因一直是科学界关注的话题，达尔文假设这种形状是为了优化蜡的生产过程而采用的。这种形式最大限度地利用了可用的存储空间，同时使用最少量的蜡。
1999年，美国数学家托马斯·黑尔斯（Thomas Hales）证明，六边形在使用最少材料的同时，使周长面积最小化，空间最大化。这被称为“蜂窝猜想”。除了储存蜡外，六角形细胞还可以保护和容纳幼虫，确保蜡在炎热的气候下不会融化。
受蜜蜂启发，科学家将几何学应用于飞机后视镜、建筑材料和风力涡轮机叶片。设计注重资源效率，减轻重量和材料成本。
具体来说，詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 的镜子由 18 个呈蜂窝状排列的六边形部分组成。这种几何形状最大限度地提高了光捕获的表面积，同时保持结构完整性并最大限度地减少重量，这对于太空任务至关重要。
这些只是仿生学以及自然如何激发高效设计和创新的几个例子。该清单绝不是详尽无遗的，仅涉及大自然在其结构和过程中所做的改进。如今，科学家们正在研究许多自然系统和过程，以增强现有技术。
大自然不断进化和优化其系统，不仅使自然世界受益，而且激励人们进行创新并从中汲取灵感。
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