從飛蛇到沖浪鲱魚，大自然為人類的發明和創造提供了無盡的靈感來源。許多新的發明和技術都來自對自然的模仿，其中一門誕生的學科被稱為仿生學。美國非營利組織仿生學研究所（Biomimicry Institute）的聯合創始人珍妮·貝尼烏斯（Jenny Benius）于1997年通過出版仿生學使這個詞廣為人知。"仿生學基本上是關于找到一個解決設計挑戰的生态系統，然後試圖模仿你所知道的，"她寫道。"
Anoplogaster cornuta是一種超黑的深海魚類
随着研究自然界的科學家做出新的發現，發明家和工程師繼續從中汲取靈感，并将自然解決方案應用于新技術。無論是建造更好的機器人，更有效地跟蹤癌細胞，還是改進研究太空的望遠鏡，我們都可以在生物中找到有用的解決方案。以下是在史密森尼學會上發表的10大科學發現，這些發現可能會在2020年帶來新的發明。
1.鲱魚"沖浪"在其他海洋生物的背上
鲱魚的"吸盤"實際上并沒有附着在鲸魚的皮膚上，而是懸停在鲸魚的皮膚上，形成一個附着在鲸魚側面的低壓區。
鲱魚是海洋中最好的搭便車動物。據報道，這種30至110厘米的魚，也被稱為吸盤魚，其頭頂上有一個吸盤，可以将自己固定在鲸魚或鲨魚身上，就像"粘性的平頂帽"一樣。但鲱魚不僅僅是搭便車。2020年的一項研究發現，當魚與宿主一起遊泳時，它們實際上可以在宿主的背上"沖浪"。換句話說，鲱魚沿着宿主的身體滑行，傾向于聚集在鲸魚的噴水口和背鳍附近，那裡的阻力不那麼強大 - 它們在"沖浪"期間啃食死皮和寄生蟲。
Brooke Flammang和Jeremy Goldbogen等研究人員發現，魚選擇的位置是它們附着的關鍵。Flammang指出，特别是藍鲸的噴水口和背鳍之間的區域，其液體比幾厘米以上的區域"低得多"。事實上，鲱魚的吸盤并沒有附着在鲸魚的皮膚上，在大多數情況下，吸盤盤旋在皮膚上，形成一個附着在鲸魚側面的低壓區域。
Flammang是紐澤西理工學院的生物學家，他受到這種魚的啟發，已經開始研究人造吸盤。她希望吸盤将用于安裝藍鲸等瀕臨滅絕的海洋動物的攝像頭和跟蹤裝置。目前，研究人員使用的平均吸盤可以将相機固定在主體上，但握力僅持續24至48小時。Flammang的新裝置預計将持續數周，并有效減少阻力。目前，她的團隊正在柔性表面上測試吸盤，并為相機設計一個鲶魚形的外殼。最終，他們将在活體動物身上對該裝置進行現場測試，包括鲸魚，海豚，鲨魚和蝠鲼。
"Flammang博士的實驗室在依戀方面的生物啟發性進步将徹底改變我們在動物身上放置标簽的方式，使它們更加成功和有效，"斯坦福大學海洋生物學家Goldbogen寫道。"
2.鳍片和指尖一樣敏感
芝加哥大學（University of Chicago）的神經科學家亞當·哈迪（Adam Hardy）的團隊發現，鳍不僅用于遊泳和操縱方向，而且與靈長類動物的指尖一樣敏感。研究人員通過研究Neogobius melanostomus得出了這一結論。它是一種原産于黑海和裡海的廣鹽底栖魚類，但長期以來一直侵入歐洲的許多河流，甚至遠至北美五大湖地區。這些小魚通常生活在岩石上，腹鳍在吸盤的形狀上變得更加合成。
Neogobius melanostomus，一種黑嘴新蝦，通常栖息在岩石上，其鳍"像靈長類動物的手指一樣敏感"。
為了确定魚鳍的敏感性，研究小組對魚實施了安樂死，并給它們注射了鹽水，以保持它們的神經在實驗過程中正常運作。然後，他們使用一種特殊的裝置來記錄鳍片掃過固定輪子時的神經電脈沖模式。芝加哥大學（University of Chicago）的神經科學家、該研究的合著者梅麗娜·黑爾（Melina Hale）表示，結果顯示，鳍可以感覺"非常小的細節"。研究人員希望這一發現能夠激發對機器人感覺技術的研究，特别是在水下機器人領域。
