前言
仿生學是什么？
仿生學，是代達羅斯（Daedalus），他為了帶上他的兒子伊卡洛斯（Icarus）逃離囚禁他們的島嶼，而制作了飛鳥的翅膀。那雙翅膀如此完美，以至于年輕的伊卡洛斯忘記了自己并非一只鳥，竟冒著生命危險飛向太陽——我們都知道結局是什么。在對這則神話的闡釋中，我們常常忘記代達羅斯的天才發明，他實現了人類的夢想——飛翔，而且他是通過研究與模仿自然而實現的。
仿生學，是中國的一個村子，宏村。那兒的居民在800年前，將村子布局成了一頭牛的樣子。不過這并非簡單的形狀上的模仿，因為宏村擁有一套依照該動物的消化系統而修建的水利網絡。仿照動物腸道而挖掘的水道可使凈水流經居住的地方；污水則匯集來灌溉農作物。
仿生學，是一位英國園丁，他在缺少一個足夠大的溫室來庇護他視如掌上明珠的巨大睡蓮的情況下，從睡蓮的葉子中得到啟發而建造了一種新型溫室。這里所說的溫室成為了一種新型建筑的起點，它使得玻璃護板的組合成為可能；這位園丁，約瑟夫·帕克斯頓（Joseph Paxton），出于他對建筑學的貢獻，大英帝國授其為爵士。而那種睡蓮叫做維多利亞睡蓮（王蓮），帕克斯頓是第一個成功讓它在溫室中生長的人。
仿生學，顯而易見，就是對生命體的模仿，對自然過程的模仿，目的是創造新的技術或改良已有的技術。這本書講述的是動物以及植物如何啟發了發明家、工程師、建筑師、科學家……這些例子都發生在久遠的過去或者更近一些的時期。本書也講述了仿生學如何成為現代科學研究中最有前景的學科之一——無論是在發現還是在發明方面，它都擁有迷人的前景，尤其促進著環境無害型技術的發展，如無污染科技、可循環材料、可再生能源，以及顯著減少能源消耗甚至零消耗的新技術……所有這些都像一個溫柔的夢境。然而，它們的可能性——技術解決方案——都已經在大自然中呈現了。如空氣調節系統和零能耗集水方案，都已經存在了。有些發明已經上市銷售了，比如“天然”的抗菌外層（它由于表面的結構而變得抗菌，而非借助于化學物質）、一種不含任何有毒物質的工業木膠，以及建筑的自動清潔涂層——這三種產品分別模仿了鯊魚、貽貝以及蓮花的特性。
書中所描寫的一些發明和方案會讓人想到科幻小說，因為如今仿生學對尖端科技的影響顯而易見。如太空探測器會像飛蛾一樣飛行，太陽能板能像綠色植物一樣進行“光合作用”，飛艇可以像鱒魚游動一樣推進……所有這些發明都是極其嚴肅的，而且，在短期和長期之內，它們都會成為我們現實生活的一部分。
不斷重啟的歷史
仿生學這個詞語是新近產生的，但它的歷史卻并不短暫。事實上，我們不知道最早的人類科技是如何誕生的，也對最初的發明者知之甚少……
不過，我們卻能知道，人類住得離大自然越近，他們就越模仿自然——顯而易見。比如，生物學及仿生學學家戈捷·沙佩勒（Gauthier Chapelle）認為，因紐特人應該是從北極熊的巢穴中學習了如何建造他們的冰屋——這些冰屋同樣具有空氣調節系統。一種動物教會人類某種技能或者某種生產秘訣，此類傳說多不勝數。在北美洲的沙漠里，或許就是胡蜂里的工蜂教會了印第安人如何用黏土建造他們的住房——這種住房神奇地抵擋了外部的炎熱。在非洲，或許就是白蟻講授了建筑的藝術——同樣是這些白蟻，使得一種零消耗空調系統在20世紀末被投入使用。
仿生學的歷史是一段不斷重啟的歷史：在每一個時期，人們都從大自然中探尋解決技術難題的方法。比如，航空技術的先驅們花費數年時間觀察鳥類、蝙蝠、昆蟲甚至種子的飛行。
這同樣也是一段永不完結的學習歷史：人類的技術不斷發展，我們對自然的認識以及對自然的觀察方式也在不斷革新。例如，掃描式電子顯微鏡使生物學家威廉·巴特洛特（Wilhelm Barthlott）通過觀察最終發現了蓮花效應，這項發現促成了自潔外層的產生。
仿生學的歷史同樣也是愛好者們創造的歷史：自然學家、發明家、工程師、生物學家、建筑師……所有人都以各自的方式，為大自然的精巧和富饒著迷（不過，這并不代表他們是現代意義上的“生態學家”）。
