师法自然,论仿生技术是如何改变世界的

人工智能 发表于 2018-07-09 11:50:44 收藏 已收藏
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师法自然,论仿生技术是如何改变世界的

人工智能 发表于 2018-07-09 11:50:44

本文编译自题为“BioConvergence: How nature-inspired technology is transforming our world”的文章。向自然学习”,这并非是句空话。本文介绍了科学家如何借鉴大自然,在材料科学,信息技术等领域实现创新。希望能为您带来启发。

大自然经过45亿年的演变与发展,独创出一套生命法则。例如高大的红杉树,可以抵抗重力作用将水分营养,输送至100米高的树顶。大自然便是如此发展出许多著名的规律法则,生命遵循各自的自然法则,适应,繁衍。

多年以来,研究人员持之以恒地通过研究大自然,以实现创新。比如一名瑞士科学家,有一次在阿尔卑斯山远足时,发现针尾草牢牢粘在他的衣物和宠物狗身上,后来他用了十年时间研究出了魔术贴,向世界证明:坚持向大自然探索,也可以有所收获。

师法自然,论仿生技术是如何改变世界的

简单来说,生物融合就是对自然界的研究,以及将自然作用于现象应用于创新的实践。从技术的角度,它是仿生生物学,物理学和计算机技术的集合。该领域正创造出许多激动人心,富有创造力的科技成果,例如新型材料与新制造技术,它们能高效地制造出更为耐用的产品。

研究人员正密切关注生物融合领域,希望为解决科学问题寻找更加高效,多样和独创的方式。到2030年,全球人口预计将增至85亿,其中10亿人将晋身中产阶段,对资源的需求愈发强烈。这些需求都与一个问题紧密相连——可持续发展。对可持续发展的担忧迫使科学家要尽快寻找到新时代能源利用,资源消耗以及制品生产等问题的方法。以下我们将介绍利用生物融合改造世界的例子。

仿生制造工艺

未来,资源消耗或许将赶不上需求增长的速度,因此新的生产工艺,材料的理化特性,采用的科学原理,将是我们关注的重点。新的工艺鼓励利用定制化,甚至个人化的材料制造不尽相同的产品。好比利用树木的纤维素制成一根新的树枝,树枝因此获得了柔韧性。显然,它和同一棵树上的其它树枝不同。尽管来源都是同一棵树,但根据不同的取材位置,它们的机械强度也会有所差异。

在未来,只需对材料“做加法”,进行修饰,就能控制生产流程,减少污染物的排放。不必额外取材,移花接木,更不必删繁就简,我们就可以为材料赋予所需的性质。

仿生材料学

仿生材料是一类模仿生物与天然材料的结构,性质与功能的合成材料。例如能模拟光合作用,吸收光能的光学材料;模拟贝母结构的复合物;以及模仿水母运动的机器人。随着3D打印技术的兴起,科学家通过大自然获取灵感对新材料进行设计,从而取代已有材料,开发新的制造工艺。

美国国家学术出版社一篇名为《满足21世纪国防需求而进行的材料研究》的文章曾说到,“生物有机体内大量的小分子,微结构与次级系统都具有令人瞩目的材料特性,而这些都是现今非生物合成工艺所无法制造的。因此,有机体内各级层次以及天然合成路线都能作为制造增强合成材料的基础。”

科学家受鸟类的骨骼启发,合成出新的混凝土。他们发现鸟类的骨骼具有中空结构,但却能支撑鸟身,具有良好的韧性。德国慕尼黑工业大学利用3D打印技术,制备了一种轻质的水泥管,其内部支撑网络与鸟类骨骼结构相似。以结构效率和结构体积为重点。以简约的设计满足生理需求,这就是设计仿生材料的基本理念。

慕尼黑工业大学土木工程系主任Klaudius Henke表示,“这种材料借鉴了鸟类轻薄却稳健的骨骼,由于传统方式无法制造相应的结构,因此3D打印技术的出现将颠覆这一领域。3D打印实现了材料造型多样化,以及结构类型多元化,因为每个材料部件都可以独立设计,不需花费额外成本。”

