霧姥甲蟲(chóng)仿生設(shè)計(jì)研究初探

李勇平　白玉　趙妍　王偉　劉博文　李樹(shù)林

摘要：大自然就是人類(lèi)最好的老師，人類(lèi)通過(guò)觀察、思維和設(shè)計(jì)，對(duì)身邊的事務(wù)進(jìn)行研究和模仿，通過(guò)自己創(chuàng)造性的勞動(dòng)，制造出不同的工具。本文通過(guò)對(duì)仿生學(xué)歷史發(fā)展及日常生活中的應(yīng)用，進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)舉例，霧姥甲蟲(chóng)生水器，總結(jié)出人類(lèi)在大自然中尋找新的思路，仿生學(xué)將會(huì)為我們的研究搭起橋梁。

關(guān)鍵詞：仿生設(shè)計(jì);霧姥甲蟲(chóng);生水器

1前言

模仿是人類(lèi)與生俱來(lái)的本事。魯班發(fā)明鋸子，人們根據(jù)魚(yú)兒游動(dòng)發(fā)明了船只，還有雷達(dá)、電子蛙眼等等。這些都是人們?cè)谏a(chǎn)生活中發(fā)現(xiàn)、模仿、制造出來(lái)的一系列方便生活的工具。人們?cè)絹?lái)越重視生活中的細(xì)節(jié)和觀察大自然中的一切，也掀起了一股模仿熱潮，于是便有了仿生學(xué)。仿生設(shè)計(jì)活躍在各個(gè)領(lǐng)域，讓人類(lèi)的生活更加便捷和豐富多彩，提高了人類(lèi)在自然界中的的地位，解決了人類(lèi)發(fā)展中一系列的問(wèn)題，促進(jìn)了社會(huì)的發(fā)展。

2仿生歷史發(fā)展及日常生活中的應(yīng)用

從古至今，大自然就是人類(lèi)最好的老師。各種科學(xué)技術(shù)、原理及重大發(fā)明都是人們從自然中學(xué)習(xí)的。自然界中萬(wàn)物進(jìn)化演變，最終適者生存，不適者淘汰。無(wú)論是動(dòng)物還是植物，在悠久的進(jìn)化過(guò)程中，保留和進(jìn)化出最優(yōu)越的生存本領(lǐng)。人類(lèi)生活在自然界中，從周?chē)纳锏纳砩希瑢W(xué)習(xí)到了各種各樣的奇異本領(lǐng)，人類(lèi)通過(guò)觀察、思維和設(shè)計(jì)，對(duì)身邊的事務(wù)進(jìn)行研究和模仿，總結(jié)出生物最獨(dú)特的本領(lǐng)，并通過(guò)我們自己創(chuàng)造性的勞動(dòng)制造出簡(jiǎn)單的工具，更增強(qiáng)了人們與自然界斗爭(zhēng)的本領(lǐng)和能力。

在我國(guó)的歷史發(fā)展中，有很多模仿生物的例子。祖先們?yōu)榱朔烙瞳F的傷害，他們模仿鳥(niǎo)類(lèi)在樹(shù)上營(yíng)巢。有史書(shū)記載，兩千多年前，我國(guó)人民就發(fā)明了風(fēng)箏，并且應(yīng)用于軍事聯(lián)絡(luò)和娛樂(lè)休閑。還有魯國(guó)的匠人魯班，他從一種能劃破皮膚的帶齒的草葉上得到啟示而發(fā)明了鋸子，給當(dāng)時(shí)的勞動(dòng)人民帶來(lái)了方便。當(dāng)人們看見(jiàn)生活在水中的魚(yú)類(lèi)，于是古人伐木鑿船，仿照魚(yú)的胸鰭和尾鰭制成雙槳和單櫓，從此，人們獲得了水上活動(dòng)的自由。

在國(guó)外，瓦特在一次燒水的經(jīng)歷中發(fā)現(xiàn)，燒開(kāi)的水可以把水壺蓋推起來(lái)，于是，他在不斷的改進(jìn)和實(shí)驗(yàn)中發(fā)明了蒸汽機(jī)，從此之后，各種款式的機(jī)器被發(fā)明創(chuàng)造出來(lái)，應(yīng)用于各種生產(chǎn)，把人類(lèi)從繁重的工作中解脫出來(lái)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人被發(fā)明出來(lái)，模仿大腦的角色，一個(gè)控制中心設(shè)計(jì)出來(lái)，處理著成百上千的數(shù)字信息，就像人的大腦支配其他器官勞動(dòng)一樣。

蝙蝠眼睛退化，在夜晚飛行時(shí)會(huì)發(fā)出超聲波，這種聲波傳播很快，當(dāng)它碰到物體時(shí)就會(huì)反彈回來(lái)，再一次讓蝙蝠接收到以確定物體的位置，從而避免與物體相撞，所以它也能在夜晚中任意飛行。人類(lèi)就模仿蝙蝠這一本領(lǐng)發(fā)明了雷達(dá)，現(xiàn)在雷達(dá)的用途非常廣泛，比如飛機(jī)、航空等領(lǐng)域。

