航天仿生，谁与争锋？
航天仿生，谁与争锋？
仿生学是现代科技与自然智慧的完美结合，它将生物的精妙结构和卓越功能融入工程设计，为人类带来了许多创新突破。在航天领域，仿生学更是发挥着重要作用，从材料选择到系统设计，都闪耀着大自然的智慧光芒。让我们一起探索这些来自宇宙的奇妙设计吧！
对航天器来说，材料的选择和结构的设计有举足轻重的作用。现代航天器变得越来越轻巧、坚固、耐用，这与仿生学在航天领域的应用有密不可分的关系。自然界中，上至飞鸟，下至鱼虫，都是被航天科学家广泛研究的对象。在经历了自然环境的变化后，生物的外形和结构进化到最优形态，每个物种都有自己生存的独门绝技。而这些生物的功能比人造机械更优越、更灵活，为航天器设计带来了新的思路。现代航天有哪些巧妙的设计与仿生学相关呢？让我们一起来看看吧！
蜂巢结构
相信大家对蜜蜂的巢穴都不陌生，它是蜂群生活和繁育后代的住所。但是你知道吗？蜂巢也是自然中的建筑奇迹。它由六角柱体蜂室紧密、交错排列组成，蜜蜂的小房子内的所有钝角都为109°28'，锐角都为70°32'。如此完美的六边形建筑体，不禁令人赞叹，难道蜂群中也有数学家？
科学家们研究发现，蜂巢由蜂蜡制成，工蜂需要吸食6～8千克的蜂蜜，才能生产出1 千克的蜂蜡。面对如此巨大的工程量，“打工蜂”选择了耗材最少、最省力气的方式——以正六边形搭建蜂室。而且这样的搭建方式，使蜂室的每一面都均匀受力，稳定性极强。
在人造卫星、探测器等航天器的设计中，蜂巢状结构可是个“香饽饽”。比如在詹姆斯· 韦布空间望远镜中，主镜片的设计就采用了蜂巢状。主镜片直径长达6.5 米，要制造这么大的一体式镜片难度极高，所以科学家采用了蜂巢状的设计，用18 个六边形子镜拼接成主镜。这不仅能够均匀分布镜面的应力和压力，减少由于温差和变形带来的光学误差，还能够提升望远镜的整体性能。
詹姆斯·韦布空间望远镜
神舟十号返回舱（图源：冬天的一锅）
神舟十号返回舱的“防热衣”
此外，带有气泡的蜂巢材料重量轻，隔音、隔热性强。人们将这一发现运用到航天器的隔热材料中。以载人飞船的返回舱为例，返回舱以每秒7.5 千米的速度冲回地球，需要承受高温、高压、强冲刷。仔细观察神舟系列返回舱的“防热衣”，你可以看到一层蜂窝状的轻金属结构，结构内填充了低密度烧蚀材料。这种防热材料可承受2000°C 的高温。在高温作用下，它能产生一系列吸热反应，带走热量，保证航天员及舱内载荷的安全。
苍蝇与导航仪
缺少定位坐标，在没有导航的情况下，航天器在宇宙中偏离了航向怎么办？你可能很难想象，科学家从一只小小苍蝇的身上找到了问题的答案。
苍蝇的翅膀后方有一对“小棒槌”，也就是楫（jí）翅，每秒的振动频率高达300 次。这对“小棒槌”看似不起眼儿，却赋予了苍蝇高超的飞行和平衡能力，使它可以快速起飞、下降、调头和悬停。在飞行时，苍蝇通过振动楫翅来感知身体的旋转，一旦身体发生倾斜或偏离航向，大脑接受并分析出“不对”的信号后，便能向身体相关部位发出纠正指令。即使在不飞行的时候，苍蝇的楫翅也会保持有规律的振动。科学家推测，这是为了苍蝇保持身体的平衡状态，当危险来临时，帮助它们尽快起飞逃走。
科学家从苍蝇的身体结构和飞行方式中得到了启发，发明了新型的振动陀螺仪，并把它应用于飞机和航天器的导航系统中。与传统陀螺仪依靠旋转元件的惯性来导航有所不同，振动陀螺仪内部的元件像苍蝇振动楫翅一样。当航天器偏离航向时，陀螺仪在旋转运动的作用下产生位移，位移的程度和旋转角速度成正比。依此可以计算出航天器的飞行状态，从而实现精确的姿态调整和导航，保障正确的运行轨迹。
苍蝇
振动陀螺仪的元件设计能缩小到微型尺度，除了在高精尖的航天领域，还可以将它轻松集成到手机、无人机等小型便携设备中，因此振动陀螺仪在消费产品及工业应用中颇受欢迎。
蝴蝶与温控系统
航天器在太空中飞行时，除了要解决导航定位的问题，还需要克服巨大的温差——航天器向阳面和向阴面的温差可高达300°C。为了保证航天员的安全和仪器设备的正常运转，需要一套精细、智能的系统使舱内保持适宜的温度。你肯定也没想到，蝴蝶是温控系统的“鼻祖”！
