為什么說鳥類是世界上最好的工程師？

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編者按：大多數(shù)鳥類在繁殖季節(jié)，都會(huì)選取枝杈、泥土等材料搭建自己的巢穴，以便躲過掠食者的襲擊。雖然是用大自然中的現(xiàn)成材料搭建，但成形的鳥窩卻十分堅(jiān)固，不易破碎。這吸引了美國(guó)俄亥俄州的阿克倫大學(xué)科學(xué)家亨特·金的注意，希望能夠從鳥窩的動(dòng)力構(gòu)造中吸取經(jīng)驗(yàn)，以便應(yīng)用到人類的生活中去。閱讀本文，帶你了解更多關(guān)于鳥窩搭建這一自然的奇跡。本文譯自《紐約時(shí)報(bào)》中原標(biāo)題為“Why Birds Are the World’s Best Engineers”的文章，本文作者Siobhan Roberts。

Andrew Spear for The New York Times

“鳥窩”一詞通常用來形容凌亂的發(fā)型、纏繞在一起的釣魚線和其他難以言喻的棘手難題。但種描述對(duì)鳥類來說是不公平的。別看它們小小的腦袋，其實(shí)里面裝滿了密集的神經(jīng)元，并作為自然選擇工程的妙計(jì)，就像個(gè)奇跡一般長(zhǎng)期以來一直吸引著科學(xué)界的興趣——然而目前，人們還沒完全弄明白它。

在美國(guó)俄亥俄州的阿克倫大學(xué)(University of Akron)內(nèi)有一個(gè)陽光充足的房間，那是軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)學(xué)家亨特·金(Hunter King)的機(jī)械仿生學(xué)和開放設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室，在那里，科學(xué)家們正在努力解開鳥窩的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)之謎。

亨特說:“我們假設(shè)鳥窩可能是個(gè)無序炸彈，其儲(chǔ)存的能量剛好夠它保持固定的形狀。”亨特是項(xiàng)目的首席研究員，他們最近剛在《應(yīng)用物理學(xué)雜志》上發(fā)表了一篇研究相關(guān)的初步綜述，名為《隨機(jī)排列的絲狀物——以“鳥窩”為原材料的研究》，他補(bǔ)充道，很明顯，鳥窩這種炸彈，永遠(yuǎn)都不會(huì)爆炸。

亨特和他的同事在文章中試著回答了一些簡(jiǎn)單的問題，比如：鳥窩搭建背后的機(jī)械原理是什么？“巢態(tài)”統(tǒng)計(jì)上的穩(wěn)健特征是什么？也就是說，是什么將一個(gè)鳥窩與其他差不多的枝枝叉叉區(qū)分開來，它們是被緊緊地捆在一起，還是雜亂地散落一地？

亨特說:“在分子層面，化學(xué)家為了其預(yù)測(cè)整體的機(jī)械性能，會(huì)合成不同長(zhǎng)度或剛度的聚合物。然而，鳥類行為的是我所說的‘機(jī)械合成’，它們會(huì)根據(jù)對(duì)其巢穴性能的預(yù)期制定一些選擇材料的標(biāo)準(zhǔn)，一般都是一些瘦小的材料?！?/p>

鳥窩搭建是一種獨(dú)特的化學(xué)方法，而且這幾乎都可以說是一種煉金術(shù)了。它是用無數(shù)個(gè)不起眼的小部分，凝聚成一個(gè)更大的總和。據(jù)推測(cè)，這種搭建原則并不只適用于樹上的鳥窩，而是同樣可以被廣泛運(yùn)用于人類生活中的建筑、包裝、減震等結(jié)構(gòu)。

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

亨特和他的團(tuán)隊(duì)試圖讓動(dòng)物園里的紅雀用這些材料筑巢。Andrew Spear for The New York Times

亨特將以主教雀（亦被稱為紅衣主教雀）為這項(xiàng)筑巢研究的主角。相比于知更鳥用泥巴筑巢來說，主教雀入選主要是由于在筑巢的過程中，她基本上就只是簡(jiǎn)單地把樹枝堆在一起，不會(huì)加入泥巴讓過程復(fù)雜化。亨特和同事們?cè)谔嶙h中是這么寫的：“當(dāng)主教雀在搭建她標(biāo)志性的杯狀鳥巢時(shí)，以自己的身體為模板制作鳥巢需要的纖細(xì)的樹枝，草，和樹皮條兒，雖然它們很柔軟，但卻能在多種機(jī)械擾動(dòng)中讓巢穴保持穩(wěn)固的形狀?！边@項(xiàng)研究最終得到了國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的資助。

