2026年第七八期 破译自然界的“瓷砖密码”

在自然界，许多生物的体表结构由重复单元（如皮肤裂纹、鳞片、壳板等）构成，它们在分子、细胞或组织层面呈周期性排列，以实现特定的结构或功能优势。重复单元通过进化优化使生物体在保持结构稳定性的同时，还能实现轻量化、灵活性与功能性。例如，昆虫的外骨骼‌由几丁质重复单元构成，以提供保护与支撑；鱼类的鳞片‌通常呈重复排列，以减少摩擦并提高运动效率；爬行动物的皮肤鳞片‌由重复的角蛋白单元组成，有助于防水和防御；植物表皮的气孔和表皮毛‌在某些物种中呈重复分布，以调控气体交换与减少蒸腾。

德国柏林洪堡大学生物学家约翰·尼亚卡图拉领导的研究团队将生物体表的这种重复结构描述为“生物瓷砖图案”，首次系统梳理了100个生物镶嵌案例，涵盖了动物、植物、微生物乃至病毒。而且，生物瓷砖图案的尺寸跨度惊人地大。从病毒蛋白质外壳上仅有几纳米宽的“微型瓷砖”，到棱皮龟（又称“革龟”）背甲上宽达几十厘米的巨型甲片，两者相差竟达10亿倍。相关的研究成果发表在《‌美国科学院院刊·连结‌》（2026年2月刊）上，引发了科学界的广泛关注。

昆虫复眼视觉敏锐

昆虫复眼由类似小方块状瓷砖结构的数百至数万个六边形小眼紧密排列组成，这种高效的密铺结构能在曲面复眼上实现最大覆盖，从而大大拓宽视野。每个小眼包含角膜、晶锥、感光细胞等结构，能接收特定方向的光线。色素细胞隔离相邻小眼，能避免光干扰，确保成像清晰。每个小眼独立感光，组合后可覆盖接近360°的水平视野和270°以上的垂直视野，几乎无盲区。

昆虫复眼对移动物体极为敏感，时间分辨率可达每秒300帧以上（远高于人眼的60帧），这使昆虫能快速对高速运动目标作出反应。例如，苍蝇拥有由数百至数千个小眼组成的复眼，每秒可处理250次闪光（人类仅约60次）。当苍蝇需要观察周围环境时，4000多只复眼如同高速相机一般，在一秒钟内能捕捉并处理100万张独立照片。这意味着我们拍打苍蝇时快速挥掌的动作，在它们眼中如同慢放画面。复眼使苍蝇能同时感知来自多个方向的威胁，其3只单眼可感知光线强弱变化。当人的手靠近并形成遮光时，苍蝇会立即察觉。

再如，蜻蜓鼓起的形似珠子的眼睛，包含3只单眼和2只复眼。其中，复眼又由2.8万多只小眼组成，等于自带2.8万多个测速器，无论遇到什么状况都能第一时间准确作出判断。这种典型捕食性昆虫在飞行过程中，可同时追踪多个高速移动猎物，并预测其轨迹，被誉为“昆虫中的战斗机”。

大象“瓷砖纹”能散热

大象缺乏汗腺，无法通过出汗降温。但它们皮肤上无数褶皱和微小裂缝形成的复杂的“瓷砖纹”图案增加了表面积，有助于散发热量。裂纹能储存水分和泥浆，形成天然泥膜，减缓水分蒸发速度，使皮肤在高温下保持比光滑皮肤多5~10倍的湿润时间。此外，泥膜可抵御紫外线辐射、蚊虫叮咬及寄生虫侵袭。

大象的“瓷砖纹”是由基因决定的先天结构，皮肤随着成长不断拉伸与更新，在自身重量和活动压力作用下逐渐形成微观皲裂，成为它们适应环境、确保关键器官（如象鼻）灵活运动的重要生理特征。在不同象种身上，瓷砖纹存在个体差异。例如，非洲草原象裂纹最深，以适应干旱环境；亚洲象裂纹较浅，与它们生活在较湿润的栖息地有关。

蝴蝶鳞片美丽而实用‌

我们在触碰了蝴蝶后，手上往往会沾上细粉一样的物质，这其实是蝴蝶翅膀自带的鳞片。在显微镜下，我们能观察到蝴蝶翅膀表面覆盖着数以百万计的微小鳞片。这些鳞片并非随意分布，而是像屋顶的瓦片一样一片挨着一片，整齐有序地叠加，并按照前后顺序覆盖在翅膀膜上，构成了一个精密而功能多样的结构体系。每个鳞片通常有一个基部小柄嵌入翅膀的凹窝，其自由部分呈扇形或椭圆形，并沿着纵向长出细长的隆起。鳞片细胞在发育过程中会迅速分化成交替的“覆盖层”（覆鳞）和“被覆盖层”（基鳞），从而形成重叠的瓦片状图案。

