发明史上的仿生设计

 作为一门新兴的交叉学科，仿生学诞生于20 世纪60 年代。然而在此前很长时间，从发明史的角度看，人类就有一些出色的仿生设计。如最古老的仿生设计可以追溯到春秋时期，传说巧匠鲁班被边缘上长有许多小齿的茅草划伤，因而受到启发，发明了木工用的锯子。及至近代，有关仿生设计的记载更为明确，其领域扩展，用途大为丰富。这里选取发明史上的部分例子进行分析，涉及到不同的领域，它们反映了发明家的智慧和巧思，记录下人类仿生设计的早期步伐。

一、鸟翼与飞行器
人类很早就表现出强烈的愿望，试图插上鸟的翅膀飞翔，中西方都不乏有关的传说。而真正出于理性，凭借机械技术基础，仿造鸟翼设计飞行器的则首推文艺复兴时期的巨匠莱奥纳多·达·芬奇（Leonardo da Vinci）。
达·芬奇少年时就有飞行梦想，也热衷于观察各种鸟的躯体结构和飞翔。到1486 年时，达·芬奇已形成明确的见解，他在笔记中写道：“物体对空气施加的巨大压力就像空气对身体施加的压力一样。观察翅膀在空气中如何拍打，能让沉重的鹰在稀薄的空气中飞起来；再观察空气如何掠过海面，吹满风帆，使满载的船只飞驰；通过了解这些现象的原因，你就能知道，一个人如果使用巨大的人造翅膀以克服空气的阻力，就可以驾驭空气，升入空气之上。”[1]
达·芬奇在多个笔记本中画下鸟的躯体结构以及展翅、盘旋的姿态，既有速写，也有带有注释的复杂绘画，同时也写下几千字的记录。达·芬奇还制作了简单的试验装置，把小鸟吊起来，借以观察鸟的不同飞行姿态和身体各部位的功能。他还使用各种材料模仿制作鸟、蝙蝠的翅膀。正是通过一系列仔细的观察研究，达·芬奇对飞行问题得出了重要认识。
达·芬奇原计划写一本叫《论鸟类》的书，其中包括对空气阻力的讨论、鸟类及其羽毛的解剖、鸟飞行时羽毛的动作、尾部和翅膀的运动方式。与他的许多其他尝试一样，这本书一直没有完成。约在1505 年，达·芬奇写下名为《论鸟类飞行的手稿》的草稿，计有18 页稿纸（正反两面），《手稿》中带有优美的技术性插图和鸟类飞翔的生动形象，并且提供了一系列过去从未被集中在一部研究著作中的精彩内容。[2]
很显然，达·芬奇相信能够仿照鸟飞行的方式，按一个放大的尺寸制造可以携带人的机器。他先设计了一种扑翼机，完全依靠人的臂力，后来认识到人的臂力不足以扇起机翼，便又设想使人处于一种俯伏的状态，加上大腿肌肉的力量来动。
动力还是不足，他又考虑使用弹簧或弓弦作动力。从航空学意义上讲，达·芬奇的扑翼设计价值不大。但从机械学角度来看，他的设计富有天才。扑翼的翅膀设计成由几根多弯曲的金属杆连接的骨架，通过一套轮子和连杆，使每一根都产生多种弯度，从而达到精确模仿鸟的扑翼动作的目的。
达·芬奇还做过这样的设计，他在一张草图中画了四个机翼，驾驶员垂直地固定在里面，他用头按住一个操纵杆以控制机翼，用他的双手控制两个曲柄，利用自身的重量带动两个踏板。通过一系列冗长的计算，他推断出一个人用这种方式就可以产生600 佛罗伦萨磅（约合200 公斤）的力。
达·芬奇把自己设计的飞行机称作“大鸟”，他梦想“大鸟”从佛罗伦萨附近的切塞利山上升起来。他在笔记中写道：“这只著名的鸟将从与大鸟同名的山峰上面开始飞行，并将闻名于世。”
虽然没有证据证明达·芬奇进行过飞行实验，但达·芬奇对人类飞行的理性探索，却启迪了后人。19 世纪人类研制成功滑翔机，终于实现了人类像鸟一样飞翔的梦想。

