生物化的一年：甲虫，螳螂虾和更多的灵感创新
是的，这是一年中的时间：第三届年度TOMMIES的时间，我的挑选了2011年的十大生物启发创新。
我的任何创新者的奖品仍然存在：在旧金山的Buena Vista享用爱尔兰咖啡。
以下是由激励他们的生物排列的发明或发现：
鲱鱼鸥。这种长寿沿海鸟是沿着欧洲西部和北部的整个岸边的常见景象。然而，我们对其外观的熟悉不能在其空中杂技中掩盖我们的奇迹。这只鸟是一个完善的传单，并激发了VolkenFesto AG和Co.的仿生学习网络德国实现了另一个令人印象深刻的生物启发工程。
SmartBird是485克泡沫塑料和碳纤维的建设，一些伺服电机，齿轮和联系，完成了一些人的东西已经尝试并失败了几个世纪 - 比飞行飞行真正模仿鸟类生物力学。
这种装置从灵活的两部分翅膀的拍打中获得了推力和升力，这是一项概念，即航空工程师很久以前被遗忘的挫折。
由Markus Fischer和Wolfgang发送的设计团队声称该装置的空气动力学效率实现了80％，并且能够通过其复杂的软件控制系统和其翼表面的主动扭转保持最佳气流。其翼表面的弯曲与翅膀的拍打精确协调，以在两种生物体和航空中产生这种里程碑。
这种突破通过了鸟飞机机械机械的强烈研究，一个知情的翻译到可用的最佳材料，并理解力量的精确整合是为了模仿维持在活跃的气流所需的复杂感应和运动所需的翅膀。
2.投手植物。这种沼泽居住的植物生活在营养较差的土壤条件下，并进化以另一种方式得到其日常需求 - 通过将肉放在菜单上。它通过将它们捕获在其水性碗中而捕获昆虫，在那里它们被植物溶解和吸收。由于其超滑表面，唇碗是一种改性叶片，是有效的，是有效的。
在哈佛大学的Wyss生物学启发工程学院Aizenberg实验室的科学家正在寻找一个光滑的天然表面材料和投手植物作为他们的顶级候选人研究。他们的初步目标是综合一种“无人物”的材料，拒绝了一切。
Bohn和Federle于2004年研究，揭示了工厂的植物的独特性质，“碗”的圆润唇。重叠的湿细胞形成各向异性脊，其中将水溶液保持在表面张力中作为薄膜。用它们的吸入杯脚板形成，实际上形成的边缘，实际上，实际上是一个微小的滑动滑动，甚至是蚂蚁，不能在表面上抓住抓地力，并将水上普通到他们的厄运。
哈佛队需要生产完全润滑液体完全润湿的结构，这种材料必须优选将该液体保留在其上的任何其他液体上，并且两种液体必须不混溶，换句话说，不能混合。它们制造了一种随机基质的Teflon纳米纤维，它们填充有3M（Fluorinet Fc-70）的低张力全氟化专有液体。
他们称他们的产品滑块（光滑的液体注入多孔表面），实际上似乎唤醒了一切： - 血液，油，甚至冰不能在其表面形成。事情以仅仅2度的角度和液体拖出，液体会染色其他滑纹的表面完全退出表面。他们赢了的是产品开发三叶草：新材料不仅是自我清洁，还是自我清洁和自我组织。当在结构基质中切割时，液体迅速填充间隙，并且湿滑的表面性能继续不减。
Lead Carchsera德唱Wong报告新的生物材料在低温和高压下表现良好，他认为它比Teflon更滑，我们工业世界的统治光滑固体。它对一系列生物医学，工业和其他应用，如管涂材，自清洁公共表面和去冰应用是有用的。并非最不重要的是，它的透明度潜力和自我清洁使其成为镜片，传感器和太阳能电池的绝佳选择。
本质上灵感的创新者在这里发出了一个问题。如何制作湿滑的表面？首先，认为不是所有表面都是坚实的。实际上，就性能而言，该植物的材料结构对于其空隙而言比其固体基质更重要，因为它是将昆虫的工作与等待碗一起工作的液体。一旦这成为接触材料，液体介质就会带来了额外的特性：液体通常通过分子键组织自身组织，它们可以自动填充固体中的间隙，从而增加自我组织和自我愈合的益处。这是“免费上冲浪”的重要例子，其中设备利用自然物理，材料或结构性，以便进行工作。
3. Homo Sapiens。动物世界中至少有10种不同类型的眼睛机制，人类拥有的装置是一种进化工程的奇迹。我们能够将眼睛自动关注到各种距离，即使在跑步时也是如此。围绕晶体镜片合同的脐带肌肉，并根据需要放松，以使我们的眼睛镜头变形，以便为所需的不同焦距变形。