这种独特的层叠排列方式是蝴蝶翅膀保持绚丽色彩的物理基础。其中，一类鳞片含有色素颗粒，赋予翅膀颜色；另一类鳞片有着复杂的结构，通过光线反射、折射等呈现出耀眼的彩虹色，从而使翅膀产生变幻莫测的色彩和金属般的光泽，有助于迷惑天敌或进行求偶展示。

瓦片状的层叠排列也赋予了翅膀多重生物学功能。雨水落在翅膀表面形成水滴时，鳞片之间的微小间隙能够促使水滴聚集并快速滑落。某些鳞片上的细微齿状结构还能分散雨滴，减小冲击力，实现自清洁效果。同时，鳞片还可以充当微型温度调节器。当阳光强烈、温度过高时，鳞片会自动张开以减少热量吸收；当温度过低时，鳞片则会闭合以吸收更多热量，帮助蝴蝶维持适宜的体温。

鲨鱼盾鳞功能‌多

鲨鱼的“瓷砖状护甲”指的是其皮肤表面覆盖的盾鳞（微小V形沟槽，也称“齿状鳞片”），是一种由珐琅质和齿质构成的特殊皮肤衍生物。盾鳞的结构类似微型牙齿，表面覆有釉质，根部嵌入真皮层，可在一定角度内灵活活动。盾鳞呈细小、密集排列的片状，形似屋顶或地板上的瓷砖，彼此嵌合，形成连续保护层。

盾鳞展现出多种动态特性，与它们的流体动力学性能密切相关——

被动竖起与复位。在特定部位（如尾部、鳍后缘等反向压力梯度高的部位），当在边界层出现逆向流动时，盾鳞会因流体动力学作用被动竖起，最快仅需1毫秒即可张开至约50°，形成屏障以阻止水流分离。当顺流恢复时，盾鳞又能快速放平，以恢复光滑表面。

减少湍流与阻力。盾鳞呈覆瓦式排列，表面具有沟槽和肋条结构，能有效抑制湍流生成，延迟边界层分离，从而显著降低游动阻力。

持续更新与脱落。盾鳞一旦成形，大小不变，但会随鲨鱼生长不断新增，并周期性脱落更新，这有助于维持表面完整性并清除附着物。

‌抗污损机制。盾鳞间的纳米级沟壑能产生微湍流，使藤壶等附着生物难以稳定附着。同时，结合抗菌黏液分泌，形成动态防污系统。

‌结构适应性响应。盾鳞的排列角度和密度因身体部位而异，可局部调节表面刚度与柔韧度，以适应不同运动需求。

此外，盾鳞还具有保护功能，能抵御捕食者或环境损伤。藤壶是一种特殊的寄生类海洋生物，不会直接破坏寄主的皮肉组织，而是凭借密集附着，一点点折磨寄主直至其死亡。当它选定合适的附着地点后，体内的胶腺会分泌出一种特殊的胶液，通过胶腺导管输送到底盘，作为天然黏合剂将自身牢牢固定在附着点上。而盾鳞表面光滑且结构精密，藤壶的吸盘和黏液根本找不到着力点。

盾鳞的形态差异是长期进化的结果，能够确保鲨鱼适应不同的生态位（如底栖、远洋、高速捕食等），始终与运动模式、捕食策略及环境挑战相匹配。不同鲨鱼物种的盾鳞形态存在差异。例如，高速游动的鲨鱼（如短鳍灰鲭鲨）拥有更小、更紧凑的盾鳞（长约0.2毫米），以最大限度减少阻力。

犰狳鳞甲‌作用大

犰狳体表覆盖着坚硬的鳞甲（“骨质甲带”或“盔甲”），因此被称为“铠甲战士”或“铠鼠”。犰狳行走时，好似一辆特别的机甲战车。有趣的是，犰狳坚硬的骨质甲带不仅能保护自身，还能成为平坦道路上的减速带。由于它们经常喜欢在公路上觅食，每当遇到汽车时，就会被车轮直接从身上碾压过去，从而让车速减缓，但对它们而言这并不会造成任何的伤害。

鳞甲由骨板（真皮骨化形成）和覆盖其上的角质层共同构成，通常分为头、身、尾三部分。其中，头部和尾部的鳞甲固定不动，而胸背部的鳞甲呈带状，由弹性皮肤连接，可以自由活动，能使身体弯曲。这种可控变形的镶嵌结构设计赋予了犰狳极强的灵活性，在遇到天敌威胁时，它能够迅速灵活地将身体蜷缩成一个紧密的球体，将柔软的腹部和四肢完全护住，同时保持外部甲片的刚性覆盖，形成有效的防御姿态。这种刚性与灵活性的平衡，是自然演化中镶嵌结构的典范。

不同种类的犰狳的鳞甲数量和排列方式不同。六带犰狳的躯体中段通常具有6个环状可动横带，由弹性皮肤连接，使身体能够弯曲活动，以弥补整块背甲无法灵活运动的缺陷。三条纹犰狳具有铰链式双层盔甲。在遇到危险时，它们能完全蜷缩成密闭球体，将柔软的腹部完全包裹。

