向大自然借智慧：仿生设计与更美好的未来：how humans are tapping into nature's secrets to design and build a better future

前 言

在道格拉斯·亚当斯(Douglas Adams)的五卷本《银河系漫游指南》( The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy)中，海豚是继老鼠之后第二聪明的物种，而我们人类只能屈居第三，在智力上逊色于浑身毛茸茸的以及身上长鳍的优异物种。
在这部小说中，那位平凡的主角阿瑟·邓特( Arthur Dent)霉 运连连，他的经历似乎竭力揭开了我们人类有时觉得不安与不堪面 对的一个事实：我们人类其实可能并不像我们所想象的那样聪明。 我们通常设法不去面对这种感觉，唯恐因此而引起反思。
然而，回避真相往往给我们带来风险。在银河系漫游的这片世界里，人类是如此的无能，他们不顾海豚一再疯狂地发出的“地球即将毁灭”的警讯，对海豚的跳圈和尾巴快速旋转不予重视，将其视为一项独特的水上杂技表演。
显然，这部经典的科幻小说犯了个致命的错误。就各种物种的智力而论，人类的智力在排名上或许要远远靠后。
我是在位于洛杉矶的加利福尼亚州科学中心陪伴小学生们时产生这种不安的感觉的。作为一名供职于《洛杉矶时报》(Los Angeles Times)的科学作家，我十分期望能给孩子们留下深刻的印 象。在“奋进号”(Endeavour)航天飞机前，我给那些眼睛睁得大大的学生讲述与这艘太空飞行器的宇航员们见面的故事。当一名女孩把她的手指伸进“触摸池”冰冷平静的水中，朝着池里的一只海 星伸过去时，我装作一副无动于衷的样子。然而，随后在涟漪之下的一个形状颇为怪异的物体引起了我的注意。在宝石般绚丽的海星和慵懒的海胆之间有一个奇特的紫黑色螺旋状物体，与我的手掌一般大小。
“这是一颗鲨鱼卵。”水池后的那名义工告诉那个由我照看的8岁女孩。
我挺直身子往前倾，几乎将那个小女孩挤开。在鹅卵石之中有一颗我所触碰过的最大、最奇怪的螺旋状物体，其光滑的锥状条纹 呈螺旋式缩小，直至成为一点，外壳坚硬却不乏弹性，像是在浴盆 中浸泡过一个小时后的指甲。
我从未见过任何长得跟它一样的东西。从鱼类到鸵鸟，任何动物产的卵都是圆的。其平滑的曲线分散了力量，最大程度地避免了破裂。动物的卵不该是方形、三角形或任何其他非常尖锐的形状。然而这种卵的外观——我父亲的工作台便散乱地放着呈这一形状的螺丝钉——让鲨鱼能够将其尚未孵化的幼鲨楔入暗礁里，从而使得 捕食者因难而退。这是一个使用了数百万年的工程设计，只是这种工程设计的肇始者并非人类。
这真是令人汗颜，人类总以为自己是处于创造力金字塔顶端的生物——是地球上各种美丽、强壮、平庸、古老、奇异的生物中的智者。任何令人惊奇的事物都是我们凭空臆造出来的。
但实际上我们在许多方面都滞后了。我们根本就不是大自然的对手。早在40亿年前，大自然在发明创造方面就远远超过了我们，而且远远超乎我们的想象。
在几年前的一个流体动力学会议上，我就意识到这一巨大的差距。一个貌似无趣的话题结果是一点都不枯燥无味。成千上万名研究者聚集在加州的长滩，一起来探讨金花蛇的空气动力学以及“牙齿”锋利的鲨鱼皮的奥秘。
从与会者对蜂鸟直升机与蚂蚁的爬行模式谈论中，我了解到科 学家们正越来越多地转向生物界去获取灵感和教益——试图通过了解那些显而易见的不可思议之物以找到一些前所未知的工程奥妙。 这完全不是什么新鲜事。善于观察的人类在过去确实已经从大自然 这本书中抄袭到一两个窍门。乔治 · 德 · 梅斯特拉尔( George de Mestral)从自己所养的狗的毛皮上拔下几根附着力很强的芒刺。他惊讶于这几根芒刺超强的黏着性，通过显微镜观察到它们上面一圈又一圈的钩子，由此发明了我们当今生活中无处不在的魔术贴。莱 特兄弟(Wright brothers)通过对鸟类的观察，设计出了具有革命性的翘曲翼，如此一来，他们的飞机可以像地球上天然的飞行者们一样安全地转向。
