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　　許多新發(fā)明和新技術(shù)都來自對大自然的模仿，由此誕生的一門學(xué)科被稱為仿生學(xué)。珍妮·本尤斯是美國非盈利機(jī)構(gòu)“仿生學(xué)研究所”（Biomimicry Institute）的聯(lián)合創(chuàng)始人，她在1997年出版了《仿生學(xué)》一書，使這一術(shù)語廣為人知。她寫道：“仿生學(xué)基本上就是在面對一個設(shè)計挑戰(zhàn)時，找到已經(jīng)解決這一挑戰(zhàn)的生態(tài)系統(tǒng)，然后嘗試模仿你了解的東西?！?/p>

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角高體金眼鯛（Anoplogaster cornuta）是一種超黑的深海魚類

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　　在研究自然世界的科學(xué)家們?nèi)〉眯掳l(fā)現(xiàn)的同時，發(fā)明家和工程師們也不斷從這些發(fā)現(xiàn)中汲取靈感，并將自然的解決方案應(yīng)用到新技術(shù)中。無論是建造更好的機(jī)器人，還是更有效地追蹤癌細(xì)胞，抑或是改進(jìn)研究太空的望遠(yuǎn)鏡，我們都可以在生物身上找到有用的解決方案。以下就是《史密森尼雜志》公布的2020年十大可能帶來新發(fā)明的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

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　　1、?魚在其他海洋生物背上“沖浪”

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?魚的“吸盤”實際上并沒有緊貼在鯨的皮膚上，而是皮膚上方盤旋，形成一個低壓區(qū)，從而吸附在鯨的身邊

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　　?魚是海洋中最擅長搭便車的動物。據(jù)報道，這種長度30至110厘米的魚類也被稱為吸盤魚，頭頂具有一個能將自己固定在鯨類或鯊魚身上的吸盤，就如同“一頂黏性十足的扁平帽子”。但?魚并不只是在搭免費便車。2020年的一項研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這些魚與寄主同游的時候，它們實際上可以在寄主的背上“沖浪”。也就是說，?魚會沿著寄主的身體滑行，并往往聚集在鯨的噴水孔和背鰭附近，這些位置的拖曳力較小——它們會在“沖浪”過程中啃食死皮和寄生蟲。

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　　Brooke Flammang、Jeremy Goldbogen等研究者發(fā)現(xiàn)，魚選擇的位置是它們保持附著的關(guān)鍵。Flammang指出，尤其是藍(lán)鯨的噴水孔和背鰭之間的區(qū)域，與往上幾厘米的區(qū)域相比，那里有著“速度低得多的液體”。事實上，?魚的吸盤也沒有緊貼在鯨的皮膚上，大多數(shù)情況下，吸盤是在皮膚上方盤旋，形成一個低壓區(qū)，從而吸附在鯨的身邊。

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　　Flammang是新澤西理工學(xué)院的生物學(xué)家，受到魚的啟發(fā)，她已經(jīng)開始研究一款人工吸盤。她希望這個吸盤能被用來為瀕臨滅絕的海洋動物（如藍(lán)鯨）安裝攝像機(jī)和跟蹤設(shè)備。目前，研究人員使用的普通吸盤雖然可以將相機(jī)固定在研究對象身上，但抓力只能維持24到48小時。Flammang的新設(shè)備預(yù)計能持續(xù)使用數(shù)周，并能有效減少阻力。目前，她的團(tuán)隊正在柔性表面上測試這款吸盤，并準(zhǔn)備為相機(jī)設(shè)計一個?魚形狀的外殼。最終，他們將在活體動物上實地測試該設(shè)備，包括鯨、海豚、鯊魚和蝠鲼。

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　　“Flammang博士的實驗室在依戀方面取得的生物啟發(fā)進(jìn)展，將徹底改變我們在動物身上植入標(biāo)簽的方式，使其更成功、更有效，”斯坦福大學(xué)的海洋生物學(xué)家Goldbogen寫道，“也許未來的生物標(biāo)簽不僅可以附著，還能像魚一樣在生理取樣的理想位置‘沖浪’和‘爬行’。”

