沙漠有什麼兇猛的動物（體長20釐米的沙漠棲息者不是魚）

2023-10-31 04:27:22 1

沙魚的兩條短腿從身體兩側伸出，在沙地上漫遊，其行進方式類似於一條蠕蟲。然後它停了下來，前後張望，接著繼續移動。突然，它好像受到了驚嚇，一下子消失不見。這時，如果可以看到沙子底下，就會發現它像一條魚一樣在沙中遊動——就跟遊泳一樣。然而，這種體長20釐米的沙漠棲息者不是魚，而是一種爬行動物，學名叫作沙魚蜥蜴（scincus scincus），也稱為沙虎。

上世紀90年代，工程師、仿生專家Ingo Rechenberg第一次在撒哈拉沙漠觀察到這些移動迅疾無比且毫不費力的小傢伙，他將所見記錄下來，並且認識到這些現象可能是仿生研究者所感興趣的。

仿生學是什麼？

一直以來，大自然都充當了科技進步的靈感來源。舉例來說，達文西發明了飛行器，其靈感就來源於鳥類、蝙蝠以及飛翔的種子。Otto沙魚的兩條短腿從身體兩側伸出，在沙地上漫遊，其行進方式類似於一條蠕蟲。然後它停了下來，前後張望，接著繼續移動。突然，它好像受到了驚嚇，一下子消失不見。這時，如果可以看到沙子底下，就會發現它像一條魚一樣在沙中遊動——就跟遊泳一樣。然而，這種體長20釐米的沙漠棲息者不是魚，而是一種爬行動物，學名叫作沙魚蜥蜴（scincus scincus），也稱為沙虎。

上世紀90年代，工程師、仿生專家Ingo Rechenberg第一次在撒哈拉沙漠觀察到這些移動迅疾無比且毫不費力的小傢伙，他將所見記錄下來，並且認識到這些現象可能是仿生研究者所感興趣的。

仿生學是什麼？

一直以來，大自然都充當了科技進步的靈感來源。舉例來說，達文西發明了飛行器，其靈感就來源於鳥類、蝙蝠以及飛翔的種子。Otto益為商業領域所感興趣。然而，其開發過程複雜而漫長，並不適合現代經濟的短期生產和消費周期。這就帶來一個課題，如何促進研究人員與企業家互通，生產出適用於市場的產品。從結構到創新將生物結構或原理運用到人類技術之前，需要了解生物的特異功能。最終，有兩種模式可成功開發仿生技術，一是生物主導，一是技術主導。

前者指生物學家發現，某種動植物擁有的特點不僅適用於自身，如果開發成技術的話還能使人類受益。經過研發及生物學家與工程師的合作，據此開發出一項仿生產品。尼龍搭扣的發明就是這種模式的典型例子。

技術主導指科學家帶著某個特定技術難題，或抱著改進現有產品的目的，特意在自然界中尋找答案或靈感。工程師先找出問題所在，由生物學家搜尋動植物，找到在進化過程中不得不解決同等或類似難題的物種。從這個角度而言，進化本身就是種工具，可用作設計指導原則，比如今天我們使用與進化同理的運算法則，通過突變和篩選，以增加咖啡的搭配種類。

沙魚蜥蜴與太陽能發電廠有什麼相同之處？回到沙魚蜥蜴及Ingo Rechenberg的研究。與所有爬行類動物一樣，沙魚蜥蜴的表皮也有很多鱗片，但在肉眼看來，就像拋光過一樣。由此，Rechenberg計算了沙魚蜥蜴表皮在沙粒間滑翔的摩擦係數，結果令人大吃一驚：即便拋光的鋼材也比沙魚蜥蜴表皮的摩擦係數大。粗糙的沙粒對沙魚蜥蜴的速度幾乎沒有任何影響，也沒有造成任何傷害——這同樣令人稱奇。因為沙魚蜥蜴的表皮是防刮傷的：實驗室檢測證明，沙魚蜥蜴表皮在暴露多達10小時後，也沒有任何受損的跡象。

然而，簡單的認識並不等於技術創新。首先，Rechenberg必須搞明白沙魚蜥蜴表皮背後的原理是什麼。他猜想是沙魚蜥蜴的表皮結構使得它能夠在沙中滑翔而不受阻，於是採用「納米」理論開展了一個實驗，設計了假設的納米級別表面模型。研究人員的確在顯微鏡下發現了沙魚蜥蜴鱗片上分布著小刺，在掃描電子顯微鏡下放大時，這些小刺變成微小尖銳的脊刺，與沙粒的流動方向形成橫斷面。這種結構純粹「撣去」了沙子，使得砂粒滑過表皮而不造成摩擦。

