创建可持续的仿生学：全球视角

仿生学，即借鉴和模仿自然界的策略来解决人类挑战的实践，为实现可持续发展提供了一条强有力的途径。然而，如果处理不当，仿生学行为本身也可能是不可持续的。本文探讨了如何创建真正可持续的仿生学，考虑了生物启发解决方案的整个生命周期及其对地球的影响。

什么是可持续仿生学？

可持续仿生学不仅仅是简单地复制自然的形式或过程。它涵盖了一种整体方法，考虑了仿生创新的环境、社会和经济后果。这不仅是问“我们能从自然中学到什么？”还要问“我们如何以保护和改善自然世界的方式实施这些经验教训？”

可持续仿生学的关键原则包括：

• 生命周期思维：评估产品或过程从摇篮到坟墓（或者在循环经济中理想地从摇篮到摇篮）的环境影响。
• 选择可持续材料：在生物启发设计中优先使用可再生、可生物降解和无毒的材料。
• 能源效率：模仿自然界的节能策略，以减少制造和运营中的能源消耗。
• 闭环系统：通过模仿自然界的循环物质流，设计能最大限度减少废物和污染的产品和过程。
• 生态系统整合：考虑生物启发解决方案对周围生态系统的影响，并努力创造积极的互动。
• 社会公平：确保仿生学的惠益得到公平分配，并且不会加剧现有的社会不平等。

为什么可持续性在仿生学中如此重要？

仿生学的核心目的是创造出能很好地适应我们星球的解决方案，模仿自然的效率和韧性。如果仿生学导致不可持续的实践，它就破坏了其根本基础。请思考以下情景：

• 不可持续的材料采购：使用不可再生、资源密集型的材料来模仿蜘蛛丝的强度。
• 能源密集型制造：使用消耗大量能源并产生大量碳排放的制造过程来复制自然过程。
• 有害副产品：创造一种在使用或处置过程中会释放有毒化学物质的生物启发产品。

这些例子突显了对仿生学采取批判性、系统性思维方法的重要性。我们必须确保我们的创新真正符合可持续性原则。

可持续仿生学的实践案例

幸运的是，有大量案例表明仿生学如何能成功应用于各个领域，以创造可持续的解决方案：

1. 建筑与楼宇设计

• 津巴布韦伊斯特盖特中心：受到白蚁丘的启发，位于哈拉雷的伊斯特盖特中心利用自然通风来调节温度，减少了对空调的需求，并显著降低了能源消耗。
• 英国伊甸园项目：伊甸园项目的生物群落受到肥皂泡和测地穹顶的启发，创造出轻巧而坚固的结构，最大限度地增加了阳光穿透并减少了材料使用。
• 生物水泥：一些公司正在开发生物水泥，这是一种可持续的传统水泥替代品，利用细菌将土壤颗粒粘合在一起。这个过程模仿了珊瑚礁的形成方式，并减少了与水泥生产相关的碳足迹。

2. 材料科学

• 蜘蛛丝启发材料：研究人员正在使用可持续的生产方法（如微生物发酵）开发合成蜘蛛丝材料。这些材料具有卓越的强度和弹性，同时对环境的影响极小。
• 自愈合混凝土：受到人体伤口愈合能力的启发，自愈合混凝土包含能产生碳酸钙以修复裂缝的细菌，从而延长混凝土结构的使用寿命并减少维修需求。
• 壁虎启发粘合剂：壁虎的脚启发了干式粘合剂的开发，这种粘合剂几乎可以粘附在任何表面上而不会留下残留物。这些粘合剂在从机器人到医疗保健等各个行业都有应用，并可以减少对传统的、可能有害的粘合剂的依赖。

3. 水资源管理

• 雾气收集：模仿纳米布沙漠甲虫从雾气中收集水的能力，雾气收集技术正被用于干旱地区，以提供清洁的饮用水。大型网捕捉空气中的水分，为面临水资源短缺的社区提供可持续的水源。智利和摩洛哥是实施此类技术的领先典范。
• 生命机器：生命机器利用湿地等自然生态系统来处理废水。这些系统利用微生物、植物和动物来清除污染物并以可持续且经济高效的方式净化水。
• 北京水立方：为2008年北京奥运会设计的国家游泳中心（水立方）的灵感来自于肥皂泡的结构。这种设计实现了材料和能源的高效利用，并增强了自然光的穿透。

