向38亿年的“研发部”偷师，气候问题如何被重新解题

今年世界环境日的主题“聚焦气候行动的紧迫性”。这句主题里藏着一个常被忽略的事实：在“如何用最少的能量、最干净的方式活下去”这件事上，地球上最资深的工程师从来不是人类，而是自然本身。

演化已经在这颗星球上做了大约38亿年的研发。它面对的约束条件比任何一家公司的工程团队都苛刻：必须在常温常压下工作，只能就地取材，不能产生有毒废料，几乎所有能量都得来自太阳；而且没有垃圾填埋场，一种生物的废物必须是另一种生物的原料。在这套近乎严苛的限制里，自然依然造出了比钢更坚韧的蛛丝、能在零下存活的抗冻蛋白、会自动调温的蚁巢。

仿生学做的事，就是把自然当成“导师”而不是“仓库”，不去砍树、挖矿、捕鲸，而是看懂它们用了什么聪明的设计，再把那套原理搬进人类的工程。正如这一理念的推广者、生物学家Janine Benyus所强调的：经过这么漫长的淘汰，行不通的设计早已变成化石，留存至今的，都是经得起检验的好点子。

下面是几个真实落地的案例，外加一个仍在路上的前沿方向。它们的共同点是：都没有靠“多烧能源”来解决问题，反而在解题的同时，把能耗、排放或浪费一并降了下来。这恰恰是气候时代最稀缺的那种解法。

不开空调也凉爽的大楼

非洲草原上的大白蚁面临一个生死攸关的难题：它们在巢里种植一种真菌当口粮，而这种真菌必须维持在大约30°C的恒温，可外界温度一天之内能从夜里的几度飙到正午的40°C以上。白蚁没有空调，却用一座布满孔道、通风井与“烟囱”的泥土高塔解决了它,通过不断微调通道的开合，借助太阳加热形成的气流完成空气交换，把巢内环境稳稳兜住。

白蚁丘内部的密集管道网  图源 | Asknature

津巴布韦建筑师Mick Pearce把这套逻辑搬进了哈拉雷的Eastgate Centre。这座1996年建成的大型商场兼写字楼，由Pearce与工程公司Arup合作完成，全楼没有安装常规的中央空调：厚重的混凝土在夜里蓄存凉气、白天缓缓释放，48根砖砌烟囱配合风扇形成自然对流，把热空气向上排、凉空气往下引。

结果是实打实的省能。相比哈拉雷同类配备全套暖通空调的建筑， Eastgate的总能耗低了约35% ，单看通风制冷这一项，更是省下接近九成。在气候议题里，这一点格外有分量,随着全球变暖，空调正在成为耗电增长最快的家电之一。一座 “ 会自己呼吸 ” 的楼，等于在源头上就把这部分需求摁了下去。

又快又安静的子弹头列车

日本新干线曾被一个尴尬的问题困扰：500系列车时速超过300公里，每次高速钻进隧道，都会把前方空气挤压成一道压力波，从隧道另一头“砰”地炸出来，几百米外都听得见，沿线居民苦不堪言。这种现象叫“隧道音爆”。

新干线翠鸟车头  图源 | Readmoo

负责技术开发的工程师中津英治，恰好是位资深观鸟爱好者、日本野鸟会的成员。他问了一个别人不会问的问题：自然界有没有哪种生物，能从一种介质高速冲进另一种密度截然不同的介质，却几乎不惊起波澜？答案是翠鸟，它从空中俯冲入水捕鱼，水的密度约为空气的800倍，可它入水时几乎不溅水花，靠的就是那只又长又尖、横截面呈流线型的喙。

中津的团队把车头改造成翠鸟喙的形状，做成一个长达十几米的细长“鼻子”。1997年投入运营的500系新干线，空气阻力比上一代降低约30%，耗电相应减少约13%–15%，而且跑得更快、噪音还压到了70分贝的标准线以下。

一个观鸟的爱好，顺手把一列火车变得更省电——这正是仿生学最迷人的地方：自然往往一次性递给你好几个好处。

微风里也能转的风力发电机

按传统空气动力学的常识，机翼、桨叶、涡轮叶片的前缘应当越光滑越好，以减少阻力。可生物学家Frank Fish偶然注意到，重达三十吨的座头鲸，胸鳍前缘竟布满一排凸起的“结节”，而正是这些结节，让这个庞然大物能在水下灵活急转、追捕猎物。