同時，仿生學的歷史還是不同學科知識相遇、共同發現和相互碰撞的歷史。
飛行的先驅們
列奧納多的撲翼機
是誰說過“鳥是一個遵照數學原理運行的工具，人類需要做的，就是造出一臺足以復制它每一個動作的機器”？毋庸置疑，是列奧納多·達·芬奇（Leonardo da Vinci）。正是他在15世紀開啟了我們今天所了解的生物仿生學。
在列奧納多所有的研究與工程計劃中，占最重要地位的是他為之著迷的“學習飛行”。在他看來，只有以“數學的方式”，也就是科學的方式，來觀察動物才能得到答案。他的素描本記錄了他對鳥類、蝙蝠以及蜻蜓等動物的飛行動作和技術的細致入微的觀察。在所有的飛行方式中，他特別關注的是鳥類的撲翼飛行，他對這種飛行方式從起飛到著陸做了分解觀察。正是以這種方式，列奧納多·達·芬奇將軀干中心與推力中心分離，這成為了所有飛行器研究不可或缺的一個過程。他同樣致力于對鳥類翅膀的觀察，觀察它們的解剖學構造、羽毛分布以及羽毛的結構。
對撲翼飛行的研究促使他設計了一種由人力推進的飛行器——撲翼機（Ornithopter，在希臘語中，ornithos意為“鳥”, pteron意為“翅膀”）。列奧納多·達·芬奇在1485年完成了撲翼機的初稿：它的兩片巨型翅膀由一個滑輪裝置帶動，滑輪裝置則由腳踏板提供動力。
不過這個飛行器存在一些顯然無法解決的技術問題：首先，在那個時期能使用的材料都太重了——按照撲翼機的設計稿，它將會超過300kg；其次，即使是以強壯的腿而非手臂驅動，人類的肌肉占體重的比例依然比鳥類小得多——人類無法夠快地扇動翅膀來讓機器留在空中。
在撲翼機之后，列奧納多·達·芬奇專注于研究掠食性鳥類的飛行——滑翔飛行。四百年余后，這成為了奧托·李林塔爾（Otto Lilienthal）的選擇，而且正是李林塔爾促成了最初的滑翔機的順利飛行，雖然他并非從掠食性鳥類，而是從鸛的身上汲取靈感（見第106頁）。
列奧納多·達·芬奇還繪制出了人類所知的第一個懸掛式滑翔機的模型。這是一個可操作的模型，后來的復原模型已經為此提供了證明。至于撲翼機，它所面臨的問題并沒有被19世紀的航空發明家們解決，而是再過一百年后由美國發明家保羅·麥卡克萊迪（Paul MacCready）解決，保羅·麥卡克萊迪首次讓一架人力推動的機器成功飛行（見第108頁）。而根據列奧納多·達·芬奇的設想而制作的第一架撲翼機直到2010年秋天才出現，它由加拿大多倫多大學的師生共同制作，被稱為“雪鳥（Snowbird）”。這架撲翼機有32m長的翼展（接近波音737的機翼長度），接近43kg的質量。其翅膀的長度和靈敏性使得它能夠持續拍打，產生維持一定高度的動力。雖然可以說這只是一項特殊的試驗，但制作了“雪鳥”的團隊看中的卻是在它身上蘊藏的航空發展的靈感源泉：列奧納多·達·芬奇設計的撲翼機提供了依靠自主能源飛行的最初模型之一。
喬治·凱利的動物圖集
“航空之父”——英國人這樣稱呼喬治·凱利（George Cayley）。在19世紀，這位天才的工程師研發了數不清的飛行器。更重要的是，正是他建立了關于飛行原理的科學基礎，其中就包括用尾翼來平衡飛行器的必要性。我們還得留意到，凱利同列奧納多·達·芬奇一樣，從來沒有親自制作過在他所處時代的技術條件下具備起飛可能性的機器。
與列奧納多·達·芬奇一樣，凱利也專注于大自然提供的模型。在1808年，他確定了他自己的撲翼機模型，設計靈感來自蒼鷺——為了更近距離地觀察這種動物，他在自己的府邸內用獵槍打下了一只……他的撲翼機復制了受害動物的外形和比例。然而，凱利并沒有僅靠觀察鳥類來設計他的模型。在飛艇發明二十五年后，這位英國工程師改善了自己的飛艇模型，而靈感來自鱒魚（見第86頁）……植物，尤其是植物的種子，也向他提供了更富有成效的模型：楓樹的翅果（見第38頁）讓他構想出了螺旋槳的基礎結構；而蒲公英則讓他設計出了錐形降落傘。