DNA存储技术

除了材料领域,自然界还在数据储存方面为研究者提供指引。部分科学家表示,全球数据使用量逐年呈指数性增长,预计到2040年,全球数据储存的需求就会超过闪存器件原材料硅的供应量。

为此,科学家希望利用自然界最高效的存储单元DNA(脱氧核糖核酸),来解决上述问题。传统的硬盘驱动器为二维结构,而DNA由核苷酸组成,内含磷酸盐,脱氧核糖与含氮碱基,是一类具有三维结构的有机化合物,单位面积储存的信息更多。科学家利用DNA数字存储技术,仅1gDNA便可以储存2.15亿GB信息——这一数字相当于全互联网的数据总量。作为一种天然材料,DNA结构紧密,在通风阴凉处可以完好保存数十万年。

哥伦比亚大学计算机科学家Yaniv Erlich说:“DNA不存在过期的问题,不会像卡式磁带和CD那样,随时间推移而降解失效。”即使是埋藏超过70万年的骨头碎片,它保存的DNA也能提供许多有用的信息,而且与闪存相比,DNA储存消耗的能量仅为前者的百万分之一。

渗透能发电

生长在沿海地区的红杉树高达100米,从地底汲取水分与营养素,通过其营养输送系统分布至全身。科学家受此启发,通过渗透能的原理生产可再生能源。

在挪威的托夫特河,有一台利用渗透能无碳发电的原型机。电力通过常见的咸淡水渗透现象而产生。能源公司Statkraft负责人Skilhagen表示,“全球对绿色能源的需求十分迫切,而渗透能就是很好的资源。咸淡水通过渗透产生电能,环保可再生。”

Statkraft的发电厂从附近地区抽取咸淡水,分别注入两个由渗透薄膜隔开的水箱。此时淡水会向咸水渗透,咸水一侧产生渗透能,发电轮机因而启动。渗透能每年可产生大约1700兆瓦时电量,这一数值是目前欧盟各国总耗电量的一半。

人脑AI

人工智能诞生之初,科学家曾预言未来计算机在处理指令时,能像人类一样进行思考。神经网络便是受动物大脑的神经系统启发而发明的。如今,研究人员对神经网络加以改造,大胆地将人脑与计算机“合二为一”。位于美国加州的初创公司Koniku,正在研究将动物神经元加载到硅片上,研发相应的计算机芯片。

该企业创始人,尼日利亚神经科学家,生物工程师Oshiorenoya Agabi曾说过:“生物学是技术之灵。所有深度学习网络的设计目的都是仿效大脑的思考模式。”Agabi表示他的团队试图研究如何向神经元传达指令完成具体的任务,如机场炸弹探测。他们会将设备放置在机场周围不起眼的角落,相信能缓解日常机场安检的压力。

Koniku研制的设备能探测出挥发性物质,因此还能应用于医学领域,识别人体指标分子的变化,“嗅出”疾病。它用一个碟状装置控制神经元间的信息交流,内置的电极可以让使用者读取仪器数据,甚至向神经元写入新信息。

“未来将是合成生物学的世纪,今天的一切都是为此而做的铺垫,而人脑AI将会成为机器人的设计方向。”Agabi表示。

能量网格群逻辑

蜜蜂是大自然的一个奇迹。它们不需任何指令,仅凭在蜂巢的位置以及周围蜜蜂的工作,就能清楚自己的职责。

智能能源管理公司Encycle借鉴蜜蜂内部去中心化的群逻辑,提高能量网格效率。摒弃了过去中心化分配能量的模式,新装置使用多个本地控制器,它们之间通过无线电交流信息,对能量进行合理调配。

企业还将其应用扩展到屋顶空调系统,恒温器与建筑管理系统当中。系统利用温度传感器控制空调开关,从而节约能源,错峰用电。

保护以推动创新

创新之路任重道远,而最伟大的创新者非大自然莫属。在各个尺度上,存在于地球的数十亿生命形式都能为我们的创新之路给予启迪。

保护不应该只停留在自然资源的层面上,还应该对这个时代的创新的关键问题进行讨论。自然界蕴藏着生物进化的奥秘,因此善待自然,我们的世界才会变得更好。

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