3、堅不可摧的甲蟲外骨骼
這種甲蟲被稱為"魔鬼鐵錠甲蟲"，絕對配得上它的名字。大多數昆蟲隻活幾個星期，但甲蟲的壽命為八年，大緻相當于人類數千年的生命。為了實作這樣的壯舉，他們進化出了非凡的外骨骼"盔甲"。
甲蟲不到2厘米長，可以被汽車碾過可以存活 - 加州大學歐文分校的工程師David Kiselus和他的團隊駕駛豐田凱美瑞并粉碎了兩次，但它幸存了下來。經過幾次技術實驗，研究小組發現甲蟲可以承受自身重量的39，000倍。
這種甲蟲長不到2厘米，即使被汽車碾過兩次，也能存活下來，被稱為"魔鬼的鐵錠甲蟲"
有幾個因素促成了這種神奇的現象。首先，甲蟲的外骨骼是平坦的，不像瓢蟲那樣圓潤。其次，它們的外骨骼是富含蛋白質的層，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接配接在一起，每層都遵循拼圖曲線，加強了關節最薄的部分，例如頭胸連接配接處的兩個外骨骼，它們互相鎖定。
在他們的論文中，研究人員建議，通過利用"魔鬼鐵錠甲蟲"，一種類似的特征，但聯鎖緊固件層較少，可以設計用于固定飛機渦輪機等。該團隊建立了一個3D列印的"層壓"模型。他們預測，這一發現可能有助于開發新的航空緊固件，進而顯着增加強度和韌性。事實上，這種設計可用于需要連接配接兩種不同材料的任何情況，例如橋梁，建築物和車輛中的金屬和塑膠。
4、說明16種深海魚類超黑色素
國家自然曆史博物館的海洋生物學家凱倫·奧斯本（Karen Osborne）曾經不小心從蟹網中釣到了一條深海尖牙魚。當他們試圖拍攝黑魚的照片時，他們發現無論他們多麼努力，他們都無法獲得魚的細節。他們後來發現，這條魚确實"沒有相位"，因為它的組織吸收了相機閃光燈99.5%的光線。
他們的研究包括有尖牙的魚（金眼泡菜）和其他15個物種，所有這些物種都有超黑色色素沉着，可以融入黑暗的深海環境。雖然光線無法到達海洋的這一部分，但有些魚會發光。對于狡猾的掠食性魚類，黑暗的身體吸收盡可能多的光線，使其成為最好的隐形鬥篷。
Idiacanthus antrostomus也是一種超黑的深海魚類，在研究中吸收光線的能力第二高。
許多陸地和海洋動物是黑色的，但人造黑色反射約10%的光線，大多數其他黑色魚類反射約2%。要打破"超黑"的門檻，16種需要将反射光的比例降低到0.5%。為了做到這一點，他們進化出一個巨大的膠囊狀黑色素（含有黑色素的細胞），并且排列得非常緊密。在其他黑色（但不是超黑）動物中，黑色素排列得更松散，形狀更小，更圓。
通過模仿這些超黑深海魚類黑色素體的形狀，結構和分布，材料科學家可能能夠創造出人造超級髓子。這種顔料可用于覆寫望遠鏡的内部，以獲得更好的夜空視野，或增加太陽能電池闆的光吸收。凱倫·奧斯本（Karen Osborne）還指出，海軍研究人員甚至可能對這一發現感興趣，"如果可以生産出含有這種黑色素的裝甲，那麼它将是夜間作戰的理想選擇。
5、飛蛇會為了穩定而産生波動
蛇不僅在地上爬行，還會在水中遊泳，但這些還不夠，世界上有五種"飛"蛇。相反，它們的飛行更像是高度協調的着陸，在重力的幫助下，它看起來有點像它們在陸地上的曲折。也許，正如弗吉尼亞理工大學生物力學研究員傑克·索查（Jack Socha）所描述的那樣，蛇像一個"巨大的扭曲帶"一樣飛翔。