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　　2、魚鰭就像指尖一樣靈敏

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　　芝加哥大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家亞當(dāng)?哈迪團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，魚鰭不僅僅能用來游泳和操縱方向，還能像靈長類動物的指尖一樣靈敏。研究人員通過對黑口新蝦虎魚（Neogobius melanostomus）的研究得出了這一結(jié)論。這是一種廣鹽性的底棲性魚類，原產(chǎn)于黑海和里海，但早已入侵歐洲多條河流，甚至遠(yuǎn)至北美洲的五大湖區(qū)。這些小魚通常棲息在巖石上，腹鰭已經(jīng)愈合成吸盤狀。

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黑口新蝦虎魚（Neogobius melanostomus）通常棲息在巖石上，其魚鰭“像靈長類動物的手指一樣靈敏”

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　　為了確定這種蝦虎魚的鰭有多敏感，研究小組將魚安樂死，然后注射鹽水，以保證它們的神經(jīng)在實驗過程中正常運作。接著，他們使用一個特殊裝置來記錄魚鰭掃過一個固定輪時的神經(jīng)電脈沖模式。該研究的合著者、芝加哥大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家梅琳娜·黑爾指出，測量結(jié)果表明魚鰭能夠感知“非常微小的細(xì)節(jié)”。研究人員希望這一發(fā)現(xiàn)能啟發(fā)機(jī)器人感知技術(shù)的研究，尤其是在水下機(jī)器人領(lǐng)域。

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　　3、堅不可摧的甲蟲外骨骼

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　　這種甲蟲被稱為“惡魔鐵錠甲蟲”，絕對名副其實。大多數(shù)昆蟲的壽命只有幾周，但這種甲蟲的壽命卻長達(dá)8年，大致相當(dāng)于人類活上好幾千年。為了達(dá)到如此壯舉，它們演化出了非凡的外骨骼“盔甲”。

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　　這種甲蟲不到2厘米長，卻可以在被汽車碾過的情況下存活下來——美國加州大學(xué)歐文分校的工程師大衛(wèi)·基塞盧斯和他的團(tuán)隊就曾開著一輛豐田凱美瑞，對一只甲蟲碾壓了兩次，但它仍然活了下來。在進(jìn)行了幾次技術(shù)實驗后，研究小組發(fā)現(xiàn)這種甲蟲可以承受的壓力相當(dāng)于自身體重的3.9萬倍。

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這種不到2厘米長的甲蟲即使被汽車碾過兩次也能存活下來，被稱為“惡魔鐵錠甲蟲”

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　　有若干因素促成了這一神奇的現(xiàn)象。首先，這種甲蟲的外骨骼是扁平的，而不是像瓢蟲那樣是圓形的。其次，它們的外骨骼內(nèi)部是富含蛋白質(zhì)的層狀結(jié)構(gòu)，各層可以單獨移動而不會破壞整個外骨骼。第三，外骨骼的兩半像拼圖一樣連在一起，各層都循著拼圖般的曲線，對接合處最薄的部分進(jìn)行加固，比如頭胸連接處的兩塊外骨骼是相互鎖住的。

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　　研究人員在論文中提出，通過借鑒“惡魔鐵錠甲蟲”，可以設(shè)計一種類似性狀，但層次較少的聯(lián)鎖緊固件，用于固定飛機(jī)渦輪機(jī)等。該團(tuán)隊創(chuàng)建了一個3D打印的“層壓”模型。他們預(yù)測，這一發(fā)現(xiàn)可以幫助開發(fā)出新的航空緊固件，能提高強(qiáng)度并大幅增加韌性。事實上，這種設(shè)計可以用于任何需要連接兩種不同材料的情況，比如在橋梁、建筑和車輛中連接金屬和塑料。