生物瓷砖图案不仅是美学上的奇迹，更是进化的杰作，展现出刚性与柔韧性的平衡，并具备运动、防护、感知等多种功能。这些自然密码为仿生学研究提供了丰富的概念灵感，给产品设计、建筑设计、材料科学乃至复杂系统工程设计带来新思路。

“鲨鱼皮”泳衣

“鲨鱼皮”泳衣是速比涛公司研发的仿鲨鱼皮肤结构的高科技竞技泳衣，1999年获国际泳联批准使用。它历经四次技术迭代：2000年，鲨鱼皮泳衣采用仿生纤维技术制成；2004年，第二代鲨鱼皮泳衣的材质融入颗粒状结构以减少阻力；2007年，第三代鲨鱼皮泳衣提升材料弹性；2008年，第四代FASTSKIN LZR Racer 应用超声波黏合技术实现无接缝设计。

鲨鱼皮泳衣表面材质模仿鲨鱼皮的“砂纸”（分布着上百万个微小的具有V形沟槽结构的鳞片构造），以化解水中涡流。它采用超伸展聚氨酯纤维等材料，模仿人类皮肤以提供动力和弹性。据测算，穿着鲨鱼皮泳衣游泳，水中阻力可降低10%，氧气消耗减少5%，成绩可提升2%。

从2000年悉尼奥运会开始到2009年，鲨鱼皮泳衣让世界泳坛成为世界纪录量产的舞台。单是 200 年就诞生了108次新纪录，这一现象也被称为“鲨鱼效应”。在2009年意大利罗马世界游泳锦标赛上，22岁的巴西名将塞萨尔·西埃洛身穿鲨鱼皮泳衣，创造了男子100米自由泳46秒91的世界纪录。国际泳联决定自 2010年1月1日起，全面禁止聚亚安酯合成泳衣，比赛服必须是纺织材料的短泳衣。

自那时起，世界泳坛便面临着艰巨的破纪录难题——因为光拼体力，的确很难匹敌鲨鱼皮泳衣助力的水准。直到2022年8月14日，在欧洲游泳锦标赛男子100米自由泳的决赛现场，才迎来了历史性的时刻：17岁的罗马尼亚小将大卫·波波维奇在无鲨鱼皮泳衣助力的情况下，以46秒86打破了西埃洛的世界纪录。从46秒91到46秒86，这0.05秒的提升，男子100米自由泳的一代代选手走了整整13年。

“仿象皮纹冷却砖”

新加坡南洋理工大学的研究团队受到大象“瓷砖纹”结构的启发，开发出“仿象皮纹冷却砖”，用于被动降温。研究人员先把普通平菇的菌丝体与从家具的废料中回收的竹屑混合在一起，再将其与燕麦和水混合，压入具有气泡状凹痕和粗糙线条图案的模具中放置两周，然后再花费两周的时间在热炉中干燥。

在实验中，研究人员将仿象皮纹冷却砖放置在100℃的加热板上15分钟，并用红外摄像机跟踪温度变化。他们发现其冷却速度比普通瓷砖高出25%，而加热速度则降低了2%。在模拟雨水测试中，水滴被困在仿象皮纹冷却砖的缝隙中，不但不会被材料吸收，冷却效果反而提升了70%。

随着全球变暖的加剧，寻找低碳替代品变得尤为迫切。这种新型仿生冷却材料无须电力即可通过蒸发冷却效应降低物体表面温度，适用于建筑外墙、背景墙等需要自然降温的区域，能有效应对传统建筑材料高污染的问题。

仿三带犰狳蜷曲机器人

在第十届全国大学生机械创新设计大赛上，由浙江工业大学机械学院本科生团队研制的仿三带犰狳蜷曲机器人荣获大赛一等奖。这是一款模仿三带犰狳独特蜷曲行为的仿生机器人，具有多瓣式结构，可实现蜷曲、伸展、四足行走及蜷曲后滚动等多种运动模式。它为球体展开/闭合机制、空余空间填充方法提供新思路，适用于崎岖地形、微气候监测、资源采集等科研任务，还可作为互动仿生玩具，提供蜷曲、伸展、移动等趣味行为。

这款仿三带犰狳蜷曲机器人采用多瓣式蜷曲结构，由前甲、后甲、中甲（含第一、第二、第三中甲）组成，通过联动机构实现协同蜷曲与展开；通过填充增强系统在蜷曲过程中自动填充各甲壳间的空隙，形成接近球形的密闭结构，保护内部组件；蜷曲时，头尾自动闭合，增强整体防护性；配备四足行走机构和可升降滚轮，支持地面行进与蜷曲后的滚动移动；采用“V型对列双丝杠连杆组”模拟肌肉驱动，实现高效联动。

文 | 李忠东

图源 | 摄图网版权图片、网络图源

来源 | 《科学24小时》2026年第7-8期

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