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为什么说鸟类是世界上最好的工程师?

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编者按:大多数鸟类在繁殖季节,都会选取枝杈、泥土等材料搭建自己的巢穴,以便躲过掠食者的袭击。虽然是用大自然中的现成材料搭建,但成形的鸟窝却十分坚固,不易破碎。这吸引了美国俄亥俄州的阿克伦大学科学家亨特·金的注意,希望能够从鸟窝的动力构造中吸取经验,以便应用到人类的生活中去。阅读本文,带你了解更多关于鸟窝搭建这一自然的奇迹。本文译自《纽约时报》中原标题为“Why Birds Are the World’s Best Engineers”的文章,本文作者Siobhan Roberts。

为什么说鸟类是世界上最好的工程师?

Andrew Spear for The New York Times

“鸟窝”一词通常用来形容凌乱的发型、缠绕在一起的钓鱼线和其他难以言喻的棘手难题。但种描述对鸟类来说是不公平的。别看它们小小的脑袋,其实里面装满了密集的神经元,并作为自然选择工程的妙计,就像个奇迹一般长期以来一直吸引着科学界的兴趣——然而目前,人们还没完全弄明白它。

在美国俄亥俄州的阿克伦大学(University of Akron)内有一个阳光充足的房间,那是软物质物理实验学家亨特·金(Hunter King)的机械仿生学和开放设计实验室,在那里,科学家们正在努力解开鸟窝的结构动力学之谜。

亨特说:“我们假设鸟窝可能是个无序炸弹,其储存的能量刚好够它保持固定的形状。”亨特是项目的首席研究员,他们最近刚在《应用物理学杂志》上发表了一篇研究相关的初步综述,名为《随机排列的丝状物——以“鸟窝”为原材料的研究》,他补充道,很明显,鸟窝这种炸弹,永远都不会爆炸。

亨特和他的同事在文章中试着回答了一些简单的问题,比如:鸟窝搭建背后的机械原理是什么?“巢态”统计上的稳健特征是什么?也就是说,是什么将一个鸟窝与其他差不多的枝枝叉叉区分开来,它们是被紧紧地捆在一起,还是杂乱地散落一地?

亨特说:“在分子层面,化学家为了其预测整体的机械性能,会合成不同长度或刚度的聚合物。然而,鸟类行为的是我所说的‘机械合成’,它们会根据对其巢穴性能的预期制定一些选择材料的标准,一般都是一些瘦小的材料。”

鸟窝搭建是一种独特的化学方法,而且这几乎都可以说是一种炼金术了。它是用无数个不起眼的小部分,凝聚成一个更大的总和。据推测,这种搭建原则并不只适用于树上的鸟窝,而是同样可以被广泛运用于人类生活中的建筑、包装、减震等结构。

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红衣主教雀。Andrew Spear for The New York Times

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亨特和他的团队试图让动物园里的红雀用这些材料筑巢。Andrew Spear for The New York Times

亨特将以主教雀(亦被称为红衣主教雀)为这项筑巢研究的主角。相比于知更鸟用泥巴筑巢来说,主教雀入选主要是由于在筑巢的过程中,她基本上就只是简单地把树枝堆在一起,不会加入泥巴让过程复杂化。亨特和同事们在提议中是这么写的:“当主教雀在搭建她标志性的杯状鸟巢时,以自己的身体为模板制作鸟巢需要的纤细的树枝,草,和树皮条儿,虽然它们很柔软,但却能在多种机械扰动中让巢穴保持稳固的形状。”这项研究最终得到了国家科学基金会的资助。

在模拟鸟巢几何结构、弹性和摩擦力之间微妙的相互作用时,亨特和他的研究生助理尼古拉斯·韦纳(Nicholas Weiner)在桌面上做了一个“有一点蒸汽朋克风格”的实验。他们建了一个人工鸟巢:用激光切割一个装有数百根竹签的圆筒后散装购买。然后在鸟巢周围建了个小膛室,利用之前观测橡胶机械反应装置的部件去测量鸟窝在被反复压缩时的反应。

这不只是个隐喻

亨特和研究伙伴最近发表的论文主要回顾了鸟窝领域的研究,尽管不是非常完善。

亨特的书架上有一本麦克·汉塞尔(Mike Hansell)的经典著作《鸟类与其巢穴搭建行为》(Bird and Construction Behavior)。汉塞尔是格拉斯哥大学(University of Glasgow)动物建筑学荣誉退休教授,他曾在世界各地的博物馆进行实地考察。例如,他在逛伦敦自然历史博物馆(Natural History Museum)的时候,就发现了一个“用草和幼根组成的杯状鸟窝”,这是由已灭绝的新西兰鸫鹟(Turnagra capensis piopio)搭建的,看起来很普通。

“这只鸟最后一次被发现是在1947年,”他写道,“它在世界上可能已经没有其他的巢穴了。而看到了它留下的鸟窝,就似乎还能感触到它的存在,触摸鸟窝就像触摸梵高向日葵的笔触一样接近它的创造者,是鸟窝延续了这个已经灭绝了的物种的长久存在。”