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　　4、解釋了16種深海魚類的超黑色素

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　　凱倫·奧斯本是美國國立自然歷史博物館的海洋生物學(xué)家，有一次，她的團(tuán)隊無意中從捕蟹網(wǎng)中撈出了一條深海尖牙魚。當(dāng)他們試圖給這條烏黑的魚拍照時，發(fā)現(xiàn)不管怎么努力，就是拍不到魚體的細(xì)節(jié)。他們后來發(fā)現(xiàn)，這種魚確實“不上相”，因為其組織吸收了照相機(jī)閃光燈99.5%的光。

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　　他們的研究中包括了尖牙魚（角高體金眼鯛）和其他15個物種，它們都具有超黑的色素沉著，因而能融入漆黑的深海環(huán)境。盡管光線不能到達(dá)海洋的這一區(qū)域，但有些魚是會發(fā)光的。對于狡猾的掠食性魚類來說，烏黑的體色能夠盡可能多地吸收光線，堪稱最好不過的隱形斗篷。

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穴口奇棘魚（Idiacanthus antrostomus）也是一種超黑的深海魚類，其吸收光線的能力在研究中的位列第二

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　　許多陸地動物和海洋動物都是黑色的，但是人類制造的黑色能反射大約10%的光，其他大多數(shù)黑色魚類會反射約2%的光。要突破“超黑”閾值，這16個物種需要將反射光的比例降到0.5%。為了做到這一點，它們演化出了巨大的膠囊狀黑素體（含有黑色素的細(xì)胞），并且排列得十分緊密。在其他黑色（但不是超黑）的動物中，黑素體的排列更為松散，形狀也更小、更圓。

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　　通過模仿這些超黑深海魚的黑素體的形狀、結(jié)構(gòu)和分布，材料科學(xué)家們或許能制造出人工超黑色素。這種色素可以用于覆蓋望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部，以獲得更好的夜空視野，或者提高太陽能板的光吸收率。凱倫·奧斯本還指出，該發(fā)現(xiàn)甚至?xí)鸷＼娧芯咳藛T的興趣，“如果能制造出具有這種黑素體的鎧甲，那將非常適合進(jìn)行夜間行動”。

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　　5、飛蛇會為了穩(wěn)定而產(chǎn)生波動

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　　蛇不僅會在地面爬行，還會在水里游泳，但這些還不夠，世界上還有5種“會飛”的蛇。確切地說，它們的飛行更像是高度協(xié)調(diào)的降落，并且看起來還有點像它們在陸地上的扭動和側(cè)彎，只不過有了重力的幫助?；蛟S正如弗吉尼亞理工大學(xué)生物力學(xué)研究者杰克·索查所描述的那樣，這些蛇在飛行時就像一個“巨大的扭動帶狀物”。

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　　這些“飛蛇”屬于金花蛇屬（Chrysopelea），能將自己圓圓的軀干壓縮成扁平的三角形，以獲得更多的空氣阻力，從一棵樹上滑翔到另一棵樹上，距離可達(dá)數(shù)十米。不過，對科學(xué)家來說，它們在空中所做的左右擺動似乎沒有什么意義。在研究中，杰克·索查的團(tuán)隊租下了弗吉尼亞理工大學(xué)四層樓高的體育館，并給7條飛蛇貼上了反射帶，用高速攝像機(jī)上記錄了它們超過150次的跳躍（不用擔(dān)心這些蛇的安全，研究團(tuán)隊必須通過安全規(guī)程，并在場館內(nèi)配備泡沫地板和假樹）。

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研究小組借助反光膠帶，利用3D計算機(jī)模型重現(xiàn)了“飛蛇”的飛行過程

