开篇：自然的发明局，40亿年的智慧库
2024年9月17日上午，杭州市保俶塔实验学校初二（3）班的科学课上，阳光斜斜穿过走廊的梧桐叶，在课桌上投下晃动的光斑，12岁的肖扬举着半块啃过的吐司面包站了起来。“老师，我觉得人类发明比自然厉害多了！”他指尖沾着面包屑，声音里带着少年人特有的笃定，“我上周刚拆了我爸的旧无人机，能飞100米高，还能拍4K照片，鸟最多只能飞几十米，还不会拍照！人类有手机、有火箭、有潜水艇，自然哪比得上？”
讲台上的林老师没有立刻反驳，她先按下投影仪的遥控器，屏幕上跳出来1903年莱特兄弟的“飞行者一号”试飞的模糊黑白影像：那架木质的双翼飞机摇摇晃晃离开地面，只飞了12秒，59米远，却把全人类的航天梦往前推了整整一千年。“你说得对，人类确实发明了很多厉害的东西。”林老师笑了笑，把屏幕切到金雕在阿尔卑斯山滑翔的高清画面：金雕展开的翅膀有2米多宽，它不用扇动翅膀，就能借助气流在千米高空盘旋3个小时，锋利的爪子能抓住比自身重20斤的岩羊，“但你知道莱特兄弟的灵感是从哪来的吗？”
屏幕上跳出来莱特兄弟的日记手稿，上面密密麻麻画着鸟类的翅膀结构，旁边标注着气流的方向和角度的测算数据。林老师敲了敲黑板上的“仿生学Bionics”几个字：“人类最厉害的发明，从来不是凭空想出来的，都是向自然‘抄’的作业——哦不，是向自然借的智慧。”
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一、飞上天的秘密：鸟的翅膀比飞机更聪明
莱特兄弟小时候住在俄亥俄州的乡下，每天都能看到老鹰在玉米地上空盘旋。他们发现老鹰的翅膀不是僵硬的木板，而是能灵活调整每一根羽毛的角度：上升的时候把翅膀两端翘起来，减少阻力；转弯的时候歪一下翅膀，就能改变方向；降落的时候张开尾羽，就能减速。他们花了好几年时间拆了几十只死鸟的翅膀，测算羽毛的角度和气流的规律，最后给飞机的机翼装上了可以活动的“襟翼”，才让人类第一次飞上了天。
“你们现在坐的民航客机，机翼上那些可以动的部分，其实就是模仿鸟的羽毛设计的。”林老师点开一张波音787的机翼剖面图，上面标注着和鸟类翅膀几乎一致的空气动力学曲线，“自然可是有40亿年的‘发明经验’的：最早的生物出现在35亿年前，到1.5亿年前，鸟类就已经飞上天了，比人类早了多少年？”
这句话让肖扬愣了愣。他以前总觉得发明是科学家在实验室里想出来的，从来没想过，自然居然是个比所有发明家加起来都厉害的“老工程师”。
林老师又放了一段蜂鸟的视频：蜂鸟的翅膀每秒能扇动50次，能倒着飞，能停在半空中吸花蜜，甚至能在暴雨里悬停。现在美国的无人机工程师正在模仿蜂鸟的翅膀结构，做“微型扑翼无人机”，以后可以用来搜救地震灾区被困的人，因为蜂鸟的翅膀不会产生太大的噪音，也不会被风吹走，比现在的螺旋桨无人机好用多了。
“那潜水艇呢？”前排的女生举手问，“是不是也是模仿鱼的？” ---
二、潜入深海的发明：鱼鳔比钢铁更懂浮力
林老师笑着拿出一个透明的橡胶气囊，往里面吹了一口气，气囊就浮在了水面上；她捏紧气口把气放掉，气囊就沉到了水底。“这个就是模仿鱼鳔做的浮力装置，我们中国人在1000多年前就会用了。”
她讲起北宋时期广东沿海的渔民的故事：那时候渔民采珍珠，要潜到几十米深的海底，但是人憋气最多只能潜几分钟，根本采不了多少珍珠。有一次渔民看到鱼鳔可以充气放气，控制鱼的浮力，鱼想浮上来就鼓一下鳔，想沉下去就把鳔里的气放掉，于是他们就找来猪的膀胱，洗干净之后绑在腰上，里面装上空气，要下潜的时候就捏住气口，把膀胱里的气挤出去，人就能沉到海底；要上来的时候就松开气口，让空气慢慢鼓起来，人就会浮上去。这个装置比西方的潜水艇早了整整600年。
“后来明朝的《天工开物Tiangong Kaiwu》里也记载了这个技术，书里叫‘气囊式潜水器’。”林老师点开《天工开物》的影印本，上面画着渔民腰上绑着膀胱，在水底采珍珠的图案，“现在的‘蛟龙号’载人潜水艇，用的也是同样的浮力原理：用特殊的浮力材料控制上浮和下潜，和1000多年前渔民用的猪膀胱，本质上是一样的。”
