问自然:我们如何设计更好的包装?

以下是仿生学研究所Ask Nature收集的策略和产品，灵感来自大自然，以解决21世纪最大的设计挑战。找到全部在这里集合。

每天，邮政工人通过邮件递送数以百万计的包裹，满载农产品的卡车被运往全球各地，价值数十亿美元的包装产品被创造、买卖。

包装是无处不在的，必要的现代消费文化的一面。它使我们的产品安全，清洁和完整。然而，随着时间的推移，这种包装导致了大量的浪费和污染。难道没有更好的方式来包装我们每天使用的产品和服务吗?

如果我们看看大自然，有迹象表明答案是肯定的。这个系列旨在探索大自然设计和开发生活友好包装的各种方式。

大自然是如何建造可呼吸的容器的?有什么来自大自然的线索可以指引我们设计出保护性的包装，以便在物品打开后能有额外的用途?就像人类一样，大自然的其他部分也在不断地移动和运输货物。大自然的想法如何能帮助我们设计解决方案，以应对我们最困难的包装挑战?

1.金色鳞片蜗牛的三层壳

在印度洋的底部有大量的热液喷口，喷出热水和矿物质。它们还为适应恶劣环境的各种奇异物种提供了一个生态系统。

其中一种是金鳞蜗牛(Crysomallon squamiferum(有时被称为鳞足)，它以喷口的营养为食。依附在气孔结构上的蜗牛很容易受到捕食者的攻击，如螃蟹和有毒的蜗牛，它们会刺穿或压碎鳞翅目蜗牛。

为了保护自己，蜗牛用一个坚硬的，像盔甲一样的三层外壳。每一层都有独特的化学和物理特性，使它们能够在管理掠食性攻击的力量方面发挥不同的作用。

内层就像一堵砖墙后面的棉花蛋壳复合体。

外层是一层薄薄的有机外壳，由热泉喷出的灰榴石(硫化铁)颗粒加固。大多数软体动物都是由内而外建造它们的外壳，而这种金色鳞片的蜗牛除了利用热喷口的硫化铁沉积物之外还会这样做。例如，当一只入侵的蟹爪开始开裂外层时，它特殊的微观结构将损伤定位为硫化铁颗粒周围的“牺牲微裂纹”。也就是说，在撞击地点周围形成了许多小的、可控制的裂缝，而不是一个大裂缝会严重破坏整个外壳。

中间层是一层很厚、很密集的有机材料，在本质上是柔韧的，这意味着它很容易变形。这一特性使中间层能起到减震器的作用，减轻螃蟹抓螃蟹的压力，并防止有毒蜗牛的致命一击。它可以被比作蛋壳下面的棉花糖。外层和中间层即使不是全部，也能减轻大部分的震动。

剩余的机械能到达钙化的内层。这是最后一层防御，如果有任何力量足以影响它，它们会对蜗牛造成永久的伤害。内层就像一堵砖墙后面的棉花蛋壳复合体。

生物技术产品及应用理念

应用程序的想法:开发新型结构材料。防护装甲。头盔。车辆。

对该战略感兴趣的工业部门:建设;材料科学;工程;军队。

2.白色海螺的蛋壳

多细胞海洋生物面临着微生物和其他小生物的不断攻击，这些微生物和小生物在寻找可以依附的结构。无论是真菌、藻类、形成生物膜的病原体还是其他生命形式，它们都会导致更大生物体表面的生物淤积，从而导致严重的并发症。

白狗海螺(Dicathais专)是一种海螺，产卵时具有显著的防污能力。在发育的早期，卵囊的外部覆盖着均匀的脊。与在其他海洋生物的卵表面观察到的不规则纳米纹理不同，有规律地间隔足够紧密的脊线被认为可以最小化污垢生物的潜在接触点，使它们更难附着和固定。

这一系列的防污步骤可以防止生物膜和寄生微生物对鸡蛋造成伤害。

然而，随着时间的推移，细菌会附着在卵囊表面并扎根。为了解决这个问题，后期的蛋会完全蜕去外壳，露出下面的一层新鲜的外壳。

在蛋壳外层脱落后，亲脂的液滴从蛋壳表面的孔中挤出来，似乎起到了某种杀菌作用。这一系列的防污步骤可以防止生物膜和寄生微生物对卵的伤害，直到卵发育到足以孵化。

生物技术产品及应用理念

应用程序的想法:白狗螺生产纳米纹理表面的能力，防止微生物附着，可能激发新一代无毒和长期的抗菌表面处理。

对这一战略感兴趣的工业部门:医学;材料;建设;船舶建造。

3.条纹鲈鱼的保护性鳞片

许多硬骨鱼，如条纹鲈鱼，通过它们的鳞片得到了重要的保护，免受捕食者的攻击。这些鳞片只有0.2到0.3毫米厚，非常坚硬。它们可以阻止大约3牛顿(相对而言，1牛顿是苹果从树上掉下来的重量)的力穿透它们。

这是通过两层结构实现的。每一层鳞片都由两层同样厚的骨头组成:一层是高度矿化的外骨层，用于坚固的外部保护;一层是较软的内胶原蛋白层，矿化程度较低。这两层共同作用，以防止鳞片下面的软组织被刺穿。

鳞片的层叠使它们比目前使用的人体聚合物更坚固。

当捕食者用嘴捕捉到条纹鲈鱼并开始咬鱼时，这层骨层就是第一层防御。骨层能承受大约两牛顿的力，能承受大部分的咬合力。

由于捕食者的咬合力更大，鳞片在纵向和宽度上裂成两半，形成四个“襟翼”。The distribution of forces along the cracks between the flaps helps minimize damage to the underlying soft collagen layer. As the bite continues through the scale, the flaps are pushed down and the lower collagen layer separates from the upper bony layer.

当皮瓣被向下推并继续接触胶原层时，它们帮助在更大的区域重新分配咬合力。这导致对软胶原层的损害比力量集中在穿刺部位要小。襟翼是如此有用，他们增加了一个整体的抗冲击的天平1牛顿。

胶原蛋白层还可以通过纤维的方向帮助抵抗咬伤。胶原蛋白层的纤维在压力下会拉伸成直角。这就像编织吊床可以支撑一个人一样，但是一捆绳子都朝着同一个方向就不能了。这样就可以防止捕食者的牙齿被立即刺穿。胶原蛋白层与骨层的分离也有帮助。

鳞片覆盖了斑纹鲈鱼身体的大部分，部分重叠。与人造保护罩相比，这种双层秤系统非常坚固。与聚苯乙烯和聚碳酸酯(用于CD盒和护目镜)相比，单一秤提供了更多的保护。鳞片的层叠使它们比目前使用的人体聚合物更坚固。

生物技术产品及应用理念

应用程序的想法:坚固而柔软的包装。轻便和减少运动限制的防护服和装备。温室覆盖或面板可以抵御天气。

对这一战略感兴趣的工业部门:制造;服装;农业。