如果下一个设计领域的重大突破其实就隐藏在我们眼前——比如荷叶上或翠鸟的喙上呢？

你将步入一个仿生学的世界，在这里，自然界的奇妙之处被转化为你今天可以使用的实用工具。从魔术贴和荷叶效应涂层，到新干线列车的车头和东门购物中心，这些例子都清晰地展现了在能源、噪音和效率方面的优势。

随着时间的推移工程师和学生们利用回收零件制作原型，遵循一个简单的流程：观察、规划、建造、测试和分享。这个过程类似于进化过程中的试错法，并在世界各地取得了实际成果。

本文将带你轻松了解设计思维如何将天马行空的想法转化为切实可行的解决方案。你将结识实践者和研究人员，学习可衡量的成果，并掌握其在当今应用中的价值所在。

为什么你现在会看到受自然启发而涌现的创新浪潮

大自然的漫长实验为工程师们提供了现成的模式，可以更快地解决现代问题。

进化就像一个研发实验室。它创造出各种设计——猫头鹰的羽毛可以降低噪音，翠鸟的喙可以塑造火车的车头，荷叶可以排水，白蚁丘可以为建筑物通风。

• 成熟的蓝图： 您可以利用已经过实际应用检验的解决方案，从而降低设计风险。
• 更快的原型制作： 更好的材料、模拟和 3D 打印技术让您可以快速复制形状并测试各种变化。
• 全球紧迫性： 气候、水资源和能源压力迫使团队寻找投入更少、危害更小的方法。
• 团队收益： 当科学家和设计师与工程师合作时，改进方案就能从概念转化为可制造的部件。
• 规模与政策： 涂料或整个系统可以规模化生产，而可持续发展目标使商业化更加切实可行。

你受益 因为这些方法展现出了明显的优势——更安静的列车、自冷却建筑和更便宜的原型——使得这些解决方案更容易在世界各地得到推广。

今天你应该知道的仿生技术领域的重大突破

快速了解一下影响你今天所使用产品的最重要的自然转化技术突破。

实际胜利： 工程师们借鉴翠鸟的喙来改造新干线列车的车头，减少了隧道臂，降低了约151吨3盎司的能耗，同时提高了速度。WhalePower公司的瘤状叶片可以延缓风力和水力叶片的失速，并提高升力。Ornilux公司利用蜘蛛网状的紫外线图案来保护鸟类，而鲨鱼皮状的肋条则可以减少船体和飞机的阻力。

• 仿照纳米布甲虫设计的雾气收集表面，为干旱的城镇和农场带来水源。
• 水通道蛋白和硅藻类过滤器可降低净水系统的能源需求。
• 贻贝式粘合剂可在水下粘合，用于珊瑚礁修复，且不含毒素。
• 自愈混凝土和白蚁式被动冷却可减少维修和暖通空调负荷。

每个例子都清晰地展现了自然如何为世界各地的更佳设计和更智能的工程提供灵感。利用这些实例，您可以找到哪些源于自然的理念可以解决您面临的下一个问题。

从翠鸟到新干线：鸟喙如何重塑子弹头列车

鸟类流线型的喙帮助工程师们重新设计了新干线在隧道口与空气接触的方式。

翠鸟从空中俯冲入水几乎不溅起水花。工程师们研究了翠鸟的这种捕鱼技巧，并借鉴其细长的锥形头部轮廓来重新设计列车车头。这种新形状可以减少列车进出隧道时产生的压力峰值。

消除音爆：通过新型鼻锥形状降低隧道出口噪音

重新设计的车头减少了隧道出口处的轰鸣声和整体噪音。因此，即使在高速行驶的情况下，沿线社区受到的干扰也小得多。鸟喙状的几何形状可以抑制压力波，并使气流更顺畅地绕过车头。

更节能、更快：工程师从空气-水过渡中学到的经验

改进后的方案效果显著。耗电量减少了约15%，运行速度提高了约10%。工程师们还重新设计了受电弓，借鉴猫头鹰羽毛的气流原理，降低了屋顶设备的空气动力噪音。

• 你可以看到，自然的外形如何转化为更顺畅的气流和更低的阻力。
• 你会了解到为什么居民听到的爆炸声减少了，以及为什么乘客的旅程更快了。
• 你就能明白为什么新干线子弹的例子在观察动物的现实生活中取得的成功中名列前茅了。