作為嚴謹的工程師，凱利并不滿足于復制或者發明新的機器外形，他同樣借助系統化的計算；他知道，一架機器如果不是從推動系統到外形都完美無缺，那它就不能飛行。出于這樣的理由，他開始設計一種他宣稱的“最少阻力的堅固外形”——這契合后來人們所熟知的流線型。根據喬治·凱利的計算，這種“最少阻力的堅固外形”正好對應海豚的身形。20世紀70年代，即一個多世紀以后，關于層流的研究證實了凱利的直覺：與金槍魚一樣，海豚也是這一領域的學習榜樣。
1857年凱利去世后，還要經過好幾代人的時間，才等到第一架懸掛式滑翔機在1891年的首次飛行。隨后是最初的飛機在20世紀初面世。航空歷史上最初幾十年里的這些先驅們的靈感大多來自動物：阿代爾（Ader）的蝙蝠、埃特里希（Etrich）的鴿子、李林塔爾的鸛……
然而這只是一個開始。在整個20世紀，航空歷史上寫滿了由細致觀察自然而得出的發現。猛禽強有力的飛羽啟發人們修改機翼的外形以避免顛簸；海豚的皮膚使得開發一種減少空氣阻力的涂層成為可能；群飛的候鳥為共同飛行的飛機給出節省燃油的提示……
機器仿生學：當機器模仿自然和人類
如果我們模仿的動物是人類，這還算是仿生學嗎？在20世紀中期，就像一百年前的航空科學那樣，機器人科學吸引了研究者和大眾的興致。隨之而來的，是創造出人造的人類復制品的美夢（或者噩夢）。幾十年后，這種癡迷和它所引發的恐懼已有一些消退。不過，在這種背景下產生的科學——機器仿生學（bionics，可譯為“仿生學”。一般認為bionics這個詞和這門學科是在1960年由斯蒂爾首先提出。但在法語環境中，該詞對應bionique，通常指從動植物身上獲取靈感來創造新的科技，可以說是狹義的仿生學。——譯注），取得了令人贊嘆的進步。
20世紀60年代初，“機器仿生學”一詞通過美國代頓的一場會議而得到傳播，這場會議聚集了來自世界各地的科學家。
這場會議的倡導者是杰克·斯蒂爾（Jack Steele），美國軍方的研究者和軍官。當時冷戰正酣，杰克·斯蒂爾意識到一些或許能為生物學打開前進大門的可能——如果它們是在武器領域得到開發的話。從間諜機器人到水陸兩棲的越野運載工具，從超強機器人到變異動物……這是一個世界的開端，它會為科幻小說提供素材——但不止于此。
代頓的會議標志著杰克·斯蒂爾所稱的“機器仿生學”的研究者的第一次聚集。他將這門學科定義為“模仿生物原理來建造技術系統，或使人造技術系統具有生物系統特征或類似于生物系統的科學”。這樣的定義不僅包括模仿人類的發明，而且還與仿生學定義有部分相交。
不過，機器仿生學這一術語如今更多地關聯著機器人科學和修復學——就是模仿生命體，以及研發能夠“移植”到生命體中的人造肢體和器官。
我們還記得20世紀60年代和70年代在漫畫和電視連續劇中出現的人物的“仿生”四肢。幾十年過后，它們幾乎成為了現實。這種肢體尤其得益于人造肌肉的發明，它能夠遵從電流刺激反應。
人造肌肉由一種新型材料——電活性聚合物制成，在20世紀的最后幾年里研發成功。不足之處是它在力量方面還有待提高。在最后的實驗中，它在力量方面還是比人類肌肉差了許多……
另一方面，憑借目前神經學上的知識已經足以造出一種既模仿人類肢體外形，又遵照主人的神經命令的假體。而且，在不遠的將來，它能夠向大腦傳導信息，讓它的穿戴者能夠“感受”到它在觸碰某些東西。
爭奪空間的動物—機器
一只甲殼蟲與一臺計算機有哪些相似之處呢？答案遠遠多于我們能想到的。在科幻作家們的想象中，機器人就如同人類的復制品。
