科學(xué)之美丨無人機(jī)向蝴蝶學(xué)習(xí) 空間站從壁虎找靈感

為了呈現(xiàn)更多維度震撼人心的科學(xué)之美，總臺社教節(jié)目中心策劃推出總臺“科晚”延展品牌——“科學(xué)之美”。

《科學(xué)之美》（第一季）以五大自然奧秘為主題，邀請六位中國科學(xué)院院士：物理學(xué)家、北京大學(xué)原校長王恩哥院士，地衣真菌學(xué)家魏江春院士，天文學(xué)家崔向群院士，神經(jīng)生物學(xué)家與生物物理學(xué)家蒲慕明院士，生物影像學(xué)家、海南大學(xué)校長駱清銘院士，細(xì)胞生物學(xué)與生物物理學(xué)家程和平院士，共同分享科學(xué)之美的體悟。以超微觀攝影、科學(xué)實(shí)驗(yàn)與野外考察紀(jì)實(shí)相結(jié)合的方式，呈現(xiàn)純粹、極致、絢爛的視覺奇觀。記錄科學(xué)與藝術(shù)的共生，吟唱智慧與感性的交響。

從壁虎的飛檐走壁，到帝王蝶的千里遷徙，自然界億萬年的生存密碼，始終是人類科技的靈感源泉。央視科教頻道（CCTV-10）周日（5月4日）晚22:16將播出《科學(xué)之美》第四集《仿生密碼》，從太空站“仿生黏附鞋” 到“仿生機(jī)器人”，從蝴蝶復(fù)眼的“超能力”到指引方向的“自然羅盤”的研發(fā)，看中國科學(xué)家如何將自然智慧淬煉成影響未來的新科技。

壁虎腳掌的“反重力裝置”

無論在垂直的玻璃幕墻上漫步，還是倒掛于粗糙巖壁覓食，壁虎都展現(xiàn)出超強(qiáng)的“反重力”能力。曾經(jīng)，科學(xué)家以為這是吸盤的功勞，南京航空航天大學(xué)戴振東教授團(tuán)隊(duì)在壁虎的腳趾末端，找到了答案。

△玻璃上攀爬的壁虎

△壁虎的腳掌

壁虎腳掌的黏附力，源于每只腳掌密集排列的、僅有數(shù)納米到數(shù)微米粗細(xì)的50萬根剛毛。它們可以深入微小的縫隙，牢牢抓緊粗糙的墻面。

△壁虎腳底的剛毛

△電子顯微鏡下放大2000倍的剛毛

當(dāng)遇到光滑的玻璃時(shí)，絨毛末端的鏟狀分叉又會平鋪開來，通過范德華力產(chǎn)生吸附。

△壁虎腳底剛毛末端的鏟狀分叉

如今壁虎腳掌的結(jié)構(gòu)，竟與遙遠(yuǎn)的中國空間站產(chǎn)生了關(guān)聯(lián)。在太空中，航天員的下肢屈肌群由于失去重力對抗而逐漸萎縮，骨密度流失，而來自地球的仿生智慧給出了解決方案。

△在太空空間站自由漂移的航天員

“仿生黏附鞋”可以在無重力的環(huán)境下，創(chuàng)造一個(gè)“人工重力效應(yīng)”，航天員穿著“仿生黏附鞋”在艙內(nèi)行走，每一次抬腳的撕脫動作，都相當(dāng)于在地面提起幾十公斤的重物，從而有效預(yù)防肌肉萎縮。這項(xiàng)壁虎億萬年進(jìn)化出的獨(dú)特技能，正轉(zhuǎn)化為人類走向太空的“黑科技”。

如今，第一批的仿生黏附鞋，已經(jīng)在中國空間站的神舟十七、十八、十九航天員乘組得到了全系列的應(yīng)用。

△仿生黏附鞋

帝王蝶的“偏振光導(dǎo)航”

每年秋季，十億只帝王蝶從加拿大跨越數(shù)千公里飛抵墨西哥。沒有GPS，它們?nèi)绾尉珳?zhǔn)導(dǎo)航？答案藏在它們獨(dú)特的復(fù)眼結(jié)構(gòu)中。

