別小看「鳥巢」,鳥類可能是世界上最好的工程師

別小看「鳥巢」,鳥類可能是世界上最好的工程師

大多數鳥類在繁殖季節,都會選取枝杈、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成材料搭建,但成形的鳥窩卻十分堅固,不易破碎。這吸引了美國俄亥俄州的艾克朗大學科學家杭特·金的注意,希望能夠從鳥窩的動力構造中吸取經驗,以便應用到人類的生活中去。

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為什麼說鳥類是世界上最好的工程師?

「鳥窩」一詞通常用來形容凌亂的髮型、纏繞在一起的釣魚線和其他難以言喻的棘手難題。但種描述對鳥類來說是不公平的。別看它們小小的腦袋,其實裡面裝滿了密集的神經元,並作為自然選擇工程的妙計,就像個奇蹟一般長期以來一直吸引著科學界的興趣——然而目前,人們還沒完全弄明白它。

在美國俄亥俄州的艾克朗大學(University of Akron)內有一個陽光充足的房間,那是軟物質物理實驗學家杭特·金(Hunter King)的機械仿生學和開放設計實驗室,在那裡,科學家們正在努力解開鳥窩的結構動力學之謎。

杭特說:「我們假設鳥窩可能是個無序炸彈,其儲存的能量剛好夠它保持固定的形狀。」杭特是項目的首席研究員,他們最近剛在《應用物理學雜誌》上發表了一篇研究相關的初步綜述,名為《隨機排列的絲狀物——以「鳥窩」為原材料的研究》,他補充道,很明顯,鳥窩這種炸彈,永遠都不會爆炸。

杭特和他的同事在文章中試著回答了一些簡單的問題,比如:鳥窩搭建背後的機械原理是什麼?「巢態」統計上的穩健特徵是什麼?也就是說,是什麼將一個鳥窩與其他差不多的枝枝叉叉區分開來,它們是被緊緊地捆在一起,還是雜亂地散落一地?

杭特說:「在分子層面,化學家為了其預測整體的機械性能,會合成不同長度或剛度的聚合物。然而,鳥類行為的是我所說的'機械合成',它們會根據對其巢穴性能的預期制定一些選擇材料的標準,一般都是一些瘦小的材料。」

鳥窩搭建是一種獨特的化學方法,而且這幾乎都可以說是一種煉金術了。它是用無數個不起眼的小部分,凝聚成一個更大的總和。據推測,這種搭建原則並不只適用於樹上的鳥窩,而是同樣可以被廣泛運用於人類生活中的建築、包裝、減震等結構。

紅衣主教雀。Andrew Spear for The New York Time ▲ 杭特和他的團隊試圖讓動物園裡的紅雀用這些材料築巢。Andrew Spear for The New York Times

杭特將以主教雀(亦被稱為紅衣主教雀)為這項築巢研究的主角。相比於知更鳥用泥巴築巢來說,主教雀入選主要是由於在築巢的過程中,她基本上就只是簡單地把樹枝堆在一起,不會加入泥巴讓過程複雜化。杭特和同事們在提議中是這麼寫的:「當主教雀在搭建她標誌性的杯狀鳥巢時,以自己的身體為模板製作鳥巢需要的纖細的樹枝,草,和樹皮條兒,雖然它們很柔軟,但卻能在多種機械擾動中讓巢穴保持穩固的形狀。」這項研究最終得到了國家科學基金會的資助。

在模擬鳥巢幾何結構、彈性和摩擦力之間微妙的相互作用時,杭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「有一點蒸汽龐克風格」的實驗。他們建了一個人工鳥巢:用雷射切割一個裝有數百根竹籤的圓筒後散裝購買。然後在鳥巢周圍建了個小膛室,利用之前觀測橡膠機械反應裝置的組件去測量鳥窩在被反覆壓縮時的反應。

這不只是個隱喻

杭特和研究夥伴最近發表的論文主要回顧了鳥窩領域的研究,儘管不是非常完善。

杭特的書架上有一本麥克·漢塞爾(Mike Hansell)的經典著作《鳥類與其巢穴搭建行為》(Bird and Construction Behavior)。漢塞爾是格拉斯哥大學(University of Glasgow)動物建築學榮譽退休教授,他曾在世界各地的博物館進行實地考察。例如,他在逛倫敦自然歷史博物館(Natural History Museum)的時候,就發現了一個「用草和幼根組成的杯狀鳥窩」,這是由已滅絕的新西蘭鶇鶲(Turnagra capensis piopio)搭建的,看起來很普通。