鲸鱼鳍和风力涡轮机：受结节藻启发而设计的叶片提升性能

你可能不会想到鲸鱼的鳍会教会风力工程师如何从微风中榨取更多能量。

座头鲸的鳍缘上长着一排排凸起，这些凸起会改变水流的流动方式。弗兰克·菲什和其他科学家测量发现，与光滑的鳍缘相比，这些凸起会使失速角增加近40%。

为什么座头鲸的鳍会在更晚的时候失速并转向更急？

凸起分裂并重新连接流因此，这种动物能在更陡的角度下保持升力，并在海中进行急转弯。测试表明，带瘤状突起的叶片可减少高达 33% 的阻力，并提高约 8% 的升力。

更安静、更高效的风力涡轮机，造福社区和电网

这些流体动力学技巧也被应用到实际的风力涡轮机中。像WhalePower这样的公司已经将锯齿状叶片商业化，并报告称其运行噪音更低，低风速启动性能更好。

• 你可以看到，这些结节如何延缓失速并提高转子在阵风中的能力。
• 通过对转子进行微小的改动，无需对转子进行全面重新设计，即可提高电网可靠性。
• 这种简单的设计调整通常可以降低附近居民区的噪音。

从空气中提取水分：沙漠甲虫引领下一代采水技术

纳米布海岸上的一只小甲虫向我们展示了物体表面如何从空气中吸收水分。

纳米布沙漠物种巧妙地利用可湿润的凸起和防水的脊状物，将雾气变成稳定的细流流向它的嘴边。

这种简单的表面逻辑具有良好的可扩展性。 科学家模仿甲虫的亲水凸起和疏水通道，无需泵或动力即可引导微小液滴。

雾流引导：凸起和脊状结构引导水滴流向所需位置

麻省理工学院的研究团队制造了玻璃和塑料原型，可以收集微小的液滴，并让它们合并成有用的体积。

工业集团也应用了同样的理念。无限冷却系统收集冷却塔蒸发的废气，并将水返回到工厂循环系统中，从而减少新鲜水的取用量。

• 你可以看到甲虫的壳是如何将雾气凝结在可湿的凸起物上，然后沿着光滑的脊线引导雾气的。
• 这些设计为在水资源匮乏的地区（从农场到工厂）回收利用水资源创造了新的方法。
• 通过调整纹理和角度，这种方法可以适用于各种气候和气流模式。

简而言之，一种植物的微观纹理就能大规模地重塑设施的水管理系统。无需任何移动部件，只需巧妙的表面设计，即可实现高效的流体控制。

模仿水通道蛋白和硅藻：一种新的水过滤和淡化方法

想象一下，有一种膜可以模仿细胞的“守门人”，以更小的压力输送纯水。

你可以把水通道蛋白想象成超选择性的门：它们可以快速通过单个水分子，同时阻挡盐分和较大的污染物。

细胞层面的灵感：让水进入，阻止污染物进入

水通道蛋白就像单向门一样发挥作用 对于水而言，这提供了一种超选择性过滤的模型。关键在于保持这些蛋白质在细胞膜外的稳定性，从而使它们在人工过滤器中也能发挥作用。

利用类似硅藻的二氧化硅结构保护脆弱的膜

包括瑞典团队和Aquammodate等初创公司在内的研究人员，将水通道蛋白嵌入支撑层中。他们使用仿照硅藻硅的材料来保护通道并防止污垢附着。

• 你将学习水通道蛋白如何以极高的选择性让水分子通过，同时阻挡溶质分子。
• 你明白为什么稳定蛋白质很困难，以及类似二氧化硅的载体是如何保护它们的了吧。
• 你发现这种方法的目标是在比反渗透更低的压力、更低的能耗下运行。
• 您将探索这种设计如何解决城市、工业和偏远地区的人类需求。

结果： 一条通往节能、无毒过滤的道路，将细胞生物学和材料工程联系起来，以重塑我们大规模处理水的方式。

更温和的刺痛：受蚊子启发而设计的微针，可减轻疼痛

蚊子悄无声息地刺穿皮肤的方式教会了工程师们一种更温和的给药方法。

MK Ramasubramanian、OM Barham 和 V. Swaminathan 的研究表明，多针尖微针设计能够模拟昆虫吻部分层锯齿状的运动。这些微针刺入皮肤所需的力要小得多，因此注射时人体感觉更温和。