在模擬鳥巢幾何結(jié)構(gòu)、彈性和摩擦力之間微妙的相互作用時(shí)，亨特和他的研究生助理尼古拉斯·韋納(Nicholas Weiner)在桌面上做了一個(gè)“有一點(diǎn)蒸汽朋克風(fēng)格”的實(shí)驗(yàn)。他們建了一個(gè)人工鳥巢：用激光切割一個(gè)裝有數(shù)百根竹簽的圓筒后散裝購買。然后在鳥巢周圍建了個(gè)小膛室，利用之前觀測(cè)橡膠機(jī)械反應(yīng)裝置的部件去測(cè)量鳥窩在被反復(fù)壓縮時(shí)的反應(yīng)。

這不只是個(gè)隱喻

亨特和研究伙伴最近發(fā)表的論文主要回顧了鳥窩領(lǐng)域的研究，盡管不是非常完善。

亨特的書架上有一本麥克·漢塞爾(Mike Hansell)的經(jīng)典著作《鳥類與其巢穴搭建行為》(Bird and Construction Behavior)。漢塞爾是格拉斯哥大學(xué)(University of Glasgow)動(dòng)物建筑學(xué)榮譽(yù)退休教授，他曾在世界各地的博物館進(jìn)行實(shí)地考察。例如，他在逛倫敦自然歷史博物館(Natural History Museum)的時(shí)候，就發(fā)現(xiàn)了一個(gè)“用草和幼根組成的杯狀鳥窩”，這是由已滅絕的新西蘭鶇鹟(Turnagra capensis piopio)搭建的，看起來很普通。

“這只鳥最后一次被發(fā)現(xiàn)是在1947年，”他寫道，“它在世界上可能已經(jīng)沒有其他的巢穴了。而看到了它留下的鳥窩，就似乎還能感觸到它的存在，觸摸鳥窩就像觸摸梵高向日葵的筆觸一樣接近它的創(chuàng)造者，是鳥窩延續(xù)了這個(gè)已經(jīng)滅絕了的物種的長(zhǎng)久存在?！?/p>

Piopio。Museum of New Zealand Te Papa Tongarewa

Piopio的鳥巢。Museum of New Zealand Te Papa Tongarewa

亨特·金在阿克倫大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室。Andrew Spear for The New York Times

多年來，通過與建筑師和工程師的接觸，漢塞爾“對(duì)自己能從鳥類筑巢中學(xué)到什么東西產(chǎn)生了一定的懷疑，”他在一封郵件中說，“世界上有幾千種會(huì)筑巢的鳥類，它們每個(gè)都試著創(chuàng)造一個(gè)適合自己的環(huán)境來保護(hù)他們的后代。那么，我們能從這些筑巢結(jié)構(gòu)中學(xué)到什么嗎？答案是肯定的，但前提是，我們必須對(duì)鳥窩的搭建有適當(dāng)?shù)牧私??！?br/>

亨特還挺樂觀。在這篇論文中，他對(duì)鳥窩的一系列材料進(jìn)行了認(rèn)真研究，認(rèn)為從圓圓的沙粒到棉球里的細(xì)絲都具有涌現(xiàn)性：當(dāng)它們隨機(jī)組合在一起時(shí)，便會(huì)集體行動(dòng)，這過程就像是一種“擠壓堵塞”。

亨特說：“如果我們把鳥窩材料想成是一堆硬塞在一起的木棍，其實(shí)在某種程度上是準(zhǔn)確的。所以如果說作為一種材料的話，那鳥窩就是在沙子和棉花中間的那種類型。”

在參考文獻(xiàn)里，他提到了一篇2012年的論文，該論文著重探討了重型Duo-Fast訂書釘(或稱“u型粒子”)是如何聚在一起并相互滲透成團(tuán)的。另外，他還提到2016年的一篇關(guān)于“偶然性建筑”的論文。在拉丁語中，alea指的是骰子或賭博；在這篇論文中，研究者提出了一個(gè)問題，即建筑設(shè)計(jì)是否可能源于偶然的無序狀態(tài)：“我們是否能發(fā)明一個(gè)概念來解釋各種偶然的秩序呢？”