只是这样的“可调”镜头在消费电子，医疗诊断和光通信领域非常有用。人造镜头及其执行器已经完成了很多研究;由机械，光学，电气，热或化学手段触发的智能设备。
Danilo de Rossi教授和他的团队在比萨大学工程学院，使用电活性弹性体作为人工肌肉设计了可调镜头，就像在人眼中一样。填充流体的弹性体透镜与介电弹性体致动器的环集成。在电激活或停用时，致动器放松或拉伸镜头，改变焦距。De Rossi团队能够使用该合成装置复制人眼的焦点范围。潜在的好处在其沉默的操作中，低功耗，相对耐用性和抗冲击性抵抗。
这里的生物创新概念是代替材料或能量的信息。在这种情况下，信息嵌入弹性材料中。它的性质允许一致和可预测的一系列性能，一旦被微小的电荷触发。简单，轻巧和耐用的零件和系统省钱，自然有很多才能教我们这个分数。
纳米布沙漠甲虫。哦，我的天哪，一个重复的胜利者！这种动物能够将水分从沙漠的夜空中拧出以便生存。它面向普遍的海风，让它的冷却机体冷凝的小滴水凝结在其等候嘴里。通过壳体的疏水部件包围的巧妙系列亲水凸块确保液滴形成。
该生物已经启发了劳动的又一发明，以解决我们缺乏饮用水的稀缺。James Dyson奖励 - 赢家Edward Linacre澳大利亚墨尔本的Swinburne大学设计了AIRDROP Water Harvester作为一种简单的集成系统，为干旱地区提供水量。它包括收集器，冷凝器，储罐和地下滴灌分配网络，并且很容易被农民安装和维护。
就像它的生物导师一样，AirDrop利用表面温度差异来强迫水蒸气的冷凝，但它使用地下土壤来做到这一点。地下卷绕铜管迫使通过涡轮机收集的空气中的露点，然后将水滴进入罐中，从而从泵送到作物中。LCD屏幕显示油箱水位，压力强度，太阳能电池寿命和系统健康。线兔估计，可以从每立方米的空气中提取11.5毫升水。
这里的创新是最明显的，在体内应用生物利用的物理原则，即水的温度激活相变。为什么我们不应该？
5.毛毛虫。其中许多无脊椎动物采用箍形成的运动策略，以逃避捕获和塔夫茨大学的生物学家和机械工程师在设计Goqbot时研究了这种行为。淮蒂林设计了Goqbot，声称这种逃脱运动是自然的最快自推进的轮车行为之一，它激起了他对其研究的兴趣。
结果是由硅橡胶制成的4英寸长机器人，致动器由嵌入式形状记忆合金线圈制成。在实验室的测试中，机器人达到了小于250毫秒的推关时间，并且具有300rpm的角速度旋转。这种创新的有趣方面是它表明了来自同一设备的多种形式运动。以前的机器人灵感来自蛇的高度铰接和灵活，但令人惊奇地慢。该设备表明可以创建一个无人驾驶车辆的可能性，可以在狭小的空间中交替移动，跨越间隙并加速移动。
这是物理研究所发布的Goqbot的视频。视频：
大自然不采用太多轮子（ATP合成酶，并且某些细菌壁炉的旋转基座来到脑海中），因此这种创新尤其是其生物方法的新颖。这种新鲜外观使得先前未实现的多个功能，并且代表了越来越能力“Softbots”的路径中的另一步。
蟋蟀。如果您认为蟋蟀的声音是任何浪漫夏季晚会的重要组成部分，你有充分的理由。男性蟋蟀正试图通过特定物种的啁啾吸引女性，固定频率约为4.5 kHz。但是，一旦他们听到电话，女性如何找到它们？
雌性蟋蟀配有特殊的受体或鼓巴的前腿，用于比较动物右侧和左侧之间的压力波动。通过听觉气管将压力进入蟋蟀。压力波动从身体的另一侧直接和间接地达到每个鼓膜。这两个源之间的相移强烈地调节鼓室 - 振荡并允许女性确定潜在浪漫源的方向。
蟋蟀还有许多微小的毛发或沿着腹部的Cerci，测量压力波动和科学家认为他们的目的是感知攻击。这些毛发的敏感性和精度是显着的，而且启发了二十多所大学的研究小组在荷兰模仿他们的操作。
该团队是欧洲联盟项目的一部分，旨在开发生物启发的感知系统。它们在硅晶片板中附着数百0.9毫米长的塑料线，以形成受体阵列。电线在其插座中旋转，因为它们被分析空气压力移动，并且最小的运动由柔性悬挂的板注册。因此，板的电容变化，并且该度量被送入中央计算机。