事實上，今天的機器人研究將希望寄于動物身上。動物們——甚至在某些情況下，還有植物們——能夠教給機器人的，首先就是它們的移動方式。動物的移動方式多樣且絕妙，挑戰著人類運載工具的原則。某些動物能在水面上或天花板上行走，或者比任何直升機都能更穩定地懸停，或者能從一道裂縫潛入物體內部，或者能在地底下穿行……動物們掌握了無數工程學問題的答案，只要我們能成功地模仿它們。
如果說動物們的移動方式極其高效，那首先是因為它們能夠適應它們的生存環境。請想象一個必須在海底走動的機器人：還有比能抵抗著水流在礁石中行動的甲殼類動物更好的學習榜樣嗎？這就是機器龍蝦，一個機器人—龍蝦的結合體（見第60頁），它專門用于探索海岸邊的水下部分。同它的模仿對象一樣，這個機器龍蝦也具有一個能夠抵抗外界壓力的甲殼；除此以外，它的外形也使得它能夠在重力小于地面的水中依然保持緊貼海底。機器龍蝦只不過是數十種忠實模仿動物的外形和移動方式的機器人之一。機器蝸牛（RoboSnail，名字來源于一種水生蝸牛）——一種能征服空間的機器——同樣能在水下移動，不過需要黏附在載體上。機器七鰓鰻的發明能讓人更深入地理解爬行動作和“感受器”，即將神經沖動從身體的一部分傳導到下一部分的接收器。另外，還存在機器蛇、機器魚、“仿生企鵝”（見第110頁）、用蒼蠅或者胡蜂的方式飛行的機器人、像水母一樣移動的機器人……
一種移動方式如果已經完美地適應了一種環境，并不意味著它應該就此卻步。在本書的例子中，一種動物和一種植物成為了探索火星的榜樣。動物正是天蛾（見第140頁），它啟發了人們發明多模態電子昆蟲——達·芬奇撲翼機的一種變形后代，這種器械能夠在火星的地面上飛行，并且能在地面上停留和采集樣品。植物則是風滾草（見第34頁），西部片里的神圣植物，它能在地面上滾動行走。
這兩項發明的相同點，在于它們揭示了仿生學怎樣讓研究者通過借鑒已經存在（通常是存在了上千年）的方式來跳出思維局限。
傳遞感受，處理信息
機器人從動物身上學到的，還有接收信息和處理信息的方式——也就是說，它們的感官和它們如何使用感官。在視覺、聽覺、味覺方面，昆蟲和軟體動物與哺乳動物有極大的差異；前者更為簡單，更有可能被分解成一臺機器能夠利用的機制。如今的機器人研究的重點在于信息的處理，這里的信息指的并非是由機器人的“操控者”向它們傳遞的信息，而是由機器人所處環境反饋給它們的信息。為一臺機器人安裝攝像機并且處理由攝像機所傳遞的圖像是更簡單的（相對而言），但教會一個機器人自主處理它“所見”的圖像，則更加困難，哪怕只是繞過一個障礙物。而正是在這方面，機器人能夠獲得更大的自主性。
舉個例子，一條魚感知到一個障礙物并調整前進方向的方式可以被分解成不同的步驟，而且這些步驟與人類的眼睛和大腦之間傳遞信息的方式有極大的差異。更何況眼睛并不一定都承擔主要的功能：許多種類的魚都有一種特殊的感覺器官——體側線（這個名字源于該器官穿過身體側部），這個器官使得動物能夠探測水流的顫動，然后立即改變方向。
由此產生了斯路奇（Snookie），一個擁有接收器的機器人，而它的接收器模仿了一種淡水魚——墨西哥盲魚（Astyanax mexicanus）的體側線。斯路奇能夠自主移動，并且避開障礙物。盡管斯路奇目前只處于實驗階段，但這類機器人在將來或許能夠產生實用價值，比如檢查以及清理管道，或者進行水下探索。
引導斯路奇移動的裝置不過是機器人感官探測器的一種可能的應用實例。龍蝦的觸須（見第60頁）上有能夠探測氣味的化學接收器，加利福尼亞的研究者已經能夠模仿這一機制，并且正在據此研發能夠探測水底污染、石油泄露等問題的機器人。有一些動物，比如電鰻（見第82頁），確定自身位置時靠的是電磁定位——通過釋放像雷達波段那樣傳輸的電流，模仿這一定位方式的機器人也正處于研究階段。
