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　　阿蘭·圖靈（Alan Turing，1912—1954）作為一名數(shù)學(xué)家，對(duì)自然界中那些規(guī)律性重復(fù)圖案的形成產(chǎn)生了興趣。

　　阿蘭·圖靈

　　他于 1952 年發(fā)表了《形態(tài)發(fā)生的化學(xué)基礎(chǔ)》，提出，自然界的許多生物如斑馬、獵豹、貝殼上自然形成的斑紋圖像，可能是由兩種特定的物質(zhì)（可以是分子層次、染色體層次或細(xì)胞層次），相互“反應(yīng)”和“擴(kuò)散”交替作用產(chǎn)生的，也就是按照一個(gè)被稱為“反應(yīng) - 擴(kuò)張”的模型，這兩種組分將會(huì)自發(fā)地、自組織形成斑紋、環(huán)紋、螺旋或斑駁的斑點(diǎn)等結(jié)構(gòu)，此被稱為“圖靈結(jié)構(gòu)”。

　　仿生聯(lián)想與“圖靈結(jié)構(gòu)”圖

　　牛津大學(xué)數(shù)學(xué)生物學(xué)名譽(yù)教授詹姆斯·莫里（JamesMurry）曾對(duì)這一現(xiàn)象打了一個(gè)有趣的比方，要想直觀地了解反應(yīng)擴(kuò)展模型是如何工作的，可以設(shè)想有一片干草地，上面有大量的蚱蜢，草地上發(fā)生了陰燃，火勢(shì)正慢慢蔓延到整個(gè)草場(chǎng)。蚱蜢們被窒息了，大部分留在原地，當(dāng)火蔓延到每個(gè)蚱蜢附近時(shí)，由于蚱蜢體內(nèi)水分蒸發(fā)，充當(dāng)了局部滅火劑。由于火的氧化反應(yīng)與蚱蜢體內(nèi)的水分蒸發(fā)擴(kuò)散及其他各種參數(shù)相互作用的巧妙搭配，燃燒后的草地上出現(xiàn)不同的黑 - 黃色、近程無序遠(yuǎn)程有序的斑塊。這就把“圖靈結(jié)構(gòu)”的生成作了形象的解釋。

　　在對(duì)這一生物斑紋形成機(jī)制的研究中，我們能否得到聯(lián)想啟示，由人工合成類似的物質(zhì)？2018 年《科學(xué)》雜志報(bào)道，研究人員把哌嗪和均苯三甲酰氯兩種小分子物質(zhì)，分別溶解于水和油中，兩種小分子在水、油相交接界面處發(fā)生聚合反應(yīng)，因擴(kuò)散速度與反應(yīng)速度的大小交替，幾秒鐘內(nèi)在界面形成一層平滑的高分子薄膜，致密層厚度約為 100 納米。通過向聚合反應(yīng)中添加聚乙烯醇，調(diào)整哌嗪的擴(kuò)散速度，最終制成一張具有納米尺度的、有“圖靈結(jié)構(gòu)”的高分子斑紋膜。作為一種新型納濾膜，這種膜材料，可用于飲用水的深度凈化，如咸水淡化、工業(yè)水回收等領(lǐng)域，制凈水的速度可以較傳統(tǒng)的納濾膜提高三、四倍，這也是一種從自然現(xiàn)象聯(lián)想進(jìn)行有效發(fā)明創(chuàng)新的實(shí)例。

　　哌嗪

　　仿生學(xué)研究常常引發(fā)出許多奇思妙想。大家看到一只蒼蠅輕快地轉(zhuǎn)身，倒掛在天花板上，不覺得是一件新鮮事。然而多年來，科學(xué)家一直沒有能搞清楚，這類昆蟲是如何完成這一空中特技的，即使現(xiàn)代無人機(jī)也無法與蒼蠅的復(fù)雜降落技巧相媲美。探索這一奧秘，可以幫助機(jī)器人、飛行員模擬昆蟲獨(dú)特飛行動(dòng)作，更是一項(xiàng)引人入勝的研究工作。