优势： 细小的插针和巧妙的尖端几何形状可减少震动和摩擦，从而实现更顺畅的插入和更高的舒适度。

• 您将了解到多个微小插针如何降低插入力并提高药物输送能力。
• 材料和表面处理可减少摩擦，使入口更清洁。
• 科学家绘制喙部序列图，以解决常见的临床问题，并使自我护理更加容易。

更舒适的体验可以提高治疗依从性，并为家用设备的应用铺平道路。如果简单的重新设计就能消除人们对注射的恐惧，人们就更容易坚持治疗。欲了解更多相关科学原理，请参阅微针研究。 微针研究.

更便于运输的疫苗：脱水微生物启发了室温储存

缺水就会停止运转的生物体，为研制能在室温下保持活性的疫苗提供了借鉴。

Nova Laboratories公司开发了一种方法，将疫苗脱水后置于保护性糖浆中。糖分能保持蛋白质和佐剂的稳定性，并在储存过程中抑制细菌生长。

人体内的糖分、脱水和再活化

注射干粉疫苗时，体液会使疫苗颗粒重新水化，从而重新激活免疫信号。 这种重新激活无需深度冷冻即可恢复效力，从而简化了偏远诊所和竞选团队的后勤工作。

• 你可以看到，从耐干燥生物身上汲取的经验如何帮助科学家在不使用冷冻链的情况下稳定剂量。
• 你会了解到，当水分被去除时，糖类如何保护脆弱的结构，从而长期保持其活性。
• 你发现，对于远离冷藏条件的人来说，注射补液可以使疫苗重新发挥作用。
• 您了解这种方法如何能够解决人类公共卫生挑战并减少冷链浪费。

随着这项技术的进步，必然会带来一些权衡取舍：稳定性测试、剂量检查和监管审查。尽管如此，这项分子生物学技术仍能为常规免疫接种和应急响应带来巨大的系统性优势。

从鲨鱼皮到船体和泳衣：减少阻力并抑制微生物的肋条

鲨鱼皮肤上的细小脊状突起会改变水流的路径，而这种简单的原理却远远超越了海洋。

肋状薄膜模拟鲨鱼的齿状突起，重塑边界层，降低摩擦力。这种效应在海洋和空中都能见到，从赛艇到高速飞机皆是如此。

从海洋掠食者到飞机和潜艇

实用跨界： NASA 在美洲杯帆船赛的“星条旗号”上测试了肋状薄膜，发现其确实能带来显著的性能提升。这种薄膜可以应用于船体、机身，甚至高性能泳装。

大规模节约燃料：摩擦力微小变化带来的巨大影响

阻力哪怕只降低百分之几，累积起来也能节省不少燃油。研究人员估计，阻力降低1%，每架飞机每年大约可以节省25000加仑燃油。

• 你将探索微观肋条如何改变流体流动以减少海洋和空气中的阻力。
• 肋条可防止微生物滋生和污垢堆积，从而降低维护成本并保持更长时间的高性能。
• 基于薄膜的产品可以让您无需进行全面改装即可对车队进行改造，从而快速节省成本。
• 该设计可与其他升级（发动机、涂层和空气动力学）叠加，以实现性能的复合提升。
• 您可以阅读更广泛、更集中的海洋研究成果。 海洋科学评论 探讨全球地表径流效应。

结论： 大自然的优雅模式可以转化为实实在在的成本、燃料和排放节约，您可以在今天以多种方式加以利用。

贻贝指明方向：用于珊瑚礁和修复的无毒水下粘合剂

潮间带里藏着一个黏糊糊的秘密，它能让你更好地在波浪下修理东西。

贻贝聚合物可复制粘附蛋白 这种粘合剂遇水即可粘合，即使在湍急的水流中也能保持牢固。贻贝聚合物公司（Mussel Polymers Inc.）报告称，其粘合强度是某些替代品的3倍，且无毒。这使得珊瑚礁和海洋栖息地的修复和重建更加安全。