肖扬的脸有点红，他以前只知道中国的四大发明，从来没想过，原来中国人这么早就会模仿自然做发明了。
林老师又放了一段达尔文1835年在加拉帕戈斯群岛考察的日记片段：“我在这座岛上看到了一种特别奇怪的雀鸟，有的喙又粗又短，像一把小锤子，能嗑开坚硬的坚果；有的喙又细又长，像一根镊子，能夹出树皮里的虫子；还有的喙像个小钩子，能勾出仙人掌里的花蜜。它们明明长得一模一样，为什么喙会差这么多？” ---
三、达尔文的发现：自然是最伟大的“发明家”
1835年，26岁的达尔文跟着“小猎犬号”航海船到了加拉帕戈斯群岛，这座位于太平洋里的火山群岛，和大陆完全隔绝，岛上没有任何大型哺乳动物，只有各种雀鸟、蜥蜴和龟类。达尔文花了3个月时间观察了十几座岛上的雀鸟，发现每个岛上的雀鸟的喙都不一样：种坚果多的岛上，雀鸟的喙又粗又短，能轻松嗑开坚果壳；种仙人掌多的岛上，雀鸟的喙又长又弯，能吃到仙人掌里的花蜜；种虫子多的岛上，雀鸟的喙又细又尖，能钻进树皮里夹虫子。
达尔文当时特别困惑：这些雀鸟明明长得一模一样，为什么喙会不一样？后来他回到英国，研究了3年，终于想明白了：这些雀鸟的祖先都是一样的，是从南美洲飞过来的，但是飞到不同的岛上之后，每个岛上的食物不一样，喙适合吃岛上食物的雀鸟能活下来，生的小雀鸟也继承了这个喙；喙不适合的雀鸟找不到吃的，慢慢就死光了。过了几百万年，同一个祖先的雀鸟，就变成了好几种不一样的“物种”。
“这就是演化的力量。”林老师敲了敲黑板上的“演化Evolution”几个字，“自然没有图纸，也没有实验室，它只是让所有生物不断‘试错’：跑得慢的被老虎吃掉，找不到食物的饿死，只有刚好有‘特殊技能’的才能活下来，把这些技能传给下一代。40亿年下来，自然攒出来的‘发明’，比人类几千年的发明要多得多，也聪明得多。”
她点开一张对比图：左边是蝙蝠的耳朵和嘴，右边是二战时期的雷达天线，形状几乎一模一样。“你们知道雷达是怎么发明出来的吗？二战的时候，盟军需要一种能在雨天、雾天探测到德国飞机的设备，但是当时的雷达一碰到雨滴，信号就被干扰了，根本没用。后来有个工程师看到蝙蝠在雨天飞得特别好，不会撞到东西，他就研究蝙蝠的原理：蝙蝠的嘴能发出人听不到的超声波，碰到障碍物之后反射回来，耳朵接收到了，就能判断障碍物的位置和距离。他就模仿这个原理，改良了雷达的信号，让雷达能穿透雨雾，成功击落了德国的轰炸机，救了上百万人的命。”
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四、什么是仿生学：向40亿年的智慧库借答案
“刚才我们说到的这些，模仿生物的结构、功能、行为来做发明，就是仿生学。”林老师点开屏幕上的定义：仿生学Bionics，是1958年美国空军科学家杰克·斯蒂尔Jack Steele提出的概念，是生物学Biology和电子学Electronics的结合，核心是模仿生物在长期演化中形成的特殊技能，来解决人类遇到的各种问题。
“很多人觉得仿生学就是‘抄生物的外形’，比如做个像鸟一样的塑料翅膀，扇起来想飞，那肯定飞不起来。”林老师笑着摇头，“仿生学要抄的不是外形，是自然的‘底层逻辑’：比如鸟的翅膀为什么能飞？是因为翅膀的形状能让空气产生升力，我们不需要做一对像鸟一样的翅膀，只要把机翼做成和鸟翅膀一样的流线型，就能产生升力，让飞机飞起来。”
她放了一张鲨鱼皮的电子显微镜照片：鲨鱼的皮肤上覆盖着数百万个微小的鳞片，叫“盾鳞dermal denticles”，每个盾鳞的表面都有细小的纹路，像一个个小小的“减阻器”，能让水流顺着纹路快速滑过，减少90%的阻力，所以鲨鱼游起来比最快的潜艇还快。后来科学家模仿这个原理，做了泳衣的面料，上面有和鲨鱼盾鳞一模一样的微小凸起，能减少水对人的阻力。2000年悉尼奥运会上，澳大利亚选手伊恩·索普Ian Thorp穿了这款“鲨鱼皮泳衣”，拿了3块金牌，后来国际泳联觉得这个技术优势太大，不公平，就禁用了，但是现在这个技术用在了民用泳衣、轮船船体上，能减少30%的燃料消耗，特别环保。