　　蒼蠅如何著陸

　　據(jù)《中國科學(xué)報(bào)》報(bào)道，為了制造能夠模仿昆蟲運(yùn)動(dòng)的機(jī)器，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)機(jī)械工程師 Bo Cheng 和其團(tuán)隊(duì)，使用高速攝像機(jī)拍攝并分析了 20 多只綠頭蒼蠅在一個(gè)飛行艙內(nèi)倒立著著陸的場(chǎng)景。

　　蒼蠅降落的方式是多種多樣的。有些蒼蠅會(huì)先把自己的前腿放在物體表面上，就像后空翻一樣，然后再把身體擺到位；有的著陸方式看起來更像側(cè)翻滾筒。

　　研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，蒼蠅主要依靠視覺線索來完成這些動(dòng)作。當(dāng)蒼蠅看到它即將與天花板相撞時(shí)，必須在 50 毫秒內(nèi)決定自己如何倒轉(zhuǎn)身體并用腳抓住天花板或者飛離。

　　Cheng 和他的同事在 2019 年 10 月 23 日出版的《科學(xué)進(jìn)展》上報(bào)告了這一研究成果。還描述了 15 次失敗的著陸，說明最敏捷的蒼蠅有時(shí)也會(huì)犯錯(cuò)。

　　研究者認(rèn)為，這項(xiàng)跨物種（蒼蠅、蚊子、蜜蜂）飛行動(dòng)作的研究，只是剛剛起步，希望用蒼蠅來教機(jī)器人模仿蒼蠅的滾筒等飛行技能，就像讓孩子模仿父母一樣。仿生學(xué)的研究既充滿了挑戰(zhàn)，又充滿了樂趣。

　　類似的仿生聯(lián)想發(fā)明還有：化學(xué)武器。雖然化學(xué)武器現(xiàn)在已被國際禁用，但在它最初的發(fā)展過程中也曾受到生物機(jī)制的啟示，由聯(lián)想而得到改進(jìn)。鮮為人知的一個(gè)事實(shí)是，化學(xué)氣體儲(chǔ)存于鋼瓶之中，長期存儲(chǔ)不用，會(huì)導(dǎo)致閥門等裝置銹蝕嚴(yán)重，沒有辦法正常使用，從而變成一個(gè)燙手的山芋。

　　為了解決這一難題，研究人員由一種“氣步甲蟲”處得到啟示。他們發(fā)現(xiàn)在甲蟲的身上分別有兩個(gè)小囊，分別儲(chǔ)存有對(duì)苯醌O O和雙氧水（H2O2），兩者都不是有害物質(zhì)。

　　甲蟲在撕咬其他生物時(shí)，兩個(gè)囊同時(shí)放射出兩種化學(xué)物質(zhì)，瞬間反應(yīng)，生成劇毒物質(zhì)以擊退敵人。由于此機(jī)制的聯(lián)想，科學(xué)家發(fā)明了二元化學(xué)武器，就是分別在兩個(gè)容器中存儲(chǔ)非毒物質(zhì)，而在使用時(shí)讓兩種物質(zhì)混合，瞬間合成為化學(xué)武器，從而解決了原有化學(xué)武器存儲(chǔ)的問題。

　　當(dāng)然，對(duì)這樣一種聯(lián)想的發(fā)明如何評(píng)價(jià)？這是不是一個(gè)有害社會(huì)的發(fā)明？是否對(duì)化學(xué)武器的監(jiān)控、核查制造了困難？這個(gè)問題考驗(yàn)著人類的文明和道德水平，也考驗(yàn)著創(chuàng)新發(fā)明的評(píng)價(jià)體系。

　　來源：《科技創(chuàng)新啟示錄：創(chuàng)新與發(fā)明大師軼事》

　　作者：金涌