如果你抓过蝴蝶，就会知道抓它手上会沾上一层细细的粉末。这些粉末其实是蝴蝶的“鳞片”，成千上万的细小鳞片就像屋顶上的瓦片一样，整齐排列在蝴蝶的翅膀上。但你知道吗？鳞片不仅能给蝴蝶翅膀带来特别的色彩和光泽，还充当了“智能温控系统”的角色。当蝴蝶感知到外界气温上升时，细小的鳞片就会自动张开，减小阳光的辐射角度，降低翅膀对阳光热能的吸收；而当周围的气温下降时，鳞片会闭合起来，使阳光能够直射体表，从而增强翅膀对热能的吸收。
在发现了蝴蝶调节自身温度的秘密之后，科学家依据这个原理发明了“百叶窗温控系统”，并将其运用到了卫星上。在百叶窗的转动部位安装一种对温度极为敏感的金属丝，利用金属热胀冷缩的特性，带动叶片翻转，控制辐射散热量。卫星在阳光面飞行温度过高时，金属丝受热膨胀，叶片就会打开到一定角度排散热量，降低卫星温度；温度过低时，叶片就会闭合，抑制卫星散热，从而有效为设备保温。这相当于给卫星安上了“智能空调”。靠着这种自动调节温度的自我保护装置，卫星的使用寿命就可以大大增加了。
能调节温度的卫星金色“外衣”（图源：银河航天）
龙虾眼与探测仪器
天文望远镜是观测天体、捕捉天体信息的主要工具。天文学家一直注重研究宇宙中的X 射线，它揭示了宇宙中的极端物理现象，对于理解宇宙的形成和演进起到了关键作用。但是X 射线的发生难以预测、转瞬即逝，传统的望远镜起不了作用。如何才能更及时、有效地捕捉到X 射线的迹象呢？科学家从龙虾身上找到了灵感。
你知道龙虾的眼睛跟其他动物有什么不同吗？龙虾的眼睛由很多个方形管道组成，乍一看，像是有无数只小眼睛紧密排列在一起。在成像原理方面，大部分动物的眼睛与人眼相似，通过晶状体折射光线成像，而龙虾是通过反射光线来感知环境，不同方向的光线经过方形小眼的管道壁内反射，最终汇聚到龙虾眼的视网膜上。这种结构使得龙虾从多个角度收集光线聚焦成单个图像，大大扩展了龙虾的视野范围。
广角X射线望远镜的成像原理
龙虾的眼睛
爱因斯坦探针卫星
我国科研人员从中受到启发，钻研“龙虾眼”X 射线成像技术多年，最终打造出了广角X 射线望远镜，并将它应用于爱因斯坦探针卫星上。据研发团队介绍，常规的X射线聚焦望远镜视野范围大概是从地球上看一个月亮那么大的天区，而爱因斯坦探针卫星的视场能覆盖约一万个月亮那么大的天区。有了“龙虾眼”望远技术的加持，爱因斯坦探针卫星可以对软X 射线波段进行大视场、高灵敏度、快速的时域巡天监测。
在科技的助力下，人类能够上天下海，生产的机械装备看起来无所不能，但和大自然的智慧相比还是“小巫见大巫”。尤其是在系统的集成度和智能化程度上，人造的机械系统还是远远低于生物系统。如何利用简单有限的材料，形成高效、自修复的复杂生命个体，我们还需要不断向大自然虚心求教。从航天服和航天器的材料、设计到控制系统，仿生学不仅在造型和硬件研发方面为人们提供新的思路，在如何调动设备与外界交互上也带来启发。随着仿生学在航天各领域的应用创新，相信我们在未来能够研发出既实用又节能环保的可持续仿生系统。
知识链接
仿生学是一门既古老又年轻的科学。古时候，人们就参照动植物的模样，打造各式各样的器皿和物件。据记载，西汉时期，王莽手下就有一位“特种兵”，曾仿照鸟翼制作飞行工具。虽说飞行效果并不理想，但也算是仿生飞行技术的实践者了。古代科学还不发达，古人仅仅模仿了生物的外观，并没有很好地从它们的运动规律中提炼出科学原理并加以利用。现代“ 仿生学”的概念是由美国学者斯蒂尔在1960 年正式提出的，仿生学更注重研究生物的结构、功能和行为，并运用到工程建设中，更多的是解决系统的信息感知、信息传递、自动控制等方面的难题。
爱因斯坦探针卫星是中国科学院牵头研制的一颗空间科学卫星， 于2024 年1 月发射升空，主要用于观测宇宙中的剧烈爆发现象，捕捉转瞬即逝的宇宙“焰火”。因为主要科学目标涉及黑洞、引力波等爱因斯坦相对论的重要科学预言，所以取名为“爱因斯坦探针”。