4. 产品设计

• WhalePower风力涡轮机叶片：WhalePower公司受到座头鲸鳍状肢上的结节（凸起）的启发，开发了风力涡轮机叶片。与传统涡轮机叶片相比，这些叶片效率更高，在较低风速下能产生更多能量，并减少了噪音污染。
• 蜂窝结构启发的纸板包装：蜂窝结构的强度和轻质特性已被应用数十年，但对这种结构设计的持续改进和创造性应用仍在创新，其用于保护性包装比传统包装对环境的影响更小。

创建可持续仿生学面临的挑战

尽管可持续仿生学潜力巨大，但要确保其广泛应用，必须解决以下几个挑战：

• 复杂性：自然界极其复杂，完全理解和复制自然系统可能既困难又耗时。
• 材料可用性：能够满足生物启发设计性能要求的可持续材料可能并非总是现成可用或具有成本效益。
• 可扩展性：将生物启发解决方案从实验室原型扩展到工业生产可能具有挑战性，并且可能需要大量投资。
• 经济可行性：确保可持续仿生学解决方案在经济上与传统替代方案具有竞争力，是其广泛应用的关键。
• 教育与意识：提高设计师、工程师和政策制定者对可持续仿生学潜力的认识，对于促进该领域的创新至关重要。

实施可持续仿生学的策略

为了克服这些挑战并促进可持续仿生学的应用，可以实施以下策略：

1. 拥抱系统性思维方法

考虑产品或过程的整个生命周期，从材料采购到生命周期结束时的处置。识别潜在的环境和社会影响，并制定策略以将其最小化。生命周期评估（LCA）是此过程的重要工具。

2. 优先考虑可持续材料

尽可能选择可再生、可生物降解和无毒的材料。探索源自自然资源的创新材料，如植物纤维、藻类和真菌。采用循环经济原则，例如使用回收或升级再造的材料。

3. 优化能源效率

在制造和运营中模仿自然界的节能策略。设计能够最大限度减少能源消耗并依赖可再生能源的产品和过程。考虑被动设计原则，如自然通风和采光。

4. 促进合作

鼓励生物学家、工程师、设计师和政策制定者之间的合作。跨学科团队可以带来不同的视角和专业知识，从而产生更具创新性和可持续性的解决方案。国际合作对于分享最佳实践和应对全球挑战至关重要。

5. 投资于研究与开发

增加对可持续仿生学研究与开发的资金投入。支持新材料、制造工艺和设计工具的开发。通过竞赛、拨款和其他激励措施鼓励创新。

6. 推广教育与培训

将仿生学和可持续性原则整合到各级教育课程中。为设计、工程和其他相关领域的专业人士提供培训计划。通过外展和参与活动，提高公众对可持续仿生学益处的认识。

7. 制定支持性政策

实施促进可持续仿生学的政策，例如为采用生物启发技术的公司提供税收优惠，鼓励使用可持续材料的法规，以及要求在产品设计中考虑环境影响的标准。

可持续仿生学的未来

可持续仿生学有潜力彻底改变我们设计和制造产品、建造建筑、管理资源和解决复杂问题的方式。在我们面临日益严峻的环境和社会挑战时，自然的智慧为我们创造一个更可持续、更有韧性的未来提供了强有力的指引。通过采用一种整体和道德的方法来对待仿生学，我们可以释放生物启发创新的全部潜力，创造一个既有益于人类又有益于地球的世界。

实现真正可持续仿生学的旅程需要全球性的努力，由合作、创新和对自然世界的深深敬意驱动。通过采纳本文概述的原则，我们可以为技术与自然和谐共存的未来铺平道路，为所有人创造一个更可持续、更公平的世界。

结论

仿生学为我们处理创新的方式提供了一种强大的范式转变，敦促我们从自然界已经进行了数十亿年研究与开发中学习。为了使仿生学成为一股真正的向善力量，可持续性必须是其核心。通过仔细考虑生物启发设计的生命周期、优先选择可持续材料以及促进跨学科合作，我们可以释放仿生学的全部潜力，创造一个更具韧性、更公平、更繁荣的世界。

让我们承诺不仅在形式和功能上向自然学习，还要学习其固有的可持续性智慧。这是通往创造一个真正可持续未来的道路。