更寬泛地說，動物能夠教會機器人如何反應、如何傳遞反應，以及如何學習。這方面最好的例子是機器老鼠普斯卡爾帕克斯（Psikharpax，見第118頁）。它的設計者們并沒有費力復制人類的智力，反而致力于模仿一種更為簡單的智力——老鼠的智力。普斯卡爾帕克斯的“大腦”是一塊能夠處理信息的芯片，信息則來自攝像機和感覺接收器。這塊芯片能夠學習如何處理數據，以便讓這只老鼠能（例如）獲得食物（也就是成功地接上安置在實驗室不同角落的電源插頭）。普斯卡爾帕克斯使得它的發明者們能夠直接觀察它的學習過程——比一個真正的動物要慢了許多！這種已經在全世界開展的、與普斯卡爾帕克斯同類型的“動物機器”實驗，對機器人研究和生物學研究有同樣的價值，因為在這樣的實驗中我們可以獲得一種新的視角去分析動物行為。
群體活動：當昆蟲啟發計算機
動物還是團體協作的良好榜樣。頗具戲劇性的是，我們通常將組織、交流和團體凝聚力看作人類的特性。然而，動物社會也被證明極具教育意義。
對它們的模仿是當今仿生學最重要的路線之一。一群鳥如何保持方向一致地飛行？它們當中的成員怎樣做到互不干擾、互不相撞，也不掉隊？這是計算機科學家克雷格·雷諾茲（Craig Reynolds）在設計一種虛擬生命程序時向自己提出的問題。在1986年，他成功地對鳥的群體移動建模，也就是說，他用計算機能識別的語言翻譯了這種群體移動的規則。
雷諾茲得出了三個主要原則：分離原則（與鄰居保持一定的距離）；對齊原則（保持與鄰居一致的前進方向）；凝聚原則（根據鄰居間的平均距離保持自我的位置）。雷諾茲的虛擬生命程序曾經（如今也在）被用于動畫電影和電子游戲的制作，然而，它實際上大大地超越了這一個范疇。
在機器人研究中，雷諾茲發現的規律能夠協調數個自主機械的工作，并且使其保持團體隊形。更重要的是，上述的三條原則中還能增加新的命令，比如去往一個目的地、躲避障礙物、對區域實行分區控制等。
同樣，昆蟲的團體協作也是一個絕佳的榜樣——不是對于人類而言，而是對于計算機。不同于人們所認為的那樣，成群的蜜蜂、螞蟻或者白蟻的智慧，并非集中在一個王后的絕對權力上。一個動物種群不僅能夠擁有數個王后，而且后者絕對不知道在另一個巢穴中發生的事情。比起同一種群中的其他角色，王后擁有下達命令或者指示的權力。群體的智慧并不在于對一個中央大腦的服從，而在于一種由許多簡單互動相連的溝通方式——與雷諾茲得出的領航原則同樣簡單。這樣的方式會讓人想到計算機的運作：通過大量的二進制符號得出合適的答案。
因此，目前許多已運行和在計劃中的軟件都盡量模仿一群而非一只蜜蜂的思維方式（見第130頁），這并非是一個巧合。螞蟻和蜜蜂擁有許多對計算機而言極有價值的方式，尤其是它們構成網絡的方式：尋找離源頭（食物源頭，或者信息源頭）最短的路徑；持續按需分配工作而不浪費勞動力；使得由個體組成的群體（或者信息）得以運轉而不停滯；或者在嘗試過多種方式后選擇最佳解決方案。
絲、甲殼和葉子：有機材料，最理想的材料
一只蜘蛛，一動不動地棲息在窗臺的邊緣。當一個陰影靠近時，它已經下落了——沿著一條它自己剛剛生產出來的絲，一條以極快的速度按需生產的絲，一條能夠承受巨大重量的絲……哪一種人造物能達到這樣的要求？
這并非只是在贊嘆大自然，而是我們留意到，現如今，大自然所生產的材料比所有靠人類科技生產的材料都更堅固。蜘蛛絲比鋼鐵和凱夫拉纖維都更堅固，正如尼龍在過去的幾十年間所起的作用一樣，蜘蛛絲也會成為未來重要的人造材料。根據蜘蛛絲設計出來的纖維，除去巨大的市場不說，它還是生物可降解的……這些都將成為現實；而這應歸功于生物化學——對細胞內部的化學反應的研究。
蜘蛛絲由蛋白質組成，大多數的自然材料也是如此，包括組成人的身體的材料。膠原蛋白——骨頭、皮膚和結締組織的重要組成部分，是一種蛋白質。角蛋白——組成頭發、指甲、獸角和羽毛的成分，它也是一種蛋白質。事實上，幾乎所有的生命形式都包含蛋白質——它有著難以想象的寬泛用途。從分子成分上說，蛋白質是由氨基酸鏈組成；不過，雖然存在著上百種氨基酸，卻只有二十幾種能夠參與天然蛋白質的合成。種類有限的原料，卻產出幾乎數不盡的材料：對于生物技術來說，這是前景，也是謎團。
