仿照自然界生物的运作方法,可以节省更多资源

来源:大科技杂志社 ·2018年09月08日 21:40

蛛丝和火甲虫

坐落蜘蛛腹部的腺体可分泌出6种不同的细丝质料,织造在一起变成蛛丝。这种丝线具有共同的高强度与延展性,比一切人工纤维都要强韧。一位资料学家形象地描绘蛛丝的强度和耐性:“假如用铅笔杆粗细的蛛丝来结张大网,这张网乃至可能拦截住一架飞翔中的波音747。”

在人工纤维中,最接近蛛丝特性的纤维资料叫做芳纶纤维,虽然其耐性仍不及蛛丝,但强度可与蛛丝相媲美。但是,要造出芳纶纤维,需求极点的压力和极高的温度,会严峻污染环境。而相比之下,蜘蛛却能在再一般不过的环境中,在常温常压下运用死苍蝇和水作质料轻松造出这类纤维。

一种黑色火甲虫具有不同寻常的“红外勘探器”。“勘探器”薄薄的角质层中充满了水,当外界温度升高,角质层中的水会俄然胀大,胀大带来的压力改动随即会被高灵敏的机械感觉细胞所感知。运用这个原理,火甲虫能够勘探到远在80千米外的森林火灾,功力大约是人工火灾勘探规模的10000倍。更重要的是,这个小家伙不需求电线,不需求衔接运用燃料的发电机,分外节省资源。

火箭、超级计算机、卫星、太空站、人工智能……虽然现在,人类科技已高度发达,但从蛛丝和火甲虫的比如可看出,咱们仍然需求向大天然取经,到达进步根本资源运用率、循环运用资源的意图。

泡泡修建

植物和动物细胞里充满了气体或液体,学习细胞这个原理,修建师规划出了一系列新颖别致的充气充液的体育修建。这样的修建亮堂透气,结构曲线天然美丽,且绿色环保。

与细胞原理相似的,还有番笕泡的“泡泡修建”。“泡泡修建”不只亮堂透气,还能够经过改动泡泡直径,以习惯任何凸凹不平的地上,脱节地上形状的约束。也就是说,修建师能够在任何杂乱地上上,“吹”出自己的“泡泡修建”英国修建规划师迈克尔·波林和同伴们在“伊甸园方案”中就发挥了泡泡不挑地上形状的优势。

在“伊甸园方案”项目中,修建师们需求树立一个巨型温室。温室所在的修建环境异常杂乱,不只不规矩,并且还在不断改动,由于当地仍在不断挖掘傍边,他们便选用了“泡泡修建”。“泡泡”结构既能很好契合当地地势特色,削减地势不断定带来的费事,又能确保修建的采光规划到达最优。

不过,粗略地断定“泡泡”形状远远不够。真实的番笕泡泡外表面是巨大的球面结构。总不能粗犷地用巨大的空心玻璃球吧?这在技术上简直无法完成。所以,他们将球状曲面当作由若干个有规矩“小泡泡单元”相加起来的组合。这样一来,规划圆顶的问题就转变为寻觅支撑性更强的小部分的几何图形问题。

花粉、放射虫和足球烯

终究什么样的多边形拼起来才能够组成一个巨大的、近乎完美的球形曲面呢?科学家把大天然看作样本,参阅一些生物精妙的结构规划来拟定方案,既便利,又靠谱。

在显微镜下,花粉颗粒是由六边形组成的球体。足球烯也是这样,足球烯是碳元素的一种同素异形体,分子结构为球形32面体,由60个碳原子经过20个六元环和12个五元环衔接而成,像一只足球。放射虫,一类浑身上下长满骨针和伪足的海洋单细胞动物,它们外形结构非常精巧灵活,可谓“天然的艺术形状”,相同有五边形和六边形组成的球状结构。

受这些天然生物的启示,修建师团队挑选了正五边形和正六边形这两种最简略,拼合后最接近于球体的结构作为小泡泡单元。而计算机数值仿照也支撑了这一定论。并且,长于调查的修建师又学习了蜻蜓通明翅膀的结构特色,成功处理了小泡泡单元之间的链接问题,极大地缩减了钢材的运用数量,节省了资源。

意外收成

不过,要想更高效运用资源和动力,有必要重新考虑制作“小泡泡”单元的资料,由于玻璃延展性不高,无法将六边形单位面积做到最大。一起,又考虑到温室封闭式薄膜的特色,修建师终究决议选用可代替玻璃的一种高强度聚合物资料ETFE。他们把这种资料做成三层,将边际处焊接起来,然后充气。

这种多层资料的单元面积能够到达玻璃的7倍大,分量却仅为双层玻璃的百分之一,所用资料也仅为双层玻璃的百分之一。并且,新结构又进一步缩减了单元与单元衔接处运用的钢材数量。少一些钢材,就多一些阳光进来。

巨型温室收工时,修建师欢喜地发现,温室上方圆顶的总分量乃至低于室内空气的分量,轻飘飘的,是个当之无愧的“泡泡房顶”。

从天然生物那里学到的技巧,不只能完成相同的功用,并且还能够到达事半功倍的作用。实际上,大天然稀有不清的生物,都能够供修建师参阅。

动物骨架和大树

20世纪30年代,一位西班牙修建师曾在巴塞尔市的一次修建使命中突发奇想,仿照动物身体的骨架,改造了咖啡厅天花板上的钢架规划。这种仿照生物骨骼结构的修建取得了杰出的作用,不只契合受力特性,并且还具有赏心悦意图外观。

1992年国际博览会的科威特展览馆,其房顶是可自在闭合的结构,也是仿照动物关节规划而成的。在夜间,房顶能够打开,显露布满繁星的天空,供人类进行各种集会活动。

在结构规划生物仿照方面,树状结构也是修建师常用来参阅的结构,由于比较简略。许多修建师仿照树状结构的特色,在房子中心设置首要的承重结构,四周则仿照树杈的成长机理,规划成悬空的楼板,表面用幕墙装修,造出的修建别有一番风味。

这个既美丽又高效的国际值得咱们不断探究。

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