阿蘭·圖靈（Alan Turing，1912—1954）作為一名數學家，對自然界中那些規律性重複圖案的形成產生了興趣。
阿蘭·圖靈
他於 1952 年發表了《形態發生的化學基礎》，提出，自然界的許多生物如斑馬、獵豹、貝殼上自然形成的斑紋影象，可能是由兩種特定的物質（可以是分子層次、染色體層次或細胞層次），相互“反應”和“擴散”交替作用產生的，也就是按照一個被稱為“反應 - 擴張”的模型，這兩種組分將會自發地、自組織形成斑紋、環紋、螺旋或斑駁的斑點等結構，此被稱為“圖靈結構”。
仿生聯想與“圖靈結構”圖
牛津大學數學生物學名譽教授詹姆斯·莫里（JamesMurry）曾對這一現象打了一個有趣的比方，要想直觀地瞭解反應擴充套件模型是如何工作的，可以設想有一片乾草地，上面有大量的蚱蜢，草地上發生了陰燃，火勢正慢慢蔓延到整個草場。蚱蜢們被窒息了，大部分留在原地，當火蔓延到每個蚱蜢附近時，由於蚱蜢體內水分蒸發，充當了局部滅火劑。由於火的氧化反應與蚱蜢體內的水分蒸發擴散及其他各種引數相互作用的巧妙搭配，燃燒後的草地上出現不同的黑 - 黃色、近程無序遠端有序的斑塊。這就把“圖靈結構”的生成作了形象的解釋。
在對這一生物斑紋形成機制的研究中，我們能否得到聯想啟示，由人工合成類似的物質？2018 年《科學》雜誌報道，研究人員把哌嗪和均苯三甲醯氯兩種小分子物質，分別溶解於水和油中，兩種小分子在水、油相交接介面處發生聚合反應，因擴散速度與反應速度的大小交替，幾秒鐘內在介面形成一層平滑的高分子薄膜，緻密層厚度約為 100 奈米。透過向聚合反應中新增聚乙烯醇，調整哌嗪的擴散速度，最終制成一張具有奈米尺度的、有“圖靈結構”的高分子斑紋膜。作為一種新型納濾膜，這種膜材料，可用於飲用水的深度淨化，如鹹水淡化、工業水回收等領域，制淨水的速度可以較傳統的納濾膜提高三、四倍，這也是一種從自然現象聯想進行有效發明創新的例項。
哌嗪
仿生學研究常常引發出許多奇思妙想。大家看到一隻蒼蠅輕快地轉身，倒掛在天花板上，不覺得是一件新鮮事。然而多年來，科學家一直沒有能搞清楚，這類昆蟲是如何完成這一空中特技的，即使現代無人機也無法與蒼蠅的複雜降落技巧相媲美。探索這一奧秘，可以幫助機器人、飛行員模擬昆蟲獨特飛行動作，更是一項引人入勝的研究工作。
蒼蠅如何著陸
據《中國科學報》報道，為了製造能夠模仿昆蟲運動的機器，美國賓夕法尼亞州立大學機械工程師 Bo Cheng 和其團隊，使用高速攝像機拍攝並分析了 20 多隻綠頭蒼蠅在一個飛行艙內倒立著著陸的場景。
蒼蠅降落的方式是多種多樣的。有些蒼蠅會先把自己的前腿放在物體表面上，就像後空翻一樣，然後再把身體擺到位；有的著陸方式看起來更像側翻滾筒。
研究團隊發現，蒼蠅主要依靠視覺線索來完成這些動作。當蒼蠅看到它即將與天花板相撞時，必須在 50 毫秒內決定自己如何倒轉身體並用腳抓住天花板或者飛離。
Cheng 和他的同事在 2019 年 10 月 23 日出版的《科學進展》上報告了這一研究成果。還描述了 15 次失敗的著陸，說明最敏捷的蒼蠅有時也會犯錯。
研究者認為，這項跨物種（蒼蠅、蚊子、蜜蜂）飛行動作的研究，只是剛剛起步，希望用蒼蠅來教機器人模仿蒼蠅的滾筒等飛行技能，就像讓孩子模仿父母一樣。仿生學的研究既充滿了挑戰，又充滿了樂趣。
類似的仿生聯想發明還有：化學武器。雖然化學武器現在已被國際禁用，但在它最初的發展過程中也曾受到生物機制的啟示，由聯想而得到改進。鮮為人知的一個事實是，化學氣體儲存於鋼瓶之中，長期儲存不用，會導致閥門等裝置鏽蝕嚴重，沒有辦法正常使用，從而變成一個燙手的山芋。
為了解決這一難題，研究人員由一種“氣步甲蟲”處得到啟示。他們發現在甲蟲的身上分別有兩個小囊，分別儲存有對苯醌O O和雙氧水（H2O2），兩者都不是有害物質。
甲蟲在撕咬其他生物時，兩個囊同時放射出兩種化學物質，瞬間反應，生成劇毒物質以擊退敵人。由於此機制的聯想，科學家發明了二元化學武器，就是分別在兩個容器中儲存非毒物質，而在使用時讓兩種物質混合，瞬間合成為化學武器，從而解決了原有化學武器儲存的問題。
當然，對這樣一種聯想的發明如何評價？這是不是一個有害社會的發明？是否對化學武器的監控、核查製造了困難？這個問題考驗著人類的文明和道德水平，也考驗著創新發明的評價體系。
來源：《科技創新啟示錄：創新與發明大師軼事》
作者：金湧
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