进一步的精致允许以均匀的精度测量。Harmen Drogendijk发现，可以以电子方式调节电线的弹簧刚度。他调查了在所需时刻放宽每个线所需的交流电压，使其能够对相关频率额外敏感。效果在调整后的频率十倍处具有显着性和敏感性。
Gijs Krijnen与Contreague Remco Wiegerink的物理学家们认为，他们的设备将成为助听器和传感器等技术的有用原型，以及航空航天气流的测量装置。实际上，根据Krijnen的说法，该器件已经达到了测量预先比例的空气压力和粒子速度的精度水平。
这里的创新是成功缩放变化和模块化的使用的例子，以改善现有技术。在微观规模的自然探索已经了解了改进，它有可能在几种不同技术中创建一种用于感应的新范式。
7.螳螂虾。这种甲壳类动物具有可以区分左右圆偏振光的复合眼睛。
偏振是改变光线振荡的方向。所有光线都是电磁辐射的示例，因此，辐射在从波的行进方向上排出“侧面”。偏振太阳镜阻挡了一些在某些飞机上行驶的辐射，因此切断了眩光。
许多动物可以看到偏振光，包括蚂蚁，蜜蜂，果蝇和一些鱼。通常，人类不能。尚不讨论为什么螳螂虾已经发展出这种非凡的能力，但秘密信号传导和更好的水下视力是可能性。
虾在每个孔眼的光敏电池内具有一系列微小的发毛褶皱或微绒毛，其用作四分之一波片。波动折射光并改变发射波长的频率。四分之一波片造成四分之一波长相移。
在光敏电池中每种微毛虫的膜由双折射材料制成。这意味着光通过该材料倍增，因为微羽绒杆子在直径的并联排列中排列，所以最终发射的光线不会倾向于一种颜色或另一个颜色。这种能力使螳螂虾可以将线性偏振光转换为圆偏振光，反之亦然。
在广泛的可见光谱上可实现的这种所谓的“消色差相位延迟，”或波长无关相移，是光学技术部门内的一个非常大的交易;在显示技术，通信系统和光学拾取系统中。例如，Manwade Quarl-Wave Plates在CD和DVD播放器中执行这一必要功能，以及例如相机的圆偏振过滤器。然而，它们受到限制到窄波长范围（某些颜色），这就是为什么模仿螳螂虾是有用的。自从一个团队发现这一自然波片以来布里斯托尔大学英国2009年，许多人一直在努力完善其合成版本。
一个这样的团队，来自台北国家台北大学台湾，和宾夕法尼亚州立大学在美国，已经报告令人鼓舞的结果在这种合成中。它们构成了一种由不同折射性质的交替薄膜制成的垂直纳米棒阵列。该阵列模仿螳螂虾眼中发现的两种类型的双折射。使用众所周知的工艺，倾斜角沉积（OAD）方法铺设薄膜。他们声称它们的方法可以应用于设计任何波长范围的波片。
这里的创新是使用自然模型（扩大光学器件的波长范围）的模型扩展当前技术的能力之一，并完善更有效的制造所需的方法和材料（薄膜沉积）。虽然虾的光学能力的原因仍然有点谜，但他们的有用性并不是，这是制作励志实践的一个非常好的例子。
8.植物王国。血管植物通过由植物叶子的气孔蒸腾驱动的被动泵送系统来通过它们的根，射击和叶子运输水。
在蒸腾中，水蒸气从叶片内部抽取到外部空气的水势梯度，就像干毛巾一样，从你的皮肤上掠过水。
这种动作为水运输提供了水，但水本身的凝聚力及其对植物颧骨侧面的粘附性是有助于水柱高于100米的高度缩小重力。在该机制中，存在从根部到最顶部的叶片的氢键水分子链中的不间断链。
研究人员大连理工大学在中国，基于气孔蒸腾原理开发了微量泵。由于基于微孔蒸腾的流速远远超过蒸发简单蒸发，因此该团队使用该“直径法”制备具有可控微孔的分层膜。
微泵在上面提到的扩散原理上工作，因此不需要外部能量来运行。它包括三层：顶层是93μm厚的PVC（聚氯乙烯）膜，具有一组狭缝状微孔;第二层是具有粘合剂的PMMA（聚（甲基丙烯酸甲酯））片材在一起加入其他两层;第三层是微孔膜。流速由一些微孔的开口和关闭来控制，并且既高又可调节。其结构简单，制造成本低，电源的独立性使得其广泛适用于需要快速，现场流体泵送的医学和制造情况。
