自洁技术的研发灵感：从动物的毛发得来

可以观察到当一只苍蝇落在餐桌上，它做的第一件事居然是清洁自己，而且是非常非常地小心。虽然我们看不见覆盖在动物的表面上灰尘、花粉以及隐藏着那些如果不及时处理就会进入其身体的螨虫。

保持清洁是一个至关重要的。所有的动物，包括我们人类，都非常重视清洁。每年，我们都会花一整天的时间来沐浴，此外我们也会花上两周时间打扫房子。清洁已成为生活必需，就如同饮食、呼吸和繁衍一样。

然而，对于清洁的研究却很少被关注。

最近，《实验生物学》杂志上发表了一篇论文，研究人员讨论了在自然中动物的清洁是如何进行的，以及动物是否遵循越来越干净的规律。观察来自数以百计动物的毛发显微图像来统计其数量和尺寸，并且阅读近百篇关于自然界清洁的文章，以试图梳理清洁的过程。

推理是科学研究的重要的一步，对于工程技术而言也是很有必要的。研究更好的清洁途径将不仅让我们了解那些不起眼的苍蝇的习性，也是为了能打造新型的清洁设备，以更長久地保持清洁。

毛发大大增加了体表面积

为了研究动物是如何清洁的，首先必须了解他们是如何弄脏的。脏东西积聚在动物外表就像其真实生活的情形。测量动物的表面积不会像测量纸箱尺寸那样容易。大多数动物，从蚊子到大象都有毛发覆盖。除了生物体皮肤外，毛发进一步扩大了污垢积累的表面积。

我们发现，通常情况下，毛发会明显增加动物表面积百倍，最终导致猫会有一个乒乓球桌大小的表面积，南美洲栗鼠有一辆SUV大小的表面积，海獭具有曲棍球场大小的表面积，我们人类头上有100000根头发。其他动物的毛发的数量是也相当惊人的：一只蝴蝶有1000亿根毛发，是海狸的10倍以上，一只蜜蜂绒毛的数量相当于300万个松鼠的。

此外，在动物身上有许多同我们人类相似的头发的同时。动物还具刺、刚毛、鳞片，可以明确的是，毛发增加了身体的表面积使清洁更为糟糕。试想一下，你是喜欢干净、油漆地板还是粗毛地毯呢？

毛发又可视作一种清洗装置

为了清洁身体，几乎所有的昆虫都长有毛腿，毛腿如同一款羽毛除尘器。观察腿与体毛之间的运动，我们发现了体毛具有令人吃惊的功能。我们用高速摄像机观察到果蝇用腿清洁它的头部，让附着在体毛上的微粒产生有近1000倍重力加速度，远远快于果蝇四肢移动速度。果蝇的绒毛从最初作为灰尘的着陆垫，通过与毛腿之间的移动而触发变成一个个抛射器。

有效的清洁不只是像设计好用的清洁工具那样简单，比如清洁刷。也能够设计出有利于清理的表面。通常这些表面就本质而言是对想象力挑战。

我们定义了两个主要的清洁原则。第一种是不可再生清洗策略——它使用动物自身的动力源。比如说，这类似于吸地毯需要动力驱动刷子。

另一种例子并没有使用清洁工具，例如一只湿狗的抖动，而是利用身体自身的惯性。湿狗在高速旋转它的身体时，就像一台具有旋转周期洗衣机。微粒和水滴被甩出，这一过程消耗的是狗的体能。

另外，还有一种再生清洁策略——那些不需要消耗动物的体能的。比如说睫毛，它环绕在眼睛周围，当我们朝前走，与裸露的眼睛相比，由睫毛所产生的气流会减少微粒积累的两倍。所以简单地通过长睫毛，利用经常半眨眼，就可以节约能量为他用。另一个例子是蝉翼上的纳米柱状结构，水滴会连同微粒从动物的皮毛滚落，让它像荷叶一样干净。

表面+能量+行为=洁净

动物如何实现清洁其实是它的表面，它的行为，以及环境所提供的能量之间相互作用。如果有合适的表面，动物得到不用费力地清洁。如果我们有这样的想法，也许我们可以设计出新设备，也达到这样的清洁。

太阳能电池板就像眼睛一样必须让阳光射入。但太阳能电池板每年由于灰尘积累会损失7%的电能。最高科技解决方案是橡胶清洁器。很难想象，计算机时代使我们能够与数光年前的先祖交流，但我们的清洁方法仍停留在过去。

设想将太阳能电池板设计成昆虫的眼睛。放置的微丝可以阻止面板上的尘埃，但光线仍可以穿过。使用这种刷子，清洁面板将会变得简单。就像昆虫那样，面板可以不使用纯水或化学物质就清洗干净。同样，像机器人的眼睛一般的摄像机可以通过在边缘镶嵌睫毛来减少灰尘沉积。工程昆虫眼项目，主要研究合成毛发系统已成为了美国国家科学基金会资助课题。

我们通常会设想未来机器人会有光滑而闪亮的外表，像一部金属战车。但事实上，光滑的表面设计并非常态。未来的桌面可以是纳米级柱状材料的延伸，可以直接杀死接触的细菌。机器人感知环境的探测器可能会覆盖着毛发，可以阻止灰尘便于清理。相信未来可以看到相当多不同种类的毛发。