这些结节的作用，是把流过鳍面的水流“梳”成一道道贴着表面走的小涡，从而推迟失速、在大攻角下依然保持升力。风洞测试给出了具体数字：带结节的仿鲸鳍相比光滑版本，升力提高约8%、阻力下降约32%，失速前可承受的攻角增大约40%。

座头鲸的鳍肢上有明显凸起的结节  图源 | CnBeta

Frank Fish与伙伴在2005年成立了WhalePower公司，把这套“结节技术”用到了叶片设计上。对气候最关键的一点是：带结节的风机叶片在低风速下就能转起来发电——有演示显示，它在约10英里/小时风速下的发电量，相当于传统叶片要到17英里/小时才能达到的水平。这意味着同一片风场，能在更多时段、更多地点产出清洁电力。同样的原理，还被用到了节能的工业大吊扇与潮汐能涡轮上。一身“不完美”的结节，反而成了可再生能源的助推器。

不用洗洁精的自清洁表面

“出淤泥而不染”不只是诗意，更是货真价实的物理。荷叶能在泥水里保持洁净，是因为叶面布满微米级的小凸起，凸起之上又覆着纳米级的蜡质——这套双层微观结构，让水滴几乎接触不到叶面（一滴雨真正贴上叶片的面积只有2%–3%），于是水珠近乎滚圆地滑落，顺手把灰尘一并卷走。

超疏水特性的荷花  图源 | Wikimedia commons

德国植物学家Wilhelm Barthlott在上世纪研究并命名了这一“荷叶效应”，相关论文于1997年发表在《Planta》上，随后催生出一系列工业产品。其中最知名的，是Sto公司的StoColor Lotusan外墙涂料：墙面看着光滑，实则布满模仿荷叶的微结构，下一场雨就能把脏东西带走，还能抑制霉菌与藻类。

这件事的气候账，藏在“省下来的东西”里：自清洁意味着更少的清洗次数、更少的水、更少的清洁剂，以及更长的外墙寿命——而荷叶完成这一切，既不用洗洁精，也不耗能。这类超疏水涂层还有一个直接关乎能源的应用方向：太阳能电池板一旦积灰，发电效率就会明显下降，让面板“自己保持干净”，就能在不增加用水的前提下守住发电量。一个长在池塘里的古老智慧，正帮人类把清洁能源管得更省心。

把阳光和二氧化碳“种”成燃料

如果说前面几个案例是在模仿自然的“形状”，那么有一类研究在挑战更难的目标：模仿自然的“化学”，也就是光合作用本身。

植物每天都在做一件人类梦寐以求的事：用阳光、水和空气里的二氧化碳，造出能储存能量的有机物。化学家Daniel Nocera（先后任职于MIT与哈佛）在2011年做出了首个可行的“人工树叶”“一片巴掌大的硅基装置，浸在水里、晒着太阳，就能把水分解成氢和氧。”

2016年，他与Pamela Silver合作的“仿生叶”更进一步：把分解出的氢喂给经过改造的细菌，让细菌结合二氧化碳生成液体燃料。这套系统的太阳能转化效率达到约10%，是自然光合作用（约1%）的十倍。剑桥大学的团队也做出过把阳光、水与二氧化碳直接转化为甲酸盐的装置。

新型人造树叶构造原理  图源 | CnYES

必须诚实地说：人工光合还远未到大规模商用的阶段，效率、成本、规模仍是难题。但它指向的方向令人振奋“若有一天我们真能像树叶一样，把空气中的碳变成手边的燃料，那就不再是单纯的减排，而是真正意义上的“碳循环”。”这，正是对那套38亿年老智慧最彻底的一次致敬。

自然不是仓库，而是导师

把这几个案例摆在一起看，会发现自然反复在用同样几条“设计原则”：靠阳光运转，循环利用、不留废物，让形式精准地服务于功能，用结构而非蛮力解决问题。这几条，恰好也是人类应对气候变化时最该补上的功课。

最好的答案，未必在我们尚未发明的未来，而就在那些已经默默运行了亿万年的设计里。下一次看见一片荷叶、一只翠鸟、一座蚁丘，或许值得多停留几秒——它们不只是风景，更像一份还没被完全读懂的、关于如何与地球长久共处的说明书。

本文来自微信公众号“着陆TouchBase”，作者：王海成，36氪经授权发布。