「這隻鳥最後一次被發現是在1947年,」他寫道,「它在世界上可能已經沒有其他的巢穴了。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造者,是鳥窩延續了這個已經滅絕了的物種的長久存在。」

Piopio。Museum of New Zealand Te Papa Tongarewa

Piopio的鳥巢。Museum of New Zealand Te Papa Tongarewa ▲ 杭特·金在艾克朗大學的實驗室。Andrew Spear for The New York Times

多年來,透過與建築師和工程師的接觸,漢塞爾「對自己能從鳥類築巢中學到什麼東西產生了一定的懷疑,」他在一封郵件中說,「世界上有幾千種會築巢的鳥類,它們每個都試著創造一個適合自己的環境來保護他們的後代。那麼,我們能從這些築巢結構中學到什麼嗎?答案是肯定的,但前提是,我們必須對鳥窩的搭建有適當的了解。」

杭特還挺樂觀。在這篇論文中,他對鳥窩的一系列材料進行了認真研究,認為從圓圓的沙粒到棉球裡的細絲都具有湧現性:當它們隨機組合在一起時,便會集體行動,這過程就像是一種「擠壓堵塞」。

杭特說:「如果我們把鳥窩材料想成是一堆硬塞在一起的木棍,其實在某種程度上是準確的。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。」

在參考文獻裡,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」)是如何聚在一起並相互滲透成團的。另外,他還提到2016年的一篇關於「偶然性建築」的論文。在拉丁語中,alea指的是骰子或賭博;在這篇論文中,研究者提出了一個問題,即建築設計是否可能源於偶然的無序狀態:「我們是否能發明一個概念來解釋各種偶然的秩序呢?」

一個不對稱的能量循環

當然,搭建鳥窩也並不是完全隨機的。那它們是按照什麼普遍邏輯搭建的呢?「巢穴性狀」的精髓又是什麼呢?杭特希望思維的靈活性可以「讓潛在的故事浮出水面」。

杭特和同事已經在探索人工鳥巢中的材料是如何聚集在一起,以及整個鳥巢體是如何吸收能量的。到目前為止,他們已經觀察到了杭特所說的「由可逆滑動引起的穩態滯後」。

「滯後」一詞源於古希臘,意為「不足」或「落後」。簡單地說,它描述了一個物理系統如何基於先前對它產生的作用而表現出不同的反應。就是說,把兩個1磅重的東西掛在橡皮筋上,然後拿掉一個,這樣橡皮筋上就只剩下了另一個。在這種情況下拉伸橡皮筋,然後與一開始的兩個相比,橡皮筋會被拉得更遠。這便是所謂的滯後。但是,橡皮筋不是理想狀態下的彈簧,這會造成系統能量的損失。

在杭特製作的樹脂玻璃圓柱體「鳥窩」上,也會出現這種類似「滯後」的情況。這些木棍被慢慢地壓縮到其最大承受力,然後釋放,如此循環往復。在每一次循環中,木棍會被壓得更緊一些,然後再彈回來,但只是彈一半。這個時候「滯後」便發生了。最終,對所有給定的木棍皮層,包括其長寬比、直徑除以長度,系統都會找到它最大的限度,或者說是穩定狀態和密度。

然後,實驗者再來幾次循環,把這些木棍擠壓的更碎一些,以為這樣就不會有「滯後」現象了。可即便如此,數據顯示滯後現象仍在發生。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象稱為「穩態滯後」。

杭特·金的實驗。Andrew Spear for The New York Times

丹·加文(Dan Garvin)在鋼瓶裡攪拌木棒,然後把鋼瓶拿出來,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)在機械測試器上對這些棒子的結構完整性進行了測試。Andrew Spear for The New York Times

透過電腦模擬,他們找到了一個解釋。事實上,在壓縮過程中,當一根木棍在另一根木棍上滑動時,它們會稍微重新排列。但這種滑動在木棍一鬆開就會自行消失——這就是所謂的「可逆的滑動」。鳥窩變成了一個不對稱的彈簧:被推擠的時候變硬,而被放開的時候就是軟的了。(2018年,波蘭在一項研究也對此進行調查,並提出類似的結果。)

這一現象的發現可能正是研究人員所想要的。即在外力作用下的基本機械反應過程,不僅是鳥窩設計的基礎,也同樣應該存在於其他的系統中。

這些只是初步的發現,杭特將繼續在實驗室裡研究,在伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的國家超級計算應用中心(National Center for Supercomputing Applications),由機械工程師馬蒂亞·加索拉( Mattia Gazzola)和他的博士生亞希拉傑·博薩爾(Yashraj Bhosale)對此研究進行進一步的模擬工作。

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  • 本文授權轉載自36Kr

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