从鲨鱼表皮到泳衣,从红火蚁群行为到群体机器人,讲述自然现象及其人工应用,《仿生设计》节选——
神话与现实中的仿生
从鲨鱼表皮到泳衣,从红火蚁群行为到群体机器人,讲述自然现象及其人工应用,《仿生设计》节选——
神话与现实中的仿生
《仿生设计》 [英]薇罗妮卡·卡普萨利著张靖译 广西师范大学出版社
本书作者是一位兼具生物学家和设计师背景的专业人士。她以深入浅出的方式,详细阐述了每一种自然现象及其人工应用,并对生物学和设计背后的故事进行了通俗易懂的解释。书中列举的例子大多已经开发成具体的产品,而另一些则为有志于创新的设计师指明了可能的发展方向。
大自然的美妙、力量与浩瀚广博总能激起我们心中最原始的情感,为我们提供永不枯竭的美学灵感,人类历史上的众多艺术作品都体现了这一点。
代达罗斯
在希腊神话中,代达罗斯是一位才华横溢的建筑师、雕塑家和发明家,以其艺术造诣和心灵手巧而闻名。他有一个侄子叫塔卢斯(也叫佩迪克斯),在他那里做学徒。这个神话中出现了一个特定的发明:塔卢斯在海滩上散步时,发现了一条死鱼的完整脊椎,经过仔细观察,他用金属重制了这种结构,从而创造了第一把锯子。
代达罗斯对他的天才侄子的嫉妒与日俱增,以至于有一天,他把塔卢斯从卫城上推下致其死亡,结果,代达罗斯因罪行被流放到克里特岛,为米诺斯国王服务。他想和他的儿子伊卡洛斯一起逃离克里特岛,但米诺斯控制了陆路和海路,于是,代达罗斯想从天上找到逃跑的办法。受鸟类飞行的启发,他用蜡和羽毛制作了翅膀,在翅膀的帮助下,这对父子成功地飞离了克里特岛。尽管代达罗斯警告过儿子不要飞得太高,但伊卡洛斯并未放在心上,最终,太阳的热量熔化了蜡,导致翅膀解体,伊卡洛斯从空中坠落而亡,只有代达罗斯一人最终抵达西西里岛。
埃迪斯通灯塔
埃迪斯通灯塔位于英格兰南部德文郡海岸外,用于警告船只注意附近危险的埃迪斯通礁石。该地点承受的风浪极大,用木材建造的两座灯塔无法长久维持。18世纪中期,土木工程师约翰·斯密顿受命设计第三座灯塔,他以橡树的形状为原型,设计宽阔的底盘以增强稳定性,并以花岗岩作为主要材料。灯塔于1759年竣工,之后近100年都保持完好。该项目的成功不仅归功于优秀的建筑设计,还有两项创新也发挥了重要作用:其一是水硬性石灰的应用,这是一种特有的混凝土,最初罗马人使用过,可以在水下凝固成型;其二是使用创新的燕尾形构件将花岗岩块固定在一起,形成特别坚实耐用的砌体结构。
水晶宫
欧洲人于19世纪初发现的巨型睡莲[亚马孙王莲],据说长期以来被认为是1851年第一届世界博览会的举办地——英国伦敦海德公园的水晶宫的设计灵感来源。然而,现在人们认为这个故事本身就是一个神话。1847年,第一批热带植物标本被运抵英国,并被送到英国皇家植物园邱园的园艺师手中。这些园艺师努力地为这批植物创造了一个生存环境,并将其中一株幼苗送到了查茨沃斯庄园首席园艺师约瑟夫·帕克斯顿那里。
帕克斯顿是一位才华横溢的园艺家,同时也是一位富有创意的工程师,他将植物学知识应用于温室的设计。通过各种建造实验,他发明了一种“脊沟式”屋顶系统——能够完全用玻璃和铁制成的一个大型结构。帕克斯顿利用它开创性地设计建造了查茨沃斯百合屋,这是一个巨大的玻璃罩棚,可以用来培植亚马孙王莲幼苗。1849年,他培育出了第一株在英国种植的亚马孙王莲。
帕克斯顿借鉴百合屋的建造经验,为1851年的世博会展览提出了一个雄心勃勃的建筑设计方案。设计想法一经提出便广受好评,于是他被任命为该展馆的建筑师,完成了世界上最大的仅用铁和玻璃建造的建筑——水晶宫。展览结束后,帕克斯顿受邀在英国皇家艺术学会发表了一场关于该建筑设计的演讲,其间他展示了一幅亚马孙王莲叶片的插图。据说,一位过于热情的记者误解了帕克斯顿的发言,于是就有了这个关于设计灵感的传说。尽管亚马孙王莲叶片的结构与水晶宫的“脊沟式”屋顶系统有相似之处,但事实上,山毛榉等其他类型的植物叶片与该设计更为类似。
埃菲尔铁塔
另一个早期仿生学的例子是为1889年巴黎世博会建造的埃菲尔铁塔。法国结构工程师古斯塔夫·埃菲尔是一位才华横溢的工程师,他的专长是设计由支柱和铆钉组成的大型铁结构。他的代表作包括葡萄牙波尔图的玛丽亚·皮亚铁路桥(1877年),以及法国雕塑家弗雷德里克·奥古斯特·巴托尔迪在纽约设计的自由女神像的内部框架(1884年)。
据说,埃菲尔铁塔的灵感来自德国解剖学家赫尔曼·冯·迈耶和瑞士工程师卡尔·库尔曼的共同研究,前者在人类股骨的内部结构中发现了一种被称为骨小梁的交叉纤维,后者创建了这些纤维的数学模型,将其类比为建筑物中使用的支柱和支架。
埃菲尔铁塔的最初设计实际上是由埃菲尔的两名员工于1884年构思的,一位是曾师从于卡尔·库尔曼的瑞士工程师莫雷斯·克什兰,另一位是法国工程师艾米勒o努吉耶。古斯塔夫·埃菲尔利用他在大型金属结构方面的专业知识,计算出了抵抗风荷载所需的基础塔架的曲线,从而完善了该铁塔的设计。这样一座300多米高的铁塔是1889年世博会展览的中心建筑,现在已成为历史上最具标志性的建筑之一。
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