1. 达·芬奇手绘的人力飞行器图。从中可见人处于一种俯伏的状态，用大腿的力量来驱动。

2. 根据达·芬奇的设计，现代意大利研究者复原出的扑翼机，可见双翼巨大（戴吾三摄）。在本模型中，机翼由倒踩踏板驱动，飞行者通过交互的腿部运动来操作。推动力的效果通过手摇曲轴得到放大，并用于向提升装置提供动力。

3. 受蚕丝的启发，19 世纪科学家发明了人造丝。

二、蚕丝与人造丝
千百年来，人们都是用棉、麻、蚕丝、毛等天然纤维为原料，通过手工织成各种衣物。随着19 世纪蒸汽动力的纺织机出现，纺织效率大大提高，天然纤维受产量产地的限制，已无法满足人口增长带来的需求，由此促使科学家寻找方便、廉价的替代品。
人们曾长期观察到蚕吐丝：蚕吐出的是一种黏液，在空气中凝固成丝，丝缠绕而后成茧。1644 年，英国科学家罗伯特·胡克（Robert Hooke）发表论文，认为人类应该能仿效蚕吐丝的工序，制造出一种人造丝，甚至比蚕丝更好。此后，化学家设想了多种人造丝制造方法，大都是围绕解决黏液的来源，以为这是实现工业化生产的关键。
1855 年，瑞士化学家乔治·奥德马尔（George Audermars）设想通过实验，像蚕一样把桑叶变成丝。奥德马尔研究发现，桑叶的主要成分是纤维素，蚕丝却是一种蛋白质，蛋白质比纤维素多含有氮元素。是否能把氮加到桑叶中去呢？奥德马尔多次实验，最后将桑叶浸在硝酸里做硝化处理，再溶解于溶剂中，真的形成了黏液，并拉出了人造丝。奥德马尔很快申请专利，这是世界上首次获得生产人造丝的专利技术。之后，其他科学家用树胶、淀粉等原料也制成人造丝。
1884 年，研究蚕病起因的法国科学家夏尔多内（C.H.de Chardonnet）获得从硝酸纤维素制取人造丝的英国专利，并在法国贝桑松建起生产人造丝的工厂，1891 年日产50 公斤，1907 年日产达到2000 公斤，这是人造丝实现工业化的最早例证。[3] 事实使人们认识到该发明对人类生活的重要。不过，硝酸纤维易燃，成本较高，逐步被后来的发明取代。
1892 年，英国化学家查尔斯·克罗斯（Charles Cross）、埃德瓦·比万（Edward Bevan）和科雷顿·比德（Clayton Beadle）发明了黏胶人造纤维的方法，1894 年获得英国专利。其方法是以由木材制造的浆粕为原料，成本低，性能好。英国采用新工艺建立工厂，并于1905 年扩大生产规模。随后，法、美、日等国纷纷建厂，黏胶纤维的年产量很快超过了天然纤维。随着短纤维技术的发展，黏胶纤维还纺出了人造毛、人造棉，应用范围进一步扩大，在市场上占据了重要地位。
1897 年，德国化学家鲍里（Hermann Pauly）利用铜氨络合物获得生产铜氨人造丝的专利，英国的比万于1921 年获得制造醋酸人造丝的专利，都很快投入到工业生产中。铜氨人造丝的原料是短棉绒，要消耗大量的铜、氨，成本昂贵，发展受到限制。而醋酸纤维不易燃，手感类似真丝，其原料是木材浆粕、冰醋酸、醋酸、丙酮等，来源相对丰富。
20 世纪初，人造丝传入中国，国人曾根据西文名把“rayon”为“嫘萦”。嫘祖是传说中黄帝的妻子，最早发明养蚕；“萦”表达人造丝的旋回盘绕之状。而今人造丝的通用名是人造纤维，各种人造纤维的织品已渗透大众的生活。

