正版新书]向大自然借智慧 仿生设计与更美好的未来(美)阿米娜·汗

致 谢 / 1
序 言 / 1
第一编 材 料
第一章 欺骗心灵的眼睛 / 3
——士兵和时装设计师可以向墨鱼学什么
第二章 柔软却又强硬 / 42
—— 人们怎样从海参和鱿鱼身上得到启示，发明了用于外科植入物的新材料
第二编 运动机械
第三章 再造腿 / 77
——动物是如何激发下一代太空探测器和救援机器人的设计灵感的
第四章 飞行动物和游泳动物是如何随气流或水流而动的 / 116
第三编 系统建筑
第五章 像白蚁一样建筑 / 155
——这些昆虫教给我们关于建筑之类的知识
第六章 蚁群思维 / 208
——蚂蚁的集体智能如何改变我们所建的网络
第四编 可持续发展
第七章 人造叶 / 249
—— 寻找一种清洁的燃料以为我们的世界提供动力
第八章 城市生态系统 / 294
——建设一个更加可持续的社会
尾 声 / 337
注 释 / 341
译后记 / 349

阿米娜·汗（Amina Khan）是《洛杉矶时报》的科学作家。她报道过“好奇号”登陆火星的过程；还探索过废弃的金矿，以寻找暗物质探测器。也曾出现在美国国家电视台上，代表《洛杉矶时报》讨论健康和科学问题。阿米娜·汗毕业于伯克利加州大学，同时也是麻省理工学院卡夫利（Kavli）纳米技术研讨会和圣克鲁斯加州大学高性能天体计算中心（HiPACC）计算天体物理学训练营的毕业生。

作为一名训练有素的记者和科学作家，阿米娜·汗让复杂的仿生学话题变得易于理解。从材料科学到纳米技术，再到机器人技术等等，她从不回避对创新背后的生物学和工程学做深入解释，与此同时她凭借令人愉悦、信息丰富的叙事，将研究人员的发现过程描写得栩栩如生。这本书仿佛一个万花筒，在很多方面都值得一读。——杰伊·哈曼
过去几十年来鼓舞人心的书之一。它极大推动了那些具有生态效果的创新，从而把握住了一个有着近八十亿人口的星球所亟需的颠覆性变革。——迈克尔·布朗嘉特
细节丰富，叙事优雅。这些精心准备的仿生学创新故事既能吸引普通读者，也能引发科学家和技术人员的密切关注。——《科克斯书评》