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Piopio。Museum of New Zealand Te Papa Tongarewa

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Piopio的鸟巢。Museum of New Zealand Te Papa Tongarewa

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亨特·金在阿克伦大学的实验室。Andrew Spear for The New York Times

多年来,通过与建筑师和工程师的接触,汉塞尔“对自己能从鸟类筑巢中学到什么东西产生了一定的怀疑,”他在一封邮件中说,“世界上有几千种会筑巢的鸟类,它们每个都试着创造一个适合自己的环境来保护他们的后代。那么,我们能从这些筑巢结构中学到什么吗?答案是肯定的,但前提是,我们必须对鸟窝的搭建有适当的了解。”

亨特还挺乐观。在这篇论文中,他对鸟窝的一系列材料进行了认真研究,认为从圆圆的沙粒到棉球里的细丝都具有涌现性:当它们随机组合在一起时,便会集体行动,这过程就像是一种“挤压堵塞”。

亨特说:“如果我们把鸟窝材料想成是一堆硬塞在一起的木棍,其实在某种程度上是准确的。所以如果说作为一种材料的话,那鸟窝就是在沙子和棉花中间的那种类型。”

在参考文献里,他提到了一篇2012年的论文,该论文着重探讨了重型Duo-Fast订书钉(或称“u型粒子”)是如何聚在一起并相互渗透成团的。另外,他还提到2016年的一篇关于“偶然性建筑”的论文。在拉丁语中,alea指的是骰子或赌博;在这篇论文中,研究者提出了一个问题,即建筑设计是否可能源于偶然的无序状态:“我们是否能发明一个概念来解释各种偶然的秩序呢?”

一个不对称的能量循环

当然,搭建鸟窝也并不是完全随机的。那它们是按照什么普遍逻辑搭建的呢?“巢穴性状”的精髓又是什么呢?亨特希望思维的灵活性可以“让潜在的故事浮出水面”。

亨特和同事已经在探索人工鸟巢中的材料是如何聚集在一起,以及整个鸟巢体是如何吸收能量的。到目前为止,他们已经观察到了亨特所说的“由可逆滑动引起的稳态滞后”。

“滞后”一词源于古希腊,意为“不足”或“落后”。简单地说,它描述了一个物理系统如何基于先前对它产生的作用而表现出不同的反应。就是说,把两个1磅重的东西挂在橡皮筋上,然后拿掉一个,这样橡皮筋上就只剩下了另一个。在这种情况下拉伸橡皮筋,然后与一开始的两个相比,橡皮筋会被拉得更远。这便是所谓的滞后。但是,橡皮筋不是理想状态下的弹簧,这会造成系统能量的损失。

在亨特制作的树脂玻璃圆柱体“鸟窝”上,也会出现这种类似“滞后”的情况。这些木棍被慢慢地压缩到其最大承受力,然后释放,如此循环往复。在每一次循环中,木棍会被压得更紧一些,然后再弹回来,但只是弹一半。这个时候“滞后”便发生了。最终,对所有给定的木棍皮层,包括其长宽比、直径除以长度,系统都会找到它最大的限度,或者说是稳定状态和密度。

然后,实验者再来几次循环,把这些木棍挤压的更碎一些,以为这样就不会有“滞后”现象了。可即便如此,数据显示滞后现象仍在发生。这就很有意思了。这些木棍的密度很大,似乎没有在挤压中重新排列。研究小组便把这种现象称为“稳态滞后”。

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亨特·金的实验。Andrew Spear for The New York Times

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丹·加文(Dan Garvin)在钢瓶里搅拌木棒,然后把钢瓶拿出来,看看这些木棒是如何叠在一起的。Andrew Spear for The New York Times

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金博士的研究生助理尼克·韦纳(Nick Weiner)在机械测试器上对这些棒子的结构完整性进行了测试。Andrew Spear for The New York Times

通过计算机模拟,他们找到了一个解释。事实上,在压缩过程中,当一根木棍在另一根木棍上滑动时,它们会稍微重新排列。但这种滑动在木棍一松开就会自行消失——这就是所谓的“可逆的滑动”。鸟窝变成了一个不对称的弹簧:被推挤的时候变硬,而被放开的时候就是软的了。(2018年,波兰在一项研究也对此进行调查,并提出类似的结果。)

这一现象的发现可能正是研究人员所想要的。即在外力作用下的基本机械反应过程,不仅是鸟窝设计的基础,也同样应该存在于其他的系统中。

这些只是初步的发现,亨特将继续在实验室里研究,在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的国家超级计算应用中心(National Center for Supercomputing Applications),由机械工程师马蒂亚·加索拉(Mattia Gazzola)和他的博士生亚什拉杰·博萨尔(Yashraj Bhosale)对此研究进行进一步的模拟工作。

 

译者:Hailey

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