4. 伊利亚·普拉特（Elijah Pratt）的奶嘴专利图

5. 五颜六色的安抚奶嘴，前端形似母亲的乳头

6.刺果类植物。放大观察，可看到刺果表面细小的刺钩

7. 乔治·德梅斯特拉尔的尼龙扣专利图（1957）

8. 尼龙扣开合示意图：（左）扣合，（右）拉开

三、乳头与奶嘴
奶嘴是仿生设计的一个简单而生动的例子。远在两千多年前，古罗马人就使用动物皮革制成人工奶嘴，不过由于卫生问题，这种奶嘴使用有限。中世纪后期，西方社会时兴银制的奶嘴，一方面是比较好看，另一方面是银的化学稳定性好。然而最主要的问题还是价格，哺乳器要用手工打制，成本较高，加上富裕的人家常雇用奶妈，这使得银制哺乳器的市场有限。
进入19 世纪，随着新技术的发展，刺激发明家做出新的尝试。1841 年美国人查尔斯·温士普（Charles Winship）仿照人的乳房发明了一种奶瓶，可以让母亲佩戴在身上，据说可以让宝宝相信奶水是来自妈妈的乳房（用温士普的话说，这是“有用的欺骗”）。[4] 但是奶水的传送仍有问题：宝宝还得靠海绵填充的鹿皮乳头来吸奶。
1945 年，奶嘴技术有了突破性进展，纽约的发明家伊利亚·普拉特（Elijah Pratt）利用查尔斯·固特异（Charles Goodyear）创新的橡胶硫化技术，获得历史上第一个橡胶奶嘴的专利。普拉特在专利申请书中说：他发明的人工奶嘴“防止乳头炎，婴儿用这种奶嘴吸奶，不会弄痛母亲的乳房”[5]。此后有关的新专利不断出现，甚至成为一股潮流，培育了欧美的新市场。
19 世纪60 年代，在英国出现了一种称为“妈妈”（Mamma）的新设计，创意也来自母亲的乳房，将哺养管的一端（材料是橡胶）以橡皮筋固定于形状有点类似鲸鱼的玻璃瓶上。19 世纪末又出现几种新设计，有的可以挂在婴儿床上，让宝宝夜间需要时随时用，或是利用小支架让奶瓶固定在孩子的胸前。奶瓶的形状有多样，但奶嘴都是模仿母亲的乳头。到19 世纪末，乳胶制的奶嘴几乎取代其他材料，设计讲究，按流量分S、M、L、+（代表十字孔）几种，以适合不同阶段的婴儿。出于天然原因，多数婴儿都爱吸吮手指头。19 世纪下半叶，西方发明了安抚奶嘴，即在奶嘴后面加个圆板，用它来代替手指满足宝宝的吸吮需求。但进入20 世纪，西方一些医生和家庭护士对使用安抚奶嘴发起责难，认为用它会危害宝宝的健康，是造成牙齿错位、鹅口疮和消化系统紊乱的根源。直到70 年代，大量的研究表明并非如此，情况才发生改变。如今安抚奶嘴在西方国家广泛流行，近年也在影响中国年轻人的家庭。

四、蝙蝠、海豚与声呐
声呐（或“声纳”），也称声雷达，是英文缩略词“Sonar”的音译，原意是“声音导航与测距”。声呐发出的超声波，碰到水中物体被反射回来形成反射波（或称“回声”），反射波被接收机所接收。根据超声波从发出到返回的时间，声呐便可以发现目标并探测出它的距离。声呐是典型的仿生技术，而人们的认识经历了一个复杂的过程。
早在文艺复兴时期，达·芬奇就尝试把两端开口的长管插入水中听测远处的航船，这种传声管被称之为“芬奇管”，是被动声呐的雏形。第一次世界大战推动了声呐技术研究。1915 年法国物理学家保罗·郎之万（Paul Langevin）等人利用电容发射器和炭粒微音器做实验，到1916 年接收到200 米远处的舰甲板的回波。此后，郎之万用石英换能器取代电容发射器，并采用刚研制出的电子管放大器，到1918 年他们已能收到1500 米外的潜艇回波，这是世界上第一个军用声呐。1917 年郎之万获得“水下通讯和水下目标定位的装置”的专利，此后又有多项声呐技术获专利。[6]
在英国，由于潜艇遭遇攻击损失严重，迫使英国政府集中力量研制反潜探测设备。1916 年在英国军方支持下，加拿大物理学家罗伯特·玻意耳（Robert Boyle）领导了一个代号为“ASDIC”的反潜研究小组，研制主动式声呐。工作一直在秘密进行，其成果没有申请专利。
第二次世界大战推动声呐技术研究加速发展。逐步地，科学家也认识到在自然界中蝙蝠和海豚都具有高超的回声定位技能。研究发现，蝙蝠不仅振幅调制（改变声音的响度），也采用频率调制（改变音调）。蝙蝠利用它的声呐，不仅能在黑暗的天空中导航，也能对它的食物定位。蝙蝠能区别出一个十字形与圆环形物体，能区分是虫子还是与其相似的纸片。蝙蝠的声呐可以同时探测几个目标，抗干扰能力也特别强。即使人为地去干扰它，哪怕干扰噪声比它发出的超声波强一二百倍，蝙蝠声呐仍能有效地工作。成百上千只蝙蝠同住一个岩洞，它们都使用声呐，但却互不干扰。而人造声呐却很难排除声波折射和水下反响现象的干扰。[7]
海洋哺乳动物海豚的声呐系统也非常奇特。海豚没有声带，它不是靠嘴发声。它的超声“发射机”是位于头部的、沿呼吸孔至肺部的呼吸道排列的有瓣膜的气囊系统。海豚是用肺部呼吸，吸气时要露出呼吸孔，吸足空气后再潜入水中。空气在气囊系统内循环流动时，便使瓣膜边缘产生振动而发声。产生的超声波通过头前部的“脂肪瘤”向前发射出去。海豚声呐的接收机是它的耳朵及头的某一部位，它的大脑听觉区域的组织特别发达。
研究表明，海豚声呐的精密性和探测距离，都超过现有工程技术中所有的类似装置。海豚在3000 米以外便能发现鱼类，确定它们的位置，区分它们的种类。蝙蝠、海豚等动物声呐系统结构的小巧、高分辨率和高灵敏度，以及优异的抗干扰能力和稳定性，都引起科研人员的极大兴趣，而仿生学的研究，在不断促进声呐、雷达等定位仪器的发展和完善。