“还有你们夏天用的自清洁外墙涂料，也是模仿自然的。”林老师点开荷叶的电子显微镜照片：荷叶的表面有无数个微小的蜡质凸起，比水珠的表面张力还大，所以水落在荷叶上不会铺开，只会变成小水珠滚下来，把灰尘也带下来，所以荷叶永远都是干净的。现在很多高楼的外墙、汽车的漆，都用了这个“疏水效应Hydrophobic Effect”的技术，下雨的时候就能自己洗干净，不用再花钱雇人洗楼、洗车了。
她甚至放了一段壁虎的视频：壁虎能在光滑的玻璃上倒着走，还能在天花板上爬，不会掉下来。科学家用电子显微镜观察发现，壁虎的脚上有数百万根细小的刚毛，每根刚毛只有头发丝的百分之一粗，末端还有更小的分叉，能和物体表面的分子产生“范德华力Van der Waals Force”——虽然每根刚毛的力量特别小，但是几百万根加起来，能挂住几十斤的重量。后来科学家模仿这个原理做了“壁虎胶带”，不用胶水就能粘东西，还能反复撕下来用，现在用在航天领域，比如国际空间站的太阳能板坏了，不用派宇航员出舱维修，用壁虎胶带就能粘好新的，省了几百万美元，还特别安全。 ---
五、自然的发明局：40亿年的免费智慧库
“你们现在生活里用的很多东西，其实都是向自然借的智慧。”林老师关掉投影仪，拿起讲台上的一只仿生学设计的鼠标，“这个鼠标的弧度，是模仿人手握拳的曲线设计的，用久了不会累；还有你们穿的防臭运动鞋，鞋垫是模仿竹子的中空结构设计的，透气又轻便；甚至你们吃的薯片，那种波浪形的设计，也是模仿树叶的脉络，能减少破碎，口感更脆。”
她走到肖扬面前，笑着问：“现在你还觉得人类发明比自然厉害吗？” 肖扬挠了挠头，脸更红了：“我原来以为发明都是科学家想出来的，没想到都是自然教给我们的。” “没错，自然就是一家开了40亿年的‘发明局’。”林老师敲了敲黑板上写的标题——自然的发明局：向万物借智慧的仿生设计课，“它没有专利，不收学费，所有的发明都免费开放给人类，就等着我们去观察、去学习。”
她打开教室的窗户，一阵桂花香飘了进来，操场上能看到几只麻雀在蹦跶，墙角的蜗牛正慢慢爬过梧桐树的树干。“你们每天都能看到这些动植物，但是有没有想过，它们其实都有‘特殊技能’：麻雀为什么能在电线上站着不会触电？蜗牛爬过的地方为什么会有亮晶晶的线？桂花为什么这么香，虫子都不吃它？”
她从抽屉里拿出一个小本子，递给前排的学生：“接下来的15节课，我们就要当‘自然发明家’，去观察身边的动植物，找到它们的特殊技能，然后想办法把这些技能变成能解决人类问题的发明。比如你观察到蚂蚁能搬比自己重10倍的食物，就可以想：能不能模仿蚂蚁的腿部结构，做一种能搬重物的机器人，帮工人搬建筑材料？”
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你的第一个自然观察任务
请在接下来的一周里，观察你身边的3种动植物，记录它们的“特殊技能”，可以参考下面的方向： 1. 观察1种昆虫：比如蚂蚁、蜜蜂、蟑螂，它们有什么特殊的能力？ 2. 观察1种植物：比如仙人掌、蒲公英、荷叶，它们有什么适应环境的特殊结构？ 3. 观察1种脊椎动物：比如鸟、鱼、壁虎，它们有什么人类做不到的技能？
把你观察到的内容写在本子上，下一节课我们会一起讨论怎么把这些技能变成发明的灵感。比如你观察到蜻蜓的翅膀上有翅痣，能防止翅膀被风吹裂，就可以想：能不能模仿这个结构，做更轻更结实的无人机机翼？
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📌 电子版侧边栏：拓展小知识