對蛋白質的贊嘆同樣適用于碳水化合物。多聚糖（糖類）組成了生命世界的大部分。植物纖維、昆蟲甲殼、脊椎動物的軟骨……所有這些材料都應該將它們的結構、堅固性、彈性、強度或者柔韌性歸功于多聚糖的特性。多聚糖還可以作為一種儲備能量，比如葡萄糖——這就是某些植物生產淀粉時的情況。多聚糖還可以作為結構材料（換句話說，它是一種天然的建筑材料），比如木材的纖維素和昆蟲甲殼的幾丁質。纖維素——構成大部分植物的材料——是十分值得（但也很難）模仿的。纖維素極其堅固（誰在切斷一根花莖的時候沒有感到困難？），不管是堅固還是柔軟、纖細還是厚實的材料，它都可以組成——正如植物世界的多樣性所展現的那樣。例如，我們能夠想象以植物生產纖維素的方式生產的布料，這種布料將擁有如今的人造纖維不可能擁有的特質：生物可降解性、適應環境氣候的自我調節能力……
而這都不是科幻小說：這些新型的布料即便還不能大規模生產，但也已經處于研發當中，某些甚至已經出現。以此類推，如果我們能夠像植物那樣按需合成纖維素，我們就能擁有更輕盈、更有效和更節省的建筑材料（比如堅硬的架構、不透水的表面材料）。
當化學變得溫和：生物礦化作用
動物不僅僅生產有機材質（憑借大大超越任何人類技術的方式），同樣也生產礦物質——陶瓷材料。貝殼里的珍珠質、牙齒的牙釉質、雞蛋的殼等，都是動物利用從食物、海水、土壤等中獲取的礦物質合成而來。我們將這個過程稱作生物礦化作用，它在動物世界中是極其普遍的，而且它也存在于某些植物身上：硅藻等微型藻類（見第54頁），它們利用水中的礦物質生產自身的骨骼，這種骨骼由二氧化硅（也就是玻璃的組成成分）組成。
同有機材質一樣，由動物和植物生產的礦物質也是按需生產的：它們能自我更新、生長；它們能組成一種密閉的保護殼，（幾乎）無法從外部破壞而內部又極其脆弱（如雞蛋）；它們可以非常鋒利，而且能自我銳化（比如海膽的棘和老鼠的牙齒）；它們能承受對自身比例來說十分巨大的重量（比如我們的骨頭，見第116頁）。與有機材質一樣，它們也讓工程師們浮想聯翩。
它們最出色的品質或許是它們的堅固。牡蠣的珍珠和鮑魚的珍珠（見第50頁）比凱夫拉纖維和鋼鐵更堅硬，原因在于它們的結構，而研究人員已經能夠模仿它們的結構，創造出類似的材料，這些材料幾乎能對抗任何沖擊，即便它們還只是停留在實驗階段。除了堅固，珍珠質還有輕盈和美觀的優點。在幾十年后，我們或許能擁有一種摔不碎的陶瓷，而且這種陶瓷還能與最漂亮的貝殼媲美，并且絕對可循環——如同所有自然生產的礦物質那樣。
可這還不是全部。生物礦化作用還有一個比上面提到的所有品質都更出色的優點：它是在常溫下完成的。這似乎沒什么大不了，但這其實是解決環境污染和能源消耗難題的辦法。直到目前，獲取玻璃、陶瓷、瓷器等材料的化學轉化過程都是通過將原料置于極高溫的環境下來完成的。對硅藻（見第54頁）或者海綿（見第44頁）的模仿讓人們能夠設想一種不一樣的方式：將原料集中在“溫和化學”的條件下，在常溫下合成材料。雖然這種方式還不普遍，不過它讓人得以窺見一個新的時代，在這個時代里，工業能夠不產生污染和能源浪費，產出的材料能夠真正地與自然相容。
流線型外形和節能
正如化學在初步發展階段沒有考慮到能源的成本，20世紀的科技發展（比如在運輸行業）也是在忽視能耗的情況下進行的。當一架飛機能夠完成長距離飛行或者打破飛行距離的紀錄時，它消耗了多少燃料是無關緊要的。我們現在已經超出那個階段了，但在節能領域，如同在空氣動力學領域，大自然仍能教給我們許多知識。
幾十年來，工程師們都從動物（或植物）的外形或身體比例上獲取靈感，以改善風阻系數、減少阻力和顛簸等。在20世紀70年代，正是大型魚類和海洋哺乳動物引導了德國人海因里希·赫特爾（Heinrich Hertel）的研究。對海洋動物的體形和身體比例的研究使他完善了流線型外形的計算，并研制出了更節能的飛機。最近，另一種魚，箱子魚（見第84頁）啟發了一種新型汽車的設計：這種新型汽車并非賽車，而是一種能減少三分之一燃料消耗的運載工具。