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　　這些蛇的飛行過程非常短暫，因此研究小組借助反光膠帶，利用3D計算機(jī)模型進(jìn)行了重現(xiàn)。他們發(fā)現(xiàn)，飛蛇垂直擺動的頻率是水平擺動的兩倍，它們的尾巴也上下擺動。弗吉尼亞理工大學(xué)的機(jī)械工程師艾薩克·伊頓說：“其他動物的波狀起伏運動是為了推進(jìn)，而我們證明了飛蛇這么做是為了保持穩(wěn)定。”

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　　研究小組希望他們的發(fā)現(xiàn)能有助于開發(fā)一種類似飛蛇的搜救機(jī)器人。艾薩克·伊頓表示，這種機(jī)器人的優(yōu)勢在于它們運動時保持穩(wěn)定和穿過狹小空間的能力。在一些非常狹窄的空間里作業(yè)，可能會使典型的機(jī)器人絆倒或摔倒。他們的目標(biāo)是有朝一日開發(fā)出能夠模仿蛇類運動的機(jī)器人，將所有扭動、彎折和突然轉(zhuǎn)向的動作集于一身。

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　　“將這些動作結(jié)合在一起，你就能擁有一個可以在復(fù)雜環(huán)境中移動的平臺：機(jī)器人可以爬上一棵樹或某個建筑物，快速滑翔到另一個區(qū)域，然后滑行或游到其他地方，”艾薩克·伊頓說，“這項發(fā)明將遇到很多工程上的挑戰(zhàn)，但這些真正會飛的蛇所表現(xiàn)出來的能力，以及近年來生物設(shè)計領(lǐng)域的進(jìn)展都讓我很受啟發(fā)?！?/p>

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　　6、尾海鞘制造的過濾系統(tǒng)

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　　尾海鞘綱動物的形狀有點像蝌蚪，只有體型稍大一些；它們的體長可達(dá)10厘米。這些微小的生物自由地生活在海面下數(shù)百米的地方，那里的食物十分稀少。

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　　研究人員使用激光掃描工具揭開了由這種生物建造的復(fù)雜的“鼻涕宮殿”（snot palaces），這是研究作者、蒙特雷灣水族館研究所的生物工程師Kakani Katija對這種鼻涕狀黏液結(jié)構(gòu)的稱呼。尾海鞘沒有手也沒有腳，它們是用自己的分泌物建造了復(fù)雜的“黏液房”，這是一個由內(nèi)、外過濾器組成的過濾裝置，可以大大提高尾海鞘的攝食效率。

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尾海鞘用自己的分泌物建造出了復(fù)雜的黏液球囊，這是一個能攝食有機(jī)顆粒的過濾系統(tǒng)

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　　就像蜘蛛結(jié)網(wǎng)捕獵一樣，尾海鞘也利用這些黏性結(jié)構(gòu)來捕捉經(jīng)過的細(xì)小而稀疏的食物顆粒。它們的微小身體就位于“黏液房”中央，通過尾部擺動將水流從迷宮般的管道送入口中。在黑暗的深海，任何錯誤的舉動可能都會導(dǎo)致死亡，而這個黏液球囊還可以為它們提供保護(hù)。

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　　Kakani Katija希望從這些小動物身上汲取靈感，有朝一日開發(fā)出一種仿生可充氣過濾系統(tǒng)?？紤]到這些動物可以過濾出比病毒更小的顆粒，也許醫(yī)用級或HEPA過濾器可以采用這種設(shè)備加以改進(jìn)。她說：“我們?nèi)蕴幱谶@個項目的探索階段，我希望其他研究人員能接著走下去?！?/p>

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　　7、鱗沙蠶的發(fā)光藍(lán)色黏液

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　　發(fā)光生物（如螢火蟲）的閃光通常持續(xù)不到1秒，最多10秒。但海洋中的磷沙蠶（Chaetopterus sp。）卻有些“天賦異稟”，它們能產(chǎn)生一種亮藍(lán)色的黏性物質(zhì)，可以在任何地方發(fā)光16到72小時。由于黏液在體外一直發(fā)光，因此不會浪費生物體的能量，這對磷沙蠶的生存很有好處。這也引出了一個問題：這種黏液是如何在這么長時間內(nèi)一直發(fā)光的？