> 💡 小思考：萤火虫为什么会发光？ > 萤火虫的发光效率是100%，也就是说它产生的光几乎没有热量，而我们用的白炽灯，90%的电都变成了热量，只有10%变成了光。现在科学家正在模仿萤火虫的发光原理，做“冷光LED”，以后家里的灯就不会烫了，还能省很多电。 > 🔗 点击观看萤火虫发光原理的科普视频：[自然发明局·萤火虫的冷光秘密](https://example.com/firefly-light)（注：此处为示例链接，实际出版时可替换为真实视频资源）
📖 纸书页边注
> 📚 拓展阅读 > 关于北宋渔民用猪膀胱做潜水装置的记载，可参见《天工开物》卷八《锤煅》篇；关于达尔文在加拉帕戈斯群岛的考察日记，可参见《小猎犬号航海记》。 > ⏳ 历史时间轴 > 35亿年前：最早的生命出现 > 1.5亿年前：鸟类开始飞行 > 公元10世纪：中国渔民模仿鱼鳔发明潜水装置 > 1903年：莱特兄弟发明飞机 > 1958年：仿生学成为正式学科
现在，请你先放下书本，走到窗边看看：那只正在爬墙的壁虎，那只在花上吸蜜的蜜蜂，那株在石缝里长大的蒲公英，它们每一个，都是自然发明局里的“专利发明家”，等着你去发现它们的秘密。
```mermaid graph LR A[自然观察] --> B[提取生物原理] B --> C[转化为技术方案] C --> D[测试优化] D --> E[落地应用] E --> A[新一轮观察] ``` *图1-1 仿生学发明的基本流程：自然界的发明经验会不断反哺新的发明，形成循环*
```plantuml @startuml package "仿生学应用领域" { [航空航天：蜂鸟无人机、鲨鱼皮飞机涂层] as a [建筑工程：自清洁外墙、白蚁巢穴通风系统] as b [医疗健康：人工关节、仿生义肢] as c [日常生活：防臭鞋垫、魔术贴] as d [环境保护：仿生净水材料、光伏板自清洁涂层] as e } @enduml ``` *图1-2 仿生学的应用领域已经覆盖了人类生活的方方面面*
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中英双语核心术语表
| 中文术语 | 英文术语 | 简单解释 | |----------|----------|----------| | 仿生学 | Bionics | 模仿生物的结构、功能、行为做发明的学科 | | 演化 | Evolution | 生物经过几十亿年的试错，适应环境的过程 | | 适应性适应 | Adaptation | 生物为了适应环境演化出的特殊技能 | | 回声定位 | Echolocation | 蝙蝠、海豚等动物通过发出超声波判断位置的能力 | | 疏水效应 | Hydrophobic Effect | 物体表面排斥水，让水变成水珠滚落的特性 | | 范德华力 | Van der Waals Force | 分子之间的微弱吸引力，壁虎粘墙的力量来源 | | 盾鳞 | Dermal Denticles | 鲨鱼皮肤上的微小鳞片，能减少水的阻力 |
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📱 电子版互动任务
> 点击上传你观察到的动植物照片，我们会选出最有创意的观察，在下一章的“自然发明家专栏”里展示你的发现！ > 🔗 上传入口：[自然的发明局·观察任务提交页](https://example.com/submit-observation)（注：此处为示例链接，实际出版时可替换为真实提交页）
下节课，我们会一起走进校园里的“自然发明局”，观察蚂蚁、梧桐、麻雀这些你每天都见的动植物，找到它们藏了千万年的特殊技能，说不定下一个改变世界的发明，就来自你的观察。