3仿生設(shè)計(jì)舉例—霧姥甲蟲(chóng)生水器

水是人們賴(lài)以生存的資源，例如沙漠是水資源匱乏的地方，有的地方水質(zhì)遭到嚴(yán)重的污染，無(wú)法供人飲用，所以水資源已經(jīng)成為人類(lèi)的嚴(yán)重問(wèn)題之一。自然界中存在許多的昆蟲(chóng)，它們大多體型較小，但是各自都有獨(dú)特的生存本領(lǐng)，有些本領(lǐng)的巧妙連人類(lèi)也自嘆不如。霧姥甲蟲(chóng)生活在納米比亞沙漠中，它們?yōu)榱私鉀Q自己的飲水問(wèn)題，適應(yīng)沙漠環(huán)境，進(jìn)化出了一套完美制水設(shè)備。它們利用沙漠晝夜巨大的溫差，在夜晚降低自己外殼的溫度，到了白天如果它們想喝水了就爬上小沙丘，將身體轉(zhuǎn)向風(fēng)的方向低下頭，用自己的后腿收集空氣中的小水珠，小水珠遇到低溫的外殼就會(huì)凝結(jié)成水，不一會(huì)兒水就會(huì)流入它的嘴里。究其原理，甲蟲(chóng)是利用溫差將空氣中的水分先凝結(jié)成水滴，再由自己外殼上的突起的小丘，將水滴聚集在一起順勢(shì)流下，于是，我們有了仿照甲蟲(chóng)這一特性設(shè)計(jì)出了仿甲蟲(chóng)生水器。

霧姥甲蟲(chóng)仿生生水器，是由太陽(yáng)能電池板、渦輪機(jī)，還有過(guò)濾芯，儲(chǔ)水箱四部分組成，本產(chǎn)品操作簡(jiǎn)單，只需要將它埋入約兩米的地下中。它首先由太陽(yáng)能供電帶動(dòng)渦輪，將周?chē)諝馕霗C(jī)器內(nèi)部。并且將空氣過(guò)濾后進(jìn)入地下帶有超輕水紋理和超疏水凹槽的銅管內(nèi)部，地表與地下自然產(chǎn)生的溫度差，空氣中的水蒸氣遇冷液化，變成的水的小水珠沿管道順流而下。最后小水珠通過(guò)過(guò)濾裝置進(jìn)入儲(chǔ)水器中。在使用時(shí)通過(guò)管子將水壓出來(lái)。這樣就可以直接飲用。依靠此生水器，在每立方米的沙漠空氣中可以帶來(lái)11.5毫升水，而且跟耗能制冷的水分收集裝置不同，它只靠溫差，渦輪機(jī)還是太陽(yáng)能供電，價(jià)格低廉，設(shè)計(jì)靠生物模擬，收集水分靠溫差，供電靠太陽(yáng)能，利用大自然就可以解決我們平時(shí)或在沙漠中特殊情況的生水問(wèn)題。

4霧姥甲蟲(chóng)生水器的前瞻性

大自然中的一切生存至今，無(wú)一不是因?yàn)樽陨淼奶厥庑?，超?qiáng)的適應(yīng)力，這本身就是具有的優(yōu)越性。人類(lèi)為了適應(yīng)自然一邊進(jìn)化一邊模仿。我們雖然不能像魚(yú)兒一樣在水中游來(lái)游去，但是我們可以模仿它制造出船，承載我們暢游汪洋。并且方便了我們的交通。我們雖然不能像雄鷹一樣翱翔天空，但是我們可以模仿它制造出飛機(jī)，帶我們俯瞰世界，如今的飛機(jī)，已經(jīng)應(yīng)用于交通運(yùn)輸、貨物轉(zhuǎn)移、軍事和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。人類(lèi)經(jīng)過(guò)模仿，研究制造出的每一種工具，都具有其優(yōu)越性，因?yàn)樗鼈兌际沁M(jìn)化的結(jié)晶，智慧的常產(chǎn)物。

仿甲蟲(chóng)自動(dòng)生水機(jī)也同樣具有其優(yōu)越性和前瞻性。目前，世界水資源十分匱乏，人類(lèi)跨流域調(diào)水、海水淡化、興修水利、控制人口、提高水價(jià)等方法，以滿(mǎn)足人類(lèi)對(duì)水的應(yīng)用。小型設(shè)施，其主要應(yīng)用的原理有將水蒸氣壓縮至液化、降溫使水蒸氣液化的方法，實(shí)現(xiàn)生水功能。而我們的自動(dòng)生水機(jī)，是將空氣中的水蒸氣液化收集成水，其中是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，用來(lái)吸收空氣中的水蒸氣，再利用地表上下的溫差將水蒸氣進(jìn)行液化，再收集到儲(chǔ)水器中進(jìn)行應(yīng)用，這其實(shí)是一系列的循環(huán)轉(zhuǎn)化，重復(fù)利用。其成本低廉，綠色環(huán)保，產(chǎn)水效率高，有著很好的發(fā)展前景。

5總結(jié)

仿生產(chǎn)品也層出不窮，大到人造衛(wèi)星，小到斑馬線，這些都是人類(lèi)經(jīng)過(guò)觀察各種生物的功能所研究發(fā)明的，現(xiàn)如今，它已經(jīng)涉及到生活中的方方面面。仿生學(xué)的意義在于，自然界中生物進(jìn)化的結(jié)果為我們的發(fā)明創(chuàng)造提供參考，演化出生物多樣性為我們的技術(shù)方案提供素材。大自然和時(shí)間，是最好的設(shè)計(jì)師，新的創(chuàng)造不會(huì)憑空而來(lái)，我們只能在大自然中尋找新的思路，仿生學(xué)也將會(huì)為我們研究生物搭起橋梁，為了祖國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展，我們將仿生設(shè)計(jì)發(fā)揮到極致，迎接任何的競(jìng)爭(zhēng)與挑戰(zhàn)。

基金項(xiàng)目：本文是2020年遼寧科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目的階段性成果，項(xiàng)目編號(hào)：202010146383。