然而在我们的文明中，这些却被视作寥寥无几的几个孤立的亮点。自从19世纪工业时代高歌猛进起，我们人类在很大程度上把大自然视为某种将要驯服、需要加以改造、进行蹂躏、不予理会，甚至予以摧毁的东西。我们通过把东西做得更大，消耗更多的能源 和资源，从而解决了大多数技术性问题。无论如何，这给我们带来了不少的成果。然而经过几个世纪的肆意消耗，我们在生态和生产上几乎走进了死胡同，我们已濒临工程学的某种极限，再也没有唾手可得的果实可摘了。有待解决的问题——在医学、建筑学和计算机信息处理科学等方面的问题——都非常复杂与棘手。此外，我们在不断地耗尽各种原材料，不断地毒害我们的环境。这种粗暴而又野蛮的方式曾经成就了我们，而今却让我们难以为继。
于是研究者们已经开始——至少如此——将注意力投向大自然是如何达到我们迄今仍难以企及的高度的。生物学家们已经开始意识到，他们对自然界的探索可以应用到其他领域。与此同时，工程师们已经注意到，生物学家们可能掌握了物理学上许多十分棘手的问题的答案。这种思维模式近几十年来已经成为一种主流，它拥有一个名字：仿生设计。
在本书中，我们将遇见来自不同学科的科学家，他们聚集在一起向生物学习，从而突破了人类工程能力的极限。我们将从非常小的尺度(植物细胞光合作用的化学)跨越到非常非常大的尺度(生态系统的原理)。本书将基于材料科学、运动力学、系统建筑学和可持续性这四个主题而分成四个部分(编)。每章将探讨一个已有了诸多新发现的领域，以及随着人们详细检验大自然是如何胜过我们现有的各种技术，这一领域将会有什么样的其他发现。在这本书里，我们将思考所有的这些实例，进而探讨如何借鉴大自然的这些发明创造来提高我们人类的科技水平，从而使我们人类把更多的东西做得更好而不是做得更大。
当科学家们在实验室和现场进行突破性的研究时，我将追随他们。我将和科学家们一起，通过显微镜研究墨鱼外皮的纳米级特性。我将前往圣盖博谷( San Gabriel Valley)，美国国防部高级研究项目署的工程师们在那里测试下一代的人形机器人。我将与一群生物学家和工程师一起前往纳米比亚，他们每个人都有独特的理由去研究星罗棋布于大草原之上的那些高达6英尺的白蚁丘。
“仿生设计”(bioinspired design)这一概念源自“仿生学”(biomimicry)这一术语。珍妮 · 班亚斯( Janine Benyus) 1997 年所著的同名书《仿生学》(Biomimicry)将许多研究者的这种跨学科的理念变得清晰而明确。根据2010年圣地亚哥动物园( San Diego Zoo Global)委托撰写的报告，在15年中，以 2010 年不变价美元来计算，仿生学每年为美国贡献了高达 3000 亿美元的 GDP，给全世界带来了1万亿美元的效益。它也可以减少各种各样的自然资源的消耗并减少二氧化碳的污染，从而为我们大家节省了 5000 亿美元的开销。“仿生学可能会成为重大的经济游戏规则改变者。”该报告的作者写道，“其商业用途在未来的岁月中将极大地改变不同产业所占的比例，并最终影响到经济的各个方面。”
而今，我们意识到，大多数的新发现并不来自对大自然不分青红皂白地盲目仿效，而是来自对它的研究，从而一清二楚地获悉其至为隐秘的奥秘。自然界的不同领域都有着许多无法解释的神秘现象，而科学家们对这些现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错得十分离谱。杰弗里 ·斯佩丁(Geo?rey Spedding)是南加州大学的一名工程学教授，他说：“你若不研究 自然的秘密，你就会彻底地错过一个奇迹，并且完全将它弄错，而不是只错了一点点。”
经过密切的关注，研究者们一路走来，获得了举世瞩目的深刻见解。壁虎的脚牢牢地贴在墙壁上，根本就不需要任何的黏合剂，而只是靠微弱的范德华力( van der Waals force)相互作用。蛇类只需改变自身绳状的身体就能飞行。芸扁豆不让臭虫在叶子上面爬 行，根本就无须使用任何杀虫剂——其叶子上面密密麻麻地布满尖利的钩刺，这种钩刺迄今尚无法通过人工合成材料来复制。
这些发现似乎显得不可思议与神奇，它们对于我们这个资源日渐耗竭的世界愈发来得重要，我们需要学会可持续地生活，减少使用刺激性的化学物质，减少废物的产生。第一步是了解其他生物数十亿年来是如何极其成功地做到这一点的。