2024年9月17日上午，杭州市保俶塔实验学校初二（3）班的科学课上，阳光斜斜穿过走廊的梧桐叶，在课桌上投下晃动的光斑，12岁的肖扬举着半块啃过的吐司面包站了起来。他上周在西湖边玩无人机时撞上了柳树，桨叶断了两片，所以此刻语气里带着少年人特有的笃定和一点不服气：“老师，我觉得人类发明比自然厉害多了！我上周刚拆了我爸的旧无人机，能飞100米高，还能拍4K照片，鸟最多只能飞几十米，还不会拍照！人类有手机、有火箭、有潜水艇，自然哪比得上？”
讲台上的林老师没有立刻反驳，她先按下投影仪的遥控器，屏幕上跳出来1903年莱特兄弟的“飞行者一号”试飞的模糊黑白影像：那架木质的双翼飞机摇摇晃晃离开地面，只飞了12秒，59米远，却把全人类的航天梦往前推了整整一千年。“你说得对，人类确实发明了很多厉害的东西。”林老师笑了笑，把屏幕切到金雕在阿尔卑斯山滑翔的高清画面：金雕展开的翅膀有2米多宽，它不用扇动翅膀，就能借助气流在千米高空盘旋3个小时，锋利的爪子能抓住比自身重10公斤的岩羊，“但你知道莱特兄弟的灵感是从哪来的吗？”
屏幕上跳出来莱特兄弟的日记手稿，上面密密麻麻画着鸟类的翅膀结构，旁边标注着气流的方向和角度的测算数据，其中一页还贴着一根老鹰的飞羽，旁边写着“羽毛末端的分叉能减少气流扰动”。林老师敲了敲黑板上的“仿生学Bionics”几个粉笔字：“人类最厉害的发明，从来不是凭空想出来的，都是向自然‘抄’的作业——哦不，是向自然借的智慧。”
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一、飞上天的秘密：鸟的翅膀比飞机更聪明
莱特兄弟小时候住在俄亥俄州的乡下，每天都能看到老鹰在玉米地上空盘旋。他们发现老鹰的翅膀不是僵硬的木板，而是能灵活调整每一根羽毛的角度：上升的时候把翅膀两端翘起来，减少空气阻力；转弯的时候歪一下一侧的翅膀，就能改变飞行方向；降落的时候张开尾羽，就能增加阻力减速。他们花了好几年时间拆了几十只死鸟的翅膀，测算羽毛的角度和气流的规律，最后给飞机的机翼装上了可以活动的“襟翼”，才让人类第一次飞上了天。
“你们现在坐的民航客机，机翼上那些可以动的部分，其实就是模仿鸟的羽毛设计的。”林老师点开一张波音787的机翼剖面图，上面标注着和鸟类翅膀几乎一致的空气动力学曲线，机翼末端的“翼梢小翼”还被红色箭头特别标注出来，“自然可是有40亿年的‘发明经验’的：最早的生物出现在35亿年前，到1.5亿年前，鸟类就已经飞上天了，比人类早了1.49亿年。”
这句话让肖扬愣了愣。他以前总觉得发明是科学家在实验室里凭空想出来的，从来没想过，自然居然是个比所有发明家加起来都厉害的“老工程师”。
林老师又放了一段蜂鸟的高清慢放视频：蜂鸟的翅膀每秒能扇动50次，能倒着飞，能停在半空中吸花蜜，甚至能在暴雨里悬停，翅膀边缘看不到一点水珠。“现在美国的工程师正在模仿蜂鸟的翅膀结构，做‘微型扑翼无人机’，和现在的螺旋桨无人机不一样，它没有噪音，抗风性也强，以后可以用来搜救地震灾区被困的人，哪怕在废墟里的小缝隙里也能飞，不会像螺旋桨无人机那样撞坏桨叶。”她点开一段土耳其地震的搜救视频，一架巴掌大的蜂鸟无人机正从倒塌的楼板缝隙里钻进去，传回了被困者的位置，“去年土耳其地震的时候，这种无人机就救出了17个被困的孩子。”
“那为什么达芬奇当年做的扑翼机飞不起来？”前排的男生举手问，他上周刚看了达芬奇的传记。 “问得特别好！”林老师笑着点开达芬奇画的扑翼机设计图，画里的机器和人一样大，翅膀是木架撑起来的帆布，人站在上面上下扇动翅膀，“达芬奇是第一个想到模仿鸟飞的人，但他只抄了鸟的‘外形’，没抄鸟的‘底层逻辑’：鸟的骨头是空心的，比钢铁还轻但是强度很高，肌肉的发力方式也和我们不一样，扇动翅膀的频率能达到每秒几十次，人根本做不到。他只抄了外形，所以做出来的扑翼机根本飞不起来，他自己试飞的时候还摔断了腿。”
她点开一段哈佛大学做的“机器鸟RoboRaven”的视频：这只机器鸟和真麻雀一样大，翅膀是碳纤维做的，模仿鸟的骨骼结构，能独立控制每一片“羽毛”的角度，不仅能飞，还能做俯冲、翻滚、倒飞的特技动作，甚至被美国加州的一只老鹰当成真的鸟抓过，抓坏了翅膀才掉下来。