除了能夠教會人類節約能源，動物還掌握著工程師們的許多問題的答案（對一些仿生學家來說則是所有問題的答案）。貓頭鷹的靜音飛行的方法被模仿用于戰斗機，但同時也能讓某些高速列車更加安靜和舒適。更令人意外的是，翠鳥（見第98頁）以其潛水技巧，啟發日本高速列車建造者解決了一個難題：如何讓列車不顛簸地進入隧道？
在節能方面，仿生學的潛力超乎人們的想象。證據就是格雷（Gray）提出的疑問。在20世紀30年代，這位生物學家明確說到，像金槍魚和海豚這一類游速極高的海洋生物，它們的肌肉組織并不足以解釋它們的移動速度。這對于水母也是成立的：水母為何在高水壓下，依然能如此快速地移動呢？今天我們知道格雷的計算是錯誤的，這一疑問的真正答案在于渦旋。這個詞語再次讓人想到了科幻小說……而事實的確很奇妙。渦旋，是指在水中（或者空氣中）由于一個大體積硬物（比如魚或飛機）的移動而產生的旋轉。金槍魚和海豚的秘密，在于利用這一個渦旋的能量來作為它們肌肉力量的補充。這一切都在完美的節奏中完成：金槍魚尾部的拍打節奏讓它能夠在最大程度上利用上一次身體擺動所產生的力；水母收縮肌肉的節奏，讓它正好能夠借助它制造的前后兩個渦旋相撞產生的推力……
這些動物的策略不僅啟發了某些機器人的移動方式，而且在新運輸工具的發明中扮演著越來越重要的角色。渦旋的利用還為新能源的發展打開了一扇門：比如已有的模仿金槍魚的鰭的海底水力發電系統（見第88頁），以及能夠將高速路上車輛經過所產生的渦旋轉化成電流的計劃。
像一棵樹那樣建造：建筑師與仿生學
是否存在一種平衡的、在比例上對應了樹的高度與結實度的建筑物，一種全部由可循環材料建造的建筑物，一種能夠汲水并且獲取維持其穩定運行所需能量的建筑物？答案當然是：否。然而，建筑師不僅常常從自然中尋找美學上的靈感，而且他們當中的許多人同樣也在其中尋找實際問題的解決方案——或者生態問題的解決方案。
除了被當作一種建筑材料，樹木還是一種被模仿的榜樣——而且一直以來都是：我們知道棕櫚樹（見第26頁）啟發埃及人建造了埃及廟宇中的支柱。在18世紀，正是橡樹給英國工程師約翰·斯密頓（John Smeaton）提供了新型燈塔的模型。紅白相間的埃迪斯頓燈塔——今天以“斯密頓塔”之名為人所知，就是以橡樹為模型修建的一系列燈塔中的第一座，它的高度和堅固程度都是當時前所未有的。為了能將花崗巖石塊堆積起來，斯密頓模仿了橡樹的樹干比例：底部加粗，垂直上升時收縮，頂部再次加粗，以抵抗風力。
在20世紀末，給了建筑師們新想法的已經不僅僅是樹的外形，還有它們的內部構造。竹子（見第24頁）和松樹（見第22頁）就是其中一個例子，它們的生長方式直接啟發人類開發了一款能夠最好地分配壓力的設計軟件。換句話說，在今天，從理論上說，已經有一些汽車是以松樹的生長方式生產的了。
更寬泛地說，建筑師們不僅從樹木中獲取靈感，而且還從整個大自然中學會構造以及和諧的道理。在1917年，蘇格蘭生物學家達西·湯普森（D'Arcy Thompson）發表了一本劃時代的著作：《生長與形態》（On Growth and Form）。在這個題目下，湯普森探索了物理規則對于生物的外形的影響：為什么一種動物，比如一條魚，要依據其生長環境“構建”自身——是為了應對水的壓力，還是為了能在捕食者面前逃離？在《生長與形態》一書所羅列的規則中，答案依然是——節約。大自然總是以盡可能少的物質來構建自身，生物體必須“發明”適應這種需求的外形：蜜蜂的蜂房、硅藻的骨架、雞蛋的外殼……