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　　美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員Evelien De Meulenaere、Christina Puzzanghera和Dimitri D。 Deheyn檢查了磷沙蠶黏液的復(fù)雜化學(xué)成分，發(fā)現(xiàn)其中含有一種能夠釋放離子或帶電原子的鐵蛋白（ferritin）。這種形式的鐵蛋白能與藍(lán)光發(fā)生反應(yīng)，觸發(fā)產(chǎn)生更多的離子，這就形成了一個不斷發(fā)光的反饋回路。

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多毛類動物鱗沙蠶的黏液能在體外發(fā)光，因此不會浪費生物體的能量

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　　研究小組希望復(fù)制鱗沙蠶這種獨特的含鐵光蛋白（與生物熒光有關(guān)的蛋白），在手術(shù)中照亮癌細(xì)胞。Deheyn還表示，他們可以開發(fā)一種可以在停電的緊急狀況下使用的合成生物電池，就類似于在黑暗中發(fā)光的貼紙。

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　　“發(fā)光貼紙之所以能一直發(fā)光，是因為它們在白天積累陽光，晚上再釋放出來，”Deheyn說，“現(xiàn)在想象一下，你不需要陽光，只需要添加鐵元素，這些貼紙就可以作為便攜式生物燈，在緊急情況下使用，比如在可能需要照明的直升機(jī)或飛機(jī)停機(jī)坪上。”

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　　8、熊蜂可能知道自己有多大

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　　熊蜂又被稱為大黃蜂，相比常見的蜜蜂，它們身軀碩大，顯得十分笨手笨腳。不過，這種印象可能并不準(zhǔn)確。今年夏季的一天，澳大利亞新南威爾士大學(xué)堪培拉校區(qū)的工程師斯里達(dá)爾·拉維觀察到，熊蜂在樹枝和灌木叢中可以自如地穿梭。他感到十分震驚，一個大腦如此之小的有機(jī)體居然能夠克服這些挑戰(zhàn)。

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當(dāng)缺口小于熊蜂的翼展時，它們會停下來打量一番，然后側(cè)身穿過缺口而不損傷翅膀

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　　為了對熊蜂進(jìn)行測試，拉維的團(tuán)隊在實驗室里設(shè)置了一條隧道和一個蜂箱。他們在隧道里放置了一個狹窄的缺口，作為障礙物，隨著時間的推移，這個缺口越來越小。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)缺口小于熊蜂的翼展時，它們會停下來打量一番，然后側(cè)身穿過缺口而不損傷翅膀。對熊蜂來說，它們需要從不同角度了解自身有多大，才能完成這種看似微不足道的行為，而這是許多昆蟲都不具備的能力。

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　　斯里達(dá)爾·拉維表示，如果大腦體積很小的熊蜂都能處理這種問題，那么機(jī)器人可能不需要太過復(fù)雜的處理器就能更好地進(jìn)行導(dǎo)航。他說：“復(fù)雜的感知并不一定需要大而精細(xì)的大腦，也可以用更少的神經(jīng)元在小尺度上實現(xiàn)?！蓖ㄟ^借鑒熊蜂大腦的工作模式，研究人員或許能開發(fā)出更加靈巧的機(jī)器人，甚至具有更高的飛行或游泳能力，而不是像現(xiàn)在看上去的那么笨拙?！皬谋粍犹綔y到主動感知，這種提升將帶來機(jī)器人領(lǐng)域的新紀(jì)元，”拉維說道。

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　　9、切葉蟻外骨骼的礦物質(zhì)“盔甲”

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　　寧波大學(xué)植物病毒學(xué)領(lǐng)域研究員李鴻杰與美國威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校的研究者合作，發(fā)現(xiàn)一種中美洲切葉蟻的外骨骼具有一層薄薄的礦物質(zhì)“盔甲”。