尾声开始写这本书的时候，我以为自己已经很清楚自己打算说些什么。我想我理解了“仿生”和“仿生设计”这两个术语的意思。我原以为，自己甚至可以找到一些不错的经验法则来识别仿生设计。回想起来，即使知道我是带着无知的自信来思考这些事情的，我的自以为是还是禁锢了我的想象力。
基于生物学启发的设计正好处于菲利浦·沃伦·安德森所称的“深度研究”(intensiveresearch)和“广度研究”(extensiveresearch)之间的交叉点上。深度研究是指详尽地研究某一特定的课题，直到你真正理解它的每一个方面。广度研究意味着从开阔宽广的视野看待研究的意义及其应用，无论是将其见解引入另一个领域，还是利用这些发现构建一种装置。基于生物学启发的工程学正处在这些思路的连接点上。然而，这个交叉点是一个不断移动的目标，这取决于你所处的学科领域以及你已有的知识的深度。
有那么多的研究人员，那么多的研究方向，我希望我能有时间和空间告诉你们。哈佛大学的罗伯特·伍德(RobertWood)等研究人员开发了一种微型的蜂形仿生机器人，揭示了在如此之微小的尺寸下飞行所面临的种种挑战。牛津大学的格雷厄姆·泰勒(GrahamTaylor)把摄像机安装在鹰的身上，拍摄它们的飞行轨迹；把苍蝇放在3D影院里，观察它们的身体对模拟环境的变化所做出的反应。他的研究可能会引领科学家改进未来无人机的软件——让它更简单、更便宜、适应力更强，就像苍蝇大脑中控制飞行的神经元一样。赫伯特·韦特(HerbertWaite)等人花了数十年时间分析贻贝胶的基本特性，使其他人能够将这些经验用于黏合剂市场，到20世纪20年代，该市场的全球价值将超过500亿美元。还有布里格姆女子医院的杰弗里·卡普(Je?reyKarp)，她从各种各样的生物身上得到灵感开发了几种不同的医疗设备。这些都要等到另一本书来写了。
在我报道与撰写这些章节期间，我不断遇到一些令人惊讶的交集——无论是在人物还是主题方面。在关于群体智能的那一章中，我谈了一点马可·多里戈关于集群机器人的研究——我在前面关于非轮式机器人的章节中提到过一个想法。伊拉里亚·马佐莱尼——我是从杰弗里·斯佩丁的仿鸟类飞机的研究工作中第一次听说他——出现在关于城市未来的仿生学会议上。对仿生设计感兴趣的人往往心胸开阔，能在众多学科中穿梭，寻找共同的原理。
“仿生设计以异乎寻常的爆炸式速度在迅速发展着。”伯克利加州大学的科学家罗伯特·富尔在2016年初我拜访他时告诉我，“我刚刚参加了一次为仿生设计和仿生学而开的董事会议。相关期刊、会议和出版物数目翻番的速度——这是人们对该领域感兴趣程度的一个衡量标准——是2~3年；其他大多数活跃领域的翻番速度平均是12年。形势变化得如此之快，委实令人惊奇。因此，努力阐明什么是以及什么不是科学和设计的真正进步，是非常重要的。”然而，正如我在本书最后一章中提到的，这样做有一个风险，即涉及面太广，而且不够深入，无法从一门自然学科中汲取扎实的工程学经验。当这种情况发生时，倡导者可能会让公众(以及潜在的资助者)失望。这是萦绕在像富尔这样的科学家脑海中挥之不去的一种担忧。
“有些人担心，考虑到企业和融资机构的接受度，大肆炒作可能引发内爆。我们对此真的非常担心。”他补充道。
看到这么多的科学家和顾问在工作，并且他们对于什么是仿生学或仿生设计似乎有着种种截然不同的想法，我不得不同意他的观点。在我看来，这就像是这一领域发展中的一个稍微脆弱的点，在这个点上，人们正在寻找应用，而基础学科还没有到位。广度科学(extensivescience)总是比深度科学(intensivescience)更有吸引力；深度科学难度大，而且越深入难度越大，从而已经把许多博士撵出了学术界。我在任何地方都能见到那些正在从困境中“康复”的博士：一位曾经是我的老板，另一个是我在圣塔莫尼卡冲浪时遇到的。虽然从事深度研究可能很艰难，但深度研究却是绝对有必要的，因为它提供了一个坚实的基础，在此基础上可以开始更广泛地考虑该研究的应用。
然而，将自然系统与其潜在的应用相匹配却很难做到，哪怕像正在填补这一空白的特拉平翠绿这样的咨询公司也很难做到。这就是为什么佐治亚理工学院的计算机科学家阿肖克·戈尔(AshokGoel)希望创建一个由人工智能技术驱动的系统，它可以识别自然系统中的基本原理，并通过类比，将这些基本原理与有待解决的问题相匹配。该系统仍处于研发中，但他希望它能将仿生创新的速度提高到前所未有的状态。
富尔指出，还有另一种方法可以加速这一过程，那就是将更多的多样性带入科学之中。他所谈论的不仅仅是种族和民族，然而这是其中的一部分；他还谈到了社会经济地位和背景(你是在城市 还是在农场长大的，你的技能是什么)，因为个人所习得的经验会给他带来独特的观点。任何形式的多样性对科学创新都是必不可少的。富尔过去曾举办仿生大赛，目前正教授一门这方面的课程，并一直在对得分最高的那些团队进行非正式统计。
“我没有这方面的数据，但我可以告诉你，这是迄今为止最多样性的团队！”富尔说道，“如果我们能鼓励公众对教育给予更大支持，它将给你的创造力带来巨大的好处。”这对我来说很有意义。毕竟，如果你用不同的眼光看世界，你就会更容易拥有对这个世界的不同见解，从而建立起以前没有人建立的种种联系。

1.前沿 焦点话题。风靡美国的仿生学科普书，针对生态恶化、过度消费资源的时代痛点，通过前沿的仿生学创新案例，揭示了“洞悉大自然中的秘密力量可以让我们获得创造的灵感，推进人类的发明和科技创新”。
2. 深度叙事 包容丰富。训练有素的记者、知识渊博的科学作家引人入胜地展示了大自然物种的无穷奥妙、仿生学的魅力、生物学发现对于文明的意义，也有助于我们思考基础科学与应用科学间的关系、深度研究与广度研究间的关联。
3. 悦读 宽口径。细节丰富，叙事优雅。这些精心准备的仿生学创新故事既能吸引普通读者，也能引发科学家和技术人员的密切关注。

大自然通过优胜略汰使许许多多的物种进化出了令人类叹为观止的生存智慧：昆虫的眼睛能看到我们昂贵的隐形眼镜都看不到的东西，白蚁丘在炎热的沙漠中无需空调也可以保持凉爽，鸟儿能最大限度地利用复杂的气流自如飞行……在这本讲述仿生学的科普书里，阿米娜·汗妙趣横生地讲述了大自然物种的无穷奥妙，并启示我们：大自然是最好的老师，包括建筑师、生物学家、纳米科技研究员、工程师在内的每个人都应该虚心地“向大自然借智慧”；我们正处在生态恶化、过度消费资源的历史拐点上，洞悉自然中的秘密力量可以让我们获得创造的灵感，推进人类的发明和科技创新，向更加安全、实效、多产的生活方式迈进。
本书通过材料科学、运动机械、系统建筑、可持续发展方面丰富而精彩的实例，向我们展示了在不久的将来，人类如何借助"仿生的智慧"，轻松地建立亿万美元的多元化产业，解决过去十几年中耗费大量人力、物力和财力都劳而无果的事情。本书引人入胜地展示了仿生学的魅力、生物学发现对于文明的意义，也有助于我们思考基础科学与应用科学间的关系、深度研究与广度研究间的关联。