△昆蟲的復(fù)眼

復(fù)眼視覺系統(tǒng)，使它們能夠捕捉天空偏振光的信息，獲取遷徙的方向。

1808年，法國物理學(xué)家馬呂斯在一次實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一束光通過特殊的光學(xué)器件時(shí)，光強(qiáng)會發(fā)生顯著變化。這一發(fā)現(xiàn)為后來的光學(xué)研究打開了一扇新的大門。

兩百多年后，科研人員用高清攝影機(jī)，記錄下了原本無色半透明的晶體在偏振光的作用下所煥發(fā)出的光彩。

△無色半透明的晶體透過偏振光所呈現(xiàn)出的光彩

△無色半透明的晶體透過偏振光所呈現(xiàn)出的光彩

北京航空航天大學(xué)自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，帝王蝶能捕捉天空中偏振光的振動方向，如同自帶“天然指南針”。受此啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種仿生偏振導(dǎo)航傳感器，通過模擬昆蟲復(fù)眼結(jié)構(gòu)，解析偏振光信息實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。

△光的偏振實(shí)驗(yàn)

與依賴衛(wèi)星信號的導(dǎo)航不同，這種“自然羅盤”基于自然光學(xué)判斷航向，在沙漠、水下甚至電磁干擾環(huán)境中仍能精準(zhǔn)指引方向。目前，該技術(shù)已應(yīng)用于無人機(jī)、潛航器等領(lǐng)域，讓機(jī)器在未知疆域自主尋徑。

仿生機(jī)器人的“進(jìn)化史詩”

戴振東團(tuán)隊(duì)研究壁虎黏附機(jī)制時(shí)，發(fā)現(xiàn)壁虎的運(yùn)動能力遠(yuǎn)比想象中復(fù)雜和協(xié)調(diào)，為仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)開拓了新方向。

△壁虎狹小空間運(yùn)動行為研究實(shí)驗(yàn)

從2004年起，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“仿壁虎機(jī)器人”不斷升級：從替代人類深入危險(xiǎn)管道的檢測機(jī)器人，到地震廢墟中穿梭自如的生命探測器，再到太空軌道上捕捉危險(xiǎn)碎片的機(jī)械臂······科研人員將自然界億萬年進(jìn)化的智慧轉(zhuǎn)化為守護(hù)人類的力量。

△仿壁虎機(jī)器人

△仿壁虎機(jī)器人

仿生學(xué)不僅是技術(shù)的革新，更是一場跨越物種的智慧對話，也是一次美學(xué)與科學(xué)的深情相擁。

仿生科技如何助力科技未來

自然界的生物在漫長的進(jìn)化過程中，寫就了一部充滿生存智慧的“百科全書”。蜘蛛是自然界的“神奇材料大師”，蜘蛛絲比同直徑的鐵堅(jiān)韌5倍，卻輕盈無比，是目前已知彈性和韌性最高的天然纖維。科學(xué)家們一旦破解蜘蛛絲的成因秘密，未來就會在可吸收的手術(shù)縫合材料和自動化工業(yè)使用的纖維等材料領(lǐng)域得到應(yīng)用。

△蜘蛛與蛛網(wǎng)

蜜蜂是隱藏在自然界的“建筑高手”，六邊形的蜂房結(jié)構(gòu)不僅美觀，還體現(xiàn)出了無與倫比的幾何學(xué)智慧，以最少的材料實(shí)現(xiàn)最大承重，其力學(xué)效率令建筑師驚嘆。

△蜜蜂與蜂巢

仿生不是簡單的對自然界生物體的模仿，更是通過理解生物進(jìn)化中的巧妙設(shè)計(jì)來解決人類面臨的復(fù)雜難題。

正如戴振東所言：“仿生學(xué)最終的目標(biāo)是理解自然、保護(hù)自然、和自然共生。我們從自然界得到啟發(fā)，使人類的生活更加方便、更加幸福。”

當(dāng)自然與科技雙向奔赴，人類也將書寫出與自然和諧共生的未來篇章。

《科學(xué)之美》第四集 《仿生密碼》

2025年5月4日 晚22:16

CCTV-10科教頻道

看自然界的“黑科技”

如何點(diǎn)亮人類的未來