第七回 动物老师给灵感
一、动物老师和人类学生
地球上的动物们在漫长曲折的进化过程中，拥有了适应环境的各种生存技能，与此同时，好学的人类也通过不断模仿、研究动物们来改变和创新自己的生活。
1、悬停天才——蜂鸟
说起脊椎动物里的悬停天才，大家最先想到的应该是蜂鸟。绽放的花朵前，蜂鸟扑棱着翅膀让身体在半空中保持稳定，气定神闲地吸食花蜜。
慢镜头下吸食花蜜的蜂鸟
图片来源：Lentink Lab,Stanford University
为了研究蜂鸟的悬停行为，来自斯坦福大学的博士生里弗斯·英格索尔等人通过高分辨率空气动力学测力台（装有3D高速摄像装备）发现了蜂鸟振翅的规律。研究者们发现，蜂鸟上下、前后的振翅幅度十分对称，在整个振翅周期中，翅膀扭转角度和伸缩幅度也较小，翅膀运动时平均倾斜7°，较接近水平面，由此获得的净升力几乎垂直于水平面，因此它们才能优雅轻松地完成悬停过程。
分析蜂鸟振翅时所产生的力
图片来源：R. Ingersoll, L. Haizmann, D. Lentink, Biomechanics of hover performance in Neotropical hummingbirds versus bats. Sci. Adv. 4, eaat2980 (2018).
2011年，美国国防部高级研究计划局投资AeroVironment公司，研发出了悬停能力出色、能被远程遥控并配有侦查摄像机的迷你仿生飞行器——纳米蜂鸟，用于完成搜索救援、环境监测等工作。
AeroVironment公司研发的纳米蜂鸟
图片来源：维基百科
冷知识：蜂鸟除了会悬停，还会倒飞。
2、发光不发热高手——萤火虫
萤火虫是鞘翅目萤科动物的总称，常常被人们误会成类似蜜蜂的昆虫，实际上它们是如假包换的甲虫。你是否好奇萤火虫发光的腹部会把自己烫伤吗？答案当然是否定的。
萤火虫
图片来源：Wofl~commonswiki / wikimedia commons
科学家们通过研究发现，萤火虫体内有专门的发光细胞，且发光细胞中有两类化学物质：荧光素和荧光素酶。荧光素在荧光素酶的催化下消耗ATP（腺嘌呤核苷三磷酸），并与氧气发生反应，反应中产生具有能量的氧化荧光素，当氧化荧光素再回到原始状态的荧光素时，就会以光能的形式将先前转化的能量释放出来，极少部分才以热能的形式释放，所以萤火虫并不会被灼伤。
受到萤火虫的启发，科学家们研发出了热量低、耗能少、寿命长，类似荧光的低温光源。
低温光源中的发光二极管（LED）
图片来源：百度百科
冷知识：萤火虫在卵、幼虫、蛹、成虫阶段都会发光。
3、扎猛子健将——翠鸟
翠鸟，是佛法僧目翠鸟科鸟类的统称，有90多种。它们的身影几乎遍及世界各地，以亚太地区种类最为丰富。这类鸟的外形有着高度统一性：大多体形娇小，有一个大大的头、一张看上去显得更大的嘴、瘦瘦的身子、短短的尾巴、一双小得几乎看不见的脚以及非常鲜艳、闪着金属光泽的各种蓝色羽毛。
翠鸟
图片来源：《博物》
翠鸟虽不善于游水，捕食的时候却是个杰出的扎猛子健将。它们常常站在水边的树枝或者岩石上，静静地注视着水中的鱼虾，一旦看准了目标，便一头扎入水中咬住猎物。它们俯冲而下时，又尖又细的喙就像针尖一样刺破水面，不激起任何声响。
翠鸟捕食小鱼
图片来源：《博物》
20世纪90年代，翠鸟捕食的姿态给了日本铁路工程师中津英治灵感，他带领团队以翠鸟的喙为原型，设计出了新的新干线列车。新列车不仅能耗少、速度快，而且行驶过程中能减少空气阻力，大幅降低了令人困扰的“隧道音爆”问题。
冷知识：翠鸟吃东西都是整个吞下，但是隔段时间它们就会吐出“食丸”（食丸主要由一些不消化的鱼骨或昆虫外骨骼等组成）。
4、飞檐走壁大师——壁虎
在自然界中，壁虎拥有一身爬墙如履平地的绝技，绝技背后隐藏了哪些科学原理呢？原来壁虎的每个脚趾上都长着数百万根极细的刚毛，每根刚毛的长度约为30～130微米（1微米=0.001毫米），直径约为人类头发直径的十分之一。
形形色色的壁虎脚趾
图片来源：matterism.com
1965年，来自美国加州大学河滨分校的生物学家瑞宝把壁虎的脚放在电子显微镜下后发现，那些看似小钩子一样的刚毛末端，实际上是分叉的，每根刚毛都分成了100-1000根更细的绒毛，由于绒毛间距变小，范德华力（分子间作用力）就增大，从而帮助壁虎牢牢吸附在天花板或墙壁上。
壁虎脚趾上分叉的绒毛
图片来源：chemengr.ucsb.edu
从1962年《蜘蛛侠》漫画诞生时起，人们就梦想拥有飞檐走壁的能力并开始研究壁虎脚趾的生理构造。时至今日已经有了多项成果，其中一位名叫罗伯特福的教授所设计的“壁虎手套”已经可以在无外部能源的情况下让人成为“壁虎”了。2008年，业余攀岩爱好者沃林斯基就用这副“手套”成功爬上了18米高的楼顶。
冷知识：五月五，过端午，人们在端午节这天有驱“五毒”的习俗，由于壁虎遇到危险时会自行断尾，因此在古代被人们纳入“五毒”行列，其实它并没有毒。
二、纸飞机，看我七十二变
飞机，是当今重要的交通工具，它的设计者莱特兄弟通过研究鸟类的飞行，成就了人类的飞天梦。接下来，让我们一起来学折几种纸飞机，和小伙伴比比谁的飞机飞得更远更久吧！
第一种折法
第二种折法
第三种折法
部分图片来源于网络
参考资料：
1、论悬停技术，蜂鸟我是服气的，但蝙蝠有多努力你知道吗？科普中国，我是科学家iScientist
2、Ingersoll, L. Haizmann, D. Lentink, Biomechanics of hover performance in Neotropical hummingbirds versus bats. Sci. Adv. 4, eaat2980 (2018).
3、《仿生学：8项受大自然启发的有趣发明》，怪罗科普
4、海泉，张彤彤：《翠鸟 蓝宝石通杀四方》，《博物》2014年第12期
5、《高铁列车头——来自翠鸟喙的启发》，知乎
6、玛特·富尼耶：《翠鸟，日本高铁》，《仿生高科技》
7、任天：《现实中的“生物模拟”》，安徽科技报
8、《萤火虫发光原理启发高效LED灯的研制》，《功能材料信息》2013年
9、【科学放大镜】为什么说每只壁虎都是贴膜大师？中国数字科技馆
10、送你一双《碟中谍4》的壁虎手套！果壳