即使在流动的水中也能牢固附着，且不会伤害海洋生物。

你会看到贻贝足蛋白是如何制成能在流水中快速固化的胶水的。

• 你发现了一种能快速固化并在电流中保持牢固的粘合剂。
• 你会了解到为什么无毒化学物质对海洋很重要，以及它如何在不产生有害渗滤的情况下解决人类问题。
• 工程师们测试这些材料，以稳定珊瑚、修补基础设施以及为水下作业人员固定传感器。
• 易于使用的墨盒意味着潜水员和船员可以更快地进行维修，并减少重复维护潜水次数。

结果： 一个简单的生物学技巧转化为实用材料，加快了海洋保护速度并降低了海洋工作的成本。

混凝土能像皮肤一样自愈：细菌驱动的裂缝修复

想象一下，混凝土能够像皮肤愈合伤口一样自行修补裂缝。

研究人员将产生石灰石的芽孢杆菌孢子嵌入混凝土中，以便该材料在受损时能够发生反应。

空气和水渗入时，会激活石灰石的生产。

当微裂缝允许空气和水进入时，休眠的孢子就会苏醒并代谢少量营养物质。然后，它们会沉淀出石灰石来填充缝隙。

亨德里克·马里乌斯·琼克斯的作品 荷兰的研究表明，这些细菌可以存活很长时间——可能长达 200 年——从而缩短维修周期，节省维护时间和成本。

• 你会了解到混凝土内部的细菌如何借助水和空气“苏醒”，并像皮肤一样密封裂缝。
• 你可以看到其设计逻辑：休眠孢子、内部营养来源和仅在需要时激活的支持基质。
• 您明白材料的选择需要在强度、兼容性和细菌长期存活率之间取得平衡，以满足实际应用的需求。
• 您可以考虑从隧道到海洋结构等应用场景，在这些场景中，小裂缝会导致大问题，减少维修次数可以降低生命周期碳排放量。

会呼吸的建筑：利用白蚁丘策略为大型空间降温

想象一下，一座建筑物利用简单的气流路径和厚重的墙壁来保持凉爽，而无需持续运转的风扇。

哈拉雷的东门中心展示了这一理念在实践中的应用。它通过管道引入室外空气，并利用建筑物的热容量来调节气流。

东门中心自通风设计的实际应用

而不是让暖通空调系统不停运转东门大厦通过管道和空腔输送空气，在一天中的不同时间对建筑物进行加热和冷却。

与类似的办公大楼相比，这种设计降低了能源消耗，并保持了室内温度的稳定。

在降低暖通空调能耗的同时，保持人们的舒适度

诀窍很简单：厚厚的墙壁可以缓冲昼夜温差，通风口的开启时间则根据当地气候和人员占用情况进行调整。工程师会设定通风口的尺寸和定时器，以便在需要时引入新鲜空气。

• 你可以看到白蚁丘如何启发了管道和被动式通风控制装置的发明，使空气能够自然地在大空间中流动。
• 热质量缓冲摆动因此，只需极少的机械制冷即可获得持续舒适的体验。
• 传感器和智能控制可优化气流，改善室内空气质量，并降低备用系统的峰值负荷。
• 东门项目的例子证明这不是理论——这是一个在当今世界节约能源的实用设计。

自然界的网络规划师：黏菌模式助力打造更智慧的城市和铁路

单细胞黏菌可以绘制出让规划者停下来重新思考路线的交通地图。

在一项著名的实验中，科学家们将食物碎片排列成与日本主要城市相对应的形状。五到六天后，多头绒泡菌（Physarum polycephalum）生长出一张与日本铁路网极为相似的蛛网。

要点： 这个动态求解器能够快速找到高效路径，并以令人惊讶的方式展现出冗余性和容错性。

自适应路由优于试错法工程

你可以看到，一个没有大脑的生物是如何帮助规划者形象化地构建强大的连接，从而支持火车和公共汽车路线、应急物流和公用设施走廊的。

• 你会了解到粘菌如何快速连接各个点，并以惊人的速度复制现有的路径。
• 您明白，对于某些设计问题，迭代的、类似自然的发展方式可以比自上而下的试错法更有效。
• 你会发现混合工作流程：将粘菌地图与人类限制相结合，为世界城市制定切实可行的规划。
• 您可以探索使用相同的逻辑来处理数据网络和供应链，从而发现连接一个区域的非显而易见、低资源的方法。