这是“免费上冲”的另一个伟大典范。调查人员提出了蒸腾原理，以构造由被操纵材料中固有的物理力供电的泵。在这种情况下，流体从高浓度的区域流过到低的趋势。
9.真核生物。我们的生活世界可分为两种基本细胞类型，原核（“原始”细菌）和真核生物（其他一切）。
纤毛或微小的毛发在真核生物世界中存在多种形式，包括在我们自己的风向花玻璃中，他们帮助扫除碎片，以及妇女的输卵管，在那里他们帮助将鸡蛋移动到子宫。这些毛发的横截面，无论是在原生动物膜还是在我们的挡风玻璃上都非常相似。
Cilia非常方便。它们可以来回扫过，要么推动某些东西，靴子，穿过流体，或沿着它们的表面移动松散的材料。他们还可以过滤，当然，感谢事物;谢谢，没有小部分，以他们的高纵横比。像所有的模块化部件一样，他们通过数字的强度获得了很多，并且对任何一个发的损坏都不会阻碍一般运营。
Wyss生物学启发工程研究所的Philseok Kim在哈佛，设计了一种仿生体系，其中合成纤毛嵌入水凝胶中。
水凝胶是具有高收缩膨胀容量的聚合物和水的吸水混合物。可以使水凝胶响应几种不同的外部刺激，并用作纤毛的可调节基板，导致它们投影或平坦。
实际上，通过控制凝胶的体积和构象，可以将水凝块被编程为作为打开和关闭微谱的复杂形状。合成纤毛通常是由博世蚀刻方法产生的硅纳米结构，并且这些也具有可能的多种图案和特性。
Kim已经提出，这些结构可以用作温度激活的智能建筑膜，以提高能量效率。当构建表面达到温度阈值时，透明水凝胶将在末端部署毛发。每条头发都有一个微小的可变形微镜，其将其面向外部。就像在足球比赛中的人群一样拼出马赛克中的消息，镜子将形成连续平坦的表面。现在可以调整该表面以控制光线并加热到建筑物中。
这项技术存在其他潜在应用，无论动态，响应性的表面都会改善我们的生活。这些包括内管表面，其根据它们内部的液体的化学成分调节流动特性，织物可以逆转其润湿性能的织物，或根据放置在它们上的机械应力改变颜色的结构构件。随着环保的水凝胶作为发动机和纳米结构阵列作为能量转换器进入机械工作（并且都是可单独的可编程）在该系统中存在多种自由度。
这里的生物创新很多。从单独的研究领域的两种材料的突破性组合，以解决问题矛盾是一种。混合系统采用水凝胶的可调性，响应性和可逆性，以及纳米线的机械行为范围。此外，对制造的研究使得柔性（水凝胶）更具结构化，并且刚性（纳米结构）更具动态。该系统还展现了其他几个生物启发设计原则：小事繁殖（出现），免费冲浪，以及使用秤的等级来解决问题。
10.动物王国。动物中的血液循环系统有许多东西 - 分配营养素和酶，交换氧气和二氧化碳，并调节温度，以命名几个。
这些循环系统还将修复材料运送到伤口。当你切割自己时，血液中的血小板和血液凝块蛋白纤维蛋白原形成捕获红细胞的网状作品。组织成纤维细胞收集在称为中性粒细胞的区域和白色细胞中，摄取细胞碎片和异物，如污垢和胚芽。随着组织在下面愈合，凝块逐渐变化成结痂。
自我治疗材料是生物启发研究的主要领域，并且在分子，微观和宏观水平处存在许多不同的挑战方法。一位宏观方式由南希萨多斯教授和她在伊利诺伊大学厄巴纳·斯坎憬阁的队伍先锋。它涉及用细胞的细型通道浸渍塑料，每个仪表的直径小于100百万分钟，可以填充液体树脂。这些“微血管”网络渗透了像动物循环系统的材料，向所有区域供应愈合剂，随时随地释放，随时随地出现裂缝。
通道中的树脂放置在压力下，并且当裂缝穿过沟道时，液体被吸入空隙并随后是硬化剂。加压系统是对先前工作的改进，依赖于嵌入的树脂的嵌入式微胶囊，其在裂缝开始时爆裂。修复材料的供应太小，单独对扩散的依赖程度太慢。泵送系统现在允许将裂缝的修理到横跨毫米，增加。
应用包括车辆和结构的自修复，进一步的改进将泵送系统集成到材料本身中并增加这种合成血管系统的多功能性，例如，使其成为液压结构支撑系统的额外用作。
祝贺我们所有的胜利生物！愿我们有智慧利用你的经验教训。
在螳螂虾的页面顶部的CC许可照片Wikimedia Commons.。
