科学之美丨无人机向蝴蝶学习 空间站从壁虎找灵感

为了呈现更多维度震撼人心的科学之美，总台社教节目中心策划推出总台“科晚”延展品牌——“科学之美”。

《科学之美》（第一季）以五大自然奥秘为主题，邀请六位中国科学院院士：物理学家、北京大学原校长王恩哥院士，地衣真菌学家魏江春院士，天文学家崔向群院士，神经生物学家与生物物理学家蒲慕明院士，生物影像学家、海南大学校长骆清铭院士，细胞生物学与生物物理学家程和平院士，共同分享科学之美的体悟。以超微观摄影、科学实验与野外考察纪实相结合的方式，呈现纯粹、极致、绚烂的视觉奇观。记录科学与艺术的共生，吟唱智慧与感性的交响。

从壁虎的飞檐走壁，到帝王蝶的千里迁徙，自然界亿万年的生存密码，始终是人类科技的灵感源泉。央视科教频道（CCTV-10）周日（5月4日）晚22:16将播出《科学之美》第四集《仿生密码》，从太空站“仿生黏附鞋” 到“仿生机器人”，从蝴蝶复眼的“超能力”到指引方向的“自然罗盘”的研发，看中国科学家如何将自然智慧淬炼成影响未来的新科技。

壁虎脚掌的“反重力装置”

无论在垂直的玻璃幕墙上漫步，还是倒挂于粗糙岩壁觅食，壁虎都展现出超强的“反重力”能力。曾经，科学家以为这是吸盘的功劳，南京航空航天大学戴振东教授团队在壁虎的脚趾末端，找到了答案。

△玻璃上攀爬的壁虎

△壁虎的脚掌

壁虎脚掌的黏附力，源于每只脚掌密集排列的、仅有数纳米到数微米粗细的50万根刚毛。它们可以深入微小的缝隙，牢牢抓紧粗糙的墙面。

△壁虎脚底的刚毛

△电子显微镜下放大2000倍的刚毛

当遇到光滑的玻璃时，绒毛末端的铲状分叉又会平铺开来，通过范德华力产生吸附。

△壁虎脚底刚毛末端的铲状分叉

如今壁虎脚掌的结构，竟与遥远的中国空间站产生了关联。在太空中，航天员的下肢屈肌群由于失去重力对抗而逐渐萎缩，骨密度流失，而来自地球的仿生智慧给出了解决方案。

△在太空空间站自由漂移的航天员

“仿生黏附鞋”可以在无重力的环境下，创造一个“人工重力效应”，航天员穿着“仿生黏附鞋”在舱内行走，每一次抬脚的撕脱动作，都相当于在地面提起几十公斤的重物，从而有效预防肌肉萎缩。这项壁虎亿万年进化出的独特技能，正转化为人类走向太空的“黑科技”。

如今，第一批的仿生黏附鞋，已经在中国空间站的神舟十七、十八、十九航天员乘组得到了全系列的应用。

△仿生黏附鞋

帝王蝶的“偏振光导航”

每年秋季，十亿只帝王蝶从加拿大跨越数千公里飞抵墨西哥。没有GPS，它们如何精准导航？答案藏在它们独特的复眼结构中。

△昆虫的复眼

复眼视觉系统，使它们能够捕捉天空偏振光的信息，获取迁徙的方向。

1808年，法国物理学家马吕斯在一次实验中偶然发现，当一束光通过特殊的光学器件时，光强会发生显著变化。这一发现为后来的光学研究打开了一扇新的大门。

两百多年后，科研人员用高清摄影机，记录下了原本无色半透明的晶体在偏振光的作用下所焕发出的光彩。

△无色半透明的晶体透过偏振光所呈现出的光彩

△无色半透明的晶体透过偏振光所呈现出的光彩

北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院的研究团队发现，帝王蝶能捕捉天空中偏振光的振动方向，如同自带“天然指南针”。受此启发，团队研发出一种仿生偏振导航传感器，通过模拟昆虫复眼结构，解析偏振光信息实现自主导航。

△光的偏振实验

与依赖卫星信号的导航不同，这种“自然罗盘”基于自然光学判断航向，在沙漠、水下甚至电磁干扰环境中仍能精准指引方向。目前，该技术已应用于无人机、潜航器等领域，让机器在未知疆域自主寻径。

仿生机器人的“进化史诗”

戴振东团队研究壁虎黏附机制时，发现壁虎的运动能力远比想象中复杂和协调，为仿生机器人设计开拓了新方向。

△壁虎狭小空间运动行为研究实验

从2004年起，团队研发的“仿壁虎机器人”不断升级：从替代人类深入危险管道的检测机器人，到地震废墟中穿梭自如的生命探测器，再到太空轨道上捕捉危险碎片的机械臂······科研人员将自然界亿万年进化的智慧转化为守护人类的力量。

△仿壁虎机器人

△仿壁虎机器人

仿生学不仅是技术的革新，更是一场跨越物种的智慧对话，也是一次美学与科学的深情相拥。

仿生科技如何助力科技未来

自然界的生物在漫长的进化过程中，写就了一部充满生存智慧的“百科全书”。蜘蛛是自然界的“神奇材料大师”，蜘蛛丝比同直径的铁坚韧5倍，却轻盈无比，是目前已知弹性和韧性最高的天然纤维。科学家们一旦破解蜘蛛丝的成因秘密，未来就会在可吸收的手术缝合材料和自动化工业使用的纤维等材料领域得到应用。

△蜘蛛与蛛网

蜜蜂是隐藏在自然界的“建筑高手”，六边形的蜂房结构不仅美观，还体现出了无与伦比的几何学智慧，以最少的材料实现最大承重，其力学效率令建筑师惊叹。

△蜜蜂与蜂巢

仿生不是简单的对自然界生物体的模仿，更是通过理解生物进化中的巧妙设计来解决人类面临的复杂难题。

正如戴振东所言：“仿生学最终的目标是理解自然、保护自然、和自然共生。我们从自然界得到启发，使人类的生活更加方便、更加幸福。”

当自然与科技双向奔赴，人类也将书写出与自然和谐共生的未来篇章。

《科学之美》第四集 《仿生密码》

2025年5月4日 晚22:16

CCTV-10科教频道

看自然界的“黑科技”

如何点亮人类的未来

责任编辑：毛玥尹