五、刺果与尼龙扣
尼龙扣（又称威力扣、粘合带），方便而实用，其发明来源于小刺果的灵感，是仿生技术的范例之一。1948 年，瑞士工程师乔治·德梅斯特拉尔（Georges de Mestral）到郊外打猎，回家注意到裤子上粘了许多小刺果，清理时很麻烦，这使德梅斯特拉尔产生了兴趣，便用放大镜观察，他发现刺果表面布满了细小的刺钩，正是这些小东西勾住了裤子面料。德梅斯特拉尔想，如果在布带子上布置一些类似的小刺钩，使两条这样的带子相对合，用它来代替纽扣、拉链，可能既方便又可靠。有了想法，德梅斯特拉尔便着手试制。然而涉及到材料、机械加工，情况比预想的要复杂得多。经过七八年的努力，到1956 年德梅斯特拉尔终于取得成功，并于1957 年在瑞士、英美等国先后申请了专利。[8] 不久，尼龙扣的生产线建立起来，新产品投入市场。
德梅斯特拉尔给他的发明起名“纬格罗”（Velcro），其名称来自法语Velours（丝绒）和Crochet（钩子）的前3 个字母组合。新发明是由两条等宽的尼龙带组成，一条称作绒带，上面织满绒毛圈；另一条称作钩带，乍看上去像一行行的环形套，仔细观察，环形套从一侧断开，长的部分带有一个弯钩，短的部分呈圆弧状。使用时，将钩带和绒带对合，轻轻一压（称“扣合力”），就联接起来；而要把它们分开，明显感觉到要用较大的力（称“撕揭力”）。
尼龙扣轻巧易拉，结实耐用，又可以清洗，不会锈蚀，上市后受到普遍欢迎。尼龙扣的发明造就了新产业，产品多样化，应用范围不断扩大，绒带和钩带可以做成不同的形状，以适应不同的需要。
以上所说的例子都是在仿生学明确成为新学科以前。自20 世纪60 年代起，随着仿生学的建立，仿生设计进入了新的阶段，由此也掀开发明史的新篇章。

注释：
[1]（ 美） 迈克尔· 怀特：《列奥纳多·达·芬奇——第一个科学家》，阚小宁译，三联书店，北京，2001，第344 页。
[2] 同[1]，第351 页。
[3] 戴吾三等：《影响世界的发明专利》，清华大学出版社，北京，2010，第128 页。
[4]（美）爱德华·田纳：《不只是发明：科技改变人性？》，李佩芝译，时报文化公司，台湾，2004，第58 页。
[5] 美国专利申请书“Artificial Nipple”, 编号US4131， 见美国专利局网站。
[6] 同[3]， 第382-383页。
[7（] 美）D.S. 哈拉西《：仿生学》，《仿生学》编译组译，科学出版社，北京，1975，第57-58 页。
[8] 美国专利号2,717,437，见美国专利局网站。