一些研究者已在以各种革命性的方式进行研究——他们打破生物学与工程学之间的壁垒，发现他们之间可以互相学习。这是一个前沿性的研究，正在产生一些举世瞩目、可能改变世界的研究结果。
在那次改变思想的物理学会议之后的几年中，我曾写过科学家们是如何借鉴座头鲸的多节鳍以制造更好的风力涡轮机，以及如何将水母作为人类心脏的模型进行研究。也有研究者借鉴蚁群来进行交通管理，通过研究生物体来更好地进行城市的规划。
所有这些都需要研究者打破自身所从事的学科领域固有的思维禁锢，与本领域之外的研究者进行沟通。这也适用于不同的领域，从纳米技术到城市规划，而且它还影响了从医学到建筑学等无数项研究与应用领域。正是因为所涉及的学科和规模的巨大跨度，要找到一些可供研究者和发明者们遵循的指导原则，以便他们能探究出仿生的解决方案并加以应用，始终是一项挑战。
效率是大自然多种形式与功能的强大驱动力，也是仿生工程学的主要优点。演化过程中有些最惊人的创新之所以出现，是因为生物需要处理有限的资源，或试图在恶劣的环境下求生，或赋予现有的生理“怪癖”以全新的功能。(鸟类就是这样开始起飞的——它们的羽毛曾经不过是恐龙的装饰与保暖材料。)
这就是生物似乎比我们更了解流体动力学的奥秘，以及在纳米尺度上更像一名技术娴熟的建筑师的原因。所有这些以及其他领域的大自然的专长将继续在本书中不断地出现，贯穿始终。
如果需求当真是发明之母的话，那么大自然便是所有的发明者之母。虽然大自然没有造出轮子，但它可以造出一颗相当不错的螺丝钉来。仿生工程学的爱好者们说，窍门就在于采取在大自然中所见到的策略并加以借鉴——也许甚至还可以在它们的基础上加以改进。
如果你留心的话，你能从自然界学到的东西是惊人的。我无数次阅读《银河系漫游指南》，由于我做冲浪运动，因此海洋的魅力对我来说有时似乎是司空见惯的。但我最近才知道，我原来并没有真正意识到海豚的智商到底有多高。
一天早晨，在佛罗里达，当我和其他的一些冲浪者奋力冲过扑面而来的激流，我看见两只海豚在一刹那间跃出水面。我想，我们只是看到它们的身体跃出水面，却根本不去关注它们为什么跃出海 面。随后一阵巨浪向我们打了过来——是任何短板冲浪者都不敢冲 的巨浪。
海豚们面朝着海滩排成一行，随着浪峰将它们的身体托起，它们鼻子朝下倾斜，任由浪潮驮着它们不断前进。我惊讶得嘴巴张得 大大的。它们是在冲浪——就像是一群极其老练、经验丰富的职业 冲浪运动员一般。而且它们一点也不费劲，连一根手指头都不用 动——要是它们像我们人类一样有十根手指头的话。
就在两只海豚跃起时，另一只海豚从它们的上方跃过。它们做出这样的动作，只是为了揭示点什么。
或许它们正试图发出一个信息。不过我非常确定它们所发出的 应该不会是有关灾难的警讯，而是大致如下的信息：“我们见过海草冲浪，它们的冲浪技术可是比你们这些菜鸟来得强。”
但要是我们关注到海豚、鸟类以及大自然中其他的生物正在告诉我们的信息，我们也许能够及时地找到拯救大自然以及我们自己的方法。 

大自然通过优胜略汰使许许多多的物种进化出了令人类叹为观止的生存智慧：昆虫的眼睛能看到我们昂贵的隐形眼镜都看不到的东西，白蚁丘在炎热的沙漠中无需空调也可以保持凉爽，鸟儿能最大限度地利用复杂的气流自如飞行……在这本讲述仿生学的科普书里，阿米娜·汗妙趣横生地讲述了大自然物种的无穷奥妙，并启示我们：大自然是最好的老师，包括建筑师、生物学家、纳米科技研究员、工程师在内的每个人都应该虚心地“向大自然借智慧”；我们正处在生态恶化、过度消费资源的历史拐点上，洞悉自然中的秘密力量可以让我们获得创造的灵感，推进人类的发明和科技创新，向更加安全、实效、多产的生活方式迈进。
本书通过材料科学、运动机械、系统建筑、可持续发展方面丰富而精彩的实例，向我们展示了在不久的将来，人类如何借助"仿生的智慧"，轻松地建立亿万美元的多元化产业，解决过去十几年中耗费大量人力、物力和财力都劳而无果的事情。本书引人入胜地展示了仿生学的魅力、生物学发现对于文明的意义，也有助于我们思考基础科学与应用科学间的关系、深度研究与广度研究间的关联。