與作者的預想相反，《生長與形態》并沒有給生物學帶來巨變，反而成了建筑師和工程師的參考資料。達西·湯普森的計算尤其為自承重建筑帶來了寶貴的幫助，自承重建筑是指穩定性和堅固性依賴于自身外形的建筑物，如穹頂建筑——巴黎的球幕影院La Géode就是一個代表。穹頂建筑在20世紀中期由建筑師理查德·巴克敏斯特·富勒（Richard Buckminster Fuller）改進，它并非“真正”的球形，而是由相互交錯的三角形、六角形和五角形組成。這是一種加入了大自然現存模型的建造方式：為了使用最少的材料建造出最堅固的球形，最好是求助于三角形或者六角形單位——這正是硅藻的選擇。
在21世紀初，建筑師們前所未有地把目光投向了對生物的模仿。關注點在于：外形的優雅和材料的節約，以及環保和零能耗。再引述一個例子：建筑師丹尼斯·道倫斯（Dennis Dollens）的工程，旨在推廣他稱作“數碼建筑”或者“基因建筑”的建筑方式。
道倫斯的觀點是信息技術使我們可以像大自然那樣建造，也就是說，模仿植物生長的方式，即樹葉或枝丫在一條莖上的分布方式——與它們給我們的無規律的印象不同，這種分布并非是隨意的。道倫斯設計出的建筑中，房間就像植物的“果實”一樣分布在一條“莖”上。這種設計有兩個好處：一方面，每一顆“果實”都擁有最大的向陽面積，也就是有更大的被動采暖的可能性；另一方面，這種方法能夠在節省材料和空間的同時，安置下盡可能多的房間。
如果我們模仿大自然本身？
這正是如今眾多仿生學家所呼吁的，在他們當中有美國人雅尼娜·拜紐什（Janine Benyus），生物模仿運動（Biomimicry）的發起人。這個新名詞讓拜紐什能夠為仿生學貼上不一樣的標簽，這樣的標簽有別于不以創造與環境和諧的科技為特定目的的仿生學。正相反，生物模仿運動希望能夠從大自然中學習，進而開發一種環境無害型的工業、農業、建筑業或者生活模式——它們如同大自然本身那樣，是可循環且能源自給的。
例如草原和森林，它們是持久的生態系統，能夠在不使土壤退化的情況下生產水果和種子。我們能夠想象一座以同樣模式運作的花園嗎？答案是肯定的。生物模仿運動組織中的一些成員從北美的草原模式中得到靈感，成功地開發了一種與目前通行的粗放式農業具有同等產出的農業系統，不過這種新型農業系統是可持續的。方法在于：放棄單一作物種植，讓至少五六種作物共存，將土壤好的地塊讓給扎根很深的多年生植物和豆科植物，優先培育生長期相錯的作物。
另一個例子是循環利用。大自然能將一切循環利用；而且與人類不同，大自然的循環不求助于不可循環的有害化學品……我們也能這么做嗎？同樣，答案是肯定的。現在已經出現了多種從大自然中學來的用微生物處理污水的方法：這些方法通過復制河岸或者森林土壤的環境使污水中的有機物轉化成腐殖土——這種腐殖土又再擔任過濾的角色。這一切都比我們現在常用的處理方式節省90%甚至100%的能源。當然，自然的循環方式不能處理有害物質，不過仿生學還能使工業生產避免使用大多數的有害材料。
最后一個例子，也許是最炫目的一個，即光合作用。植物每年能轉換多達人類能源需求十倍的光能，受此啟發，人類才發明了用于太陽能板的光生伏打電池——但這比植物還差很多。它們的不足之處在于效率低下，并且無法長時間儲存它們獲取的能量。目前的解決方案是，越來越高效、能儲存更多能量的電池正在有規律地更新換代。在短期和長期內，對植物的觀察或許能讓我們更有效地模仿光合作用——從而利用一種不僅可再生而且免費的能源。
如果說仿生學（尤其是生物模仿運動）吸引了越來越多的研究者和工業家的興趣，那么這是因為大自然部分地解答了——或者能夠解答——目前最為關鍵的兩個問題：環境保護和能源短缺。如果大自然與科學技術是不可分離的；如果它們并不是不可兼容甚至敵對的；如果它們在最好的情況下，并不是要互相消滅的話；如果……那么許多事情就有可能成功。因此，我們就能夠瞥見一個不全然是玫瑰色，而是綠色的未來。未來是屬于仿生學的嗎？很難不這么期盼。