問題是，研究人員只在沙魚蜥蜴背部的鱗片上發現了這種微小的脊刺，而其身前的鱗片上則沒有，為此來自亞琛工業大學的WernerBaumgartner教授及其研究團隊推斷，脊刺並不是沙魚蜥蜴表皮中唯一的特異之處，他們發現化學成分有可能是鱗片減免摩擦、防止刮傷的主要原因。實驗證明，即便沒有微結構沙魚蜥蜴表皮也能達到低摩擦防刮傷，但倘若沒有儲存在角質中的葡萄糖鏈，就會出現相反的情況。

那麼微結構存在的作用是什麼？科學家迄今仍未能達成共識。有可能微結構在爬行過程中釋放微弱電壓，也可能具備其它功用，比如吸收光線。不管怎樣，如果能夠從中開發出某種新技術，都將是令人興奮的。

沙魚蜥蜴效應有一個看似合理的仿生應用：在它們的生活區域，建造太陽能發電廠、充分利用太陽能正日益突顯出重要性。不幸的是，太陽能發電廠的拋物柱面反射鏡非常容易受到砂粒和灰塵損害，而這兩樣東西在沙漠中無處不在，它們會刮傷或遮蓋反射鏡。如果能夠生產模擬葡萄糖鏈化學構成的組件，就可以作為拋物面反射鏡的塗層，使得砂粒和大風無法構成損害，從而再也毋須動用珍稀的淡水儲備來清潔。

槐葉萍——帶氣墊的植物

沙魚蜥蜴不關心什麼太陽能發電廠或拋物柱面反射鏡，只在乎如何在沙地上快速移動，以躲避日曬和天敵，同時摩擦越小越好。同樣，槐葉萍屬的植物也不關心節能。但是，它們卻擁有一種特異功能，人們據此開發出一種技術，以它的名字命名，就叫作「槐葉萍效應」，能夠精準達到節約能源的效果。如果仔細觀察槐葉萍葉片的表面結構，就會有

所發現。它擁有小巧的橢圓形葉片，飄浮在水面上。葉子長勢迅猛，一片葉子可以堆積在另一片葉子之上，層層疊疊，用不了多久就會在水面上形成一大片綠毯。豐水季節，上漲的水位會反覆將其淹沒，一連幾天甚至幾周如此。由於槐葉萍需要呼吸空氣才能存活，所以哪怕下沉它也必須帶足空氣，而且必須將它鎖住以供長時間所需。這聽起來像是天方夜譚，因而引起了科學家濃厚的興趣，希望有朝一日從中發現驚人的創舉。為此，植物學家、仿生學工程師Wilhelm Barthlott帶領他的研究團隊開始了槐葉萍效應的觀察和研究。

即便肉眼也能觀察到槐葉萍葉片表面須狀的細微結構。將葉片浸入水中，其表面隨即出現一個亮銀色的氣墊，且持續時間相當長。其實，這種現象自然界中並不鮮見，水蜘蛛和水甲蟲也能儲存空氣，只是槐葉萍所形成的氣墊其持續時間之長無出其右——即便幾周後仍然不退。

那麼擁有了這種功能又有什麼不同？大多數植物，比如荷花，其表面都是完全疏水的，水滴不可能停留，只會迅速排乾，同時帶走表面灰塵和附著物，以保持清潔乾燥。球形把手和蠟晶體就是根據這樣的原理設計的。槐葉萍也有這種疏水表面，但通過一個巧妙的細節這一功能得到提升：將肉眼可見的須狀物放在掃描電子顯微鏡下觀察，就會發現它實際上是一個撣塵結構，其末梢是吸水的（親水），理論上將水分子固定在它們上面的位置。由此葉片表面和水面間形成了一層氣泡，不但將空氣牢牢鎖住，而且能夠保持相當長的時間。

船舶建造者對於槐葉萍效應尤為感興趣，因為將其應用到相關技術中有望減少摩擦、節約能源。也許未來的船隻可以包裹一個儲存空氣的外殼，在水面滑行，如同在氣墊上滑行一般。這有助於減少摩擦並節省燃油。為此，人們利用槐葉萍面料進行了實驗，初步結果顯示，最多可以減少30%的摩擦力。不過，有鑑於目前這種效應尚不能持久，接下來面臨的挑戰是如何將其優化，使之持續更長有效時間——這一過程就像物種的發展和進化一樣。