日常生活中，从自然中汲取灵感：三种你今天就能用到的自然主题设计

一次简单的散步就能让你发现大自然是如何解决你每天面临的问题的。

魔术贴和牛蒡刺：小钩子，大抓力

乔治·德·梅斯特拉尔在一次徒步旅行后发现他的狗身上有毛刺。他在显微镜下发现了这些毛刺，它们是由微小的钩子钩住的。这促成了魔术贴的诞生：一种由钩子构成的坚固耐用的紧固件，可以轻松扣合和解开。

荷叶效应涂层：超强防水、自清洁表面

荷叶表面具有疏水性，水滴会凝结成珠并滚落。涂层模仿这种微观纹理，使水能够带走灰尘。这样一来，面板和外墙就能保持更清洁，减少清洗次数，并降低表面磨损。

蜘蛛网图案玻璃：Ornilux 图案，鸟类能够看到并避开

Ornilux BirdSafe玻璃利用类似蜘蛛网的紫外线信号。鸟类会识别这种图案并避开，从而减少碰撞，同时又不阻挡您的视线。

• 你微笑 遛狗时，你发现狗毛变成了魔术贴——这是一个巧妙的、现实世界中钩子发挥作用的例子。
• 你注意到 建筑板材采用荷叶效应饰面，可轻松防水防污。
• 您很欣赏 Ornilux 玻璃，其微小的视觉信号可在保持窗户清晰的同时保护鸟类。

结论： 大自然蕴藏着简单实用的解决方案。仔细观察——你周围的动植物往往能为你提供下一个有用的灵感。

菌丝材料：真菌将废物转化为坚固、环保的建筑材料

真菌网络正在悄然将废物流转化为坚固、轻便的建筑构件。

你可以找到像 Biohm 这样的公司生产的板材，它们利用菌丝体将纤维粘合在一起，制成坚固、轻便的板材。

这些部件可用作可生物降解、无毒的绝缘材料，其性能可与传统绝缘材料媲美。 研究人员还探索利用菌丝体将塑料和农业废料升级再造成模制部件。

• 你将学习菌丝体如何将纤维结合成具有隔热和隔音作用的面板。
• 你可以看到设计师如何利用废弃物制造零件，将废弃物处理问题转化为有用的建筑材料。
• 您很欣赏这些材料可堆肥、更安全易用，并且在整个生命周期中减少了隐含碳排放。
• 您将探索用植物真菌复合材料替代泡沫或矿物绝缘材料用于室内的途径。
• 您可以设想，利用区域原料建立本地“生物工厂”模式，以减少运输，并加强人类和世界的循环系统。

后续步骤： 更广泛的应用将取决于认证、规范批准以及家具、包装和室内组件的规模化模具。

在家试试：通过仿生设计成为一名工程师

观察、草图绘制、建造和测试：一个简单的循环，将动物特征转化为人类解决方案。

按照史密森尼博物馆式的流程学习动物的适应性：观看一段短视频，构思一个概念，然后快速搭建一个模型。使用回收的纸板、纸筒和容器，既省钱又省时。

发现需要改进的地方，并将其转化为实际的解决方案。

你们的行为就像工程师一样。 首先观察动物——青蛙的眼睛、甲虫的背部或鲸鱼的鳍是如何解决特定问题的。选择一个人类问题，并绘制一个简单的特征草图，借鉴其功能，而不是完全照搬其形式。

快速构建，频繁测试，并分享你的成果

• 收集可回收材料，并在1小时内组装一个简易原型。
• 快速测试，注意哪些有效，并调整角度、纹理或部件。
• 记录你的步骤，并写一篇短文，让人们了解自然界是如何帮助人类解决问题的。
• 分享照片和笔记，以启发他人，并发现改进想法的新方法。

结论

当工程师从动物身上借鉴某种功能时，往往能更快、更简洁地找到实用的解决方案。

在交通运输、能源、水资源、健康、材料和安全等领域，仿生学展现了现代技术如何应用于创新。 技术 从现实世界中汲取可靠的线索。

现在，您已经拥有了一些证据——更安静的火车、更坚固的刀片、更清洁的水、更温和的针头、自愈混凝土和更安全的玻璃——这些都表明了微小的变化。 设计 可以解决一个大问题 问题.

向自然学习，快速测试，并分享结果。简而言之 时间简单的步骤就能让你像工程师一样思考，发现日常生活中的机会，并将想法转化为各方面的实用项目。 世界.