一個(gè)不對(duì)稱的能量循環(huán)

當(dāng)然，搭建鳥窩也并不是完全隨機(jī)的。那它們是按照什么普遍邏輯搭建的呢？“巢穴性狀”的精髓又是什么呢？亨特希望思維的靈活性可以“讓潛在的故事浮出水面”。

亨特和同事已經(jīng)在探索人工鳥巢中的材料是如何聚集在一起，以及整個(gè)鳥巢體是如何吸收能量的。到目前為止，他們已經(jīng)觀察到了亨特所說的“由可逆滑動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)滯后”。

“滯后”一詞源于古希臘，意為“不足”或“落后”。簡(jiǎn)單地說，它描述了一個(gè)物理系統(tǒng)如何基于先前對(duì)它產(chǎn)生的作用而表現(xiàn)出不同的反應(yīng)。就是說，把兩個(gè)1磅重的東西掛在橡皮筋上，然后拿掉一個(gè)，這樣橡皮筋上就只剩下了另一個(gè)。在這種情況下拉伸橡皮筋，然后與一開始的兩個(gè)相比，橡皮筋會(huì)被拉得更遠(yuǎn)。這便是所謂的滯后。但是，橡皮筋不是理想狀態(tài)下的彈簧，這會(huì)造成系統(tǒng)能量的損失。

在亨特制作的樹脂玻璃圓柱體“鳥窩”上，也會(huì)出現(xiàn)這種類似“滯后”的情況。這些木棍被慢慢地壓縮到其最大承受力，然后釋放，如此循環(huán)往復(fù)。在每一次循環(huán)中，木棍會(huì)被壓得更緊一些，然后再彈回來，但只是彈一半。這個(gè)時(shí)候“滯后”便發(fā)生了。最終，對(duì)所有給定的木棍皮層，包括其長(zhǎng)寬比、直徑除以長(zhǎng)度，系統(tǒng)都會(huì)找到它最大的限度，或者說是穩(wěn)定狀態(tài)和密度。

然后，實(shí)驗(yàn)者再來幾次循環(huán)，把這些木棍擠壓的更碎一些，以為這樣就不會(huì)有“滯后”現(xiàn)象了?？杉幢闳绱耍瑪?shù)據(jù)顯示滯后現(xiàn)象仍在發(fā)生。這就很有意思了。這些木棍的密度很大，似乎沒有在擠壓中重新排列。研究小組便把這種現(xiàn)象稱為“穩(wěn)態(tài)滯后”。

亨特·金的實(shí)驗(yàn)。Andrew Spear for The New York Times

丹·加文(Dan Garvin)在鋼瓶里攪拌木棒，然后把鋼瓶拿出來，看看這些木棒是如何疊在一起的。Andrew Spear for The New York Times

金博士的研究生助理尼克·韋納(Nick Weiner)在機(jī)械測(cè)試器上對(duì)這些棒子的結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行了測(cè)試。Andrew Spear for The New York Times

通過計(jì)算機(jī)模擬，他們找到了一個(gè)解釋。事實(shí)上，在壓縮過程中，當(dāng)一根木棍在另一根木棍上滑動(dòng)時(shí)，它們會(huì)稍微重新排列。但這種滑動(dòng)在木棍一松開就會(huì)自行消失——這就是所謂的“可逆的滑動(dòng)”。鳥窩變成了一個(gè)不對(duì)稱的彈簧：被推擠的時(shí)候變硬，而被放開的時(shí)候就是軟的了。(2018年，波蘭在一項(xiàng)研究也對(duì)此進(jìn)行調(diào)查，并提出類似的結(jié)果。)

這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)可能正是研究人員所想要的。即在外力作用下的基本機(jī)械反應(yīng)過程，不僅是鳥窩設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也同樣應(yīng)該存在于其他的系統(tǒng)中。

這些只是初步的發(fā)現(xiàn)，亨特將繼續(xù)在實(shí)驗(yàn)室里研究，在伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的國(guó)家超級(jí)計(jì)算應(yīng)用中心(National Center for Supercomputing Applications)，由機(jī)械工程師馬蒂亞·加索拉(Mattia Gazzola)和他的博士生亞什拉杰·博薩爾(Yashraj Bhosale)對(duì)此研究進(jìn)行進(jìn)一步的模擬工作。

譯者：Hailey