這些"飛蛇"屬于Chrysopelea屬，它将其圓形軀幹壓縮成扁平的三角形以增加空氣阻力，從一棵樹滑到另一棵樹，距離可達數十米。然而，對于科學家來說，它們在空中的左右擺動似乎沒有多大意義。在這項研究中，傑克·索查（Jack Socha）的團隊在弗吉尼亞理工大學（Virginia Tech）租了一座四層樓的體育館，并在七條飛蛇身上貼上了反光膠帶，用高速錄影機記錄了它們跳躍了150多次（不用擔心它們的安全，該團隊必須通過安全程式，并為場地配備泡沫地闆和假樹）。
使用反光膠帶，該團隊使用3D計算機模型重制了"飛蛇"的飛行過程。
蛇的飛行時間非常短暫，是以該團隊使用反光膠帶使用3D計算機模型重新建立了它們。他們發現，飛蛇垂直擺動的頻率是水準擺動的兩倍，它們的尾巴上下擺動。弗吉尼亞理工大學的機械工程師艾薩克·伊頓（Isaac Eaton）說："其他動物的波浪形運動是向前推進的，我們已經證明，飛蛇這樣做是為了保持穩定性。
該團隊希望他們的發現将有助于開發一種類似蛇的搜救機器人。艾薩克·伊頓（Isaac Eaton）說，機器人的優勢在于它們能夠保持穩定性，并在移動時穿過狹小的空間。在一些非常狹窄的空間工作可能會導緻典型的機器人絆倒或摔倒。他們的目标是有朝一日開發能夠模仿蛇的運動的機器人，結合所有的扭曲，彎曲和突然轉向。
"當你結合這些動作時，你可以擁有一個可以在複雜環境中移動的平台：機器人可以爬上樹或建築物，快速滑翔到另一個區域，然後滑翔或遊到其他地方，"艾薩克伊頓說。
6、尾海獺制造的過濾系統
尾海獺有點像蜻蜓，隻是略大;這些微小的生物自由地生活在海面以下數百米處，那裡的食物稀缺。
使用雷射掃描工具，研究人員揭開了由該生物建造的複雜"鼻涕宮"，該研究作者，蒙特利灣水族館研究所的生物工程師Kakani Katija，稱為鼻涕狀粘液結構。尾海獺沒有手也沒有腳，它們本身就是分泌物建構的複雜"粘液室"，這是一種由内外過濾器組成的過濾裝置，可以大大提高尾海獺的攝食效率。
尾海獺利用它們的分泌物制造了一個複雜的粘液球，這是一種以有機顆粒為食的過濾系統。
就像蜘蛛網狩獵一樣，尾海獺利用這些粘性結構來捕捉經過的小而稀疏的食物顆粒。它們小小的身體位于"粘液室"的中心，通過尾巴擺動将水從迷宮般的管道擺動到入口。在黑暗的深海中，任何錯誤的舉動都可能導緻死亡，而這個粘液囊可以保護他們。
Kakani Katija希望從這些小動物身上汲取靈感，并有朝一日開發出仿生充氣過濾系統。鑒于這些動物可以過濾掉比病毒小的顆粒，也許醫用級或HEPA過濾器可以用這種裝置來改進。"我們仍處于這個項目的探索階段，我希望其他研究人員可以繼續前進，"她說。"
7、鱗狀沙蠶的發光藍色粘液
螢火蟲等發光生物的閃光通常持續不到1秒，最長可達10秒。但海洋中的磷蠶（Chaetopterus sp.但是有一些"有才華的外星人"會産生一種明亮的藍色粘性物質，可以在任何地方發光16到72小時。由于粘液在體外發光，是以不會浪費生物體的能量，這對磷蠶的生存是有好處的。這也提出了一個問題：這種粘液是如何發光這麼長時間的？
加州大學聖地亞哥分校的研究人員Elian De Meulenaere，Christina Puzzanghera和Dimitri D。Deheyn檢查了磷蠶粘液的複雜化學成分，發現它含有鐵蛋白，鐵蛋白釋放離子或帶電原子。這種形式的鐵蛋白與藍光反應，觸發更多離子的産生，進而産生連續發光的回報回路。
毛茸茸的動物鱗狀蠶的粘液在體外發光，是以不會浪費生物體的能量
該團隊希望複制與生物熒光相關的獨特的含鐵蛋白的蛋白質，以在手術過程中照亮癌細胞。Deheyn還表示，他們可以開發一種合成生物細胞，可以在發生停電的緊急情況下使用，類似于在黑暗中發光的貼紙。
"熒光貼紙總是發光的，因為它們在白天積累陽光，在晚上釋放陽光，"Deheyn說。"
8、大黃蜂可能知道自己有多大