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　　為了進(jìn)一步研究切葉蟻的外骨骼，需要將這一類似盔甲的涂層除去，但如何除去呢？李鴻杰在接受《科學(xué)新聞》采訪時表示，他在刷牙時頓悟了。漱口水可以在不損傷臉頰、牙齦和舌頭的情況下清除牙齒上的物質(zhì)。他的預(yù)感是對的，漱口水溶解了這一礦物涂層，但沒有損傷切葉蟻的外骨骼。通過更傳統(tǒng)的實驗室實驗，研究小組確定了該礦物涂層由鎂含量很高的方解石構(gòu)成。在海膽中，這種由方解石和鎂組成的混合物使它們的牙齒能夠磨穿堅硬的石灰質(zhì)。

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研究人員發(fā)現(xiàn)，這種切葉蟻外骨骼上的礦物涂層是由鎂含量很高的方解石構(gòu)成的

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　　研究作者卡梅倫·柯里和普帕·吉爾伯特解釋道：“將鎂融入方解石對任何涉及方解石的納米技術(shù)領(lǐng)域，比如塑料、粘合劑、建筑砂漿和牙科材料等，都能帶來很多的好處。”此外，這種礦物涂層并不是切葉蟻生來就有的，而是它們在需要時可以迅速制造出來的東西，并且會隨著切葉蟻的成熟而增加硬度，幾乎覆蓋全身。

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　　“令人難以置信的是，這種切葉蟻能夠通過快速形成一層薄而輕的納米晶體涂層來大幅改善外骨骼的強(qiáng)度，”卡梅倫·柯里說，“這凸顯了這種納米材料涂層在改善防彈衣方面的應(yīng)用潛力。”

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　　10、聽覺不佳的飛蛾卻有“隔音斗篷”

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　　對一只飛蛾來說，想要躲開靠聲音搜尋獵物的捕食者并不容易。不過，有些飛蛾卻演化出了令人稱奇的特征，來保護(hù)自己免受蝙蝠的攻擊。

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　　2020年早些時候，研究人員發(fā)現(xiàn)，兩種聽不見聲音的飛蛾除了具有能夠柔化聲音的絨毛，其翅膀上還具有非常薄的叉狀鱗片層，可以吸收蝙蝠的超聲。每只飛蛾的翅膀上都覆蓋著成千上萬個這樣的小鱗片，其長度不足1毫米，厚度只有數(shù)百微米。每一個鱗片都會扭曲翅膀發(fā)出的聲音，降低聲能，從而減少反射回蝙蝠的聲音。這些鱗片似乎會以不同的頻率產(chǎn)生共鳴，并且作為整體，它們“至少可以吸收3個八度的聲音”。

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飛蛾的翅膀上覆蓋著成千上萬個這樣的小鱗片，每一個都不到1毫米長，厚度只有幾百微米

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　　研究報告的作者、布里斯托大學(xué)的馬克·霍爾德里德說：“這些鱗片在納米尺度上高度結(jié)構(gòu)化，頂部和底部有多孔的波紋層，由微小的柱狀網(wǎng)絡(luò)相互連接?！睋?jù)他估計，在這種結(jié)構(gòu)的啟發(fā)下，未來我們或許能開發(fā)出“吸聲效率提高10倍”的隔音材料。他設(shè)想的是一種涂有納米尺度結(jié)構(gòu)的吸音墻紙，可以貼在住宅和辦公室里的墻壁上，取代現(xiàn)在常用的巨大面板。

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　　霍爾德里德還認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)在許多行業(yè)也會有廣泛的應(yīng)用?！拔覀兇_實對這種材料的廣泛應(yīng)用前景感到非常興奮，”他說，“從建筑到機(jī)械，再到交通聲學(xué)設(shè)計等眾多領(lǐng)域，都可以借鑒這些飛蛾的解決方案，開發(fā)出更薄的吸聲材料。”


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