大黃蜂，也被稱為大黃蜂，比普通蜜蜂更大，看起來非常笨拙。但是，這種印象可能不準确。今年夏天的一天，澳洲新南威爾士大學堪培拉校區的工程師Sridhar Ravi觀察到，大黃蜂可以在樹枝和灌木叢中自由漫遊。他感到震驚的是，一個大腦如此小的生物體能夠克服這些挑戰。
當間隙小于蜜蜂的翼展時，它們會停下來觀察它，然後将間隙側向磨損而不會損壞翅膀
為了測試大黃蜂，Ravi的團隊在實驗室裡設定了一個隧道和一個蜂巢。他們在隧道中放置了一個狹窄的缺口作為障礙物，随着時間的推移，這個障礙物變得越來越小。他們發現，當間隙小于蜜蜂的翼展時，他們停下來觀察它，然後将間隙側向佩戴而不會損壞翅膀。對于大黃蜂來說，他們需要從不同的角度了解自己的體型，才能完成這種看似微不足道的行為，這是許多昆蟲所沒有的能力。
Sridhar Ravi說，如果大腦中的小蜜蜂可以處理這個問題，那麼機器人可能就不需要過于複雜的處理器來更好地導航。"複雜的感覺并不一定需要一個大而精細的大腦，但可以用更少的神經元在小規模上實作，"他說。通過利用蜜蜂大腦的工作模式，研究人員可能能夠開發出更靈巧的機器人，這些機器人具有比看起來更大的飛行或遊泳能力。從被動檢測到主動感覺，這種提升将帶來機器人技術的新時代，"Ravi說。
9、切葉蟻外骨骼礦物"铠甲"
甯波大學植物病毒學領域的研究員李宏傑與美國威斯康星大學麥迪遜分校的研究人員合作，發現中美洲切葉蟻的外骨骼有一層薄薄的礦物"盔甲"。
為了進一步研究切葉蟻的外骨骼，這種類似盔甲的塗層需要去除，但是如何去除呢？在接受《科學新聞》采訪時，李先生說，他在刷牙時醒悟過來了。漱口水可去除牙齒上的物質，而不會損傷臉頰、牙龈和舌頭。他的預感是正确的，漱口水溶解了礦物塗層，而不會損壞切葉蟻的外骨骼。通過更傳統的實驗室實驗，該團隊确定礦物塗層由鎂含量高的方解石組成。在海膽中，這種麻痹性石頭和鎂的混合物使它們的牙齒穿過堅硬的石灰。
研究人員發現，切葉蟻外骨骼上的礦物塗層是由高鎂含量的方解石制成的。
研究作者Cameron Curry和Pope Gilbert解釋說："将鎂摻入阿迪斯可以為任何涉及阿迪斯的納米技術領域帶來許多好處，例如塑膠，粘合劑，建築砂漿和牙科材料。此外，這種礦物塗層不是由切葉螞蟻産生的，而是它們可以在需要時迅速産生的東西，并且随着切葉螞蟻的成熟而增加硬度，幾乎覆寫整個身體。
"令人難以置信的是，這種切葉蟻可以通過快速形成薄而輕的納米晶體塗層來顯着提高外骨骼的強度，"Cameron Curry說。"
10.聽力不佳的飛蛾有"隔音鬥篷"
對于飛蛾來說，避開依靠聲音尋找獵物的捕食者并不容易。然而，一些飛蛾已經進化出驚人的功能來保護自己免受蝙蝠的侵害。
在2020年早些時候，研究人員發現，除了具有柔軟聲音的絨毛外，這兩種聽不見的飛蛾在翅膀上還有非常薄的叉形鱗片層，可以吸收蝙蝠的超音波。每隻飛蛾的翅膀上有數千個這樣的小鱗片，不到1毫米長，數百微米厚。每個音階都會扭曲來自翅膀的聲音并降低聲音能量，進而減少反射回蝙蝠的聲音。這些音階似乎在不同的頻率下共振，作為一個整體，它們"可以吸收至少三個八角形的聲音"。
飛蛾的翅膀上覆寫着數千個這樣的小鱗片，每個鱗片不到1毫米長，隻有幾百微米厚
布裡斯托大學的研究作者Mark Holdrider說："這些尺度在納米尺度上是高度結構化的，頂部和底部有多孔層，由微小的柱子網絡連接配接。他估計，受到這種結構的啟發，我們也許能夠在未來開發出"吸收聲音效率提高10倍"的隔音材料。他設想了一種納米級塗層吸音牆紙，可以貼在家庭和辦公室的牆壁上，取代現在常用的巨大面闆。
Holdrider還認為，這一發現将在許多行業中得到廣泛應用。"我們對這種材料廣泛使用的前景感到非常興奮，"他說。"（任何一天）